• 跟所有的扫描探针显 微镜一样，AFM使用 一个极细的探针在样 品表面进行光栅扫描， 探针是位于一悬臂的 末端顶部，该悬臂可 对针尖和样品间的作 用力作出反应
AFM的像
二、材料的结构分析
• 不仅材料的成份和形貌对其性能有重要影 响，材料的物相结构和晶体结构对材料的 性能也有着重要的作用。
• 目前，常用的物相分析方法有X射线衍射分 析、激光拉曼分析以及微区电子衍射分析。
第十四章 硅材料测试和表征
形貌分析 结构分析 成份分析 特性分析
形貌分析的内容和方法
• 形貌分析的主要内容是分析材料的几何形 貌，材料的颗粒度，及颗粒度的分布以及 形貌微区的成份和物相结构等方面
• 材料常用的形貌分析方法主要有：扫描电 子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜 (AFM)
• 可以直接观察原子象
电子衍射分析
• 所用的电子束能量在102～106eV的范围内。 • 电子衍射与X射线一样，也遵循布拉格方程：
2dsinq =nl • 电子束衍射的角度小，测量精度差。测量晶体结
构不如XRD • 电子束很细，适合作微区分析。因此，主要用于
确定物相以及它们与基体的取向关系以及材料中 的结构缺陷等
Scherrer公式 D=Kλ/βcosθ
• D为晶粒尺寸（nm） • K为Scherrer常数，其值为0.89 • λ为X射线波长，为0.154056 nm • β为积分半高宽度 • θ为衍射角 • 使用Scherror公式测定晶粒度大小的适用范围是5
nm 300 nm
激光拉曼物相分析
• 当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用 时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的频率 仍与激发光源一致，称为瑞利散射
X射线衍射结构分析
• XRD 物相分析是基于多晶样品对X射线的衍射效应，对样 品中各组分的存在形态进行分析。测定结晶情况，晶相， 晶体结构及成键状态等等。 可以确定各种晶态组分的结 构和含量
• 灵敏度较低，一般只能测定样品中含量在1%以上的物相， 同时，定量测定的准确度也不高，一般在1%的数量级
• XRD物相分析所需样品量大（0.1g），才能得到比较准确 的结果，对非晶样品不能分析
• 其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形 貌，颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元 素组成及物相结构信息
高分辨TEM
• HRTEM是观察材料微观结构的方法。不仅 可以获得晶包排列的信息，还可以确定晶 胞中原子的位置。
• 200KV的TEM点分辨率为0.2nm，1000KV 的TEM点分辨率为0.1nm。
扫描探针显微镜（SPM）
• 扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜 （STM)及在扫描隧道显微镜的基础上发展 起来的各种新型探针显微镜（原子力显微 镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜 MFM等等）的统称
STM基本原理
• 基本原理是量子的隧道效应(将原子线度的极细针 尖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 个电极之间的绝 缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应)
SEM形貌分析
• 较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调 • 很大的景深，视野大，成像富有立体感，
可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微 结构
• 样制备简单。 目前的扫描电镜都配有X射线 能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织 性貌的观察和微区成分分析
TEM形貌分析
• 透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳 米粉体材料的分析。但颗粒大小应小于300nm， 否则电子束就不能透过了。对块体样品的分析， 透射电镜一般需要对样品进行减薄处理
Raman 偏振峰
Raman 峰宽
材料的组成
加压/拉伸状态 晶体的对称性和 取向
晶体的质量
三、成分分析类型和范围
• 材料成分分析按照分析对象和要求可以分为微量 样品分析和痕量成分分析两种类型；
• 材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分为 体相元素成分分析、表面成分分析和微区成分分 析等方法；
• 为达此目的材料成分分析按照分析手段不同又分 为光谱分析质谱分析和能谱分析；
• 隧道电流随导体间的距离呈指数式地变化,它对探 针与样品的间距变化极其灵敏,因而STM在Z方向 的空间分辨率极高
• STM通常被认为是测量表面原子结构的工具，具 有直接测量原子间距的分辨率。 STM还可以操纵 单个原子和分子
STM像
原子操纵
原子力显微镜AFM
• 原子力显微镜(AFM)， 或者扫描力显微镜 （SFM）
• 但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且也 改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射光的 强度约占总散射光强度的10－6～10－10。
• 拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
多晶硅
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
Raman 谱峰的改变
方法三：反射光谱
方法四：X射线荧光技术
表面与微区成份分析
• X射线光电子能谱(表面以下1-10 nm) • 俄歇电子能谱(表面以下1-3nm) • 二次离子质谱 • 电子探针分析方法 • 电镜的能谱分学性能表征
a 电阻率和方块电阻
b 电容电压C－V测量
膜厚测量 方法一：台阶仪
方法二：椭偏仪
非晶硅
多晶硅
晶粒大小的测定原理
• 用XRD测量纳米材料晶粒大小的原理是衍射线的 宽度与材料晶粒大小有关
• 利用XRD测定晶粒度的大小是有一定的限制条件 的。一般当晶粒大于100nm以上，其衍射峰的宽 度随晶粒大小的变化就不敏感了；而当晶粒小于 10nm时，其衍射峰随晶粒尺寸的变小而显著宽化
• 试样中晶粒大小可采用Scherrer公式进行计算