当前位置:首页 >> 化学 >>

第六章薄膜材料的表征方法


第六章 薄膜材料的 表征方法

薄膜厚度的测量
薄膜厚度的测量,根据薄膜的不同,其测量方法也是多种多样。多数方法

只能在薄膜制备完成后使用,只有少数的方法属于实时的测量技术。
1、薄膜厚度的光学测量方法 薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方法。这是由于光学方法不仅可被用

于透明薄膜,还可被用于不透明薄膜;不仅使用简便,而且测量精度较高。这
类方法多利用光的干涉现象作为测量的物理基础。 (1)光的干涉条件

要想在P点观察到光的干涉极大,其条件是直接反射回来的光束与折射后又
反射回来的光束之间的光程差为光波长的整数倍。这一条件可表示为:

薄膜厚度的测量

nc ( AB ? BC) ? AN ? 2nc h cos? ? N ?
式中,N为任意正整数;AB、BC、AN为光束经过的路径长度 ,它们乘以相应材料的折射率即为相应的光程。Θ为薄膜内的折

射角,它与入射角之间满足折射定律n0

sin ? ' ? nc sin ?

薄膜厚度的测量 (2)薄膜测量的椭偏仪方法

椭偏法测量薄膜厚度和折射率的基本思想:用一束偏振光投
射到薄膜表面,反射光的椭偏状态与薄膜厚度和折射率有关。设 法测出反射前后椭偏光状态的变化,就可以求出薄膜的厚度和折

射率。
原理

光在不同介质的分界面
上所发生的现象, 可借助于 两个特定的线偏振光( P

波和S波)进行分析。
光在两种介质面上的反射和折射

薄膜厚度的测量

r和t分别表示反射系数和透射系数,用
数和透射系数:

ai、ar、at

分别表示

入射光、反射光和透射光的振幅,依透射系数的定义则有反射系

ar r? ai

at t? ai

(1)

将(1)式分解到P与S两分量上
?rp ? tg (? 1 ? ? 2 ) / tg (? 1 ? ? 2 ) ? ?rs ? ? sin(? 1 ? ? 2 ) / sin(? 1 ? ? 2 ) ? ?t p ? 2 cos? 1 sin ? 2 / sin(? 1 ? ? 2 ) cos(? 1 ? ? 2 ) ?t ? 2 cos? sin ? / sin(? ? ? ) 1 2 1 2 ?s

(2)

薄膜厚度的测量 当光线 n2 由 n1 进入时,入射角为? 2 ,则折射角为 ?1 , 反射系数与透射系数分别用

r

*



t

*

表示

?rp * ? tg (? 2 ? ? 1 ) / tg (? 2 ? ? 1 ) ? * ?rs ? ? sin(? 2 ? ? 1 ) / sin(? 2 ? ? 1 ) ? ? * ?t p ? 2 cos? 2 sin ? 1 / sin(? 2 ? ? 1 ) cos(? 2 ? ? 1 ) ? * ?t s ? 2 cos? 2 sin ? 1 / sin(? 2 ? ? 1 ) ?

(3)

薄膜厚度的测量 (2)式与(3)式相比:

?rp * ? ?rp ? ?rs * ? ?rs ? ? * t p t p ? 1 ? rp 2 ? ? * ?t s t s ? 1 ? rs 2 ?

(4)

从空气(折射率为 n1 )入射到单层膜系(由折射率为 n

3

的衬底和折射率为 n2 、厚度为 d 的薄膜构成的系统)的情况

薄膜厚度的测量

A1 r1 A1
trt
* 1 2 1

tt r2 r1 t *1

2 *

光波在单层介膜中传播 入射光的振幅为 A1 ,设它为1。m 条光的振幅为 t1r2( m?1) (r1* )( m?2) t *1

薄膜厚度的测量

每相邻两条光之间的位相差为:

2? ?

4?d

?

n2 ? n1 sin 2 ?1
2 2

Ar 为总的反射光的振幅,它应是(1)、(2)、(3)…… m
条光叠加的结果,即:
Ar ? r1 ? t t r e
* ?i 2? 11 2

?t r r t e

2 * * ?i 4? 11 1 2

? ……= r1 ? t t r e

* ?i 2? 1 1 2

?r r e
l ?0

?

* ?i 2? 2 1

t1t1 r2 e ?i 2? ? r1 ? * 1 ? r2 r1 e ?i 2?
*

(1 ? r1 )r2e?i 2? r1 ? r1 r2e?i 2? ? (r2 ? r1 r2 )e?i 2? r1 ? r2e?i 2? Ar ? r1 ? ? ? ?i 2? ?i 2? 1 ? r1r2e 1 ? r1r2e 1 ? r1r2e?i 2?
2 2 2

薄膜厚度的测量 总的反射系数为R,根据反射系数的定义:
Ar r1 ? r2 cos 2? ? ir2 sin 2? R? ? Ai 1 ? r1r2 cos 2? ? ir1r2 sin 2?
( r1 ? r2 cos 2? ? ir2 sin 2? )(1 ? r1r2 cos 2? ? ir1r2 sin 2? ) ? (1 ? r1r2 cos 2? ) 2 ? ( r1r2 sin 2? ) 2 ? r1 (1 ? r2 2 ) ? r2 (1 ? r12 ) cos 2? ? ir2 (1 ? r1 ) sin 2? (1 ? r1r2 cos 2? ) 2 ? ( r1r2 sin 2? ) 2
(5)

由此看来,光在单层膜上的总反射系数可视为光在一等效界面
上的反射系数,如果把它沿P和S分量分解(6)式便可写成

薄膜厚度的测量

RP ?

r1 p ? r2 p e ?i 2? 1 ? r1 p r2 p e ?i 2?

r1s ? r2 s e ?i 2? Rs ? 1 ? r1s r2 s e ?i 2?

本实验是通过反射系数比(G)来测出反射前后光的
偏振状态的变化,这里
G=

Rp Rs

? tg?ei?

(6)

RP 与

Rs 是复数,可用tgφ和Δ表示它的模和幅角


薄膜厚度的测量
? R ? R e i? p P ? P ? R S ? R S e i? s ? ? Rp ?tg? ? Rs ? ?? ? ? ? ? p s ?

(7)

2 2 ? r1 p ? r2 p ? 2r1 p r2 p cos 2? 1 ? r1s 2 r2 s 2 ? 2r1s r2 s cos 2? 1 * 2 )2 ?tg? ? ( 2 2 2 1 ? r1 p r2 p ? 2r1 p r2 p cos 2? r1s ? r2 s ? 2r1s r2 s cos 2? ? (8) ? 2 2 ? ? ? r2 p (1 ? r1 p ) sin 2? ? ? ? r2 s (1 ? r1s ) sin 2? ? ?1 ?1 ?? ? tg ? r (1 ? r 2 ) ? r (1 ? r 2 ) cos 2? ? ? tg ? r (1 ? r 2 ) ? r (1 ? r 2 ) cos 2? ? ? 1p ? 2p 2p 1p 2s 2s 1s ? 1s ? ? ? ?

薄膜厚度的测量 不难看出,反射系数比中的参量 ?和?与n1、n2、n3、?1、? 有关。如果 n1


n3 ?1 和 ? 都是已知的,此时给一个n2
、 、

值便对应一组确定的 r1 p 确定后,又每一个

r2 p r1s




r2 s

的值,当

n2

?

,便 可得到一组相应的 ? 和 ?

的值,可分别作出 ? ― ? 曲线

薄膜厚度的测量

通过实验测出?和?之后, 利用上图便可查出n2,再由 测出的?在?—?曲线上查出? 的值,便可求出薄膜的厚度。

薄膜厚度的测量 2、薄膜厚度的机械测量方法 (1)表面粗糙度仪法 用直径很小的触针划过被测薄膜的表面,同时记录下触针在垂 直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法称为粗糙度仪法。这 种方法不仅可以用来测量表面粗糙度,也可以用来测量特意制备的 薄膜台阶高度,以得到薄膜厚度的信息。 应用表面粗糙度仪可测量得出的薄膜表面形貌曲线,由此可得 出许多表面粗糙度的信息,其中最为重要的信息包括:

表面粗糙度的算术平均值
1 N Ra ? ? zi ( x) ? z N i ?1

薄膜厚度的测量 表面粗糙度的均方根
Rq ? 1 N

? ? zi ( x ) ? z ?
i ?1

N

2

(2)称重法与石英晶体振荡器法

如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话,由公式

m h? A?

(6-46)

可以计算出薄膜的厚度h。但是这一方法缺点在于它的精确度依赖 于薄膜的密度以及表面积的测量精度。

但是,由于可以实现在沉积过程中对衬底及薄膜的质量加以监
控,因而称重法可以被用于薄膜厚度的实时测量。

薄膜厚度的测量 与称重法相关的另一种薄膜厚度的测量方法是石英晶体振荡器 法。这一方法已被广泛用于薄膜沉积过程中的厚度的实时测量。这 一方法的原理是基于石英晶体片的固有振荡频率随其质量的变化而 变化的物理方法。对厚度hq已知的石英晶体振片来讲,其固有振动 频率为
v f0 ? 2hq

(6-47)

石英片厚度的微小变化将导致其固有频率的变化 ?hq ?m ?f ? ? f0 ? ? f0 (6-48) hq ?0 Ahq 同样,当石英片上沉积了一层其它物质时,其固有频率也将有所降 低,即
?f ? ? hf ? f

?0 h0

f0 ? ?

2h f ? f

?0 v

f02

(6-49)

薄膜厚度的测量

因此,由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度。
而且,测量的灵敏度将随着石英片厚度的减小和其固有频率的提 高而提高。 用石英晶体振荡器监测薄膜厚度的具体做法是将石英晶体沿 其线膨胀系数最小的方向切割成片,并在两端面上沉积上金属电 极。由于石英晶体具有压电特性,因而在电路匹配的情况下,石 英片上将产生固有频率的电压振荡。将这样一只石英振荡器放在 沉积室内的衬底附近,通过与另一振荡电路频率相比较,可以很

精确的测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。在薄膜沉积
的过程中,沉积物不断的沉积到晶片的一个断面上,监测振荡频 率随着沉积过程的变化,就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜

的沉积厚度。

薄膜厚度的测量 需注意两个问题: 第一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的飘移。因此, 在使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度变化时,除了要保证是在线 膨胀系数最小的方向上切割石英晶片之外,还需要采用水冷的方 法对振荡器进行冷却,同时还要减小石英晶体篇的受热面积,防 止正空室内的蒸发或沉积过程引起晶体温度的波动。 第二,由于在晶体片上沉积物的力学性能与石英晶体性能并

不相同,且其有效面积也可能与石英晶片的面积有所不同,因而
式6-49只是近似地成立。

薄膜结构的表征方法 薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结构的研究可

以依所研究的尺度范围划分为以下三个层次:
(1)薄膜的宏观形貌,包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等; (2)薄膜的微观形貌,如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂

纹、界面扩散层及薄膜织构等;
(3)薄膜的显微组织,包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整 性、位错组态等。 针对研究的尺度范围,可以选择不同的研究手段,包括光学金 相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场离子显微镜以及

X射线衍射技术等。

薄膜结构的表征方法 1、扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是目前材料结构研究的最直接的手段之一。

优点:景深长、图像富有立体感;图像的放大倍率可在大范围内
连续改变,而且分辨率高;样品制备方法简单,可动范围大,便 于观察;样品的辐照损伤及污染程度较小;可实现多功能分析。

构成:电子光学系统,包括电子枪、电磁透镜和扫描线圈等;
机械系统,包括支撑部分、样品室;真空系统;样品所产生信 号的收集、处理和显示系统。

薄膜结构的表征方法

图1 Sirion 200扫描电镜外观照片

薄膜结构的表征方法

图2 扫描电子显微镜构造

示意图
(a)系统方框图

薄膜结构的表征方法

图2 扫描电子显微镜
构造示意图 (b) 电子光路图

薄膜结构的表征方法

电子束在入射到样品表面之后,将于样品表面层原子发生各
种相互作用,有些入射电子直接反射了回来,而另一部分电子将 能量传递给样品表层的原子,而这些原子在获得能量后将发射出

各种能量的电子,如二次电子,背反射电子、俄歇电子等,将这
一系列信号分别接受处理后,即可得到样品表层各种信息。 (1)二次电子像 扫描电子显微镜主要工作模式之一就是二次电子模式。这部分

电子来自样品最外层的基层原子,是能量最低的一部分电子。

薄膜结构的表征方法
样品表面的起伏变化将造成二次电子发射的数量及角度分布的变化,通过 保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同步,即可使屏幕图像重现样品的表面 形貌,而屏幕上图像的大小与实际样品上扫描面积大小之比即是扫描电子显微 镜的放大倍数。 二次电子成像的突出特点是具有较高的分辨率。二次电子来自表面5-10nm的

区域,能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感,能有效地显示试样表面的
微观形貌。由于它发自试样表层,入射电子还没有被多次反射,因此产生二次 电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别,所以二次电子的分辨率较高,

一般可达到5-10nm。 同时,二次电子像信号的产生与接受方式决定了这一观察
方式的景深很大,因而几乎任何形状的样品都可以被直接观察,并不需要经过 抛光处理。 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。

薄膜结构的表征方法

Fig.6. Scanning electron micrographs (×1000) showing ablation behavior of the C/C composites with different mass fractions of hafnium carbide

薄膜结构的表征方法 (2)背反射电子像 除了二次电子之外,样品表面还会将相当一部分的入射电子反 射回来。这部分被样品表面直接反射回来的电子具有与入射电子相 近的高能量,称为背反射电子。背射电子信号既可以用来显示形貌

衬度,也可以用来显示成分衬度。
形貌衬度 用背反射信号进行形貌分析时,其分辨率元比二次电子低。因 为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外,背反射电子能量 较高,它们以直线轨迹逸出样品表面,因此在图像上会显示出较强 的衬度,而掩盖了许多有用的细节。

薄膜结构的表征方法
成分衬度 成分衬度也称为原子序数衬度,背反射电子信号随原子序数Z的变化比二次电 子的变化显著的多,因此图像应有较好的成分衬度。样品中原子序数较高的区域 中由于收集到的电子束亮较多,故荧光屏上的图像较亮。因此,利用原子序数造 而轻元素在图像上是暗区。

成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。样品中重元素区域在图像上是亮区,

Fig.7 Backscattered electron images and the spot EDS of the composites with 6.5 wt.% hafnium carbide

薄膜结构的表征方法 2、透射射电子显微镜 电子束一般不再采取扫描方式对样品的一定区域进行扫描,而是 固定的照射在样品中很小的一个区域上;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。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”。

电镜的基本组成包括电子枪(光源)与加速级管、 聚光系统、
成像系统、放大系统和记录系统。光路上主要由各种磁透镜和光 阑组成 .

薄膜结构的表征方法
透射电子显微镜是一种具有高 分辨率、高放大倍数的电子光学仪

器,被广泛应用于材料科学等研究
领域。透射电镜以波长极短的电子 束作为光源,电子束经由聚光镜系 统的电磁透镜将其聚焦成一束近似 平行的光线穿透样品,再经成像系 统的电磁透镜成像和放大,然后电 子束投射到主镜简最下方的荧光屏

上而形成所观察的图像。在材料科
学研究领域,透射电镜主要可用于 材料微区的组织形貌观察、晶体缺

陷分析和晶体结构测定。

薄膜结构的表征方法

薄膜结构的表征方法

透射电子显微镜的

基本工作模式有两种,
即影像模式和衍射模 式。两种工作模式之 间的转换主要依靠改 变物镜光阑及透镜系 统电流或成像平面位 臵来进行。

透射电子显微镜的结构及它的两种基本工作模式

薄膜结构的表征方法
(1)透射电子显微镜的衍射工作模式 在衍射工作模式下,电子在被晶体点阵衍射以后又被分成许多束,包括直接 透射的电子束和许多对应于不同晶体学平面的衍射束。将透射束和衍射束斑点组 成的图像投影到荧光屏上,就给出了晶体在特定入射方向上的衍射谱。通过对衍 射谱的分析可以得到如下一些薄膜的结构信息:晶体点阵类型和点阵常数;晶体 的相对位相;与晶粒的尺寸大小、孪晶等有关的晶体显微缺陷方面的信息。 (2)透射电子显微像衬度的形成 用物镜光阑选取透射电子束或衍射电子束之中的一束就可以构成样品的形貌 图。不论是透射束还是衍射束,都携带了样品的不同区域对电子衍射能力的信 息,将这一电子束成像放大后投影在荧光屏上,就得到了样品组织的透射像。

薄膜结构的表征方法

电子束成像的方式可被进一步分为三种:第一种称为明场像。
即只使用透射电子束,而用光阑挡掉所有衍射束的成像。第二种 成像方式称为暗场像。这时,透射电子束被光阑挡掉,而用一束 衍射束来作为成像光源。第三种成像方式允许两束或多束电子参 与成像。包括透射束和衍射束在内的两束或多束电子将发生干涉, 因而每束电子的振幅和相位都将参与决定像点的量度,因此,这 种成像方法又称为相位衬度。在理想的条件下,多束电子间的干 涉将可以重现引起电子衍射的晶体点阵的周期场,这也是高分辨 率的晶体点阵像的成像原理。

薄膜结构的表征方法 透射电子显微镜(TEM) 的成像模式 ---明场像(BF): ---暗场像(DF): ---高分辨像(HRTEM)

薄膜结构的表征方法
TEM总结 透射电子显微技术的优缺点

TEM的优点有以下几个: 1.信息采集范围小。这是TEM最大的一个优点。TEM的实验区域可以极其 微小,可以直接在极微小区域内取得数据。现在最先进的TEM已经可以对小 于0.1纳米的区域进行拍照和分析。在各种科学仪器中,只有扫描探针显微镜 能达到这样的分析尺度。但是二者不能相互替代,扫描探针显微镜研究范围只

局限于表面,TEM得到的信息来自样品的三维结构。但是这种微小的分析尺
度有时候也会带来局限性,下面会谈到。 2.工作模式多样,即图像模式(明场)和衍射模式(选区)。透射电子显 微镜不仅仅具有通常显微镜的放大作用。它还可以作为一台电子衍射仪提供样 品的结构信息。配合各种信号探测器,它又能对样品做化学成分或者磁、电性 能的分析。并且这些功能之间的转换非常方便,甚至可以同时进行。

薄膜结构的表征方法

TEM的缺点主要在以下几个方面: 1.破坏性样品制备。TEM需要很薄的样品使电子束能够穿 过。对于大多数材料,要求在微米以下。这显然远远低于通常 块体材料的厚度,所以需要认为地把样品减薄。这实际上是个 对材料的破坏过程。这个过程有可能使样品发生变化,以致最 终看到的并非材料原先的性质,而是制样过程引入的假象。

薄膜结构的表征方法

2.电子束轰击。TEM中使用高能电子束照射样品,电子能量 在105~106eV量级,并且束流密度很高。换句话说就是在实验 过程中大量高能量电子被持续地倾泻到样品上。大部分电子会 毫无遮挡地穿过样品,其余的电子会和样品里的原子发生碰撞, 并且可能在碰撞时向原子传递能量。样品吸收能量后可能出现 多种变化,比如温度升高,原子电离,原子移动,等等。而这 些变化又可能引发更多相关变化,比如相变,缺陷移动,结构

崩塌,原子迁移,等等。某些情况下,研究人员会有意识地利
用轰击作用研究材料的变化情况,但是多数情况下这种作用是 不利的。

薄膜结构的表征方法

3.真空环境。TEM实验需要在真空环境里进行,至少目前还 是这样。这种环境可能会对材料的性质或结构有影响,尤其是做 表面研究的时候。有时候需要实验环境尽量跟真实环境接近,有 时候又需要真空度尽量高。总之,TEM的内部环境跟理想条件有 差距,必要时需要考虑这种差距的影响。 4.低采样率。这是TEM的一个大缺点。由于TEM的观察范围 很小,而且样品很薄,实验测试到的样品区域只占整体材料的极

小一部分。这个微小的区域未必能真实反映材料的性质。因此,
基于TEM实验数据做结论的时候一定要慎重,必须仔细考虑所得 实验结果是否具有普遍意义。

薄膜结构的表征方法 透射电子显微镜的三种常见工作模式 TEM有三种基本的工作模式,作用各不相同。 1.图像模式。在这种模式下,TEM是一台放大镜,可以对样品 的形貌进行观察,比如晶粒尺寸,晶体缺陷,相分布,等等。

TEM形貌像

薄膜结构的表征方法
2.衍射模式。在这种模式下,TEM是一台电子衍射仪,我们看到的是电子被样 品散射后形成的衍射强度分布。大家对于XRD可能比较熟悉,而电子衍射相对陌

生一些。其实,电子衍射在原理上跟XRD非常类似,只是实现的方式不同。电子
就是通常所说的电子衍射图,或者叫电子衍射谱。截面的特征跟观察的方向密切 相关。

衍射的强度在空间是三维分布。在TEM中,我们通常观察到的是其中的一个截面,

单晶电子衍射

多晶电子衍射

薄膜结构的表征方法
3.扫描透射模式。扫描透射(STEM)其实是一种独立的显微成像技术,有

专门的扫描透射显微镜。但是装备了必要的附件之后,这种技术可以在TEM
上实现,并且有越来越流行的趋势,所以我们在此把它也作为TEM的一种工 作模式列出来。在这种模式下,电子束在样品上扫动,样品的下方形成电子衍

射。用一个环形的或者圆形的探头接收部分电子衍射并转化为电信号在显示器
上形成图像。图像上的一个点对应电子束扫过的一个位臵。这种成像方法其实 和扫描电镜是相同的,只不过收集的是从样品透射过来的电子,扫描透射的名 字也是这么来的。

STEM高分辨暗场像

薄膜结构的表征方法
透射电子显微镜样品制备技术 TEM的样品必须足够薄,由此就发展出了多种针对不同类型材料的样品制备技 术。根据不同的材料特性,主要有以下几类制样方法。

1.粉末分散。这种方法适用于粉末材料。这种方法非常简单,只要把材料在
合适的溶剂里分散,然后转移到带有支撑膜的铜网上就可以了。脆性的块体材料 在研钵里粉碎后,也可以用这种方法制样。 2.离子减薄。把块体材料研磨到很薄,然后放在离子减薄机内用能量较高的 离子束轰击,直到穿孔。孔的边缘会有一些很薄的区域适合电镜观察。 3.电化学抛光。把材料研磨到比较薄,放在合适的电解液里,加上一定的电 压,过一段时间后,材料上就会有一部分被腐蚀掉,出现适合观察的薄区。

4.超薄切片。把材料先用树酯包埋,固化后用特制刀具切出很薄的碎片。把
碎片漂浮在合适的液体表面,然后再转移到铜网上就可以了。

薄膜结构的表征方法
5.机械研磨。这通常是作为其它制样方法的前期步骤,但是有时候也可以 作为一种独立的方法使用。比如使用抛光机把样品磨成楔形,边缘部位就 会出现很薄的区域。

6.复形和萃取。这是比较古老的方法。复形就是复制形貌,有不同的操作
方法,最终都是用碳膜把材料表面形态复制下来,然后喷镀金属增加衬度。 萃取是把碳膜附着在材料表面,把材料腐蚀掉后,某些抗腐蚀的颗粒就粘 附在膜上成为样品。 7.聚焦离子束刻蚀(FIB)。这是近年来新兴的一种制样方法。在特殊的 扫描电镜里,用聚焦的镓离子束对沿一定的路线对样品轰击,最后挖成一 个薄片。这种方法最大的优点是位臵精确,对于需要在特定位臵进行观察

的样品尤其适用。
这里只是简要提到了几种主要的TEM制样方法,未必能应对所有材料的制 备。每种方法都有其优点和缺点,应该根据需要灵活选用。

薄膜结构的表征方法 透射电子显微镜的常见附属设备

1.能谱(EDX)。EDX可以探测到这些X射线并且按照能量排列成谱图。根

据谱上峰的位臵和强度就可以确定材料里所含元素的种类和含量。 2.能量损失谱(EELS)。高能电子穿过样品的时候,部分电子跟样品发生
碰撞并且损失能量。损失能量的多少跟样品中参与碰撞的粒子的种类,碰撞 类型,化学键合以及样品厚度都有关系。EELS可以收集从样品透射过来的 电子并且对它们的能量损失情况做分析。从原理上来说,由EELS可以得到

样品厚度,成分,价态,电子密度,能带,近邻原子分布等等丰富的信息。

薄膜结构的表征方法 透射电子显微镜常见技术简介
1.选区电子衍射(SAD或SAED)。前面对电子衍射已经有所介绍了。SAD 是用一个小光阑(就是一个带孔的金属片)在样品上选择一个特定的区域,然 后做衍射,电子衍射的信息就跟这个区域相对应了。

典型选区电子衍射图

薄膜结构的表征方法
2.明场(BF)像和暗场(DF)像。由前面的图解可以看出,电子衍射位于样品和像之 间,参与成像的光线都会从衍射平面上经过。如果只让一部分光线通过衍射平面,那么 我们就只能得到一个“不完整”的像。这种不完整的像非常有用。当材料结构比较复杂 的时候,通过选取不同的衍射信号,我们可以很容易地把不同的结构在图像上区分开, 从而了解它们的空间分布。无论是晶体还是非晶体,电子衍射在空间上都可以看作两部

分,即中心直射斑和其余的部分。选取直射斑形成的像叫作明场像,选取非直射斑成的
像叫作暗场像。明场像和暗场像是研究材料相分布和缺陷结构的有力工具。

典型明场像a) 和暗场像b)

薄膜结构的表征方法
3.高分辨像(HREM)。顾名思义,这种技术得到的图像分辨率特别高。最 新的技术已经可以得到分辨率低于1埃的图像细节。这样的分辨率已经小于很

多材料里面原子之间的距离,因此可以利用这种技术研究材料的原子排列情况。
尤其是在缺陷,界面,低维结构以及搀杂材料的研究中,这种技术大量应用。 TEM和STEM都可以得到HREM图像,因为其成像原理和利用的信号不同, 它们在应用上有各自的特点和优势。

GaN中的层错高分辨像

薄膜结构的表征方法 TEM的成像模式 ---应用举例:明场像与衍射

薄膜结构的表征方法 TEM 的成像模式---应用举例: 衍射与暗场像

薄膜结构的表征方法 TEM的成像模式 ---应用举例:高分辨像

薄膜结构的表征方法 薄膜平面形貌的TEM 分析 ---晶粒尺寸、晶界、位错、层错、孪晶、…

薄膜结构的表征方法 薄膜截面形貌的TEM分析 ---晶粒形状、界面、…

薄膜结构的表征方法 电子能谱和电子探针的基本原理

---透射电子显微镜中的电子能谱:

薄膜结构的表征方法

TEM image of (a) b-SiC nanorod and its diffraction pattern; (b) TEM image of multiwall carbon nanotubes and diffraction pattern

薄膜结构的表征方法

(b) TEM image with inset SAED pattern of an individual SiC nanowire; (c) lattice image of thenanowire in (b).

薄膜成分的表征方法 成分分析的基本原理 ---利用激发源 ——如电子束、离子束、光子束、中性粒子束 等,有时还加上电场、磁场、热等的辅助,使被测样品发射携带 元素成分信息的粒子,实现化学组成、状态等方面的分析。

薄膜成分的表征方法

紫外(真空)光电子能谱

X射线光电子能谱

Auger电子能谱

h?

h?

h?

单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子, 产生由一系列峰组成的电子能谱图,每个峰对应于一个原子 能级(s、p、d、f);

薄膜成分的表征方法

薄膜成分的表征方法 1、X射线能谱色散仪(EDX) 分析原理:X射线能量色散仪的基本原理是以高能X射线 (一次X射线)轰击样品,将待测元素原子内壳层的电子逐出,使 原子处于受激状态,10-12~10-15秒 后,原子内的原子重新配位, 内层电子的空位由较外层 的电子补充,同时作为多余的能量放射 出特征X射线(二次X射线)。特征X射线波长和原子序数有一定

关系,测定这些特征谱线的波长或能量可作定性分析;测量谱线
的强度,可求得该元素的含量。

薄膜成分的表征方法

仪器结构组成:由多色光源(X射线管)、试样架、半导体检 测器和不同的用于能量选择的电子元件。 优点:A.能快速的提供样品包含的各种元素的定性分析及 质量百分比浓度。 B.样品制作简单,对固体可直接分析,且不损样品。

缺点:只能做元素定性和半定量分析,不能分析元素以何
种形式存在。

薄膜成分的表征方法 能谱分析举例

EDS谱线收集完毕后定量计算的结果, 给出了重量和原子百分比。

在 电镜中看 到的形貌 及需要分 析的区域 (点或面)。

EDS谱线 实时收集的结 果,纵坐标是 X射线光子的 计数率CPS, 横坐标是元素 的能量值 (KeV)。 图4 EDS应用实例一——成分分析

薄膜成分的表征方法

元素的线分析
下图是EDS应用实例之二——元素的线分析。图中的白线是电子束扫 过的分析区域,它通过了晶内及块状相(线的正中间白色)、晶界(线的右

边白色)。从元素的分析结果可以看出:正中间白色块状相主要含Cu、Ni、
Er元素,右边白色晶界上的相主要含Cu、Ni、Er、Mg和Zr元素。

EDS应用实例之二——元素的线分析

薄膜成分的表征方法

元素的面分布
下图是EDS应用实例之三——元素的面分布。图中区域1是我们在电镜中看 到的形貌。图中区域2、3、4是EDS信号收集完毕后给出的不同元素的定性结 果。说明图中区域1中间的白点和右下边白色三角区域都有元素的偏聚。

EDS应用实例之三——元素的面分布

薄膜成分的表征方法 2、俄歇电子能谱(AES) 俄歇电子谱(AES)以能量约为数千电子伏的电子束入射到 晶体表面,把处于原子K壳层上的电子电离并留下一个空位。L 壳层上的电子向下跃迁填补这个空位,同时释放出多余能量。这 个跃迁过程可能是无辐射跃迁,所释放出的能量使壳层 L2,3 上的 电子激发成自由态,这种二次电子称为俄歇电子(见图)。上述过 程称为俄歇过程,由法国物理学家P.-V.俄歇于1925 年发现。俄 歇电子数按能量的统计分布称俄歇电子谱,每种元素有各自的特

征俄歇电子谱,故可用来决定化学成分。俄歇电子谱常被用来分
析和鉴定固体表面的吸附层、杂质偏析及催化机制研究等。

薄膜成分的表征方法

Auger电子的标记方法 ---Auger跃迁的标记以空 位、跃迁电子、发射电子

所在的能级为基础。
---如初态空位在K能级, L1能级上的一个电子向下

跃迁填充K空位,同时激
发L3上的一个电子发射出 去便记为KL1L3。

薄膜成分的表征方法

Auger电子谱仪的组成
---电子枪:用于激发Auger电子,加速电压一般在5 keV以上 ---电子能量分析器:分析电子能量的装臵; ?两种常用的能量分析器:筒镜型能量分析器(CMA)和半球性能 量分析器(SDA) 。

薄膜成分的表征方法

---真空室:系统的真空度一般优于6.7×10-8Pa。
---其它附属部件: ? 离子枪:主要用于样品的清洗和样品表层成分的深度剖层分 析。一般用Ar作为剖离离子,能量在15 keV。 ? 预处理室:对样品表面进行预处理。一般可完成清洗、断裂 、镀膜、退火等一系列预处理工作。 ? 样品加热、冷却功能: ? EDX等辅助功能。

薄膜成分的表征方法 Auger电子谱的二维成分分析

---成分分布及线扫描半定量分析:

薄膜成分的表征方法 3、X射线光电子能谱(XPS) 用能量足够高的光子入射到固体表面,表面原子的内层电子吸 收入射光子的能量后逸出表面成为自由电子,这实际上是一种光 电效应。光电子可来源于原子的不同壳层,其动能包含了原子内 层电子所处能量状态的信息。光电子数按其动能的统计分布称光 电子能谱,它携带了原子内有关电子状态的丰富信息。利用光电 子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态。

薄膜成分的表征方法

光电子的能量分布曲线:采用特定元素
某一X光谱线作为入射光,实验测定的待 测元素激发出一系列具有不同结合能的电 子能谱图,即元素的特征谱峰群; 谱峰:不同轨道上电子的结合能或电子

动能;
伴峰:X射线特征峰、Auger峰、多重 态分裂峰。

薄膜成分的表征方法 X射线光电子能谱分析法的应用 (1) 元素定性分析 各元素的电子结合能有 固定值,一次扫描后,查

对谱峰,确定所含元素(H
、He除外); (2) 元素定量分析 一定条件下,峰强度 与含量成正比,精密度 1-2%;

薄膜成分的表征方法 特殊样品的元素分析

薄膜附着力的测量方法

薄膜的附着性能很大程度上决定了薄膜应用的可能性和可靠性,
这是薄膜制备过程中普遍关心的问题。目前还没有一种公认为正确 的测量技术。在各种方法中,较为有代表性的测试方法有两大类, 即刮剥法和拉伸法。 1、刮剥法 刮剥法是将硬度较高的划针垂直臵于薄膜表面,施加载荷对薄膜 进行划伤实验的方法来评价薄膜的附着力。在划针移动的同时,逐 渐加大所施加的载荷,并在显微镜下观察可以看出划开薄膜,露出 衬底所需的临界载荷Fc。

薄膜附着力的测量方法
2、拉伸法

拉伸法是利用粘结或焊接的方法将薄膜结合于拉伸棒的端面
上,测量将薄膜从衬底上拉伸下来所需要的载荷的大小。薄膜的附 着力即等于拉伸时临界载荷F与被拉伸的薄膜面积A之比。

在使用粘结剂的情况下,粘结剂的粘结强度决定了这一方法可
以测量的附着力的上限。焊接可以增加界面的结合强度,但是焊接 过程可能会由于加热温度的影响而改变界面的组织和附着力。


赞助商链接
相关文章:
介孔材料常用的表征方法
介孔材料常用的表征方法_工学_高等教育_教育专区。文...它具有孔道呈六方有序排列、大小均匀、孔径可在 2...基改性的介孔硅薄膜进行观察,分别得到如图4-5所示...
磁性材料常用的表征手段
磁性材料常用的表征手段_电子/电路_工程科技_专业资料。目 录 摘要· ···...磁记录材料、 磁电阻材料、 磁泡材料、 磁光材料,旋磁材料以及磁性薄膜材料等...
薄膜材料
第四章薄膜材料 40页 5财富值 薄膜材料与技术 41页 免费 功能薄膜材料 24页 2财富值喜欢此文档的还喜欢 薄膜考试 11页 免费 第七章薄膜材料的表征方法 58页...
薄膜的制备方法和表征原理
薄膜的制备方法表征原理_化学_自然科学_专业资料 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 薄膜的制备方法表征原理_化学_自然科学_专业资料。薄 膜 的 制 备 方...
薄膜材料综述
基体表面的薄膜材料就很有意义.薄膜材料可以看成表面材料,一般都非常薄, 因此,薄膜材料的制备及其表征方法与材料表面研究有着非常密切的联系.薄膜 材料不仅具有优越...
材料表征方法思考题答案_图文
材料表征方法思考题答案_理学_高等教育_教育专区。...第一章 XRD 1. X 射线的定义、性质、连续 X ...穿透能力不大,这就要求要将试样制成很薄的薄膜 ...
薄膜材料
薄膜材料可以看成表面材料, 一般都非常薄, 因此,薄膜材料的制备及其表征方法与材料表面研究有着非常密切的联系。 2 薄膜材料的分类薄膜材料[1]不仅具有优越的力学...
溶胶凝胶法制备光催化薄膜材料及其性能表征
溶胶凝胶法制备光催化薄膜材料及其性能表征 摘要 采用溶胶凝胶法制备 TiO2 胶体, 再采用旋涂法在玻璃基体上负载得到 TiO2 薄膜,并对制备的 TiO2 结构进行表征,以 ...
材料物理与化学专业硕士研究生培养方案
§ 5-4 原子化学键合表征 第六章 薄膜材料 § 6-1 超硬薄膜材料;§ 6-...液晶的表征方法及多种液晶材料如柱状液晶、树枝状液 晶、手性液晶(包括香蕉型...
薄膜材料与器件课程论文
近年来, 铁电薄膜的制备, 表征和特性研究以及多层膜和异质结构等的研究 都取得了较大的进展, 但进一步发展铁电薄膜,在铁电薄膜材料的研究中尚存在 一些问题,...
更多相关标签: