光电纳米薄膜的表征课件.pptx
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1、第三章光电纳米薄膜的表征,第三章光电纳米薄膜的表征,引言,结构表征,成分表征,电子结构和原子态的表征,引言结构表征成分表征电子结构和原子态的表征,结构表征,低能电子衍射(LEED),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),扫描隧道显微镜(STM),原子力隧道显微镜(AFM),结构表征低能电子衍射(LEED)扫描电子显微镜(SEM)透射,成分表征,X射线光电子能谱(XPS),俄歇电子能谱学(AES),俄歇电子出现电势谱学(APS),成分表征X射线光电子能谱(XPS)俄歇电子能谱学(AES)俄,成分表征,紫外光电子能谱学,拉曼散射谱,角分解光电子能谱,成分表征紫外光电子能谱学拉曼散射谱
2、角分解光电子能谱,入射粒子与固体表面的相互作用,弹性散射(入射粒子速度远远小于材料内部电子轨道运动速度),非弹性散射(入射粒子速度大于材料内部电子轨道运动速度),在能力为1010000eV的入射电子作用下,材料中被激发出的次级电子逸出深度约为0.33nm。,入射粒子与固体表面的相互作用弹性散射(入射粒子速度远远小于材,原子结构表征,原子结构表征,低能电子衍射,如今,LEED成为表面实验研究的标准手段。,70年代开始,对表面结构进行研究。,50年代,人们开始研究气体在单晶表面的吸附现象。,30年代后,人们开始了低能电子衍射方面的研究,1921年 Davisson 和Germer研究了电子束在单晶
3、表面的散射现象。,低能电子衍射如今,LEED成为表面实验研究的标准手段。70年,低能电子衍射,衍射产生条件其中,为入射的X射线波长,d为相应晶体学面的面间距,为入射X射线与相应晶面的夹角,如图所示,而n为任意自然数。,低能电子衍射衍射产生条件,对电子而言,电子束波长与速度满足一下关系,其中h为普朗克常数(6.626X10-34Js),m是电子质量(m=9.109X10-31kg),当电子被电势差V加速,其速度为,其中e是电子电量(e=1.602X10-19C),对电子而言,电子束波长与速度满足一下关系其中h为普朗克常,对电子而言,电子束波长与速度满足一下关系,其中h为普朗克常数(6.626X1
4、0-34Js),m是电子质量(m=9.109X10-31kg),当电子被电势差V加速,其速度为,对电子而言,电子束波长与速度满足一下关系其中h为普朗克常,由此得出电子波长与电势之间的关系,带入数值,的单位为nm,V的单位是V,由此得出电子波长与电势之间的关系带入数值的单位为nm,V的,V=1V,波长约为1.2nm,V=100V,波长约为0.12nm,V=10kV,波长约为0.012nm,低能电子(201000eV)的 波长 与 无机晶体晶格常数接近,V=1V,波长约为1.2nmV=100V,波长约为0.12n,晶体衍射的消光条件和重叠条件,晶体衍射的消光条件和重叠条件,低能电子衍射的基本装置,
5、低能电子衍射的基本装置,光电纳米薄膜的表征课件,二维晶格的衍射图像与倒易晶格,二维晶格的衍射图像实际上是它的二维倒格点在荧光屏上的投影。,基矢正交性 正点阵基矢为 倒易点阵基矢为 则,二维晶格的衍射图像与倒易晶格二维晶格的衍射图像实际上是它的二,由得到下面四个方程式,解法之一,由解法之一yxCDAB,由式(1)得:由式(2)得:即 解得,由式(3)得:代入式(4)得:于是得出倒易点阵基矢,由式(1)得:由式(3)得:,选取 为 方向得单位矢量,即令于是初基晶胞体积 为倒易点阵基矢为,解法之二,选取 为 方向得单位矢量,即令解法之二,对二维点阵,仅取 两个方向,于是得,对二维点阵,仅取 两个方向
6、,于是得,埃瓦尔德(Ewald)球,埃瓦尔德(Ewald)球,无论垂直还是倾斜入射,投影点间的距离基本不变,光电纳米薄膜的表征课件,当入射电子能量改变时,电子波长发生变化,LEED图案随之变化。当电子能量变化时,(00)位置是不变的,这个规律可以用来判断那个斑一点是(00)点,并且可以判断原电子束是否垂直入射。,当入射电子能量改变时,电子波长发生变化,LEED图案随之变化,透射电子显微镜,透射电子显微镜的工作方式是使被加速的电子束穿过厚度很薄的样品,并在这一过程中与样品中的原子点阵发生相互作用,从而产生各种形式的有关薄膜结构和成分的信息。透射电子显微镜的基本工作模式有两种:影像模式和衍射模式。
7、两种工作模式之间的转换主要依靠改变物镜光栅及透镜系统电流或成像平面位置来进行。优点:放大倍数高(5X105倍)分辨率高(0.1nm),透射电子显微镜透射电子显微镜的工作方式是使被加速的电子束穿过,放大的三种工作状态,放大倍数物镜:几十到100倍中间镜:几到20倍投影经I(目镜):放大300倍,光由于其波动特性会发生衍射,因而光束不能无限聚焦,放大的三种工作状态放大倍数光由于其波动特性会发生衍射,因而光,光电纳米薄膜的表征课件,TEM电子衍射,TEM电子衍射,右图为电子衍射的几何关系图,当电子束I0照射到试样晶面间距为d的晶面组(hkl),在满足布拉格条件时,将产生衍射。透射束和衍射束在相机底版
8、相交得到透射斑点Q和衍射斑点P,它们的距离为R。由图可知:,右图为电子衍射的几何关系图,当电子束I0照射到试样晶面间距,K为相机常数。如果K值已知,即可由衍射斑点的R值计算出晶面组d值:,K为相机常数。如果K值已知,即可由衍射斑点的R值计算出晶面,TEM电子衍射,采用TEM可以清晰分辨单壁,双壁和多壁碳纳米管,TEM电子衍射采用TEM可以清晰分辨单壁,双壁和多壁碳纳米管,扫描电子显微镜,工作原理:由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加速下获得一定的能量。其后,加速后的电子将进入由两组同轴磁场构成的透镜组,并被聚焦成直径只有5nm左右的电子束。装置在透镜下面的磁场扫描线圈对这束电子施加了一个
9、总在不断变化的偏转力,从而使它按一定的规律扫描被观察的样品表面的特定区域上。,优点:优点:提供清晰直观的形貌图像,分辨率高,观察景深长,可以采用不同的图像信息形式,可以给出定量或半定量的表面成分分析结果等。,样品要求:具有导电性,通过喷金或炭来实现,扫描电子显微镜工作原理:由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜,采用TEM对纳米纤维观察,扫描电子显微镜采用TEM对纳米纤维观察,扫描隧道显微镜,特点:分辨率高,横向0.1nm,纵向 0.01nm;不一定要求真空;样品需要有一定的导电性;对减震要求高;横向尺寸可能存在放大
10、假像(扫描探针曲率半径不),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,因而可获得原子级的高分辨率。,扫描隧道显微镜特点:任何借助透镜来对光或其它,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜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,这种现像即是隧道效应 隧道电流I是电子波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离S和
11、平均功函数有关,扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道,光电纳米薄膜的表征课件,不仅对碳纳米管结构进行原子级成像,还进行电子态密度的测量,不仅对碳纳米管结构进行原子级成像,还进行电子态密度的测量,共用两种工作模式:恒定电流和恒定高度,共用两种工作模式:恒定电流和恒定高度,恒定电流模式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S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样品表面的起伏,,恒定电流模式,恒定高度模式对于起伏不大的样品表面,可以
12、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。这种扫描方式的特点是扫描速度快,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。,恒定高度模式,扫描隧道显微镜的发展1981-1990年,STM得到迅速发展出现了,原子力显微镜(AFM),磁力显微镜(MFM),静电力显微镜(EFM),扫描近场光学显微镜(SNOM),摩擦力显微镜(FFM)等。SNOM突破了普通光学显微镜的衍射极限(200nm),分辨率提高到50nm,扫描隧道显微镜的发展,STM的优点:1)结构简单对实验环境要求低2)分辨率高,水平和垂直分辨率分别可达0.1和0.01纳米3)在观测
13、材料表面形貌的同时还可以研究材料表面的化学性质和电子结构,光电纳米薄膜的表征课件,原子力显微镜,工作原理: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(10-810-6N),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。,原子力显微镜工作原理:将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,,相对于SEM,AFM具有优点:1)可以给出正在的
14、三维表面2)不需对样品进行特殊处理3)可以在常压甚至液态环境下都可以工作良好缺点:1)成像范围太小,速度慢,受探头影响太大2)要求样品表面平整,相对于SEM,AFM具有,原子力显微镜,AFM可以方便给出碳纳米管长度和直径分布信息,原子力显微镜AFM可以方便给出碳纳米管长度和直径分布信息,原子力显微镜,对碳纳米管力学性能测试,原子力显微镜对碳纳米管力学性能测试,工作模式:1)接触式(排斥力10-1210-9N)优点:横向分辨率高缺点:容易损伤样品2)非接触式(距离520nm)优点:不损伤样品缺点:横向分辨率低 3)轻敲式(探针振动振幅大于20nm),工作模式:,薄膜成分表征,薄膜成分表征,X射线
15、光电子能谱(XPS),不仅电子可以被用来激发原子的内层电子,能量足够高的光子也可以作为激发源,通过光电效应产生出具有一定能量的光电子。X射线光电子能谱仪就是利用能量较低的X射线源作为激发源,通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子,实现分析样品化学成分目的的一种分析仪器。在X射线光电子能谱仪的情况下,被激发出来的电子应该具有能量其中v为入射X射线的频率,EB是被激发出来的电子原来的能级能量。在入射X射线波长固定的情况下,测量激发出来的光电子的能量E,就可以获得样品中元素含量和其分布的情况。,X射线光电子能谱(XPS)不仅电子可以被用来激发原子的内层电,XPS实验系统,晶体色散器,样品室,X射线
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- 关 键 词:
- 光电 纳米 薄膜 表征 课件
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