显微分析技术.电子显微镜-精.ppt

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1、显微分析技术.电子显微镜-第1页，本讲稿共25页扫描电镜Scanning Electron Microanalyzer 第2页，本讲稿共25页扫描电镜(SEM)SEM的基本原理第3页，本讲稿共25页焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究究放大倍数范围广，从十几倍到放大倍数范围广，从十几倍到2万倍，几乎覆盖了光学万倍，几乎覆盖了光学显微镜和显微镜和TEM的范围的范围制样简单，样品的电子损伤小制样简单，样品的电子损伤小 这些方面优于这些方面优于TEM，所以，所以SEM成为高分子材料成为高分子材料 常用的常用的重要剖析手段重要剖析手段扫描电镜的

2、最大特点第4页，本讲稿共25页SEM与TEM的主要区别在原理上，在原理上，SEM不是用透射电子成像，而是用二次不是用透射电子成像，而是用二次电子加背景散射电子成像。电子加背景散射电子成像。在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外，检测在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外，检测系统完全不同。系统完全不同。第5页，本讲稿共25页 SEM的分辨率主要受到电子束直径的限制，这里电的分辨率主要受到电子束直径的限制，这里电子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越随得到好的

3、分辨效果。但电子束直径越小，信噪比随得到好的分辨效果。但电子束直径越小，信噪比越小越小。扫描电镜(SEM)第6页，本讲稿共25页SEM的分辨率主要受到电子束直径的限制，这里电子的分辨率主要受到电子束直径的限制，这里电子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越随得到对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越随得到好的分辨效果，电子束直径越小，信噪比越小好的分辨效果，电子束直径越小，信噪比越小。SEM的放大倍数与屏幕分辨率有关，的放大倍数与屏幕分辨率有关，SEM的最大放大倍数为的最大放大倍数为2万左右。万左右

4、。扫描电镜(SEM)放大倍数放大倍数分辨率分辨率第7页，本讲稿共25页SEM的焦深是较好光学显微镑的的焦深是较好光学显微镑的300600倍。倍。焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦。焦深焦深衬度衬度表面形貌衬度表面形貌衬度原子序数衬度原子序数衬度F焦深；焦深；d 电子束直径；电子束直径；2a物镜的孔径角物镜的孔径角第8页，本讲稿共25页原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背景电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感，而二次电子不敏感。高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大；所以只有些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像

5、。衬衬 度度表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸(称为表面地理)决定的。一般情况下，入射电子能从试详表面下约5nm厚的薄层激发出二次电子，加速电压大时会激发出更深层内的二次电子，从而面下薄层内的结构可能会反映出来，并更加在表面形貌信息上。表面形貌衬度表面形貌衬度原子序数衬度原子序数衬度第9页，本讲稿共25页扫描电子显微镜常见的制样方法有:扫描电子显微镜的样品制备金属涂层法金属涂层法离子刻蚀离子刻蚀金属涂层法金属涂层法第10页，本讲稿共25页金属涂层法金属涂层法 应用对象是导电性较差的样品，如高聚物材料，在进行扫描电子显微镜观察之前必须使样品表面蒸发一层导电体，目的在于消除荷电现象利提高样品表面二次

6、电子的激发量，并减小样品的辐照损伤，金属涂层法包括真空蒸发镀膜法和离子溅射浊。应用对象是包含合晶相和非晶相两个组成部分的样品。它是利用离子轰击样品表而时，中于两相被离子作用的程度不同，而暴露出晶区的细微结构。离子刻蚀离子刻蚀第11页，本讲稿共25页化学刻蚀法化学刻蚀法 应用对象同于离子刻蚀法，包括溶剂和酸刻蚀两种方法。酸刻蚀是利用某些氧化性较强的溶液，如发烟硝酸、高锰酸钾等处理样品表面，使其个一相氧化断链而溶解，而暴露出晶相的结构。溶剂刻蚀是用某些溶剂选择溶解高聚物材料中的一个相，而暴露出另一相的结构。第12页，本讲稿共25页用扫描电镜观察拉伸情况喷金的样品第13页，本讲稿共25页扫描电子显微

7、镜的工作内容扫描电子显微镜的工作内容微区形貌观测微区形貌观测二次电子像 可得到物质表面形貌反差的信息，即微观形貌像。背反射电子像 可得到不同区域内平均原子序数差别的信息，即组成分布像。X射线元素分布像 可得到样品表面元素及其X射线强度变化的分布图像。微区定性和定量分析微区定性和定量分析 与常规的定性、定量分析方法不同的是，扫描电子显微镜系统是在微观形貌观测的基础上，针对感兴趣区域进行特定的定性或定量分析。第14页，本讲稿共25页扫描电子显微镜的应用实例扫描电子显微镜的应用实例 图中表明催化组分由表及里沿径向呈下降趋势。一种(上图)抗氧化能力较差(国内)；另一种(下图)抗氧化能力较强(国外)两者

8、的微双形态呈明显的不同 氯化亚铜微观形态的观测催化剂线扫描图第15页，本讲稿共25页一种PVC粉料的形貌观测ABS脆件断裂后微观形态的观测扫描电子显微镜的应用实例 第16页，本讲稿共25页扫描隧道和原子力电子显微镜扫描隧道和原子力电子显微镜，是扫描隧道和原子力电子显微镜，是1986年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖获得者宾尼和罗雷尔相继发明创造的。获得者宾尼和罗雷尔相继发明创造的。扫描隧道电子显微镜简称STM。在性能上，其分辨率通常在0.2nm左右，故可用来确定表面的原子结构。测量表面的不同位置的电子态、表面电位及表面逸出功分布。此外，还可以利用STM对表面的原子进行移出和植入操作，有目的地使其

9、排列组合，这就使研制纳米级量子器件、纳米级新材料成为可能 第17页，本讲稿共25页扫描隧道和原子力电子显微镜扫描隧道电子显微镜主要用于导体的研究，而原于力电子显微镜扫描隧道电子显微镜主要用于导体的研究，而原于力电子显微镜不仅用于导体的研究，也可用于非导体的研究。在制造原理上，不仅用于导体的研究，也可用于非导体的研究。在制造原理上，两者的基础是相同的。两者的基础是相同的。两者在应用上的主要区别：原子力原子力电电子子显显微微镜简镜简称称AFM在真空在真空环环境下境下测测量，其横向分辨率可达量，其横向分辨率可达0.15nm，纵纵向分辨率达向分辨率达0.05nm，主要用于，主要用于测测量量绝缘绝缘材料

10、表面材料表面形貌。此外，用形貌。此外，用AFM还还可可测测量表面原子量表面原子间间力、表力、表面的面的弹弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质质。第18页，本讲稿共25页扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)(STM)德国德国OmicronOmicron公司超高真空扫公司超高真空扫描隧道显微镜描隧道显微镜第19页，本讲稿共25页扫描隧道显微镜法工作原理示意图:第20页，本讲稿共25页基本原理及功能 扫描隧道电子显微镜的原理不同于传统意义上的电子显微镜它是利用电子在原子间的量子隧穿效应。将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原于间距离与隧穿

11、电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。第21页，本讲稿共25页基本原理及功能 原子力电子显微镜是在扫描隧道电子显微镜制造技术的基础上发展起来的。它是利用移动探针与原子间产生的相互作用力，将其在三维空间的分布状态转换成图像信息，从而得到物质表面原子及它们的排列状态。通常，把以扫描隧道和原子力电子显微镜为基础，兼带上述其他功能显微镜的仪器统称为原子力电子显微镜。第22页，本讲稿共25页扫描隧道和原子力电子显微镜一般扫描电子显微镜放大倍数为几十万倍透射电子显微镜的放大倍数可达百万倍以

12、上扫描隧道电子显微镜的放大倍数通常可达几千万倍用用STM测量高定向热解石墨测量高定向热解石墨 应用举例 第23页，本讲稿共25页其它显微镜其它显微镜LFMLFM激光力显微镜激光力显微镜MFMMFM磁力显微镜磁力显微镜BEEMBEEM弹道电子发弹道电子发射显微镜射显微镜可用于观察样品表面的起伏状态。由于其探针可用于观察样品表面的起伏状态。由于其探针离表面较远，而且观察表面起伏的最小尺寸度离表面较远，而且观察表面起伏的最小尺寸度约约5nm，因此也可用来测量表面窄缝的内部特，因此也可用来测量表面窄缝的内部特征。征。分辨率优于分辨率优于25nm，主要用于观察磁场边界、，主要用于观察磁场边界、磁场强度等

13、，如可用于观察磁盘存贮的数据等磁场强度等，如可用于观察磁盘存贮的数据等 是由是由STM派生出来，用于研究薄居下界面性质派生出来，用于研究薄居下界面性质并具有纳米空间分辨率的一种显微镜。通过并具有纳米空间分辨率的一种显微镜。通过BEEM图可以观察到界面结构以及由于界面图可以观察到界面结构以及由于界面结构的缺陷和界面双方元素的互扩散或化学作结构的缺陷和界面双方元素的互扩散或化学作用形成的电子态不均匀性状态。用形成的电子态不均匀性状态。第24页，本讲稿共25页各种电镜的比较各种电镜的比较 分辨分辨 工作环境工作环境 对试样影响对试样影响 检测深度检测深度 评价评价TEMSEMSTMAFMdd无无0.2nmdddd低低610nm0.01nm0.1nm高真空高真空高真空高真空大气大气,液液体体,真空真空中等中等小小无损无损小于小于0.2m1m12原原子层子层历史历史最久最久应用应用最广最广可观察原可观察原子整体形子整体形貌貌STM的改进与发展的改进与发展第25页，本讲稿共25页