表面分析技術(shù)第二章-光學(xué)顯微分析技術(shù)2015

1、1,第二章 光學(xué)顯微分析技術(shù),光學(xué)顯微鏡成像原理光學(xué)顯微鏡的極限,2,走進微觀世界-顯微鏡,人眼的最小分辨角；1‘（1分）,在明視距離20cm處，能看到0.05mm (50µm),張角小于一度的物體，裸眼就難于觀測--微觀世界,走進微觀世界的工具--顯微鏡,顯微鏡提供給觀察者一個放大的象,3,,光學(xué)顯微分析的發(fā)展 15世紀(jì)中葉：放大鏡（單式顯微鏡） 1590年荷蘭Hans and Zacharias Ja

2、nssen：復(fù)式顯微鏡 17世紀(jì)中葉R. Hooke：設(shè)計第一臺性能較好的顯微鏡 Christiaan Huygens：惠更斯目鏡 19世紀(jì)德國Ernst Abbe闡明光學(xué)顯微鏡成像原理，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達0.2微米理論極限.,4,光學(xué)顯微鏡分類,——幾何光學(xué)顯微鏡 生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微鏡、暗視野顯微鏡等。 ——物理光學(xué)顯微鏡 相差顯微鏡、偏光

3、顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。 ——信息轉(zhuǎn)換顯微鏡 熒光顯微鏡、顯微分光光度計、圖像分析顯微鏡、聲學(xué)顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。 ——特種光學(xué)顯微鏡 高溫顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等。,5,2.1幾何光學(xué)顯微鏡,光學(xué)顯微鏡種類新型光學(xué)顯微鏡,6,2.1-1 光學(xué)顯微鏡種類,光學(xué)金相顯微鏡是用于觀察固體表面和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的重要光學(xué)儀器。它是基于光線

4、在均勻的介質(zhì)中作直線傳播，并在兩種不同介質(zhì)的分界面上發(fā)生折射或反射等現(xiàn)象構(gòu)成的。研究這些現(xiàn)象的理論稱為幾何光學(xué)。隨著幾何光學(xué)和物理光學(xué)的發(fā)展，金相顯微鏡已日臻完善。普通光學(xué)顯微鏡的類型很多，常分臺式、立式和臥式三大類。若按用途的不同來分，還有各類特種顯微鏡，如偏光顯微鏡、相襯顯微鏡、干涉顯微鏡及高溫、低溫金相顯微鏡等。目前新型的金相顯微鏡已趨萬能(多種用途)。,7,臺式顯微鏡主要由一鏡筒(包括上裝目鏡和下配物鏡)、鏡體(包括座架和

5、調(diào)焦裝置)、光源系統(tǒng)(包括光源、燈座及垂直照明器)和樣品臺四部分組成。具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點，多用鎢絲燈泡作光源，分直立式光程和倒立式光程兩種。,8,,9,高溫顯微分析術(shù) ——包括真空高溫臺及相應(yīng)的物鏡系統(tǒng)。 ——真空高溫臺是安放樣品和進行加熱、冷卻的裝置。 ——使用溫度最高可達1500℃,10,高溫金相顯微鏡在檢測分析中的應(yīng)用,玻璃配合料高溫熔融過程,11,顯微攝影與圖像分析技術(shù)

6、 顯微攝影：將顯微鏡目鏡視域觀察到的物相形態(tài)及顯微結(jié)構(gòu)圖像，利用專門的照相機或攝影機拍攝紀(jì)錄。顯微攝影是顯微結(jié)構(gòu)分析中一項重要技術(shù)。 利用圖像分析技術(shù)分析各組成相的尺寸、形貌、分布和光密度等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為光學(xué)顯微分析提供定量或定性數(shù)據(jù)。,12,激光共焦掃描顯微鏡,1. 高分辨率觀察的顯微鏡 常規(guī)顯微鏡的分辨率，0.35μm是極限， 激光共聚焦顯微鏡的分辨

7、率為0.12μm， 所以在亞微米級觀察上可以代替電子顯微鏡。2. 高精度表面形貌測量儀 檢測細微表面的高度差異， 線寬測量，體積、表面積 異物，雜質(zhì)等的大小， 表面粗糙度分析 3. 三維形貌顯微鏡,13,激光共聚焦顯微鏡（Laser scanning Confocal Microscopy ，簡稱LSCM）,激光掃描共聚焦顯微鏡是采用

8、激光作為光源，在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡基礎(chǔ)上采用共軛聚焦原理和裝置，并利用計算機對所觀察的對象進行數(shù)字圖象處理的一套觀察、分析和輸出系統(tǒng)。主要系統(tǒng)包括激光光源、自動顯微鏡、掃描模塊（包括共聚焦光路通道和針孔、掃描鏡、檢測器）、數(shù)字信號處理器、計算機以及圖象輸出設(shè)備（顯示器、彩色打印機）等。通過激光掃描共聚焦顯微鏡，可以對觀察樣品進行斷層掃描和成像。因此，可以無損傷的觀察和分析細胞的三維空間結(jié)構(gòu)。同時，通過激光掃描共聚焦顯微鏡也是活細胞的動態(tài)

9、觀察、多重免疫熒光標(biāo)記和離子熒光標(biāo)記觀察的有力工具。,14,Laser Scanning Confocal Microscope,15,16,,,17,,,18,2.2 光學(xué)顯微鏡的極限,透鏡成象公式：,放大率：,當(dāng)u?f，M ? ，是否能看見任何微小的物？,放大倍數(shù)足夠就能觀察到任何微小物體嗎？,19,成象系統(tǒng)的分辨率,由于衍射效應(yīng)，任何一個“點”物，通過理想光學(xué)系統(tǒng)所成象為一個彌散斑，其光強分布如圖：,20,瑞利判據(jù)：當(dāng)一

10、個點物的象的最亮處與臨近另一點物的象的第一個零點重合時，此兩點物的剛好分辨。稱此時的兩點物間的距離為成象系統(tǒng)的分辨率。,21,根據(jù)瑞利判據(jù)給出的分辨率公式:,N.A.為成象系統(tǒng)數(shù)值孔徑:,22,提高分辨率的途徑,1、減小波長,根據(jù)分辨率公式：,（1）使用短波長可見光，如藍光DVD，紫外光刻,（2）使用物質(zhì)波—電子顯微鏡,23,2 增加數(shù)值孔徑（N.A.）,高倍率油浸物鏡物空間填充高折射率的油，提高n值，通常NA大于1。固體浸沒透鏡

11、（SIL）選用高折射率材料，可以使NA大于2。分辨率可以小于200nm。,24,光學(xué)顯微分析技術(shù)的突破--近場掃描光學(xué)顯微鏡（SNOM）( Near-field Scanning Optical Microscope ),1. 顯微分析分辨率 儀器分辨兩個物點的本領(lǐng)。 分辨率極限: 對儀器可分辨的最臨近兩個物點間的距離或角度成為該儀器的分辨率極限。遠場與近場 近場區(qū)域：距物體表面僅僅幾個波長

12、的區(qū)域。 遠場區(qū)域：從近場區(qū)域外至無窮遠處。,25,2. 近場探測原理非輻射場探測器 ——位于距物體一個波長以內(nèi)的位置上，在場傳播以前將其俘獲。 ——探測器位于距離物體表面納米尺度的位置上，既能移動又不碰到樣品。 ——使用點狀探測器逐點成像： 首先收集納米尺度的局部光信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?發(fā)射 到自由空間/以波導(dǎo)方式傳播到探測系統(tǒng)，將逐點采

13、 集的信息掃描成為二維圖像。光學(xué)隧道效應(yīng) ——將介電探針“浸入”隱失場（非輻射場），產(chǎn)生光學(xué)擾動，探針會將隱失場轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑?，把局限在物體近鄰的信息轉(zhuǎn)換出來。,26,光纖傳光是通過全內(nèi)反射原理。但是，當(dāng)光纖直徑小于半個光波長時，光就不能再傳播了。所以，在光纖直徑小于半個波長段，需要鍍金屬膜。這時，不能傳播的光波轉(zhuǎn)換為金屬鍍膜中的倏逝波(evanescent)，沿鍍膜傳播至尖端口，然后再轉(zhuǎn)換為傳播波。但是此傳播波發(fā)散得

14、非?？?，通常僅在小于孔徑直徑的傳播距離內(nèi)保持光束直徑與孔徑相同，所以，樣品必須離尖端很近--近場。,27,SNOM測量實例與比較,多孔二氧化硅表面形貌圖。(a)AFM圖象，(b)SNOM圖象,28,SNOM是一種多功能超分辨顯微儀器,具有AFM的表面形貌測試功能,測試樣品的超分辨發(fā)光特性,測試樣品的超分辨透射特性,測試樣品的超分辨反射特性,幾乎能能測試任何樣品：活生物、有機、無機，導(dǎo)電，絕緣，磁性材料等,缺點：分辨率比AFM和STM低一

15、個數(shù)量級，通常在50nm左右，但目前的發(fā)展趨勢是組合SNOM和AFM，因兩者的差別僅在探針,29,薄膜厚度的光學(xué)測量法不透明薄膜的等厚干涉法(FET)不透明薄膜的等色干涉法(FECO)透明薄膜的變角度干涉法(VAMFO)透明薄膜的等角反射干涉法(CARIS)橢偏光譜法薄膜厚度的臺階機械測量法石英晶體震蕩器法稱重量法,附：薄膜厚度檢測技術(shù),30,常用的薄膜厚度測量方法,31,1 薄膜厚度的光學(xué)測量法,薄膜厚度的測量廣泛用

16、到了各種光學(xué)方法。這是因為，光學(xué)方法不僅可被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜；不僅使用方便，而且測量精度較高。這類方法所依據(jù)的原理一般是不同薄膜厚度造成的光程差引起的光的干涉現(xiàn)象。 光的干涉條件：厚度為d、折射率為n的薄膜在波長為?的單色光源照射下形成干涉的條件。直接反射回來的光束與折射后又反射回來的光束之間的光程差為光波長的整倍數(shù)，相干增強： 2ndcos? = N?相干減弱：2ndcos? = （N+1）?/2,

17、32,33,1 不透明薄膜等厚干涉測薄膜厚度,通過制備樣品時，制作一個臺階； 或薄膜制備后，通過劃痕制作臺階；在薄膜上覆蓋一塊半反半透的平面鏡，由于在反射鏡與薄膜表面之間的不平行，在層反射鏡與薄膜之間光的多次反射導(dǎo)致等厚干涉條紋的產(chǎn)生；在干涉顯微鏡下，觀察等厚干涉條紋；相干增強的條件為：2S+??/2?=N?；并測量出相鄰兩條干涉條紋的間距?0和在臺階處條紋的移動量? ，則薄膜厚度為： d = (?/?0) ?/2,34,干涉顯微

18、術(shù) ——將光波的干涉技術(shù)與顯微鏡結(jié)合起來，利用光的干涉研究物相更細微的表面高度差，觀察數(shù)十納米的高度差。 ——一束單色光射到空氣尖劈上會產(chǎn)生兩束存在一定光程差的光，并產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，在目鏡中可見明暗相間的條紋。 ——不平表面將產(chǎn)生彎曲干涉條紋。根據(jù)干涉條紋的形狀即可檢測樣品表面的細微高度差和平整情況。,35,膜厚：d = (?/?0) ?/2,36,2 橢圓偏振光測量法,光源發(fā)出一定波長的光，非偏振光(自然光)束

19、經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)過1／4波片后，變?yōu)闄E圓偏振光，橢圓偏振光經(jīng)過樣品反射后，偏振狀態(tài)發(fā)生變化，方位與形狀不同于反射前的光．通過分析反射光的偏振狀態(tài)，可以測量薄膜厚度。,37,2 表面粗糙度儀法 –臺階法,用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時記錄下觸針在垂直方向的移動情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗糙度儀法。既可測量表面粗糙度，也可測量薄膜臺階的高度。粗糙度儀觸針的頭部是用金剛石磨成半徑約10-20?m的圓弧后

20、做成的。在觸針上加有1-30 mg的可以調(diào)節(jié)的壓力。垂直位移可以通過機械、電子或光學(xué)的方法被放大幾千倍甚至一百萬倍，并配有CCD攝像儀因而垂直位移的分辨率最高可以達到lnm左右。,38,3 石英振蕩器,與稱重法相關(guān)的另一種薄膜厚度的測量方法是石英晶體振蕩器法。目前，這一方法已被廣泛應(yīng)用于薄膜沉積過程中厚度的實時測量。這一方法的原理是基于石英晶體片的固有振動頻率隨其質(zhì)量的變化而變化的物理現(xiàn)象；一個彈性體的固有振動頻率取決于其尺寸、彈性模

21、量和密度等。對厚度為t的石英晶片，其固有頻率為：f0 = ?/2t ? - 厚度方向的彈性播的波速,39,石英晶片厚度的微小變化?t, 將導(dǎo)致固有頻率的變化 ?f = - ?t*f0/t = - ?m* f0/ ?0 At同樣，當(dāng)石英晶片上沉積了一層其他物質(zhì)時， 其固有頻率也將降低： ?f = -d?f*f0/ ?0t = - 2d ?f*f02/ ?0?當(dāng)選擇f =6MHz, 頻率的測量的準(zhǔn)確度達1Hz時，相