第十章 表面分析

第十章
五．电子探针
表面分析
• 电子探针仪（EPMA）是一种微区成分 分析仪器。 • 采用被聚焦成小于1µm的高速电子束轰 击样品表面，利用电子束与样品相互作 用激发出的特征x射线，测量其λ和Ι， 确定微区的定性、定量的化学成分。 • SEM-EPMA组合型仪器，具有扫描放大 成像和微区成分分析两方面功能。 17
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表面分析
三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（ • 在生物医学研究中，最常用的一种模式是 在生物医学研究中， 敲击模式（ 敲击模式（tapping AFM）： ）： • 在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针 在敲击模式中， 悬臂以一定的频率振动。 悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样 品时，悬臂振幅会减少到某一数值。 品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫 描过程中， 描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一 数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒 数值恒定， 定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品 15 表面形貌图。 表面形貌图。
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第十章
七．电子能谱仪
表面分析
• 电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或 电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来， 然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中 获得有关信息的一类分析方法。 • 俄歇电子能谱法(AES) X射线光电子能谱法(XPS) 紫外光电子能谱法(UPS)
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第十章
表面分析
表面电子态分析：电子能级分布、空间分布。 射线光电 表面电子态分析：电子能级分布、空间分布。X射线光电 子能谱、紫外光光电子能谱。 子能谱、紫外光光电子能谱。
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表面分析
二．扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（ ） • 恒电流模式
• 恒高度模式
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二．扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（ ） 与其他表面分析技术相比，STM具有如 下独特的优点： 1. 具有原子级高分辨率，STM 在 平行于样品表面方向上的分辨率分别可 达 0.I nm 和 0.01 nm，即可以分辨出 单个原子．
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三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（
在原子力显微镜的系统中， 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待 测物之间交互作用力， 测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物 理特性。 理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸 引力的方式发展出两种操作模式： 引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为 ） 接触式原子力显微镜（ ），探针与 接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与 ）， 试片的距离约数个Å。 试片的距离约数个 。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓 ） 为非接触式原子力显微镜（ 为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM）， ）， 探针与试片的距离约数十到数百Å。 探针与试片的距离约数十到数百 。 14
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表面分析
（1）波长分散谱仪 WDS ）
Wavelength Dispersive Spectrometer • 通过衍射分光原理，测量x射线的λ分 布及I。 • 已知d的晶体（分光晶体），反射不同 的x射线，在特定位置检测。
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第十章
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波长色散谱
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• 分析速度慢
表面分析
WDS 特点： 特点：
• 工作条件：
探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。
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WDS 与EDS比较 比较
• WDS分析元素范围广、分辨率高、适于精 确的定量分析，对样品表面要求高、分析 速度慢，易引起样品和镜筒的污染。 • EDS在分析元素范围、分辨率方面略逊， 分析速度快、对样品表面要求不高、可用 较小的束流和细微电子束，适于与SEM配 合使用。
表面分析
线扫描分析
• 对于测定元素在材料相界和晶界上的富 集与贫化是十分有效的。 • 垂直于扩散界面的方向上进行线扫描， 可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲 线，若以微米级逐点分析，可相当精确 测定扩散系数和激活能。
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表面分析
（3）面扫描分析 ）面扫描分析
• 电子束在试样表面进行面扫描，谱仪只 检测某一元素的特征x射线位置，得到由 许多亮点组成的图像。亮点为元素的所 在处，根据亮点的疏密程度可确定元素 在试样表面的分布情况。 • 准确显示与基体成分不同的夹杂物的形 状，定性显示元素偏析。
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表面分析
三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（ • STM的原理是电子的“隧道效应”，所以 只能测导体和部分半导体
• 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足
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表面分析
三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（ • STM的原理是电子的“隧道效应”，所以 只能测导体和部分半导体
• 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足
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第十章
表面分析
三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（
原子与原 子之间的 交互作用 力因为彼此 之间的距离 的不同而有 所不同， 所不同，其 之间的能量 表示也会不 同。
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第十章
表面分析
（2）线扫描分析 ）线扫描分析
• 聚焦电子束在试样沿一直线慢扫描，同 时检测某一指定特征x射线的瞬时I，得到 特征x射线I沿试样扫描线的分布。（元素 的浓度分布） • 直接在扫描图像上叠加，显示扫描轨迹 和x射线I分布曲线，直观反映元素浓度分 布与组织结构之间的关系。
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第十章
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表面分析
表面形貌分析：常规显微镜、扫描电子显微镜、 表面形貌分析：常规显微镜、扫描电子显微镜、透射显微 扫描隧道显微镜、原子力显微镜、场发射显微镜、 镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、场发射显微镜、场 离子显微镜。 离子显微镜。
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表面成分分析：电子探针、俄歇电子能谱、 射线光电子 表面成分分析：电子探针、俄歇电子能谱、X射线光电子 能谱、二次离子质谱。 能谱、二次离子质谱。
第十章
表面分析
表面分析：表面形貌分析、表面成分分析、 表面分析：表面形貌分析、表面成分分析、表面结构 分析、表面原子态分析、表面电子结构分析。 分析、表面原子态分析、表面电子结构分析。
表面性能检测：表面外观检测 缺陷 外观、光泽)、 缺陷、 表面性能检测：表面外观检测(缺陷、外观、光泽 、 涂层厚度检测、涂层结合力检测、涂层耐蚀检测、 涂层厚度检测、涂层结合力检测、涂层耐蚀检测、涂 层耐磨检测、硬度、孔隙率。 层耐磨检测、硬度、孔隙率。
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表面分析
三．原子力显微镜（AFM) 原子力显微镜（
• 敲击模式的优越性： 敲击模式的优越性： • 敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲 敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高， 击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象， 击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象， 因为针尖与样品表面接触时， 因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服 针尖-样品间的粘附力 样品间的粘附力。 针尖 样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力 是垂直的， 是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影 响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。 响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。 所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用 所以对于较软以及粘附性较大的样品， 16 敲击模式。 敲击模式。
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第十章
比较项目 元素分析范围 元素分析方法 能量辨率/eV 灵敏度 检测效率 定量分析精度 仪器特殊性
表面分析
EDS
11Na～92U／4Be～92U
WDS
4Be～92U
分光晶体逐个元素分析 高（3／5～10） 低 低，随波长而变化 好 多个分光晶体
固态检测器元素同时检测 低（160／135） 高 高，一定条件下是常数 差 探头液氮冷却
单个元素测量，做全分析时间较长。
• 分辨率高：10eV
谱仪分辨率是指分开、识别相邻两个谱峰的能力。 测量精度高，多用于超轻元素Z<9测量。
• 峰背比大
背底扣除容易，数据处理简单。
• 分析元素范围：4Be－92U • 样品表面要求平整、光滑。
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第十章
表面分析
（2）能量色散谱仪 EDS ）
Energy Dispersive Spectrometer • 利用固态检测器（锂漂移硅）测量每个x 射线光子的能量，并按E大小展谱。 • 得到以能量为横坐标、强度为纵坐标的x 射线能量色散谱，显示于荧光屏上。
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第十章
表面分析
二．扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（ ）
2．可实时得到实空间中样品表面的三维 图像，可用于具有周期性或不具备周期性 的表面结构的研究，这种可实时观察的性 能可用于表面扩散等动态过程的研究．
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第十章
表面分析
二．扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（ ）
3 3．可以观察单个原子层的局部表面结构， 而不是对体相或整个表面的平均性质，因 而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表 面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引 起的表面重构等．
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第十章
七．电子能谱仪
表面分析
7.2 X射线光电子能谱法 射线光电子能谱法(XPS) 射线光电子能谱法 • X射线光电子能谱法（XPS），因最初以化 学领域应用为主要目标，故又称为化学分 析用电子能谱法（ESCA）。 • 技术基础：X射线激发物质光电离、光电子 发射过程及其能量关系。
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第十章