1、 掃描電鏡（SEM） 透射電鏡（TEM） 原子力顯微鏡（AFM） X射線衍射（XRD） 元素分析（EA） 顯微分析技術 電子顯微鏡一束電子射到試樣上，電子與物質相互作用，當電子的運動方向被改變，稱為散射。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􀂾入射電子與樣品中原子的價電子發生非彈性散射作用而損失的那部分能量（3050eV）激發核外電子脫離原子，能量大于材料逸出功的價電子可從樣品表面逸出，成為真空中的自由電子，此即二次電子。在電場的作用下它可呈曲線運動進入檢測器，使表面凹凸的各個部分都能清晰成像。􀂾二次電

2、子試樣表面狀態非常敏感，能有效顯示試樣表面的微觀形貌；二次電子的分辨率可達510nm，即為掃描電鏡的分辨率。􀂾二次電子的強度主要與樣品表面形貌相關。二次電子和背景散射電子共同用于掃描電鏡(SEM)的成像。􀂾當探針很細，分辨高時，基本收集的是二次電子而背景電子很少，稱為二次電子成像(SEI)。背景散射電子􀂾入射電子穿達到離核很近的地方被反射，沒有能量損失；既包括與原子核作用而形成的彈性背散射電子，又包括與樣品核外電子作用而形成的非彈性背散射電子，前者的份額遠大于后者。􀂾背散射電子反映樣品表面的不同取向、不同平均原子量的區域差

3、別，產額隨原子序數的增加而增加；利用背散射電子為成像信號，可分析形貌特征，也可顯示原子序數襯度而進行定性成分分析。特征X射線入射電子和原子中的內層電子發生非彈性散射作用而損失一部分能量（幾百個eV），激發內層電子發生電離，形成離子，該過程稱為芯電子激發。除了二次電子外，失去內層電子的原子處于不穩定的較高能量狀態，將依一定的選擇定則向能量較低的量子態躍遷，躍遷過程中發射出反映樣品中元素組成信息的特征X射線，可用于材料的成分分析。俄歇(Auger)電子如果入射電子把外層電子打進內層，原子被激發了為釋放能量而電離出次外層電子，叫俄歇電子。主要用于輕元素和超輕元素(除H和He)的分析，稱為俄歇電子能譜

4、儀。陰極熒光如果入射電子使試樣的原于內電子發生電離，高能級的電子向低能級躍遷時發出的光波長較長(在可見光或紫外區)，稱為陰極熒光，可用作光譜分析，但它通常非常微弱。 各種信號的深度與區域大小高能電子束受到物質原子的散射作用偏離入射方向，向外發散；隨著深度的增加，分布范圍增大，動能不斷降低、直至為0，形成一個作用區。“梨形作用體積”：對輕元素樣品，入射電子經多次小角散射，在未達到較大散射角之前已深入樣品內部；最后散射角增大，達到漫散射的程度。“半球形作用體積”：對重元素樣品，入射電子在樣品表面不很深的位置就達到漫反射的程度。電子在樣品內散射區域的形狀主要取決于原子序數，改變電子能量只引起作用體積

5、大小的改變而不會顯著改變形狀。深度能逸出材料表面的俄歇電子距表面的深度：0.42nm，為表面信號；能逸出材料表面的二次電子距表面的深度：510nm；能逸出材料表面的X射線距表面的深度：500nm5m。：分辨率：俄歇電子與二次電子的空間分辨率最高；背散射電子的空間分辨率次之；X射線信號的空間分辨率最低。二次電子像的分辨率主要取決于電子探針束斑尺寸和電子槍的亮度。二次電子的最高分辨率可達0.25nm。掃描電鏡的分辨率指的是二次電子的分辨率。掃描電鏡的特點景深大，圖像富有立體感，特別適合于表面形貌的研究.放大倍數范圍廣，從十幾倍到2萬倍，幾乎覆蓋了光學顯微鏡和TEM的范圍.制樣簡單，樣品的電子損傷小

6、.這些方面優于TEM，所以SEM成為材料常用的重要剖析手段.掃描電鏡(SEM)的幾大要素（1） 分辨率影響掃描電鏡的分辨本領的主要因素有：(a) 入射電子束束斑直徑：為掃描電鏡分辨本領的極限。一般，熱陰極電子槍的最小束斑直徑可縮小到6nm，場發射電子槍可使束斑直徑小于3nm。(b) 入射電子束在樣品中的擴展效應：擴散程度取決于入射束電子能量和樣品原子序數的高低。入射束能量越高，樣品原子序數越小，則電子束作用體積越大，產生信號的區域隨電子束的擴散而增大，從而降低了分辨率(c) 成像方式及所用的調制信號：當以二次電子為調制信號時，由于其能量低(小于50 eV)，平均自由程短（10100 nm左右）

7、，只有在表層50100 nm的深度范圍內的二次電子才能逸出樣品表面，發生散射次數很有限，基本未向側向擴展，因此，二次電子像分辨率約等于束斑直徑。當以背散射電子為調制信號時，由于背散射電子能量比較高，穿透能力強，可從樣品中較深的區域逸出(約為有效作用深度的30左右)。在此深度范圍，入射電子已有了相當寬的側向擴展，所以背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般在5002000nm左右。如果以吸收電子、X射線、陰極熒光、束感生電導或電位等作為調制信號的其他操作方式，由于信號來自整個電子束散射區域，所得掃描像的分辨率都比較低，一般在l 000 nm或l0000nm以上不等。（2）放大倍數掃描電鏡的放大倍

8、數可表示為M =Ac/As式中，Ac熒光屏上圖像的邊長；As電子束在樣品上的掃描振幅。一般地， Ac 是固定的(通常為100 mm)，則可通過改變As 來改變放大倍數。目前，大多數商品掃描電鏡放大倍數為2020,000倍，介于光學顯微鏡和透射電鏡之間，即掃描電鏡彌補了光學顯微鏡和透射電鏡放大倍數的空擋。（3）景深景深是指焦點前后的一個距離范圍，該范圍內所有物點所成的圖像符合分辨率要求，可以成清晰的圖像；也即，景深是可以被看清的距離范圍。掃描電子顯微鏡的景深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖像景深大，所得掃描電子像富有立體感。電子束的景深取決于臨界分辨本領d0和電子束入射半角

9、c。其中，臨界分辨本領與放大倍數有關，因人眼的分辨本領約為0.2 mm, 放大后，要使人感覺物像清晰，必須使電子束的分辨率高于臨界分辨率d0 ：電子束的入射角可通過改變光闌尺寸和工作距離來調整，用小尺寸的光闌和大的工作距離可獲得小的入射電子角。(4) 襯度包括：表面形貌襯度和原子序數襯度表面形貌襯度由試樣表面的不平整性引起。原子序數襯度原子序數襯度指掃描電子束入射試祥時產生的背散射電子、吸收電子、X射線，對微區內原子序數的差異相當敏感二次電子來自試樣表面層510nm的深度范圍，表面形貌特征對二次電子的發射系數影響可由下式表示：=0Cos0物質的二次電子發射系數，與具體物質有關的常數。可見，二次

10、電子的發射系數隨角的增大而增大。事實上，角大，入射電子束的作用體積較靠近試樣表面，由于二次電子主要來自試樣表層510nm深度，因此，作用體積內產生的大量二次電子離開表面的機會增加；其次，角大，入射電子束的總軌跡增長，引起電子電離的機會增多。因此，在試樣表面凸凹不平的部位，入射電子束作用產生的二次電子信號的強度要比在試樣表面平坦的部位產生的信號強度大，從而形成表面形貌襯度。原子序數越大，圖像越亮。二次電子受原子序數的影響較小。高分子中各組分之間的平均原子序數差別不大；所以只有些特殊的高分子多相體系才能利用這種襯度成像。背散射電子像背散射電子也稱為反射電子或初級背散射電子，其能量在50eV, 接近

11、于入射電子能量。利用背散射電子的成像，稱為背散射電子像。背散射電子像既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。形貌襯度類似二次電子，樣品表面的形貌也影響背散射電子的產率，在角較大(尖角)處，背散射電子的產率高；在角較小(平面)處，背散射電子的產率低。由于背反射電子是來自一個較大的作用體積，用背反射信號進行形貌分析時，其分辨率遠比二次電子低。由試樣微區的原子序數或化學成分的差異所形成的像。成分襯度背散射電子是受原子反射回來的入射電子，受核效應的影響比較大。由經驗公式，對原子序數大于10的元素，背散射電子發射系數可表示為背散射電子發射系數隨原子序數Z的增大而增加。 = ln Z6 -14但是

12、，二次電子大部分是由價電子激發出來的，所以原子序數的影響不大明顯：當原子序數Z<20時， 隨著Z的增加而增大；當Z>20時，與Z幾乎無關。(如圖3一15所示)。若試樣表面存在不均勻的元素分布，平均原子序數較大的區域產生較強的背散射電子信號，因而在背散射電子像上顯示出較亮的襯度；反之，平均原子序數較小的區域在背散射電子圖像上是暗區。因此，可根據背散射電子像的亮暗程度，判別出相應區域的原子序數的相對大小，由此可對金屬及其合金的顯微組織進行成分分析。掃描電子顯微鏡的樣品制備（1）導電性好，以防止表面積累電荷而影響成像；（2）具有抗輻射損傷的能力，在高能電子轟擊下不分解、不變形；（3）具有

13、高的二次電子和背散射電子系數，以保證圖像良好的信噪比。掃描電鏡試樣一般要求具有以下特點：對不滿足以上要求的試樣（陶瓷、玻璃、塑料等絕緣材料，導電性差的半導體，熱穩定性不好的有機材料，二次電子、背散射電子系數較低的材料等），需要表面涂層處理。表面涂層處理的常用方法有真空蒸發和離子濺射鍍膜法。二次電子像的樣品制備方法（1）導電樣品。將允許尺寸的樣品放入樣品室觀察前先需用丙酮、酒精或甲苯這類溶劑清洗掉樣品表面的油污，或在超聲波清潔器中去除油污，也可用復型剝離及化學刻蝕等方法去除在高放大倍數下易分解的碳氫化物等的玷污，因為這些物質分解后會在樣品表面沉積一層碳和其他產物，當放大倍數縮小時，圖像中原視域就

14、成為暗色的方塊。（2）絕緣體或導電性能較差的樣品。如陶瓷、半導體，高分子、不需固定脫水處理的生物樣品及一些無機材料等，只需清潔樣品之后，用離子噴鍍儀在樣品表面噴鍍一層金產生導電層就可觀察了。（3）不論樣品導不導電，塊狀樣品都得借助于雙面膠帶將樣品粘在銅或鋁樣品臺上，并用銀粉導電膠連通樣品與樣品臺，或直接用石墨導電雙面膠帶粘貼樣品，使吸收電子能流入接地的樣品架，以盡量減少因表面充電效應或熱損傷引起的起泡、龜裂、像漂移、像散不穩定等現象，尤其是生物樣品、聚合物等。（4）顆粒樣品，如果是干燥的粉末，可直接撒在粘有雙面膠帶的樣品臺上，抖去或用洗耳球吹去松散的顆粒，并用導電膠涂在膠帶四周再噴金。（5）如

15、果是含水或含有揮發性物質的樣品，必須先去除水分或揮發性物質，再噴金觀察。去除水分的方法有很多種：烘箱干燥、濕度干燥、置換干燥、真空干燥、冷凍干燥、臨界點干燥等，根據樣品的不同特點和要求選擇不同的方法。溫度干燥是將樣品保持在一定的溫度下干燥，真空干燥與冷凍干燥都是用真空噴鍍儀抽真空，使水分揮發。不同的是后者將樣品投入液氮或其他驟冷劑然后再抽真空，水分從固態直接升華，使得通常的液相蒸發帶來的表面張力減小，減少樣品損傷。透射電鏡(TEM)基本原理透射電鏡基本構造與光學顯微鏡相似，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聚光鏡組成，其作用

16、是得到具有確定能量的高亮度的聚焦電子束。透射電鏡的構造：電子透鏡系統，供電系統，真空系統。透鏡的成像作用可以分為兩個過程：第一個過程是平行電子束遭到物的散射作用而分裂成為各級衍射譜，即由物變換到衍射的過程；第二個過程是各級衍射譜經過干涉重新在像平面上會聚成諸像點，即由衍射重新變換到物(像是放大了的物)的過程。晶體對于電子束就是一個三維光柵。電鏡構造的兩個特點1、 磁透鏡2、 因為空氣會使電子強烈地散射，所以凡有電子運行的部分都要求處于高真空，要達到1.33×104 Pa或更高。􀂾光學顯微鏡中的玻璃透鏡不能用于電鏡，因為它們沒有聚焦成像的能力，是“不透明”的。電流通過

17、線圈時出現磁力線和南北極。􀂾由于電子帶電，會與磁力線相互作用，而使電子束在線圈的下方聚焦。只要改變線圈的勵磁電流，就可以使電鏡的放大倍數連續變化。為了使磁場更集中在線周內部也包有軟鐵制成的包鐵，稱為極靴化，極靴磁透鏡磁場被集中在上下極靴間的小空間內，磁場強度進一步提高。TEM三要素分辨率，放大倍數，襯度分辨率大孔徑角的磁透鏡，100KV時，分辨率可達0.005nm。實際TEM只能達到0.10.2nm，這是由于透鏡的固有像差造成的。提高加速電壓可以提高分辨率。已有300KV以上的商品高壓(或超高壓)電鏡，高壓不僅提高了分辨率，而且允許樣品有較大的厚度，推遲了樣品受電子束損傷的時

18、間，因而對高分子的研究很有用。但高加速電壓意味著大的物鏡，500KV時物鏡直徑4550cm。對高分子材料的研究所適合的加速電壓，最好在250KV左右。放大倍數電鏡最大的放大倍數等于肉眼分辨率(約0.2mm)除以電鏡的分辨率0.2nm，因而在106數量級以上。襯度a樣品越厚，圖像越暗；b原于序數越大，圖像越暗；c密度越大，圖像越暗.其中，密度的影響最重要，因為高分子的組成中原于序數差別不大，所以樣品排列緊密程度的差別是其反差的主要來源。透射電子顯微鏡的樣品處理對樣品的一般要求1、樣品需置于直徑為23mm的銅制載網上，網上附有支持膜；2、樣品必須很薄，使電子束能夠穿透，一般厚度為100nm左右；3

19、、樣品應是固體，不能含有水分及揮發物；4、樣品應有足夠的強度和穩定性，在電子線照射下不至于損壞或發生變化；5、樣品及其周圍應非常清潔，以免污染而造成對像質的影響。樣品的一般制備方法1、粉末樣品可將其分散在支持膜上進行觀察。2、直接制成厚度在100200nn之間的薄膜樣品，觀察其形貌及結晶性質。一般有真空蒸發法、溶液凝固(結晶)法、離子轟擊減薄法、超薄切片法、金屆薄片制備法。3、采用復型技術，即制作表面顯微組織浮雕的復形膜，然后放在透射電子顯微鏡中觀察。制作方法一般有四種，即塑料(火棉膠)膜一級復型、碳膜一級復型、塑料碳膜二級復型、萃取復型。TEM的觀測內容表面起伏狀態所反映的微觀結構問題；觀測

20、顆粒的形狀、大小及粒度分布；觀測樣品個各部分電子射散能力的差異；晶體結構的鑒定及分析。SEM與TEM的主要區別在原理上，SEM不是用透射電子成像，而是用二次電子加背景散射電子成像。在儀器構造上，除了光源、真空系統相似外，檢測系統完全不同。掃描隧道顯微鏡(STM)1982 年， IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G.Binning）和海·羅雷爾（H.Rohrer）研制出世界上第一臺新型表面分析儀器-掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM）。隧道效應理論:在量子力學中，隧道效應是粒子波動性的直接結果。當一個粒子進入到一個勢壘中，而

21、勢壘的勢能比粒子的動能大時，根據量子力學原理，粒子越過壁壘而出現在勢壘的另一邊的幾率不為零，而經典力學給出的幾率則為零。工作原理掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一個電極.隧道探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應具有一定的導電性可以產生隧道電流。根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。掃描隧道顯

22、微鏡的特點1. 具有原子級高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達0.Inm和0.01nm，即可以分辨出單個原子。2可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態過程的研究。3可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等。4可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特別的制樣技術并且探測過程對樣品無損傷這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的

23、評價，例如對于多相催化機理、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。（5）利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，為納米科技的全面發展奠定了基礎局限性a) 掃描隧道顯微鏡(STM)的恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關的分辨率較差。b) 掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。AFM=Atomic Force Microscope原子力顯微鏡基

24、本原理原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧道效應，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來呈現樣品的表面特性。假設兩個原子中，一個是在懸臂（cantilever）的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關系上圖所示，當原子與原子很接近時，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個合力表現為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個合力表現為引力的作用。將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，

25、另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。原子力顯微鏡系統中，可分成三個部分：力檢測部分，位置檢測部分，反饋系統1） 力檢測部分在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100500m長和大約500nm5m

26、厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測品針尖間的相互作用力。2） 位置檢測部分在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂擺動，所以當激光照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電的信號，以供控制器作信號處理。3）反饋系統在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，將信號經由激光檢測器取入之后，在反饋系統中會將此信號當作反饋信號，作為內部的調整信號，并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持一定的作用力。原子力顯微鏡的操作

27、模式：接觸式模式 非接觸式模式 輕敲模式在接觸模式中，針尖始終與樣品保持輕微接觸，以恒高或恒力的模式進行掃描。掃描過程中，針尖在樣品表面滑動。接觸模式一般不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。在非接觸模式中，針尖在樣品表面上方振動，始終不與樣品接觸，探針監測器檢測的是范德華力和靜電力等對成像樣品的無破壞的長程作用力，成像不穩定，操作相對困難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用也比較少。在輕敲模式，微懸臂在其共振頻率附近作受迫振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊樣品表面，間斷地和樣品接觸，所以又稱為間歇接觸模式。由于輕敲模式能夠避免針尖粘附到樣品上，以及在掃描過程中對樣品幾乎沒有損壞。輕敲模式同樣適合在液體中操作，而且由于液體的阻尼作用，針尖與樣品的剪切力更小，對樣品的損傷也更小