电子显微分析方法精选PPT.ppt

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1、关于电子显微分析方法关于电子显微分析方法第1页，讲稿共37张，创作于星期二第一节第一节 离子探针离子探针离子探针仪是利用电子光学方法把惰性气体等初级离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品表面，使之激发和溅射二次离子，以进行表面成分分析或者对样品进行原子层的剥层。与电子探针相比，离子探针的分析深度小（小于5nm），采样质量小，检测灵敏度高，可分析所有的元素，分析时间短。第2页，讲稿共37张，创作于星期二第3页，讲稿共37张，创作于星期二第4页，讲稿共37张，创作于星期二第二节第二节 低能电子衍射低能电子衍射n n低能电子衍射利用1010500eV500eV能量的电子入射表面，利用能量的电子入射

2、表面，利用弹性背散射电子波的相互干涉产生衍射花样。由于样品物弹性背散射电子波的相互干涉产生衍射花样。由于样品物质与电子的强烈相互作用，常常使参与衍射的样品体积只质与电子的强烈相互作用，常常使参与衍射的样品体积只是表面一个原子层；即使是稍高能量的电子也限于是表面一个原子层；即使是稍高能量的电子也限于2 23层原子，分别以二维的方式参与衍射，只是使花样复杂一些而已。n n低能电子衍射成为固体表面结构分析的极为有效的工具。第5页，讲稿共37张，创作于星期二真空度达1.3310-8Pa液氮冷却第6页，讲稿共37张，创作于星期二低能电子衍射的应用低能电子衍射的应用n n研究晶体的表面原子排列研究晶体的表

3、面原子排列n n研究汽相沉积表面膜的生长研究汽相沉积表面膜的生长n n研究氧化模的形成研究氧化模的形成n n研究气体吸附和催化研究气体吸附和催化第7页，讲稿共37张，创作于星期二第三节第三节 俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES)第8页，讲稿共37张，创作于星期二n n电子跃迁过程n n原子的内层电子被击出后，处于激发态的原子恢复到原子的内层电子被击出后，处于激发态的原子恢复到基态有两种互相竞争的过程：基态有两种互相竞争的过程：1）发射）发射X X射线荧光，2 2）发射俄歇电子；）发射俄歇电子；n n俄歇电子发射过程：原子内层电子空位被较外层电子俄歇电子发射过程：原子内层电子空位被较外层电子填入

4、时，多余的能量以无辐射弛豫传给另一个电子，填入时，多余的能量以无辐射弛豫传给另一个电子，并使之发射；并使之发射；n n俄歇电子常用俄歇电子常用X X射线能线来表示，如射线能线来表示，如KLKLL L俄歇电子表示最初K能级电子被击出，能级电子被击出，L L能级上的一个电子填入能级上的一个电子填入K K层空位，多余的能量传给层空位，多余的能量传给L L能级上的一个电子并使之发射出来。俄歇跃迁通常有三个能级参与，至少涉及两个能级，所以第一周期的元素不能产生俄歇电子。第9页，讲稿共37张，创作于星期二KL1L2X射线高能电子KLL俄歇电子俄歇电子的产生过程第10页，讲稿共37张，创作于星期二n n俄歇

5、电子产额n n俄歇电子和俄歇电子和X X荧光产生几率是互相关联和竞争的，对于K K型跃迁：型跃迁：KK:荧光产额；荧光产额；：俄歇电子产额。：俄歇电子产额。n n俄歇电子产额随原子序数的变化如图。n n对于对于Z Z 1414的元素，采用的元素，采用KLLKLL电子来鉴定；电子来鉴定；n n对于对于Z Z1414的元素，采用的元素，采用LMMLMM电子较合适；电子较合适；n n对于对于Z Z 4242的元素，选用的元素，选用MNNMNN和和MNOMNO电子为佳。电子为佳。第11页，讲稿共37张，创作于星期二平均俄歇电子产额 随原子序数的变化平均俄歇电子产额 随原子序数的变化第12页，讲稿共37

6、张，创作于星期二n n俄歇电子的逸出深度：俄歇电子的逸出深度：1 11010，只相当于表面几个原子，只相当于表面几个原子层，因此俄歇电子能谱仪成为有效的表面分析工具。层，因此俄歇电子能谱仪成为有效的表面分析工具。其分辨率直接与束斑尺寸相当。其分辨率直接与束斑尺寸相当。n n俄歇电子峰的宽度：取决于自然宽度和跃迁时所涉及到俄歇电子峰的宽度：取决于自然宽度和跃迁时所涉及到的能级本身的宽度，一般从几个电子伏特到的能级本身的宽度，一般从几个电子伏特到1010电子伏特电子伏特以上。以上。第13页，讲稿共37张，创作于星期二第四节第四节 场离子显微镜场离子显微镜(FIM)抽高真空后通入成像气体FIM显微图

7、像第14页，讲稿共37张，创作于星期二场离子显微镜的应用场离子显微镜的应用n n场场离离子子显显微微镜镜技技术术的的主主要要优优点点在在于于表表面面原原子子的的直直接接成成像像，通通常常只只有有其其中中约约1010左右的台阶边缘原子给出像亮点；在某些理想情况下，台阶平面的原子也能成像，但衬度较差。n n主要应用：1 1）点点缺缺陷陷的的直直接接观观察察；2 2）界界面面缺缺陷陷；3 3）无无序序有有序序转转变变中中结结构构的的变变化化，反反相相畴畴界界的的点点阵阵缺缺陷陷以以及细小的畴尺寸（约及细小的畴尺寸（约7nm）的观察。）的观察。第15页，讲稿共37张，创作于星期二第五节第五节 扫描隧道

8、显微镜（扫描隧道显微镜（STM）和原子力）和原子力显微镜（显微镜（AFM）一、一、STMSTM的分辨率及其与其它分析仪器的比较的分辨率及其与其它分析仪器的比较n n19811981年年，BiningBining和RohrerRohrer发发明明扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜（Scanning Scanning Tunnelling MicroscopeTunnelling MicroscopeSTMSTM）1986年获诺贝尔奖；年获诺贝尔奖；n nSTMSTM具具有有结结构构简简单单、分分辨辨本本领领高高等等特特点点，可可在在真真空空、大大气气或或液液体体环环境境下下，在在实实空空间间内内进进行

9、行原原位位动动态态观观察察样样品品表表面面的的原原子子组组态态，并并可可直直接接用用于于观观察察样样品品表表面面发发生生的的物物理理或或化化学学反反应应的的动动态态过过程程及及反反应应中中原原子子的的迁迁移移过过程程等等。目目前前，STM已已成成功功地地用用于于单单质质金金属属、半半导导体体等等材材料料表表面面原原子子结结构构的直接观察。的直接观察。第16页，讲稿共37张，创作于星期二显微镜类型显微镜类型分辨本领分辨本领工作条件工作条件工作温度工作温度样品损伤样品损伤分析深分析深度度人眼人眼0.2mm0.2mm光学显微镜光学显微镜0.20.2 mmSEMSEM（二次电（二次电子）子）横向：横向

10、：6nm6nm高真空高真空低温、室低温、室温、高温温、高温轻微损伤轻微损伤1 1 mm纵向：较低纵向：较低TEMTEM横向：点横向：点25 25 ，线，线12 12 高真空高真空低温、室低温、室温、高温温、高温中等程度中等程度损伤损伤1000 1000 (样品厚样品厚度）度）纵向：很差纵向：很差FIMFIM横向：横向：2 2 超高真空超高真空3080K3080K严重损伤严重损伤1 1个原子个原子层层STMSTM横向：横向：1 1 空气、溶空气、溶液、真空液、真空低温、室低温、室温、高温温、高温无损伤无损伤1212个原个原子层子层纵向：纵向：0.1 0.1 第17页，讲稿共37张，创作于星期二二

11、、扫描隧道显微镜（二、扫描隧道显微镜（STM)第18页，讲稿共37张，创作于星期二第19页，讲稿共37张，创作于星期二STM工作模式工作模式n n恒电流模式（CCI)：当针尖在表面扫描时，反馈电流会调节针尖与表面的高度，使得在针尖与样品之间的隧道电流守恒。它是目前应用最广最重要的一种方式，一般用于样品表面起伏较大时，如进行组织结构分析时。其缺点在于反馈电路的反应时间是一定的，这就限制了扫描速度与数据采集时间。第20页，讲稿共37张，创作于星期二n n恒高度模式（CHI）：针尖在表面扫描，直接探测隧道电流，再将其转化为表面形状的图象。它仅适用于表面非常平滑的材料。第21页，讲稿共37张，创作于星

12、期二STM应用应用n nSTMSTM的主要功能是在原子级水平上分析表面形貌和电子态，的主要功能是在原子级水平上分析表面形貌和电子态，后者包括表面能级性质、表面态密分布、表面电荷密度分后者包括表面能级性质、表面态密分布、表面电荷密度分布和能量分布。主要应用领域：布和能量分布。主要应用领域：n n表征催化剂表面结构；表征催化剂表面结构；n n人工制造亚微米和纳米级表面立体结构；人工制造亚微米和纳米级表面立体结构；n n研究高聚物；研究高聚物；n n研究生物学和医学；研究生物学和医学；n n原位研究电化学电积；原位研究电化学电积；n n研究碳、石墨等表面结构；研究碳、石墨等表面结构；n n研究半导体

13、表面、界面效应及电子现象；研究半导体表面、界面效应及电子现象；n n研究高温超导体；研究高温超导体；n n研究材料中的新结构和新效应。研究材料中的新结构和新效应。第22页，讲稿共37张，创作于星期二三、原子力显微镜（三、原子力显微镜（AFM)第23页，讲稿共37张，创作于星期二基本原理基本原理n nAFM是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离有关的针尖与样品相互作用力（既可能是吸引的，同距离有关的针尖与样品相互作用力（既可能是吸引的，也可能是排

14、斥的），就会引起微悬臂的形变，也就是说，也可能是排斥的），就会引起微悬臂的形变，也就是说，微悬臂的形变是对样品与针尖相互作用的直接测量；微悬臂的形变是对样品与针尖相互作用的直接测量；n n控制针尖或样品的控制针尖或样品的Z Z轴位置，利用激光束的反射来检测微悬轴位置，利用激光束的反射来检测微悬臂的形变，即使小于臂的形变，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可检测，只要用激光束将它反射到光电检测器后，变成了310nm的激光点位移，由此产生一定的电压变化，通过测量检测器的激光点位移，由此产生一定的电压变化，通过测量检测器电压对应样品扫描位置的变化，就可得到样品的表面形貌图电压对应样品扫描位置的变化，

15、就可得到样品的表面形貌图象。象。第24页，讲稿共37张，创作于星期二AFM结构原理图第25页，讲稿共37张，创作于星期二AFM操作模式操作模式第26页，讲稿共37张，创作于星期二n n接触式（contact mode)：n n针尖始终同样品接触并在表面滑动，针尖样品间的相互作用力是两者互相接触的原子中电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为1010810101111 N N，AFM中样品表面形貌图象通常是采用这种排斥力模中样品表面形貌图象通常是采用这种排斥力模式获得的。式获得的。n n接触式通常可产生稳定、高分辨图象，但对于低弹性接触式通常可产生稳定、高分辨图象，但对于低弹性模量样品，针尖的移动以

16、及针尖表面间的粘附力有模量样品，针尖的移动以及针尖表面间的粘附力有可能使样品产生相当大的变形并对针尖产生较大的损可能使样品产生相当大的变形并对针尖产生较大的损害，从而在图象数据中可能产生假象。害，从而在图象数据中可能产生假象。第27页，讲稿共37张，创作于星期二n n非接触式（noncontact mode)：n n针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面 接触，针尖探测器检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等对成象样品没有破坏的长程作用力；n n非接触模式可增加显微镜的灵敏度，但分辨率要比接触模式低，且实际操作比较困难。第28页，讲稿共37张，创作于星期二n n轻敲式（tapping mode

17、)：n n它是介于接触式和非接触式之间新发展起来的成它是介于接触式和非接触式之间新发展起来的成象技术。在扫描过程中微悬臂是振荡的并具有较象技术。在扫描过程中微悬臂是振荡的并具有较大的振幅，针尖在振荡时间断地与样品接触；大的振幅，针尖在振荡时间断地与样品接触；n n由于针由于针 尖同样品接触，其分辨率通常几乎与接尖同样品接触，其分辨率通常几乎与接触式一样好，但因为接触是非常短暂的，剪切力触式一样好，但因为接触是非常短暂的，剪切力引起的破坏几乎完全消失。目前，轻敲模式已经引起的破坏几乎完全消失。目前，轻敲模式已经应用到液体成象。应用到液体成象。第29页，讲稿共37张，创作于星期二AFM应用应用n

18、nAFMAFM的主要功能同的主要功能同STM一样。一般而言，一样。一般而言，STMSTM适于研究导体样品，而难于研究绝缘样品，由此发展起来的AFMAFM克服了克服了STMSTM的局限性，对导体和非导体样品都适用；的局限性，对导体和非导体样品都适用；n n由于工作原理和仪器结构不同，AFMAFM分辨本领要略分辨本领要略低于低于STMSTM，且灵敏度和稳定性均不如，且灵敏度和稳定性均不如STMSTM。n nAFM可用作纳米量级的“压痕器”，测量材料的力学性能。第30页，讲稿共37张，创作于星期二第六节第六节 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）第31页，讲稿共37张，创作于星期二一、基本原理

19、一、基本原理n nX射线与物质相互作用时，物质吸收了X射线的能量并使原子中内层电子脱离原子成为自由电子，即X光电子，如图11。n n对于气体分子，X射线能量h用于三部分：n n一部分用于克服电子的结合能一部分用于克服电子的结合能E Eb，使其激发为自由的光，使其激发为自由的光电子；电子；n n一部分转移至光电子使其具有一定的动能一部分转移至光电子使其具有一定的动能E Ek；n n一部分成为原子的反冲能一部分成为原子的反冲能E Er r。则 h Eb Ek Er第32页，讲稿共37张，创作于星期二n n对于固体样品，X射线能量用于：n n内层电子跃迁到费米能级，即克服该电子的结合能E Eb b；

20、n n电子由费米能级进入真空成为静止电子，即克服功函电子由费米能级进入真空成为静止电子，即克服功函数数 ；n n自由电子的动能自由电子的动能E Ek k。则 h Eb Ek 第33页，讲稿共37张，创作于星期二二、二、XPS的应用的应用n n化学分析n n元素成份分析：可测定除氢以外的全部元素，对物元素成份分析：可测定除氢以外的全部元素，对物质的状态没有选择，样品需要量很少，可少至质的状态没有选择，样品需要量很少，可少至10-8 g g，而灵敏度可高达，而灵敏度可高达1010-18-18 g，相对精度有，相对精度有1 1，因此特，因此特别适于作痕量元素的分析；别适于作痕量元素的分析；n n元素

21、的定量分析：从光电子能谱测得的信号是该物元素的定量分析：从光电子能谱测得的信号是该物质含量或相应浓度的函数，在谱图上它表示为光质含量或相应浓度的函数，在谱图上它表示为光电子峰的面积。目前虽有几种电子峰的面积。目前虽有几种XPSXPS定量分析的模型，定量分析的模型，但影响定量分析的因素相当复杂。但影响定量分析的因素相当复杂。第34页，讲稿共37张，创作于星期二n n表面污染分析n n由于对各个元素在由于对各个元素在XPS中都会有各自的特征光谱，中都会有各自的特征光谱，如果表面存在如果表面存在C、OO或其它污染物质，会在所分析的物质XPSXPS光谱中显示出来，加上光谱中显示出来，加上XPS表面灵表面灵敏性，就可以对表面清洁程度有个大致的了解；敏性，就可以对表面清洁程度有个大致的了解；n n如图是如图是ZrZr样品的样品的XPSXPS图谱，可以看出表面存在图谱，可以看出表面存在C C、OO、ArAr等杂质污染。等杂质污染。第35页，讲稿共37张，创作于星期二谢谢！第36页，讲稿共37张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第37页，讲稿共37张，创作于星期二