第四章_表面分析方法

2、技术的发展与材料科学的发展密切相关，它们相互促进：关，它们相互促进：八十年代，扫描探针显微镜（八十年代，扫描探针显微镜（SPM)SPM)的出现使（材料）的出现使（材料）表面科学的研究发生质的飞跃；表面科学的研究发生质的飞跃；LEEDLEED所用的所用的LaB6LaB6灯丝，灯丝，STMSTM中用来防振荡的氟化橡中用来防振荡的氟化橡胶（胶（Viton)Viton)，AFMAFM所用的探针等都是材料科学发展所用的探针等都是材料科学发展的新产物。的新产物。2024/7/24HNU-ZLP3“表面表面”的概念的概念过去，过去，人们人们认为固体的表面和体内是完认为固体的表面和体内是完全相同的，全相同的，

3、以为研究它的整体性质就可以为研究它的整体性质就可以知道它的表面性质，但是，许多以知道它的表面性质，但是，许多实验实验证明这种看法是错误的；证明这种看法是错误的；关于关于“表面表面”的概念也有一个发展过程，的概念也有一个发展过程，过去将过去将1 1个单位厚度看成个单位厚度看成“表面表面”，而现，而现在已把在已把1 1 个或几个原子层厚度称为个或几个原子层厚度称为“表表面面”，更厚一点则称为，更厚一点则称为“表层表层”。2024/7/24HNU-ZLP4表面分析方法的特点表面分析方法的特点用一束用一束“粒子粒子”或某种手段作为探针或某种手段作为探针来探测样来探测样品表面，探针可以是电子、离子、光子

4、、中性品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波（机械力）；粒子、电场、磁场、热或声波（机械力）；在探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或在探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波，它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、波，它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电场、磁场、热或声波；电场、磁场、热或声波；检测这些发射粒子的能量、动量、荷质比、束检测这些发射粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等特征，或波的频率、方向、强度、偏流强度等特征，或波的频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有关表面的信息。振等情况，就可获得有关表面的信息。2024/7/24HNU-ZLP5探测探测

5、粒子粒子发射发射粒子粒子分析方法名称分析方法名称简称简称主要用途主要用途e ee e低能电子衍射低能电子衍射LEEDLEED结构结构e e反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射RHEEDRHEED结构结构e e俄歇电子能谱俄歇电子能谱AESAES成份成份e e扫描俄歇探针扫描俄歇探针SAMSAM微区成份微区成份e e电离损失谱电离损失谱ILSILS成份成份能量弥散能量弥散X X射线谱射线谱EDXSEDXS成份成份e e俄歇电子出现电势谱俄歇电子出现电势谱AEAPSAEAPS成份成份软软X X射线出现电势谱射线出现电势谱SXAPSSXAPS成份成份e e消隐电势谱消隐电势谱DAPSDAPS成份

6、成份e e电子能量损失谱电子能量损失谱EELSEELS原子有电子态原子有电子态I I电子诱导脱附电子诱导脱附ESDESD吸收原子态及成份吸收原子态及成份e e透射电子显微镜透射电子显微镜TEMTEM形貌形貌e e扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEMSEM形貌形貌e e扫描透射电子显微镜扫描透射电子显微镜STEMSTEM形貌形貌2024/7/24HNU-ZLP6探测探测粒子粒子发射发射粒子粒子分析方法名称分析方法名称简称简称主要用途主要用途 e eX X射线光电子谱射线光电子谱XPSXPS成份成份e e紫外线光电子谱紫外线光电子谱UPSUPS分子及固体的电子态分子及固体的电子态e e同步辐射光电子

7、谱同步辐射光电子谱SRPESSRPES成份、原子及电子态成份、原子及电子态红外吸收谱红外吸收谱IRIR原子态原子态拉曼散射谱拉曼散射谱RAMANRAMAN原子态原子态表面灵敏扩展表面灵敏扩展X X射射线吸收谱细致结构线吸收谱细致结构SEXAFSSEXAFS结构结构角分辨光电子谱角分辨光电子谱ARPESARPES原子及电子态、结构原子及电子态、结构I I光子诱导脱附光子诱导脱附PSDPSD原子态原子态e电子电子光子光子 I离子离子2024/7/24HNU-ZLP7表中仅列出了探测粒子为电子和光子的常表中仅列出了探测粒子为电子和光子的常用表面分析方法。用表面分析方法。此外还有离子、中性粒

8、子、电场、热、声此外还有离子、中性粒子、电场、热、声波等各种探测手段。波等各种探测手段。这些方法各有其特点，而没有万能的方法，这些方法各有其特点，而没有万能的方法，针对具体情况，我们可以选择其中一种或针对具体情况，我们可以选择其中一种或综合多种方法来分析。综合多种方法来分析。2024/7/24HNU-ZLP84.2 X4.2 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPSXPS）2024/7/24HNU-ZLP9一、基本原理一、基本原理X X射线与物质相互作用时，物质吸收了射线与物质相互作用时，物质吸收了X X射线的能射线的能量并使原子中内层电子脱离原子成为自由电子，量并使原子中内层电子脱离原子成为

9、自由电子，即即X X光电子，如图。光电子，如图。对于气体分子，对于气体分子，X X射线能量射线能量h h 用于三部分：用于三部分：一部分用于克服电子的结合能一部分用于克服电子的结合能E Eb b，使其激发为自由的，使其激发为自由的光电子；光电子；一部分转移至光电子，使其具有一定的动能一部分转移至光电子，使其具有一定的动能E Ek k；一部分成为原子的反冲能一部分成为原子的反冲能E Er r。则则 h h E Eb b E Ek k E Er r2024/7/24HNU-ZLP102024/7/24HNU-ZLP11对于固体样品，对于固体样品，X X射线能量用于：射线能量用于：内层电子跃迁到费

10、米能级，即克服该电子的内层电子跃迁到费米能级，即克服该电子的结合能结合能E Eb b；电子由费米能级进入真空，成为静止电子，电子由费米能级进入真空，成为静止电子，即克服功函数即克服功函数；自由电子的动能自由电子的动能E Ek k 。则则 h h E Eb b E Ek k 2024/7/24HNU-ZLP12当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器样品架材当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器样品架材料之间将产生接触电势，这是由于二者的功函数不同所料之间将产生接触电势，这是由于二者的功函数不同所致，若致，若，则：则：此电势将加速电子的运动，使自由电子的动能从此电势将加速电子的运动，使自

11、由电子的动能从E Ek k增加增加到到E Ek k E Ek k E Ek k h h E Eb b E Ek k E Eb b h h E Ek k 式中式中是仪器的功函数，是一定值，约为是仪器的功函数，是一定值，约为4eV4eV， h h 为实验时选用的为实验时选用的X X射线能量为已知，通过精确测量光电射线能量为已知，通过精确测量光电子的动能子的动能E Ek k ，即能计算出，即能计算出E Eb b 。2024/7/24HNU-ZLP132024/7/24HNU-ZLP14各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的，各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的，据此可鉴别各种原子和分子，据此可鉴

12、别各种原子和分子，即可进行定性分即可进行定性分析。析。光电子能谱的谱线常以被激发电子所在能级来光电子能谱的谱线常以被激发电子所在能级来表示，如表示，如K K层激发出来的电子称为层激发出来的电子称为1s1s光电子，光电子，L L层激发出来的光电子分别记为层激发出来的光电子分别记为2s,2p1/2,2p3/22s,2p1/2,2p3/2电子等等。电子等等。X X射线光电子能谱的有效探测深度，对于金属射线光电子能谱的有效探测深度，对于金属和金属氧化物是和金属氧化物是0.50.52.5nm,2.5nm,对有机物和聚合对有机物和聚合材料一般是材料一般是4 410nm10nm。2024/7/24HNU-Z

13、LP15二、二、XPSXPS的应用的应用化学分析化学分析元素成份分析：元素成份分析：可测定除氢以外的全部元素，对物质的可测定除氢以外的全部元素，对物质的状态没有选择，样品需要量很少，可少至状态没有选择，样品需要量很少，可少至1010-8-8 g g，而灵敏度可高达，而灵敏度可高达1010-18-18 g g，相对精度，相对精度有有1 1，因此特别适于作痕量元素的分析；，因此特别适于作痕量元素的分析；元素定量分析：元素定量分析：从光电子能谱测得的信号是该物质含量从光电子能谱测得的信号是该物质含量或相应浓度的函数，在谱图上它表示为光电或相应浓度的函数，在谱图上它表示为光电子峰的面积。目前虽有几

14、种子峰的面积。目前虽有几种XPSXPS定量分析的定量分析的模型，但影响定量分析的因素相当复杂。模型，但影响定量分析的因素相当复杂。2024/7/24HNU-ZLP16表面污染分析表面污染分析由于不同元素在由于不同元素在XPSXPS中会有各自的特征光谱，中会有各自的特征光谱，如果表面存在如果表面存在C C、O O或其它污染物质，会在所分或其它污染物质，会在所分析的物质析的物质XPSXPS光谱中显示出来，加上光谱中显示出来，加上XPSXPS表面灵表面灵敏性，就可以对表面清洁程度有个大致的了解；敏性，就可以对表面清洁程度有个大致的了解；下图是下图是ZrZr样品的样品的XPSXPS图谱，可以看出表面

15、存图谱，可以看出表面存在在C C、O O、ArAr等杂质污染。等杂质污染。2024/7/24HNU-ZLP172024/7/24HNU-ZLP18化学位移上的应用化学位移上的应用不同的化学环境会导致核外层电子结合能的不同的化学环境会导致核外层电子结合能的不同不同，这在，这在XPSXPS中表现为谱峰位置的移动，中表现为谱峰位置的移动，通过测量谱峰位置的移动多少及结合半峰宽，通过测量谱峰位置的移动多少及结合半峰宽，可以估计其氧化态及配位原子数；可以估计其氧化态及配位原子数；下图是下图是CuCu的的XPSXPS光电子能谱图，显示了不光电子能谱图，显示了不同氧化态同氧化态CuCu的谱峰精细结构，可以

16、看出，不的谱峰精细结构，可以看出，不同氧化态的铜，其谱峰位置、形状及半峰宽同氧化态的铜，其谱峰位置、形状及半峰宽都有明显的变化。都有明显的变化。2024/7/24HNU-ZLP192024/7/24HNU-ZLP20实例实例1 1：木乃伊所用的颜料：木乃伊所用的颜料XPSXPS分析分析Egyptian Mummy Egyptian Mummy 2nd Century AD2nd Century ADWorld Heritage MuseumWorld Heritage MuseumUniversity of IllinoisUniversity of IllinoisXPS analysis

17、showed XPS analysis showed that the pigment used that the pigment used on the mummy on the mummy wrapping was Pbwrapping was Pb3 3OO4 4 rather than Ferather than Fe2 2OO3 32024/7/24HNU-ZLP214.3 4.3 俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES)AES)2024/7/24HNU-ZLP22电子跃迁过程电子跃迁过程原子的内层电子被击出后，处于激发态的原子原子的内层电子被击出后，处于激发态的原子恢复到基态有两种互相

18、竞争的过程：恢复到基态有两种互相竞争的过程： 1 1）发射）发射X X射线荧光；射线荧光； 2 2）发射俄歇电子；）发射俄歇电子；俄歇电子发射过程：俄歇电子发射过程：原子内层电子空位被较外原子内层电子空位被较外层电子填入时，多余的能量以无辐射弛豫传给层电子填入时，多余的能量以无辐射弛豫传给另一个电子，并使之发射；另一个电子，并使之发射；俄歇电子常用俄歇电子常用X X射线能线来表示，射线能线来表示，如如KLKLL L俄歇俄歇电子表示最初电子表示最初K K能级电子被击出，能级电子被击出，L L能级上的一能级上的一个电子填入个电子填入K K层空位，多余的能量传给层空位，多余的能量传给L L能级上能级

19、上的一个电子并使之发射出来。的一个电子并使之发射出来。俄歇跃迁通常有俄歇跃迁通常有三个能级参与，至少涉及两个能级，三个能级参与，至少涉及两个能级，所以所以第一第一周期的元素不能产生俄歇电子。周期的元素不能产生俄歇电子。2024/7/24HNU-ZLP232024/7/24HNU-ZLP24俄歇电子产额俄歇电子产额俄歇电子和俄歇电子和X X荧光产生几率是互相关联和竞争荧光产生几率是互相关联和竞争的，对于的，对于K K型跃迁：型跃迁：俄歇电子产额随原子序数的变化如图。俄歇电子产额随原子序数的变化如图。对于对于Z Z 1414的元素，采用的元素，采用KLLKLL电子来鉴定；电子来鉴定；对于对于Z Z

20、 1414的元素，采用的元素，采用LMMLMM电子较合适；电子较合适；对于对于Z Z 4242的元素，选用的元素，选用MNNMNN和和MNOMNO电子为佳。电子为佳。2024/7/24HNU-ZLP252024/7/24HNU-ZLP26俄歇电子能量俄歇电子能量俄歇电子的动能可通过俄歇电子的动能可通过X X射线能级来估算，如射线能级来估算，如KLKLL L俄歇电子的能为：俄歇电子的能为：，但这种表示并不严格，因为但这种表示并不严格，因为L L、L L都是指单都是指单电离状态的能量，发生俄歇跃迁后原子的状态是电离状态的能量，发生俄歇跃迁后原子的状态是双重电离的，当双重电离的，当L L电子不

21、在时，电子不在时， L L电子的结合电子的结合能自然要增加。能自然要增加。一般地，对于凝聚态物质，俄歇一般地，对于凝聚态物质，俄歇电子的能量应为：电子的能量应为：2024/7/24HNU-ZLP27俄歇电子的逸出深度俄歇电子的逸出深度： 1 11010俄歇电子峰的宽度俄歇电子峰的宽度：取决于自然宽度和跃迁时所涉及到的取决于自然宽度和跃迁时所涉及到的能级本身的宽度，一般从几个电子伏特到能级本身的宽度，一般从几个电子伏特到1010电子伏特以上。电子伏特以上。2024/7/24HNU-ZLP28AESAES与与XPSXPS的比较的比较性能参数性能参数XPSXPSAESAES鉴别种类与灵敏度鉴别种类

22、与灵敏度强强强强空间分辨率空间分辨率弱弱强强表面无损度表面无损度强强弱弱定量分析定量分析强强弱弱化学位移化学位移强强弱弱分析速度分析速度弱弱强强2024/7/24HNU-ZLP294.4 4.4 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）和原子力显微镜（和原子力显微镜（AFMAFM）2024/7/24HNU-ZLP30一、引言一、引言19811981年，年，BiningBining和和RohrerRohrer发明扫描隧道显微镜发明扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling MicroscopeScanning Tunnelling MicroscopeSTMSTM），），19

23、861986年获诺贝尔奖；年获诺贝尔奖；随后，相继出现了许多与随后，相继出现了许多与STMSTM技术相似的新型扫技术相似的新型扫描探针显微镜，如描探针显微镜，如BinningBinning，QuateQuate和和GerberGerber在在STMSTM的基础上发明了原子力显微镜（的基础上发明了原子力显微镜（AFMAFM）；扫描探针显微镜简称扫描探针显微镜简称SPMSPM，它不采用物镜来成象，它不采用物镜来成象，而是利用尖锐的传感器探针在表面上方扫描来检而是利用尖锐的传感器探针在表面上方扫描来检测样品表面的一些性质；测样品表面的一些性质；2024/7/24HNU-ZLP31不同类型的不同类型的

24、SPMSPM主要是针尖特性及其相主要是针尖特性及其相应应“针尖样品针尖样品”间相互作用的不同间相互作用的不同，包括：包括：扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM)STM)原子力显微镜（原子力显微镜（AFM)AFM)摩擦力显微镜（摩擦力显微镜（LFM)LFM)磁力显微镜（磁力显微镜（MFM)MFM)扫描近场光学显微镜（扫描近场光学显微镜（SNOM)SNOM)弹道电子发射显微镜（弹道电子发射显微镜（BEEM)BEEM)2024/7/24HNU-ZLP32 SPM SPM对样品表面各类微观起伏特别敏对样品表面各类微观起伏特别敏感，感，即具有优异的纵向分辨本领即具有优异的纵向分辨本领，其横其横向分辨

25、率也优于透射电镜及场离子显微向分辨率也优于透射电镜及场离子显微镜镜。各种显微镜的主要性能指标如下表：各种显微镜的主要性能指标如下表：2024/7/24HNU-ZLP33 显微镜显微镜类类型型分辨本领分辨本领工作条件工作条件工作温度工作温度样品样品损伤损伤分析深度分析深度人眼人眼0.2mm0.2mm光学显微光学显微镜镜0.20.2 m mSEMSEM（二次（二次电子）电子）横向：横向：6nm6nm高真空高真空低温、室低温、室温、高温温、高温轻微轻微损伤损伤1 1 m m纵向：较低纵向：较低TEMTEM横向：点横向：点3 35 5 ，线，线1 12 2 高真空高真空低温、室低温、室温、高温温、

26、高温中等中等程度程度损伤损伤1000 1000 ( (样品厚样品厚度）度）纵向：很差纵向：很差FIMFIM横向：横向：2 2 超高真空超高真空3080K3080K严重严重损伤损伤1 1个原子个原子层层STMSTM横向：横向：1 1 空气、溶空气、溶液、真空液、真空低温、室低温、室温、高温温、高温无损无损伤伤1212个原个原子层子层纵向：纵向：0.1 0.1 2024/7/24HNU-ZLP34二、扫描隧道显微镜（二、扫描隧道显微镜（STM)STM)2024/7/24HNU-ZLP35基本原理基本原理STMSTM的理论基础是隧道效应的理论基础是隧道效应。对于一种对于一种“金属绝缘体金属金属绝缘体

27、金属”（MIM)MIM)结构，当绝缘层足够薄时，就结构，当绝缘层足够薄时，就可以发生隧道效应。可以发生隧道效应。隧道电流隧道电流I I是电极是电极距离和所包含的电子态的函数。距离和所包含的电子态的函数。2024/7/24HNU-ZLP36STMSTM就是根据上述原理而设计的。就是根据上述原理而设计的。工作时，首先在被观察样品和针尖之工作时，首先在被观察样品和针尖之间施加一个电压，调整二者之间的距离使间施加一个电压，调整二者之间的距离使之产生隧道电流，隧道电流表征样品表面之产生隧道电流，隧道电流表征样品表面和针尖处原子的电子波重叠程度，在一定和针尖处原子的电子波重叠程度，在一定程度上反映样品表面

28、的高低起伏轮廓。程度上反映样品表面的高低起伏轮廓。2024/7/24HNU-ZLP37STMSTM工作模式工作模式恒电流模式（恒电流模式（CCI)CCI)：当针尖在表面扫描时，当针尖在表面扫描时，反馈电流会调节针尖与表面的高度，使得反馈电流会调节针尖与表面的高度，使得在针尖与样品之间的隧道电流守恒。在针尖与样品之间的隧道电流守恒。它是目前应用最广最重要的一种方式，它是目前应用最广最重要的一种方式，一一般用于样品表面起伏较大时，如进行组织般用于样品表面起伏较大时，如进行组织结构分析时。其缺点在于反馈电路的反应结构分析时。其缺点在于反馈电路的反应时间是一定的，这就限制了扫描速度与数时间是一定的，这

29、就限制了扫描速度与数据采集时间。据采集时间。2024/7/24HNU-ZLP38恒高度模式（恒高度模式（CHICHI）：）：针尖在表面扫描，直针尖在表面扫描，直接探测隧道电流，再将其转化为表面形状接探测隧道电流，再将其转化为表面形状的图象。的图象。它仅适用于表面非常平滑的材料。它仅适用于表面非常平滑的材料。2024/7/24HNU-ZLP39STMSTM应用应用STMSTM的主要功能是在原子级水平上分析表面形的主要功能是在原子级水平上分析表面形貌和电子态貌和电子态，后者包括表面能级性质、表面态密分，后者包括表面能级性质、表面态密分布、表面电荷密度分布和能量分布。布、表面电荷密度分布和能量分布。

30、主要应用领域：主要应用领域：表征催化剂表面结构；表征催化剂表面结构；人工制造亚微米和纳米级表面立体结构；人工制造亚微米和纳米级表面立体结构；研究高聚物；研究高聚物；研究生物学和医学；研究生物学和医学；原位研究电化学电积；原位研究电化学电积；研究碳、石墨等表面结构；研究碳、石墨等表面结构；研究半导体表面、界面效应及电子现象；研究半导体表面、界面效应及电子现象；研究高温超导体；研究高温超导体；研究材料中的新结构和新效应。研究材料中的新结构和新效应。2024/7/24HNU-ZLP40三、原子力显微镜（三、原子力显微镜（AFM)AFM)2024/7/24HNU-ZLP41基本原理基本原理AFMAFM

31、是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离有关的当样品在针尖下面扫描时，同距离有关的“针尖样品针尖样品”相相互作用力（既可能是引力，也可能是排斥力），就会引起微互作用力（既可能是引力，也可能是排斥力），就会引起微悬臂的形变，也就是说，悬臂的形变，也就是说，微悬臂的形变是对微悬臂的形变是对“样品针尖样品针尖”相互作用的直接测量相互作用的直接测量；控制针尖或样品的控制针尖或样品的Z Z轴位置，利用激光束的反射来检测微悬轴位置，利用激光束的反射来检测微悬臂的形变，即使小于臂的形

32、变，即使小于0.01nm0.01nm的微悬臂形变也可检测，只要用的微悬臂形变也可检测，只要用激光束将它反射到光电检测器后，变成了激光束将它反射到光电检测器后，变成了3 310nm10nm的激光点的激光点位移，位移，由此产生一定的电压变化，通过测量检测器电压对应由此产生一定的电压变化，通过测量检测器电压对应样品扫描位置的变化，就可得到样品的表面形貌图象。样品扫描位置的变化，就可得到样品的表面形貌图象。2024/7/24HNU-ZLP422024/7/24HNU-ZLP43AFMAFM操作模式操作模式2024/7/24HNU-ZLP44接触式（接触式（contact mode)contact mo

33、de)：针尖始终同样品接触并在表面滑动，针尖针尖始终同样品接触并在表面滑动，针尖样品间的相互作用力是两者互相接触的原子中样品间的相互作用力是两者互相接触的原子中电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为10108 810101111 N N，AFMAFM中样品表面形貌图象通常是采中样品表面形貌图象通常是采用这种排斥力模式获得的。用这种排斥力模式获得的。接触式通常可产生稳定、高分辨图象接触式通常可产生稳定、高分辨图象，但对，但对于低弹性模量样品，针尖的移动以及针尖表于低弹性模量样品，针尖的移动以及针尖表面间的粘附力有可能使样品产生相当大的变形面间的粘附力有可能使样品

34、产生相当大的变形并对针尖产生较大的损害，从而在图象数据中并对针尖产生较大的损害，从而在图象数据中可能产生假象。可能产生假象。2024/7/24HNU-ZLP45非接触式（非接触式（noncontact mode)noncontact mode)：针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触，针尖探测器检测的是范德瓦耳斯表面接触，针尖探测器检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等，对样品没有破坏的长程吸引力和静电力等，对样品没有破坏的长程作用力；作用力；非接触模式可增加显微镜的灵敏度，但分辨非接触模式可增加显微镜的灵敏度，但分辨率要比接触模式低，率要比接触模式低

35、，且实际操作比较困难。且实际操作比较困难。2024/7/24HNU-ZLP46轻敲式（轻敲式（tapping mode)tapping mode)：它是介于接触式和非接触式之间新发展起来它是介于接触式和非接触式之间新发展起来的成象技术。的成象技术。在扫描过程中微悬臂是振荡的，并具有较大在扫描过程中微悬臂是振荡的，并具有较大的振幅，的振幅，针尖在振荡时间断地与样品接触；针尖在振荡时间断地与样品接触；由于针尖同样品接触，其分辨率通常几乎与由于针尖同样品接触，其分辨率通常几乎与接触式一样好，但因为接触是非常短暂的，剪接触式一样好，但因为接触是非常短暂的，剪切力引起的破坏几乎完全消失。切力引起的破坏几

36、乎完全消失。目前，轻敲模目前，轻敲模式已经应用到液体成象。式已经应用到液体成象。2024/7/24HNU-ZLP47AFMAFM应用应用AFMAFM的主要功能同的主要功能同STMSTM一样。一样。一般而言，一般而言，STMSTM适于研究导体类样品，适于研究导体类样品，而难于研究绝缘样品；而难于研究绝缘样品；由此发展起来的由此发展起来的AFMAFM克服了克服了STMSTM的局限性，的局限性，对导体和非导体样品都适用；对导体和非导体样品都适用；由于工作原理和仪器结构不同，由于工作原理和仪器结构不同，AFMAFM分辨本分辨本领要略低于领要略低于STMSTM，且灵敏度和稳定性均不如，且灵敏度和稳定

37、性均不如STMSTM。2024/7/24HNU-ZLP48Visco-elasticityFriction ForceAdhesive ForceGlass trans.PhaseHardnessPolymer characterization Polymer characterization in nanoin nano- -scale levelscale levelVE-AFM/DFMFFM/LM-FFMPMAdhesionMaterial Characterization using SPM2024/7/24HNU-ZLP49Biology and Biomaterials Appli

38、cations for Contact Lens Manufacturing Applications for the Biological Sciences Direct Measurement of single Immunocomplex Formation High Resolution Imaging of Biological Samples by SPM Materials Science Electrical Testing Application Modules for Nano Scope Surface Potential Imaging and Surface Elec

39、tric Modification Studies of Metallic Surfaces and Microstructures Engineering Low Scatter Thin Film Optics Electrochemical Applications Nanoindentation, Scratching and Wear TestingApplications of AFM2024/7/24HNU-ZLP50Polymers high-resolution profiling of surface morphology, nanostructure, and molec

40、ular orderstudies of local materials propertiescompositional mapping of heterogeneous samples probing of sub-surface sample structureSemiconductors Atomic Force Profilometry for Characterzation of Chemical Mechanical Planarization Scanning Capacitance Microscopy for Carrier Profiling in Semiconducto

41、rs Atomic Force Microscopy Measurements in Support of Chemical Mechanical Polishing (CMP) IC Failure Analysis and Defect Inspection with SPM Data Storage Magnetic Force Microscopy: High-Resolution Imaging for Data Storage Applications of Atomic Force Microscopy in Optical Disc Technology 2024/7/24HN

42、U-ZLP51Phase Separation Structure ABS resin PC/AES alloy PC/ABS alloy ABS/PVC alloy etcLamella Structure LD-, MD-, HD- Polyethylene Linear LD Polyethylene UH Molecular Weight PE Polypropylene etcNext Generation Conducting Polymer Organic EL Biodegradable Polymer etcThermoplastic Elastomer Styrene Bu

43、tadiene- Polyester- Polyvinyl Chloride- etcSPM Application in Polymer Material2024/7/24HNU-ZLP52Studies of Polymer Surfaces with AFM研究内容：高分子形态、纳米结构、研究内容：高分子形态、纳米结构、链堆砌和构象等链堆砌和构象等手段：手段：Contact Mode AFMLFMTapping Mode2024/7/24HNU-ZLP53high-resolution profiling of surface morphology, nanostructure, an

44、d molecular orderstudies of local materials propertiescompositional mapping of heterogeneous samples probing of sub-surface sample structure2024/7/24HNU-ZLP54【Purpose】 Distribution of the characteristics change in the polymer surface can be observed. 【Principle】Detecting the phase change in DFM meas

45、urement【Advantage】Simultaneous imaging with DFMSame advantage as DFM for the soft or charged surface. (which is difficult to apply LM-FFM or VE-AFM)Topography（）PM image（）Material CharacterizationDFMPM （（Phase mode））measurementObserved image of theheat shrinkage rubber（resin/silicon rubber）resinsil

46、iconrubber2024/7/24HNU-ZLP55StructureStructureFunctionFunctionHeating/Cooling Heating/Cooling Structure and Function of PolymerMorphology observation with SPM Observation in the heating process with the airSurface and Interface InformationObservation in the inert gasDifficult sample for TEM（（Rubber

47、/Rubber blend））2024/7/24HNU-ZLP56100 nm100 nmTopographyPM imagePP （（matrix））EPRData No. Lamella structure of PolypropylenePhase（（PM：：Phase Mode））measurement Structure and Function of Polymer Lamella structure can be observed clearly with PM mode.Domain of Ethylene Propylene Rubber (EPR) is dis

48、tributed in the Polypropylene (PP) matrix.2024/7/24HNU-ZLP57Data No. Micro Phase Separation Structure of SBS (Phase Mode)Phase（（PM：：Phase Mode））measurement Structure and Function of Polymer 200 nmR.T.200 nm90200 nmR.T. after coolingPolystyrene phase (hard segment) and Polybutadiene phase (soft se

49、gment) is clearly separatedThe initial data indicates non-equilibrium condition, because it disappears once it is heated.2024/7/24HNU-ZLP58Studies of Polymer Surfaces with AFMnanostructure of a microporous isotactic polypropylene membrane height image: surface topographyamplitude (error) image: lame

50、llar and fibrillar features 2024/7/24HNU-ZLP59Studies of Polymer Surfaces with AFMTeflon resin, deposited on a substrate by rubbing at temperatures of about 200C2024/7/24HNU-ZLP602024/7/24HNU-ZLP61Tapping Mode AFMtimecantilevervibrationamplitudesetpoint 1D Dt1free airamplitudesetpoint 2D Dt2DxDx At

51、setpoint 1, the AFM is operating close to the free vibration amplitude very little energy is dissipated to the sample surface At setpoint 2, the AFM is operating further away from Ao. The amplitude builds up more rapidly, but more energy is transferred to the surface. 2024/7/24HNU-ZLP62All scans are

52、 2m x 1mLightTappingHardTappingHeight Image Phase Imagepoly(styrene)-b-poly(butadiene)-b-poly(styrene) triblock copolymer filmNear Surface StructureStiffer PS blocksButadiene-rich topmost layer2024/7/24HNU-ZLP632024/7/24HNU-ZLP642024/7/24HNU-ZLP65Microwear on PEEK by AFM2024/7/24HNU-ZLP66Red blood corpuscleDFM mode (8m x 8 m)DNADFM mode (500nm x 500nm)Imaging of biological samplesLiving ChromosomeDFM mode (16 m x 16 m)

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第四章_表面分析方法

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