薄膜是指厚度介于亚纳米至几微米之间的层状材料，其代表形式包括各种涂层，从保形涂层、喷涂涂层，到通过原子层沉积 (ALD) 等技术制备的原子级薄涂层。鉴于薄膜的制备方法多种多样，且其应用领域广泛，因此表征薄膜的方法也多种多样。本文将介绍其中几种。

X射线衍射（XRD）

XRD 是研究具有晶体结构的薄膜（例如由无机/固态材料构成的薄膜）的绝佳技术。XRD 是一种用于确定薄膜晶体结构和原子间距的技术，并将产生的光谱图与已知参考值进行比较。

XRD 将准直 X 射线发射到晶体样品上，光线根据布拉格定律在薄膜内的晶面发生衍射。X 射线由阴极源产生，呈单色。当 X 射线照射到薄膜平面时，会产生相长干涉，使样品以 2θ 角扫描，从而可以观察到薄膜的所有维度。

X射线能量色散分析（EDAX）

X射线能量色散分析（EDAX或EDS），也称为电子探针微分析（EPMA），是分析薄膜成分最常用的无损检测技术。它们通常与SEM和TEM仪器结合使用，并集成到其中。

EDAX 是一种用于识别薄膜元素组??成的 X 射线技术。EDAX 生成的光谱显示一系列峰，每个峰都与薄膜中的元素相对应。

EDAX 向薄膜发射一束 X 射线，激发基态电子，并将其从不同元素的原子核中发射出去。电子的发射会在原处形成一个空穴。随后，来自更高能级的电子会填充该空穴，高能级和低能级之间的能量差会以 X 射线的形式发射出来。随后，能量色散谱仪会测量这些 X 射线，并根据发射的能量值推断出元素组成。

扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜 (SEM) 是一种用于表征薄膜形貌和成分的工具。电子从电子枪发射并穿过薄膜。电子的能量通过一系列透镜集中并聚焦。然后，电子束穿过最终透镜中的一对扫描线圈和偏转板。聚焦后，电子被导向薄膜。

当电子与样品相互作用时，它们的能量会因散射和吸收而衰减。电子与样品之间的能量交换会导致高能电子通过弹性散射发生反射。非弹性散射和电磁辐射也会释放二次电子，这两者都会被检测到。图像是信号强度的分布，通过数字方式捕获，从而可以确定薄膜的结构。

透射电子显微镜（TEM）

TEM 与光学显微镜类似，都是利用一系列镜子来拍摄薄膜表面的图像。然而，TEM 的放大倍数比光学显微镜高得多。

在透射电子显微镜 (TEM) 中，电子从电子枪发射，并通过聚光透镜以高压加速至样品（放置在铜栅上）。TEM 是一种用于薄膜分析的实用技术，因为 TEM 中的任何样品都必须足够薄才能进行该过程。散射电子透射后在后焦平面形成衍射图样。此外，还会在像平面上产生放大图像。TEM 使用附加透镜，以便将图样投影到荧光屏上进行观察。生成的图像可以提供有关薄膜结构和成分的重要信息。

原子力显微镜（AFM）

AFM 是一种用途广泛的技术，可用于测定薄膜的化学结构、形貌和生长。由于探针数量（连接到悬臂）和可采用的模式不同，因此可以表征不同成分的薄膜。

当探针针尖接近薄膜表面时，薄膜与探针针尖之间的范德华力使悬臂向薄膜方向移动并敲击薄膜。激光束用于检测悬臂的任何移动。激光束在移动过程中会发生偏转，激光照射到位置敏感光电二极管 (PSPD) 上，记录位置变化。原子力显微镜 (AFM) 使用反馈回路系统，在测量完悬臂的所有偏转后，生成薄膜的高分辨率形貌图。

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