掃描電子顯微鏡(SEM)第一頁(yè)，共31頁(yè)。掃描電子顯微鏡（SEM）

ScanningElectronMicroscope第二頁(yè)，共31頁(yè)。各種信號(hào)成像的分辨率（nm）掃描電子顯微鏡的成像原理與透射電子顯微鏡完全不同，它不用電磁透鏡放大成像，而是以類似電視攝影顯像的方式，利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像。當(dāng)掃描電子顯微鏡與其它分析儀器相組合后，就可以在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行形貌、微區(qū)成分和晶體結(jié)構(gòu)等多種微觀組織結(jié)構(gòu)信息的同位分析。信號(hào)二次電子背散射電子吸收電子特征X射線俄歇電子分辨率5

~

1050

~

200100

~

1000100

~

10005

~

10第三頁(yè)，共31頁(yè)。電子與樣品相互作用產(chǎn)生的各種信息第四頁(yè)，共31頁(yè)。各種信息的作用深度第五頁(yè)，共31頁(yè)。二次電子成像原理圖第六頁(yè)，共31頁(yè)。二次電子形貌像示意圖第七頁(yè)，共31頁(yè)。二次電子檢測(cè)器示意圖第八頁(yè)，共31頁(yè)。二次電子和背散射電子的運(yùn)動(dòng)路線第九頁(yè)，共31頁(yè)。原子序數(shù)和背散射電子產(chǎn)額之間的關(guān)系曲線第十頁(yè)，共31頁(yè)。背散射電子檢測(cè)器示意圖第十一頁(yè)，共31頁(yè)。背散射電子成份像和形貌像的分離第十二頁(yè)，共31頁(yè)。第十三頁(yè)，共31頁(yè)。第十四頁(yè)，共31頁(yè)。第十五頁(yè)，共31頁(yè)。

場(chǎng)發(fā)射式電子槍比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度高出10~100倍，同時(shí)電子能量散布僅為0.2-0.3eV，所以目前市售的高分辨率掃描式電子顯微鏡都采用場(chǎng)發(fā)射式電子槍，其分辨率可高達(dá)1nm以下。場(chǎng)發(fā)射電子槍可細(xì)分成三種：

冷場(chǎng)發(fā)射式(coldfieldemission,FE)

熱場(chǎng)發(fā)射式(thermalfieldemission,TFE)肖特基發(fā)射式(Schottkyemission,SE)第十六頁(yè)，共31頁(yè)。掃描隧道顯微鏡（STM）

Scanning

Tunneling

Microscope第十七頁(yè)，共31頁(yè)。量子勢(shì)壘：勢(shì)壘：電子（質(zhì)量為m，能量為E）具有“隧穿”勢(shì)壘的確定幾率：薛定諤運(yùn)動(dòng)方程：第十八頁(yè)，共31頁(yè)。

在勢(shì)壘兩邊加上一個(gè)偏壓V

隧道電子獲得額外能量eV

能夠隧穿的電子數(shù)依賴于勢(shì)壘兩側(cè)的電子布居數(shù)隧道電流（TunnelingCurrent）metal1metal2insulatorz第十九頁(yè)，共31頁(yè)。

將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流

I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離

S和平均功函數(shù)Φ有關(guān)：

Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。第二十頁(yè)，共31頁(yè)。

隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離

S減小0.1nm，隧道電流

I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過(guò)加在

z向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。STM操作模式恒電流模式恒高度模式Tipheightis~constant:anx-yscanrevealsatopographic‘image’ofthesurface.betterverticalresolutionslowerscanning–mayyieldoveralldriftinx-yscancanbeusedforsurfacesthataren’tatomicallyflatTipheightiskeptconstantandtunnelingcurrentismonitored.veryfastscans,reducesimagedistortionlowerverticalresolutionallowsstudyofdynamicprocesses第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。STM圖像在銅表面的鐵原子銅表面缺陷導(dǎo)致的駐波第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。原子力顯微鏡（AFM）

AtomicForce

Microscope第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力作用來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。假設(shè)兩個(gè)原子中，一個(gè)是在懸臂（cantilever）的探針尖端，另一個(gè)是在樣本的表面，它們之間的作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如圖所示，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個(gè)合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開(kāi)有一定距離時(shí)，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個(gè)合力表現(xiàn)為引力的作用。第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。原子與原子之間的距離與彼此之間能量的大小也符合Lennard–Jones公式：括號(hào)中前一項(xiàng)表示系統(tǒng)能量升高，說(shuō)明原子間存在排斥作用，后一項(xiàng)表示系統(tǒng)能量降低，表示吸引作用。第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。原子力顯微鏡的系統(tǒng)就是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM