光電功能材料課程-14市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)

LB膜LB膜技術(shù)LB膜成膜原理LB膜結(jié)構(gòu)類型及淀積方法

LB膜技術(shù)特點(diǎn)

第1頁(yè)Langmuir-Blodgett薄膜Langmuir-Blodgett(LB)膜是一個(gè)有序薄膜。LB膜技術(shù)可在分子水平上準(zhǔn)確控制薄膜厚度。

LB膜是用特殊裝置將不溶物膜按一定排列方式轉(zhuǎn)移到固體支持體上組成單分子層或多分子層膜。該膜最早由朗繆爾和布勞杰特提出而得名，是利用langmuir-blodgett技術(shù)制備超薄膜。LB膜研究提供了在分子水平上依照一定要求控制分子排布方式和伎倆，對(duì)研制新型電子器件及仿生元件等有廣泛應(yīng)用前景。在微電子技術(shù)中可應(yīng)用它生產(chǎn)高性能集成電路器件第2頁(yè)Langmuir-Blodgett薄膜Langmuir-Blodgett(LB)膜是一個(gè)有序薄膜。LB膜技術(shù)可在分子水平上準(zhǔn)確控制薄膜厚度。

第3頁(yè)LB膜發(fā)展歷史單分子膜研究開始于18世紀(jì)，B.Franklin將一匙油滴在半英畝池塘水面上鋪展開。1890年L.Rayleigh第一次提出單分子膜概念。二十世紀(jì)二三十年代，美國(guó)科學(xué)家I.Langmuir系統(tǒng)研究了單分子膜性質(zhì)而建立了完整單分子膜理論。及其學(xué)生K.Blodgett一起建立了一個(gè)單分子膜制備技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上。上世紀(jì)六十年代，德國(guó)科學(xué)家H.Kuhn首先意識(shí)到運(yùn)用LB膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子功效組裝并組成份子有序系統(tǒng)。第4頁(yè)LB膜技術(shù)所謂LB膜是指將含有親水基和疏水基兩性分子在水面上形成一個(gè)分子層厚度膜（即單分子膜）以一定方式累積到基板上技術(shù)，累積于基板上膜稱為L(zhǎng)B膜。其制膜過程是先將成膜雙親性分子溶于揮發(fā)性溶劑中，滴在水面上，即可形成成膜分子單分子層，然后施加一定壓力，并依靠成膜分子本身自組織能力，得到高度有序、緊密排列分子，最終把它轉(zhuǎn)移到基片表面

第5頁(yè)LB膜成膜原理LB膜材料在亞相上展開機(jī)理經(jīng)典LB膜材料及有序單分子層形成亞相液面上單分子膜特征參數(shù)及狀態(tài)

第6頁(yè)LB膜材料在亞相上展開機(jī)理

將一定量微溶物或不溶物B置于液體A上（在LB膜方法中，A稱為亞相），使其開始時(shí)以適當(dāng)厚度存在要使成膜材料在亞相上自發(fā)展開，必須將含有低表面張力液體放在高表面張力液體上。反之，高表面張力液體預(yù)期不能在含有低表面張力液體上展開

因?yàn)楸砻娉赡の锓Q重很不方便，所以制備LB膜普通方法是將極其微量成膜材料溶于揮發(fā)性溶劑中，然后滴于亞相表面上，展開成膜。當(dāng)溶劑揮發(fā)后，留下單分子膜。這種揮發(fā)性溶劑在亞相水面上展開系數(shù)必須大于零，才能使鋪展得以進(jìn)行。比如，氯仿、苯等便是滿足此條件溶劑。

第7頁(yè)LB膜槽示意圖第8頁(yè)LB膜種類X型Y型Z型y型沉積(基片—頭—尾—頭—頭…)基片在上升和下降時(shí)均可掛膜.所得LB膜層與層之間是親水面與親水面,疏水面與疏水面相接觸.這種形式最為常見.z型沉積(基片—頭—尾—頭—尾…)與x—型膜相反,基片上升時(shí)掛膜,下降時(shí)不掛.要求基片表面為親水性x型沉積(基片—尾—頭—尾—頭…)，基片只在下降時(shí)掛上單分子膜,而在上升時(shí)不掛膜.所得膜特點(diǎn)是每層膜疏水面與相鄰親水面接觸.所用基片表面應(yīng)是疏水性.第9頁(yè)LB膜結(jié)構(gòu)類型

第10頁(yè)LB層狀膜結(jié)構(gòu)~10nmHeadtoheadTailtotailHeadtotailTailtoheadXYZ第11頁(yè)經(jīng)典LB膜材料及有序單分子層形成

LB成膜材料必須含有雙親基團(tuán)（也稱作兩性基團(tuán)），即親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，而且親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)百分比應(yīng)比較適當(dāng)。首先，分子應(yīng)該含有與水有一定親協(xié)力親水端，另首先，分子應(yīng)該同時(shí)含有足夠長(zhǎng)疏水端，使分子能都在水面上鋪展而不溶解。假如作為分子整體親水性強(qiáng)，則分子就會(huì)溶于水，假如疏水性強(qiáng)，則會(huì)分離成相。正是這種既親水又疏水特殊LB膜材料，才能夠保持“兩親媒體平衡”狀態(tài)，它能夠在適當(dāng)條件下鋪開在液面上形成穩(wěn)定單分子膜，而又不凝聚成單獨(dú)相，從而能夠直接淀積于基板上形成LB膜。可見親水基和疏水基具備對(duì)于LB膜形成含有主要意義。*相：系統(tǒng)中含有相同化學(xué)屬性和物理特征一個(gè)狀態(tài)。第12頁(yè)常見親水基和疏水基親水基：—COOK—SO3Na—COONa—SO3Na—N(胺)—COOH—OH等疏水基：—CH2—

—CH2=CH—

—CH2—CO—CH2—

—CF2—

—CF3等

第13頁(yè)先將兩性成膜材料溶解到諸如氯仿等有機(jī)溶劑中，再將其滴注到亞相液面上，待亞相液面上溶劑揮發(fā)后，含有雙親基團(tuán)分子便留在液面上。親水與疏水共同作用結(jié)果是：在液面上形成單分子層，親水基團(tuán)位于靠近水一側(cè)，而疏水基團(tuán)則位于空氣一側(cè)當(dāng)用擋板對(duì)亞相液面上單分子層進(jìn)行壓縮時(shí)，因?yàn)橛H水基團(tuán)和疏水基團(tuán)作用，就使得分子一個(gè)個(gè)整齊地“站立”于亞相表面上，從而形成了整齊有序密集排列單分子層

氣—液界面上單分子層示意圖

整齊排列單分子層示意圖

第14頁(yè)亞相液面上單分子膜特征參數(shù)及狀態(tài)

表面壓π

表面電勢(shì)

表面粘度

第15頁(yè)表面壓π

不溶物或難溶物L(fēng)B膜材料在亞相水面上形成單分子層后，表面膜中分子含有二維空間熱運(yùn)動(dòng)，這種熱運(yùn)動(dòng)將對(duì)四面圍邊緣產(chǎn)生壓力，這種壓力與純?nèi)軇r(shí)表面分子產(chǎn)生壓力是不等，這就是表面壓（又稱為膜壓）起源。我們定義表面壓為純?nèi)軇┍砻鎻埩0與沉積了膜后表面張力r之差。（單位：mN/m或dyn/cm）

膜壓π測(cè)定方法通常有以下兩種：第一個(gè)是Wilhelmy吊片法；第二種是用膜天平直接測(cè)定壓力π。

第16頁(yè)表面電勢(shì)

表面電勢(shì)是指液體表面和金屬探針表面之間Volta電勢(shì)差。在鋪膜前后，這種電勢(shì)差是不一樣。

第17頁(yè)①氣態(tài)膜在此狀態(tài)下，每個(gè)分子所占面積很大，分子自由地浮動(dòng)，大多數(shù)分子平躺在亞相表面上，彼此間沒有多大作用力，分子之間相互孤立，呈二維氣體狀態(tài)。此時(shí)表面壓普通在0.01-0.001mN/m，靠近于零。理想π-A等溫曲線

第18頁(yè)②液態(tài)膜伴隨擋板對(duì)單分子層擠壓，表面積縮小，分子間作用力逐步增加，壓縮使氣態(tài)膜逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎S液態(tài)膜。液態(tài)膜含有粘結(jié)性，有一定程度協(xié)同相互作用，也稱為流動(dòng)態(tài)膜。其π-A曲線外推到π為零時(shí)面積比分子實(shí)際橫截面積大，結(jié)構(gòu)上含有一定渙散性或無組織性。它又能夠詳細(xì)地分為液態(tài)擴(kuò)張膜和液態(tài)凝聚膜。第19頁(yè)③固態(tài)膜在此狀態(tài)下，單分子層中分子盡可能靠近。這種構(gòu)型中，表面膜分子垂直或以某一角度傾斜于底相表面，是一個(gè)密度大而又堅(jiān)硬或可塑相。此時(shí)膜就是LB膜，是我們所需要單一、均勻分子膜。其可壓縮性很低，π-A曲線幾乎是垂直，此時(shí)狀態(tài)方程近似為（其中a，b為常數(shù)）第20頁(yè)當(dāng)擋板繼續(xù)移動(dòng)，因?yàn)樵竭^單分子膜彈性程度，膜就產(chǎn)生重合。最終會(huì)造成π-A曲線拐折或斷裂，密集排列單分子層瓦解，有可能凝聚成核至核體，或者形成雙分子層或多分子層。由圖可知，不一樣狀態(tài)在π-A曲線上都有一拐點(diǎn)和突變。經(jīng)過分析π-A曲線在各個(gè)狀態(tài)時(shí)表面壓，就能夠確定單分子層累積最正確表面壓，取得完整、均一、無缺點(diǎn)單分子層。

第21頁(yè)LB膜淀積方法

當(dāng)前制備LB薄膜主要方式有，垂直提拉法、水平附著法、亞相降低法、單分子層掃動(dòng)法、擴(kuò)散吸附法等等。第22頁(yè)（1）垂直提拉法

利用適當(dāng)機(jī)械裝置，將固體（如玻璃載片）垂直插入水面，上下移動(dòng)，單分子膜就會(huì)附在載片上而形成一層或多層膜。

第23頁(yè)（2）水平附著法在拉膜前，首先將固體載片上涂敷一層硬脂酸，然后將其水平接觸液面上單分子層膜（如圖所表示）。同時(shí)將擋板置于固體載片兩側(cè)，提拉固體載片。重復(fù)此過程，就可形成X型LB膜。它能夠很好地保留分子在液面上凝聚態(tài)和取向。

第24頁(yè)LB膜技術(shù)特點(diǎn)

LB膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)LB膜技術(shù)缺點(diǎn)第25頁(yè)LB膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)（1）膜厚為分子級(jí)水平（納米數(shù)量級(jí)），含有特殊物理化學(xué)性質(zhì)；（2）能夠制備單分子膜，也能夠逐層累積，形成多層LB膜或超晶格結(jié)構(gòu)，組裝方式任意選擇；（3）能夠人為選擇不一樣高分子材料，累積不一樣分子層，使之含有各種功效；（4）成膜可在常溫常壓下進(jìn)行，不受時(shí)間限制，所需能量小，基本不破壞成膜材料高分子結(jié)構(gòu)；（5）LB膜技術(shù)在控制膜層厚度及均勻性方面遠(yuǎn)比常規(guī)制膜技術(shù)優(yōu)越；（6）可有效地利用LB膜分子本身組織能力，形成新化合物；LB膜結(jié)構(gòu)輕易測(cè)定，易于取得分子水平上結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系。

第26頁(yè)LB膜技術(shù)缺點(diǎn)（1）因?yàn)長(zhǎng)B膜淀積在基片上時(shí)附著力是依靠分子間作用力，屬于物理鍵力，所以膜機(jī)械性能較差；（2）要取得排列整齊而且有序LB膜，必須使材料含有兩性基團(tuán)，這在一定程度上給LB成膜材料設(shè)計(jì)帶來困難；（3）制膜過程中需要使用氯仿等有毒有機(jī)溶劑，這對(duì)人體健康和環(huán)境含有很大危害性；(4)制膜設(shè)備昂貴，制膜技術(shù)要求很高。

第27頁(yè)LB膜材料基本要求1.兩親性材料成膜分子通常含有兩親性：親水端，如－COOH；疏水脂肪鏈（C16－C22）。第28頁(yè)2.溶劑選擇化學(xué)惰性，不與成膜物質(zhì)和亞相反應(yīng)；對(duì)成膜物質(zhì)有足夠溶解能力；不溶解于亞相；揮發(fā)速度適中；含有相對(duì)較低密度；高純度。第29頁(yè)3.亞相

亞相通常為超純水，有時(shí)也會(huì)引入金屬離子。第30頁(yè)4.基片慣用基片有石英玻璃、硅片、CaF2片、云母片、ITO導(dǎo)電玻璃、不銹鋼片、半導(dǎo)體基片和鉑、金等金屬片?；糜诔练eLB膜之前經(jīng)常要進(jìn)行親水或疏水處理。第31頁(yè)LB膜應(yīng)用：

電子束刻蝕、潤(rùn)滑材料、分子導(dǎo)線和二維導(dǎo)電膜、超薄絕緣膜、液晶器件（鐵電液晶表面取向）、光電轉(zhuǎn)換膜（分子電池和分子開關(guān)）、電光轉(zhuǎn)換膜（電致發(fā)光平板彩色顯示器）、光致變色膜（高密度并行多信號(hào)統(tǒng)計(jì)材料、非線性光學(xué)膜（各種非線性器件）、各類傳感器（紅外，氣敏等）、仿生膜（嗅覺、視覺等人工器件）等等第32頁(yè)表面分子自組裝研究及應(yīng)用第33頁(yè)SA（selfassembly)膜自組裝定義自組裝膜主要特點(diǎn)單分子自組裝膜介紹硅烷衍生物SA多層膜含有非線性光學(xué)特征無中心對(duì)稱SA膜靜電力自組裝沉積多層膜第34頁(yè)所謂自組裝(self-assembly)，顧名思義就是自發(fā)地組裝，通常是經(jīng)過分子間化學(xué)鍵或超分子作用在一定條件下自發(fā)地形成特定有序結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，自組裝體系研究不但限于膜體系，還包含納米管、微陣列等組裝。分子自組裝定義第35頁(yè)自組裝膜主要特點(diǎn)自組裝膜是自組裝技術(shù)研究中最先研究也是最可能在電子器件中得到實(shí)際應(yīng)用體系，是含有一定功效特征分子經(jīng)過化學(xué)鍵作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面而形成熱力學(xué)穩(wěn)定和能量較低有序膜。其主要特點(diǎn)為：(1)原位自發(fā)形成；(2)熱力學(xué)穩(wěn)定；(3)不論基底形狀怎樣，其表面均可形成均勻一致覆蓋層；(4)高密度堆積和低缺點(diǎn)濃度；(5)分子有序排列；(6)可經(jīng)過人為設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)來取得預(yù)期界面物理和化學(xué)性質(zhì)；(7)有機(jī)合成和制膜有很大靈活性和方便性第36頁(yè)單分子自組裝膜介紹

自組裝成膜技術(shù)在1946年最先由Bigelow等人進(jìn)行了描述，其合作者Zisman在1964年說明了自組裝成膜原理[32]。Sagiv在1980年首次報(bào)道了自組裝單分子膜，他報(bào)道了在固體基片表面組裝氧硅烷結(jié)果，從此將自組裝膜技術(shù)成為一個(gè)專門成膜技術(shù)進(jìn)行研究。早期相關(guān)自組裝膜報(bào)道主要集中于單分子膜自組裝，且組裝分子與基底多是經(jīng)過共價(jià)鍵連接。硅烷在硅表面、硫醇在金表面自組裝單分子膜是研究最多體系。下列圖為SA單分子膜成膜示意圖：溶液中組裝分子反應(yīng)基與基片表面發(fā)生連續(xù)化學(xué)反應(yīng)，在基片表面形成化學(xué)鍵連接，取向緊密排列有序排列單層膜。

單分子SA膜組裝示意圖

第37頁(yè)自組裝薄膜特征其主要特征：(1)原位自發(fā)形成；(2)熱力學(xué)穩(wěn)定；(3)不論基底形狀怎樣，其表面均可形成均勻一致覆蓋層；(4)高密度堆積和低缺點(diǎn)濃度；(5)分子有序排列；(6)可人為設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)來取得預(yù)期界面物理和化學(xué)性質(zhì)；(7)有機(jī)合成和制膜有很大靈活性.

第38頁(yè)

早在1946年，Zisman創(chuàng)造了用吸附(自組裝)方法在潔凈金屬表面制備單分子層方法，當(dāng)初因?yàn)闆]有意識(shí)到自組裝潛在優(yōu)勢(shì)，所以沒有激發(fā)多少科學(xué)家興趣。（BigelowWC,PickettDL,ZismanWA.J.ColloidInterfaceSci.,1946,1:513-517）

1980年德國(guó)GottingenKuhn試驗(yàn)室.經(jīng)過多年實(shí)踐，他們用氯硅烷衍生物在玻璃表面進(jìn)行組裝，得到了疏水單分子膜［4］真正相關(guān)自組裝早期研究工作始.（SagivJ.J.Am.Chem.Soc.,1980,102:92-98）

1983年，Nuzzo等用二正烷基二硫醚稀溶液在金表面進(jìn)行組裝，得到了硫醇單分子層.從此自組裝技術(shù)才真正引發(fā)人們重視，而且得到了廣泛研究，建立了各種自組裝體系.（NuzzoRG,AllaraDL.J.Am.Chem.Soc.,1983,105:4481-4483）自組裝薄制備發(fā)展簡(jiǎn)史第39頁(yè)自組裝過程將預(yù)先清洗和表面活化基板浸泡在含有表面活性物質(zhì)溶液，經(jīng)過表面活性物質(zhì)活性基團(tuán)和基板相連接，在基板上形成致密有序自組裝薄膜。第40頁(yè)慣用活性基團(tuán)有：－COOH、－PO3-、－SO3-、－OH、－NH2等等基板能夠是：金屬（如Au、Ag等等）金屬氧化物（如AgO、CuO、Al2O3、ITO等等）非金屬氧化物（如石英、玻璃等）半導(dǎo)體材料（如硅、鍺等）等等溶液濃度依據(jù)詳細(xì)體系而定，普通比較希，大約10-3－10-4mol/L.第41頁(yè)自組裝驅(qū)動(dòng)力：靜電自組裝氫鍵自組裝共價(jià)自組裝配位自組裝等等第42頁(yè)

靜電自組裝膜陽(yáng)離子與陰離子以靜電吸引形成自組裝膜。第43頁(yè)氫鍵自組裝Langmuir1999,15,1360-1363第44頁(yè)共價(jià)自組裝RSH+Au0nRS-Au+Au0n-1+1/2H2AssemblySolutionAu基片共價(jià)自組裝SynthesisSHNO2第45頁(yè)配位鍵自組裝Langmuir1999,15,4842-4846第46頁(yè)

自組裝驅(qū)動(dòng)力種類還有很多，比如離子鍵組裝、電荷交換組裝等，也能夠是兩種或各種驅(qū)動(dòng)力共同作用自組裝。第47頁(yè)表面分子自組裝常見體系LLLLM囊狀體系(cagetypesystem)HHG主客體系(host-guestsystem)ABCD層狀薄膜體系(hierarchicallayerssystems)第48頁(yè)層狀薄膜體系層狀薄膜是基于分子界面組裝來實(shí)現(xiàn),構(gòu)筑和功效層狀組裝超薄膜一直是超分子化學(xué)研究熱點(diǎn)制備方法主要分為三大類:LB膜技術(shù)化學(xué)吸附自組裝技術(shù)交替沉淀技術(shù)第49頁(yè)化學(xué)吸附薄膜化學(xué)吸附薄膜種類化學(xué)吸附薄膜形成第50頁(yè)交替沉淀組裝膜NH2NH2NH2NH2NH2NH2NH2HOOCHOOCHOOCCOOHCOOHCOOHO2SO2SO2SSO2CuSO2CuSO2Cu靜電組裝氫鍵組裝配位鍵組裝polycationWaterpolyanionWaterdryrinserinsedry第51頁(yè)囊狀材料制備機(jī)械性能熱穩(wěn)定性電化學(xué)性質(zhì)滲透調(diào)控性能囊狀材料是經(jīng)過成膜物質(zhì)將囊內(nèi)空間與囊外空間隔開以形成特定幾何結(jié)構(gòu)物質(zhì)第52頁(yè)

自組裝在納米材料制備中應(yīng)用Moore’sLawTrendLine1cm1

m50nm1-5nm1st

transistor1stintegratedcircuitlMtransistorsperchipHybridnanoelectronicsFig.1“Moore’sLaw”plotoftransistorsizevsyear19501960197019801990當(dāng)代電子工業(yè)對(duì)信息處理要求更加快、對(duì)信息儲(chǔ)存更大，這就要求對(duì)應(yīng)電子元件體積微型化傳統(tǒng)電子器械缺點(diǎn)現(xiàn)有尺度快抵達(dá)了極限尺度微型化后，電子通道之間會(huì)發(fā)生干擾第53頁(yè)光刻技術(shù)及其應(yīng)用加工方法：電磁輻射技術(shù)：光子輻射源：加工尺度受到光衍射限制高能粒子為輻射源：體系易受到高能粒子束而損害（尤其是蛋白質(zhì)、多肽等生物體系）分子自組裝技術(shù)：加工尺度1~100nm相互作用多為弱相互作用光刻技術(shù):將原始模板圖案復(fù)制到固體基底上技術(shù)總稱第54頁(yè)光電分子器械受體底物超分子分子器件化學(xué)調(diào)控光化學(xué)調(diào)控電化學(xué)調(diào)控第55頁(yè)Biotinylatedcysteine

-HistidinetagsBiomolecularmotornanopropellerNipost生物馬達(dá)Science,,290,1555biomolecularmotor第56頁(yè)分子自組裝即使取得了一定進(jìn)展，不過現(xiàn)有體系依然存在許多不足：展望制備方法：體系精細(xì)結(jié)構(gòu)控制研究體系拓展，從現(xiàn)在靜態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到類似生物細(xì)胞動(dòng)態(tài)體系超分子體系功效擴(kuò)展：使體系含有智能化、微型化、功效集成化和自適化、自修復(fù)和自進(jìn)化能力器件第57頁(yè)掃描探針技術(shù)：表面形貌，如：原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)和近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等電鏡紫外-可見光譜；紅外光譜；熒光光譜橢偏儀電化學(xué)：氧化還原性質(zhì)和表面覆蓋率等小角-X射線衍射：表征層狀有序結(jié)構(gòu)X-射線光電子能譜(XPS):組成份析等等……薄膜表征方法第58頁(yè)1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器企業(yè)蘇黎世試驗(yàn)室葛·賓尼(GerdBinnig)博士和?！ち_雷爾(HeinrichRohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)新型表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡(jiǎn)稱STM)。使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面排列狀態(tài)和與表面電子行為相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)。STM1986年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。葛·賓尼(GerdBinning)?！ち_雷爾(HeinrichRohrer)第59頁(yè)STM結(jié)構(gòu)及原理當(dāng)樣品與針尖距離非?？拷鼤r(shí)(通常小于1nm)，在外加電場(chǎng)作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間勢(shì)壘流向另一電極。隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，依據(jù)隧道電流改變，我們能夠得到樣品表面微小高低起伏改變信息。第60頁(yè)隧道電流改變曲線

Ro與樣品表面相關(guān)參數(shù)；?Z有0.1nm改變；?IT即有數(shù)量級(jí)改變隧道電流改變曲線

第61頁(yè)原子力顯微鏡(AFM)

利用一個(gè)對(duì)微弱力極敏感微懸臂，其末端有一微小針尖，因?yàn)獒樇饧舛嗽优c樣品表面原子間存在極微弱排斥力，經(jīng)過掃描時(shí)控制這種力恒定，同時(shí)利用光學(xué)檢測(cè)法能夠測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)位置改變，從而能夠取得樣品表面形貌信息。第62頁(yè)近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡介紹第63頁(yè)工作原理光束從棱鏡一側(cè)入射，在界面發(fā)生內(nèi)全反射，因而在樣品附近存在隱失場(chǎng)。光纖探頭靠近樣品表面，發(fā)生隱失波耦合，經(jīng)過光纖把光強(qiáng)信號(hào)輸出，光電倍增管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大，由三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、反饋和壓電晶體管，組成一個(gè)(x,y)掃描和縱向z測(cè)控系統(tǒng)，確保(x,y)掃描過程中針尖和樣品距離不變。因?yàn)殡[失波在縱向?yàn)橹笖?shù)衰減，反應(yīng)敏感，當(dāng)樣品有微小起伏時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)便發(fā)出控制信號(hào)，使針尖降升，從控制信號(hào)能夠獲知全反射面上樣品型貌第64頁(yè)另外兩種工作模式第65頁(yè)近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡第66頁(yè)第67頁(yè)電子顯微鏡：電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱電鏡，是依據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高放大倍數(shù)下成像儀器。電子顯微鏡慣用有透射電鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope,SEM）。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。第68頁(yè)電子顯微鏡：傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨本事受限于光波長(zhǎng)，使用短波長(zhǎng)光照明是提升顯微鏡分辨本事路徑之一。利用運(yùn)動(dòng)電子含有波動(dòng)性制造電子顯微鏡，因?yàn)殡娮拥虏剂_意波長(zhǎng)極短，所以它有極高空間分辨本事。電子顯微鏡分辨本事，電子束發(fā)散角較小，u0~0.16rad；電子波長(zhǎng)取決于電子加速電壓：加速電壓電子波長(zhǎng)分辨本事有效放大率104V1.210-2nm510-2nm2106105V3.710-3nm1.510-2nm6106第69頁(yè)1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)二分之一授予德國(guó)柏林弗利茲-哈伯學(xué)院（Fritz-Haber-InstitutderMax-Planck-Gesellschaft）恩斯特·魯斯卡（ErnstRuska，1906-1988)，以表彰他在電光學(xué)領(lǐng)域做了基礎(chǔ)性工作，并設(shè)計(jì)了第一架電子顯微鏡；另二分之一授予瑞士魯希利康（Rüschlikon）IBM蘇黎世研究試驗(yàn)室德國(guó)物理學(xué)家賓尼希（GerdBinnig，1947-）和瑞士物理學(xué)家羅雷爾（HeinrichRohrer，1933-)以表彰他們?cè)O(shè)計(jì)出了掃描隧道顯微鏡。TECNAIF30場(chǎng)發(fā)射透射電鏡點(diǎn)分辨率：0.205nmpointat300kV

線分辨率：0.102nmlineat300kV

環(huán)境可控掃描電鏡

特點(diǎn):圖像分辨率高對(duì)任何樣品無需處理，可直接進(jìn)行觀察；進(jìn)行動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程直接觀察。第70頁(yè)用電子顯微鏡拍攝苯分子照片第71頁(yè)傅立葉變換紅外光譜儀傅里葉變換紅外光譜儀（FourierTransformInfraredSpectrometer，簡(jiǎn)寫為FTIRSpectrometer）,簡(jiǎn)稱為傅里葉紅外光譜儀。它不一樣于色散型紅外分光原理，是基于對(duì)干涉后紅外光進(jìn)行傅里葉變換原理而開發(fā)紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動(dòng)鏡、定鏡）、樣品室、檢測(cè)器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。能夠?qū)悠愤M(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)境保護(hù)、海關(guān)、寶石判定、刑偵判定等領(lǐng)域。第72頁(yè)傅立葉變換紅外光譜儀VECTOR22付立葉紅外光譜儀

主要技術(shù)指標(biāo)：

波數(shù)范圍：7500-370cm-1

分辨率：1cm-1

操作系統(tǒng):OPUS/IR

主要應(yīng)用：物質(zhì)定性、定量分析

生產(chǎn)廠家：德國(guó)Bruker企業(yè)基本原理光源發(fā)出光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射抵達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)反射抵達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器，動(dòng)鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng)，因而經(jīng)分束器分束后兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后經(jīng)過樣品池，經(jīng)過樣品后含有樣品信息干涉光抵達(dá)檢測(cè)器，然后經(jīng)過傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)紅外吸收光譜圖。

第73頁(yè)Self-assembledmonolayers(SAMs)of4,4'-terphenyl-substitutedalkanethiolsC6H5(C6H4)2(CH2)n-SH(TPn,n=1-6)onAu(111)substrateswerestudiedusinginfraredreflectionabsorptionspectroscopy(IRRAS).紅外光譜研究自組裝薄膜材料Langmuir,

22(8),3647-3655,

第74頁(yè)橢偏儀光譜型橢偏儀是一個(gè)用于探測(cè)薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量設(shè)備。因?yàn)榕c樣品非接觸，對(duì)樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一個(gè)極具吸引力測(cè)量設(shè)備第75頁(yè)橢偏儀早些年，橢偏儀工作波長(zhǎng)為單波長(zhǎng)或少數(shù)獨(dú)立波長(zhǎng)，最經(jīng)典是采取激光或?qū)﹄娀〉葟?qiáng)光譜光進(jìn)行濾光產(chǎn)生單色光源?，F(xiàn)在大多數(shù)橢偏儀在很寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)以多波長(zhǎng)工作（通常有幾百個(gè)波長(zhǎng)，靠近連續(xù)）。和單波長(zhǎng)橢偏儀相比，多波長(zhǎng)光譜橢偏儀有下面優(yōu)點(diǎn)：能夠提升多層探測(cè)能力，能夠測(cè)試物質(zhì)對(duì)不一樣波長(zhǎng)光波折射率等。橢偏儀光譜范圍在深紫外142nm到紅外33µm可選。光譜范圍選擇取決于被測(cè)材料屬性、薄膜厚度及關(guān)心光譜段等原因。比如，摻雜濃度對(duì)材料紅外光學(xué)屬性有很大影響，所以需要能測(cè)量紅外波段橢偏儀；薄膜厚度測(cè)量需要光能穿透這薄膜，抵達(dá)基底，然后并被探測(cè)器檢測(cè)到，所以需要選取該待測(cè)材料透明或部分透明光譜段；對(duì)于厚薄膜選取長(zhǎng)波長(zhǎng)更有利于測(cè)量。

第76頁(yè)厚度-層數(shù)關(guān)系橢偏儀對(duì)多層自組裝檢測(cè)第77頁(yè)X射線光電子能譜分析X射線光電子能譜分析(X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis)1887年，HeinrichRudolfHertz發(fā)覺了光電效應(yīng)。二十年后19，P.D.Innes用倫琴管、亥姆霍茲線圈、磁場(chǎng)半球(電子能量分析儀)和照像平版做試驗(yàn)來統(tǒng)計(jì)寬帶發(fā)射電子