第一篇-組織形貌分析(終版)課件

材料現(xiàn)代研究方法

ModernMethodsofMaterialsAnalysis

天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊靜副教授材料現(xiàn)代研究方法

ModernMethodsofMat課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（6學(xué)時，第1~2周）第二篇晶體物相分析（14學(xué)時，第3~6周）

期中PPT展示答辯（第6~7周）第三篇成分和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)分析第四篇分子結(jié)構(gòu)分析期末PPT展示答辯課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（6學(xué)時，第1~2周）期末PP

第1篇組織形貌分析

第一章組織形貌分析概論

第1篇組織形貌分析

第一章第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段2.光學(xué)顯微鏡簡介3.電子顯微鏡簡介4.掃描探針顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段掃1.1組織形貌分析的含義什么是組織形貌分析？性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)與工程結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)

原子排列

相結(jié)構(gòu)

顯微組織

結(jié)構(gòu)缺陷

1.1組織形貌分析的含義什么是性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)結(jié)1.1組織形貌分析的含義表面和內(nèi)部組織形貌，包括材料的外觀形貌、晶粒大小與形態(tài)、界面（表面、相界、晶界）。微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要。下一標題頁1.1組織形貌分析的含義表面和內(nèi)部組織形貌，包括材料的外鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂韌窩狀形貌和夾雜物回標題頁高分子聚合物薄膜斷口金納米線鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂韌窩狀鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織深灰色：鐵素體相，含量40～50%；淺灰色：奧氏體相回標題頁鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織回標題頁1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個發(fā)展階段組織形貌分析借助各種顯微技術(shù)認識材料的微觀結(jié)構(gòu)。人們對微觀世界的探索，就是建立在不斷發(fā)展的顯微技術(shù)之上的。組織形貌分析的顯微技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡的發(fā)展過程。觀測顯微組織的能力不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測到原子的圖像。1.2組織形貌顯微技術(shù)的

0.11101001000×10×100×1,000×10,000×100,000×1,000,000×10,000,000放大倍率電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡分辨率10-710-910-1010-1110-12掃描探針顯微鏡0.010.00110-810-6nmm1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個發(fā)展階段0.11101001000×10×100×1,000×10,它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.1光學(xué)顯微鏡簡介光學(xué)顯微鏡最先用于在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)方面，直接導(dǎo)致了細胞的發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上形成了19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一——細胞學(xué)說。應(yīng)用：觀察金屬或合金的晶粒大小和特點等；無機非金屬材料的巖相分析等；研究高聚物的結(jié)晶形態(tài)、取向過程等。它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.12.2

光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點間的最小距離，制約光學(xué)顯微鏡分辨率的因素是光的衍射。衍射使物體上的一個點在成像的時候不會是一個點，而是一個衍射光斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，它們將無法被區(qū)分開來。分辨率與照明源的波長直接相關(guān)，若要提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是要有短波長的照明源。紫外線波長和X射線雖然波長比可見光(450-750nm)短，但用作顯微鏡照明源存在局限性。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點間的最小距離，

由斑點光源衍射形成的埃利斑

兩個彼此靠近的物點的衍射光斑

由斑點光源衍射形成的埃利斑兩個彼此靠近的物點的衍2.2

光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強烈地吸收紫外線，因此，可供照明使用的紫外線限于波長200～250nm的范圍。用紫外線作照明源，用石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡分辨本領(lǐng)可達l00nm左右，比可見光顯微鏡提高了一倍。X射線波長在10～0.05nm范圍，γ射線的波長更短，但是由于它們具有很強的穿透能力，不能直接被聚焦，不適用于顯微鏡的照明源。波長短，又能聚焦成像的新型照明源成為迫切需要。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強烈地吸收紫外線，因3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運動的實物粒子（電子、質(zhì)子、中子等）都具有波動性質(zhì)，后來被電子衍射實驗所證實。1926年布施提出用軸對稱的電場和磁場聚焦電子束。在這兩個理論基礎(chǔ)上，1931～1933年魯斯卡等設(shè)計并制造了世界第一臺透射電子顯微鏡，用于組織分析和物相分析，目前分辨率可達0.2nm。（利用電子的波動性）用于組織形貌分析的掃描電子顯微鏡是在1952年由英國工程師CharlesOatley發(fā)明的，分辨率達1.0nm。（利用電子的粒子性）物質(zhì)波的波長與其動量關(guān)系=h/p，200-300kV加速電壓下，電子束波長為0.025nm。（波長短）（電磁透鏡）3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運動的實3.2掃描電子顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來的電子聚焦成很細的電子束，用此電子束在樣品表面進行逐行掃描，電子束激發(fā)樣品表面發(fā)射二次電子，二次電子被收集并轉(zhuǎn)換成電信號，在熒光屏上同步掃描成像。由于樣品表面形貌各異，發(fā)射二次電子強度不同。對應(yīng)在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前掃描電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)達到了1.0nm左右。掃描電鏡與X射線能譜儀配合使用，使得我們在看到樣品的微觀結(jié)構(gòu)的同時，還能分析樣品的元素成分及在相應(yīng)視野內(nèi)的元素分布。

3.2掃描電子顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來的鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂高分子聚合物薄膜斷口金納米線鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂高分子頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~100m~10m白血球頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~1004.1掃描探針顯微鏡簡介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡，完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作，它沒有鏡頭，使用一根金屬探針，在探針和物體之間加上一定偏壓（幾十mV），當探針距離物體表面很近（納米級）隧道效應(yīng)就會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，電流會呈指數(shù)級改變。這樣，通過測量電流可以探測物體表面的形狀，分辨率可以達到原子的級別(埃，10-10m)。4.1掃描探針顯微鏡簡介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家4.2掃描隧道顯微鏡圖像

1981年，硅原子像（7X7）

硅(111)–(7X7)原子圖像4.2掃描隧道顯微鏡圖像1981年，硅原子像（7X7）圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3掃描隧道顯微鏡對單原子和分子的操縱

圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3掃描三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者從左至右依次是ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer分別因為發(fā)明透射電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者從左至右依次是ErnstRuska

第1篇組織形貌分析

第二章光學(xué)顯微技術(shù)

第1篇組織形貌分析

第二章第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程2.光學(xué)顯微鏡的成像原理3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖4.顯微鏡的重要光學(xué)參數(shù)5.樣品制備第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程1.1光學(xué)顯微鏡的四個發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子(HansandzachriasJanssen)制造出第一臺原始的、放大倍數(shù)約為20倍的顯微鏡。1610年，意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo)制造了具有物鏡、目鏡及鏡筒的復(fù)式顯微鏡（左圖）。1665年，英國物理學(xué)家羅伯特·胡克(RobertHooke)用這臺復(fù)式顯微鏡觀察軟木塞時發(fā)現(xiàn)了小的蜂房狀結(jié)構(gòu)，稱為“細胞”，由此引起了細胞研究的熱潮。1684年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Huygens)設(shè)計并制造出雙透鏡目鏡－惠更斯目鏡，是現(xiàn)代多種目鏡的原型。這時的光學(xué)顯微鏡已初具現(xiàn)代顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)(右圖)。1.1光學(xué)顯微鏡的四個發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻最為卓著的是德國的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和光學(xué)大師恩斯特·阿貝(ErnstAbbe)。他提出了顯微鏡的完善理論，闡明了成像原理、數(shù)值孔徑等問題，在1870年發(fā)表了有關(guān)放大理論的重要文章。兩年后．又發(fā)明了油浸物鏡，并在光學(xué)玻璃、顯微鏡的設(shè)計和改進等方向取得了光輝的業(yè)績。1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻最為卓著的是德國2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1衍射的形成2.2阿貝成像原理（重點）2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動性質(zhì)。光波在遇到尺寸可與光波波長相比或更小的障礙物或孔時，將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射。障礙物線度越小，衍射現(xiàn)象越明顯。衍射現(xiàn)象可以用“子波相干疊加”的原理來解釋。水波的衍射2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動性質(zhì)。光波光強2.1.2

狹縫衍射實驗狹縫中間連線b上每一點可以看成一個“點光源”，向四面八方發(fā)射子波，子波之間相互干涉（疊加），在屏幕上形成衍射花樣。整個狹縫內(nèi)發(fā)出的光波在P0點的波程差為零，相干增強，形成中央亮斑。在P1處發(fā)生相干抵消，形成光強的低谷。在P2點處，從狹縫上緣和下緣發(fā)出的光波的波程差1?

個波長，P2成為相干增強區(qū)的中心，稱為第一級衍射極大值。光強2.1.2狹縫衍射實驗狹縫中間連線b上每一點可以看成由于衍射效應(yīng)，物體上每個物點通過透鏡成像后不會是一個點，而是一個衍射斑——埃利斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，它們將無法被區(qū)分開來。埃利斑第一暗環(huán)半徑其中，n為物方介質(zhì)折射率，光源波長，透鏡半孔徑角，M透鏡放大倍數(shù)，nsin數(shù)值孔徑。埃利斑半徑與照明光源波長成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。2.1.3

衍射斑

由斑點光源衍射形成的埃利斑

埃利斑光強分布圖R0F物鏡物點由于衍射效應(yīng)，物體上每個物點通過透鏡成像后不會是一個點，而是2.2.1阿貝成像原理（重點）透射光顯微鏡的成像過程。光源：準平行相干光，物體：具有周期性結(jié)構(gòu)。光通過細小的網(wǎng)孔時發(fā)生衍射，同一方向的衍射光成為平行光束，在后焦面上匯聚。凡是光程差滿足=k,k=0,1,2,…的，互相加強，形成0級、1級、2級衍射斑點。某個衍射斑點是由不同物點的同級衍射光相干加強形成的；同一物點上的光由于衍射分解，對許多衍射斑點有貢獻。從同一物點發(fā)出的各級衍射光，在產(chǎn)生相應(yīng)的衍射斑點后繼續(xù)傳播，在像平面上又相互干涉，形成物像。011直射光樣品物鏡后焦面像面2.2.1阿貝成像原理（重點）透射光顯微鏡的成像過程。光1.不同物點的同級衍射波在后焦面的干涉

——形成衍射譜；

2.同一物點的各級衍射波在像面的干涉——形成反映物的特征的物像。2.2.1阿貝成像原理（重點）

阿貝成像原理可以簡單地描述為兩次干涉作用。

當平行光束通過有周期性結(jié)構(gòu)的物體時，1.不同物點的同級衍射波在后焦面的干涉——形成衍射譜2.2.2物與像之間的相似性

物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不讓衍射光通過就不能成像，參與成像的衍射斑點愈多，則物像與物體的相似性愈好。像面后焦面2.2.2物與像之間的相似性物像是由直射3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖目鏡物鏡聚光鏡和光闌反光鏡光學(xué)顯微鏡包括光學(xué)系統(tǒng)和機械裝置兩大部分：3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖目鏡物鏡聚光鏡和光闌反光鏡光學(xué)4.顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)4.1數(shù)值孔徑4.2分辨率（重點）4.3放大率和有效放大率4.4光學(xué)透鏡的像差

4.顯微鏡的重要光學(xué)技術(shù)參數(shù)4.1數(shù)值孔徑4.1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和半孔徑角（α）的正弦之乘積，NA=nsinα。表示物鏡分辨細節(jié)的能力?？讖浇鞘俏镧R光軸上的物點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑角與物鏡的有效直徑成正比，與物鏡的焦距成反比。F物鏡物點4.1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑（NA）是物鏡前透鏡與被檢物體之間介油浸物鏡4.1數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑和分辨率成正比：1.如果全部接收一級衍射光線，則圖像基本不會失去細節(jié)。細節(jié)越微小，形成各級衍射斑點的衍射角越大。因此，物鏡口徑越大，能接受的衍射線角度越大，則分辨率就越高。2.由于光的折射，物鏡接收衍射光線的能力也強烈的依賴于在樣品與鏡頭之間的介質(zhì)。因此，數(shù)值孔徑的概念更加能夠有效的描述物鏡的成像能力。

油浸物鏡4.1數(shù)值孔徑物鏡的數(shù)值孔徑和分辨率成正比：4.2.1瑞利判據(jù)R0分辨兩埃利斑的判據(jù)——瑞利判據(jù)：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0。此時,兩中央峰之間疊加強度比中央峰最大強度低19％，肉眼剛剛能分辨是兩個物點的像。4.2.1瑞利判據(jù)R0分辨兩埃利斑的判據(jù)——瑞利判據(jù)：兩4.2.2透鏡的分辨率兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0時

,樣品上相應(yīng)的兩個物點間距離?r0

定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)，或分辨率。透鏡的分辨率由數(shù)值孔徑和照明光源的波長兩個因素決定。數(shù)值孔徑越大，照明光線波長越短，分辨率就越高。4.2.2透鏡的分辨率兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R4.3.1放大率和有效放大率顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率1的乘積：=1無效放大倍率：當選用的物鏡數(shù)值孔徑不夠大，即分辨率不夠高時，顯微鏡不能分清物體的微細結(jié)構(gòu)，此時即使過度地增大放大倍率，得到的也只能是一個輪廓雖大但細節(jié)不清的圖像。有效放大倍率：光學(xué)顯微鏡提供足夠的放大倍數(shù)，把它能分辨的最小距離放大到人眼能分辨的程度。4.3.1放大率和有效放大率顯微鏡總的放大率Γ應(yīng)該是物鏡4.3.2光學(xué)顯微鏡的有效放大率人眼的分辨本領(lǐng)?r大約為0.2mm，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)極限?r0大約為0.2m，因此，光學(xué)顯微鏡的有效放大倍率為1000倍。為使人眼感到輕松，光學(xué)顯微鏡的最高放大倍數(shù)是1000~1500倍。有效放大倍數(shù)由下式確定：M有效=?r

/?r0

4.3.2光學(xué)顯微鏡的有效放大率人眼的分辨本領(lǐng)?r大4.4光學(xué)透鏡的像差（1）球面像差（簡稱球差）邊緣與中心部分的折射光不能通過會聚相交于一點，可以通過組合透鏡進行校正。4.4光學(xué)透鏡的像差（1）球面像差（簡稱球差）邊緣與中（2）色像差

由于組成白光的各色光波長不同，折射率不同，因而成像的位置也不同

。也可以通過組合透鏡進行校正。4.4光學(xué)透鏡的像差（2）色像差由于組成白光的各色光波長不同，折射率不同，因而（3）像域彎曲垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過透鏡后會形成一彎曲的像面，稱為像域彎曲，像域彎曲是幾種像差綜合作用的結(jié)果。

4.4光學(xué)透鏡的像差（3）像域彎曲垂直于光軸的直立的物體經(jīng)過透鏡后會形成一彎曲5.樣品制備5.1取樣5.2鑲樣5.3磨光5.4拋光5.5腐蝕

金相顯微鏡觀察試樣組織5.樣品制備5.1取樣金相顯微鏡觀察試樣組織5.1取樣取樣應(yīng)選擇有代表性的部位；對于軟材料，可以用鋸、車、刨等加工方法；對于硬材料，可以用砂輪切片機切割或電火花切割等方法；對于硬而脆的材料，如白口鑄鐵，可以用錘擊方法；在大工件上取樣，可用氧氣切割等方法。

通常試樣為直徑16~25mm、高16~20mm的圓柱體或邊長16~25mm的立方體。5.1取樣取樣應(yīng)選擇有代表性的部位；通常試樣為直徑16~5.2鑲樣若試樣大小合適，則不需要鑲樣。若試樣尺寸過小或形狀極不規(guī)則，則需用專門的鑲樣機，在合適的加熱溫度和壓力下，將試樣鑲嵌在固化的樹脂或塑料基體中。也可以采用機械鑲嵌法，即用夾具夾持試樣。5.2鑲樣若試樣大小合適，則不需要鑲樣。5.3磨光在砂紙上進行。金相試樣的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是應(yīng)盡可能減少表層損傷。每一道磨光工序必須除去前一道工序造成的變形層，而不是僅僅把前一道工序的磨痕除去。手工磨光時，本道工序的磨痕應(yīng)與上一道工序的磨痕方向垂直，這樣可以使試樣磨面保持平整并平行于原來的磨面。5.3磨光在砂紙上進行。5.4拋光目的是盡快將磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產(chǎn)生的變形層不影響顯微組織的觀察。機械拋光。粗拋，精拋。電解拋光。電解拋光時，在試樣表面上形成一層具有較高電阻的薄膜，試樣凸起部分的膜比凹下部分薄，膜越薄電阻越小，金屬溶解速度越快，從而使凸起部分漸趨平坦?；瘜W(xué)拋光?；瘜W(xué)拋光的原理與電解拋光類似，是化學(xué)藥劑對試樣表面不均勻溶解的結(jié)果。

5.4拋光目的是盡快將磨光工序留下的變形層除去，并使拋光產(chǎn)5.5腐蝕（1）化學(xué)腐蝕純金屬及單相合金的腐蝕是一個化學(xué)溶解的過程。由于晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高的自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來。若腐蝕較深，則由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同。兩相合金的腐蝕主要是一個電化學(xué)腐蝕過程。（2）電解腐蝕電解腐蝕所用的設(shè)備與電解拋光相同，只是工作電壓和工作電流比電解拋光時小。在微弱電流的作用下各相腐蝕程度不同，因而顯示出組織。鐵素體的晶粒和晶界5.5腐蝕（1）化學(xué)腐蝕鐵素體的晶粒和晶界本章重點

阿貝成像原理

透鏡的分辨率本章重點阿貝成像原理思考題：1．什么是埃里斑？其大小由什么因素決定？2．什么是阿貝成像原理？3．物鏡數(shù)值孔徑的含義。它表征物鏡哪方面的性能？4、光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)如何衡量？分辨率高低由哪些因素決定？第二章光學(xué)顯微技術(shù)思考題：1．什么是埃里斑？其大小由什么因素決定？第二章光學(xué)課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（第1~2周）第二篇晶體物相分析（第3~6周）

期中PPT展示答辯（第7周）第三篇成分和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)分析第四篇分子結(jié)構(gòu)分析期末PPT展示答辯課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（第1~2周）期末PPT展示答1．什么是埃里斑？其大小由什么因素決定？2．什么是阿貝成像原理？3．物鏡數(shù)值孔徑的含義。它表征物鏡哪方面的性能？4、光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)如何衡量？分辨率高低由哪些因素決定？第二章光學(xué)顯微技術(shù)重點內(nèi)容回顧1．什么是埃里斑？其大小由什么因素決定？第二章光學(xué)顯微技術(shù)

第1篇組織形貌分析

第三章

掃描電子顯微鏡

第1篇組織形貌分析

第三章簡稱掃描電鏡。它不用透鏡放大成像，而是以類似電視的成像方式，用聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號來調(diào)制成像。

第三章掃描電子顯微鏡（SEM）日立S-4800型掃描電鏡----材料學(xué)院簡稱掃描電鏡。第三章掃描電子顯微鏡（SEM）日立S-48花蕊的柱頭花粉茉莉花花粉菊花花粉花蕊的柱頭花粉茉莉花花粉菊花花粉第三章掃描電子顯微鏡（SEM）1.掃描電鏡的優(yōu)點2.電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號(重點)3.掃描電鏡的工作原理(重點)4.掃描電鏡的構(gòu)造

5.掃描電鏡襯度像(重點)8.應(yīng)用舉例6.掃描電鏡的主要性能

9.SEM重點內(nèi)容回顧7.樣品制備

10.SEM演示錄像第三章掃描電子顯微鏡（SEM）1.掃描電鏡的優(yōu)點1.掃描電鏡的優(yōu)點分辨率高：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨率的極限。場發(fā)射電子槍的應(yīng)用可得到精確聚焦的電子束，現(xiàn)代先進的掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達到1nm左右。放大倍數(shù)高：20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)。景深大：比光學(xué)顯微鏡大幾百倍，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結(jié)構(gòu)。試樣制備簡單。配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察和微區(qū)成分分析。

多孔硅的光學(xué)顯微鏡圖像多孔硅：可見光發(fā)光材料。多孔硅的掃描電鏡圖像1.掃描電鏡的優(yōu)點分辨率高：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡2.電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號（重點）2.1彈性散射和非彈性散射2.2電子顯微鏡常用的信號2.3各種信號的深度和區(qū)域大小2.電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號（重點）2.1彈性2.1彈性散射和非彈性散射

一束聚焦電子束沿一定方向入射到試樣內(nèi)時，由于晶格位場和原子庫侖場的作用，其入射方向會發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為散射。

彈性散射：散射過程中入射電子只改變方向，其總動能基本上無變化。

非彈性散射：散射過程中入射電子的方向和動能都發(fā)生改變。在非彈性散射情況下，入射電子會損失一部分能量，并伴有各種信息的產(chǎn)生。2.1彈性散射和非彈性散射一束聚焦電子束沿彈性背散射電子入射電子非彈性背散射電子二次電子特征X射線2.2掃描電鏡中三種主要信號的產(chǎn)生過程彈性背散射電子入射電子非彈性背散射電子二次電子特征X射線2.2.2掃描電鏡中的三種主要信號二次電子：背散射電子：特征X射線：

被入射電子轟擊出來的樣品中原子的核外電子（內(nèi)層電子或價電子）。反映樣品表面的形貌特征，分辨率高。

被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。形貌特征及定性成分分析。

入射電子激發(fā)原子內(nèi)層電子后，外層電子躍遷至內(nèi)層時發(fā)出的具有特征能量的X射線光子。定量成分分析。2.2掃描電鏡中的三種主要信號其他信號俄歇電子：入射電子激發(fā)樣品原子內(nèi)層電子后，外層電子躍遷至內(nèi)層時，多余能量轉(zhuǎn)移給最外層電子，使其掙脫原子核的束縛并逸出樣品表面，成為自由電子，即俄歇電子。詳細的介紹見本書第三篇第十三章俄歇電子能譜部分。透射電子

:

入射電子穿透樣品的部分，包括未經(jīng)散射的入射電子、彈性散射電子和非彈性散射電子。攜帶被樣品吸收、衍射的信息，用于透射電鏡的成像和成分分析。其他信號俄歇電子：入射電子激發(fā)樣品原子內(nèi)層電子后，外層電子躍2.3各種信號的深度和區(qū)域大小入射電子束受到樣品原子的散射作用，偏離原來方向，向外發(fā)散。隨著電子束進入樣品深度的不斷增加，入射電子的分布范圍不斷增大，動能不斷降低，直至動能降為零，最終形成一個規(guī)則的作用區(qū)域。樣品原子序數(shù)對入射電子束作用區(qū)域的影響：輕元素樣品，電子束散射區(qū)域的外形——“梨形作用體積”；重元素樣品——“半球形作用體積”。梨形作用體積

入射電子束的作用區(qū)域：2.3各種信號的深度和區(qū)域大小入射電子束受到樣品原子的散射2.3各種信號的深度和區(qū)域大小③入射電子能量對作用區(qū)域的影響：改變電子能量只引起作用體積大小的變化，而不會顯著的改變形狀。電子束能量與作用體積的關(guān)系

入射電子束的作用區(qū)域：2.3各種信號的深度和區(qū)域大?、廴肷潆娮幽芰繉ψ饔脜^(qū)域有效作用區(qū)：可以產(chǎn)生信號的區(qū)域。電子有效作用深度：有效作用區(qū)的最深處。有效作用區(qū)內(nèi)的信號并不一定都能逸出材料表面、成為有效的可供采集的信號。隨著入射電子有效作用區(qū)域深度增加，作用區(qū)范圍增大，信號產(chǎn)生的空間范圍也增加，信號的空間分辨率降低。

2.3各種信號的深度和區(qū)域大小入射電子束俄歇電子（0.4~2nm）二次電子(5~10nm)背散射電子(100nm~1m)SEM的分辨率指的是二次電子的分辨率。

各種信號產(chǎn)生的深度和區(qū)域：連續(xù)X射線特征X射線(500nm~5m)有效作用區(qū)：可以產(chǎn)生信號的區(qū)域。電子有效作用深度：有效作用區(qū)3.1掃描電鏡的工作原理（重點）光柵掃描：入射電子束在樣品表面作光柵式逐行掃描，掃描線圈上的電流與熒光屏相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步。每一個物點均對應(yīng)一個像點。逐點成像：電子束在每個物點產(chǎn)生相應(yīng)的信號（如二次電子等），信號被接收放大后用來調(diào)制像點的亮度，信號越強，像點越亮。電子槍照明透鏡系統(tǒng)掃描線圈末級透鏡探測器至真空泵熒光屏光柵掃描、逐點成像樣品3.1掃描電鏡的工作原理（重點）光柵掃描：入射電子束在樣3.2掃描電鏡圖像的放大倍數(shù)

掃描電鏡圖像的放大倍數(shù)定義為顯像管中電子束在熒光屏上的掃描振幅和電子光學(xué)系統(tǒng)中電子束在樣品上掃描振幅的比值，即：

式中，M：放大倍數(shù)，L：顯像管的熒光屏尺寸；l：電子束在試樣上掃描距離。M=L/l3.2掃描電鏡圖像的放大倍數(shù)掃描電鏡圖像4.掃描電子顯微鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)信號收集及顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)4.掃描電子顯微鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)4.1電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。用來獲得掃描電子束，作為信號的激發(fā)源。掃描電子束應(yīng)具有較高的強度和盡可能小的束斑直徑——

主要由電子槍決定。電子槍第一、二聚光鏡物鏡掃描線圈樣品室4.1電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等

電子槍發(fā)展三個階段200m熱陰極電子槍場發(fā)射電子槍

鎢燈絲六硼化鑭燈絲3~5kV10~100kV電子束直徑：10nm電子束亮度較低；束斑尺寸較大。電子槍發(fā)展三個階段200m熱陰極電子槍場發(fā)射電子槍4.1電子光學(xué)系統(tǒng)電磁透鏡：經(jīng)過電磁透鏡二級或三級的聚焦，在樣品表面上可得到直徑幾納米的電子束斑。掃描系統(tǒng)：控制入射電子束在樣品表面作光柵掃描，改變掃描振幅來獲得所需放大倍數(shù)的掃描像。樣品室：較大，可以觀察表面粗糙的大尺寸樣品，也可以安裝各種功能的樣品臺和檢測器。4.1電子光學(xué)系統(tǒng)電磁透鏡：經(jīng)過電磁透鏡二級或三級的聚焦4.2信號收集及顯示系統(tǒng)檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。二次電子、背散射電子通常采用閃爍計數(shù)器，由法拉第網(wǎng)杯、閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器組成。末級透鏡背散射電子探頭法拉第網(wǎng)杯（+200~+500V）閃爍體光導(dǎo)管光電倍增器樣品臺4.2信號收集及顯示系統(tǒng)檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理三種信號的探測器BackScatterElectronDetector二次電子探測器X射線探測器背散射電子探測器物鏡4.2信號收集及顯示系統(tǒng)三種信號的探測器BackScatterElectron4.3真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5Torr（10-2-10-3Pa）的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。4.3真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)5.掃描電鏡襯度像（重點）

掃描電鏡襯度的形成：主要是利用樣品表面微區(qū)特征（如形貌、原子序數(shù)或化學(xué)成分）的差異，在電子束作用下產(chǎn)生不同強度的信號，使熒光屏不同區(qū)域呈現(xiàn)不同亮度，得到具有一定襯度的圖像。

二次電子像：分辨率高(1nm)，立體感強

背散射電子像：粗略反映輕重不同元素的分布

金納米線5.掃描電鏡襯度像（重點）掃描電鏡襯度的形

提供表面形貌襯度。二次電子來自試樣表面層，發(fā)射率受表面形貌影響大。二次電子的發(fā)射系數(shù)（發(fā)射率）δ與入射電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，δ∝1/cos。因此，試樣表面凹凸不平的部位產(chǎn)生的二次電子信號強度比在其他平坦部分產(chǎn)生的信號強度大，從而形成表面形貌襯度。5.1二次電子像入射電子束產(chǎn)率梨形作用體積二次電子提供表面形貌襯度。二次電子來自試樣表面層，陶瓷燒結(jié)體的表面圖像多孔硅的剖面圖5.1二次電子像陶瓷燒結(jié)體的表面圖像多孔硅的剖面圖5.1二次電子像5.2背散射電子像形貌襯度

1）樣品表面形貌影響背散射電子的產(chǎn)率，但背散射電子來自一個較大的作用體積，其分辨率遠比二次電子低。

2）背散射電子能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背散射電子，而掩蓋了許多有用的細節(jié)。成分襯度

——反映樣品微區(qū)的原子序數(shù)或化學(xué)成分的差異。背散射電子大部分是受原子核反射回來的入射電子。發(fā)射系數(shù)()隨原子序數(shù)(Z)的增大而增加。

背散射電子既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。梨形作用體積背散射電子5.2背散射電子像形貌襯度背散射電子既可以用來顯示形貌襯樣品中重元素區(qū)域在圖像上較亮，而輕元素在圖像上較暗。二次電子像與背散射電子像的比較錫鉛鍍層的表面圖像（a）背散射電子圖像（b）二次電子圖像(b)(a)鉛錫樣品中重元素區(qū)域在圖像上較亮，而輕元素在圖像上較暗。二次電子成分像形貌像信號接收器由兩塊獨立的檢測器組成。

對于原子序數(shù)信息來說，進入左右兩個檢測器的電信號，其大小和極性相同，而對于形貌信息，兩個檢測器得到的電信號絕對值相同，其極性恰恰相反。將檢測器得到的信號相加，能得到反映樣品原子序數(shù)的信息；相減能得到形貌信息。

5.3背散射電子像的獲得成分像+形貌像-成分像形貌像信號接收器由兩塊獨立的檢測器組成。5.3背散背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b）(a)(b)背散射電子像背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b）(a)(b)背第三章掃描電子顯微鏡3.2電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號3.3掃描電鏡的工作原理重點內(nèi)容回顧3.5掃描電鏡襯度像二次電子背散射電子特征X射線光柵掃描逐點成像二次電子像背散射電子像高低分辨率第三章掃描電子顯微鏡3.2電子束與固體樣品作用時產(chǎn)6.掃描電子顯微鏡的主要性能

分辨率

放大倍數(shù)

景深6.掃描電子顯微鏡的主要性能6.1分辨率掃描電鏡分辨率的極限：入射電子束束斑直徑。入射電子束在樣品中的擴展效應(yīng)：提高電子束能量在一定條件下對提高分辨率不利。成像方式及所用的調(diào)制信號：

對形貌觀察而言，指能分辨兩點之間的最小距離；對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域。

二次電子像的分辨率約等于束斑直徑（幾個nm），背反射電子像的分辨率約為50-200nm。X射線的深度和廣度都較大，所以X射線圖像的分辨率遠低于二次電子像和背反射電子像。入射電子束二次電子背散射電子連續(xù)X射線特征X射線俄歇電子6.1分辨率掃描電鏡分辨率的極限：入射電子束束斑直徑。6.2放大倍數(shù)

熒光屏上圖像邊長與電子束在樣品上掃描振幅的比值。目前大多數(shù)商用掃描電鏡放大倍數(shù)為20—20,000倍。

M=L/l6.2放大倍數(shù)熒光屏上圖像邊長與電子束在

6.3景深

景深是指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。

掃描電鏡的景深比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡景深大10倍。:電子束的入射半角

電子束入射半角的影響d0=0.2mm/Md0:臨界分辨率M:放大倍數(shù)工作距離的影響光闌工作距離多孔硅的光學(xué)顯微鏡圖像多孔硅：可見光發(fā)光材料。多孔硅的掃描電鏡圖像6.3景深景深是指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時7.樣品制備樣品制備方法簡單，對于導(dǎo)電性好的金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進行觀察。對于非導(dǎo)電樣品，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運動軌跡，使圖像質(zhì)量下降。這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進行處理，通常采用金、銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚在20nm左右。掃描電鏡制樣技術(shù)中通常采用離子濺射鍍膜法和真空蒸發(fā)。7.樣品制備樣品制備方法簡單，對于導(dǎo)電性好的金屬和陶瓷等塊離子濺射鍍膜儀(100V～1000V)SputteringMachine靶材（陰極）樣品環(huán)形陽極離子濺射鍍膜儀(100V～1000V)Sputterin8.掃描電鏡應(yīng)用實例8.1斷口形貌分析8.2納米材料形貌分析8.掃描電鏡應(yīng)用實例8.1斷口形貌分析脆性斷裂——解理斷裂T<295K解理面8.1斷口形貌分析塑性斷裂——韌窩狀形貌T295K塑性和脆性斷裂同時存在1018號鋼在不同溫度下的斷口形貌微空洞和夾雜物T>295K脆性斷裂——解理斷裂T<295K解理面8.1斷口形貌8.1斷口形貌分析

D.Ferrer-Balasetal.,Polymer43,3083-3091(2002)聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3)薄膜在不同溫度下的斷口形貌8.1斷口形貌分析D.Ferrer-Balaset8.2納米材料形貌分析

低倍像高倍像多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌8.2納米材料形貌分析低倍像高倍像多孔氧化鋁模板制備的金8.2納米材料形貌分析

鉛筆狀ZnO納米線的SEM圖像8.2納米材料形貌分析鉛筆狀ZnO納米線的SEM圖像8.2納米材料形貌分析

水熱法合成PbS分級結(jié)構(gòu)的SEM圖像S.Xiong,J.Phys.Chem.C111,16761-16767(2007)8.2納米材料形貌分析水熱法合成PbS分級結(jié)構(gòu)的SEM圖像8.2納米材料形貌分析

左手材料SRR陣列的SEM圖像8.2納米材料形貌分析左手材料SRR陣列的SEM圖像8.2納米材料形貌分析

水中甲苯中J.Cuietal.,J.ColloidInterfaceSci.326,267-274(2008)三氯甲烷中有機低分子凝膠因子在不同溶劑中的自組裝形貌8.2納米材料形貌分析水中甲苯中J.Cui8.2納米材料形貌分析S.Al-Malaikaetal.,Polymer46,209-228(2005)PET/EPR80:20w/wPET/EPR60:40w/w聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和乙丙橡膠(EPR)共混體系形貌8.2納米材料形貌分析S.Al-Malaikaet電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號掃描電鏡的工作原理掃描電鏡襯度像（二次電子像、背散射電子像）9.掃描電鏡重點內(nèi)容回顧Flash短片電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號9.掃描電鏡重點內(nèi)容回顧10.SEM演示錄像10.SEM演示錄像思考題：1．掃描電鏡中三種主要信號分別是什么？如何產(chǎn)生？可以分別用來進行哪些方面的材料分析？三種信號分辨率的高低如何？2．簡述掃描電鏡的工作原理。3．為什么二次電子像可以提供樣品表面形貌信息？

4.掃描電鏡制樣中需要注意的問題是什么？思考題：1．掃描電鏡中三種主要信號分別是什么？如何產(chǎn)生？可以

第1篇組織形貌分析

第四章

掃描探針顯微分析技術(shù)

第1篇組織形貌分析

第四章第四章掃描探針顯微分析技術(shù)

1.掃描探針顯微技術(shù)簡介2.掃描隧道顯微鏡（重點）3.原子力顯微技術(shù)（重點）4.其他掃描探針顯微技術(shù)第四章掃描探針顯微分析技術(shù)1.掃描探針顯微技術(shù)簡1.掃描探針顯微技術(shù)簡介

掃描探針顯微鏡：ScanningProbeMicroscope，縮寫為SPM。1981年，SPM首次在實空間展現(xiàn)了硅表面的原子圖像。從此，它在表面分析領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。SPM是一類儀器的總稱，分辨率從原子到微米級別。

1981年，硅原子像（7X7）

SPM是一種具有空前高的3D分辨率的輪廓儀?？梢詼y量表面電導(dǎo)率、靜電電荷分布、區(qū)域摩擦力、磁場和彈性模量等物理特性。1.掃描探針顯微技術(shù)簡介掃描探針顯微鏡：ScanninSPM基本構(gòu)成圖下上1.掃描探針顯微技術(shù)簡介

SPM基本構(gòu)成SPM基本構(gòu)成圖下上1.掃描探針顯微技術(shù)簡介SPM2.1掃描隧道顯微鏡（STM）簡介

英文名稱是：ScanningTunnelingMicroscope，簡稱STM。STM是所有掃描探針顯微鏡的祖先。1981年由GerdBinnig和HeinrichRohrer在蘇伊士IBM實驗室發(fā)明。STM是第一種能夠在實空間獲得表面原子結(jié)構(gòu)圖像的儀器。2.1掃描隧道顯微鏡（STM）簡介英文名稱是：Scan2.2STM得到的表面原子圖像

硅表面原子圖像吸附在鉑表面的碘原子陣列圖2.2STM得到的表面原子圖像硅表面原子圖像吸附在鉑表隧道電流強度I是間距d的指數(shù)函數(shù)；如果針尖與樣品間隙（0.1nm級尺度）變化10%，隧道電流則變化一個數(shù)量級。

STM靈敏度高。垂直精度高于0.1nm，橫向分辨率為原子級(?)。

2.3掃描隧道顯微鏡工作原理（重點）針尖~樣品相互作用示意圖樣品：導(dǎo)體或半導(dǎo)體銳化的導(dǎo)電針尖：鎢或鉑-銥合金d1nmV幾十毫伏偏壓隧道電流隧道電流強度I是間距d的指數(shù)函數(shù)；如果針尖與樣品間隙（0.1STM兩種工作模式：

1)恒定高度模式－檢測隧道電流變化

。

2)恒定電流模式－檢測高度變化；兩種模式各有利弊：1)恒高模式掃描速率較快，但這種模式僅適用于相對平滑的表面；2)恒電流模式可以測量不規(guī)則表面，具有較高的精度（深度分辨率達幾個pm）但比較耗時。1pm=10-12m=0.01?2.3STM工作原理（重點）STM兩種工作模式高度電流強度STM兩種工作模式：1pm=10-12m=0.01圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的2.4STM對單原子和分子的操縱

圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的2.4ST2.4STM對單原子和分子的操縱

1993年，移動鐵原子的實驗。在低溫條件下，用STM針尖將吸附在銅表面上的48個鐵原子排列成了一個“量子圍欄”的圓環(huán)，最近的鐵原子相距0.9nm。環(huán)中電子只能在"圍欄"內(nèi)運動，形成"駐波"。這是世界上首次觀察到的電子駐波直觀圖形。1991年，IBM公司的科研小組用STM針尖移動吸附在鉑表面的28個一氧化碳分子，拼成了一個小人的形象，各個分子的間距約0.5nm?？胺Q世界上最小的人形圖案。5nm2.4STM對單原子和分子的操縱1993年，移動鐵原子3.原子力顯微技術(shù)（重點）3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)3.2造成AFM懸臂偏轉(zhuǎn)的力3.3兩種類型的AFM3.4AFM新進展——利用AFM進行納米印刷3.原子力顯微技術(shù)（重點）3.1原子力顯微鏡（AFM3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)懸臂和針尖的材料是硅。針尖和樣品表面間的力導(dǎo)致懸臂彎曲或偏轉(zhuǎn)。當樣品在針尖下做光柵式運動時，探測器可實時地檢測懸臂的狀態(tài)，并將其對應(yīng)的表面形貌像顯示紀錄下來。硅懸臂和針尖的SEM圖像位敏光探測器樣品：導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)懸臂和針尖的材料是硅。針PSPD檢測器樣品3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)

懸臂微位移的檢查方法——

光學(xué)技術(shù)PSPD檢測器樣品3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)PSPD檢測器樣品PSPD探測精度為1nm,可檢測懸臂針尖小于0.1nm的垂直運動。

懸臂微位移的檢查方法——

光學(xué)技術(shù)3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)PSPD檢測器樣品PSPD探測精度為1nm,可檢測懸臂針尖小用壓電材料來制作懸臂，可直接用電學(xué)法來測量到懸臂偏轉(zhuǎn)，而不必使用激光束和PSPD。所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電壓，或給晶體加一電壓時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質(zhì)。3.1原子力顯微鏡（AFM）的結(jié)構(gòu)

懸臂微位移的檢查方法——

電學(xué)法用壓電材料來制作懸臂，可直接用電學(xué)法來測量到懸臂偏轉(zhuǎn)，而不必3.2造成AFM懸臂偏轉(zhuǎn)的力范德瓦爾斯力。毛細力。由于通常環(huán)境下，在樣品表面存在一層水膜，水膜延伸并包裹住針尖，就會產(chǎn)生毛細力，它具有很強的吸引（大約為10-8N）。范德瓦爾斯力和毛細力的合力構(gòu)成接觸力。非接觸幾至幾十納米<1nm范德瓦爾斯力與針尖—樣品間隙的關(guān)系示意圖3.2造成AFM懸臂偏轉(zhuǎn)的力范德瓦爾斯力。非接觸幾至幾十3.3兩種類型的AFM3.3.1接觸式AFM3.3.2非接觸AFM

3.3兩種類型的AFM3.3.1接觸式AFM3.3.1接觸式AFM排斥力模式。AFM針尖與樣品有輕微的物理接觸。在這種工作模式下，針尖和與之相連的懸臂受范德瓦爾斯力和毛細力兩種力的作用，二者的合力構(gòu)成接觸力。當掃描器驅(qū)動針尖在樣品表面（或樣品在針尖下方）移動時，接觸力會使懸臂彎曲，產(chǎn)生適應(yīng)形貌的變形。檢測這些變形，便可以得到表面形貌像。兩種工作模式：

恒高模式：掃描器高度固定，懸臂的偏轉(zhuǎn)直接轉(zhuǎn)換成形貌圖像。

恒力模式：懸臂偏轉(zhuǎn)被輸入反饋電路，控制掃描器上下運動，使接觸力恒定，掃描器的運動被轉(zhuǎn)換成形貌圖像。掃描速度較慢，但可以很好地控制施加在樣品上的力。3.3.1接觸式AFM排斥力模式。不同厚度ITO的AFM圖像

(接觸式AFM，恒力模式)濺射過程中，不同厚度的透明導(dǎo)電涂層ITO的表面形貌像（左）120nm(右)450nm不同厚度ITO的AFM圖像

(接觸式AFM，恒力模式)濺射過3.3.1接觸式AFM恒力模式：優(yōu)點：很好地控制針尖施加在樣品上的力，被優(yōu)先選用。缺點：掃描速度受限于反饋回路的響應(yīng)時間。恒高模式：

1)獲得原子級平整樣品的原子分辨像；

2)掃描速率高。3.3.1接觸式AFM恒力模式：3.3.2非接觸AFM

NC-AFM，針尖與樣品間距處于幾至幾十納米的范圍。此范圍在范德瓦爾斯曲線中標注為非接觸區(qū)間。力很小，~10-12N。適于研究軟體和彈性樣品，且不會因接觸試樣而引入污染。

應(yīng)用一種振動懸臂技術(shù)。剛硬的懸臂在系統(tǒng)的驅(qū)動下以接近于共振點的頻率(100~400kHz)振動，振幅為幾至數(shù)十納米。共振頻率的變化反映懸臂所受力的梯度的變化，也反映針—樣間隙或樣品形貌的變化。檢測共振頻率或振幅的變化，可以獲得樣品表面形貌信息。3.3.2非接觸AFMNC-AFM，針尖與樣品間距處于3.3.3非接觸和接觸式AFM比較相同點：都具有優(yōu)于0.1nm的垂直分辨率。不同點：非接觸AFM信號較弱，需要更高靈敏度的交流檢測方法，但其不會產(chǎn)生在接觸式AFM多次掃描之后經(jīng)常出現(xiàn)的針尖和樣品變質(zhì)的現(xiàn)象。測量軟體樣品時，NC-AFM比接觸式AFM更具優(yōu)越性。測量剛性樣品時，二者的成像是一樣的。然而，若剛性樣品表面有若干層凝結(jié)水時，二者圖像極不相同。3.3.3非接觸和接觸式AFM比較相同點：都具有優(yōu)于0.3.4利用AFM進行納米印刷

2008年，美國西北大學(xué)的納米科學(xué)家ChadA.Mirkin利用聚合物筆平版印刷術(shù)（PPL）在金基體上大規(guī)模制造了2008年北京夏季奧林匹克運動會的會徽——共制造了1.5萬個，所有這些會徽只占了1平方厘米的空間。3.4利用AFM進行納米印刷2008年，美國西北大MFM的針尖上鍍有鐵磁性薄膜，系統(tǒng)工作在非接觸模式，檢測由隨針—樣間隙變化的磁場引起的懸臂共振頻率的變化?？蓹z測磁性材料中自發(fā)產(chǎn)生和受控寫入的磁疇結(jié)構(gòu)。4.1磁力顯微技術(shù)（MFM）

磁力顯微技術(shù)可對樣品表面磁力的空間變化成像。4.1磁力顯微技術(shù)（MFM）磁力顯微技術(shù)可對樣品表面4.1磁力顯微技術(shù)如果針尖靠近表面，即處在標準的非接觸模式工作區(qū)間，則圖像主要含形貌信息。隨著間隙增大，磁力效應(yīng)變得顯著。圖像主要含磁特性圖像。在不同的針尖高度下采集一系列圖像是剝離兩種效應(yīng)的一種途徑。硬盤磁記錄單元的形貌像（左）和MFM圖像（右）

用磁力針尖獲得的圖像都包含著表面形貌和磁特性。4.1磁力顯微技術(shù)如果針尖靠近表面，即處在標準的非接觸模4.2力調(diào)制顯微術(shù)（FMM）FMM是AFM成像技術(shù)的擴展，可確定樣品的力學(xué)性能，也可同時采集形貌和材料性質(zhì)的數(shù)據(jù)。AFM針尖以接觸方式掃描樣品，將一周期信號加在針尖或樣品上，由此信號驅(qū)動產(chǎn)生的懸臂調(diào)制振幅隨樣品彈性而變。通過檢測懸臂調(diào)制振幅的變化來形成力調(diào)制像，反映樣品彈性的分布。隨樣品表面力學(xué)性能改變的懸臂振幅4.2力調(diào)制顯微術(shù)（FMM）FMM是AFM成像技術(shù)的擴展4.3相位檢測顯微技術(shù)（PDM）相位檢測顯微技術(shù)也稱之為相位成像，這種技術(shù)借助測量懸臂振動驅(qū)動和振動輸出信號之間的位相延遲，研究彈性、粘度和摩擦等表面機械性能的變化。對應(yīng)樣品表面力學(xué)性能的相位延遲變化4.3相位檢測顯微技術(shù)（PDM）相位檢測顯微技術(shù)也稱之為4.4靜電力顯微技術(shù)（EFM）靜電力顯微技術(shù)顯示出樣品表面的局部電荷疇結(jié)構(gòu)，如電子器件中電路靜電場的分布。在針尖與樣品之間施加電壓，當懸臂掃描至靜電荷時，懸臂偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)幅度正比于電荷密度，可以用光束折射系統(tǒng)進行測量。EFM電荷疇結(jié)構(gòu)的面分布像4.4靜電力顯微技術(shù)（EFM）靜電力顯微技術(shù)顯示出樣品表4.5掃描電容顯微技術(shù)（SCM）4.6熱掃描顯微技術(shù)（TSM）4.7近場掃描光學(xué)顯微術(shù)（NSOM）4.8納米光刻4.其他SPM技術(shù)4.5掃描電容顯微技術(shù)（SCM）4.其他SPM技術(shù)本章重點STM的工作原理和工作模式

AFM的工作原理和工作模式本章重點STM的工作原理和工作模式思考題

掃描隧道顯微鏡的兩種工作（掃描）模式分別是什么？各有什么優(yōu)缺點，適用于研究哪種材料？

2.接觸式和非接觸式AFM分別使用于研究哪種材料？如何得到樣品的表面形貌像？思考題掃描隧道顯微鏡的兩種工作（掃描）模式材料現(xiàn)代研究方法

ModernMethodsofMaterialsAnalysis

天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊靜副教授材料現(xiàn)代研究方法

ModernMethodsofMat課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（6學(xué)時，第1~2周）第二篇晶體物相分析（14學(xué)時，第3~6周）

期中PPT展示答辯（第6~7周）第三篇成分和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)分析第四篇分子結(jié)構(gòu)分析期末PPT展示答辯課程內(nèi)容第一篇組織形貌分析（6學(xué)時，第1~2周）期末PP

第1篇組織形貌分析

第一章組織形貌分析概論

第1篇組織形貌分析

第一章第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段2.光學(xué)顯微鏡簡介3.電子顯微鏡簡介4.掃描探針顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡第一章組織形貌分析概論1.組織形貌分析的含義和發(fā)展階段掃1.1組織形貌分析的含義什么是組織形貌分析？性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)與工程結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)

原子排列

相結(jié)構(gòu)

顯微組織

結(jié)構(gòu)缺陷

1.1組織形貌分析的含義什么是性能加工結(jié)構(gòu)成分材料科學(xué)結(jié)1.1組織形貌分析的含義表面和內(nèi)部組織形貌，包括材料的外觀形貌、晶粒大小與形態(tài)、界面（表面、相界、晶界）。微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要。下一標題頁1.1組織形貌分析的含義表面和內(nèi)部組織形貌，包括材料的外鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂韌窩狀形貌和夾雜物回標題頁高分子聚合物薄膜斷口金納米線鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂韌窩狀鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織深灰色：鐵素體相，含量40～50%；淺灰色：奧氏體相回標題頁鐵素體的晶粒和晶界奧氏體-鐵素體雙相組織回標題頁1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個發(fā)展階段組織形貌分析借助各種顯微技術(shù)認識材料的微觀結(jié)構(gòu)。人們對微觀世界的探索，就是建立在不斷發(fā)展的顯微技術(shù)之上的。組織形貌分析的顯微技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡的發(fā)展過程。觀測顯微組織的能力不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測到原子的圖像。1.2組織形貌顯微技術(shù)的

0.11101001000×10×100×1,000×10,000×100,000×1,000,000×10,000,000放大倍率電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡分辨率10-710-910-1010-1110-12掃描探針顯微鏡0.010.00110-810-6nmm1.2組織形貌顯微技術(shù)的

三個發(fā)展階段0.11101001000×10×100×1,000×10,它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.1光學(xué)顯微鏡簡介光學(xué)顯微鏡最先用于在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)方面，直接導(dǎo)致了細胞的發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上形成了19世紀自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一——細胞學(xué)說。應(yīng)用：觀察金屬或合金的晶粒大小和特點等；無機非金屬材料的巖相分析等；研究高聚物的結(jié)晶形態(tài)、取向過程等。它的最高分辨率為0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。2.12.2

光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點間的最小距離，制約光學(xué)顯微鏡分辨率的因素是光的衍射。衍射使物體上的一個點在成像的時候不會是一個點，而是一個衍射光斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，它們將無法被區(qū)分開來。分辨率與照明源的波長直接相關(guān)，若要提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是要有短波長的照明源。紫外線波長和X射線雖然波長比可見光(450-750nm)短，但用作顯微鏡照明源存在局限性。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率分辨率是可分辨的兩點間的最小距離，

由斑點光源衍射形成的埃利斑

兩個彼此靠近的物點的衍射光斑

由斑點光源衍射形成的埃利斑兩個彼此靠近的物點的衍2.2

光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強烈地吸收紫外線，因此，可供照明使用的紫外線限于波長200～250nm的范圍。用紫外線作照明源，用石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡分辨本領(lǐng)可達l00nm左右，比可見光顯微鏡提高了一倍。X射線波長在10～0.05nm范圍，γ射線的波長更短，但是由于它們具有很強的穿透能力，不能直接被聚焦，不適用于顯微鏡的照明源。波長短，又能聚焦成像的新型照明源成為迫切需要。2.2光學(xué)顯微鏡的分辨率絕大多數(shù)物質(zhì)都強烈地吸收紫外線，因3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運動的實物粒子（電子、質(zhì)子、中子等）都具有波動性質(zhì)，后來被電子衍射實驗所證實。1926年布施提出用軸對稱的電場和磁場聚焦電子束。在這兩個理論基礎(chǔ)上，1931～1933年魯斯卡等設(shè)計并制造了世界第一臺透射電子顯微鏡，用于組織分析和物相分析，目前分辨率可達0.2nm。（利用電子的波動性）用于組織形貌分析的掃描電子顯微鏡是在1952年由英國工程師CharlesOatley發(fā)明的，分辨率達1.0nm。（利用電子的粒子性）物質(zhì)波的波長與其動量關(guān)系=h/p，200-300kV加速電壓下，電子束波長為0.025nm。（波長短）（電磁透鏡）3.1電子顯微鏡發(fā)展歷程1924年，德布羅意提出，運動的實3.2掃描電子顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來的電子聚焦成很細的電子束，用此電子束在樣品表面進行逐行掃描，電子束激發(fā)樣品表面發(fā)射二次電子，二次電子被收集并轉(zhuǎn)換成電信號，在熒光屏上同步掃描成像。由于樣品表面形貌各異，發(fā)射二次電子強度不同。對應(yīng)在屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。目前掃描電子顯微鏡的分辨率已經(jīng)達到了1.0nm左右。掃描電鏡與X射線能譜儀配合使用，使得我們在看到樣品的微觀結(jié)構(gòu)的同時，還能分析樣品的元素成分及在相應(yīng)視野內(nèi)的元素分布。

3.2掃描電子顯微鏡簡介掃描電子顯微鏡是將電子槍發(fā)射出來的鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂高分子聚合物薄膜斷口金納米線鈦靶局部被單脈沖激光燒蝕1018號鋼的斷口——塑性斷裂高分子頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~100m~10m白血球頭發(fā)分叉處紅血球腦神經(jīng)元~100m6~9m~1004.1掃描探針顯微鏡簡介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡，完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作，它沒有鏡頭，使用一根金屬探針，在探針和物體之間加上一定偏壓（幾十mV），當探針距離物體表面很近（納米級）隧道效應(yīng)就會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，電流會呈指數(shù)級改變。這樣，通過測量電流可以探測物體表面的形狀，分辨率可以達到原子的級別(埃，10-10m)。4.1掃描探針顯微鏡簡介1981年，IBM公司的兩位科學(xué)家4.2掃描隧道顯微鏡圖像

1981年，硅原子像（7X7）

硅(111)–(7X7)原子圖像4.2掃描隧道顯微鏡圖像1981年，硅原子像（7X7）圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3掃描隧道顯微鏡對單原子和分子的操縱

圖中的“IBM”是由單個氙（Xe)原子構(gòu)成的4.3掃描三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者從左至右依次是ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer分別因為發(fā)明透射電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者從左至右依次是ErnstRuska

第1篇組織形貌分析

第二章光學(xué)顯微技術(shù)

第1篇組織形貌分析

第二章第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程2.光學(xué)顯微鏡的成像原理3.光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和光路圖4.顯微鏡的重要光學(xué)參數(shù)5.樣品制備第二章光學(xué)顯微技術(shù)1.光學(xué)顯微鏡的發(fā)展歷程1.1光學(xué)顯微鏡的四個發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子(HansandzachriasJanssen)制造出第一臺原始的、放大倍數(shù)約為20倍的顯微鏡。1610年，意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo)制造了具有物鏡、目鏡及鏡筒的復(fù)式顯微鏡（左圖）。1665年，英國物理學(xué)家羅伯特·胡克(RobertHooke)用這臺復(fù)式顯微鏡觀察軟木塞時發(fā)現(xiàn)了小的蜂房狀結(jié)構(gòu)，稱為“細胞”，由此引起了細胞研究的熱潮。1684年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯(Huygens)設(shè)計并制造出雙透鏡目鏡－惠更斯目鏡，是現(xiàn)代多種目鏡的原型。這時的光學(xué)顯微鏡已初具現(xiàn)代顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)(右圖)。1.1光學(xué)顯微鏡的四個發(fā)展階段1590年，荷蘭的詹森父子1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻最為卓著的是德國的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和光學(xué)大師恩斯特·阿貝(ErnstAbbe)。他提出了顯微鏡的完善理論，闡明了成像原理、數(shù)值孔徑等問題，在1870年發(fā)表了有關(guān)放大理論的重要文章。兩年后．又發(fā)明了油浸物鏡，并在光學(xué)玻璃、顯微鏡的設(shè)計和改進等方向取得了光輝的業(yè)績。1.2恩斯特·阿貝在顯微鏡的發(fā)展史中，貢獻最為卓著的是德國2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1衍射的形成2.2阿貝成像原理（重點）2.光學(xué)顯微鏡的成像原理2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動性質(zhì)。光波在遇到尺寸可與光波波長相比或更小的障礙物或孔時，將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射。障礙物線度越小，衍射現(xiàn)象越明顯。衍射現(xiàn)象可以用“子波相干疊加”的原理來解釋。水波的衍射2.1.1什么是波的衍射？光即電磁波，具有波動性質(zhì)。光波光強2.1.2

狹縫衍射實驗狹縫中間連線b上每一點可以看成一個“點光源”，向四面八方發(fā)射子波，子波之間相互干涉（疊加），在屏幕上形成衍射花樣。整個狹縫內(nèi)發(fā)出的光波在P0點的波程差為零，相干增強，形成中央亮斑。在P1處發(fā)生相干抵消，形成光強的低谷。在P2點處，從狹縫上緣和下緣發(fā)出的光波的波程差1?

個波長，P2成為相干增強區(qū)的中心，稱為第一級衍射極大值。光強2.1.2狹縫衍射實驗狹縫中間連線b上每一點可以看成由于衍射效應(yīng)，物體上每個物點通過透鏡成像后不會是一個點，而是一個衍射斑——埃利斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，它們將無法被區(qū)分開來。埃利斑第一暗環(huán)半徑其中，n為物方介質(zhì)折射率，光源波長，透鏡半孔徑角，M透鏡放大倍數(shù)，nsin數(shù)值孔徑。埃利斑半徑與照明光源波長成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。2.1.3

衍射斑

由斑點光源衍射形成的埃利斑

埃利斑光強分布圖R0F物鏡物點由于衍射效應(yīng)，物體上每個物