现代化学研究方法和技术—电镜技术

现代化学研究方法和技术—电镜技术 乔正平副教授（4学时） Email: cesqzp@zsu.edu.cn 第一节： 引言 人的眼睛不能直接观察到比 0.1mm 更小的物体或物质的结构细节，借助光学显微镜， 可以看到像细菌、细胞那样小的物体．但是出于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨极 限只能达到光波的半波长左右．可见光的最短波长约为 0.4µm，所以光学显微镜的极限分辨 本领是 0.2µm．为了观察更微小的物体，必须利用波长更短的波作为光源． 1924 年，德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的假设，后来这种假设得到了实验 证实．此后物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，研制成 功了电子透镜，在此基础上于 1933年发明了电子显微镜． 入射电子与样品作用示意图 电镜分辨本领表征着电镜观察物质微观细节的能力，它是标志电镜水平的首要指标．也 是电镜性能的上要综合性指标．近代高分辨透射电镜的点分辨率可达 0.3nm，线分辨率可达 0.144nm。 入射电子 特征X射线 背散射电子 二次电子 俄歇电子 正离子 反射信号 阴极发光 小角度弹性散射 非弹性散射 未散射电子 大角度 弹性散射 非弹性 散射 透射电子 入射电子扩散区 样品 电镜的镜筒内部要求处于高真空，因为(1)在电镜中灯丝到荧光屏的距离约为 1m，为了 使电子的平均自由程大于这个距离，就要减少电子与气体分于的碰撞，因此需要 1．33× 10-2Pa 的真空度；(2)电子枪中的高压需要处于高真空中，以免引起放电；(3)高真空可以延 长电了枪中灯丝的寿命。(4)试样处于高真空中可以减少污染。普通透射电镜的真空度要求 达到 1.33×10-2 —1.33×10-3Pa，加速电压高的电镜的电子枪需要更高的真空，在高分辨电 镜的试样附近，真空度需优于 1.33×10-4—1.33×10-5Pa． 表：各种电镜与光学显微镜参数比较表 发明电镜的 E.Ruska，与发明 STM的 G.Binnig 和 G. Rohrer，共同获得 1986年诺贝尔 物理奖。目前，生产电镜的主要厂家有日本 JEOL，日立，荷兰飞利蒲，欧洲 LEO(由 Leica， Zeiss，Opton，Cambridge的光学仪器部门合并而成)，美国 Amray等，生产电子探针的厂家 有 JEOL，岛津，法国 Cameca.国内生产电镜的厂家有中科院北京科仪研制中心，上海电子 光学技术研究所，江南电子光学仪器厂。电镜的研制生产涉及众多的学科和工业部门，反映 一个国家的综合科技水平和工业实力，故世界上能够生产电镜的只是少数几个技术先进国 家。 制样技术: 在用电镜观察物质时，首先必须明确观察的目的。如果随便拿一种东西来， 就说“我想拍一张电镜照片”，观察的目的很不明确，这就不能确定应当采用什么样的制样 方法。例如，即使是粉末试样有的要看颗粒的形状，有的要看粉末的聚集状态，还有的想了 解粒度分布，有的想测定晶体结构，还有的想观察品格象。观察目的不同，制样方法和观察 倍数也不一样。 电镜所能观察的只限于固体(不能观察气体和液体)。所谓固体，从宏观分类上来说，就 是指金属、木材、纤维、高分子、生物体等。此外，只在液体中存在的细菌、病毒、无定形 的粘土、凝胶、牛奶、奶油等胶体粒子，也是观察的对象。还可以按晶体和非晶体、生物和 非生物划分。观察的目的也是多种多样的，而多种制样技术，可以把不仅形状，而且质地也 完全不同的多种物质的共同性质，用电镜照相表现出来。 从宏观上看，不同物质的性质是千差万别的，而从微观上来看，又有很多共同的东西。 众所周知，从分子和原子的尺度，就可以进行这种共同性的分析。当然，微观尺度也不一定 十分准确，但是毕竟总存在某些共同点。举一个最常见的例子，把一个物体放在手掌上，然 种类 性能 光学显微镜 OLM 透射电镜 TEM 扫描电镜 SEM 扫描隧道显微 镜 STM 分辨本领(nm) 200 0.2 3.5(1.5) X，Y：0.1 Z：0.01 放大倍数 2千倍 100万倍 20万倍 数千万倍 视野 中 小 大 小 样品尺寸 厚度微米级， 宽度毫米级 厚度小于 1 微米 厘米级 仅受样品台限 制 样品环境 空气 高真空 高真空 各种条件 主要成像及成 分分析信号 透射,反射,衍 射光 透射,衍射, 能量损失 电子 二次,背散射电子, 特征 X射线 隧道电流 图像处理 通过摄象机 通过摄象 机 联机 联机 仪器价格 抵 高 高 中 后把手掌翻过去，物体便会下落，但是微米级的微粒子就不下落。因为尺寸达到微米级时起 决定作用的将是表面能，而不是质量。另外，复型膜或火棉胶支持膜等 100埃级的薄膜，即 使没有粘结剂也能很好地贴在试样支承网上，这也可以用表面能来解释。在微米数量级范围 内，液体表面的表面能也具有很大的作用。例如在进行生物切片时，把刀子的一面用酒精润 湿，就可以避免因切片和刀子间的摩擦力所引起的破坏。在电镜的制样技术中，最大限度。 地利用了这种所谓的“微观力学”的性质。 粉末分散法：粉末用超声波分散到分散剂中。 撒落法：象碳黑那样完全不受水润湿的粉末，可以利用火棉胶膜的活性加以分散。顾名思义， 撒落法就是把粉末撒在支持膜上，仅仅靠两者的表面活性附着在一起，一般说来是用脱脂棉 做成一个细圆捻粘上粉末轻轻地往支持膜上擦。用力大小是很难掌握的，因此，用镊子夹一 个小玻璃片，把粉末试样压到支持膜一侧，然后再转几下，就会分散得比较均匀。再用吹气 管把大颗粒吹掉，这是小颗粒和大颗粒混合的试样，大颗粒一股容易吹掉，所以用此法不能 求粒度分布。 金属薄膜制取法：减薄 电镜观察用的薄膜，制作顺序如下： (1)从块状试样上切取板材(1毫米)； (2)机械减薄(80微米)； (3)化学减薄(30微米)； (4)电解减薄(0．1微米)。 喷镀:几乎所有的非导体样品在扫描电镜中观察或在电子探针中分析成分时都需要喷镀金属 导电层。这种喷镀是必须的，主要是为了消除或减少当高能电子扫描非导体样品时产生的充 电现象。有喷镀层存在的非导电样品，在最佳仪器参数下观察，其结果，象的畸变、热损伤 和辐射损伤却显著的低。 第二节： 透射电镜与高分辨透射电镜 (Transmission Electron Microscopy - TEM) & (High-Resolution TEM - HRTEM) 一．透射电镜(TEM)的原理 电子束在透镜中的行为，服从几何光学，故可以用几何光学作光路图的方法画出电子显 微镜的光路图. 光路几何作图的三个原则: (1) 所有平行于主光轴的射线，经过透镜后都会聚于透镜的后焦点. (2) 所有通过透镜中心的射线，都将保持原来方向而不发生折射. (3) 所有通过透镜前焦点的射线,经过透镜后都平行于主光轴. 电子显微镜(a)与光学显微镜(b)的光路图比较 二．透射电镜分类 透射电子显微镜(TEM),根据电子枪加速电压可分为： 1) 常规电镜 加速电压：20∼100(125kV)。 2) 中高压电镜 200 ∼ 400kV. 穿透力 200kV时为 100kV的 1.6倍。 3) 超高压电镜 500~3000kV. 分辨率无明显改进,主要优点： a. 电子束穿透力强, 可观察数微米甚至十几微米厚的样品。 b. 减小了样品本身引入的色差，较易在厚样品上获得高分辨率。 c. 衍射束与光轴之间夹角很小，能提高选区衍射像的清晰度及改善暗场像的质量 d. 减小幅射损伤. 从 100kV提高到 1000kV，幅射损伤可减小 3倍。 e. 可加装环境室. 在保持空气、水分条件下，观察生物活体和化学样品的氧化、化合、 腐蚀等过程。 缺点：结构复杂，体积庞大，价格昂贵。 三．透射电镜应用实例 1．激光剥蚀法（ Laser Ablation Method）机理支持。 (ref: Science Vol. 279 1998 208-211) 光 源 聚光镜 样 品 物镜像平面 物 镜 投影镜(目镜) 荧光屏 2. 无机-有机复合材料的形貌分析。 TEM images of Au@Air@PBzMA particles (J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2384-2385) 3. 纳米带的观察 (Ref: Science 2001; 291: 1947-1949.) TEM and HRTEM images of ZnO nanobelts showing their geometrical shape. (A to C) TEM images of several straight and twisted ZnO nanobelts, displaying the shape characteristics of the belts. (D) Cross-sectional TEM image of a ZnO nanobelt, showing a rectanglelike cross section with width-to-thickness ratio of ~9. The cross-sectional TEM specimen was prepared by slicing nanobelts embedded in epoxy with an ultramicrotone. (E) TEM image of a nanobelt growing along [01 0], showing only one stacking fault present in the nanobelt; this type of nanobelt is the only one that has a defect. The inset shows the electron diffraction pattern. (F) HRTEM image from box 1 in (E), showing a clean and structurally perfect surface (the amorphous contrast seen above the surface is from the amorphous carbon film used to support the nanobelt for TEM imaging). (G) HRTEM image from box 2 in (E), showing the stacking fault. 4. 晶格缺陷的观察. (Ref: Science Vol 281 ,1998, 969-971)) HRTEM image of three attached TiO2 particles. Arrowheads mark interfaces betweenprimary particles. The edge dislocation at the upper interface is reproduced below, with lattice fringes around the terminating plane (arrowhead) highlighted for clarity. Diagram illustrating the three particles. Initially, the two lower particles join, but a small rotation is introduced by surface steps on the particle to the left. A third particle (top) is attached in an oriented way to the crystal on the left, but a rotational misorientation occurs between it and the lower particle on the right. This idealized case illustrates the formation of edge dislocations (dislocation line normal to the page) and screw dislocations (dislocation line horizontal). HRTEM image (recorded down [100] anatase) of a portion of a crystal formed by attachment of at least four primary particles. Arrowheads and lines (spaced 0.48 nm apart) indicate four edge dislocations (best seen if viewed at a low angle). The left and right sides of particle 4, which rests on the other crystals, are apparent. Block diagrams illustrating simultaneous growth at two adjacent screw dislocations formed by imperfect oriented attachment involving three crystals (labeled 1, 2, and 3). Two crystals that differ in composition or orientation or both are joined at the right-hand interface. The screw to the left sweeps around, growing over the step that is two unit cells high at the right-hand interface (A). The result is a regular interstratification of the two materials (B). 第三节：扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscopy - SEM) 一．扫描电镜原理 扫描电镜所能显示各种图象的依据是电子与物质的相互作用．当高能入射电子束轰击样品表 面时，由于入射电子束与样品间的相互作用，将有 99％以上的入射电子能量转变成样品热 能．约 1％的入射电子能量，将从样品中激发出各种有用的信息，包括二次电子、透射电子、 俄歇电子、x射线等．不同的信息。反映样品本身不同的物理、化学性质．扫描电镜的功能 就是根据不同信息产生的机理。采用不同的信息检测器，以实现选择检测．扫描电镜的图象， 不仅仅是样品的形貌象，还有反映元素分布的 x射线象，反映 PN结性能的感应电动势象等 等，这一点与—般光学显微镜和透射电镜有很大不同． 扫描电镜的成象过程与电视显象过程有很多相似之处．而与透射电镜的成象原理完全不 同．透射电镜是利用成象电磁透镜成象，并一次成象；而扫描电镜的成象则不需要成象透镜。 其图象是按一定时间空间顺序逐点形成，并在镜体外显象管上显示．二次电子象是用扫描电 镜所获得的各种图象中应用最广泛、分辨本领最高的—种图象．这里所说的二次电子是指入 射电子束从样品表层(约 10nm）激发出来的低能电子(50eV以下)．实际工作中，根据能量上 的差别，将二次电子与高能背景散射电子分离开．再利用二次电子检测器来实现二次电子的 检测和放大．扫描电镜二次电子象的分辨本领一般为 6-10nm(如采用场发射电子枪可达 3nm 或更高)．当谈到分辨本领时，往往还要提到景深 f 即在样品深度方向可能观察的程度．扫 描电镜观察样品的景深最大，而透射电镜虽也具有较大景深，但实际上无论如何也不会超过 样品厚度． 扫描电镜工作时，整个镜体要在高真空状态，即从电子枪到样品室的整个电子束通路要 维持在 1．33×10-3Pa或更高的真空度．对于扫描电镜，限制和影响其分辨本领的因素较多， 如入射电子束斑直径、样品对电子的散射作用、信噪比等．这些因素使得扫描电镜的分辨本 领逊色于透射电镜数十倍． 自 1965华第一台商品扫描电镜问世以来，扫描电镜得到了迅速的发展．与透射电镜相 比它具有如下一些特点： (1)仪器分辨本领：通过二次电于象能够观察试样表面 6nm左右的细节． (2)仪器放大倍数变化范围大(一般为 10-150000）且能连续可调 (3)观察试样的景深大，图象富有立体感． (4)样品制备简单． (5)可以通过电子学方法方便有效地控制和改善图象的质量(反差和亮度)． (6)可进行综合分析，安装许多专用附件即可实现一机多用，从而具有透射电镜(TEM)、 电子探针 x射线显微分析仪(EPMA)和电子衍射仪(ED)等功能． 二．扫描电镜分类 常规 SEM，分辨率: ~3.5nm；场发射 SEM: ~1.5nm； 环境 SEM：~4.5nm. 目前多数 SEM配备 EDS. 三．应用实例 1．管状物的观察：(ref：Adv. Mater., 2003, 15, 353-387) 同一样品 A: SEM 照片；B：TEM照片(插图为 HRTEM照片) 2. 二维纳米线数束的观察： A: 二维纳米线数束示意图 B：真实样品的 SEM 照片 (ref：Adv. Mater., 2003, 15, 353-387) (ref：Adv. Mater., 2003, 15, 464-466) 3. 纳米带的观察 (ref：Adv. Mater., 2003, 15, 402-405) 第四节：扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope -STM) 一．扫描隧道显微镜原理 扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应．将原子线度的极细探 针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于 1nm)，在 外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极． 利用直径为原子尺度的针尖在样品表面扫描, 在针尖与样品表面加一电压(2mV~2V)，由量 子隧道效应产生隧道电流，隧道电流可表示为: I ∝ exp(-2kd) d为针尖与样品间的距离，k为衰减系数, 与针尖材料功函数 φ 有关。 因此，I 与 d 成指数函数关系, d 每增减 0.1nm， I 变化一个数量级，故样品表面即使只 有一个原子的起伏，都可以通过 I 的变化测出来。 将 I 随针尖在样品表面 X、Y方向移 动时的变化输入计算机作图，便可得到表征样品表面原子排列和原子形态的图像。 隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离减小 0.1nm，隧道电流 I将 增加一个数量级．因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针 尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起 伏．将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品 表面态密度的分布或原子排列的图象．这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品， 且可通过加在 Z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模 式．对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可 得到表面态密度的分布．这种扫描方式的持点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号 的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于 1nm的样品。 如前所述，STM 仪器本身具有的诸多优点，使它在研究物质表面结构、生物样品及微 电子技术等领域中成为很有效的实验工具．例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或 DNA 分子；材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个 原子的电路图等，都可利用 STM 仪器．在 STM 问世之前，这些微观世界还只能用一些烦 琐的、往往是破坏性的方法来进行观测．而 STM则是对样品表面进行无损探测，避免了使 样品发生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用．另外，任何借助透镜来对光或其它 辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象．由于光的衍射，尺 寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊．而 STM则能够轻而易举地克服这种限制， 因而可获得原于级的高分辨率． 扫描隧道显微镜由 IBM 公司苏黎世实验室的 Gerd .Binnig 和 Heinrich .Rohrer 博士于 1982年设计发明。 其优点是: 1) 分辨率高。横向(X,Y)分辨率为 0.1~0.2nm，深度(Z)分辨率 0.01nm。 2) 没有高能电子束对样品的损伤，不破坏样品。 3) 样品可以在高真空、超高真空、空气、液体中观察表面结构,因此有可能以原子分 辨率水平观察生物活体。 4) 制样简单，观察原子像、分子像比 TEM容易。 5) 仪器小巧，价格比电镜低。 尽管 STM有着 EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点、但由仪器本身的工作方式所 造成的局限性也是显而易见的．这主要表现在以下两个方面； 1.在 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．图 1—3摘自对铂超细粉末的一个研究实例．它形象地显示了 STM 在这种探测方式上的缺陷．铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所遮盖，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．在观测超纫金属微粒扩散时，这 —点显得尤为重要． 2．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．如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和 均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率．宾尼等人 1986 年研制成功的 AFM 可以 弥补 STM这方面的不足． 二．在 STM基础上发展起来的新型显微镜-原子力显微镜(Atomic Force Microscope – AFM 在 STM出现以后，又陆续发展了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜 (AFM)、激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子 电导显微镜(SICM)、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪(STP＞等等—这些新型的显微镜，都 利用了反馈回路控制探针在距样品表面 1nm 处或远离样品表面扫描(或样品相对于探针扫 描）的工作方式，用来获得 STM 不能获得的有关表面的各种信息．它们对 STM 的功能有 所补充和扩展．本章简要介绍 AFM 在 STM 基础上发展起来的新型显微镜的基本原理和— 些初步的应用实例． 由 STM的工作原理可知，STM工作时要监测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它 只能直接观察导体和半导体的表面结构．但许多研究对象是不导电的，对于非导电材料，必 须在其表面覆盖一层导电膜．导电膜的存在往往掩盖了表面的结构细节．即使对于导电样品， STM观察到是对应于表面费米能级处的态密度，当表面存在非单—电子态时，STM得到的 并不是真实的表面形貌，而是表面形貌和表面电子性质的综合结果．为了弥补 STM的这一 不足，1986年发明了第一台原子力显微镜(AFM)．AFM得到的是对应于表面总电子密度的 形貌，因而对于导电样品，AFM结果也是对 STM数据所提供信息的一种补充。 1986 年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明了 AFM。这种新型的表面分析仪器是靠探 测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察表面结构的。它不仅可以观察导体和半 导体的表面形貌，而且可以观察非导体的表面形貌，弥补了 STM只能直接观察导体和半导 体之不足。由于许多实用的材料或感光的样品是不导电的，因此 AFM的出现也引起了科学 界的普遍重视。当时宾尼研制的第一台 AFM的横向分辨率仅为 30A，1987年斯坦福大学的 Quate 等人报道他们的 AFM 达到了原子级分辨率。中国科学院化学所研制的隧道电流法检 测、微悬臂运动的 AFM 于 1988 年底首次达到原子级分辨率。运用该仪器对金红石、有机 铁磁体、非线性光学材料的表面结构进行了研究，均获得了较好的结果。 AFM 的工作原理示于图．将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小 的针尖，针尖与样品表面轻轻接触．由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥 力(10-8一 10-6N)．通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品 表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动．利用光学检测法或隧道电 流检测法．可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息． 三．应用实例： 1．薄膜检测 (ref：Adv. Mater., 2003,15,802-804) A. AFM 图象 B:软件处理后薄膜表面形貌图示 2. 制备过程解析 (ref：Nano Letters, 3 (8), 1043 -1047, 2003) Metallic nanostructures via static plowing lithography: a degreased Ge(111) substrate (a) is coated with a thin polymer resist layer (b), which is subsequently plowed away by utilizing the tip of an atomic force microscope (c). Immersion of the substrate into a dilute, aqueous HAuCl4 solution for a brief time provides for the deposition of discrete nanoparticles onto the exposed Ge(111) surface via galvanic displacement (d). As deposition proceeds with longer immersion times, grain growth and nanoparticle coalescence eventually yield continuous metallic structures (d), which continue to increase in size with extended periods of electroless plating (f). Once the desired features are realized, the resist is completely removed with a solvent rinse. The inset represents a simplified schematic of the galvanic displacement deposition mechanism. Intermittent contact (tapping) mode atomic force micrographs illustrating a resist furrow produced by static plowing (a) and the gold nanostructures (b) on Ge(111) resulting from increasing immersion times in 25 M HAuCl4(aq) at 25 C following resist removal. 3．“观察”分子量 (ref：J. Am. Chem. Soc. Vol. 125, 2003, 6722-6728) Individual molecules of polymer B were clearly resolved by tapping mode AFM. The higher resolution image (a) demonstrates details of the molecular conformation including crossing molecules indicated by arrows. The larger scale image (b) demonstrates the uniform coverage of the substrate. The molecular length distribution (eq 4) was measured by AFM for an ensemble of 3060 molecules.