材料現(xiàn)代測試分析方法的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、西安石油大學(xué)本科設(shè)計(jì)論文目錄第1章 x射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢31.1 x射線衍射分析的應(yīng)用31.1.1 物相分析31.1.2 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測定31.1.3 應(yīng)力的測定31.1.4 晶粒尺寸的測定41.1.5 單晶取向測定41.2 x射線衍射法的發(fā)展趨勢4第2章 材料電子顯微分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢52.1 電子顯微分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀52.1.1 透射電子顯微鏡52.1.2 掃描電子顯微鏡52.2 顯微分析技術(shù)發(fā)展趨勢52.2.1 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展52.2.2 納米領(lǐng)域應(yīng)用62.2.3 低溫技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)62.2.4高性能ccd相機(jī)6第3章 電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢73.1

2、 俄歇電子能譜的分析技術(shù)應(yīng)用73.1.1 表面元素定性鑒定73.1.2 表面元素的半定量分析73.1.3 表面元素的化學(xué)價態(tài)分析83.1.4 元素沿深度方向的分布分析83.1.5 微區(qū)分析83.2 俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢93.3 x射線光電子能譜的分析技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢93.3.1 xps譜圖分析技術(shù)的應(yīng)用103.3.2 xps譜圖分析技術(shù)的發(fā)展11第4章 光譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（紅外光譜和拉曼光譜）114.1 紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用114.1.1 紅外熱像儀114.1.2 紅外光譜儀114.1.3 紅外傳感器124.2 紅外光譜分析技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢124.2.1 紅外技術(shù)

3、的發(fā)展及主要應(yīng)用領(lǐng)域124.2.2 紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要領(lǐng)域方向134.3 拉曼光譜分析技術(shù)的應(yīng)用144.3.1 拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：144.3.2 拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性144.3.3 幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù)144.3.4 應(yīng)用激光光源的拉曼光譜法144.4 拉曼光譜的應(yīng)用方向及發(fā)展前景15參考文獻(xiàn)15第1章 x射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢1.1 x射線衍射分析的應(yīng)用1.1.1 物相分析晶體的射線衍射圖像實(shí)質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)的一種精細(xì)復(fù)雜的變換，每種晶體的結(jié)構(gòu)與其射線衍射圖之間都有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其特征x射線衍射圖譜不會因?yàn)樗N物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化，這就是射線衍射物相

4、分析方法的依據(jù)。制備各種標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化，將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對照，從而確定物質(zhì)的組成相，就成為物相定性分析的基本方法。鑒定出各個相后，根據(jù)各相花樣的強(qiáng)度正比于改組分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可對各種組分進(jìn)行定量分析。目前常用衍射儀法得到衍射圖譜，用“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會（jcpds）”負(fù)責(zé)編輯出版的“粉末衍射卡片（pdf卡片）”進(jìn)行物相分析。目前，物相分析存在的問題主要有： 待測物圖樣中的最強(qiáng)線條可能并非某單一相的最強(qiáng)線，而是兩個或兩個以上相的某些次強(qiáng)或三強(qiáng)線疊加的結(jié)果。這時若以該線作為某相的最強(qiáng)線將找不到任何對應(yīng)的卡片。 在眾多卡片中找出滿足條件的卡片，十分

5、復(fù)雜而繁鎖。雖然可以利用計(jì)算機(jī)輔助檢索，但仍難以令人滿意。 定量分析過程中，配制試樣、繪制定標(biāo)曲線或者值測定及計(jì)算，都是復(fù)雜而艱巨的工作。為此，有人提出了可能的解決辦法，多晶材料x射線衍射定量分析的多項(xiàng)式擬合法簡化了數(shù)據(jù)處理的過程，提高了分析結(jié)果的精度，使粉末衍射數(shù)據(jù)處理工作變得相對容易。1.1.2 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測定點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測定點(diǎn)陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點(diǎn)陣常數(shù)的測定是通過x射線衍射線的位置（ ）的測定而獲得的，通過測定衍射樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點(diǎn)陣常數(shù)值。應(yīng)用高分辨x 射線衍射（hr

6、xrd+taxrd）技術(shù)對外延生長的srtio3 膜進(jìn)行了分析，獲得了有關(guān)該薄膜的晶體取向、襯底的結(jié)構(gòu)特性以及弛豫態(tài)的點(diǎn)陣常數(shù)等信息。1.1.3 應(yīng)力的測定x射線測定應(yīng)力以衍射花樣特征的變化作為應(yīng)變的量度。宏觀應(yīng)力均勻分布在物體中較大范圍內(nèi)，產(chǎn)生的均勻應(yīng)變表現(xiàn)為該范圍內(nèi)方向相同的各晶粒中同名晶面間距變化相同，導(dǎo)致衍射線向某方向位移，這就是x射線測量宏觀應(yīng)力的基礎(chǔ)；微觀應(yīng)力在各晶粒間甚至一個晶粒內(nèi)各部分間彼此不同，產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變表現(xiàn)為某些區(qū)域晶面間距增加、某些區(qū)域晶面間距減少，結(jié)果使衍射線向不同方向位移，使其衍射線漫散寬化，這是x射線測量微觀應(yīng)力的基礎(chǔ)。超微觀應(yīng)力在應(yīng)變區(qū)內(nèi)使原子偏離平衡位置，

7、導(dǎo)致衍射線強(qiáng)度減弱，故可以通過x射線強(qiáng)度的變化測定超微觀應(yīng)力。測定應(yīng)力一般用衍射儀法。1.1.4 晶粒尺寸的測定若多晶材料的晶粒無畸變、足夠大，理論上其粉末衍射花樣的譜線應(yīng)特別鋒利，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，這種譜線無法看到。這是因?yàn)閮x器因素和物理因素等的綜合影響，使純衍射譜線增寬了。純譜線的形狀和寬度由試樣的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶體點(diǎn)陣中的主要缺陷決定，故對線形作適當(dāng)分析，原則上可以得到上述影響因素的性質(zhì)和尺度等方面的信息。x射線衍射線形與晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在晶粒尺寸衍射線形和微應(yīng)變衍射線形可由voigt函數(shù)近似描述的前提下，由x射線衍射線形分析可獲取晶粒尺寸和位錯等微觀結(jié)構(gòu)信息。1.

8、1.5 單晶取向測定單晶取向的測定就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系的位向關(guān)系。雖然可以用光學(xué)方法等物理方法確定單晶取向，但x衍射法不僅可以精確地單晶定向，同時還能得到晶體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的信息。一般用勞埃法單晶定向，其根據(jù)是底片上勞埃斑點(diǎn)轉(zhuǎn)換的極射赤面投影與樣品外坐標(biāo)軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)系。但如果試樣中存在殘余應(yīng)力，可能影響勞埃斑點(diǎn)的分布，且需要借助吳氏網(wǎng)來測量晶體的空間取向，沖洗底片麻煩，周期長，對大量測量取向不太適用。四圓衍射儀法需逐點(diǎn)收集衍射數(shù)據(jù)，速度慢且靈敏度低。電子背散射衍射可進(jìn)行不同晶粒取向的測量，對微區(qū)進(jìn)行織構(gòu)分析，并能得到取向在顯微組織中的分布,但是目前國內(nèi)大專院

9、校和研究院所應(yīng)用的還不是很多，且使用費(fèi)用昂貴。所以一種改進(jìn)的x射線衍射法出現(xiàn)了，它具有速度快、成本低、測量精確等特點(diǎn)，能精確測定單晶高溫合金的取向。1.2 x射線衍射法的發(fā)展趨勢 隨著x射線衍射技術(shù)越來越先進(jìn)，x射線衍射法的用途也越來越廣泛，除了在無機(jī)晶體材料中的應(yīng)用，已經(jīng)在有機(jī)材料、鋼鐵冶金、以及納米材料的研究領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大作用，并且還應(yīng)用于瞬間動態(tài)過程的測量。計(jì)算機(jī)的普遍使用讓各種測量儀器的功能變得強(qiáng)大，測試過程變得簡單快捷，雙晶衍射、多重衍射也越來越完善。但是，隨之而來的軟件也缺陷越來越明顯，在各種分析過程中，軟件分析檢索的準(zhǔn)確度都不盡人意?？v觀整個x射線衍射領(lǐng)域，可以看出儀器設(shè)備的精

10、密化和多用途化是一個發(fā)展趨勢，然而各種設(shè)備運(yùn)行的軟件明顯落后于設(shè)備的發(fā)展，所以今后迫切的需要是軟件系統(tǒng)的更新和完善。第2章 材料電子顯微分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.1 電子顯微分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀材料的組織形貌觀察,主要是依靠顯微鏡技術(shù),光學(xué)顯微鏡是在微米尺度上觀察材料的普及方法。掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡則把觀察的尺度推進(jìn)到納米的層次。場離子顯微鏡( f im) 、掃描隧道顯微鏡( stm)和原子力顯微鏡( sfm) ,克服了透射電子顯微鏡景深小、樣品制備復(fù)雜等缺點(diǎn),可以在三維空間達(dá)到原子分辨率。近年來一種以x射線光電子能譜、俄歇電子能譜和低能離子散射譜儀為代表的分析系統(tǒng),已成為從生物材料

11、、高分子材料到金屬材料的廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行表面分析的不可缺少的工具之一。2.1.1 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡,是以波長極短的電子束作為照明源,用電磁透射聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。它由電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒) 、電源和控制系統(tǒng)(包括電子槍高壓電源、透鏡電源、控制線路電源等) 、真空系統(tǒng)3部分組成。分辨本領(lǐng)和放大倍數(shù)是透射電子顯微鏡的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo),它體現(xiàn)了儀器顯示樣品顯微組織和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。2.1.2 掃描電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡,成像原理與透射電鏡不同,不用透鏡法放大成像,而是以類似電視攝像顯像的方式,用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描是激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號來調(diào)制成像。

12、掃描電子顯微鏡由于其具有制樣簡單、使用方便、可直接觀察大樣品(如100mm 100mm) 、并具有景深大、分辨率較高、放大倍數(shù)范圍寬、可連續(xù)調(diào)節(jié)、可進(jìn)行化學(xué)成分和晶體取向測定等一系列優(yōu)點(diǎn),在失效分析中得到了廣泛的應(yīng)用。 x射線能譜儀的最大優(yōu)點(diǎn)是不損傷被測件表面,可同時適用于光滑表面和粗糙斷口表面的元素分析,可以分析某一區(qū)域的元素平均成分和樣品表面某一區(qū)域某一元素的分布情況(面分布) ,也可對某幾種元素進(jìn)行沿指定線路的線分布分析。是目前失效分析中應(yīng)用最廣泛的微區(qū)成分分析儀器。進(jìn)行微區(qū)成分分析時,微區(qū)成分分析的結(jié)果只能代表分析部位的局部成分,而不能代表樣品宏觀總的成分。x射線微區(qū)成分定量分析的準(zhǔn)確

13、性和品的制備有關(guān)。2.2 顯微分析技術(shù)發(fā)展趨勢2.2.1 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展在儀器設(shè)備方面,目前掃描電鏡的操作系統(tǒng)已經(jīng)使用了全新的操作界面。用戶只須按動鼠標(biāo),就可以實(shí)現(xiàn)電鏡鏡筒和電氣部分的控制以及各類參數(shù)的自動記憶和調(diào)節(jié)。不同地區(qū)之間,可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),演示如樣品的移動,成像模式的改變,電鏡參數(shù)的調(diào)整等,以實(shí)現(xiàn)對電鏡的遙控作用。2.2.2 納米領(lǐng)域應(yīng)用由于電子顯微鏡的分析精度逼近原子尺度,所以利用場發(fā)射槍透射電鏡,用直徑為0. 13nm的電子束,不僅可以采集到單個原子的z - 襯度像,而且還可采集到單個原子的電子能量損失譜。即電子顯微鏡可以在原子尺度上可同時獲得材料的原子和電子結(jié)構(gòu)信息。一個原子的直徑

14、約為1千萬分之23mm。所以,要分辯出每個原子的位置,需要0. 1nm左右的分辨率的電鏡,并把它放大約1千萬倍才行。人們預(yù)測,當(dāng)材料的尺度減少到納米尺度時,其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)可能具有獨(dú)特性。因此,納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備,以及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究成為人們十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。利用電子顯微鏡,一般要在200kv以上超高真空場發(fā)射槍透射電鏡上,可以觀察到納米相和納米線的高分辨電子顯微鏡像、納米材料的電子衍射圖和電子能量損失譜。如在電鏡上觀察到內(nèi)徑為0. 4nm的納米碳管、si - c - n納米棒、以及l(fā) i摻雜si的半導(dǎo)體納米線等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,納米膠體金技

15、術(shù)、納米硒保健膠囊、納米級水平的細(xì)胞器結(jié)構(gòu),以及納米機(jī)器人可以小如細(xì)菌,在血管中監(jiān)測血液濃度,清除血管中的血栓等的研究工作,可以說都與電子顯微鏡這個工具分不開。2.2.3 低溫技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)低溫電鏡技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)是當(dāng)前生物電子顯微學(xué)的研究熱點(diǎn),主要是研討利用低溫電子顯微鏡(其中還包括了液氦冷臺低溫電鏡的應(yīng)用)和計(jì)算機(jī)三維像重構(gòu)技術(shù),測定生物大分子及其復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。如利用冷凍電子顯微學(xué)測定病毒的三維結(jié)構(gòu)和在單層脂膜上生長膜蛋白二維晶體及其電鏡觀察和分析。當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)引起人們的高度重視,因?yàn)閺南到y(tǒng)的觀點(diǎn)看生物界,它有不同的層次結(jié)構(gòu):個體- 器官- 組織- 細(xì)胞- 生物大分子。雖然生物大

16、分子處于最低位置,可它決定高層次系統(tǒng)間的差異。三維結(jié)構(gòu)決定功能結(jié)構(gòu)是應(yīng)用的基礎(chǔ):藥物設(shè)計(jì),基因改造,疫苗研制開發(fā),人工構(gòu)建蛋白等,有人預(yù)言結(jié)構(gòu)生物學(xué)的突破將會給生物學(xué)帶來革命性的變革。2.2.4高性能ccd相機(jī) ccd的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,噪音小,具有高信噪比。在相同像素下ccd的成像往往通透性、明銳度都很好,色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確,在實(shí)際應(yīng)用中,攝像頭的像素越高,拍攝出來的圖像品質(zhì)就越好,對于同一畫面,像素越高的產(chǎn)品它的解析圖像的能力也越強(qiáng),但相對它記錄的數(shù)據(jù)量也會大得多,所以對存儲設(shè)備的要求也就高得多。當(dāng)今的tem領(lǐng)域,新開發(fā)的產(chǎn)品完全使計(jì)算機(jī)控制的,圖象的采集通過高分辨的ccd攝像頭

17、來完成,而不是照相底片。數(shù)字技術(shù)的潮流正從各個方面推動tem應(yīng)用以至整個實(shí)驗(yàn)室工作的徹底變革。尤其是在圖象處理軟件方面。第3章 電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢3.1 俄歇電子能譜的分析技術(shù)應(yīng)用 3.1.1 表面元素定性鑒定這是一種最常規(guī)的分析方法，也是俄歇電子能譜最早的應(yīng)用之一。一般利用aes譜儀的寬掃描程序, 收集從201700 ev動能區(qū)域的俄歇譜。為了增加譜圖的信背比，通常采用微分譜來進(jìn)行定性鑒定。對于大部分元素，其俄歇峰主要集中在201200ev的范圍內(nèi)，對于有些元素則需利用高能端的俄歇峰來輔助進(jìn)行定性分析。此外，為了提高高能端俄歇峰的信號強(qiáng)度，可以通過提高激發(fā)電子能量的方法來獲得

18、。通常采取俄歇譜的微分譜的負(fù)峰能量作為俄歇動能，進(jìn)行元素的定性標(biāo)定。在分析俄歇能譜圖時，必須考慮荷電位移問題。一般來說，金屬和半導(dǎo)體樣品幾乎不會荷電，因此不用校準(zhǔn)。但對于絕緣體薄膜樣品，有時必須進(jìn)行校準(zhǔn)，以c kll峰的俄歇動能為278.0 ev作為基準(zhǔn)。在判斷元素是否存在時，應(yīng)用其所有的次強(qiáng)峰進(jìn)行佐證，否則應(yīng)考慮是否為其他元素的干擾峰。3.1.2 表面元素的半定量分析首先應(yīng)當(dāng)明確的是aes不是一種很好的定量分析方法。它給出的僅是一種半定量的分析結(jié)果，即相對含量而不是絕對含量。由aes提供的定量數(shù)據(jù)是以原子百分比含量表示的，而不是我們平常所使用的重量百分比。這種比例關(guān)系可以通過下列公式換算：（

19、3.1）式中 ciwt - 第i種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度； ci - 第i種元素的aes摩爾分?jǐn)?shù)； ai - 第i種元素的相對原子質(zhì)量。在定量分析中必須注意的是aes給出的相對含量也與譜儀的狀況有關(guān)，因?yàn)椴粌H各元素的靈敏度因子是不同的，aes譜儀對不同能量的俄歇電子的傳輸效率也是不同的，并會隨譜儀污染程度而改變。當(dāng)譜儀的分析器受到嚴(yán)重污染時， 低能端俄歇峰的強(qiáng)度可以大幅度下降。aes僅提供表面13 nm厚的表面層信息，其表示的組成不能反映體相成分。樣品表面的c, o污染以及吸附物的存在也會嚴(yán)重影響其定量分析的結(jié)果。還必須注意的是，由于俄歇能譜的各元素的靈敏度因子與一次電子束的激發(fā)能量有關(guān)，因此，俄

20、歇電子能譜的激發(fā)源的能量也會影響定量結(jié)果。3.1.3 表面元素的化學(xué)價態(tài)分析表面元素化學(xué)價態(tài)分析是aes分析的一種重要功能，但由于譜圖解析的困難和能量分辨率低的緣故，一直未能獲得廣泛的應(yīng)用。最近隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用積分譜和扣背底處理，譜圖的解析變得容易得多。再加上俄歇化學(xué)位移比xps的化學(xué)位移大得多，且結(jié)合深度分析可以研究界面上的化學(xué)狀態(tài)。因此，近年俄歇電子能譜的化學(xué)位移分析在薄膜材料的研究上獲得了重要的應(yīng)用，取得了很好的效果。但是，由于我們很難找到俄歇化學(xué)位移的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要判斷其價態(tài)，必須用自制的標(biāo)樣進(jìn)行對比，這是利用俄歇電子能譜研究化學(xué)價態(tài)的不利之處。此外，俄歇電子能譜不僅有化學(xué)位移

21、的變化，還有線形的變化。俄歇電子能譜的線形分析也是進(jìn)行元素化學(xué)價態(tài)分析的重要方法。3.1.4 元素沿深度方向的分布分析aes的深度分析功能是俄歇電子能譜最有用的分析功能。一般采用ar離子剝離樣品表面的深度分析的方法。該方法是一種破壞性分析方法，會引起表面晶格的損傷，擇優(yōu)濺射和表面原子混合等現(xiàn)象。但當(dāng)其剝離速度很快時和剝離時間較短時，以上效應(yīng)就不太明顯，一般可以不用考慮。其分析原理是先用ar離子把表面一定厚度的表面層濺射掉，然后再用aes分析剝離后的表面元素含量，這樣就可以獲得元素在樣品中沿深度方向的分布。由于俄歇電子能譜的采樣深度較淺，因此俄歇電子能譜的深度分析比xps的深度分析具有更好的深度

22、分辨率。當(dāng)離子束與樣品表面的作用時間較長時，樣品表面會產(chǎn)生各種效應(yīng)。為了獲得較好的深度分析結(jié)果，應(yīng)當(dāng)選用交替式濺射方式，并盡可能地降低每次濺射間隔的時間。離子束/電子槍束的直徑比應(yīng)大于10倍以上以避免離子束的濺射坑效應(yīng)。3.1.5 微區(qū)分析微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個重要功能，可以分為選點(diǎn)分析，線掃描分析和面掃描分析三個方面。這種功能是俄歇電子能譜在微電子器件研究中最常用的方法，也是納米材料研究的主要手段。3.1.5.1 選點(diǎn)分析俄歇電子能譜由于采用電子束作為激發(fā)源，其束斑面積可以聚焦到非常小。從理論上，俄歇電子能譜選點(diǎn)分析的空間分別率可以達(dá)到束斑面積大小。因此，利用俄歇電子能譜可以在很

23、微小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行選點(diǎn)分析，當(dāng)然也可以在一個大面積的宏觀空間范圍內(nèi)進(jìn)行選點(diǎn)分析。微區(qū)范圍內(nèi)的選點(diǎn)分析可以通過計(jì)算機(jī)控制電子束的掃描，在樣品表面的吸收電流像或二次電流像圖上鎖定待分析點(diǎn)。對于在大范圍內(nèi)的選點(diǎn)分析，一般采取移動樣品的方法，使待分析區(qū)和電子束重疊。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在很大的空間范圍內(nèi)對樣品點(diǎn)進(jìn)行分析，選點(diǎn)范圍取決于樣品架的可移動程度。利用計(jì)算機(jī)軟件選點(diǎn)，可以同時對多點(diǎn)進(jìn)行表面定性分析，表面成分分析，化學(xué)價態(tài)分析和深度分析。這是一種非常有效的微探針分析方法。3.1.5.2 線掃描分析在研究工作中，不僅需要了解元素在不同位置的存在狀況，有時還需要了解一些元素沿某一方向的分布情況，俄歇線掃

24、描分析能很好地解決的這一問題，利用線掃描分析可以在微觀和宏觀的范圍內(nèi)進(jìn)行（16000微米）。俄歇電子能譜的線掃描分析常應(yīng)用于表面擴(kuò)散研究，界面分析研究等方面。3.1.5.3 元素面分布分析俄歇電子能譜的面分布分析也可稱為俄歇電子能譜的元素分布的圖像分析。它可以把某個元素在某一區(qū)域內(nèi)的分布以圖像的方式表示出來，就象電鏡照片一樣。只不過電鏡照片提供的是樣品表面的形貌像，而俄歇電子能譜提供的是元素的分布像。結(jié)合俄歇化學(xué)位移分析，還可以獲得特定化學(xué)價態(tài)元素的化學(xué)分布像。俄歇電子能譜的面分布分析適合于微型材料和技術(shù)的研究，也適合表面擴(kuò)散等領(lǐng)域的研究。在常規(guī)分析中，由于該分析方法耗時非常長，一般很少使用。

25、3.2 俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢三十多年的來，俄歇電子能譜無論在理論上和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都已獲得了長足的發(fā)展。俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域已不再局限于傳統(tǒng)的金屬和合金，而擴(kuò)展到現(xiàn)代迅猛發(fā)展的納米薄膜技術(shù)和微電子技術(shù)，并大力推動了這些新興學(xué)科的發(fā)展。目前aes分析技術(shù)已發(fā)展成為一種最主要的表面分析工具。在俄歇電子能譜儀的技術(shù)方面也取得了巨大的進(jìn)展。在真空系統(tǒng)方面已淘汰了會產(chǎn)生油污染的油擴(kuò)散泵系統(tǒng)，而采用基本無有機(jī)物污染的分子泵和離子泵系統(tǒng)，分析室的極限真空也從10-8pa提高到10-9pa量級。在電子束激發(fā)源方面，已完全淘汰了鎢燈絲，發(fā)展到使用六硼化錸燈絲和肖特基場發(fā)射電子源，使得電子束的亮度，能量分

26、辨率和空間分辨率都有了大幅度的提高?，F(xiàn)在電子束的最小束斑直徑可以達(dá)到20nm，使得aes的微區(qū)分析能力和圖象分辨率都得到了很大的提高。aes具有很高的表面靈敏度，其檢測極限約為10-3原子單層，其采樣深度為12nm，比xps還要淺。更適合于表面元素定性和定量分析，同樣也可以應(yīng)用于表面元素化學(xué)價態(tài)的研究。配合離子束剝離技術(shù)，aes還具有很強(qiáng)的深度分析和界面分析能力。 其深度分析的速度比xps的要快得多，深度分析的深度分辨率也比xps的深度分析高得多。常用來進(jìn)行薄膜材料的深度剖析和界面分析。此外，aes還可以用來進(jìn)行微區(qū)分析，且由于電子束束斑非常小，具有很高的空間分別率?？梢赃M(jìn)行掃描和微區(qū)上進(jìn)行元

27、素的選點(diǎn)分析，線掃描分析和面分布分析。因此，aes方法在材料，機(jī)械，微電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其是納米薄膜材料領(lǐng)域。3.3 x射線光電子能譜的分析技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢3.3.1 xps譜圖分析技術(shù)的應(yīng)用3.3.1.1 表面元素定性分析這是一種常規(guī)分析方法，一般利用xps譜儀的寬掃描程序。為了提高定性分析的靈敏度，一般應(yīng)加大分析器的通能（pass energy），提高信噪比。圖3.1是典型的xps定性分析圖。通常xps譜圖的橫坐標(biāo)為結(jié)合能，縱坐標(biāo)為光電子的計(jì)數(shù)率。在分析譜圖時，首先必須考慮的是消除荷電位移。對于金屬和半導(dǎo)體樣品由于不會荷電，因此不用校準(zhǔn)。但對于絕緣樣品，則必須進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)?，?dāng)

28、荷電較大時，會導(dǎo)致結(jié)合能位置有較大的偏移，導(dǎo)致錯誤判斷。使用計(jì)算機(jī)自動標(biāo)峰時，同樣會產(chǎn)生這種情況。一般來說，只要該元素存在，其所有的強(qiáng)峰都應(yīng)存在，否則應(yīng)考慮是否為其他元素的干擾峰。激發(fā)出來的光電子依據(jù)激發(fā)軌道的名稱進(jìn)行標(biāo)記。如從c原子的1s軌道激發(fā)出來的光電子用c 1s標(biāo)記。由于x射線激發(fā)源的光子能量較高，可以同時激發(fā)出多個原子軌道的光電子，因此在xps譜圖上會出現(xiàn)多組譜峰。大部分元素都可以激發(fā)出多組光電子峰，可以利用這些峰排除能量相近峰的干擾，以利于元素的定性標(biāo)定。由于相近原子序數(shù)的元素激發(fā)出的光電子的結(jié)合能有較大的差異，因此相鄰元素間的干擾作用很小。3.3.1.2 表面元素的半定量分析首先

29、應(yīng)當(dāng)明確的是xps并不是一種很好的定量分析方法。它給出的僅是一種半定量的分析結(jié)果，即相對含量而不是絕對含量。由xps提供的定量數(shù)據(jù)是以原子百分比含量表示的，而不是我們平常所使用的重量百分比。在定量分析中必須注意的是，xps給出的相對含量也與譜儀的狀況有關(guān)。因?yàn)椴粌H各元素的靈敏度因子是不同的，xps譜儀對不同能量的光電子的傳輸效率也是不同的，并隨譜儀受污染程度而改變。xps僅提供表面35 nm厚的表面信息，其組成不能反映體相成分。樣品表面的c, o污染以及吸附物的存在也會大大影響其定量分析的可靠性。3.3.1.3 表面元素的化學(xué)價態(tài)分析表面元素化學(xué)價態(tài)分析是xps的最重要的一種分析功能，也是xp

30、s譜圖解析最難，比較容易發(fā)生錯誤的部分。在進(jìn)行元素化學(xué)價態(tài)分析前，首先必須對結(jié)合能進(jìn)行正確的校準(zhǔn)。因?yàn)榻Y(jié)合能隨化學(xué)環(huán)境的變化較小，而當(dāng)荷電校準(zhǔn)誤差較大時，很容易標(biāo)錯元素的化學(xué)價態(tài)。此外，有一些化合物的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)不同的作者和儀器狀態(tài)存在很大的差異，在這種情況下這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)僅能作為參考，最好是自己制備標(biāo)準(zhǔn)樣，這樣才能獲得正確的結(jié)果。有一些化合物的元素不存在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要判斷其價態(tài)，必須用自制的標(biāo)樣進(jìn)行對比。還有一些元素的化學(xué)位移很小，用xps的結(jié)合能不能有效地進(jìn)行化學(xué)價態(tài)分析，在這種情況下，可以從線形及伴峰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同樣也可以獲得化學(xué)價態(tài)的信息。3.3.1.4 元素沿深度方向的分布分析xps可

31、以通過多種方法實(shí)現(xiàn)元素沿深度方向分布的分析，這里介紹最常用的兩種方法，它們分別是ar離子剝離深度分析和變角xps深度分析。3.3.1.5 伴峰分析技術(shù)在xps譜中最常見的伴峰包括攜上峰，x射線激發(fā)俄歇峰（xaes）以及xps價帶峰。這些伴峰一般不太常用，但在不少體系中可以用來鑒定化學(xué)價態(tài)，研究成鍵形式和電子結(jié)構(gòu)，是xps常規(guī)分析的一種重要補(bǔ)充。3.3.2 xps譜圖分析技術(shù)的發(fā)展 在xps譜儀技術(shù)發(fā)展方面也取得了巨大的進(jìn)展。在x射線源上，已從原來的激發(fā)能固定的射線源發(fā)展到利用同步輻射獲得x射線能量單色化并連續(xù)可調(diào)的激發(fā)源；傳統(tǒng)的固定式x射線源也發(fā)展到電子束掃描金屬靶所產(chǎn)生的可掃描式x射線源；x

32、射線的束斑直徑也實(shí)現(xiàn)了微型化，最小的束斑直徑已能達(dá)到6mm大小, 使得xps在微區(qū)分析上的應(yīng)用得到了大幅度的加強(qiáng)。圖像xps技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了xps在新材料研究上的應(yīng)用。在譜儀的能量分析檢測器方面，也從傳統(tǒng)的單通道電子倍增器檢測器發(fā)展到位置靈敏檢測器和多通道檢測器，使得檢測靈敏度獲得了大幅度的提高。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的廣泛采用，使得采樣速度和譜圖的解析能力也有了很大的提高。第4章 光譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（紅外光譜和拉曼光譜）4.1 紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用4.1.1 紅外熱像儀紅外熱像儀行業(yè)是一個發(fā)展前景非常廣闊的新興高科技產(chǎn)業(yè)，也是紅外應(yīng)用產(chǎn)品中市場份額最大的一塊，在軍民兩個領(lǐng)域都有廣泛的

33、應(yīng)用。紅外熱像儀在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等軍事武器上獲得了廣泛的應(yīng)用。同時，隨著非制冷紅外熱成像技術(shù)的生產(chǎn)成本大幅度降低，該產(chǎn)品的應(yīng)用已延伸到了電力、消防、工業(yè)、醫(yī)療、安防等國民經(jīng)濟(jì)各個部門。 隨著北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會等國內(nèi)大型活動的增加，對安全的要求越來越嚴(yán)格，越來越多的場所需要24小時持續(xù)監(jiān)控。紅外線在夜間監(jiān)視的應(yīng)用更加突出，不僅金庫、油庫、軍械庫、圖書文獻(xiàn)庫、文物部門、監(jiān)獄等重要部門采用，而且也在一般監(jiān)控系統(tǒng)中也被廣泛采用，甚至居民小區(qū)監(jiān)控工程也應(yīng)用了紅外線攝像機(jī)。帶動了紅外攝像市場持續(xù)升溫。 4.1.2 紅外光譜儀紅外光譜儀主要用于化學(xué)物理分析領(lǐng)域，可應(yīng)用于各種

34、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、石油、農(nóng)業(yè)、檢測等領(lǐng)域。按應(yīng)用范圍可分為通用型紅外光譜儀和專用紅外光譜儀，按波長范圍分可分為近紅外光譜儀和遠(yuǎn)紅外光譜儀，目前以近紅外光譜儀為主?，F(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)包括了近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和應(yīng)用模型三部分。只有三者的完美結(jié)合才能達(dá)到高性能的要求。目前近紅外專用光譜儀器的研制及應(yīng)用在國內(nèi)已受到很多專家的關(guān)注，并已開發(fā)研制出一批適應(yīng)國內(nèi)分析對象的儀器及應(yīng)用軟件。如，中國石油科學(xué)院的一批年輕學(xué)者在陸婉珍院士的帶領(lǐng)下，研制和開發(fā)出了有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的近紅外專用光譜儀器及其在我國石油科學(xué)中應(yīng)用的一些軟件；以北京農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)衍祿教授領(lǐng)導(dǎo)的“中國農(nóng)業(yè)近紅外分析技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”課題已

35、完成，研制和開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適用于中國農(nóng)業(yè)品品質(zhì)的分析的軟件；相秉仁教授在中國藥科大學(xué)分析計(jì)算中心建立了internet近紅外光譜分析虛擬建模中心，進(jìn)行近紅外光譜分析的建模和數(shù)學(xué)模型維護(hù)等工作，并建立了一些中草藥近紅外分析的數(shù)學(xué)模型。 4.1.3 紅外傳感器隨著紅外測溫技術(shù)的普遍應(yīng)用，一種新型的紅外技術(shù)智能（smart）數(shù)字紅外傳感技術(shù)正在悄然興起。這種智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。另外，隨著便攜式紅外傳感器的體積越來越小，價格逐漸降低，在食品、采暖空調(diào)和汽車等領(lǐng)域也有了新的應(yīng)用。比如用在食品烘烤機(jī)、理發(fā)吹風(fēng)機(jī)上，紅外

36、傳感器檢測溫度是否過熱，以便系統(tǒng)決定是否進(jìn)行下一步操作，如停止加熱，或是將食品從烤箱中自動取出，或是使吹風(fēng)機(jī)冷卻等。隨著更多的用戶對便攜式紅外溫度傳感器的了解，其潛在用戶正在增加。 4.2 紅外光譜分析技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢4.2.1 紅外技術(shù)的發(fā)展及主要應(yīng)用領(lǐng)域 軍用領(lǐng)域在美、英、法、德、日、以色列等發(fā)達(dá)國家的軍隊(duì)中，紅外熱像儀已配置在陸、空、海軍等各個軍種中，例如海灣戰(zhàn)爭中平均每個美國士兵配備1.7具紅外熱像儀。紅外測溫、紅外成像已在工業(yè)、交通、電力、石化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、遙感、安全監(jiān)控與防范和科學(xué)研究等民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為自動控制、在線監(jiān)測、非接觸測量、設(shè)備故障診斷、資源勘查、遙感測量、環(huán)境

37、污染監(jiān)測分析、人體醫(yī)學(xué)影像檢查等重要方法。系統(tǒng)級產(chǎn)品種類和量產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致了紅外器件成本的降低，這個發(fā)展趨勢不但促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)在民用領(lǐng)域能夠不斷地探尋更多的應(yīng)用用途，同時又拉動了這項(xiàng)技術(shù)本身所牽引的基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展。民用領(lǐng)域的紅外熱像儀市場極有可能呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長，未來全球民用潛在需求市場高達(dá)上千億美元。4.2.2 紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要領(lǐng)域方向按產(chǎn)品和技術(shù)類別可分為：紅外傳感器、紅外成像器 、紅外材料、光學(xué)元件、制冷器、前放、專用信號讀出處理電路、圖像處理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)檢測、仿真與試驗(yàn)等；按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：安防領(lǐng)域、消防領(lǐng)域 、電力領(lǐng)域 、企業(yè)制程控制領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、遙感領(lǐng)域等。

38、安防領(lǐng)域 隨著商業(yè)和民用安防監(jiān)控實(shí)際需求的不斷增長、部署監(jiān)控系統(tǒng)性價比的不斷提升，以及“國家應(yīng)急體系”、“平安建設(shè)”、“科技強(qiáng)警”等重大工程項(xiàng)目在全國不斷推進(jìn)，我國視頻監(jiān)控市場將持續(xù)升溫，并不斷創(chuàng)造出更多的市場需求和機(jī)會。消防領(lǐng)域非制冷紅外探測器的出現(xiàn)和市場價格的可接收性，紅外報警已從近紅外主動照射成像報警、點(diǎn)源紅外探測報警快速向紅外凝視焦平面成像發(fā)展。紅外成像、紅外可見光融合的智能視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)將獲得快速發(fā)展，并將廣泛運(yùn)用到海邊防、銀行、機(jī)場、油庫、軍械庫、圖書文獻(xiàn)庫、文物部門、監(jiān)獄等重要部門，以及交通、工業(yè)、倉儲、港口碼頭、物聯(lián)網(wǎng)和森林防火等行業(yè)市場。醫(yī)療領(lǐng)域紅外技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用主要包括人

39、體溫度檢測、疾病臨床診斷、疾病治療與保健三個領(lǐng)域。目前，醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)正在生物信息、無創(chuàng)檢測、亞健康評估、腫瘤預(yù)測、中醫(yī)診斷客觀化、人體異常信息的無創(chuàng)監(jiān)測（包括sars疫情監(jiān)測）等重大前沿領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。各種紅外理療儀已經(jīng)逐步進(jìn)入了人們的家庭。 建筑領(lǐng)域2006年11月1日，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批準(zhǔn)實(shí)施紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層脫粘結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程，對紅外熱像儀在建筑行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)范。目前，我國建筑企業(yè)約為10萬家，如果每家配備1臺紅外熱像儀，則市場需求總量可達(dá)10萬臺，以平均每臺售價5萬元計(jì)算，市場需求額可達(dá)50億元。遙感領(lǐng)域紅外遙感儀器獲取地物目標(biāo)的紅外波段輻射數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號

40、或信息處理可以獲得地球環(huán)境的信息。在地球資源探查、氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、抗災(zāi)搜救等方面具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用空間。有星載、機(jī)載、浮空器等眾多遙感平臺。4.3 拉曼光譜分析技術(shù)的應(yīng)用4.3.1 拉曼散射光譜具有以下明顯的特征：a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)；b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量；c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強(qiáng)度大。這是由于boltzmann分布，處

41、于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)。4.3.2 拉曼光譜技術(shù)的優(yōu)越性提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外1 由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具。2 拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區(qū)間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器3 拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。4 因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規(guī)紅外光譜一個很大的優(yōu)勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5 共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個發(fā)色基團(tuán)的振動，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。4.3.3 幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù)1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù)2、以ccd為代表的