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1、以电子光学方法将具有一定能量的粒子汇聚成细小的入射束（称为“探针”），通过与样品物质的相互作用，激发表征材料显微组织结构特征的各种信息，检测并处理这些信息从而给出形貌、成份和结构的丰富资料。,一、概述,1、基本原理,电子光学表面分析方法可对表面（及表面区域）进行化学成份、元素分布、化学吸附的分析；可对该区进行显微组织分析；可进行表面区电子结构（包括表面能级、能带、空间电荷等）的分析。,一、概述,2、应用,上述表面分析方法的共同特点就是要求被测样品表面异常清洁，测试必须处于超高真空中。,一、概述,3、特点,原因：用油扩散泵抽真空、橡胶圈密封时，最高的真空度可达10-4Pa。此时每秒将有31014
2、个气体分子同1cm2表面碰撞，每cm2固体表面上约有1015个原子，即每3秒钟就会有一层新的原子层覆盖于表面，那就不可能检测与各种探针反应的真实表面。,上述表面分析方法的共同特点就是要求被测样品表面异常清洁，测试必须处于超高真空中。,一、概述,3、特点,原因：只有当真空度达到10-7Pa以下，每秒种有3.81010个气体分子同1cm2的固体表面碰撞，覆盖一层新的原子层需要8个小时，所述的测试才有可能进行。,上述表面分析方法的共同特点就是要求被测样品表面异常清洁，测试必须处于超高真空中。,一、概述,3、特点,因此，利用电子光学表面分析技术必须在超高真空下才能进行，保持试样表面“清洁”更是十分重要
3、。,二、低能电子衍射（LEED）,初级电子由电子枪及电子聚焦装置，入射到样品表面，经散射后可由法拉第圆筒直接测量衍射电子束强度或让它打到荧光屏上，使荧光屏发光，然后再用光度计或摄像管测量光强。,1、测试原理,二、低能电子衍射（LEED）,电子束斑的直径一般为0.41mm，发散度为1。因此，被测试到的信息是样品中心直径400m的区域中的综合信息。,1、测试原理,二、低能电子衍射（LEED）,2、在纳米测量中的应用,纳米晶薄膜的结构分析；研究表面膜的生长过程，可以探索纳米薄膜与基底结构，缺陷和杂质的关系；可探索氧化膜的形成，物理吸附、化学吸附的基本特点，特别是在催化过程中的纳米薄膜的状况。,三、电
4、子显微镜和电子探针,利用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）对纳米粉体粒度的观测，上节已阐述，这里重点介绍加装在扫描电子显微镜上的电子探针、X射线波谱分析和X射线能谱分析在纳米测量学方面的应用。,三、电子显微镜和电子探针,电子探针束流为10-1110-13A时，最小直径可达67nm，甚至达0.30.5nm。,1、电子探针,三、电子显微镜和电子探针,激发出的各种信息，因信息不同，反映的激发范围也不同：,1、电子探针,俄歇电子发射区深度0.52nm；二次电子发射区深度为510nm；,三、电子显微镜和电子探针,激发出的各种信息，因信息不同，反映的激发范围也不同：,1、电子探针,背散射电子发射区深度
5、为1001000nm；X射线发射区深度为5005000nm。,三、电子显微镜和电子探针,X射线显微分析仪是目前比较理想的微区化学成分分析手段。当入射电子束在样品上扫描时，将在样品的一定范围内激发产生特征X射线讯号。X射线的波长和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。电子探针仪采用适当的检测、计数系统就能达到成分分析的目的。,2、X射线显微分析仪,三、电子显微镜和电子探针,X射线能谱分析又称EDS，空间分辨率可达几十纳米；X射线波谱分析又称WDS，空间分辨率达几百纳米。,2、X射线显微分析仪,四、俄歇电子谱仪,1、测试原理,当电子探针作用于纳米薄膜或纳米晶块体表面时，在深度为0.52nm
6、的区域会有俄歇电子发射。所谓俄歇电子是俄歇跃迁过程发射出的电子。,四、俄歇电子谱仪,1、测试原理,当一个具有足够能量的入射电子使内层K能级电子电离，该空穴立即就被L2能级上的电子跃迁所填充，这个跃迁产生的多余能量Ek-EL2可能由两种形式释放：,以特征X射线形式释放；多余能量被L2能级上的另一个电子吸收并从L2 级发射出来，成为俄歇电子。,四、俄歇电子谱仪,1、测试原理,检测俄歇电子的能量和强度，可以获得有关表面层化学成分的定性和定量信息。,四、俄歇电子谱仪,2、在纳米测量中的应用,俄歇电子谱仪在纳米薄膜的纵向分析、三维分析、多层膜的组分剖面分析等方面有突出的作用，但在空间分辨率上有缺点，因为
7、俄歇电子的反应直径在1000nm（1m），近期有望达到0.3m。所以从纵向考虑，能反映0.52nm范围内的材料特征（成分分析），但表面范围还比较大，达不到纳米尺度的要求。,五、原子探针场离子显微镜,场离子显微镜（Field Ion Microscopy，FIM）是电子光学表面分析中能够直接观察到表面原子的分析技术。它具有原子大小的分辨率和分辨单个原子的灵敏度，还能辨别表面的化学状态，是扫描隧道显微分析出现以前分辨率最高，可观察到原子的最常用的仪器。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,在场离子显微镜中，样品是做成针尖形，但从微观看针尖还是不规则的。如果在针尖上加一很强的正电压，那
8、么针尖上的突出部分比平滑部分具有更高的电场，当其场强达到伏/埃（V/）数量级时，位于表面上突出部分的原子将被电离，且以离子形式被“蒸发”脱离母体表面，这个过程称为“场蒸发”。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,“场蒸发”后针尖就变成没有突出部分的、平滑的半球形，成为场离子显微镜合用的样品，场蒸发还可以剥离表面层，使样品形成无污染的新鲜表面。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,通常场离子显微镜中都要充以10-310-2pa的惰性气体（如He、Ne等），这种气体叫做成像气体。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,在外电场作用下，气体分子由于感应变成偶极
9、子，吸附于表面突出部位的原子上。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,尽管单晶样品的尖端近似地呈半球形，但从微观看，这一表面是由许多原子平面的台阶所组成。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,处于台阶边缘的原子总是比平均的半球形表面具有更小的曲率半径，在它附近场强将更高。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,当弹跳中的偶极子进入这突出原子外的高场强区，若气体的偶极子（极化原子）的外层电子恰好符合样品中原子的空能级的能态，那么气体的极化原子的电子将有较高的几率，通过“隧道效应”穿过针尖样品表面位垒而进入样品，气体原子则发生了“场致电离”变为带正电的离子。
10、成像气体的离子由于受到电场的加速而在针尖半球径向方向上撞向观察荧光屏，即可激发光信号。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,凡样品尖端原子突出的部位，成像气体的极化原子最容易在它们的高场强区域发生电离，即从这一区域在荧光屏形成了一加速离子的“通道”，集中了大量“射出”的气体离子，可称其为“铅笔锥管”，在荧光屏上对应了一个亮点。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,针尖样品表面上的一个原子对应着荧光屏上的一个亮点。,五、原子探针场离子显微镜,1、工作原理和样品制备,被电离且参与加速撞击荧光屏成像的成像气体原子，每秒钟大约有103104个。为了保证有足够的分辨率，样品处于极低的温度下，由样品致冷剂冷却，温度在几十到100K，针尖的半径一般在20200nm，分辨率可达0.25nm。,五、原子探针场离子显微镜,2、原子探针场离子显微镜的优缺点,测定金属和合金表面的原子结构，吸附于表面的吸附物原子结构；研究样品中点缺陷、位错、界面缺陷等；FIM只能对金属和合金的原子行为进行观测，分辨率特高；由于样品为针尖形，实际的分析体积小于100nm100nm100nm，对于纳米材料的表面分析很合适。,
