电学的基础知识——电荷

在前面，我们学习了声现象，光现象，透镜及物态变化，它们都是人类对自然界规律性的认识，现在我们来学习电现象，它是人类认识和改造自然界的智慧结晶。

电荷是整个电学的开篇，是我们学习电学的基础。电在人们的生活生产、科学技术等方面应用非常广泛；电灯、电视、电话、电子技术、现代化办公设备都离不开电。今天，我们就从最简单的电现象（摩擦起电）开始学习电学的基础知识———电荷。

一、电荷

在小学自然课里，我们已经学过了一些摩擦起电知识，摩擦起电的现象，在生活中到处可见。我们可以做这样的实验：用丝绸、毛皮在玻璃棒、橡胶棒上摩擦后，把棒靠近碎纸屑、羽毛等轻小物体，我们会看到摩擦过的玻璃棒、橡胶棒能够吸引这些轻小物体；头发摩擦过的塑料尺，塑料笔杆，能吸引碎纸屑。那么，我们说这些摩擦过的物体都带上了“电”，或者说带了“电荷”。带了电的物体叫做带电体。

用摩擦的方法使物体带电，叫做“摩擦起电”，这种现象，我们叫做摩擦起电现象。在生活中，干燥的天气里，用塑料梳子梳头发时，头发会随着梳子飘起来，这就是因为梳子带了电，能吸引头发的缘故。

二、两种电荷及相互作用

我们已经知道了带电现象，知道了被毛皮摩擦过的橡胶棒和被丝绸摩擦过的玻璃棒都带上了电荷，那么它们带的电荷是否相同呢？有没有区别？

实验知：

1、用毛皮摩擦过的两根橡胶棒互相排斥。

2、用丝绸摩擦过的两根玻璃棒互相排斥。

3、用毛皮摩擦过的橡胶棒与用丝绸摩擦过的玻璃棒互相吸引。

大量的事实使人们认识到：自然界只有两种电荷，没有第三种电荷。

人们把用绸子摩擦过的玻璃棒上带的电荷叫做正电荷；把用毛皮摩擦过的橡胶棒上带的电荷叫做负电荷。

同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

三、验电器的构造及原理

1．验电器的构造如实物：由金属杆、金属球、金属箔构成。

2．验电器的作用：用来检验物体是否带电。

3．验电器工作原理：利用同种电荷互相排斥的原理工作的。

实验室常用验电器来检验物体是否带电。

四、电荷量

1．电荷的多少叫做电荷量，简称电荷。

2．电荷的单位：库仑，简称库，符号是C。

一根摩擦过的玻璃棒或橡胶棒所带电荷，大约只有10-7C；一片雷雨云带的电荷，大约有几十库仑。

五、元电荷

一切物质由分子和原子组成，分子由原子组成， 原子由原子核和核外电子构成，核外电子在原子核的引力作用下围着原子核高速转动，原子的这种结构称为核式结构，它同太阳系中各行星绕太阳运转有些相似。分子和原子都是很小的微粒，不但用眼睛看不到，就是一般的显微镜也看不到。如果把原子看作球形的话，那么一般原子的半径只有10-10米大小。1亿个氧原子挨个排列成一行，只有几厘米长。原子核比原子还要小，把原子比作一个直径100m的大球，原子核只相当于一粒绿豆大小。但是，原子核质量比电子大得多，几乎集中了原子的全部质量。

原子核带正电，电子带负电。

电子是最小的带负电的粒子。人们把最小电荷叫做元电荷，常用符号e表示。

e=1.6×10-19C

任何带电体所带电荷都是e的整数倍。

在通常情况下，原子核所带正电荷与核外电子所带的负电荷，在数量上相等，整个原子呈中性，即对外不显带电性。

氢原子的结构最简单，原子核带有一个元电何，核外只有一个电子；氧原子核外带有八个元电何，核外有八个电子。

六、电荷在导体中定向移动

电荷在金属杆中可以定向移动，金属是导电的。

导体：容易导电的物体。

绝缘体：不容易导电的物体。

注意：导体和绝缘体之间并没有绝对的界限，而且在一般情况下不容易导电的物体，当条件改变时可能导电。例如玻璃是相当好的绝缘体，但是如果给玻璃加热，使它达到红灼状态，它就变成导体了。

银、铜、铝、铁、酸溶液、碱溶液、盐水、地表、湿木、锗、硅、汽油、干纸、干布、玻璃、橡胶、陶瓷它们的导电性能递减。

在金属中，部分电子可以脱离原子核的束缚，而在金属内部自由移动，这种电子叫做自由电子。金属导电，靠得就是自由电子。

摩擦起电的原因：

在通常情况下，原子是中性的，由原子组成的物体也呈中性，那么，当两个物体互相摩擦的时候，为什么物体能带电？不同物质的原子核束缚电子的本领不同。两个物体互相摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱，它的一些电子就会转移到另一个物体上，失去电子的物体因缺少电子而带正电何，得到电子的物体因为有了多余电子而带等量的负电何。

可见，摩擦起电并不是创造了电荷，只是电荷从一个物体转移到另一个物体，使正负电荷分开而已。

FIB常见应用明细及原理分析

FIB常见应用明细及原理分析

双束聚焦离子束系统可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通SEM的耦合。单束聚焦离子束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台5部分构成。离子束镜筒的顶端是离子源，在离子源上加较强的电场来抽取出带正电荷的离子，这些离子通过静电透镜及偏转装置的聚焦和偏转来实现对样品的可控扫描。样品加工是通过将加速的离子轰击样品使其表面原子发生溅射来实现，同时产生的二次电子和二次离子被相应的探测器收集并用于成像。

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如图所示。通常称电子束和离子束焦平面的交点为共心高度位置。在使用过程中样品处于共心高度的位置即可同时实现电子束成像和离子束加工，并可以通过样品台的倾转使样品表面与电子束或离子束垂直。

典型的离子束显微镜包括液态金属离子源及离子引出极、预聚焦极、聚焦极所用的高压电源、电对中、消像散电子透镜、扫描线圈、二次粒子检测器、可移动的样品基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电路控制板和电脑等硬件设备，如图所示：

外加电场于液态金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-4A/cm2，以电透镜聚焦，经过可变孔径光阑，决定离子束的大小，再经过二次聚焦以很小的束斑轰击样品表面，利用物理碰撞来达到切割的目的，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。

设备部分应用

1 TEM制样

2 截面分析

3 芯片修补与线路修改

4 微纳结构制备

5 三维重构分析

6 原子探针样品制备

7 离子注入

8 光刻掩膜版修复

常用的TEM制样

1、半导体薄膜材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的薄膜材料，多数为多层膜（每层为不同材料），极少数为单层材料。多数的厚度范围是几纳米-几百纳米。制备样品是选用的位置较多，无固定局限。

2、半导体器件材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的有各种形状材料，表面有图形，制样范围有局限。

3、金属材料

金属材料，多为表面平整样品，也有断口等不规则样品，减薄的区域多为大面积。

4、电池材料

电池材料多为粉末，每个大颗粒会有许多小颗粒组成，形状多为球形，由于电池材料元素的原子序数较小，pt原子进入在TEM下会较为明显，建议保护层采用C保护。

5、二维材料

此类样品为单层或多层结构，如石墨烯等，电子束产生的热效应会对其造成损伤，在制备样品前需要在表面进行蒸镀碳的处理，或者提前在表面镀上保护膜。

6、地质、陶瓷材料

此类样品导电性能差、有些会出现空洞，制备样品前需要进行喷金处理，材料较硬，制备时间长。

7、原位芯片

用原位芯片代替铜网，将提取出来的样品固定在芯片上，进行减薄。

截面分析

利用FIB的溅射刻蚀功能可以对样品进行定点切割，观察其横截面（cross-section）表征截面形貌尺寸，同时可以配备结合元素分析（EDS）系统等，对截面成分进行分析。一般用于芯片、LED等失效分析领域，一般IC芯片加工过程中出现问题，通过FIB可以快速定点的进行分析缺陷原因，改善工艺流程，FIB系统已经成为现代集成电路工艺线上不可缺少的设备。

芯片修补与线路编辑

在IC设计中，需要对成型的集成电路的设计更改进行验证、优化和调试。当发现问题后，需要将这些缺陷部位进行修复。目前的集成电路制程不断缩小。线路层数也在不断增加。运用FIB的溅射功能，可将某一处的连线断开，或利用其沉积功能，可将某处原来不相连的部分连接起来，从而改变电路连线走向，可查找、诊断电路的错误，且可直接在芯片上修正这些错误，降低研发成本，加速研发进程，因为其省去了原形制备和掩模变更的时间和费用。

微纳结构制备

FIB系统无需掩膜版，可以直接刻出或者在GIS系统下沉积出所需图形，利用FIB系统已经可以制备微纳米尺度的复杂的功能性结构，包括纳米量子电子器件，亚波长光学结构，表面等离激元器件，光子晶体结构等。通过合理的方法不仅可以实现二维平面图形结构，甚至可以实现复杂三维结构图形的制备。

三维重构分析

使用FIB对材料进行三维重构的3D成像分析也是近年来增长速度飞快的领域。此方法多用于材料科学、地质学、生命科学等学科。三维重构分析目的主要是依靠软件控制FIB逐层切割和SEM成像交替进行，最后通过软件进行三维重构。FIB三维重构技术与EDS有效结合使得研究人员能够在三维空间对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征；和EBSD结合可对多晶体材料进行空间状态下的结构、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息进行表征

原子探针样品制备

原子探针( AP) 可以用来做三维成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析样品在纳米尺度下的化学成分。要实现这一应用的一个重要条件就是要制备一个大高宽比、锐利的探针，针尖的尺寸要控制在100 nm 左右。对原子探针样品的制备要求与TEM 薄片样品很接近方法也类似。首先选取感兴趣的取样位置，在两边挖V 型槽，将底部切开后，再用纳米机械手将样品取出。转移到固定样品支座上，用Pt 焊接并从大块样品切断。连续从外到内切除外围部分形成尖锐的针尖。最后将样品用离子束低电压进行最终抛光，消除非晶层，和离子注入较多的区域。

离子注入

离子束注入改性研究也是FIB加工的一个基础性研究课题。例如采用高能离子束轰击单晶硅表面，当注入量充分的时候，离子轰击将在样品表层引入空位、非晶化等离子轰击损伤。在此过程中注入离子与材料内部有序排列的Si 原子发生碰撞并产生能量传递，使得原本呈有序排列的Si 原子无序化，在表面下形成一层非晶层。注入的离子在碰撞过程中失去能量，最终停留在距离表面一定深度的区域。

光刻掩膜版修复

在普通光学光刻中，掩膜版是图形的起源，但是经过长时间使用，掩膜版上的图形会出现损伤，造成光刻后的图形缺陷，掩膜版造价高，如果因为掩膜版上一个小的图形缺陷造成整个掩膜版的失效，重新制备掩膜版，成本高。利用FIB系统可以定点修复掩膜版的缺陷，方法简单，操作简单迅速。在透光区域的缺陷修复可以使用离子沉积，选择沉积C作为掩膜版的修复材料；在遮光区域的缺陷修复使用离子溅射，刻蚀掉遮光缺陷。不过使用FIB修复掩膜版最大的问题是会造成Ga离子污染，改变玻璃透光率造成残余缺陷，这点可以用RIE结合清洗的方法将有Ga离子注入的表层玻璃刻蚀去除，恢复玻璃透光率。

平台提供以上服务，欢迎咨询。

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