扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜
扫描隧道电子显微镜ppt课件
缺点
• 1、在扫描隧道显微镜(STM)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。对铂超细 粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形 貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测 中则不会出现这种问题。 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。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得 尤为重要。
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
STM的工作模式
•
尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下
述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的
机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子
系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方
式：恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使 其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖 在样品表面扫描，即是使针尖沿 x、y 两个 方向作二维运动。由于要控制隧道电流不 变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保 持不变，因而针尖就会随着样品表面的高 低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息 也就由此反映出来。这就是说，扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面，显 微图象质量高，应用广泛。
扫描电镜、透射电镜、扫描隧道显微镜.doc
扫描电子显微镜扫描电子显微镜(scanning electron microscope),简称扫描电镜(SEM)o是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。
它能产生样品表面的高分辨率图像，且图像呈三维，打描电子显微镜能被用来鉴定样品的表面结构。
结构扫描电子显微镜由三人部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。
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-个密封的柱形容器。
真空泵用来在真空柱内产生真空。
有机械泵、油扩散泵以及涡轮分了泵三人类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置餌枪的SEM的真空要求，但对于装配了场致发射枪或六硼化锢枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分了泵的组合。
成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。
之所以要用真空，主要基于以下两点原因：•电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。
•为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。
电子束系统电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，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像。
电子枪电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。
一类是利用场致发射效应产生电了，称为场致发射电了枪。
这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于的极高真空。
但它具有至少1000小时的寿命，且不需要电磁透镜系统。
另一类则是利用热发射效应产生电了，有钩枪和六硼化澜枪两种。
鹄枪寿命在30〜100小时之间，价格便宜，但成像不如其它两种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。
六硼化澜枪寿命介于场致发射电子枪与鹄枪之间，为200〜1000小时，价格约为餌枪的十倍，图像比钩枪明亮5〜10倍，需要略高于钩枪的真空，一般在lCftorr以上；但比餌枪容易产生过度饱和与热激发问题。
电磁透镜热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上, 电磁透镜必不可少。
电子显微镜和扫描隧道显微镜
电子显微镜和扫描隧道显微镜- 电子显微镜与扫描隧道显微镜显微镜是生命科学和物理学研究中最常用的工具之一。
从简单的光学显微镜到高级的电子显微镜和扫描隧道显微镜，显微镜在不同领域中都起着至关重要的作用。
电子显微镜（EM）和扫描隧道显微镜（STM）是现代科学中最重要的显微镜之一，它们在材料科学、物理学、化学和生命科学等领域中都具有广泛的应用。
- 电子显微镜（EM）电子显微镜是一种使用电子束而非光线的显微镜。
它使用的光束是电子束，通过电镜管产生。
这种方法比光线显微镜提供更高的分辨率，可以获得更高的放大倍率，因此可以检测纳米级别的细节。
电子显微镜有两种主要类型：透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
TEM使用点状的能量电子束穿过样品，模拟晶体结构的形象，如生物分子或晶格。
与透射电子显微镜不同，SEM不是通过射线，而是通过扫描一个电子束的“感应场”对样品进行显微镜检查的。
SEM在图像处理方面更加灵活，因为沿特定的方向移动的“感应场”仅作用于特定的物体。
SEM还可以使用样品表面的中子以增强样品的成像质量。
- 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）是由瑞士物理学家希罗德·罗斯特和德国物理学家海因里希·鲍姆（Heinrich Rohrer和Gerd Binnig）首次发现的。
STM使用一个非接触的探针通过扫描样品表面来检测电流。
STM的分辨率超过了几个原子的间距，并可检测网络结构的局部。
STM没有透射电子显微镜或扫描电子显微镜，因为它检测的是样品表面的原子状态。
但与透射电子显微镜和扫描电子显微镜不同，STM使用的探头不留下成像细节，但非常适合检测表面的局部结构。
- 应用电子显微镜和扫描隧道显微镜可以应用于不同领域，如以下例子所示：材料科学：电子显微镜可用于研究纳米颗粒、多晶金属等材料科学研究，以及晶体成长和表面变换等方面的基础研究。
STM可用于生成高分辨率的图像，可以研究新颖材料的原子结构。
扫描隧道显微镜的原理及应用 ppt课件
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用
利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使 其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖 在样品表面扫描，即保持针尖与样品表面 之间的局域高度不变，针尖随着样品表面 的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的 信息也就由此反映出来。这种工作方式获 取图象信息全面，显微图象质量高，应用 广泛
扫描隧道显微镜的原理及应用
STM的应用优势: • STM具有极高的分辨率 • STM得到的是实时的、真实的样品表面的
高分辨率图象。 • STM的使用环境宽松。 • STM的应用领域是宽广的 • STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器
来讲是较低的。
STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：
１．“看见”了以前所看不到的东西
扫描隧道显微镜的原理及应用
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明
STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图 3 所 示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电 压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上 的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上 显示出来。
由此可见，隧道电流 I 对针尖与样 品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数 量级。当针尖在样品表面上方扫描时， 即使其表面只有原子尺度的起伏，也将 通过其隧道电流显示出来。借助于电子 仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样 品表面结构相关的信息。
扫描隧道电子显微镜
扫描隧道电子显微镜编辑锁定本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)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，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
中文名扫描隧道电子显微镜外文名scanning tunneling microscop简称STM发明者格尔德·宾宁目录1. 1 定义2. 2 背景3. 3 发展1. 4 原理2. 5 工作方式3. ▪恒流模式4. ▪恒高模式1. 6 应用2. 7 展望定义编辑扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)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,利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。
通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。
背景编辑透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。
扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面” 总在一定深度上，而且分辫率也受到很大限制。
场发射电子显微镜（FEM)和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成象（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。
《扫描隧道显微镜》PPT课件
第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放
大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉
成像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。第二类是对
试件表面进行扫描，逐点检测，从而获得表面微观形貌的信息，
这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显微镜（SEM）
2021/3/8
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1.光学显微镜
光学显微镜是在光学放大镜基础 上发明的，放大镜的物体形貌分辨率 可达到0.1mm。1665年发明了光学显 微镜，它可将被测物体放大数百倍。 光学显微镜经过多次改进，现在的放 大倍数达到1250倍。如果再采用油浸 镜头或用紫外光，放大倍数还能在提 高一些。光学显微镜使用方便，应用 广泛，但受光波波长的限制，放大倍 数无法再提高。
TEM 是 通 过 电 子 束透过试件而放大成像 的，电子束穿透材料的 能力不强，故试件必须 做得极薄，加工这种极 薄的试件有相当难度， 故TEM的适用范围有限。
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3.表面轮廓仪
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术的提高，现在的测 量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖 曲率半径在0.05um左右，这就限制了测量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容 易划伤试件。
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2.透射电子显微镜（TEM）
TEM出现在20世纪30年代，到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理 极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静电或磁透镜代替光学玻璃透镜，最 后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高，点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已 达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到 某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。
电子显微镜与扫描隧道显微镜的应用
电子显微镜与扫描隧道显微镜的应用当我们想要观察通常无法分辨的微观结构时，电子显微镜和扫描隧道显微镜这两种现代显微技术成为了不可或缺的工具。
它们可以将原本模糊和不清晰的物质信息变成高质量、高分辨率的图像，我们可以通过它们观察到最基本的元素和原子的结构，同时揭示出许多新颖的现象和材料特性。
在本文中，我们将会详细介绍这两种显微技术的原理和应用。
一、电子显微镜电子显微镜是一种基于电子束的显微技术，可以将电子束聚焦到纳米尺度的大小，它的分辨率比光学显微镜高出一个数量级以上。
电子显微镜主要分为两种类型：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。
1. 透射电子显微镜透射电子显微镜（TEM）可以穿透样品，从而形成一个类似于投影的电子图像，并且可以将样品的内部细节显示出来。
它利用一个高能电子束透过样品，透射的电子会受到样品中原子的散射、吸收和衍射等过程的影响，最终被收集到一个荧光屏或摄像机上。
TEM的分辨率可以达到0.1纳米，可以用来观察纳米级别的结构和原子排列方式，因此在材料科学、生物医学等领域中有着广泛的应用。
例如，科学家们可以通过TEM观察到米粒、晶粒和原子的结构，以深入研究材料的特性，并利用这些知识开发出更高性能的材料。
在生物医学领域，TEM可以用来观察细胞超微结构，以探索细胞的生命活动。
2. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）则是一种利用电子束对样品进行扫描成像的技术，可以获得样品表面的三维结构。
SEM通过扫描物质表面形成图像，电子束会与样品表面原子发生相互作用，并在样品表面产生一系列的信号和反应，这些信号通过不同的探测器被检测并转换为图像。
相比于TEM，SEM的分辨率略低，一般在10-50纳米。
不过，它有着更广泛的应用，包括材料科学中的表面形貌研究、纳米技术研究、生物科学中的细胞外形状观测等。
例如，在材料科学中，SEM可以观察到纳米结构表面的缺陷和形貌，对研究材料力学性能有着很大的帮助。
二、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）是一种基于隧道效应的显微技术，它是以极高的分辨率扫描表面上绝缘或半导体物质表面的电子结构的一种方法。
扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜
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。
寻求感兴趣的样品区域
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）
慢速扫描，照相，保存
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
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
• 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；
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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）。
• 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。
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988），以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康（Rüschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
研制电子显微镜的历史可以追溯到19世纪末。
人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。
1897年布劳恩设计并制成了最初的示波管。
这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。
1926年布什（H.Busch）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。
这为电子显微镜作了理论上的准备。
限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。
由于电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜可以得到比光学显微镜高得多的分辨率。
恩斯特·鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。
他的父亲是柏林大学历史学教授.1925年-1927年，恩斯特上中学时就喜欢工程.井在慕尼黑两家公司学习电机工程。
后随父到了柏林，1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研究。
从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔（M.Knoll）的指导下进行电子透镜实验。
这对鲁斯卡的成长很有益处。
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988），以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康（Rüschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
研制电子显微镜的历史可以追溯到19世纪末。
人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。
1897年布劳恩设计并制成了最初的示波管。
这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。
1926年布什（）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。
这为电子显微镜作了理论上的准备。
限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。
由于电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜可以得到比光学显微镜高得多的分辨率。
【恩斯特·鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。
他的父亲是柏林大学历史学教授.1925年-1927年，恩斯特上中学时就喜欢工程.井在慕尼黑两家公司学习电机工程。
后随父到了柏林，1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研究。
从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔（）的指导下进行电子透镜实验。
这对鲁斯卡的成长很有益处。
1928年-1929年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究，证实在电子束照射下直径为的光阑可以产生低倍（倍）的像，并验证了透镜成像公式。
三大显微镜原理与应用及图片
—、三大显微镜的原理。
1、扫描隧道显微镜的原理。
. 在x二0和x=a点，波函数及其导数连续，并假设k’a》l(另有论述)，则推得隧道电流:Iocf(码呷(一2厂a).在简单情形下，对费米面电子来说，v一E相当于该材料的脱出功，由于一般稳定金属的脱出功为4一5“[5]，所以k’一0.lrun，厂a》1很容易满足，上述假设是成立的.显然，当针尖一样品间距(即a)变化0.IYun时，电流将变化约一个数量级.g1M正是利用隧道电流对间距变化的敏感性来工作的.SIM的扫描过程描述为:针尖在扫描控制系统的控制下，可沿样品表面作三维移动，随着样品表面的起伏，针尖一样品间距将发生变化，隧道电流随之变化.通过一个反馈系统调节这个间距，使电流重新接近事先设定的值.由电流的表达式可知，由于偏压V恒定，故要求间距a也恒定，样品表面的形貌也就通过针尖的轨迹反映出来了.这是STM工作方式之一—恒流模式.若保持针尖在样品表面上方一个固定的平面内作二维移动，则样品表面的起伏可通过隧道电流的变化反映出来.此时，反馈系统的反应速度很慢，不能跟踪表面的细节.这是Sn竹工作方式之二—等高模式.这种工作方式要求表面起伏小，否则针尖很容易碰到样品，而且一般用于小范围的表面测量。
2、透射电子显微镜的原理。
透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子的碰撞而改变方向，从而产生立体角散射，散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。
通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1~0.2nm, 放大倍数为几万~百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2?m、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
透射电镜特别适合对微细矿物及隐晶质矿物和超细粉体的形貌及结构分析，它决定了偏光显微镜分辨率低的不足，又克服了X射线衍射仪不能直接观察矿物形貌的困难。
电子显微技术发展
电子显微技术的发展电子显微镜，简称电镜，经过几十年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具，尤其在表面形貌分析方面有重要应用。
常见的电子显微技术有透射式电子显微镜( TEM)，扫描电子显微镜( SEM)，扫描隧道显微镜( STM)，环境扫描电子显微镜（ESEM），原子力显微镜（AMF），以及光扫描隧道显微镜（PSTM），近场扫描光学显微术（NSOM），弹道式电子发射显微术（BEEM），扫描片化学显微术（SECM）等。
1.透射式电子显微镜( TEM)1897 年布劳恩发明了阴极射线管,尽管结构简单,但已是现代电子束管的雏形。
同年汤姆孙测定了电子的荷质比,指出以前发现的阴极射线也是一种物质粒子流(现称电子流) 。
1926 年布许发表了有关磁聚焦的论文,因此可以利用电子来成像(与光学透镜成像极为相似) 。
这样,就为发明电子显微镜作好了技术上和理论上的准备。
恩·鲁斯卡,1906 年12 月25 日出生于德国的海德堡,1929 年从事电子透镜的实验研究。
1931 年4～6月鲁斯卡和克诺尔采用二级磁透镜放大,获得了光阑孔的16 倍放大像,制成了世人公认的第一台电子显微镜的最初雏型。
当时得到的分辨率为40nm ,获得了比光学显微镜清楚得多的大肠杆菌的电子像,这一成就在显微学史上是一项重大的突破。
1931 —1932 年鲁斯卡在德国《物理学进展》杂志上发表了以“几何电子光学的进展”为题的论文,第一次使用了电子显微镜的名称。
1932 年成为了发明电子显微镜的年份。
据理论计算,电子在100kV 的加速电压下运动时,其波长仅为0. 0037nm ,竟比可见光波长小5 个量级。
即使考虑到各种技术上的困难,电子显微镜的分辨本领也会比光学显微镜高得多。
1933 年鲁斯卡用短磁透镜,在75kV 下获得了12000 倍的放大率。
1937 年鲁斯卡等开始研制商品电子显微镜。
1938 年得到了放大30000 倍的照片,点分辨本领为13nm ,比光学显微镜高了20 倍。
扫描电镜
光学显微镜
目视、摄影、电 视显微镜 普通光、荧光、 红外光、激光显 微镜 偏光、相衬、微 分干涉显微镜
电子显微镜是以电子束作为光源、电磁场作透镜、具有高分辨率 和放大倍率的显微镜。电镜通过收集、整理和分析电子与样品相互作 用产生的各种信息而获得物体的形貌和结构等。电镜的类型也是利用 电子信号的不同和成像的不同而进行的。
右图是酵母线粒体核糖 体的结构图示，与细菌核糖 体(蓝色)和哺乳动物线粒体 核糖体(红色)有类似的一些 特性，但是有些特征只有在 酵母中存在(黄色)。
扫描电镜的类型
典型的扫描电镜 扫描隧道������
原子力������ 扫描探针������ 磁力������ 化学力������
扫描电镜的类型
环境扫描电镜 扫描透射电镜 扫描电声������ 冷冻扫描电镜 场发射扫描电镜
扫描隧道显微镜（STM），利用电子隧道现象，将 样品本身作为一个电极，另一个电极是一根非常尖锐 的探针。把探针移近样品，在两者之间加上电压，由 于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧道电流 并保持不变，若表面有微小起伏，哪怕只有原子大小 的起伏，也将使电流发生成千上万倍的变化。这种携 带原子结构的信息输入电子计算机，经过处理即可在 荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。其分辨率达到 了原子水平，放大倍数可达3亿倍，最小可分辨的两 点距离为原子直径的1/10，也就是说它的分辨率高 达0.01nm。
引言
扫描电镜的课程内容
第一章 发 展 历 史 基 本 原 理 仪 器 构 造 仪 器 特 点 第二章 第三章 第四章
动物、植物、 微生物的样品 处理
应 用 领 域
仪 器 术 语
硬 件 操 作
软 件 操 作
分 组 实 训
讨 论 总 结
第十二章扫描隧道显微镜
扫描探针显微镜的关键部件——针尖
针尖材料：金属W丝、 Pt合金丝
W 高硬度 易氧化（WO3），只 适合于真空环境；
Pt 不易氧化，但需加入Ir （铱）进行强化→PtTr合金丝。
材料分析与测试技术
STM单原子操纵原理——纳米加工技术
材料分析与测试技术
STM单原子操纵原理——纳米加工技术
材料分析与测试技术
扫描隧道显微镜用途
对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微 电子技术等领域的研究具有重大意义和广阔应用 前景。
物理和化学：研究原子间微小结合能、制造人造分子； 生物学：研究细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分 子的结构，进行分子切割和组装手术； 材料学：分析材料晶格和原子结构，考察晶体中原子尺 度的缺陷； 微电子学：加工原子尺度新型量子器件。
扫描隧道显微镜概述
1982年IBM公司苏黎世研究所Gerd Binning和 Heinrich Rohrer研制第一台扫描隧道显微镜 （Scanning tunneling microscope, STM）; 第一次直接观察到物质表面上单个原子及其排列 状态，并能研究其相关物理和化学特性; 1986年：诺贝尔物理奖—20世纪80年代十大科 技成就之一。
单原子操纵方法： 针尖下移，使针尖顶部原子和样品表面原子的电子云重 叠，有的电子为双方共享→产生与化学键相似的力（该 力足以操纵原子） 为更有效地操纵原子，通常在针尖和表面之间加上一定 的能量（e.g.电场蒸发、电流激励、光子激励）
单原子操纵的意义： 制作单原子、单分子和单电子器件，e.g.提高信息存储 量 生物工程中物种再造 材料科学中新原子结构的创制
材料分析与测试技术
扫描隧道显微镜特点：<1>
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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。
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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
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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• 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。
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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
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。
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
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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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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
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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。
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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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。
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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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
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。
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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。