为什么用sem区分四氧化三铁

用sem区分四氧化三铁可以用于纳米级样品的三维成像。扫描电子显微镜sem和高度激光粒度仪对四氧化三铁纳米片进行了表征。将四氧化三铁纳米片加到基础油液体石蜡LP中，在UNT摩擦磨损实验机上考察其作为LP添加剂后的摩擦磨损性能，采用SEM分析磨损表面形貌和表面膜元素组成及含量。

聚焦离子束扫描电镜双束系统（FIB-SEM）是在SEM的基础上增加了聚焦离子束镜筒的双束系统，同时具备微纳加工和成像的功能，广泛应用于科学研究和半导体芯片研发等多个领域。本文记录一下FIB-SEM在材料研究中的应用。

以目前实验室配有的FIB-SEM的型号是蔡司的Crossbeam 540为例进行如下分析，离子束最高成像分辨率为3nm，电子束最高分辨率为0.9nm。该系统的主要部件及功能如下：

1.离子束： 溅射（切割、抛光、刻蚀）；刻蚀最小线宽10nm，切片最薄3nm。 

2.电子束 ： 成像和实时观察

3.GIS(气体注入系统)： 沉积和辅助刻蚀；五种气体：Pt、W、SiO2、Au、XeF2(增强刻蚀SiO2)

4.纳米机械手：  转移样品 

5.EDS： 成分定量和分布

6.EBSD ： 微区晶向及晶粒分布

7.Loadlock（样品预抽室）： 快速进样，进样时间只需~1min

由上述FIB-SEM的一个部件或多个部件联合使用，可以实现在材料研究中的多种应用，具体应用实例如下：

图2a和b分别是梳子形状的CdS微米线的光学显微镜和扫描电镜照片，从光学显微镜照片可以看出在CdS微米线节点处内部含有其他物质，但无法确定是什么材料和内部形貌。利用FIB-SEM在节点处定点切割截面，然后对截面成像和做EDS mapping，如图2c、d、e和f所示，可以很直观的得到在CdS微米线的节点处内部含有Sn球。

FIB-SEM制备TEM样品的常规步骤如图3所示，主要有以下几步：

1）在样品感兴趣位置沉积pt保护层

2）在感兴趣区域的两侧挖大坑，得到只有约1微米厚的薄片

3）对薄片进行U-cut，将薄片底部和一侧完全切断

4）缓慢移下纳米机械手，轻轻接触薄片悬空的一端后，沉积pt将薄片和纳米机械手焊接牢固，然后切断薄片另一侧，缓慢升起纳米机械手即可提出薄片

5）移动样品台和纳米机械手，使薄片与铜网（放置TEM样品用）轻轻接触，然后沉积pt将薄片和铜网焊接牢固，将薄片和纳米机械手连接的一端切断，移开纳米机械手，转移完成

6）最后一步为减薄和清洗，先用大加速电压离子束将薄片减薄至150nm左右，再利用低电压离子束将其减薄至最终厚度（普通TEM样品<100nm，高分辨TEM样品50nm左右，球差TEM样品<50nm）

一种如图4a所示的MoS2场效应管，需要确定实际器件中MoS2的层数及栅极（Ag纳米线）和MoS2之间的距离。利用FIB-SEM可以准确的在MoS2场效应管的沟道位置，垂直于Ag纳米线方向，提出一个薄片，并对其进行减薄，制备成截面透射样。在TEM下即可得到MoS2的层数为14层（图4c）， Ag纳米线和MoS2之间的距离为30nm（图4b）。

图5是一种锰酸锂材料的STEM像，该样品是由FIB-SEM制备，图中可以看到清晰的原子像。这表明FIB-SEM制备的该球差透射样非常薄并且有很少的损伤层。

FIB-SEM还可以进行微纳图形的加工。

图6a 是FIB-SEM在Au/SiO2上制备的光栅，光栅周期为150nm，光栅开口为75nm。

图6b 是利用FIB-SEM在Mo/石英上做的切仑科夫辐射源针尖，针尖曲率半径为17nm。

图6c 是在Au膜上加工的三维对称结构蜘蛛网。

图6d 是FIB-SEM在硅上刻蚀的贺新年图案，图中最小细节尺寸仅有25nm。

FIB-SEM可以对材料进行切片式的形貌和成分三维重构，揭示材料的内部三维结构。大概过程如图7a所示， FIB切掉一定厚度的样品，SEM拍一张照片，重复此过程，连续拍上百张照片，然后将上百张切片照片重构出三维形貌。图7b是一种多孔材料内部3×5×2um范围的三维重构结果，其实验数据是利用FIB-SEM采集，三维重构是利用Avizo软件得到，其分辩率可达纳米级，展示了内部孔隙的三维空间分布，并可以计算出孔隙的半径大小、体积及曲率等参数。

利用FIB-SEM配有的纳米机械手及配合使用离子束沉积Pt，可以实现微米材料的转移，即把某种材料从一个位置（衬底）转移到特定位置（衬底），并固定牢固。图8是把四针氧化锌微米线从硅片转移到两电极的沟道之间，从而制备成两个微米线间距只有1um的特殊器件。

最后，FIB-SEM还有很多其他的应用，例如三维原子探针样品制备，芯片线路修改等。总之FIB-SEM是材料研究中一个非常重要的手段。

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

1  管套管结构及静电自组装

2004年，中科院山西煤化所朱珍平教授等人‘删报道了在碳纳米管的管壁两侧的石墨烯纳米片层自组装，用来制备新型的管中管纳米结构。通过硝酸的插层剥离作用，石墨剥离形成纳米级的石墨烯，同时在这一过程中石墨烯边缘被引入羧基和羟基。在一个酸催化的脂化过程中，改性后的石墨烯在开口碳纳米管的内部和外部自组装，得到一种结构良好的管套管纳米结构的组装体。

2 薄膜材料及界面自组装

通过静电相互作用制各石墨烯薄膜材料是石墨烯自组装领域的研究重点。氧化石墨烯表面及边缘位带有大量的羧基，羟基官能团，在中性或者碱性环境下表面带负电，并在超声波作用下形成纳米级的分散体。利用溶剂蒸发，重力沉降，流体力学，界面富集等作用，可以实现氧化石墨烯自发、负压作用下有序排列，从而得到石墨烯薄膜材料。主要制备方法包括：两相界面法，模板法，过滤法。

2.1两相界面法

两相界面法是利用具有亲水(极性)或疏水(非极性)特性结构分子，在气液界面，液液界面在外加机械力，溶剂挥发，分子富集等作用下得到自组装体。Chen等报导了利用Langmuir-Blodgett技术，利用液相和气相界面，在界面张力作用下，两性物质结构形成紧密规则的分子排列，然后通过转移至固体模板，得到单层或多层薄膜。在水与氯仿的界面处，以界面能为驱动力，使得疏水的石墨烯平展紧密排列后转移到基体上可形成大面积单层薄膜，其电导率超过1000 S/cm，550 nm波长下透光率达到70％，可以作为液晶，太阳能板用ITO靶材。

2.2模板法

模板法是以有机分子或无机刚性材料为模板，通过氢键、离子键、范德华力等作用力，在溶剂辅助环境下使得模板剂对游离状态下的无机或者有机前躯体通过限制空间方式引导，从而形成具有纳米有序结构的薄膜或者体状材料。该方

法主要用于有序介孔炭的合成，也被用于富勒烯和碳纳米管有序阵列的制备。利用氨基功能化处理硅基板，在氧化石墨烯的悬浮液中，利用静电相互作用，在硅基板表面生长一层氧化石墨烯，再接枝氨基化碳纳米管，得到透光率极佳的石墨烯．碳纳米管杂化薄膜。

2.3过滤法

过滤法利用滤液排出的负压使得悬浮液中的纳米粒子或大分子空间减小，被微孔滤膜截沉积于滤膜表面，并在溶剂流动中定向排列得到有序纳米结构薄膜。此法曾被用于碳纳米管布基纸及蛭石无机薄膜的制备。通过氧化石墨锡胶状悬浮液进行阳极膜过滤，制备了堆叠式无支撑石墨烯纸。力学测试表明其具有良好的力学性能，拉伸模量高达42 GPa，并具有独特的自增强行为。过滤法通过流体作用将二维氧化石墨烯连锁瓦片式堆叠，可以得到一定厚度，良好力学性能的无支撑纸状材料，还可通过悬浮液原位或后续碳化处理调控薄膜导电率。

2.4协同组装

在Na0.44MnO4纳米线中引入氧化石墨烯，发现纳米线可以被石墨烯大分子改性，在气液界面发生富集及并定向排列，作者推测石墨烯大分子改变了纳米线的表面结构，在当时石墨烯浓度达到一定临界值时，原本杂乱排列的纳米线在Onsager理论下自组装为纳米线阵列。

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