扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜

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工作原理图
图是STM的基本原 理图，其主要构成 有：顶部直径约为 50—100nm的极细 金属针尖(通常是金 属钨制的针尖)，用 于三维扫描的三个 相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)， 以及用于扫描和电 流反馈的控制器 (Controller)等。
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2.4 扫描隧道显微镜的工作模式
扫描电子显微镜与扫描隧 道显微镜及其应用 制作人：
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扫描电子显微镜
• 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称 SEM）是继透射电镜（TEM）之后发展起来的 一种电子显微镜 • 扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或 透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照 明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描 方式照射到试样上，产生各种与试样性质有 关的信息，然后加以收集和处理从而获得微 观形貌放大像。
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特点
• ⑷可做综合分析。 • SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪） 或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后， 在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行 元素分析。 • 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或 集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。 • 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处 于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显 微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
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扫描隧道显微镜下原子的镜象
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中国科学院化学研究所的科技人员利用自 制的扫描隧道显微镜，在石墨表面上刻蚀 出来的图象。图形的线宽实际上只有10nm。
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扫描隧道显微镜的局限性
•
①STM的恒电流工作模式下，有时它对样品 表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与 此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下， 从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用 非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之 间的距离，才能避免这种缺陷。 • STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝 缘体则根本无法直接观察
图2 金属表面与针尖的电子云图
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扫描隧道显微镜优点
• 扫描隧道显微镜,具有很高的空间分辨 率，横向可达0．l纳米，纵向可优于 0．01纳米。它主要用来描绘表面三维 的原子结构图，在纳米尺度上研究物 质的特性，利用扫描隧道显微镜还可 以实现对表面的纳米加工，如直接操 纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、 修饰以及直接书写等
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应用举例
• 1．断口分析 材料断口的微观形貌往 往与其化学成分、显微组织、 制造工艺及服役条件存在密 切联系，所以断口形貌的确 定对分析断裂原因常常具有 决定性作用。
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1．材料表面形态（组织）观察
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2．断口形貌观察
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断口形貌观察
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3．磨损表面形貌观察
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SEM的应用
(1)生物：种子、花粉、细菌…… (2)医学：血球、病毒…… (3)动物：大肠、绒毛、细胞、纤维…… (4)材料：陶瓷、高分子、粉末、环氧树 脂…… (5)化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥(杆 菌) 、机械、电机及导电性样品，如半导体 (IC、线宽量测、断面、结构观察……)电子材 料等。
STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式，。
恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变 恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电 8-43 流恒定
由于电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表 面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指 数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子 线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样 品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近 (距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。
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2011年4月1号
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扫描隧道显微镜简介
• 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫 描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子， 它具有比它的同类院子里显微镜更加高的分辨率。 此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探 针尖端精确操纵原子，因此它在纳米技术既是重要 的测量工具又是加工工具。 • STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在 物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化 性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的 研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际 科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
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世界上第1台扫描隧道显微镜
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世界上第1台扫描隧道显微镜
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扫描隧道显微镜（STM ）
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扫描隧道显微镜简介基本结构
1 2 3 4 5 6 隧道针尖 三维扫描控制器 减震系统 电子学控制系统 在线扫描控制系统 离线数据分析软件
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扫描隧道显微镜工作原理
• 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就 如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通 过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个 原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上， 一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表 面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量 便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过 一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探 出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量 的波动，人们可以得到组成一个网络结构的单个 原子的美丽图片。
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扫描电子显微镜 三大组成
1、真空系统 真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。 真空柱是一个密封的柱形容器。 2、电子束系统 电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分成， 主要用于产生一束能量分布极窄的、电子 能量确定的电子束用以扫描成象。 3、成像系统
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• 扫描电子显微镜由
电子光学系统(镜
筒)、偏转系统、
信号检测放大系统、 图像显示和记录系 统、电源系统和真 空系统等部分组成
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信号收集及显示系统
• 检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为 显像系统的调制信号。普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光 导管和光电倍增器所组成。
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离子泵 镜筒 离子泵手动阀
4．纳米结构材料形态观察
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在生命科学领域可用于胚胎及组织发生学方面的
研究和观察；
在临床上可用于多种疾病亚细胞结构病变的观察
和诊断，特别是肾小球疾病及肌病的诊断，以及 一些疑难肿瘤的组织来源和细胞属性判定，如一 些去分化、低分化或多向分化肿瘤的诊断和鉴别 诊断；
最早关于细胞凋亡的形态学描述也是源于电镜的
电镜技术也有其局限性：如电镜设备昂贵、样 本制备较复杂、实验费用较高；另外，由于样本取 材少，观察范围有限，有时还可能会遗漏信息；当 用于辅助肿瘤外检诊断时，只能判定组织或细胞的
来源，不能确定肿瘤的良恶性。
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扫描隧道显微镜（STM ）
• 扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微 镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用 量子理论中的隧道效应探测物质表面结构 的仪器。它于1981年由格尔德· 宾宁 （G．Binning）及海因里希· 罗雷尔 （H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏 黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯 特· 鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
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扫描电子显微镜的工作原理
一. 扫描电镜的工作原理
扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。
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电子枪
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扫描电镜光学系统及成像示意图
电子枪
显示器
聚光镜 扫描 放大器 扫描线圈 物镜 试样 二次电子 探测器 信号 放大器
图1
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由最上边电子枪发射出来的电子束， 经栅极聚焦后，在加速电压作用下， 经过二至三个电磁透镜所组成的电子 光学系统，电子束会聚成一个细的电 子束聚焦在样品表面。在末级透镜上 边装有扫描线圈，在它的作用下使电 子束在样品表面扫描。 • 出于高能电子束与样品物质的交互作 用，结果产生了各种信息：二次电子、 背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇 电子、阴极发光和透射电于等。 • 这些信号被相应的接收器接收，经放 大后送到显像管的栅极上，调制显像 管的亮度。由于经过扫描线圈上的电 流是与显像管相应的亮度一一对应， 也就是说，电子束打到样品上一点时， 在显像管荧光屏上就出现一个亮点。 扫描电镜就是这样采用逐点成像的方 法，把样品表面不同的特征，按顺序、 成比例地转换为视频传号，完成一帧 图像，从而使我们在荧光屏上观察到 样品表面的各种特征图像。
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扫描隧道显微镜具体应用
1 扫描
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空 间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有 极高的空间分辩率，可以进行科学观测 2 探伤及修补 STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表 面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺 陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切 断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还 可用STM进行成像以检查修补结果的好坏 3 微观操作 1 引发化学反应 2 移动，刻写样品
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SEM
•
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SEM
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SEM
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SEM的主要特点
• ⑴仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； • ⑵仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）， 且连续可调； • ⑶图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大 的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； • ⑷试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或 不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到 SEM中进行观察。一般来说，比透射电子显微镜 （TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真 实状态；
真 空 系 统
抽气管
V1阀 样品室 放气阀V6
主阀V5
旁路阀V3 TC3 TC1 扩散泵前级阀V2 机械泵 储气瓶 TC2 挡板 扩散泵
镜筒阀V4
热偶规TC4
冷规
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利用扫描电镜观察样品形貌的操作步骤
向冷却阱中加入液氮。打开样品室， 装样，关闭样品室，抽真空 通过Z轴调节工作距离 (最佳值为12mm) 调节X、Y轴， 寻求感兴趣的样品区域 当真空指示灯亮时，打开V1阀， 加电压至20kV，电流加至60μA
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STM的工作原理
• 扫描隧道显微镜的工作原理是 基于量子力学中的隧道效应。 对于经典物理学来说，当一个 粒子的动能E低于前方势垒的 高度V0时，它不可能越过此势 垒，即透射系数等于零，粒子 将完全被弹回。而按照量子力 学的计算，在一般情况下，其 透射系数不等于零，也就是说， 粒子可以穿过比它能量更高的 势垒，这个现象称为隧道效应。
调节对比度和亮度， 使样品在显示屏上显示出来
调整放大倍数并调焦 （要遵循高倍聚焦低倍照的原则） 打开样品室，取出样品， 关上样品室，抽真空， 当真空指示灯亮时， 将仪器置于准备状态，完毕
慢速扫描，照相，保存
做完后，将电流和电压值回零， 将对比度、亮度值回零， 放大倍数降到100左右，关闭V1阀
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• 在最近20多年的时间内，扫描电子显微镜发 展迅速，又综合了X射线分光谱仪、电子探针 以及其它许多技术而发展成为分析型的扫描 电子显微镜，仪器结构不断改进，分析精度 不断提高，应用功能不断扩大，越来越成为 众多研究领域不可缺少的工具，目前已广泛 应用于冶金矿产、生物医学、材料科学、物 理和化学等领域。
观察。
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5．生物样品的形貌观察
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疟疾破坏的两个红细胞
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疟疾破坏的两个红细胞
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背散射电子像
吸收电子像
奥氏体铸铁的显微结构
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原子序数衬度像
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电子显微镜缺陷
随着电镜技术的不断发展，以及与其他方法的 综合使用，还出现了免疫电镜、电镜细胞化学技术、
电镜图像分析技术及全息显微术等。