① 2020.02.03小劉科研筆記之材料的表徵方法
形貌、成分和結構的表徵是材料的生長、鑒別、加工、研究和應用等過程中很重要的一個步驟。材料的表徵方法按照實驗數據類型可以分為圖像類和譜圖類兩類，其中圖像類有SEM、FIB-SEM、AFM和TEM等；譜圖類有XPS、XRD、Raman、FT-IR、UV-vis、NMR、XAS以及配合電鏡使用的EELS和EDS等。
SEM、FIB-SEM和AFM主要用來表徵材料的形貌特徵，TEM、EELS、EDS 、XPS、XRD、Raman、FT-IR、UV-vis、NMR和XAS主要用來表徵材料的晶體結構、成分和化學鍵信息。
1.SEM
SEM是最廣泛使用的材料表徵方法之一。它具備較大的景深、較寬的放大范圍和納米級甚至亞納米級高解析度的成像能力，可以對復雜的、粗糙的表面形貌進行成像和尺寸測量，配合背散射電子探頭可以分析一些材料的成分分布。另外，結合截面樣品的制備，SEM還可以對樣品的截面形貌進行表徵和尺寸測量。圖1是將硅襯底上生長的SiNX層刻蝕為周期性光柵結構，由其截面SEM圖可以測量出，光柵開口為302.3nm，刻蝕深度為414.7nm，陡直度為90.7°，光刻膠殘余為49.0nm。
2.FIB-SEM
FIB-SEM是在SEM的基礎上增加了聚焦離歷配子束鏡筒的雙束系統，同時具備微納加工和成像的功能，在材料的表徵分析中具有重要的作用。首先，FIB-SEM可以准確定點制備材料的截面樣品，並對其進行形貌表徵和尺寸測量，廣泛應用於晶元失效分析和材料研究；另外FIB-SEM可以對材料進行切片式的形貌和成分三維重構，揭示材料的內部三維結構。圖2是頁岩內部5×8×7微米范圍的三維重構結果，其分辯率可達納米級，展示了頁岩中孔隙、有機質、黃鐵礦等的三維空間分布，並可以計算出孔隙的半徑大小、體積及比例。FIB-SEM還有純爛叢很多其他的強大功能，例如復雜微納結構加工、TEM制樣、三維原子探針制樣和晶元線路修改等。
3.AFM
AFM是另一種用來表徵材料形貌的常用技術。和SEM相比，AFM的優勢是可以對空氣和液體中的材料進行成像，另外它測量材料表面粗糙度和二維材料及准二維材料厚度的精度非常高。圖3是在石墨炔的邊緣得到的AFM圖，可以得出石墨炔的厚度約為2.23nm，大約是6層石墨炔原子層。
4.TEM透射電鏡
TEM以及它的附件（電子衍射、EDS、EELS、各種樣品桿）是用來表徵材料的形貌、晶格結構和成分最有效的方法之一。比較經常用到的基於TEM的技術有以下幾種。
4.1 LMTEM
LMTEM（低倍TEM）可以用來觀察材料的整體形貌和尺寸做櫻，辨別材料的不同形態。與掃描電鏡相比，LMTEM解析度更高一些，制樣復雜一些，是三維結構的二維投影。圖4a和b分別是石墨炔納米線和薄膜的LMTEM圖，可以很明顯的揭示出石墨炔的不同形態。LMTEM圖也可以分別展示出石墨炔納米線和薄膜的直徑和面積等尺寸信息。
4.2 SAED
SAED（選區電子衍射）經常用來表徵材料的晶體結構、結晶性，以及輔助樣品桿轉正帶軸，得到高質量HRTEM像。圖5是一個利用SAED判斷ZnO/Ga2O3異質結微米線優先生長晶向的例子。首先沿如圖5a插圖所示微米線的長軸方向提取薄片製成TEM樣品（圖5a），然後在ZnO處做選區電子衍射（圖5b），並標定出沿微米線長軸方向的衍射斑間距，算出其對應的晶面間距為0.26nm；最後與ZnO的標准PDF卡片對比，得出微米線優先生長的晶向為[001]，即c軸。
4.3 HRTEM
HRTEM是一種比SAED更快、更直觀的表徵材料晶面間距和結晶程度的技術。圖6a是GDY(石墨炔)/CuO復合物的HRTEM像。從圖中測量出的0.365nm和0.252nm分別與GDY層間距和CuO的（-111）晶面間距的理論值一致，從而確定該復合物是GDY和CuO的復合物。另外，從GDY和CuO界面處的HRTEM可以很直觀的看出GDY和CuO之間有很好的結合。
4.4 EDS
EDS做為TEM和SEM的附件，可以用來分析材料的成分的組成和分布。而對於TEM，需要在其STEM成像模式下，才可以進行EDS mapping，揭示材料的成分分布。GDY/CuO復合物的STEM像和對應的EDS 元素mapping如圖7所示。EDS mapping圖表明該材料由C、Cu、O三種元素組成，還可以直觀的看出復合物中的CuO被GDY成功的包裹在裡面。
4.5 EELS
EELS（電子能量損失譜）是另一種類似於EDS的用於分析材料的成分組成和分布的技術。EELS和EDS之間的區別有：EELS和EDS分別更適用於輕和重元素；EELS還可以分析材料中元素的成鍵態；
另外，EELS還可以用來測量材料的厚度，其簡單原理是收集記錄樣品的具有zero-loss peak的EELS譜，然後將zero-loss peak的面積積分I0與整個光譜的面積積分It比較，即可得出樣品的厚度t=ln(It/I0)* λ，其中λ是所有非彈性散射電子的總平均自由程{參考文獻6}。
參考文獻
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