顯微形貌分析課件

1、顯微分析通過獲得的形貌分析物體的幾何形狀和大小，組織結(jié)構(gòu)及分布，表面狀況。所用的分析方法主要有：光學(xué)顯微鏡（optical microscopy）透射電子顯微鏡（ transmission electronic microscopy)掃描電子顯微鏡(scanning electrons microscopy)掃描探針顯微鏡 (scanning probe microscopy)場發(fā)射離子顯微鏡 (Field emission ion microscopy) 7/27/2022分析測試中心主要學(xué)習(xí)內(nèi)容透射電子顯微鏡（TEM）掃描電子顯微鏡（SEM）掃描探針顯微鏡（SPM）7/27/2022分析測

2、試中心一 、透鏡成像原理凸透鏡成像的規(guī)律 1.當u2f時，凸透鏡成倒立、縮小的實像 2.當u=2f時，凸透鏡成倒立等大的實象 3.當fu2f時，凸透鏡成倒立、放大的實像4.當u=f時，凸透鏡不成像 5.當uf時，凸透鏡成正立放大的虛像5種典型情況7/27/2022分析測試中心物鏡目鏡A”B”顯微鏡為復(fù)式放大結(jié)構(gòu)、當fu2f時，在凸透鏡像方一側(cè)成倒立、放大的實像（物鏡放大）、當uf時，通過在凸透鏡像方一側(cè)可觀察到在物方一側(cè)有正立放大的虛像（目鏡放大）二、 顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及成像原理3、 顯微鏡的放大倍數(shù)：物鏡放大倍數(shù)目鏡放大倍數(shù)7/27/2022分析測試中心阿貝光柵成像成像系統(tǒng)光路圖如圖所示。當

3、來自照明系統(tǒng)的平行電子束投射到晶體樣品上后，除產(chǎn)生透射束外還會產(chǎn)生各級衍射束，經(jīng)物鏡聚焦后在物鏡背焦面上產(chǎn)生各級衍射振幅的極大值。每一振幅極大值都可看作是次級相干波源，由它們發(fā)出的波在像平面上相干成像，這就是阿貝光柵成像原理。 S0S1S1焦平面，衍射斑像平面O2O3O1O*3O*2O*17/27/2022分析測試中心實際應(yīng)用中，通過分析頻譜圖，便可得出原圖像的信息。下列圖形是在單色光照射下幾種特殊圖像的傅里葉變換頻譜。阿貝成像原理7/27/2022分析測試中心(1) 網(wǎng)格成像實驗裝置 網(wǎng)格：朗琴光柵 正交網(wǎng)格的頻譜：二維點陣狀的夫瑯禾費衍射亮斑 一維網(wǎng)格的頻譜：一維點陣狀的夫瑯禾費衍射亮斑

4、圖5.1-3 阿貝-波特實驗原理xyLzlxfyfxyssfsQFQ7/27/2022分析測試中心豎直方向狹縫濾波：得到沿水平方向排列的一維網(wǎng)格像水平方向狹縫濾波：得到沿豎直方向排列的一維網(wǎng)格像 傾斜狹縫濾波：得到沿垂直于狹縫方向排列的一維網(wǎng)格像圖5.1-4 正交網(wǎng)格的阿貝-波特實驗仿真結(jié)果豎直方向濾波像水平方向濾波像衍射譜45o方向濾波像 輸入網(wǎng)格水平方向濾波豎直方向濾波45o方向濾波(2) 正交網(wǎng)格濾波7/27/2022分析測試中心圖5.1-7 任意圖像的仿真濾波處理結(jié)果低通輸出輸入圖像高通輸出圖5.1-8 黑白圖像的假彩色編碼與解碼（q 調(diào)制）原理經(jīng)不同光柵編碼后的圖像白光照射下編碼圖像

5、的頻譜濾波解碼編碼后的圖像阿貝成像原理與空間濾波7/27/2022分析測試中心1. 透射電子顯微鏡分析電子光學(xué)的基本知識透射電鏡原理透射電鏡的結(jié)構(gòu)電子衍射電子透射成像高分辨透射電鏡樣品制備透射電鏡的應(yīng)用7/27/2022分析測試中心1.1 電子的波粒二象性1924年德布羅意（De. Broglie） 等人創(chuàng)立了波動力學(xué)，提出物質(zhì)波的概念，指出高速運動的粒子不僅具有粒子性，而且具有波動性。 并被電子衍射實驗所證實。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波原理，電子的波長 為： 其中h為普朗克常數(shù)，等于6.62410-34Js；m為運動電子的質(zhì)量；v為運動電子的速度當電子的加速電壓為100KV時，電子的速度為1.876

6、108m/s，電子的波長為：0.0370 ，說明電子具有波動性，并且和光波一樣具有相干性 。7/27/2022分析測試中心 電子的折射靜電透鏡靜磁透鏡 運動的電子可以在靜電場以及磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而可以通過一些特殊的電場和磁場可以使電子束通過時產(chǎn)生會聚，這些產(chǎn)生特殊電場或者磁場的裝置叫做電磁透鏡。說明電子束的性質(zhì)在某些方面與光束的性質(zhì)十分相似，并且其波長較短，從而通過電子束對物體成像可以獲得比光學(xué)成像分辨率大的多的顯微像。 7/27/2022分析測試中心1.2 透射電鏡的基本原理阿貝光學(xué)顯微鏡衍射成像原理同樣適合于透射電子顯微鏡。不僅可以在物鏡的像平面獲得放大的電子像，還可以在物鏡的后焦面處獲

7、得晶體的電子衍射譜，其成像原理圖見圖 7/27/2022分析測試中心1.3 透射電鏡的結(jié)構(gòu)主要由照明系統(tǒng)，樣品室，成像系統(tǒng)，圖像觀察和記錄系統(tǒng)組成。 其中照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。 成像部分主要由樣品室，物鏡，中間鏡和投影鏡等裝置組成。 圖像觀察和記錄系統(tǒng)：主要由熒光屏，照相機，數(shù)據(jù)顯示等部件組成。 1-光源，2-陽極，3-光闌，4-聚光鏡，5-試樣，6-物鏡，7-物鏡極靴，8-物鏡光闌，9-中間鏡，10-投影鏡，11-投影平面7/27/2022分析測試中心透射電鏡的放大倍數(shù)總放大倍數(shù)M總M物M中M投物鏡成像是分辨率的決定因素 物鏡放大倍率，在50-100范圍；中間鏡放大倍率，數(shù)值在0

8、-20范圍；投影鏡放大倍率，數(shù)值在100-150范圍總放大倍率在1000-200,000倍內(nèi)7/27/2022分析測試中心電子衍射原理當波長為 的單色平面電子波以入射角q照射到晶面間距為d的平行晶面組時，各個晶面的散射波干涉加強的條件是滿足布拉格關(guān)系： 2dsinq =nl 入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，一部分使晶面間距為d的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射束。 7/27/2022分析測試中心1.5 電子透射像透射電子的像是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。 透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋?質(zhì)厚襯度 ：非晶樣品襯度的主要來源振幅襯度 衍射襯度 ：晶體樣品襯度的主要來源相位

9、襯度 7/27/2022分析測試中心質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度來源于電子的非相干彈性散射,當電子穿過樣品時，通過與原子核的彈性作用被散射而偏離光軸，彈性散射截面是原子序數(shù)的函數(shù)此外，隨樣品厚度增加，將發(fā)生更多的彈性散射所以，樣品上原子序數(shù)較高或樣品較厚的區(qū)域(較黑)比原子序數(shù)較低或樣品較薄的區(qū)域(較亮)將使更多的電子散射而偏離光軸。 7/27/2022分析測試中心質(zhì)厚襯度像納米管的質(zhì)厚襯度像大腸桿菌的TEM質(zhì)厚襯度像7/27/2022分析測試中心衍射襯度 對晶體樣品，電子將發(fā)生相干散射即衍射所以，在晶體樣品的成像過程中，起決定作用的是用的是晶體對電子的衍射由樣品各處衍射束強度的差異形成的襯度稱為衍射襯度

10、，簡稱衍襯影響衍射強度的主要因素是晶體取向和結(jié)構(gòu)振幅 對沒有成分差異的單相材料，衍射襯度是由樣品各處滿足布拉格條件程度的差異造成的 明場像暗場像7/27/2022分析測試中心鈷薄膜中消光輪廓附近的層錯條紋 鉬中的六角位錯網(wǎng)絡(luò)衍射襯度像衍襯像大體可分為兩種類型：是具有一定宏觀不均勻性（厚度、取向不同等）的完整晶體所產(chǎn)生的，像上呈一些黑線,稱為消光輪廓,類似物理光學(xué)中的等厚與等傾干涉條紋。是由晶體缺陷所產(chǎn)生的。例如堆垛層錯（見面缺陷）在像上表現(xiàn)為黑白相間的條紋 晶體缺陷的明場像晶體缺陷的暗場像7/27/2022分析測試中心相位襯度像（高分辨透射電子像） 利用透射電子束和一支或多束衍射束同時成像，則

11、可得到由各個電子束的相干作用而得到晶格（條紋）像和晶體結(jié)構(gòu)（原子）像，前者是晶體中原子面的投影，而后者是晶體中原子或原子集團電勢場的二維投影。如果用來成像的衍射束越多，則得到的晶體結(jié)構(gòu)的細節(jié)越豐富。 衍射襯度像的分辨率有限最高為1.5nm，主要是由于在多束同時成像時，存在離軸光束，從而加大了像差的對圖像質(zhì)量的影響。而相位襯度像能夠提供小于1.5nm的細節(jié)，因此這種像稱為高分辨像，用相位襯度方法成像，不僅能提供樣品研究對樣的形態(tài)，更重要的是能夠提供晶體結(jié)構(gòu)信息。 7/27/2022分析測試中心1.6 高分辨TEM用物鏡光闌選擇透射波，觀察到的象為明場象；用物鏡光闌選擇一個衍射波，觀察到的是暗場像

12、；在后焦平面上插上大的物鏡光闌可以獲得合成象，即高分辨電子顯微像7/27/2022分析測試中心7/27/2022分析測試中心1.7 樣品制備表面復(fù)型法樣品減薄法超薄切片法支持膜（銅網(wǎng)及碳膜）法。 透射電鏡是利用高速運動的電子穿透樣品，與樣品產(chǎn)生相互作用之后，經(jīng)電磁物鏡成像，將樣品體內(nèi)的結(jié)構(gòu)與形貌特征反映出來。所以用于透射顯微鏡分析的樣品一般非常薄，其厚度大概只有100200nm，這就需要對樣品的進行特使處理。 主要的處理技術(shù)有：7/27/2022分析測試中心支持膜法多用于粉末樣品的樣品制備，用超聲波震蕩將粉末樣品均勻分散后，滴在銅網(wǎng)或者銅網(wǎng)支持的碳膜上，干燥后進行透射電鏡觀察。支持膜材料必須具

13、備的條件：本身沒有結(jié)構(gòu)，對電子束的吸收不大； 自身顆粒度小，以提高樣品分辨率； 自身有一定的力學(xué)強度和剛度，能承受電子束的照射而不變形、破裂。 7/27/2022分析測試中心1.8 TEM的應(yīng)用納米粉體的觀察薄膜形貌觀察缺陷結(jié)構(gòu)研究生物組織的研究7/27/2022分析測試中心高分子納米球的合成納米粉體及層殼結(jié)構(gòu)的觀察層狀結(jié)構(gòu)觀察納米管觀察7/27/2022分析測試中心位錯研究7/27/2022分析測試中心2 掃描電鏡分析2.1 電子束與固體樣品作用和產(chǎn)生的信號2.2 掃描電子顯微像的襯度2.3 掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和工作原理2.4 掃描電子顯微鏡的性能2.5 掃描電子顯微鏡的樣品制備2.6 能

14、譜分析7/27/2022分析測試中心2.1 電子束與固體樣品作用和產(chǎn)生的信號 當高速電子照射到固體樣品表面時，就可以發(fā)生相互作用，產(chǎn)生背散射電子，二次電子，俄歇電子，特征X射線等信息。這些信息與樣品表面的幾何形狀以及化學(xué)成份等有很大的關(guān)系。通過這些信息的解析就可以獲得表面形貌和化學(xué)成份的目的。 7/27/2022分析測試中心在掃描電鏡中，由電子激發(fā)產(chǎn)生的主要信號的信息深度： 俄歇電子 1 nm (0.5-2 nm)；二次電子 5-50 nm 背散射電子 50-500 nm；X射線 0.1-1m7/27/2022分析測試中心背散射電子：入射電子穿透到離核很近的地方被反射，而沒有能量損失，即形成背

15、景散射。它的能量較高，基本上不受電場的作用而直接進入檢測器。散射強度取決于原子序數(shù)和試樣的表面形貌。用于掃描電鏡的成像。二次電子： 入射電子撞擊樣品表面原子的外層電子，把它激發(fā)出來，就形成了低能量的二次電子；在電場的作用下，二次電子呈曲線運動，翻越障礙進入檢測器，因而使表面凸凹的各部分都能清晰成像。二次電子的強度主要與樣品表面形貌有關(guān)。二次電子和背散射電子共同用于掃描電鏡的成像。特征X射線：入射電子把表面原子的內(nèi)層電子撞出，被激發(fā)的空穴由高能級電子填充時，能量以電磁輻射形式放出，就產(chǎn)生特征X射線，可用于元素分析。俄歇電子：入射電子把外層電子打進內(nèi)層，原子被激發(fā)了，為釋放能量而電離出次外層電子，

16、叫餓歇電子。主要用于輕元素和超輕元素（除 H 和 He）的分析，稱為俄歇電子能譜。透射電子：直接透過樣品電子，7/27/2022分析測試中心2.2 掃描電鏡的儀器結(jié)構(gòu)與工作原理掃描電鏡電子槍；透鏡系統(tǒng)；樣品室；掃描系統(tǒng)真空系統(tǒng)組成電子光學(xué)系統(tǒng)： 初級束要求：束斑盡可能小 ； 電流盡可能大 取折衷7/27/2022分析測試中心成像原理利用掃描線圈使電子束在樣品表面進行掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生各種電子信息：二次電子，反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子等。這些信息收集后經(jīng)過放大送到成像系統(tǒng)。樣品表面掃描過程任意點發(fā)射的信息均可以記錄下來，獲得圖像的信息。由樣品表面上的電子束掃

17、描幅度和顯像管上電子束掃描幅度決定圖像的放大倍數(shù)。 7/27/2022分析測試中心2.3 掃描電鏡像的襯度 電子束激發(fā)的掃描電子顯微鏡主要采用二次電子以及背散射電子信息成像，形成了掃描電子顯微鏡兩種主要的成像方式，即二次電子像和背散射電子像。7/27/2022分析測試中心SEM圖像7/27/2022分析測試中心二次電子成像的襯度 垂直于樣品表面入射一次電子時，樣品表面所產(chǎn)生的二次電子的量最小。隨著傾斜度的增加，二次電子的產(chǎn)率逐漸增加。因此，二次電子的強度分布反映了樣品表面的形貌信息。 7/27/2022分析測試中心二次電子成像7/27/2022分析測試中心背散射電子成像7/27/2022分析測

18、試中心 二次電子象與背散射電子信息的比較 二次電子象 背散射象主要利用 形貌襯度 成分襯度 收集極 +250500V 50V 分辨率 高 較差 無陰影 有陰影 信號大，信噪比好 7/27/2022分析測試中心背散射電子和二次電子像純二次電子像二次電子像加背散射電子像背散射電子像7/27/2022分析測試中心2.5 樣品制備一般玻璃材料，纖維材料，高分子材料以及陶瓷材料幾乎都是非導(dǎo)電性的物質(zhì)。在利用掃描電鏡進行直接觀察時，會產(chǎn)生嚴重的荷電現(xiàn)象，影響對樣品的觀察，因此需要在樣品表面蒸鍍導(dǎo)電性能好的金等導(dǎo)電薄膜層。在樣品表面鍍金屬層不僅可以防止荷電現(xiàn)象，換可以減輕由電子束引起的樣品表面損傷；增加二次

19、電子的產(chǎn)率，提高圖像的清晰度；并可以掩蓋基材信息，只獲得表面信息。 7/27/2022分析測試中心樣品制備一般金屬層的厚度在10納米以上，不能太厚。鍍層太厚就可能會蓋住樣品表面的細微 ，得不到樣品表面的真實信息。假如樣品鍍層太薄，對于樣品表面粗糙的樣品，不容易獲得連續(xù)均勻的鍍層，容易形成島狀結(jié)構(gòu)，從而掩蓋樣品的真實表面。 7/27/2022分析測試中心掃描電子顯微鏡的應(yīng)用納米材料表面形貌觀察斷口觀察剖面觀察生物表面觀察元素分布定性分析7/27/2022分析測試中心能譜分析X射線分析能譜分析當電子束輻照到樣品表面時，可以產(chǎn)生熒光X射線，可以使用能譜分析和波譜分析來獲得樣品微區(qū)的化學(xué)成份信息。X射

20、線的信息深度是0.55微米 7/27/2022分析測試中心能譜分析 由于不同元素發(fā)射出的熒光X射線的能量是不一樣的，也就是說特定的元素會發(fā)射出波長確定的特征X射線。通過將X射線按能量分開就可以獲得不同元素的特征X射線譜，這就是能譜分析的基本原理。在掃描電鏡中，主要利用半導(dǎo)體硅探測器來檢測特征X射線，通過多道分析器獲得X射線能譜圖。從中可以對元素的成份進行定性和定量分析。 7/27/2022分析測試中心 能譜儀7/27/2022分析測試中心點掃描分析元素7/27/2022分析測試中心面掃描分析元素分布7/27/2022分析測試中心3 掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡：利用末端半徑為納米級的微小探針，

21、利用探針與樣品表面之間的相互作用，以掃描的方式對樣品表面的三維形貌進行微區(qū)分析的一類顯微鏡。與樣品表面超近距離相互作用，觸摸成像，橫向優(yōu)于0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm。（表面三維形貌，表面電子態(tài)密度分布，表面摩擦特性，表面電位分布，表面磁性分析，表面彈性分布），（適合分析平整表面）7/27/2022分析測試中心掃描探針顯微鏡3.1 掃描談探針顯微鏡的種類3.2 掃描隧道顯微鏡3.3 原子力顯微鏡3.4 動態(tài)力顯微鏡3.5 掃描探針顯微鏡的其他功能介紹3.6 掃描探針顯微鏡的應(yīng)用7/27/2022分析測試中心3.2 掃描隧道顯微鏡工作原理：保持隧道電流的值恒定。7/27/2022分析測試中心

22、0LREFd原理：隧道效應(yīng)L 變化0.1nm， I 變化一個量級7/27/2022分析測試中心Fig. 1: STM images acquired from superstructures of M- (left) and P-7H (right) at 0rel = 0.95 (a, b), and at saturated monolayer coverage 0rel = 1 (c, d). A) Constant current high resolution STM image of a cluster of C60 molecules deposited on the Pt (1

23、10) surface at RT (sample bias = 2.1 V; tunneling current = 0.42 nA; 3.1 nmx 3.1 nm). B) the same as in (A), convoluted with the current image. (C) Model showing the molecular orientation within the cluster. Black lines with arrows highlight the LUMO nodes with respect to the molecular cage 7/27/2022分析測試中心特點是目前分辨率最高的顯微鏡可通過對掃描隧道譜的分析得到樣品表面的局域電子態(tài)密度在能量空間上的分布信息。只能在導(dǎo)電物體表面上測量7/27/2022分析測試中心3.3 原子力顯微鏡 （Atomic Forces microscopy）7/27/2022分析測試中心原理： 針尖與表面之間的相互作用力7/27/2022分析測試中心AFM的針尖的形狀7/27/2022分析測試中心IIIIIIIV針尖z方向的形變量可用上下象限的光強差精確得到光斑位移量s可通過得到，并且可通過光杠桿原理得到針尖的形變量ds四象限探測器探測針尖形變的原理7/27/2022分析