当前课程知识点：现代材料分析方法 > 第二章 显微分析 > 2.1 显微分析概论 > 显微分析概论
大家好
我是暨南大学的容建华老师
欢迎来到现代材料分析方法的课堂
从今天开始
我们学习显微分析部分
这节课我们先简要了解一下
显微分析方法
微观结构的观察和分析
对于理解材料的本质至关重要
想要观察材料的微观结构
当然离不开显微镜
我们人类探索微观世界的历史
就是建立在不断发展的
显微技术之上的
从光学显微镜到电子显微镜
再到扫描探针显微镜
人们观测显微组织的能力不断提高
现在已经达到超原子级的分辨能力了
光学显微镜是最早的显微工具
我们知道
光穿过不同介质的时候会产生折射
利用这个基本原理
通过光学透镜的组合
就可以获得被观察物体的放大像
光学显微镜发展到现在
已经有很多种类
比如荧光显微镜
金相显微镜
相差显微镜等等
在医学
生物学
材料领域都有非常广泛的应用
但是由于光的衍射效应
光学显微镜存在着极限分辨率
根据光学大师
德国物理学家恩斯特·阿贝
给出的公式计算
光学显微镜的最小分辨尺寸
大约是可见光 波长的一半
按照波长最短的蓝紫光来算
就是200nm左右
想要进一步提高显微镜的分辨能力
就需要借助更短波长的波
随着物理学的发展
1924年法国物理学家德布罗意
提出物质波的概念
证实了电子具有波动性
2年后德国科学家布施Busch
发现可以用轴对称的
电场和磁场来聚焦电子线
在这两个理论的基础上
30年代
Ruska等人研制成了
第一台透射电子显微镜
Ruska 也因此在
1986年获得了诺贝尔奖
当时的分辨率并不高
只有50纳米
现在透射电镜的分辨率
已经接近0.1纳米
由于样品制备的问题
透射电镜直到1949年
才应用到材料领域中
而应用更加广泛的扫描电镜
是到1952年才发明的
至今也不过几十年的历史
好
电子具有波动性
那么波长是多少呢
从德布罗意波长公式
可以计算出不同加速电压下得到的
电子波的波长
经过20千伏电压加速的电子波
波长是0.0859纳米
提高加速电压
波长就会更短
可见
电子波的波长要比
可见光小几个数量级
所以
以电子波为照明光源的话
可以轻易地突破
光学显微镜的极限分辨率
透射电镜常用的
加速电压是100-200kV
而扫描电镜常用的加速电压低一些
是在5-30kV
透射电镜的工作原理
和光学显微镜非常相似
只是光源由可见光
换成了高能的电子束
玻璃凸透镜换成了电磁透镜
另外
透射电镜除了可以形成放大的像之外
还有电子衍射功能
可以分析样品微区的晶体结构
这些在后面的课程里
我们会详细讲解
扫描电镜的工作原理
和透射电镜完全不同
它是用电子束在样品表面
进行逐点扫描
利用从样品表面发射的信号来成像
目前的最高分辨率也突破了1nm
由于在样品制备方面的优势
扫描电镜在材料领域的应用
比透射电镜更为广泛
并且利用扫描电镜
还可以在观察样品微观结构的同时
很方便地分析样品的元素成分
以及元素分布的情况
是材料领域一个非常有力的研究工具
扫描电镜的图像除了分辨率高之外
立体感也非常强
从这张蜘蛛的照片
大家可以明显地感受到这一点
随着显微技术的发展
后来又出现了分辨率更高的
扫描探针显微镜
其中最早出现的是扫描隧道显微镜
它是在1981年
由IBM公司的两位科学家
宾尼（Gerd Binnig葛·宾尼）
和罗雷尔（Heinrich Rohrer海·罗雷尔）
发明的
他们俩和透射电镜的发明人
Ruska一起
在1986年获得诺贝尔奖
后来宾尼博士又发明了
原子力显微镜
扫描隧道显微镜
利用针尖和样品间
由于隧道效应产生的隧道电流
进行成像
可以直接观察到原子
这张照片就是
1983年宾尼博士等人首次
给出的Si(111)表面的原子像
扫描隧道显微镜在
平行和垂直方向的分辨率
分别可达0.1纳米和0.01纳米
它的出现使人类第1次能够在实空间
实时地观察到
单个原子在物质表面的排列状态
以及与表面电子行为有关的物理
化学性质
当然 扫描隧道显微镜有它的局限性
它无法直接观察绝缘体的表面形貌
所以后来又进一步发明了
原子力显微镜
原子力显微镜是利用一根探针
来探测针尖原子和样品表面原子
之间的相互作用力
来形成图像的一种分析方法
因为所有的原子之间
都存在相互作用力
所以
原子力显微镜适用于所有的样品
它的应用也就更为广泛
现在的扫描探针显微镜
已经发展成为了一个庞大的家族
除了扫描隧道显微镜
和原子力显微镜
这两个最主要的成员之外
还有磁力显微镜
静电力显微镜
扫描电容显微镜等等
现在还在不断涌现新的成员和技术
在本课程的显微分析部分
我们主要给大家介绍
在材料领域应用非常广泛的透射电镜
扫描电镜和原子力显微镜这三种
关于显微分析
大家先简单了解这么多
具体内容我们会在后面的章节中
详细学习
下面请大家
自行欣赏一些美丽的显微镜图片
所谓“科学即艺术”
在微观世界里
隐藏着无数的精彩和奥秘
等着我们去发现
谢谢大家
-1.1 X射线的性质及X射线的产生
-1.2 X射线谱
--X射线谱
-1.3 X射线与物质的作用
-1.4 衍射的几何条件
--衍射的几何条件
--衍射的几何条件-小测
-1.5 X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法-小测
-1.6 X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据-小测
-1.7 X射线衍射物相定性分析
--X射线衍射物相定性分析-小测
-1.8 物相定量分析方法
--物相定量分析方法
--物相定量分析方法-小测
-第一章测试题
-2.1 显微分析概论
--显微分析概论
-2.2 电子光学基础
--电子光学基础
-2.3 透射电子显微镜结构和成像原理（上）
-2.4 透射电子显微镜结构和成像原理（下）
-2.5 透射电镜的电子像衬度原理
-2.6 电子衍射
--电子衍射
-2.7 薄膜样品的制备
--薄膜样品的制备
-2.8 扫描电镜的工作原理
--扫描电镜的工作原理-小测
-2.9 电子束与固体的相互作用
--电子束与固体的相互作用-小测
-2.10 扫描电镜的结构和性能参数
--扫描电镜的结构和性能参数-小测
-2.11 二次电子像的衬度原理
--二次电子像的衬度原理-小测
-2.12 背散射电子像的衬度原理
--背散射电子像的衬度原理-小测
-2.13 波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析-小测
-2.14 扫描电镜的样品制备
--扫描电镜的样品制备-小测
-2.15 扫描隧道显微镜
--扫描隧道显微镜-测试
-2.16 原子力显微镜的工作原理及应用
--原子力显微镜的工作原理及应用-测试
-第二章测试题
-3.1 红外光谱概述与原理
--红外光谱概述与原理-小测
-3.2 红外光谱图解析与仪器构造
--红外光谱图解析与仪器构造-小测
-3.3 拉曼光谱概述与原理
--拉曼光谱概述与原理-小测
-3.4 拉曼光谱图解析和仪器构造
--拉曼光谱图解析和仪器构造-小测
-3.5 核磁共振氢谱的基本原理
-3.6 核磁共振谱仪的构造与氢谱解析
-3.7 质谱分析概述及原理
-3.8 离子的类型及质谱基本术语
-3.9 质谱分析及联用技术
-3.10 紫外-可见吸收光谱的基本原理
-3.11 紫外-可见吸收光谱的仪器构造与应用
-3.12 分子荧光光谱的基本原理
-3.13 分子荧光光谱的特征与仪器构造
-第三章测试题
-4.1 电子能谱概述
--电子能谱概述
-4.2 XPS基本原理
--XPS基本原理
-4.3 XPS结果分析
--XPS结果分析
-4.4 俄歇电子能谱(上)
-4.5 俄歇电子能谱(下)
-5.1 DTA基本原理
--DTA基本原理
-5.2 DTA基本结构
--DTA基本结构
-5.3 DTA曲线影响因素
-5.4 DTA定性定量分析
-5.5 DSC基本原理
--DSC基本原理
-5.6 热重法
--热重法
-第五章测试题
