西安交通大学：《纳米生物技术 Nano-biotechnology》课程教学课件（讲稿）第二节 纳米科学研究方法

西安交通大学CIAM JIAOTONG UNIVERS内容提要1.电子显微技术2.扫描探针显微技术3.光谱分析技术4.X射线衍射技术和X射线光电子能谱2

内容提要 1.电子显微技术 2 2.扫描探针显微技术 3.光谱分析技术 4.X射线衍射技术和X射线光电子能谱

西安交通大学CIAM JIAOTONG UNIVERS内容提要1.电子显微技术2.扫描探针显微技术3.光谱分析技术4.X射线衍射技术和X射线光电子能谱3

内容提要 1.电子显微技术 3 2.扫描探针显微技术 3.光谱分析技术 4.X射线衍射技术和X射线光电子能谱

西安文通大学IAMJIAOTONOUNIVE1.电子显微技术1.1电子显微镜的基本概述电子显微镜，简称电镜，英文名ElectronMicroscope（简称EM），电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微也能与X物质结构：扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析4

1.电子显微技术 4 1.1 电子显微镜的基本概述 电子显微镜，简称电镜，英文名Electron Microscope（简称 EM），电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。 电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显 微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。 透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微 物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X 射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析

西安文通大泽IAMJIAOTONOUNIVE1.电子显微技术1.2透射电子显微镜透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope，简称TEM)，可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并耳电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越卢斯卡和克诺尔制造的第一台透射电镜及设计图纸高波长越短。TEM的分辨力可达0.2nm。5

5 1.2透射电子显微镜 1.电子显微技术 透 射 电 子 显 微 镜 (Transmission Electron Microscope，简称TEM)，可以 看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um 的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超 微结构。要想看清这些结构，就必须选择波 长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。 1932年Ruska发明了以电子束为光源的透 射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和 紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电 子束的电压平方根成反比，也就是说电压越 高波长越短。TEM的分辨力可达0.2nm。 卢斯卡和克诺尔制造的第一台透射电镜及设计图纸

西安文通大学CIAMJIAOTONGUNIVERS1.电子显微技术1.2.1透射电子显微镜的结构光源电子枪透射电镜电子光学系统的基聚光优I聚光镜本结构、原理与光学显微镜相似诚样试样物镜包括三个部分：物镜中间像照明系统！中闯像目镜投彩镜成像放大系统观察记录系统毛玻璃观现察屏熙相底板光学显微镜和电子显微镜光路示意图6

6 1.2.1透射电子显微镜的结构 1.电子显微技术 透射电镜电子光学系统的基 本结构、原理与光学显微镜相似 包括三个部分 ： 光学显微镜和电子显微镜光路示意图 照明系统 成像放大系统 观察记录系统

西安文通大学CIAM JIAOTONG UNIVERSOT1.电子显微技术1.2.2透射电子显微镜的结构照明系统主要由电子枪和聚光镜两部分组成阴极电子枪第一交义点Φ50um栅极第一聚光镜M=1/10~1/50Φlum4电子束交叉点第二聚光镜M23阳极@2um样品电子枪结构示意图照明系统光路图7

7 1.2.2透射电子显微镜的结构 1.电子显微技术 电子枪结构示意图 照明系统主要由电子枪和聚光镜两部分组成 阴极 栅极 阳极 电子束交叉点 照明系统光路图

西安文通大学XIAMJIAOTONGUNIVERSIT1.电子显微技术1.2.2透射电子显微镜的结构样品室、物镜、二级中间镜、投影镜成像放大系统的结构包括：祥品易易统美间蒸一摄实像50 mesh:75 mesh中国储Holes 450μmHoles中国镜quarejareAthene M7SAtheneM50一热实像第二鲜实缘影镜装影镜终佛格5高放大教点像中放大信教成像我放大信数点障150 mesh200 meshHoles 150um squareHoles100uquareAtheneOld150AtheneOld200不同目数的样品铜网不同倍数放大成像原理示意图8

8 1.2.2 透射电子显微镜的结构 1.电子显微技术 不同倍数放大成像原理示意图 成像放大系统的结构包括：样品室、物镜、二级中间镜、投影镜 不同目数的样品铜网

西安文通大学CIAM JIAOTONG UNIVERS1.电子显微技术1.2.2透射电子显微镜的结构观察记录系统主要由荧光屏和照相底片室组成透射显微镜和荧光屏衍射谱和光栅像9

9 1.2.2 透射电子显微镜的结构 1.电子显微技术 衍射谱和光栅像 观察记录系统主要由荧光屏 和照相底片室组成 透射显微镜和荧光屏

西安文通大学DAMJIAOTONGUNIVER1.电子显微技术1.2.3透射电子显微镜的应用材料领域材料的微观结构对材料的力学光学、电学等物理化学性质起着50nm决定性作用。透射电子显微镜作为材料表征的重要手段，不仅可以用衍射模式来研究晶体的结构还可以在成像模式下得到实空间的高分辨像，即对材料中的原子进行直接成像，直接观察材料的5enm微观结构。金纳米双锥和金纳米棒透射显微镜成像图10[1] A plasmonic ELISA for multi-colorimetric sensing of C-reactive protein by using shell dependent etching of Ag coated Au nanobipyramids

10 1.电子显微技术 1.2.3 透射电子显微镜的应用 材料领域 材料的微观结构对材料的力学、 光学、电学等物理化学性质起着 决定性作用。透射电子显微镜作 为材料表征的重要手段，不仅可 以用衍射模式来研究晶体的结构， 还可以在成像模式下得到实空间 的高分辨像，即对材料中的原子 进行直接成像，直接观察材料的 微观结构。 金纳米双锥和金纳米棒透射显微镜成像图 [1] A plasmonic ELISA for multi-colorimetric sensing of C-reactive protein by using shell dependent etching of Ag coated Au nanobipyramids

西安文通大学OAM JIAOTONGUNIVER1.电子显微技术物理学领域在物理学领域中，电子全息术能够同时提供电子波的振幅和相位信息，从而使透射电子显微镜在磁场和电场分布等与相位密切相关的研究上得到广泛应用。目前，透射电子显微镜结合电子全息已经应用在测量半导体多层薄膜结构器件的电场分布、磁性材料内部的磁畴分布等方面。11

11 1.电子显微技术 物理学领域 在物理学领域中，电子全息术能够同时提供电子波的 振幅和相位信息，从而使透射电子显微镜在磁场和电场 分布等与相位密切相关的研究上得到广泛应用。目前， 透射电子显微镜结合电子全息已经应用在测量半导体多 层薄膜结构器件的电场分布、磁性材料内部的磁畴分布 等方面