光電功能材料課程-14市公開課一等獎省賽課微課金獎

LB膜LB膜技術(shù)LB膜成膜原理LB膜結(jié)構(gòu)類型及淀積方法

LB膜技術(shù)特點(diǎn)

第1頁Langmuir-Blodgett薄膜Langmuir-Blodgett(LB)膜是一個有序薄膜。LB膜技術(shù)可在分子水平上準(zhǔn)確控制薄膜厚度。

LB膜是用特殊裝置將不溶物膜按一定排列方式轉(zhuǎn)移到固體支持體上組成單分子層或多分子層膜。該膜最早由朗繆爾和布勞杰特提出而得名，是利用langmuir-blodgett技術(shù)制備超薄膜。LB膜研究提供了在分子水平上依照一定要求控制分子排布方式和伎倆，對研制新型電子器件及仿生元件等有廣泛應(yīng)用前景。在微電子技術(shù)中可應(yīng)用它生產(chǎn)高性能集成電路器件第2頁Langmuir-Blodgett薄膜Langmuir-Blodgett(LB)膜是一個有序薄膜。LB膜技術(shù)可在分子水平上準(zhǔn)確控制薄膜厚度。

第3頁LB膜發(fā)展歷史單分子膜研究開始于18世紀(jì)，B.Franklin將一匙油滴在半英畝池塘水面上鋪展開。1890年L.Rayleigh第一次提出單分子膜概念。二十世紀(jì)二三十年代，美國科學(xué)家I.Langmuir系統(tǒng)研究了單分子膜性質(zhì)而建立了完整單分子膜理論。及其學(xué)生K.Blodgett一起建立了一個單分子膜制備技術(shù)，并成功將單分子層膜轉(zhuǎn)移沉積到固體底物之上。上世紀(jì)六十年代，德國科學(xué)家H.Kuhn首先意識到運(yùn)用LB膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子功效組裝并組成份子有序系統(tǒng)。第4頁LB膜技術(shù)所謂LB膜是指將含有親水基和疏水基兩性分子在水面上形成一個分子層厚度膜（即單分子膜）以一定方式累積到基板上技術(shù)，累積于基板上膜稱為LB膜。其制膜過程是先將成膜雙親性分子溶于揮發(fā)性溶劑中，滴在水面上，即可形成成膜分子單分子層，然后施加一定壓力，并依靠成膜分子本身自組織能力，得到高度有序、緊密排列分子，最終把它轉(zhuǎn)移到基片表面

第5頁LB膜成膜原理LB膜材料在亞相上展開機(jī)理經(jīng)典LB膜材料及有序單分子層形成亞相液面上單分子膜特征參數(shù)及狀態(tài)

第6頁LB膜材料在亞相上展開機(jī)理

將一定量微溶物或不溶物B置于液體A上（在LB膜方法中，A稱為亞相），使其開始時以適當(dāng)厚度存在要使成膜材料在亞相上自發(fā)展開，必須將含有低表面張力液體放在高表面張力液體上。反之，高表面張力液體預(yù)期不能在含有低表面張力液體上展開

因?yàn)楸砻娉赡の锓Q重很不方便，所以制備LB膜普通方法是將極其微量成膜材料溶于揮發(fā)性溶劑中，然后滴于亞相表面上，展開成膜。當(dāng)溶劑揮發(fā)后，留下單分子膜。這種揮發(fā)性溶劑在亞相水面上展開系數(shù)必須大于零，才能使鋪展得以進(jìn)行。比如，氯仿、苯等便是滿足此條件溶劑。

第7頁LB膜槽示意圖第8頁LB膜種類X型Y型Z型y型沉積(基片—頭—尾—頭—頭…)基片在上升和下降時均可掛膜.所得LB膜層與層之間是親水面與親水面,疏水面與疏水面相接觸.這種形式最為常見.z型沉積(基片—頭—尾—頭—尾…)與x—型膜相反,基片上升時掛膜,下降時不掛.要求基片表面為親水性x型沉積(基片—尾—頭—尾—頭…)，基片只在下降時掛上單分子膜,而在上升時不掛膜.所得膜特點(diǎn)是每層膜疏水面與相鄰親水面接觸.所用基片表面應(yīng)是疏水性.第9頁LB膜結(jié)構(gòu)類型

第10頁LB層狀膜結(jié)構(gòu)~10nmHeadtoheadTailtotailHeadtotailTailtoheadXYZ第11頁經(jīng)典LB膜材料及有序單分子層形成

LB成膜材料必須含有雙親基團(tuán)（也稱作兩性基團(tuán)），即親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，而且親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)百分比應(yīng)比較適當(dāng)。首先，分子應(yīng)該含有與水有一定親協(xié)力親水端，另首先，分子應(yīng)該同時含有足夠長疏水端，使分子能都在水面上鋪展而不溶解。假如作為分子整體親水性強(qiáng)，則分子就會溶于水，假如疏水性強(qiáng)，則會分離成相。正是這種既親水又疏水特殊LB膜材料，才能夠保持“兩親媒體平衡”狀態(tài)，它能夠在適當(dāng)條件下鋪開在液面上形成穩(wěn)定單分子膜，而又不凝聚成單獨(dú)相，從而能夠直接淀積于基板上形成LB膜?？梢娪H水基和疏水基具備對于LB膜形成含有主要意義。*相：系統(tǒng)中含有相同化學(xué)屬性和物理特征一個狀態(tài)。第12頁常見親水基和疏水基親水基：—COOK—SO3Na—COONa—SO3Na—N(胺)—COOH—OH等疏水基：—CH2—

—CH2=CH—

—CH2—CO—CH2—

—CF2—

—CF3等

第13頁先將兩性成膜材料溶解到諸如氯仿等有機(jī)溶劑中，再將其滴注到亞相液面上，待亞相液面上溶劑揮發(fā)后，含有雙親基團(tuán)分子便留在液面上。親水與疏水共同作用結(jié)果是：在液面上形成單分子層，親水基團(tuán)位于靠近水一側(cè)，而疏水基團(tuán)則位于空氣一側(cè)當(dāng)用擋板對亞相液面上單分子層進(jìn)行壓縮時，因?yàn)橛H水基團(tuán)和疏水基團(tuán)作用，就使得分子一個個整齊地“站立”于亞相表面上，從而形成了整齊有序密集排列單分子層

氣—液界面上單分子層示意圖

整齊排列單分子層示意圖

第14頁亞相液面上單分子膜特征參數(shù)及狀態(tài)

表面壓π

表面電勢

表面粘度

第15頁表面壓π

不溶物或難溶物L(fēng)B膜材料在亞相水面上形成單分子層后，表面膜中分子含有二維空間熱運(yùn)動，這種熱運(yùn)動將對四面圍邊緣產(chǎn)生壓力，這種壓力與純?nèi)軇r表面分子產(chǎn)生壓力是不等，這就是表面壓（又稱為膜壓）起源。我們定義表面壓為純?nèi)軇┍砻鎻埩0與沉積了膜后表面張力r之差。（單位：mN/m或dyn/cm）

膜壓π測定方法通常有以下兩種：第一個是Wilhelmy吊片法；第二種是用膜天平直接測定壓力π。

第16頁表面電勢

表面電勢是指液體表面和金屬探針表面之間Volta電勢差。在鋪膜前后，這種電勢差是不一樣。

第17頁①氣態(tài)膜在此狀態(tài)下，每個分子所占面積很大，分子自由地浮動，大多數(shù)分子平躺在亞相表面上，彼此間沒有多大作用力，分子之間相互孤立，呈二維氣體狀態(tài)。此時表面壓普通在0.01-0.001mN/m，靠近于零。理想π-A等溫曲線

第18頁②液態(tài)膜伴隨擋板對單分子層擠壓，表面積縮小，分子間作用力逐步增加，壓縮使氣態(tài)膜逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎S液態(tài)膜。液態(tài)膜含有粘結(jié)性，有一定程度協(xié)同相互作用，也稱為流動態(tài)膜。其π-A曲線外推到π為零時面積比分子實(shí)際橫截面積大，結(jié)構(gòu)上含有一定渙散性或無組織性。它又能夠詳細(xì)地分為液態(tài)擴(kuò)張膜和液態(tài)凝聚膜。第19頁③固態(tài)膜在此狀態(tài)下，單分子層中分子盡可能靠近。這種構(gòu)型中，表面膜分子垂直或以某一角度傾斜于底相表面，是一個密度大而又堅(jiān)硬或可塑相。此時膜就是LB膜，是我們所需要單一、均勻分子膜。其可壓縮性很低，π-A曲線幾乎是垂直，此時狀態(tài)方程近似為（其中a，b為常數(shù)）第20頁當(dāng)擋板繼續(xù)移動，因?yàn)樵竭^單分子膜彈性程度，膜就產(chǎn)生重合。最終會造成π-A曲線拐折或斷裂，密集排列單分子層瓦解，有可能凝聚成核至核體，或者形成雙分子層或多分子層。由圖可知，不一樣狀態(tài)在π-A曲線上都有一拐點(diǎn)和突變。經(jīng)過分析π-A曲線在各個狀態(tài)時表面壓，就能夠確定單分子層累積最正確表面壓，取得完整、均一、無缺點(diǎn)單分子層。

第21頁LB膜淀積方法

當(dāng)前制備LB薄膜主要方式有，垂直提拉法、水平附著法、亞相降低法、單分子層掃動法、擴(kuò)散吸附法等等。第22頁（1）垂直提拉法

利用適當(dāng)機(jī)械裝置，將固體（如玻璃載片）垂直插入水面，上下移動，單分子膜就會附在載片上而形成一層或多層膜。

第23頁（2）水平附著法在拉膜前，首先將固體載片上涂敷一層硬脂酸，然后將其水平接觸液面上單分子層膜（如圖所表示）。同時將擋板置于固體載片兩側(cè)，提拉固體載片。重復(fù)此過程，就可形成X型LB膜。它能夠很好地保留分子在液面上凝聚態(tài)和取向。

第24頁LB膜技術(shù)特點(diǎn)

LB膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)LB膜技術(shù)缺點(diǎn)第25頁LB膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)（1）膜厚為分子級水平（納米數(shù)量級），含有特殊物理化學(xué)性質(zhì)；（2）能夠制備單分子膜，也能夠逐層累積，形成多層LB膜或超晶格結(jié)構(gòu)，組裝方式任意選擇；（3）能夠人為選擇不一樣高分子材料，累積不一樣分子層，使之含有各種功效；（4）成膜可在常溫常壓下進(jìn)行，不受時間限制，所需能量小，基本不破壞成膜材料高分子結(jié)構(gòu)；（5）LB膜技術(shù)在控制膜層厚度及均勻性方面遠(yuǎn)比常規(guī)制膜技術(shù)優(yōu)越；（6）可有效地利用LB膜分子本身組織能力，形成新化合物；LB膜結(jié)構(gòu)輕易測定，易于取得分子水平上結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系。

第26頁LB膜技術(shù)缺點(diǎn)（1）因?yàn)長B膜淀積在基片上時附著力是依靠分子間作用力，屬于物理鍵力，所以膜機(jī)械性能較差；（2）要取得排列整齊而且有序LB膜，必須使材料含有兩性基團(tuán)，這在一定程度上給LB成膜材料設(shè)計(jì)帶來困難；（3）制膜過程中需要使用氯仿等有毒有機(jī)溶劑，這對人體健康和環(huán)境含有很大危害性；(4)制膜設(shè)備昂貴，制膜技術(shù)要求很高。

第27頁LB膜材料基本要求1.兩親性材料成膜分子通常含有兩親性：親水端，如－COOH；疏水脂肪鏈（C16－C22）。第28頁2.溶劑選擇化學(xué)惰性，不與成膜物質(zhì)和亞相反應(yīng)；對成膜物質(zhì)有足夠溶解能力；不溶解于亞相；揮發(fā)速度適中；含有相對較低密度；高純度。第29頁3.亞相

亞相通常為超純水，有時也會引入金屬離子。第30頁4.基片慣用基片有石英玻璃、硅片、CaF2片、云母片、ITO導(dǎo)電玻璃、不銹鋼片、半導(dǎo)體基片和鉑、金等金屬片。基片用于沉積LB膜之前經(jīng)常要進(jìn)行親水或疏水處理。第31頁LB膜應(yīng)用：

電子束刻蝕、潤滑材料、分子導(dǎo)線和二維導(dǎo)電膜、超薄絕緣膜、液晶器件（鐵電液晶表面取向）、光電轉(zhuǎn)換膜（分子電池和分子開關(guān)）、電光轉(zhuǎn)換膜（電致發(fā)光平板彩色顯示器）、光致變色膜（高密度并行多信號統(tǒng)計(jì)材料、非線性光學(xué)膜（各種非線性器件）、各類傳感器（紅外，氣敏等）、仿生膜（嗅覺、視覺等人工器件）等等第32頁表面分子自組裝研究及應(yīng)用第33頁SA（selfassembly)膜自組裝定義自組裝膜主要特點(diǎn)單分子自組裝膜介紹硅烷衍生物SA多層膜含有非線性光學(xué)特征無中心對稱SA膜靜電力自組裝沉積多層膜第34頁所謂自組裝(self-assembly)，顧名思義就是自發(fā)地組裝，通常是經(jīng)過分子間化學(xué)鍵或超分子作用在一定條件下自發(fā)地形成特定有序結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，自組裝體系研究不但限于膜體系，還包含納米管、微陣列等組裝。分子自組裝定義第35頁自組裝膜主要特點(diǎn)自組裝膜是自組裝技術(shù)研究中最先研究也是最可能在電子器件中得到實(shí)際應(yīng)用體系，是含有一定功效特征分子經(jīng)過化學(xué)鍵作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面而形成熱力學(xué)穩(wěn)定和能量較低有序膜。其主要特點(diǎn)為：(1)原位自發(fā)形成；(2)熱力學(xué)穩(wěn)定；(3)不論基底形狀怎樣，其表面均可形成均勻一致覆蓋層；(4)高密度堆積和低缺點(diǎn)濃度；(5)分子有序排列；(6)可經(jīng)過人為設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)來取得預(yù)期界面物理和化學(xué)性質(zhì)；(7)有機(jī)合成和制膜有很大靈活性和方便性第36頁單分子自組裝膜介紹

自組裝成膜技術(shù)在1946年最先由Bigelow等人進(jìn)行了描述，其合作者Zisman在1964年說明了自組裝成膜原理[32]。Sagiv在1980年首次報(bào)道了自組裝單分子膜，他報(bào)道了在固體基片表面組裝氧硅烷結(jié)果，從此將自組裝膜技術(shù)成為一個專門成膜技術(shù)進(jìn)行研究。早期相關(guān)自組裝膜報(bào)道主要集中于單分子膜自組裝，且組裝分子與基底多是經(jīng)過共價鍵連接。硅烷在硅表面、硫醇在金表面自組裝單分子膜是研究最多體系。下列圖為SA單分子膜成膜示意圖：溶液中組裝分子反應(yīng)基與基片表面發(fā)生連續(xù)化學(xué)反應(yīng)，在基片表面形成化學(xué)鍵連接，取向緊密排列有序排列單層膜。

單分子SA膜組裝示意圖

第37頁自組裝薄膜特征其主要特征：(1)原位自發(fā)形成；(2)熱力學(xué)穩(wěn)定；(3)不論基底形狀怎樣，其表面均可形成均勻一致覆蓋層；(4)高密度堆積和低缺點(diǎn)濃度；(5)分子有序排列；(6)可人為設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)來取得預(yù)期界面物理和化學(xué)性質(zhì)；(7)有機(jī)合成和制膜有很大靈活性.

第38頁

早在1946年，Zisman創(chuàng)造了用吸附(自組裝)方法在潔凈金屬表面制備單分子層方法，當(dāng)初因?yàn)闆]有意識到自組裝潛在優(yōu)勢，所以沒有激發(fā)多少科學(xué)家興趣。（BigelowWC,PickettDL,ZismanWA.J.ColloidInterfaceSci.,1946,1:513-517）

1980年德國GottingenKuhn試驗(yàn)室.經(jīng)過多年實(shí)踐，他們用氯硅烷衍生物在玻璃表面進(jìn)行組裝，得到了疏水單分子膜［4］真正相關(guān)自組裝早期研究工作始.（SagivJ.J.Am.Chem.Soc.,1980,102:92-98）

1983年，Nuzzo等用二正烷基二硫醚稀溶液在金表面進(jìn)行組裝，得到了硫醇單分子層.從此自組裝技術(shù)才真正引發(fā)人們重視，而且得到了廣泛研究，建立了各種自組裝體系.（NuzzoRG,AllaraDL.J.Am.Chem.Soc.,1983,105:4481-4483）自組裝薄制備發(fā)展簡史第39頁自組裝過程將預(yù)先清洗和表面活化基板浸泡在含有表面活性物質(zhì)溶液，經(jīng)過表面活性物質(zhì)活性基團(tuán)和基板相連接，在基板上形成致密有序自組裝薄膜。第40頁慣用活性基團(tuán)有：－COOH、－PO3-、－SO3-、－OH、－NH2等等基板能夠是：金屬（如Au、Ag等等）金屬氧化物（如AgO、CuO、Al2O3、ITO等等）非金屬氧化物（如石英、玻璃等）半導(dǎo)體材料（如硅、鍺等）等等溶液濃度依據(jù)詳細(xì)體系而定，普通比較希，大約10-3－10-4mol/L.第41頁自組裝驅(qū)動力：靜電自組裝氫鍵自組裝共價自組裝配位自組裝等等第42頁

靜電自組裝膜陽離子與陰離子以靜電吸引形成自組裝膜。第43頁氫鍵自組裝Langmuir1999,15,1360-1363第44頁共價自組裝RSH+Au0nRS-Au+Au0n-1+1/2H2AssemblySolutionAu基片共價自組裝SynthesisSHNO2第45頁配位鍵自組裝Langmuir1999,15,4842-4846第46頁

自組裝驅(qū)動力種類還有很多，比如離子鍵組裝、電荷交換組裝等，也能夠是兩種或各種驅(qū)動力共同作用自組裝。第47頁表面分子自組裝常見體系LLLLM囊狀體系(cagetypesystem)HHG主客體系(host-guestsystem)ABCD層狀薄膜體系(hierarchicallayerssystems)第48頁層狀薄膜體系層狀薄膜是基于分子界面組裝來實(shí)現(xiàn),構(gòu)筑和功效層狀組裝超薄膜一直是超分子化學(xué)研究熱點(diǎn)制備方法主要分為三大類:LB膜技術(shù)化學(xué)吸附自組裝技術(shù)交替沉淀技術(shù)第49頁化學(xué)吸附薄膜化學(xué)吸附薄膜種類化學(xué)吸附薄膜形成第50頁交替沉淀組裝膜NH2NH2NH2NH2NH2NH2NH2HOOCHOOCHOOCCOOHCOOHCOOHO2SO2SO2SSO2CuSO2CuSO2Cu靜電組裝氫鍵組裝配位鍵組裝polycationWaterpolyanionWaterdryrinserinsedry第51頁囊狀材料制備機(jī)械性能熱穩(wěn)定性電化學(xué)性質(zhì)滲透調(diào)控性能囊狀材料是經(jīng)過成膜物質(zhì)將囊內(nèi)空間與囊外空間隔開以形成特定幾何結(jié)構(gòu)物質(zhì)第52頁

自組裝在納米材料制備中應(yīng)用Moore’sLawTrendLine1cm1

m50nm1-5nm1st

transistor1stintegratedcircuitlMtransistorsperchipHybridnanoelectronicsFig.1“Moore’sLaw”plotoftransistorsizevsyear19501960197019801990當(dāng)代電子工業(yè)對信息處理要求更加快、對信息儲存更大，這就要求對應(yīng)電子元件體積微型化傳統(tǒng)電子器械缺點(diǎn)現(xiàn)有尺度快抵達(dá)了極限尺度微型化后，電子通道之間會發(fā)生干擾第53頁光刻技術(shù)及其應(yīng)用加工方法：電磁輻射技術(shù)：光子輻射源：加工尺度受到光衍射限制高能粒子為輻射源：體系易受到高能粒子束而損害（尤其是蛋白質(zhì)、多肽等生物體系）分子自組裝技術(shù)：加工尺度1~100nm相互作用多為弱相互作用光刻技術(shù):將原始模板圖案復(fù)制到固體基底上技術(shù)總稱第54頁光電分子器械受體底物超分子分子器件化學(xué)調(diào)控光化學(xué)調(diào)控電化學(xué)調(diào)控第55頁Biotinylatedcysteine

-HistidinetagsBiomolecularmotornanopropellerNipost生物馬達(dá)Science,,290,1555biomolecularmotor第56頁分子自組裝即使取得了一定進(jìn)展，不過現(xiàn)有體系依然存在許多不足：展望制備方法：體系精細(xì)結(jié)構(gòu)控制研究體系拓展，從現(xiàn)在靜態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到類似生物細(xì)胞動態(tài)體系超分子體系功效擴(kuò)展：使體系含有智能化、微型化、功效集成化和自適化、自修復(fù)和自進(jìn)化能力器件第57頁掃描探針技術(shù)：表面形貌，如：原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM)和近場光學(xué)顯微鏡等電鏡紫外-可見光譜；紅外光譜；熒光光譜橢偏儀電化學(xué)：氧化還原性質(zhì)和表面覆蓋率等小角-X射線衍射：表征層狀有序結(jié)構(gòu)X-射線光電子能譜(XPS):組成份析等等……薄膜表征方法第58頁1982年，國際商業(yè)機(jī)器企業(yè)蘇黎世試驗(yàn)室葛·賓尼(GerdBinnig)博士和海·羅雷爾(HeinrichRohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡稱STM)。使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面排列狀態(tài)和與表面電子行為相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)。STM1986年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。葛·賓尼(GerdBinning)?！ち_雷爾(HeinrichRohrer)第59頁STM結(jié)構(gòu)及原理當(dāng)樣品與針尖距離非?？拷鼤r(通常小于1nm)，在外加電場作用下，電子會穿過兩個電極之間勢壘流向另一電極。隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。所以，依據(jù)隧道電流改變，我們能夠得到樣品表面微小高低起伏改變信息。第60頁隧道電流改變曲線

Ro與樣品表面相關(guān)參數(shù)；?Z有0.1nm改變；?IT即有數(shù)量級改變隧道電流改變曲線

第61頁原子力顯微鏡(AFM)

利用一個對微弱力極敏感微懸臂，其末端有一微小針尖，因?yàn)獒樇饧舛嗽优c樣品表面原子間存在極微弱排斥力，經(jīng)過掃描時控制這種力恒定，同時利用光學(xué)檢測法能夠測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)位置改變，從而能夠取得樣品表面形貌信息。第62頁近場光學(xué)顯微鏡介紹第63頁工作原理光束從棱鏡一側(cè)入射，在界面發(fā)生內(nèi)全反射，因而在樣品附近存在隱失場。光纖探頭靠近樣品表面，發(fā)生隱失波耦合，經(jīng)過光纖把光強(qiáng)信號輸出，光電倍增管把光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大，由三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、反饋和壓電晶體管，組成一個(x,y)掃描和縱向z測控系統(tǒng)，確保(x,y)掃描過程中針尖和樣品距離不變。因?yàn)殡[失波在縱向?yàn)橹笖?shù)衰減，反應(yīng)敏感，當(dāng)樣品有微小起伏時，測控系統(tǒng)便發(fā)出控制信號，使針尖降升，從控制信號能夠獲知全反射面上樣品型貌第64頁另外兩種工作模式第65頁近場光學(xué)顯微鏡第66頁第67頁電子顯微鏡：電子顯微鏡，簡稱電鏡，是依據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高放大倍數(shù)下成像儀器。電子顯微鏡慣用有透射電鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope,SEM）。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。與光鏡相比電鏡用電子束代替了可見光，用電磁透鏡代替了光學(xué)透鏡并使用熒光屏將肉眼不可見電子束成像。第68頁電子顯微鏡：傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨本事受限于光波長，使用短波長光照明是提升顯微鏡分辨本事路徑之一。利用運(yùn)動電子含有波動性制造電子顯微鏡，因?yàn)殡娮拥虏剂_意波長極短，所以它有極高空間分辨本事。電子顯微鏡分辨本事，電子束發(fā)散角較小，u0~0.16rad；電子波長取決于電子加速電壓：加速電壓電子波長分辨本事有效放大率104V1.210-2nm510-2nm2106105V3.710-3nm1.510-2nm6106第69頁1986年諾貝爾物理學(xué)獎二分之一授予德國柏林弗利茲-哈伯學(xué)院（Fritz-Haber-InstitutderMax-Planck-Gesellschaft）恩斯特·魯斯卡（ErnstRuska，1906-1988)，以表彰他在電光學(xué)領(lǐng)域做了基礎(chǔ)性工作，并設(shè)計(jì)了第一架電子顯微鏡；另二分之一授予瑞士魯希利康（Rüschlikon）IBM蘇黎世研究試驗(yàn)室德國物理學(xué)家賓尼希（GerdBinnig，1947-）和瑞士物理學(xué)家羅雷爾（HeinrichRohrer，1933-)以表彰他們設(shè)計(jì)出了掃描隧道顯微鏡。TECNAIF30場發(fā)射透射電鏡點(diǎn)分辨率：0.205nmpointat300kV

線分辨率：0.102nmlineat300kV

環(huán)境可控掃描電鏡

特點(diǎn):圖像分辨率高對任何樣品無需處理，可直接進(jìn)行觀察；進(jìn)行動態(tài)反應(yīng)過程直接觀察。第70頁用電子顯微鏡拍攝苯分子照片第71頁傅立葉變換紅外光譜儀傅里葉變換紅外光譜儀（FourierTransformInfraredSpectrometer，簡寫為FTIRSpectrometer）,簡稱為傅里葉紅外光譜儀。它不一樣于色散型紅外分光原理，是基于對干涉后紅外光進(jìn)行傅里葉變換原理而開發(fā)紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動鏡、定鏡）、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。能夠?qū)悠愤M(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)境保護(hù)、海關(guān)、寶石判定、刑偵判定等領(lǐng)域。第72頁傅立葉變換紅外光譜儀VECTOR22付立葉紅外光譜儀

主要技術(shù)指標(biāo)：

波數(shù)范圍：7500-370cm-1

分辨率：1cm-1

操作系統(tǒng):OPUS/IR

主要應(yīng)用：物質(zhì)定性、定量分析

生產(chǎn)廠家：德國Bruker企業(yè)基本原理光源發(fā)出光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射抵達(dá)動鏡，另一束經(jīng)反射抵達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動鏡反射再回到分束器，動鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動，因而經(jīng)分束器分束后兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會合后經(jīng)過樣品池，經(jīng)過樣品后含有樣品信息干涉光抵達(dá)檢測器，然后經(jīng)過傅里葉變換對信號進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長紅外吸收光譜圖。

第73頁Self-assembledmonolayers(SAMs)of4,4'-terphenyl-substitutedalkanethiolsC6H5(C6H4)2(CH2)n-SH(TPn,n=1-6)onAu(111)substrateswerestudiedusinginfraredreflectionabsorptionspectroscopy(IRRAS).紅外光譜研究自組裝薄膜材料Langmuir,

22(8),3647-3655,

第74頁橢偏儀光譜型橢偏儀是一個用于探測薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)光學(xué)測量設(shè)備。因?yàn)榕c樣品非接觸，對樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一個極具吸引力測量設(shè)備第75頁橢偏儀早些年，橢偏儀工作波長為單波長或少數(shù)獨(dú)立波長，最經(jīng)典是采取激光或?qū)﹄娀〉葟?qiáng)光譜光進(jìn)行濾光產(chǎn)生單色光源?，F(xiàn)在大多數(shù)橢偏儀在很寬波長范圍內(nèi)以多波長工作（通常有幾百個波長，靠近連續(xù)）。和單波長橢偏儀相比，多波長光譜橢偏儀有下面優(yōu)點(diǎn)：能夠提升多層探測能力，能夠測試物質(zhì)對不一樣波長光波折射率等。橢偏儀光譜范圍在深紫外142nm到紅外33µm可選。光譜范圍選擇取決于被測材料屬性、薄膜厚度及關(guān)心光譜段等原因。比如，摻雜濃度對材料紅外光學(xué)屬性有很大影響，所以需要能測量紅外波段橢偏儀；薄膜厚度測量需要光能穿透這薄膜，抵達(dá)基底，然后并被探測器檢測到，所以需要選取該待測材料透明或部分透明光譜段；對于厚薄膜選取長波長更有利于測量。

第76頁厚度-層數(shù)關(guān)系橢偏儀對多層自組裝檢測第77頁X射線光電子能譜分析X射線光電子能譜分析(X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis)1887年，HeinrichRudolfHertz發(fā)覺了光電效應(yīng)。二十年后19，P.D.Innes用倫琴管、亥姆霍茲線圈、磁場半球(電子能量分析儀)和照像平版做試驗(yàn)來統(tǒng)計(jì)寬帶發(fā)射電子