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(yè)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(yè)一、概 述表面分析技術(shù)授課第3頁(yè)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(duì)象，以固體物理、熱力學(xué)、動(dòng)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(guò)程與其機(jī)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(yè)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(yè) 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(jìn)技術(shù)及其工程使用問(wèn)題，經(jīng)過(guò)合理工藝制備出有實(shí)用價(jià)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(yè)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(cè)得晶體結(jié)構(gòu)等。2）性質(zhì)(Property) 材料對(duì)電、磁、光、聲、熱、機(jī)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(yè)3）加工(Processing) 材料制備、合成、壓力加工、機(jī)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(jì)、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(cè)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(yè)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(duì)材料成份和結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確表征是材料研究基礎(chǔ)要求，也是實(shí)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(yè)材料分析伎倆共同之處 除了個(gè)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(jiàn)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(jiàn)光、紅外光），探測(cè)這些出射信號(hào)，進(jìn)行分析處理，即可取得材料組織、結(jié)構(gòu)、成份、價(jià)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(yè)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(diǎn)（點(diǎn)缺點(diǎn)、位錯(cuò)、層錯(cuò)）、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(yè) 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(jià)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(jià)鍵類型和化學(xué)環(huán)境。 有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)。材料表面分析技術(shù)：1-概述表面分析技術(shù)授課第12頁(yè)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(gè)原子層到幾個(gè)原子層厚度表面層，甚至深達(dá)幾個(gè)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(dòng)狀態(tài)等均會(huì)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(yè)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(shuō)界面， 在大家社會(huì)實(shí)踐中起著極為主要作用。表面科學(xué)研究，對(duì)整個(gè)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(yè)表面分析主要性固體表面狀態(tài)，對(duì)于材料性能有著極其主要影響。比如，材料氧化和腐蝕、強(qiáng)韌性和斷裂行為等等，都與表面層或幾個(gè)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(jī)械構(gòu)件三大主要破壞形式，這些破壞絕大個(gè)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(yè)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(yàn)方法和伎倆。SampleExcitationsourceEnergy SelectorSignal DetectorEvent表面分析技術(shù)授課第16頁(yè)材料表面分析技術(shù)：1-概述普通地說(shuō)，它是利用一個(gè)探測(cè)束 如電子束、離子束、光子束、中性粒子束等，有時(shí)還加上電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱等作用，來(lái)探測(cè)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(yè)探測(cè)粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡(jiǎn)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(shì)譜 AEAPS成份e 軟x射線出現(xiàn)電勢(shì)譜SXAPS成份e e消隱電勢(shì)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(yè)探測(cè)粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡(jiǎn)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(jí)離子質(zhì)譜SSIMS成份I

9、n次級(jí)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(yè)探測(cè)粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡(jiǎn)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(shí)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(kuò)展x射線吸收譜精細(xì)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(yè)

10、探測(cè)粒子 發(fā)射粒子分析方法名稱簡(jiǎn)稱 主要用途 Ee場(chǎng)電子顯微鏡FEM結(jié)構(gòu)EI場(chǎng)離子顯微鏡FIM結(jié)構(gòu)EI場(chǎng)離子顯微鏡-原子探針AP-FIM結(jié)構(gòu)及成份Ee場(chǎng)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(yè)個(gè)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(yè)XPS AES ILS ISS RBS SIMS 測(cè)氫 NoNoNoNoNoYes元素靈敏度均勻性 GoodGoodBadGoodGoodBa

11、d最小可檢測(cè)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(shí)譜難易 GoodGoodGood-表面探測(cè)深度 MLsMLsMLsMLML-mML- MLs空間分辨率 BadGoodGoodBadBadGood無(wú)損檢測(cè) 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(yè)表面分析技術(shù)是表面科學(xué)中一個(gè)

12、非?；钴S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(jiàn)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(yè)每種分析方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，對(duì)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(dá)預(yù)期效果。選取分析方法時(shí)，要綜合考慮：分析靈敏度下限、分析元素范圍、對(duì)樣品破壞程度、空間分辨率等多項(xiàng)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(yè)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(yè)XPS最大特色：能獲取豐富化學(xué)信息，對(duì)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(jìn)行元素表面分布成像。SIMS最大特色：檢測(cè)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(jī)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(yè)XPS優(yōu)點(diǎn)：（1）可測(cè)除H、He以外全部元素，無(wú)強(qiáng)矩陣效應(yīng)。（2）亞單層靈敏度；探測(cè)深度1-20單層，依賴材料和試驗(yàn)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(xì)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(yè)XPS缺點(diǎn)：（1）經(jīng)典數(shù)據(jù)采集與經(jīng)典AES相比較慢，個(gè)別原因是因?yàn)閄PS通常采集了更多細(xì)節(jié)信息。（2）使用Ar離子濺射作深度剖析時(shí)，不輕易在實(shí)際濺射同時(shí)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(yè)AES優(yōu)點(diǎn)：（1）可測(cè)除H、He以外全部元素；當(dāng)包括到價(jià)能級(jí)時(shí)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(cè)深度1-20單層，依賴

15、材料和試驗(yàn)參數(shù)。（3）快速半定量元素分析(精度比XPS低)；可同時(shí)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(jìn)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(yè)AES缺點(diǎn)：（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(kù)。（3）譜峰偶然重合機(jī)會(huì)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(yè)SIMS優(yōu)點(diǎn)： （1）對(duì)一些元素及其表面靈敏(10-6單層)，在靜態(tài)模式下探測(cè)深度限制在最頂單層。（2）可測(cè)

16、全部元素，包含H和同位素識(shí)別。（3）很好橫向分辨率(1m)。（4）在動(dòng)態(tài)模式下同時(shí)進(jìn)行深度剖析。（5）在動(dòng)態(tài)模式下含有探測(cè)Dopant級(jí)濃度靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍唯一技術(shù)。（6）Cluster相對(duì)強(qiáng)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(yè)SIMS缺點(diǎn)：（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞性。（2）SIMS過(guò)程內(nèi)部復(fù)雜性并未很好了解。主要問(wèn)題是SIMS離子強(qiáng)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(yè)二、形貌分析表面分析技術(shù)授課第34頁(yè)組織形貌分析微觀結(jié)構(gòu)觀察和分析對(duì)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(shí)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(guò)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(yè)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(yè)掃描電鏡普通型SEM（W燈絲）熱場(chǎng)型SEM冷場(chǎng)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡是利用電子波動(dòng)性來(lái)觀察固體材料內(nèi)部各種缺點(diǎn)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(yè)Tecnai G2 20透射電子顯微鏡LaB6燈絲或鎢燈絲，點(diǎn)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(yè) 因?yàn)椴牧涎芯繌?qiáng)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(shí)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(yè)高分辨電鏡設(shè)計(jì)分為兩類：一是為生物工作者設(shè)計(jì)，含有最正確分辨本事而沒(méi)有附件；二是為材料科學(xué)工作者設(shè)計(jì)，有附件而損失一些分辨能力。還有一些設(shè)計(jì)，在高分辨時(shí)采取短焦距，低分辨時(shí)采取長(zhǎng)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(yè)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(diǎn)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(lái)； 物質(zhì)對(duì)電子散射更強(qiáng)，約為X射線一百萬(wàn)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(qiáng)度大，所需時(shí)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(yè)經(jīng)典電子衍射圖A 非晶B 單晶C 多晶D 會(huì)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(yè)電子探針（EPMA-1600)鎢燈絲型EPMACeB6/LaB6型EPMA熱場(chǎng)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(yè)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(yè)結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用控制處理 接口用于觀

21、察 主機(jī)電子槍備用抽真空樣品射線檢測(cè)器分光（色散）晶體光學(xué)觀察系自動(dòng)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(yè)EPMA檢測(cè)信號(hào)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(yè)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(dòng)移動(dòng)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(yè)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(yè)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(yè)電子探針儀樣品制備電子探針?lè)治鰳悠窇?yīng)滿足以下三點(diǎn)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(yè)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(yè)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(chǎng)電子顯微鏡場(chǎng)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(yè)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(chǎng)電子顯微鏡和場(chǎng)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(cè)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(yè)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(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)，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(guó)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(yè)掃描探針顯微鏡（SPM）掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場(chǎng)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(yè)掃描探針顯微鏡特點(diǎn)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(chǎng)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(yè)2、可實(shí)時(shí)地得到實(shí)時(shí)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(kuò)散等動(dòng)

25、態(tài)過(guò)程研究。3、能夠觀察單個(gè)原子層局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面平均性質(zhì)。 應(yīng)用：可直接觀察到表面缺點(diǎn)、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(yè)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(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。 應(yīng)用：適合用于碩士物樣品和在不一樣試驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面評(píng)價(jià)，比如對(duì)于多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面改變監(jiān)測(cè)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(yè)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(shì)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(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格廉價(jià)、對(duì)安裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣輕易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)SPM日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)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(yè)顯微鏡技術(shù)各項(xiàng)性能指標(biāo)比較分辨率工作環(huán)境樣品環(huán)境溫度對(duì)樣品破壞程度檢測(cè)深度掃描探針顯微鏡原子級(jí)(0.1nm)實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空 室溫或低溫 無(wú) 100m量級(jí) 透射電鏡點(diǎn)分辨(0.30.5nm)晶格分辨(0.10.2nm) 高真空 室溫 小 靠近SEM,但實(shí)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(shí))1m (10000倍時(shí)) 場(chǎng)離子顯微鏡 原子級(jí) 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(yè)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(píng)定，軟性材料彈性和硬度測(cè)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(diǎn)識(shí)別，電性測(cè)量（甚至可穿過(guò)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(yè)生物應(yīng)用: 液體中完整活細(xì)胞成象，細(xì)胞膜孔隙率和結(jié)構(gòu)表征，生物纖維測(cè)量，DNA成像和局部彈性測(cè)量硬盤檢驗(yàn): 表面檢驗(yàn)和缺點(diǎn)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(yè)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(yè)三、結(jié)構(gòu)分析表面分析技術(shù)授課第68頁(yè)物相分析 利用衍射分析方法探測(cè)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(yùn)動(dòng)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(yè)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(cè)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(yè)X射線衍射儀（XRD）理學(xué)D/max 自動(dòng)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(yè)四、成份分析表面分析技術(shù)授課第72頁(yè)成份和價(jià)態(tài)分析 大個(gè)別成份和價(jià)態(tài)分析伎倆都是基于同一個(gè)原理，即核外電子能級(jí)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(guò)程中產(chǎn)生元素特征信息。按照出射信號(hào)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(hào)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(yè)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(yè)材料價(jià)鍵分析 材料性質(zhì)不但與元素、結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)等原因相關(guān)，還與其價(jià)鍵狀態(tài)相關(guān)。研究?jī)?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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)、晶格振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(yè)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(shí)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(lái)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(yè)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(yè)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(yè)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(jí)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(huì)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(lái)電子稱為光電子，光電子動(dòng)能大小不等（與原子種類和樣品表面信息相關(guān)），假如以動(dòng)能分布為橫坐標(biāo)，相對(duì)強(qiáng)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(yè)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(yè)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(yè)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(jià)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(yè)XPS和XRF分析共同點(diǎn)(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(yè)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(yè)Field Emission Auger