儀器分析課件 電鏡分析

微觀結(jié)構(gòu)的電鏡分析nanometer1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.

NovelTechnologies(NBIC)in21stCenturyNanotechnology(N)Biotechnology(B)Informationtechnology(I)Cognitivescience(C)環(huán)境納米技術(shù)及納米生態(tài)效應(yīng)運(yùn)用納米技術(shù)和各種高效納米材料，進(jìn)行環(huán)境污染防治，處理和修復(fù)。認(rèn)識(shí)納米材料的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人體健康

納米概念的提出與發(fā)展

1959.12.29

諾貝爾物理獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)恩曼（R.Feyman）在其演講“There’splentyofroomatthebottom”中提出人類如能在原子/分子的尺度上加工材料，將有新的發(fā)現(xiàn),那時(shí)，化學(xué)將成為根據(jù)人類的意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的問題

1974年Taniguchi最早使用nanotechnology一詞描述精細(xì)機(jī)械加工

80年代初掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征的發(fā)明和使用推動(dòng)了納米技術(shù)的快速發(fā)展

1990.7第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議與第五屆國際STM顯微學(xué)會(huì)議同時(shí)在美國Baltimore舉行

納米材料研究常見儀器掃描電鏡（SEM）透射電鏡（TEM）掃描探針顯微鏡（SPM）X射線衍射（XRD）電子能譜（XPS、UPS、AES）波譜法（IR、UV、NMR、熒光）熱重分析（TG/DTG）顯微鏡發(fā)展歷史第一代顯微鏡：光學(xué)顯微鏡，極限分辨率是200納米。第二代顯微鏡：電子顯微鏡第三代顯微鏡：掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscope，SPM）掃描電子顯微鏡ScanningElectronMicroscope（SEM），分辨率6-10nmMagneticForceMicroscopy（MFM）透射電子顯微鏡TransmissionElectronMicroscope（TEM），分辨率0.2nmScanningTunnelingMicroscope（STM），分辨率達(dá)到0.01nmAtomicForceMicroscope（AFM）……遠(yuǎn)場(chǎng)顯微鏡近場(chǎng)顯微鏡電鏡的發(fā)展歷史1932年魯斯卡發(fā)明創(chuàng)制了第一臺(tái)透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置(TEM)。相繼問世了掃描透射電子顯微鏡(STEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及上述產(chǎn)品與X射線分析系統(tǒng)(EDS、WDS)的結(jié)合，即各種不同類型分析型電子顯微鏡。1986年，賓尼格和羅雷爾先后研制成功掃描隧道電子顯微鏡(STM)和原于力電子顯微鏡(AFM)，使人類的視野得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。▼▼▼對(duì)于光學(xué)顯微鏡，分辨率最多只能達(dá)到光波長(zhǎng)的一半——自然光的平均波長(zhǎng)為0.55μm，所以分辨率能達(dá)到0.275μm，最好的光學(xué)顯微鏡能把物體放大2000倍，這是細(xì)菌的量級(jí)。

若想繼續(xù)光學(xué)顯微鏡的分辨率，必須縮短光波的波長(zhǎng)，唯一的辦法是讓光跑得更快——這顯然不可能。第一節(jié)電子顯微鏡

1924年，32歲的德布羅意證明了電子也和光子一樣具有波動(dòng)性，而且令人驚喜的是其波長(zhǎng)本身就比光子短。5年后他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，開創(chuàng)博士論文獲得諾獎(jiǎng)的先河。它對(duì)顯微鏡最有意義的貢獻(xiàn)是：它提供了理論依據(jù)，說明電子為何能像光子一樣做顯微鏡的“光源”；利用德布羅意公式可以算出，當(dāng)電子的速度能被電場(chǎng)加到特別大時(shí)，其波長(zhǎng)能縮小到光子波長(zhǎng)的1/100000。如果用電子做“光源”，那么顯微鏡分辨率則可以本質(zhì)性地提高。電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)具有高能量的入射電子束與固體物質(zhì)表面的原子核或核外電子發(fā)生作用，產(chǎn)生如圖所示的物理信號(hào)。透射電子直接透射電子，以及彈性或非彈性散射的透射電子用于透射電鏡(TEM)的成像和衍射二次電子如果入射電子撞擊樣品表面原子的外層電子，把它激發(fā)出來，就形成低能量的二次電子，在電場(chǎng)的作用下它可呈曲線運(yùn)動(dòng)，翻越障礙進(jìn)入檢測(cè)器，使表面凹凸的各個(gè)部分都能清晰成像。二次電子的強(qiáng)度主要與樣品表面形貌有關(guān)。二次電子和背景散射電子共同用于掃描電鏡(SEM)的成像。

光鏡與電鏡

LMTEMSEM透射電鏡基本構(gòu)造與光學(xué)顯微鏡相似，主要由光源、物鏡和投影鏡三部分組成，只不過用電子束代替光束，用磁透鏡代替玻璃透鏡。光源由電子槍和一或兩個(gè)聚光鏡組成，其作用是得到具有確定能量的高亮度的聚焦電子束。透射電鏡的構(gòu)造電子透鏡系統(tǒng)真空系統(tǒng)供電系統(tǒng)TransmissimElectronicMicroscopy一、透射電鏡（TEM）空氣會(huì)使電子強(qiáng)烈散射，電子運(yùn)行部分都要求處于高真空電子光學(xué)系統(tǒng)：電子照明系統(tǒng)

(電子槍，會(huì)聚鏡系統(tǒng)）

2.

試樣室

3.成像放大系統(tǒng)4.圖象記錄裝置TEM發(fā)展概述1926年德國科學(xué)家Garbor和Busch發(fā)現(xiàn)用鐵殼封閉的銅線圈對(duì)電子流能折射聚焦，既可作為電子束的透鏡。1932年德國科學(xué)家Ruska和Knoll在前面兩個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上研制出第一臺(tái)TEM，55年后Ruska獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)我國電鏡研制起步較遲，1958年在長(zhǎng)春中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械研究所生產(chǎn)了第一臺(tái)中型電鏡，到1977年生產(chǎn)的TEM分辨率為0.3nm，放大倍率為80萬倍。1、樣品必須很薄，一般厚度為100nm左右；2、樣品應(yīng)是固體，不能含有水分及揮發(fā)物；3、樣品應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在電子線照射下不至于損壞或發(fā)生變化；4、樣品及其周圍應(yīng)非常清潔，以免造成樣品污染對(duì)樣品的一般要求

TEM

ofBamboovascularbundles

SrTiO3陶瓷的HTEM晶格條紋像有機(jī)粘土的TEM照片ScanningElectronicMicroscopy二、掃描電鏡（SEM）

SEM是繼TEM之后發(fā)展起來的一種電子顯微鏡，電鏡發(fā)展史，是以透射電鏡為主線，掃描電鏡為輻助，因此掃描電鏡的發(fā)展階段和透射電鏡有許多相同重合之處。1965第一臺(tái)SEM問世，CambridgeInstrumentCo.在研究透射電鏡的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，高速的電子束打到物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)相關(guān)的電子信號(hào)，收集處理這些電子信號(hào)成像，就得到了SEM圖像。SEM的成像原理和光學(xué)顯微鏡或透射電子顯微鏡不同常規(guī)掃描電鏡S550（日立）電磁透鏡其作用是把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，使原來直徑約50微米的束斑縮小至一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。一般由三個(gè)聚光鏡組成，前兩個(gè)是強(qiáng)透鏡，用來縮小數(shù)斑直徑，第三個(gè)是弱透鏡，有較長(zhǎng)的焦距，便于是樣品室中放入大的物體。工作原理由電子槍發(fā)射出的電子束，經(jīng)電磁透鏡會(huì)聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。電子束在掃描線圈控制下在樣品表面掃描，電子束與樣品作用產(chǎn)生的各種信號(hào)被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上。接收器上接收的電流與顯像管相應(yīng)的亮度一一對(duì)應(yīng)，也就是說電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就是采用這種逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，轉(zhuǎn)化成為放大的視頻信號(hào)，完成掃描圖像。測(cè)試樣品的制備掃描電鏡的樣品制備簡(jiǎn)單，對(duì)金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需切成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘在樣品臺(tái)上即可。對(duì)粉末或細(xì)絲狀樣品，可以用導(dǎo)電涂料涂到干凈的金屬片，也可以直接粘到導(dǎo)電膠上。對(duì)導(dǎo)電性差或不導(dǎo)電的物體，如塑料等，還應(yīng)噴鍍導(dǎo)電層處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金、銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)（1）儀器分辨本領(lǐng)高，二次電子像分辨本領(lǐng)可達(dá)7-10nm。（2）放大倍數(shù)變化范圍大，從幾十倍到幾十萬倍且連續(xù)可調(diào)。（3）圖像景深大，富有立體感，可直接觀察樣品的粗糙表面。（4）試樣制備簡(jiǎn)單。一種PVC粉料的形貌觀測(cè)ABS脆件斷裂后微觀形態(tài)ZnAl類水滑石的SEM分析a:ZnAl-12

b:ZnAl-24c:ZnAl-36

d:ZnAl-48e:ZnAl-72

f:ZnAl-96典型的類水滑石片層狀結(jié)構(gòu),晶體大小均勻,表面平整,晶粒大小約為5~7μm掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscopy,STM）分辨率通常在0.2nm左右，故可用來確定表面的原子結(jié)構(gòu)；測(cè)量表面的不同位置的電子態(tài)、表面電位及表面逸出功分布。此外還可以利用STM對(duì)表面的原子進(jìn)行移出和植入操作，有目的地使其排列組合，這就使研制納米級(jí)量子器件、納米級(jí)新材料成為可能第二節(jié)掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscopy）包含了系列基于原子層次物體間作用的顯微技術(shù)。掃描隧道電子顯微鏡主要用于導(dǎo)體的研究，而原于力電子顯微鏡不僅用于導(dǎo)體的研究，也可用于非導(dǎo)體的研究。在制造原理上，兩者的基礎(chǔ)是相同的。STM和AFM在應(yīng)用上的主要區(qū)別：原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy，AFM）橫向分辨率可達(dá)0.15nm，縱向分辨率達(dá)0.05nm，主要用于測(cè)量絕緣材料表面形貌。此外還可測(cè)量表面原子間力、表面的彈性、塑性、硬度、粘著力、摩擦力等性質(zhì)。一、掃描隧道顯微鏡（STM）STM工作原理STM工作過程ItItxItHx恒高度模式恒電流模式STM掃描模式用STM得到的形貌圖高序石墨