1、纳米测量概述纳米测量的特点 测量材料的微观形貌、结构和成分 微米测量0.1 m0.1mm ：研究top-down特性，服务于精密制造和微加工 纳米测量1nm0.1m：研究bottom-up特性，服务于材料工程和纳米科学 涉及物理学的基本理论和现象 采用基于各种物理效应和理论的分析技术 测量仪器的量值统一性和溯源性有待解决 纳米计量 以纳米级不确定度测量纳米尺度下的尺寸和位移 纳米标准样品的制作和纳米测量仪器的校准 2纳米尺度 原子直径约为几个埃 10个氢原子肩并肩排列的长度约为1 纳米 1 个DNA 分子的宽度约为2.5纳米 血红细胞的直径约为几个 微米 纳米相当于几个原子排列 在一起 的长度
2、 3基本概念 原子 元素和元素周期表 物态：气、液、固 化学键：离子键、共价键 、金属 键 原子的尺寸 分子间作用力：取向力、 诱导力 、色散 力 45纳米材料的基本单元 0 维单元：三维尺度都在纳米 范围 纳米颗粒，原子团簇，纳米尺度的孔洞 1 维单元：有两维尺度在纳米 范围 纳米丝，纳米棒，纳米管 2 维单元：有一维尺度在纳米 范围 纳米薄膜，超晶格 纳米材料是指在三维空间 中至少 有一维 处于纳 米尺度范围或由它们作为 基本单 元构成 的材料 6纳米材料的分类 纳米粉末 纳米纤维 纳米薄膜 纳米块体 纳米复合材料 纳米结构 7纳米固体 纳米纤维、纳米薄膜，纳 米块体 晶体、准晶体、非晶体
3、 金属、离子键晶体、半导 体、陶 瓷等 纳米相材料、纳米复合材 料 8纳米材料的结构表征 粉末：颗粒形貌和粒度 纤维：直径、长度、形状 等 薄膜：薄膜厚度 晶体：晶格参数 固体：微观结构和表面特性（包括表 面微 观形貌和成分分布） 9纳米测量技术 激光粒度分析技术 椭圆偏振光薄膜测量仪 X射线衍射技术XRD 透射电子显微镜TEM 扫描电子显微镜SEM 扫描探针显微镜SPM （扫描 隧道显 微镜STM和 原子力 显微镜AFM ） 固体表面分析技术(各种能量探针和能谱分 析技术 ） 纳米压痕/ 划痕技术 纳型传感器（化学、生物传感器，基 于纳米 材料的 新型传 感器） 10实验安排 时间 内容 地
4、点 10.26 XRD 材料系中心实验室 （逸夫楼1147 ） 10.28 STM 中科院物理所 11.02 TEM, SEM 材料系电镜中心 （东主楼11 区1 层西侧） 11激光散射粒度分析技术基本概念 颗粒：一种分离的低气孔率粒子单体，其特点是不可 渗透性 晶粒：一个单晶体，晶粒内部物质均匀，无晶界和气 孔存在 团聚体：一次颗粒通过表面力吸引或化学键键合形成 的二次颗粒 13基本概念 分散系：一个相以颗粒状态分布在另一个相中，前者 称为分散相，后者称为连续相或分散介质 悬浮液：固体分散于液体中 乳状液：液体分散于另一种不相溶的 液体中 气悬浮体：固体分散于气体中 气溶胶；液体分散于气体中
5、 气泡：气体分散于液体中 泡沫材料：气体分散于固体中 粒度：颗粒的大小 粒度测量：测量连续相中的分散相的大小及分布规律 等效粒径 粒度分布 14粒度测量 等效粒径 符号 名称 定义 dv 体积直径 与颗粒同体积的球直径 ds 表面积直径 与颗粒同表面积的球直径 df 自由下降直径 相同流体中与颗粒同密度和相同自由下降速度的球直径 dst 斯托克斯直径 层流颗粒的自由下落直径 dc 周长直径 与颗粒投影轮廓相同周长的圆直径 da 投影面积直径 与处于稳态下颗粒相同投影面积的圆直径 dA 筛分直径 颗粒可通过的最小方孔宽度 15粒度测量 颗粒系 单分散系：组成颗粒系的所有颗粒均具有相同或近似 相同
6、的粒径 多分散系：由大小不一的颗粒组成的颗粒系 粒度分布：组成颗粒系中 所有颗 粒粒径 大小的 分布规律 频率分布：与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百 分含量 累计分布：小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的 百分含量 16粒度测量 粒度分布的直方图和曲线 17粒度参数 最多数径d mode： 频率分布曲线最高峰对应的粒径 平均粒径 中位径d 50： 累积分布曲线上占颗粒总数为50% 所对应的粒径 分布宽度 = = n i i i d f n d 1 1 50 10 90 d d d SPAN = 对于一定粒度分布的颗粒 系，通 常用具 有统 计意义的数值来表征整个 颗粒系 的粒径 大小 18
7、光散射理论 瑞利散射：d （通常d0.1 ） 4 2 V I 19光散射理论 米氏散射 ( ) ( ) ( ) a P n r V I I r , cos 1 1 2 2 2 2 2 4 2 2 0 + = 不同大小的颗粒有不同的 散射光 强角分 布 根据散射光强角分布可以 分析粒 度信息 20光散射理论 夫琅和费衍射 d = sin ( ) ( ) = 0 2 1 22 1 da a J a n a I 不同大小的颗粒有不同的 衍射角 和衍射 强度 可以从衍射图样I() 中分析出颗 粒的粒 径分布n(a) 21激光散射粒度分析仪 22多分散系的测量问题 仪器要能够将大颗粒产生的小角度衍 射光
8、与 到达探 测 器中心的未散射光严格区分开 较小的颗粒产生的散射角范围很大， 因此除 了焦平 面 探测器外，还要在大角度散射范围甚 至背散 射范围 放 置探测器 对于体系中粒径远小于入射光波长的 颗粒， 其散射 光 不会在探测器上形成特定的空间分布 ，而是 会成为 噪 声，仪器无法对其进行测量 23局限性 对多分散体系和不规则颗粒的测量误 差大 不同的散射理论有不同的 应用范 围 散射理论基于球形模型 不能测量粒径远小于入射 光波长 的颗粒 不能测量高浓度样品 24激光相关光谱粒度分析法（光子相关 光谱法 ） 动态光散射分析法 颗粒的布朗运动使散射光 产生了 一定的 频移 空间某点散射光强的时
9、间 相关函 数的衰 减与颗 粒粒度 的大小 存在一一对应的关系 检测散射光强随时间的变 化，并 进行相 关运算 可以得 到颗粒 粒度大小 测量的是颗粒系的平均粒 径，不 能得到 粒度分 布 适于测定亚微米到纳米级 颗粒， 测量范 围为1nm5m 25其他粒度分析技术 显微镜法 沉降法 电超声法 布朗运动法 电泳法 质谱法 26等效粒径问题 由于不同粒度分析方法的 物理基 础不同 ，同一 样品用不同的测量方法得 到的粒 径的物 理意义 甚至粒径大小也不同。因 此对于 不同原 理的粒 度分析仪器，其结果只能 进行等 效对比 ，不能 进行横向直接对比 27椭圆偏振法薄膜测量技术椭圆偏振法 当样品对入
10、射光存在强烈吸收或薄膜厚度远小于光波长 时，用来测量折射率的几何光学方法和用来测量薄膜厚 度的干涉法均不再适用 椭圆偏振法是利用偏振光在薄膜界面反射或透射时出现 的偏振变换来测量薄膜的折射率和厚度 椭圆偏振法的应用范围很广，可用于介质薄膜、金属薄 膜、非晶半导体薄膜、聚合物薄膜的测量，也可用于薄 膜生长或刻蚀过程的实时监测 非破坏性，测量精度高 29椭圆偏振光的反射 n1、n2 、n3分别是介质、 薄膜和 基底 的折射率 d是薄膜厚度 是入射光的波长 1 是入射角，反射角和折射角可以用 入射角表示 入射椭圆偏振光用平行和垂直于入射 面的两分量E 1P 和E 1S 表示 n 1 n 2 n 3
11、d 1 E 1P E 1S 一束椭圆偏振光照射到样品上，由于样品对入射光中平行于 入射面的电场分量（P分量）和垂直于入射面的电场分量（S 分量）有不同的反射和透射系数，因此从样品上出射的光， 其偏振态相对于入射光要发生变化 30椭圆偏振光的反射 入射光经过两个界面上的 折射和 反射后 ，形成 多光束 干涉 总的反射光也用平行和垂 直于入 射面的 两分量E P 和E S 表示 + + + = + + + = S S S S P P P P E E E E E E E E 3 2 1 3 2 1 31椭圆偏振光的反射 设R P 和R S 分别为P分量和S分量的总反射系数 = = S S S P P
12、 P E E R E E R 1 1 / / 定义两个分量的总反射系数之比G S P R R G = 32总反射系数之比 ( ) = = = i S P e tg d n n f R R G 1 3 2 1 , , , , , n ( ) = = f f arg arctan 两分量总反射系数之比是变量n 1 、n 2 、n 3 、d 、 1 的函数，该函数表达式可由物理光学 推导出 来 总反射系数之比是复数，可用tg 和 表示模 和复角 已知n 1 、n 3 、 1 ，只要测出和，就可求出n 2 和d 33如何测量和 ( ) ( ) = = i i S P S P e tg e E E E
13、E G S P S P 1 1 1 1 / / ( ) ( ) = = S P S P S P S P E E E E tg 1 1 1 1 / / P i P P e E E 1 1 1 = S i S S e E E 1 1 1 = P i P P e E E = S i S S e E E = 用复数形式表示入射光和反射光的偏 振分量 用复数形式表示总反射系数之比，得 到等式 34如何测量和 若能使入射光成为等幅椭偏光，即|E 1P /E 1S | = 1 ， 则只用测量反射光的两分量振幅比即 可求出 S P E E tg = / ( ) ( ) S P S P 1 1 1 1 = =
14、或 若能使反射光成为线偏光 ，即 ( ) ( ) = = S P S P 或 0 则只与入射光两分量的相位差有关 35入射等幅偏振光的获得 设X轴和X 轴分别在入射面内且分别垂直于入射光和反射光 的行进方向，Y轴和Y 轴垂直于入射面，则入射光沿X，Y的 分量就是E 1P 、E 1S ，反射光沿X ，Y 的分量就是E P 、E S X X Y Y E 1P E 1S E P E S 36入射等幅偏振光的获得 激光器发出波长为 的激光束，经方位角 为P的 起偏器 后成为线偏振光E 0 ，其偏振方向与X轴的夹角为P X Y E 0 起偏器P 37入射等幅偏振光的获得 单色线偏光E 0 经 /4波片，
15、由于双折 射现象 ，成为 相位相 差 90，偏振方向互相垂直 （沿波 片的快 慢轴） 的两束 光，从 光 线行进方向看去，就是椭 圆偏振 光 X Y X Y E 0 E f E s 起偏器P 1/4 波片 38入射等幅偏振光的获得 若/4波片的快轴与X 轴的夹角 为45 ， 则快慢轴上的两个分量分 别为 ( ) ( ) = = 4 / sin 4 / cos 0 2 / 0 P E E P e E E s i f ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = + = = = + P i s f y P i s f x e E E E E e E E E E 4 / 3 0 4 / 0 2
16、 2 4 / cos 4 / sin 2 2 4 / sin 4 / cos 再把快慢轴分量投影合成 到X,Y 轴上 39入射等幅偏振光的获得 ( ) ( ) = = + P i S P i P e E E e E E 4 / 3 0 1 4 / 0 1 2 2 2 2 2 / 2 1 1 = P S P 根据坐标轴定义，E x 、E y 就是E 1P 、E 1S ，则 X Y X X Y Y E 0 E f E s E 1P E 1S 起偏器P 1/4 波片 40入射等幅偏振光的获得 相位相差2P- /2 也就是说，若使1/4 波片 的快轴 与X轴成45 ， 转动起 偏器（即改变P），就可以
17、得到相 位差连 续改变 的等 幅椭圆偏振光 0 2 2 E 可见，入射光的两分量的振幅均为 41反射线偏光的获得 ( ) ( ) = = S P S P 或 0 S P S P E E E E tg 1 1 / / = ( ) ( ) S P S P 1 1 = 总反射系数之比的模和相位角 对于特定的薄膜(n 2 ,d) ，是定值，由于入射光两分量 的相位 差 即成为线偏光。“成为线偏光”的意思是，任意时刻，E P 和E S 的合成矢 量都在某一固定方向上，在与这个方向的垂直方向上就会出现消光 2 / 2 1 1 = P S P 因此，只要改变P，即转动起偏器， 总可以 使 42反射线偏光的获
18、得 = = = = S S i S S P P i P P E e E E E e E E S P sin sin 反射光是单色光，可以把复数写成正 余弦函 数形式 X Y X X Y Y E 0 E f E s E 1P E 1S 起偏器P 1/4 波片 X Y E P E S X Y 检偏器A E 43反射线偏光的获得 A X Y E P E S A E A E S S P P sin sin cos sin = tan / tan = = S P E E A 若在方位角为A的检偏器上出现消 光，则E P 和E S 在A方向上的合成矢量E为0 ，则 ( ) ( ) = = S P S P 或 由于 0 44总结测量原理 调整四分之一波片满足入射等幅偏振光条件 调整起偏器方位角P ，使反射光成为线偏光 用消光时的(P,A)确定(, ) A = = P P 2 2 / 3 2 2 / ( ) d n A P , ) , ( ) , ( 2 函数表达式由物理光学推导得来，非常复杂 通过查表或将(P,A) 输入计算机程序计算(n 2 ,d) 45椭偏仪 46金属薄膜的测量 金属薄膜的折射率为复数 k为吸收系数，n 2 并不相当于透明介质的折射率 薄膜折射率为复数时，偏振方程仍然成立，因此可用 椭圆偏振法求得（ n 2 , k）和d ，但计算过程更加复杂 ik n n = 2 2 47
