表面分析技術(shù)授課

1、表面分析技術(shù)授課表面分析技術(shù)授課第1頁內(nèi)容提要一、概 述二、形貌分析三、結(jié)構(gòu)分析四、成份分析五、圖片表面分析技術(shù)授課第2頁一、概 述表面分析技術(shù)授課第3頁1、材料科學(xué)與材料分析技術(shù) 材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)邊緣交叉學(xué)科，它利用電子顯微鏡、X射線衍射、熱譜、電子或離子探針等各種儀器和技術(shù)，探討材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學(xué)性能之間規(guī)律一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性一門學(xué)科。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第4頁材料科學(xué)與工程四要素：成份與結(jié)構(gòu)(Composition/Structure)

2、性 質(zhì)(Properties)加 工(Processing)效 能(Performance)。加 工(合成與制備)效 能性 質(zhì)成份與結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第5頁 材料科學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)之間關(guān)系一門學(xué)科。 從化學(xué)角度，研究材料化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、物相及合成方法。 從晶體學(xué)和固體物理學(xué)角度，分析和討論材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其性能。 從工程角度，研究材料制備工藝、加工工藝、性能改進技術(shù)及其工程使用問題，經(jīng)過合理工藝制備出有實用價值、可批量生產(chǎn)可用材料。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第6頁1）成份與結(jié)構(gòu)(Composi

3、tion/Structure) 包含化學(xué)元素組成、用肉眼或放大鏡能觀察到宏觀組織、用金相顯微鏡和電子顯微鏡觀察到微觀結(jié)構(gòu)(顯微組織)以及用X射線和電子衍射測得晶體結(jié)構(gòu)等。2）性質(zhì)(Property) 材料對電、磁、光、聲、熱、機械載荷反應(yīng)，主要決定于材料組成與結(jié)構(gòu)。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第7頁3）加工(Processing) 材料制備、合成、壓力加工、機械加工、廢料再生處理等。4）效能(Performance) 材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)行為，它與材料設(shè)計、工程環(huán)境親密相關(guān)。使用性能包含：可靠性、耐用性、壽命預(yù)測及延壽辦法等。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第8頁材料分

4、析方法 成份和結(jié)構(gòu)從根本上決定了材料性能，對材料成份和結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)確表征是材料研究基礎(chǔ)要求，也是實現(xiàn)性能控制前提。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第9頁材料分析伎倆共同之處 除了個別研究伎倆（如SPM）以外，基礎(chǔ)上是利用入射電磁波或物質(zhì)波（X射線、電子束、可見光、紅外光）與材料作用，產(chǎn)生攜帶樣品信息各種出射電磁波或物質(zhì)波（X射線、電子束、可見光、紅外光），探測這些出射信號，進行分析處理，即可取得材料組織、結(jié)構(gòu)、成份、價鍵信息。 材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第10頁材料分析內(nèi)容 表面和內(nèi)部組織形貌。 包含材料外觀形貌（如納米線、斷口、裂紋等）、晶粒大小與形態(tài)、各種相尺寸與形

5、態(tài)、含量與分布、界面（表面、相界、晶界）、位向關(guān)系（新相與母相、孿生相）、晶體缺點（點缺點、位錯、層錯）、夾雜物、內(nèi)應(yīng)力。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第11頁 晶體相結(jié)構(gòu)。 各種相結(jié)構(gòu)，即晶體結(jié)構(gòu)類型和晶體常數(shù)，相組成。 化學(xué)成份和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)。 包含宏觀和微區(qū)化學(xué)成份（不一樣相成份、基體與析出相成份）、同種元素不一樣價鍵類型和化學(xué)環(huán)境。 有機物分子結(jié)構(gòu)和官能團。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第12頁材料表面分析技術(shù)：1-概述固體表面：物體與真空或氣體界面。固體表面能夠指從單一第一個原子層到幾個原子層厚度表面層，甚至深達幾個微米表面層。在熱力學(xué)平衡條件下，固體表面

6、化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、原子振動狀態(tài)等均會與固體內(nèi)部產(chǎn)生一定差異。2、表面與表面分析表面分析技術(shù)授課第13頁2、表面與表面分析材料表面分析技術(shù)：1-概述固體表面、或者說界面， 在大家社會實踐中起著極為主要作用。表面科學(xué)研究，對整個科學(xué)技術(shù)發(fā)展含有主要意義。表面科學(xué)包含：表面物理、表面化學(xué)、表面電子學(xué)、表面生物學(xué)等。 表面分析技術(shù)授課第14頁表面分析主要性固體表面狀態(tài)，對于材料性能有著極其主要影響。比如，材料氧化和腐蝕、強韌性和斷裂行為等等，都與表面層或幾個原子層以內(nèi)原子尺度上化學(xué)和結(jié)構(gòu)有著親密關(guān)系。磨損、腐蝕和斷裂是機械構(gòu)件三大主要破壞形式，這些破壞絕大個別都產(chǎn)生于構(gòu)件表面。材料表面分析技術(shù)：1-

7、概述表面分析技術(shù)授課第15頁表面分析技術(shù)材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)是大家為了獲取表面物理、化學(xué)等方面信息而采取一些試驗方法和伎倆。SampleExcitationsourceEnergy SelectorSignal DetectorEvent表面分析技術(shù)授課第16頁材料表面分析技術(shù)：1-概述普通地說，它是利用一個探測束 如電子束、離子束、光子束、中性粒子束等，有時還加上電場、磁場、熱等作用，來探測材料表面形貌、化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子狀態(tài)、電子狀態(tài)等方面信息。 表面分析技術(shù)授課第17頁探測粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡稱 主要用途 e e低能電子衍射 LEED結(jié)構(gòu)e e反射式高能電

8、子衍射 RHEED結(jié)構(gòu)e e俄歇電子能譜 AES成份e e掃描俄歇探針 SAM微區(qū)成份e e電離損失譜 ILS成份e 能量彌散x射線譜 EDXS成份e e俄歇電子出現(xiàn)電勢譜 AEAPS成份e 軟x射線出現(xiàn)電勢譜SXAPS成份e e消隱電勢譜DAPS成份e e電子能量損失譜EELS原子及電子態(tài)e I電子誘導(dǎo)脫附ESD吸附原子態(tài)及成份e e透射電子顯微鏡TEM形貌e e掃描電子顯微鏡SEM形貌ee掃描透射電子顯微鏡STEM形貌材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第18頁探測粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡稱 主要用途 I I離子探針質(zhì)量分析IMMA微區(qū)成份I I靜態(tài)次級離子質(zhì)譜SSIMS成份I

9、n次級中性離子質(zhì)譜SNMS成份I I離子散射譜ISS成份、結(jié)構(gòu)I I盧瑟福背散射譜RBS成份、結(jié)構(gòu)I e離子中和譜INS最表層電子態(tài)I 離子激發(fā)x射線譜IEXS原子及電子態(tài)材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第19頁探測粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡稱 主要用途 ex射線光電子譜XPS成份、化合態(tài) e紫外線光電子譜UPS分子及固體電子態(tài) e同時輻射光電子譜SRPES成份、原子及電子態(tài)紅外吸收譜IR原子態(tài)拉曼散射譜RAMAN原子態(tài) 擴展x射線吸收譜精細結(jié)構(gòu)SEXAFS結(jié)構(gòu) 角分辨光電子譜ARPES原子及電子態(tài)結(jié)構(gòu) I光子誘導(dǎo)脫附譜PSD原子態(tài)材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第20頁

10、探測粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡稱 主要用途 Ee場電子顯微鏡FEM結(jié)構(gòu)EI場離子顯微鏡FIM結(jié)構(gòu)EI場離子顯微鏡-原子探針AP-FIM結(jié)構(gòu)及成份Ee場電子發(fā)射能量分布FEED電子態(tài)Ee掃描隧道顯微鏡STM形貌Tn熱脫附譜TDS原子態(tài)n中性粒子碰撞誘導(dǎo)輻射SCANIIR成份n n分子束散射MBS結(jié)構(gòu)、原子態(tài)AWAW聲顯微鏡AM形貌材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第21頁個別表面分析設(shè)備分析范圍 材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第22頁XPS AES ILS ISS RBS SIMS 測氫 NoNoNoNoNoYes元素靈敏度均勻性 GoodGoodBadGoodGoodBa

11、d最小可檢測靈敏度 10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析 GoodYesBadBadGoodBad化學(xué)態(tài)判斷 GoodYesYesBadBadBad譜峰分辨率 GoodGoodGoodBadBadGood識譜難易 GoodGoodGood-表面探測深度 MLsMLsMLsMLML-mML- MLs空間分辨率 BadGoodGoodBadBadGood無損檢測 YesYesYesNoYesYes理論數(shù)據(jù)完整性 GoodYesBadYesGoodBad材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第23頁表面分析技術(shù)是表面科學(xué)中一個

12、非常活躍領(lǐng)域，迄今為止，表面分析方法有近100種之多。當(dāng)前較為常見表面分析方法有：二次離子質(zhì)譜（SIMS）、俄歇電子譜（AES）、X射線光電子譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、電子探針（EPMA）等。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第24頁每種分析方法都有其優(yōu)點和不足，對于不一樣材料表面和表征目標(biāo)，需要選擇不一樣分析方法，才能到達預(yù)期效果。選取分析方法時，要綜合考慮：分析靈敏度下限、分析元素范圍、對樣品破壞程度、空間分辨率等多項性能指標(biāo)。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第25頁XPS、AES和

13、SIMS是當(dāng)前廣泛使用三種表面分析技術(shù)。 XPS（50%）AES（40%）SIMS（10%）其它主要用于專門研究材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第26頁XPS最大特色：能獲取豐富化學(xué)信息，對樣品表面損傷最輕微，定量分析很好。AES最大特色：空間分辨力非常好，含有很高微區(qū)分析能力，可進行元素表面分布成像。SIMS最大特色：檢測靈敏度非常高，可分析H和He以及同位素，可作微區(qū)、微量分析以及有機化學(xué)分析。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第27頁XPS優(yōu)點：（1）可測除H、He以外全部元素，無強矩陣效應(yīng)。（2）亞單層靈敏度；探測深度1-20單層，依賴材料和試驗參數(shù)。（3）定量元素分

14、析。（4）優(yōu)異化學(xué)信息（化學(xué)位移和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)）。（5）分析是非結(jié)構(gòu)破壞，X射線束損傷通常極少。（6）詳細電子結(jié)構(gòu)和一些幾何信息。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第28頁XPS缺點：（1）經(jīng)典數(shù)據(jù)采集與經(jīng)典AES相比較慢，個別原因是因為XPS通常采集了更多細節(jié)信息。（2）使用Ar離子濺射作深度剖析時，不輕易在實際濺射同時采集XPS數(shù)據(jù)。（3）橫向分辨率較低，50m(小面積)、5m(成像)。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第29頁AES優(yōu)點：（1）可測除H、He以外全部元素；當(dāng)包括到價能級時矩陣效應(yīng)大，而且一些電子背散射效應(yīng)總是存在。（2）亞單層靈敏度；探測深度1-20單層，依賴

15、材料和試驗參數(shù)。（3）快速半定量元素分析(精度比XPS低)；可同時Ar離子濺射作深度剖析。（4）可從化學(xué)位移、線形等得到一些化學(xué)信息，并可完全解釋。（5）優(yōu)異橫向分辨率，6-20nm；含有很高微區(qū)分析能力，并可進行表面成像。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第30頁AES缺點：（1）在許多情況下產(chǎn)生較嚴(yán)重電子束誘導(dǎo)損傷。（2）化學(xué)位移等較難了解，缺乏提供化學(xué)信息廣泛數(shù)據(jù)庫。（3）譜峰偶然重合機會比XPS大，這使得元素分析更不確定。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第31頁SIMS優(yōu)點： （1）對一些元素及其表面靈敏(10-6單層)，在靜態(tài)模式下探測深度限制在最頂單層。（2）可測

16、全部元素，包含H和同位素識別。（3）很好橫向分辨率(1m)。（4）在動態(tài)模式下同時進行深度剖析。（5）在動態(tài)模式下含有探測Dopant級濃度靈敏度、動態(tài)范圍唯一技術(shù)。（6）Cluster相對強度有限化學(xué)信息。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第32頁SIMS缺點：（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞性。（2）SIMS過程內(nèi)部復(fù)雜性并未很好了解。主要問題是SIMS離子強度隨化學(xué)和物理環(huán)境改變有大量可變性原因，這使得定量分析困難。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第33頁二、形貌分析表面分析技術(shù)授課第34頁組織形貌分析微觀結(jié)構(gòu)觀察和分析對于了解材料本質(zhì)至關(guān)主要，組織形貌分析借助各種顯微技術(shù)，認(rèn)識材料

17、微觀結(jié)構(gòu)。表面形貌分析技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(EM)、掃描探針顯微鏡(SPM)發(fā)展過程，現(xiàn)在已經(jīng)能夠直接觀察到原子圖像。 材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第35頁光學(xué)顯微鏡(OM)金相顯微鏡巖相顯微鏡生物顯微鏡激光共聚焦顯微鏡材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第36頁掃描電鏡普通型SEM（W燈絲）熱場型SEM冷場型SEM環(huán)境型SEM材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第37頁電子與樣品物質(zhì)作用材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第38頁掃描電鏡JSM-7401F材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第39頁TEM種類及成像

18、普通型高壓型高分辨型分析型質(zhì)厚襯度像衍射襯度像相位襯度像材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第40頁透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡是利用電子波動性來觀察固體材料內(nèi)部各種缺點和直接觀察原子結(jié)構(gòu)儀器。普通光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)千倍。當(dāng)前大型電鏡，分辨本事為23 埃，電壓為100500kV，放大倍數(shù)501200,000倍。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第41頁Tecnai G2 20透射電子顯微鏡LaB6燈絲或鎢燈絲，點分辨率 0.24nm，放大倍數(shù) 25x-1100kx材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第42頁 因為材料研究強調(diào)綜合分析，電鏡逐步增加了一

19、些其它專門儀器附件，如掃描電鏡、掃描透射電鏡、X射線能譜儀、電子能損分析等相關(guān)附件，使其成為微觀形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)分析和成份分析綜合性儀器，即分析電鏡。它們能同時提供試樣相關(guān)附加信息。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第43頁高分辨電鏡設(shè)計分為兩類：一是為生物工作者設(shè)計，含有最正確分辨本事而沒有附件；二是為材料科學(xué)工作者設(shè)計，有附件而損失一些分辨能力。還有一些設(shè)計，在高分辨時采取短焦距，低分辨時采取長焦距。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第44頁電子衍射與X射線衍射電子衍射與X射線衍射基礎(chǔ)原理是完全一樣，兩種技術(shù)所得到晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相同，電子衍射與X射

20、線衍射相比突出特點為： 在同一試樣上把物相形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來； 物質(zhì)對電子散射更強，約為X射線一百萬倍，尤其適合用于微晶、表面和薄膜晶體結(jié)構(gòu)研究，且衍射強度大，所需時間短，只需幾秒鐘。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第45頁經(jīng)典電子衍射圖A 非晶B 單晶C 多晶D 會聚束材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第46頁電子探針（EPMA-1600)鎢燈絲型EPMACeB6/LaB6型EPMA熱場型EPMA材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第47頁電子探針(EPMA)材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第48頁結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用控制處理 接口用于觀

21、察 主機電子槍備用抽真空樣品射線檢測器分光（色散）晶體光學(xué)觀察系自動材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第49頁EPMA檢測信號CL陰極射線發(fā)光背散射電子特征射線吸收電子透射電子樣品材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第50頁WDX原理圖入射電子試料分光結(jié)晶検出器結(jié)晶:直線移動移動中心軌道檢出器軌道材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第51頁特征X射線陰極射線發(fā)光C L二次電子背散射電子透射電子表面觀察狀態(tài)分析元素分析EPMA材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第52頁OES形態(tài)觀察成分分析狀態(tài)分析結(jié)構(gòu)解析EDXXRFXRDXPSEPMASEMSPM分析

22、目標(biāo)OMSIMSTEM/EELSSAM材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第53頁電子探針儀樣品制備電子探針分析樣品應(yīng)滿足以下三點要求：（1）必須嚴(yán)格確保樣品表面清潔和平整（2） 樣品尺寸適宜放入電子探針儀樣品室 （3）樣品表面須含有良好導(dǎo)電性材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第54頁掃描探針顯微鏡材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第55頁掃描探針顯微鏡產(chǎn)生必定性表面結(jié)構(gòu)分析儀器不足1933年電子顯微鏡RuskaKnoll透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡場電子顯微鏡場離子顯微鏡低能電子衍射光電子能譜電子探針材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第56頁低能

23、電子衍射和X射線衍射光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡高分辨透射電子顯微鏡場電子顯微鏡和場離子顯微鏡X射線光電子能譜樣品含有周期性結(jié)構(gòu)不足分辨出表面原子用于薄層樣品體相和界面研究只能探測在半徑小于100nm針尖上原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜只能提供空間平均電子結(jié)構(gòu)信息材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第57頁掃描探針顯微鏡產(chǎn)生掃描隧道顯微鏡1982年人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(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)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域研究中有著重大意義和遼闊應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界10大科技成就之一。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分

24、析表面分析技術(shù)授課第58頁掃描探針顯微鏡（SPM）掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場光學(xué)顯微境（SNOM）彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）原子力顯微鏡(AFM)掃描隧道顯微鏡（STM）材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第59頁掃描探針顯微鏡特點1. 分辨率HM：高分辨光學(xué)顯微鏡；PCM：相反差顯微鏡；(S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；FIM：場離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡 橫向分辨： 0.1nm縱向分辨： 0.01nm材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第60頁2、可實時地得到實時間中表面三維圖像，可用于含有周期性或不具備周期性表面結(jié)構(gòu)研究。 應(yīng)用：可用于表面擴散等動

25、態(tài)過程研究。3、能夠觀察單個原子層局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個表面平均性質(zhì)。 應(yīng)用：可直接觀察到表面缺點、表面重構(gòu)、表面吸附體形態(tài)和位置，以及由吸附體引發(fā)表面重構(gòu)等。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第61頁4、可在真空、大氣、常溫等不一樣環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要尤其制樣技術(shù)，而且探測過程對樣品無損傷。 應(yīng)用：適合用于碩士物樣品和在不一樣試驗條件下對樣品表面評價，比如對于多相催化機理、超導(dǎo)機制、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面改變監(jiān)測等。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第62頁5、配合掃描隧道譜，能夠得到相關(guān)表面結(jié)構(gòu)信息，比如表面不一樣層次態(tài)密度、

26、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘改變和能隙結(jié)構(gòu)等。6、在技術(shù)本身，SPM含有設(shè)備相對簡單、體積小、價格廉價、對安裝環(huán)境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣輕易、檢測快捷、操作簡便等特點，同時SPM日常維護和運行費用也十分低廉。材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第63頁顯微鏡技術(shù)各項性能指標(biāo)比較分辨率工作環(huán)境樣品環(huán)境溫度對樣品破壞程度檢測深度掃描探針顯微鏡原子級(0.1nm)實環(huán)境、大氣、溶液、真空 室溫或低溫 無 100m量級 透射電鏡點分辨(0.30.5nm)晶格分辨(0.10.2nm) 高真空 室溫 小 靠近SEM,但實際上為樣品厚度所限，普通小于100nm. 掃描電鏡610nm

27、高真空 室溫 小 10mm (10倍時)1m (10000倍時) 場離子顯微鏡 原子級 超高真空 3080K 有 原子厚度 材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第64頁掃描探針顯微鏡其它應(yīng)用微米/納米結(jié)構(gòu)表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相關(guān)評定，軟性材料彈性和硬度測試高分辨定量結(jié)構(gòu)分析以及摻雜濃度分布等各種材料特征失效分析: 缺點識別，電性測量（甚至可穿過鈍化層）和鍵合電極摩擦特征材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第65頁生物應(yīng)用: 液體中完整活細胞成象，細胞膜孔隙率和結(jié)構(gòu)表征，生物纖維測量，DNA成像和局部彈性測量硬盤檢驗: 表面檢驗和缺點判定，磁疇成象，摩擦力和磨損

28、方式，讀寫頭表征薄膜表征: 孔隙率分析，覆蓋率，附著力，磨損特征，納米顆粒和島嶼分布材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第66頁掃描探針顯微鏡(SPM) 本原SPM材料表面分析技術(shù)：2-形貌分析表面分析技術(shù)授課第67頁三、結(jié)構(gòu)分析表面分析技術(shù)授課第68頁物相分析 利用衍射分析方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)相結(jié)構(gòu)。主要物相分析伎倆有三種：X射線衍射(XRD)、電子衍射(ED)及中子衍射(ND)。其共同原理是：利用電磁波或運動電子束、中子束等與材料內(nèi)部規(guī)則排列原子作用產(chǎn)生相干散射，取得材料內(nèi)部原子排列信息，從而重組出物質(zhì)結(jié)構(gòu)。材料表面分析技術(shù)：3-結(jié)構(gòu)分析表面分析技術(shù)授課第69頁X

29、射線衍射儀單晶XRD 轉(zhuǎn)靶、陶瓷管：Cu & Mo雙晶XRD多晶粉末XRD 轉(zhuǎn)靶、陶瓷管： Cu & Co & Fe 織構(gòu)、高溫、薄膜、微區(qū)、1-D/2-D陣列檢測器小角散射XRD材料表面分析技術(shù)：3-結(jié)構(gòu)分析表面分析技術(shù)授課第70頁X射線衍射儀（XRD）理學(xué)D/max 自動X射線儀材料表面分析技術(shù)：3-結(jié)構(gòu)分析表面分析技術(shù)授課第71頁四、成份分析表面分析技術(shù)授課第72頁成份和價態(tài)分析 大個別成份和價態(tài)分析伎倆都是基于同一個原理，即核外電子能級分布反應(yīng)了原子特征信息。利用不一樣入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷、在此過程中產(chǎn)生元素特征信息。按照出射信號不一樣，成份分析伎倆能夠分為兩類：X射線

30、光譜和電子能譜，出射信號分別是X射線和電子。材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第73頁X射線光譜包含：X射線熒光光譜(XRF)和電子探針X射線顯微分析（EPMA）兩種技術(shù)。電子能譜包含：X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)、電子能量損失譜(EELS)等分析伎倆。材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第74頁材料價鍵分析 材料性質(zhì)不但與元素、結(jié)構(gòu)、價態(tài)等原因相關(guān)，還與其價鍵狀態(tài)相關(guān)。研究內(nèi)容：化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)合形式、吸附狀態(tài)等。分析內(nèi)容：分子振動和轉(zhuǎn)動、晶格振動和轉(zhuǎn)動等。研究方法：紅外光譜、拉曼光譜和高分辨電子能量損失譜。材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分

31、析技術(shù)授課第75頁分子結(jié)構(gòu)分析 利用電磁波與分子鍵和原子核作用，取得分子結(jié)構(gòu)信息。紅外光譜（IR）、拉曼光譜（Raman）、熒光光譜（PL）等是利用電磁波與分子鍵作用時吸收或發(fā)射效應(yīng)，而核磁共振（NMR）則是利用原子核與電磁波作用來取得分子結(jié)構(gòu)信息。材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第76頁X射線光電子能譜XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy(10-210 nm)材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第77頁AXIS UltraDLD Photoelectron Spectrometer材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第7

32、8頁光電子能譜基礎(chǔ)原理：光電效應(yīng)。 當(dāng)能量為h單色光照射到樣品上，其光子可能被原子內(nèi)部不一樣能級電子所吸收或散射，假如吸收能量大于電子結(jié)合能，則該電子就會脫離原子成為自由電子而逸出。這些被光子直接激發(fā)出來電子稱為光電子，光電子動能大小不等（與原子種類和樣品表面信息相關(guān)），假如以動能分布為橫坐標(biāo)，相對強度為縱坐標(biāo)，所得到譜峰即為光電子能譜。 材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第79頁材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第80頁譜峰出現(xiàn)規(guī)律材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第81頁譜峰物理位移和化學(xué)位移物理位移：固體熱效應(yīng)與表面荷電作用引發(fā)譜峰位移。化學(xué)位移：原子所處化學(xué)環(huán)境不一樣（化學(xué)結(jié)構(gòu)或原子價態(tài)改變）而引發(fā)結(jié)合能改變（譜峰位移）。材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第82頁XPS和XRF分析共同點(1) 屬原子發(fā)射光譜范圍；(2) 包括到元素原子內(nèi)層電子；(3) 以X-射線為激發(fā)源；(4) 可用于固體表層或薄層分析材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第83頁成像XPS 微探針 ESCALAB 250材料表面分析技術(shù)：4-成份分析表面分析技術(shù)授課第84頁Field Emission Auger