第四章 纳米材料表征

第四章 纳米材料的检测分析技术 教学目的：讲授纳米微粒的检测分析技术。 重点内容： 透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道 显微镜(STM)和原子力显微镜 。 难点内容： 透射电子显微镜、扫描电子显微镜1

熟悉内容: 比表面积、激光拉曼光谱、电子探针、离子探 针、俄歇电子谱仪

主要英文词汇 transmission electron miroscope Scanning electron microscope Scanning Tunneling Microscope Atomic Force Microscope2

纳米材料表征 morphology (the microstructural or nanostructural architecture); TEM, SEM, AFM crystal structure (the detailed atomic arrangement in the chemical phases contained within the microstructure); XRD, ED, LEED chemistry (the elements and possibly molecular groupings present); EDS, AES3

电子与物质相互作用

当高能入射电子束轰击样品表面时，入射电子 束与样品间存在相互作用，有99%以上的入射 电子能量转变成样品热能，而余下的约 1 %的 入射电子能量，将从样品中激发出各种有用的 信息，主要有： 1)二次电子—从距样品表面l00 Å左右深度范围 内激发出来的低能电子。<50 eV---SEM 2)背散射电子—从距样品表面0.1—1μm深度范 围内散射回来的入射电子，其能量近似入射电 子能量。 SEM、低能电子衍射5

3)透射电子—如果样品足够薄(1μm以下)。透过 样品的入射电子为透射电子，其能量近似于入 射电子能量。TEM 4)吸收电子—残存在样品中的入射电子。 吸收电子像：表面化学成份和表面形貌信息。 5) 俄歇电子 — 从距样品表面几 Å深度范围内发 射的并具有特征能量的二次电子。Element 6)非弹性散射电子 —入射电子受到原子核的吸 引改变方向电子。能量损失谱。

7)X 射线 ( 光子 )— 由于原子的激发和退激 发过程，从样品的原子内部发射出来的 具有一定能量的特征X射线，发射深度为 0.5—5μm范围。 8) 阴极荧光 — 入射电子束照射发光材料 表面时，从样中激发出来的可见光或红 外光。

§3.1透射电子显微镜 (TEM)transmission electron miroscope 一 光学显微镜： 人的眼睛的分辨本领0.1毫米。 光学显微镜，可以看到象细菌、细胞那样小的物 体，极限分辨本领是0.2微米。 显微镜的分辨本领公式(阿贝公式)为： d=0.61 /(N sin ) , N sin 是透镜的孔径数。其最 大 值 为 1.3 。 光 镜 采 用 的 可 见 光 的 波 长 为 400~760nm。 观察更微小的物体必须利用波长更短的波作为光 源。9

二、 TEM的构造

照明系统、样品台、物镜系统、放 大系统、数据记录系统。

a电子显微镜1.以电子束 为照明束

b光学

显微镜聚焦后形成细 而平行的电子束1.以可见光 为照明束 2.将可见光 聚焦成像的 是玻璃透镜

2.将电子束 聚焦成像的 是磁透镜

2 样品台: 进行结构分析的关键部位，可以对 由于退火、电场或机械应力引起的各种现象 进行原位观察。

3.透射电镜(TEM)的成像过程

从加热到高温的钨丝发射电子，在高电压作用 下以极快的速度射出，聚光镜将电子聚成很细 的电子束，射在试样上； 电子束透过试样后进入物镜，由物镜、中间镜 成像在投影镜的物平面上，这是中间像； 然后再由投影镜将中间像放大，投影到荧光屏 上，形成最终像。

四 TEM的观察 图像种类： 明场像(透射电子)、暗场像(衍射电子)

1 TEM的分辨率 在电子图像上能分辨开的相邻两点在试样上的距 离称为电子显微镜的分辨本领，或称点分辨本领， 亦称点分辨率。一般用重金属粒子测。1/ 4 r0 A 3 / 4 Cs

A—常数； —照明电子束波长；Cs—透镜球差系数。

r0的典型值约为 0.25~0.3nm,高分辨条件下， r0 可达约0.15nm

电镜的放大率是指电子图像相对于试样的线性 放大倍数。 14

2衬度 在透射电镜中，电子的加速电压很高，采用 的试样很薄，所接受的是透过的电子信号。 因此主要考虑电子的散射、干涉和衍射等作 用。电子束在穿越试样的过程中，与试样物 质发生相互作用，穿过试样后带有试样特征 的信息。

人的眼睛不能直接感受电子信息，需要将其转 变成眼睛敏感的图像。图像上明、暗(或黑、白) 的差异称为图像的衬度，或者称为图像的反差。

由于穿过试样各点后电子波的相位差情况不同， 在像平面上电子波发生干涉形成的合成波色不 同，形成图像上的衬度。 衬度原理是分析电镜图像的基础。16

TEM image of helcial nanofibers after a growth period of 3 min.

3 高分辨TEM 高分辨TEM是观察材料微观结构的方法。不仅 可以获得晶包排列的信息，还可以确定晶胞中 原子的位臵。

200 KV的TEM点分辨率为0.2 nm,1000KV的 TEM点分辨率为0.1nm。 可以直接观察原子象。

高分辨显微像 高分辨显微像的衬度是由合成的透射波与衍射 波的相位差所形成的。 透射波和衍射波的作用所产生的衬度与晶体中 原子的晶体势有对应关系。重原子具有较大的 势，像强度弱。 晶格条纹像 常用于微晶和析出物的观察，可以揭示微晶的 存在以及形状，可通过衍射环的直径和晶格条 纹间距来获得。20

A: 非晶态合金 B:热处理后微晶的晶格条纹像 C:微晶的电子衍射 明亮部位为非晶 暗的部位为微晶

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