現(xiàn)代材料方法

1、現(xiàn)代材料分析方法現(xiàn)代材料分析方法材料分析主要涉及到對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)及微材料分析主要涉及到對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)及微觀形貌與缺陷等的測(cè)試和分析。觀形貌與缺陷等的測(cè)試和分析。本課程講述幾種最基本的現(xiàn)代材料分析技術(shù)，本課程講述幾種最基本的現(xiàn)代材料分析技術(shù)，涉及到的儀器設(shè)備和方法可以對(duì)材料的組成、涉及到的儀器設(shè)備和方法可以對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)及微觀形貌的進(jìn)行測(cè)試和分析。結(jié)構(gòu)及微觀形貌的進(jìn)行測(cè)試和分析。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將有更先進(jìn)的儀隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將有更先進(jìn)的儀器和方法被開發(fā)出來。器和方法被開發(fā)出來。建議：學(xué)習(xí)過程中注重各種分析方法的原理、建議：學(xué)習(xí)過程中注重各種分析方法的原理、功能、特

2、點(diǎn)、樣品要求以及結(jié)果的含義。功能、特點(diǎn)、樣品要求以及結(jié)果的含義。 引言引言現(xiàn)代材料分析方法概述現(xiàn)代材料分析方法概述現(xiàn)代材料分析方法是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形現(xiàn)代材料分析方法是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形貌等的分析技術(shù)及其相關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)。貌等的分析技術(shù)及其相關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)。材料分析的技術(shù)基礎(chǔ)是測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)材料分析的技術(shù)基礎(chǔ)是測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系。采用不同的測(cè)量信號(hào)（具有與材料等的特征關(guān)系。采用不同的測(cè)量信號(hào)（具有與材料的不同特征關(guān)系）形成不同的分析方法。的不同特征關(guān)系）形成不同的分析方法?；陔姶泡椛浼斑\(yùn)動(dòng)粒子束與物質(zhì)相互作用的各種基于電磁輻射及運(yùn)動(dòng)粒子束與物質(zhì)

3、相互作用的各種性質(zhì)、基于物理或化學(xué)性質(zhì)與材料的特征關(guān)系建立性質(zhì)、基于物理或化學(xué)性質(zhì)與材料的特征關(guān)系建立的各種分析方法是現(xiàn)代材料分析方法的重要組成部的各種分析方法是現(xiàn)代材料分析方法的重要組成部分。分?，F(xiàn)代材料分析方法概述現(xiàn)代材料分析方法概述成分分析成分分析：光譜分析（原子發(fā)射光譜、原子吸收光譜、：光譜分析（原子發(fā)射光譜、原子吸收光譜、紫外及可見光、紅外光譜等）、核磁共振、紫外及可見光、紅外光譜等）、核磁共振、X-射線熒射線熒光譜、俄歇與光譜、俄歇與X-射線光電子譜、電子探針、原子探針射線光電子譜、電子探針、原子探針等。等。結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)構(gòu)測(cè)定：以衍射法為主，如：以衍射法為主，如X-射線衍射、電子衍射

4、、射線衍射、電子衍射、中子衍射等，此外還有紅外光譜、核磁共振等。中子衍射等，此外還有紅外光譜、核磁共振等。形貌觀察形貌觀察：主要依靠顯微鏡。光學(xué)顯微鏡（：主要依靠顯微鏡。光學(xué)顯微鏡（LM）、）、透射電鏡（透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（）、掃描電鏡（SEM）、激光共）、激光共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡。聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡。X-射線衍射分析射線衍射分析1 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析 2 物相分析物相分析 3 固溶體分析固溶體分析 4 晶塊尺寸晶塊尺寸 5 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 6 單晶取向單晶取向7 織構(gòu)織構(gòu) 8 非晶態(tài)研究非晶態(tài)研究9 探傷探傷 10 化學(xué)成分分析化學(xué)成分分析用途：用途：X-射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)

5、生電子與陽(yáng)極原子碰撞放出一個(gè)電子與陽(yáng)極原子碰撞放出一個(gè)h 能量的光子，多能量的光子，多次碰撞形成光子流。每次碰撞輻射的光子能量不次碰撞形成光子流。每次碰撞輻射的光子能量不同，所以形成不同波長(zhǎng)同，所以形成不同波長(zhǎng) 的的X光。光。X-射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)是一種電磁波是一種電磁波 =10-6 10-10 cm具有波粒二象性具有波粒二象性: = h = hc/ p = h/ 特征特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)) X-射線譜射線譜存在存在K 和和K 兩種特定波長(zhǎng)的兩種特定波長(zhǎng)的輻射。輻射。K 又分成又分成 K 1 和和K 2波長(zhǎng)非常接近。波長(zhǎng)非常接近。K 1 和和K 2的的強(qiáng)度比大約為強(qiáng)度比大約為2:1。電子把內(nèi)層電子

6、激出，內(nèi)層空電子把內(nèi)層電子激出，內(nèi)層空位，原子處于激發(fā)態(tài)，高能級(jí)位，原子處于激發(fā)態(tài)，高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷將輻射出的電子向低能級(jí)躍遷將輻射出標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)X-射線。射線。X-射線通過物質(zhì)，一部分被散射，一部分被吸射線通過物質(zhì)，一部分被散射，一部分被吸收，一部分透射。收，一部分透射。 X-射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用X-射線照到晶體時(shí)會(huì)發(fā)生衍射射線照到晶體時(shí)會(huì)發(fā)生衍射X-光光作用于晶體作用于晶體原子散射原子散射晶體原子晶體原子規(guī)則排列規(guī)則排列立體光柵立體光柵衍射花樣衍射花樣晶體內(nèi)原子晶體內(nèi)原子分布規(guī)律分布規(guī)律衍射花樣衍射花樣包包 括括衍射線在空間的分布規(guī)律衍射線在空間的分布規(guī)律(衍射幾何

7、衍射幾何) (由晶胞大小、形狀和位向決定由晶胞大小、形狀和位向決定)衍射線束的強(qiáng)度衍射線束的強(qiáng)度(取決于原子在晶胞中的位置取決于原子在晶胞中的位置)晶體對(duì)晶體對(duì) X-射線的衍射，可視為晶體中某些原子面射線的衍射，可視為晶體中某些原子面對(duì)對(duì)X-射線的射線的“反射反射”。布拉格方程布拉格方程相長(zhǎng)干涉的條件是相長(zhǎng)干涉的條件是光程差為波長(zhǎng)的整光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。數(shù)倍。 2dsin n 所以對(duì)所以對(duì) 值分析可知道晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)值分析可知道晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等信息。等信息。晶系晶系 (或同一晶系晶胞大小不同或同一晶系晶胞大小不同)衍射花樣衍射花樣不相同不相同布拉格方程：布拉格方程： 2dsin n

8、：布拉格角（掠射角）：布拉格角（掠射角）2 ：衍射角（入射線與衍射線的夾角）：衍射角（入射線與衍射線的夾角）X-射線衍射方法射線衍射方法要想產(chǎn)生衍射，必須滿足布拉格方程。要想產(chǎn)生衍射，必須滿足布拉格方程。周轉(zhuǎn)晶體法：周轉(zhuǎn)晶體法：用單色用單色(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X光，照射轉(zhuǎn)動(dòng)的單晶光，照射轉(zhuǎn)動(dòng)的單晶體。體。 不變，不變， 變。變。勞埃法：勞埃法： 用多色用多色(連續(xù)連續(xù))光，照射固定不動(dòng)的單晶光，照射固定不動(dòng)的單晶 體，體， 不變，不變， 變化。變化。多晶衍射（粉末）法：多晶衍射（粉末）法：用單色用單色(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X光照射多晶光照射多晶體樣品。體樣品。 不變，不變， 變。固定不動(dòng)的多晶體就其晶變。固定不

9、動(dòng)的多晶體就其晶粒間的位向關(guān)系而言，相當(dāng)于單晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。粒間的位向關(guān)系而言，相當(dāng)于單晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。F:X-射線源射線源 S1:梭拉狹縫梭拉狹縫 H:發(fā)散狹縫發(fā)散狹縫 O:樣品臺(tái)樣品臺(tái) M:發(fā)散狹縫發(fā)散狹縫 S2:梭拉狹縫梭拉狹縫 G:接收狹縫接收狹縫 D:計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 X-射線衍射儀射線衍射儀目前，目前，X-射線衍射分析主要采用衍射儀。測(cè)量具有快射線衍射分析主要采用衍射儀。測(cè)量具有快速、準(zhǔn)確等有點(diǎn)，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析等。速、準(zhǔn)確等有點(diǎn)，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析等。通過轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器連續(xù)測(cè)得某角度范圍內(nèi)的衍射強(qiáng)度。通過轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器連續(xù)測(cè)得某角度范圍內(nèi)的衍射強(qiáng)度。可以測(cè)定整個(gè)衍射花樣

10、，也可以測(cè)定局部衍射線的分布?？梢詼y(cè)定整個(gè)衍射花樣，也可以測(cè)定局部衍射線的分布。氯化鈉粉末的氯化鈉粉末的X-射線衍射譜圖射線衍射譜圖淀粉的淀粉的X-射線衍射譜圖射線衍射譜圖樣品中的非晶部分產(chǎn)生樣品中的非晶部分產(chǎn)生“饅頭饅頭”狀的彌散峰。狀的彌散峰。晶體特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定在一定 X光作用下光作用下特有衍射花樣多相物質(zhì)衍射花樣 各相花樣的疊加與晶體物質(zhì)獨(dú)有對(duì)應(yīng)關(guān)系待測(cè)物與各已知物衍射花樣對(duì)比待測(cè)物與各已知物衍射花樣對(duì)比定性分析！對(duì)比的信息即包括衍射幾何又包含衍射強(qiáng)度。對(duì)比的信息即包括衍射幾何又包含衍射強(qiáng)度。X-射線物相分析射線物相分析定性相分析簡(jiǎn)單對(duì)比定性相分析簡(jiǎn)單對(duì)比 已知的標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣很重要

11、已知的標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣很重要1938年哈那瓦特收集攝取上千張已知物質(zhì)的衍射花樣1942年美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)整理出版了1300張ASTM卡片(The American Society forTesting Materials)1969年起，美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)和英國(guó)、法國(guó)、加拿大等國(guó)有關(guān)協(xié)會(huì)組成粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)收集出版卡片命名PDF卡片（The Powder Diffraction File)到到1985年已有卡片年已有卡片46000張，包括無機(jī)和有機(jī)化合物張，包括無機(jī)和有機(jī)化合物分為分為“有機(jī)有機(jī)”和和“無機(jī)無機(jī)”兩類；每類又分為字母索引和數(shù)兩類；每類又分為字母索引和數(shù)字索引兩種。字索引兩種。數(shù)字

12、索引數(shù)字索引 (Hanawalt Method) 當(dāng)待測(cè)樣中的物相或組成元素完全未知時(shí)，應(yīng)采用此索當(dāng)待測(cè)樣中的物相或組成元素完全未知時(shí)，應(yīng)采用此索引，其形式為每種物質(zhì)的數(shù)據(jù)在索引中占一橫行。依次列引，其形式為每種物質(zhì)的數(shù)據(jù)在索引中占一橫行。依次列有：八強(qiáng)線晶面間距和相對(duì)強(qiáng)度、化學(xué)式、卡片編號(hào)、參有：八強(qiáng)線晶面間距和相對(duì)強(qiáng)度、化學(xué)式、卡片編號(hào)、參比強(qiáng)度比強(qiáng)度 (I / Ic)。字母索引字母索引 根據(jù)物質(zhì)英文名稱第一個(gè)字母，按字母的順序排列而成。根據(jù)物質(zhì)英文名稱第一個(gè)字母，按字母的順序排列而成。每一物質(zhì)占一橫行依次列有：英文名稱、化學(xué)式、三強(qiáng)線面每一物質(zhì)占一橫行依次列有：英文名稱、化學(xué)式、三強(qiáng)線面

13、間距間距da、卡片順序號(hào)。、卡片順序號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：想檢索已知相或可能物相的衍射數(shù)據(jù)，只需知道它們優(yōu)點(diǎn)：想檢索已知相或可能物相的衍射數(shù)據(jù)，只需知道它們的英文名稱便可應(yīng)用字母索引。的英文名稱便可應(yīng)用字母索引?？ㄆ饕ㄆ饕娮优c物質(zhì)相互作用的信息及相應(yīng)儀器電子與物質(zhì)相互作用的信息及相應(yīng)儀器瑞利判據(jù)瑞利判據(jù)由于電磁波的波動(dòng)性質(zhì)，由由于電磁波的波動(dòng)性質(zhì)，由透鏡各部分折射到像平面上透鏡各部分折射到像平面上的光波相互之間發(fā)生干涉作的光波相互之間發(fā)生干涉作用、產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。理想的用、產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。理想的點(diǎn)光源通過透鏡成像時(shí)，在點(diǎn)光源通過透鏡成像時(shí)，在像平面上也不能得到一個(gè)理像平面上也不能得到一個(gè)理想的像點(diǎn)，而

14、形成具有一定想的像點(diǎn)，而形成具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)所組成，即暗相間的圓環(huán)所組成，即Airy斑。斑。通常以埃利斑第一暗環(huán)的半通常以埃利斑第一暗環(huán)的半徑徑R0來衡量其大小。來衡量其大小。R0 = 0.61(/n sin)M; r0 = 0.61 /n sin1）紫外線）紫外線 會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；2）X-射線射線 無法使其會(huì)聚無法使其會(huì)聚 ；3）電子波）電子波 比可見光波長(zhǎng)更短的電磁波比可見光波長(zhǎng)更短的電磁波加速電壓加速電壓(kv) 電子波長(zhǎng)電子波長(zhǎng)() 相對(duì)論修正后相對(duì)論修正后 的電子波長(zhǎng)的電子波長(zhǎng)() 1 0.3878 0.38

15、76 10 0.1226 0.1220 50 0.0548 0.0536 100 0.0388 0.0370 1000 0.0123 0.0087加速電壓與電子波長(zhǎng)加速電壓與電子波長(zhǎng)提高加速電壓，縮短電子波長(zhǎng)，提高電鏡分辨率。提高加速電壓，縮短電子波長(zhǎng)，提高電鏡分辨率。加速電壓越高，對(duì)試樣的穿透能力越大，可放寬對(duì)樣品的加速電壓越高，對(duì)試樣的穿透能力越大，可放寬對(duì)樣品的減薄要求。如用更厚樣品，更接近樣品實(shí)際情況。減薄要求。如用更厚樣品，更接近樣品實(shí)際情況。電子波長(zhǎng)與可見光相比，相差電子波長(zhǎng)與可見光相比，相差105量級(jí)。量級(jí)。電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)電子槍電子槍 提供穩(wěn)定的電子源。提供穩(wěn)定的電子源

16、。電磁透鏡電磁透鏡 縮小電子束斑?？s小電子束斑。掃描線圈掃描線圈 提供入射電子束在樣提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙韪淖內(nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹垣@得所需放大倍率的掃振幅，以獲得所需放大倍率的掃描像。描像。樣品室和記錄系統(tǒng)樣品室和記錄系統(tǒng) 放置樣品和安放置樣品和安置信號(hào)探測(cè)器（收集信號(hào)）。置信號(hào)探測(cè)器（收集信號(hào)）。 主要用于材料的形貌主要用于材料的形貌組織觀察，可測(cè)定樣組織觀察，可測(cè)定樣品形態(tài)和粒度、顯微品形態(tài)和粒度、顯微形貌分析、材料斷口形貌分析、材料斷口和失效

17、分析、復(fù)合材和失效分析、復(fù)合材料界面特性的研究等；料界面特性的研究等；與能譜儀聯(lián)用，可研與能譜儀聯(lián)用，可研究樣品的微區(qū)元素成究樣品的微區(qū)元素成份分布，對(duì)材料中的份分布，對(duì)材料中的元素進(jìn)行定性分析、元素進(jìn)行定性分析、定量分析、線分析、定量分析、線分析、面分析。面分析。掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 (SEM)掃描電鏡成象原理掃描電鏡成象原理在掃描電鏡中，電子槍發(fā)在掃描電鏡中，電子槍發(fā)射出來的電子束，一般經(jīng)射出來的電子束，一般經(jīng)過三個(gè)電磁透鏡聚焦后，過三個(gè)電磁透鏡聚焦后，形成直徑形成直徑0.0220 m 的的電子束。末級(jí)透鏡（也稱電子束。末級(jí)透鏡（也稱物鏡，但它不起放大作用，物鏡，但它不起放大作用，

18、仍是一個(gè)會(huì)聚透鏡）上部仍是一個(gè)會(huì)聚透鏡）上部的掃描線圈能使電子束在的掃描線圈能使電子束在試樣表面上作光柵狀掃描。試樣表面上作光柵狀掃描。通常所用的掃描電鏡圖象通常所用的掃描電鏡圖象有二次電子象和背散射電有二次電子象和背散射電子象。子象。1 有較高的分辨率和放大倍數(shù)，有較高的分辨率和放大倍數(shù)，20倍倍-20萬(wàn)倍之萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；間連續(xù)可調(diào)；2 有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；3 試樣制備簡(jiǎn)單。試樣制備簡(jiǎn)單。 掃描電子顯微鏡的成象原理和光學(xué)顯微鏡、透掃描電子顯微鏡的成象

19、原理和光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡均不同，它不是以透鏡放大成象，射電子顯微鏡均不同，它不是以透鏡放大成象，而是以類似電視攝影顯象的方式、用細(xì)聚焦在樣而是以類似電視攝影顯象的方式、用細(xì)聚焦在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號(hào)來調(diào)制成品表面掃描時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號(hào)來調(diào)制成象，掃描電鏡多與波譜儀、能譜儀等組合構(gòu)成用象，掃描電鏡多與波譜儀、能譜儀等組合構(gòu)成用途廣泛的多功能儀器。途廣泛的多功能儀器。掃描電鏡的特點(diǎn)掃描電鏡的特點(diǎn)掃描電鏡的樣品制備掃描電鏡的樣品制備不導(dǎo)電樣品噴鍍導(dǎo)電層，用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上。不導(dǎo)電樣品噴鍍導(dǎo)電層，用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上。在有代表性的前提下，試樣盡可能小，大試樣放入在有

20、代表性的前提下，試樣盡可能小，大試樣放入樣品室時(shí)會(huì)有較多氣體放出，對(duì)試樣室真空度有較樣品室時(shí)會(huì)有較多氣體放出，對(duì)試樣室真空度有較大影響。大影響。清除斷口污物，試樣表面一般都吸附了氣體、水份、清除斷口污物，試樣表面一般都吸附了氣體、水份、油及其他污染物。高真空試樣室內(nèi)會(huì)放出，污染光油及其他污染物。高真空試樣室內(nèi)會(huì)放出，污染光學(xué)系統(tǒng)并影響燈絲壽命。學(xué)系統(tǒng)并影響燈絲壽命。粉體樣品要盡量薄，如果粉體堆積會(huì)產(chǎn)生電荷積累。粉體樣品要盡量薄，如果粉體堆積會(huì)產(chǎn)生電荷積累。 不導(dǎo)電試樣或者導(dǎo)電性差的試樣，在常規(guī)分析條不導(dǎo)電試樣或者導(dǎo)電性差的試樣，在常規(guī)分析條件下，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電會(huì)使分析點(diǎn)無法定件下，會(huì)產(chǎn)生

21、放電現(xiàn)象。放電會(huì)使分析點(diǎn)無法定位、圖像無法聚焦，影響定量分析結(jié)果及形貌觀位、圖像無法聚焦，影響定量分析結(jié)果及形貌觀察。察。 解決辦法：鍍膜；降低加速電壓；改變掃描速度；解決辦法：鍍膜；降低加速電壓；改變掃描速度；減小束流；傾斜試樣；改善試樣表面與樣品座的減小束流；傾斜試樣；改善試樣表面與樣品座的接觸；減小試樣尺寸等。接觸；減小試樣尺寸等。減少試樣放電的方法減少試樣放電的方法掃描電鏡照片掃描電鏡照片PAV/SA凝膠的表面（右列）和內(nèi)部（左列）；凝膠的表面（右列）和內(nèi)部（左列）；上部為上部為100/0；下部為；下部為75/25。掃描電鏡照片掃描電鏡照片小麥面粉小麥面粉小麥淀粉小麥淀粉環(huán)境掃描電鏡環(huán)

22、境掃描電鏡 (ESEM) 環(huán)境掃描電鏡試樣室的真空度在環(huán)境掃描電鏡試樣室的真空度在220Toor（2660Pa)范圍，通常通氣體或者噴水來保持低真范圍，通常通氣體或者噴水來保持低真空度。入射電子與氣體分子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正離子空度。入射電子與氣體分子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正離子和電子，正離子被試樣表面吸引并中和表面積累的和電子，正離子被試樣表面吸引并中和表面積累的電荷，電子飛向探測(cè)器電荷，電子飛向探測(cè)器, 所以不會(huì)產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。所以不會(huì)產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。ESEM可以觀察不穩(wěn)定試樣和含水試樣?？梢杂^察不穩(wěn)定試樣和含水試樣。 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM)主要用于觀察樣品形貌，主要用于觀察樣品形貌，進(jìn)行

23、選區(qū)成像，選區(qū)衍進(jìn)行選區(qū)成像，選區(qū)衍射結(jié)構(gòu)分析，對(duì)材料進(jìn)射結(jié)構(gòu)分析，對(duì)材料進(jìn)行形貌觀察和電子衍射行形貌觀察和電子衍射分析。研究材料的晶體分析。研究材料的晶體缺陷、結(jié)構(gòu)、晶界、相缺陷、結(jié)構(gòu)、晶界、相界、相變過程的微結(jié)構(gòu)界、相變過程的微結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)變化，以獲得材及結(jié)構(gòu)變化，以獲得材料性能與結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)料性能與結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系。系。透射電子顯微圖像的襯度原理透射電子顯微圖像的襯度原理運(yùn)動(dòng)電子與物質(zhì)作用的過程很復(fù)雜運(yùn)動(dòng)電子與物質(zhì)作用的過程很復(fù)雜, 電子的加速電壓電子的加速電壓很高很高,試樣很薄試樣很薄,而且所接受的是透過的電子信號(hào)而且所接受的是透過的電子信號(hào),因此因此主要考慮的是電子的散射、干涉和衍射等作

24、用。主要考慮的是電子的散射、干涉和衍射等作用。電子束在穿越試樣的過程中，與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作電子束在穿越試樣的過程中，與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作用，穿過試樣后帶有試樣特征但是人眼不能直接感受用，穿過試樣后帶有試樣特征但是人眼不能直接感受的電子信息，的電子信息，TEM將其轉(zhuǎn)變成人眼可視的圖象。將其轉(zhuǎn)變成人眼可視的圖象。圖象上明、暗（黑、白）的差異稱為襯度（或反差）。圖象上明、暗（黑、白）的差異稱為襯度（或反差）。在不同情況下，電子圖象襯度形成的原理不同，它所在不同情況下，電子圖象襯度形成的原理不同，它所說明的問題也不同。透鏡的圖象襯度主要有散射襯度、說明的問題也不同。透鏡的圖象襯度主要有散射襯度、衍射

25、襯度和相位差襯度。衍射襯度和相位差襯度。電子的散射電子的散射入射電子進(jìn)入試樣后，與試樣原子的原子核及核外入射電子進(jìn)入試樣后，與試樣原子的原子核及核外電子發(fā)生相互作用，使入射電子發(fā)生散射（彈性、電子發(fā)生相互作用，使入射電子發(fā)生散射（彈性、非彈性散射）非彈性散射） 。其中，彈性散射指入射電子與原子。其中，彈性散射指入射電子與原子核的作用，而非彈性散射是入射電子與核外電子的核的作用，而非彈性散射是入射電子與核外電子的作用。作用。重元素比輕元素對(duì)電子的散射能力強(qiáng)。重元素比輕元素對(duì)電子的散射能力強(qiáng)。散射（質(zhì)量散射（質(zhì)量-厚度）襯度厚度）襯度由于試樣上各部分散射能力不同所形成的襯度，稱由于試樣上各部分散射

26、能力不同所形成的襯度，稱為散射（質(zhì)量為散射（質(zhì)量-厚度）襯度。厚度）襯度。電子衍射與電子衍射與X-射線衍射的比較射線衍射的比較電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。結(jié)合起來。電子波長(zhǎng)短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒電子波長(zhǎng)短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點(diǎn)陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從底易點(diǎn)陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X-射線簡(jiǎn)單。射線簡(jiǎn)單。物質(zhì)對(duì)電子散射

27、主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約為為X-射線的一萬(wàn)倍，曝光時(shí)間短。射線的一萬(wàn)倍，曝光時(shí)間短。電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣和強(qiáng)度分析變得產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣和強(qiáng)度分析變得復(fù)雜，不能象復(fù)雜，不能象X-射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來廣泛射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來廣泛地測(cè)定結(jié)構(gòu)。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能地測(cè)定結(jié)構(gòu)。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X-射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)比射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)

28、比X-射線低。射線低。電子衍射與電子衍射與X-射線衍射的比較射線衍射的比較 樣品相對(duì)于電子束而言必須有足夠的樣品相對(duì)于電子束而言必須有足夠的“透明度透明度”，只有樣品能被電子束透過，才可能進(jìn)行觀察和分析。只有樣品能被電子束透過，才可能進(jìn)行觀察和分析。2 薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過程中，這些組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。備過程中，這些組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。 薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在制備、夾持和操薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在制備、夾持和操作過程中、在一定的機(jī)械力作用下不會(huì)引起變形或作過程中、在一定的機(jī)械力作用下不會(huì)引起變形或損壞。損壞。4

29、在樣品制備過程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。在樣品制備過程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。氧化和腐蝕會(huì)使樣品的透明度下降，并造成多種假氧化和腐蝕會(huì)使樣品的透明度下降，并造成多種假像。像。透射電子顯微鏡的樣品要求透射電子顯微鏡的樣品要求是指用聚焦很細(xì)是指用聚焦很細(xì)的電子束照射要的電子束照射要檢測(cè)的樣品表面，檢測(cè)的樣品表面，用用X-射線分光譜射線分光譜儀測(cè)量其產(chǎn)生的儀測(cè)量其產(chǎn)生的特征特征X-射線的波射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，分析長(zhǎng)和強(qiáng)度，分析微區(qū)（微區(qū)（1-30um）中的化學(xué)組成。中的化學(xué)組成。電子探針電子探針特點(diǎn)：微米級(jí)微區(qū)分析、準(zhǔn)確度高（優(yōu)于特點(diǎn)：微米級(jí)微區(qū)分析、準(zhǔn)確度高（優(yōu)于2%）、靈敏度達(dá)到）、靈敏度達(dá)

30、到10-15g、多元素同時(shí)檢測(cè)、樣品無損、對(duì)輕元素不利。、多元素同時(shí)檢測(cè)、樣品無損、對(duì)輕元素不利。顯示器顯示器 (MCA Display)HP計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)EDAMIIIPCI杜瓦瓶杜瓦瓶前置放大器前置放大器SEM鏡筒鏡筒終透鏡終透鏡樣品臺(tái)樣品臺(tái)樣品室樣品室探頭探頭窗窗口口準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器FET能譜儀能譜儀與與SEM結(jié)合進(jìn)行微區(qū)成份分析。通過對(duì)電子束激發(fā)產(chǎn)結(jié)合進(jìn)行微區(qū)成份分析。通過對(duì)電子束激發(fā)產(chǎn)生的生的X-射線能量進(jìn)行分析，利用不同元素射線能量進(jìn)行分析，利用不同元素X-射線光子射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來進(jìn)行成分分析。特征能量不同這一特點(diǎn)來進(jìn)行成分分析。利用固態(tài)檢測(cè)器（鋰漂移硅）測(cè)量每個(gè)射線光子的

31、能量，利用固態(tài)檢測(cè)器（鋰漂移硅）測(cè)量每個(gè)射線光子的能量，并按大小展譜。并按大小展譜。鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器的作用：鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器的作用：接收每個(gè)射線光子的能量，將接收每個(gè)射線光子的能量，將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，產(chǎn)生射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，產(chǎn)生電脈沖。電脈沖。能譜儀能譜儀1 分析速度快，分析速度快，23分鐘內(nèi)完成元素定性分析。分鐘內(nèi)完成元素定性分析。 3 分析元素范圍：分析元素范圍：1192。能譜儀的特點(diǎn)能譜儀的特點(diǎn) 4 能進(jìn)行低倍能進(jìn)行低倍X-射線掃描成像，得到大視域的元射線掃描成像，得到大視域的元素分布圖。素分布圖。5 對(duì)樣品污染作用?。üぷ魇餍。?。對(duì)樣品污染作用?。üぷ魇餍。?。 6 適于粗糙表

32、面成分分析。適于粗糙表面成分分析。7 探測(cè)器探測(cè)器Si(Li)必須在液氮溫度必須在液氮溫度(77K)下使用，維護(hù)下使用，維護(hù)費(fèi)用高。費(fèi)用高。 2 分辨率較低，分辨率較低，150eV。原子力顯微鏡原子力顯微鏡 (AFM)AFM使用一個(gè)一端固定而另一端裝有使用一個(gè)一端固定而另一端裝有針尖的彈性微懸臂來檢測(cè)樣品表面形針尖的彈性微懸臂來檢測(cè)樣品表面形貌的。同距離有關(guān)的針尖與樣品之間貌的。同距離有關(guān)的針尖與樣品之間的相互作用力（既可是吸引的，也可的相互作用力（既可是吸引的，也可是排斥的），會(huì)引起微懸臂的形變，是排斥的），會(huì)引起微懸臂的形變，微懸臂的形變是對(duì)樣品針尖相互作微懸臂的形變是對(duì)樣品針尖相互作用的

33、直接測(cè)量。用的直接測(cè)量?？刂漆樇饣驑悠返目刂漆樇饣驑悠返腪軸位置，利用激光軸位置，利用激光束的反射來檢測(cè)微懸臂的形變，即使束的反射來檢測(cè)微懸臂的形變，即使小于小于0.01nm的微懸臂形變也可檢測(cè)，的微懸臂形變也可檢測(cè)，只要用激光束將它反射到光電檢測(cè)器只要用激光束將它反射到光電檢測(cè)器后，變成了后，變成了310nm的激光點(diǎn)位移，由的激光點(diǎn)位移，由此產(chǎn)生一定的電壓變化，通過測(cè)量檢此產(chǎn)生一定的電壓變化，通過測(cè)量檢測(cè)器電壓對(duì)應(yīng)樣品掃描位置的變化，測(cè)器電壓對(duì)應(yīng)樣品掃描位置的變化，就可得到樣品的表面形貌圖象。就可得到樣品的表面形貌圖象。接觸式（接觸式（contact mode)：針尖始終同樣品接觸并在表面滑

34、動(dòng)，針尖針尖始終同樣品接觸并在表面滑動(dòng)，針尖樣品間的相互作用力是兩者互相接觸的原子樣品間的相互作用力是兩者互相接觸的原子中電子間存在的庫(kù)侖排斥力，其大小通常為中電子間存在的庫(kù)侖排斥力，其大小通常為1081011 N，AFM中樣品表面形貌圖象中樣品表面形貌圖象通常是采用這種排斥力模式獲得的。通常是采用這種排斥力模式獲得的。原子力顯微鏡的測(cè)量模式原子力顯微鏡的測(cè)量模式非接觸式（非接觸式（noncontact mode)：針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品表針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品表面面 接觸，針尖探測(cè)器檢測(cè)的是范德瓦耳斯吸引接觸，針尖探測(cè)器檢測(cè)的是范德瓦耳斯吸引力和靜電力等對(duì)成象

35、樣品沒有破壞的長(zhǎng)程作用力和靜電力等對(duì)成象樣品沒有破壞的長(zhǎng)程作用力。力。原子力顯微鏡的測(cè)量模式原子力顯微鏡的測(cè)量模式輕敲式（輕敲式（tapping mode)：它是介于接觸式和非接觸式之間新發(fā)展起來它是介于接觸式和非接觸式之間新發(fā)展起來的成象技術(shù)。在掃描過程中微懸臂是振蕩的的成象技術(shù)。在掃描過程中微懸臂是振蕩的并具有較大的振幅，針尖在振蕩時(shí)間斷地與并具有較大的振幅，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。樣品接觸。原子力顯微鏡的測(cè)量結(jié)果原子力顯微鏡的測(cè)量結(jié)果基于電磁輻射與材料相互作用產(chǎn)生的特征光譜波基于電磁輻射與材料相互作用產(chǎn)生的特征光譜波長(zhǎng)與強(qiáng)度進(jìn)行材料分析的方法。長(zhǎng)與強(qiáng)度進(jìn)行材料分析的方法?？梢苑譃椋?/p>

36、可以分為：發(fā)射光譜分析和吸收光譜分析；發(fā)射光譜分析和吸收光譜分析；原子光譜和分子光譜。原子光譜和分子光譜。光譜分析光譜分析原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜某元素的譜線強(qiáng)度某元素的譜線強(qiáng)度I和該元素的含量和該元素的含量C滿足關(guān)系：滿足關(guān)系：I = aCb原子吸收光譜原子吸收光譜吸光度吸光度A與待測(cè)元素濃度與待測(cè)元素濃度C的關(guān)系可表示為的關(guān)系可表示為: A = Lg(I0/I)= kC原子熒光光譜原子熒光光譜原子光譜原子光譜原子或離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射或吸收原子或離子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射或吸收的有特定頻率的電磁波譜。原子光譜覆蓋范圍很的有特定頻率的電磁波譜。原子光譜覆蓋范圍很寬，通常指紅外、

37、可見、紫外區(qū)域的譜。寬，通常指紅外、可見、紫外區(qū)域的譜。作用對(duì)象為原子外層電子。作用對(duì)象為原子外層電子?？捎糜谠囟ㄐ浴攵颗c定量分析?？捎糜谠囟ㄐ?、半定量與定量分析。以原子在輻射激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射以原子在輻射激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法光譜分析法 。分子光譜分子光譜分子從一種能態(tài)改變到另一種能態(tài)時(shí)的吸收或分子從一種能態(tài)改變到另一種能態(tài)時(shí)的吸收或發(fā)射的光譜（可包括從紫外到遠(yuǎn)紅外直至微波發(fā)射的光譜（可包括從紫外到遠(yuǎn)紅外直至微波譜）。譜）。作用對(duì)象為分子或分子外層電子，是分子能級(jí)作用對(duì)象為分子或分子外層電子，是分子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜，譜域和分子躍遷能級(jí)的

38、能量躍遷產(chǎn)生的光譜，譜域和分子躍遷能級(jí)的能量差對(duì)應(yīng)。分為紫外、可見光和紅外光譜。差對(duì)應(yīng)。分為紫外、可見光和紅外光譜?？捎糜谖粗锒ㄐ苑治觥⒔Y(jié)構(gòu)分析?？捎糜谖粗锒ㄐ苑治?、結(jié)構(gòu)分析。近紅外區(qū)（近紅外區(qū)（800nm2000nm)適合于測(cè)定含適合于測(cè)定含-OH、-NH、-CH基團(tuán)的水、基團(tuán)的水、醇、酚、胺及不飽和碳?xì)浠衔锏慕M成醇、酚、胺及不飽和碳?xì)浠衔锏慕M成 。中紅外區(qū)（中紅外區(qū)（2000nm25）有機(jī)化合物分子中原子振動(dòng)的頻帶都位于有機(jī)化合物分子中原子振動(dòng)的頻帶都位于該區(qū)。該區(qū)。遠(yuǎn)紅外區(qū)（遠(yuǎn)紅外區(qū)（251000 ）骨架彎曲振動(dòng)及有機(jī)金屬化合物等重原子骨架彎曲振動(dòng)及有機(jī)金屬化合物等重原子振動(dòng)譜帶

39、位于該區(qū)。振動(dòng)譜帶位于該區(qū)。紅外光譜紅外光譜輻射應(yīng)具有能滿足分子產(chǎn)生振動(dòng)躍遷所需的能量，輻射應(yīng)具有能滿足分子產(chǎn)生振動(dòng)躍遷所需的能量，輻射與分子振動(dòng)有相互偶合作用。輻射與分子振動(dòng)有相互偶合作用。對(duì)稱分子對(duì)稱分子沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性；如：紅外活性；如：N2、O2、Cl2 均無紅外吸收光譜。均無紅外吸收光譜。非對(duì)稱分子非對(duì)稱分子有偶極矩，具有紅外活性。有偶極矩，具有紅外活性。紅外吸收譜帶的強(qiáng)度取決于：紅外吸收譜帶的強(qiáng)度取決于：（1）分子數(shù)目）分子數(shù)目（2）分子振動(dòng)的偶極矩變化率）分子振動(dòng)的偶極矩變化率 變化率越大，吸收強(qiáng)度越大。因此極性基變化率越大

40、，吸收強(qiáng)度越大。因此極性基團(tuán)均有很強(qiáng)的紅外吸收譜帶。團(tuán)均有很強(qiáng)的紅外吸收譜帶。紅外光譜產(chǎn)生的條件紅外光譜產(chǎn)生的條件不同化合物中相同的官能團(tuán)近似地具有一個(gè)共同的吸不同化合物中相同的官能團(tuán)近似地具有一個(gè)共同的吸收頻率范圍，通常將這種能代表某種基團(tuán)存在并具有收頻率范圍，通常將這種能代表某種基團(tuán)存在并具有較高強(qiáng)度的吸收峰稱為基團(tuán)特征吸收峰。較高強(qiáng)度的吸收峰稱為基團(tuán)特征吸收峰?；鶊F(tuán)特征吸收峰基團(tuán)特征吸收峰頻率/cm-1主要基團(tuán)4000-3000O-H、N-H伸縮振動(dòng)3300-2700C-H伸縮振動(dòng)2500-1900-CC-、 -CN、-CC C-、 -NC C-伸縮振動(dòng)1900-1650CO伸縮振動(dòng)16

41、75-1500芳環(huán)、 CC、 CN-伸縮振動(dòng)1500-1300C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)1300-1000C-O、C-F、Si-O伸縮振動(dòng),C-C骨架振動(dòng)常見基團(tuán)的紅外吸收帶常見基團(tuán)的紅外吸收帶特征區(qū)特征區(qū)指紋區(qū)指紋區(qū)500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-H P-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H（氫鍵）（氫鍵）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C00.010.020.030.04050100150Tem perature (oC)Relative Expansion13.1%10.6%4.8%不同酯化改性程度淀粉膜的

42、紅外光譜不同酯化改性程度淀粉膜的紅外光譜電子能譜分析電子能譜分析電子能譜分析采用電子能譜分析采用X-射線、電子束、紫外光照射射線、電子束、紫外光照射樣品，使樣品中的電子受到激發(fā)而發(fā)射出來，通樣品，使樣品中的電子受到激發(fā)而發(fā)射出來，通過測(cè)量電子的產(chǎn)額（強(qiáng)度）對(duì)能量的分布，從中過測(cè)量電子的產(chǎn)額（強(qiáng)度）對(duì)能量的分布，從中獲得相關(guān)信息。獲得相關(guān)信息。主要有：主要有： 餓歇電子能譜；餓歇電子能譜； X-射線光電子能譜；射線光電子能譜； 紫外光電子能譜。紫外光電子能譜。餓歇電子能譜餓歇電子能譜 (AES)可以是可以是X-射線引發(fā)，也可以是電子引發(fā)。射線引發(fā)，也可以是電子引發(fā)。何為餓歇電子？何為餓歇電子？是

43、由于是由于原子原子中的中的電子電子被激發(fā)而產(chǎn)生的次級(jí)電子。被激發(fā)而產(chǎn)生的次級(jí)電子。在原子殼層中產(chǎn)生電子空穴后，處于高能級(jí)的在原子殼層中產(chǎn)生電子空穴后，處于高能級(jí)的電子可以躍遷到這一層，同時(shí)釋放能量。當(dāng)釋電子可以躍遷到這一層，同時(shí)釋放能量。當(dāng)釋放的能量傳遞到另一層的一個(gè)電子，這個(gè)電子放的能量傳遞到另一層的一個(gè)電子，這個(gè)電子就可以脫離原子發(fā)射，被稱為俄歇電子。就可以脫離原子發(fā)射，被稱為俄歇電子。 俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀包括電子光學(xué)系統(tǒng)、包括電子光學(xué)系統(tǒng)、電子能量分析器、電子能量分析器、樣品安放系統(tǒng)、離樣品安放系統(tǒng)、離子槍、超高真空系子槍、超高真空系統(tǒng)。統(tǒng)。可進(jìn)行定量分析、微區(qū)分析、深度剖面分

44、析、界面分可進(jìn)行定量分析、微區(qū)分析、深度剖面分析、界面分析等，具有以下優(yōu)點(diǎn)：析等，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、在靠近表面、在靠近表面5-20埃范圍內(nèi)化學(xué)分析，埃范圍內(nèi)化學(xué)分析， 靈敏度高；靈敏度高；2、數(shù)據(jù)分析速度快；、數(shù)據(jù)分析速度快；3、能探測(cè)周期表上、能探測(cè)周期表上He以后的所有元素。以后的所有元素。X-射線光電子能譜射線光電子能譜 (XPS)以以X-射線為激發(fā)光源的光電子能譜。射線為激發(fā)光源的光電子能譜。X-射線光子的射線光子的能量在能量在10001500eV之間，不僅可使分子的價(jià)電之間，不僅可使分子的價(jià)電子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來，內(nèi)層電子子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來，內(nèi)層電子的能

45、級(jí)受分子環(huán)境的影響很小。的能級(jí)受分子環(huán)境的影響很小。 同一原子的內(nèi)層電同一原子的內(nèi)層電子結(jié)合能在不同分子中相差很大，故它是特征的。子結(jié)合能在不同分子中相差很大，故它是特征的。原子層電子結(jié)合能發(fā)生變化，譜峰位置發(fā)生移動(dòng)原子層電子結(jié)合能發(fā)生變化，譜峰位置發(fā)生移動(dòng)（化學(xué)位移）。（化學(xué)位移）。伴峰、譜峰分裂。伴峰、譜峰分裂。XPS是精確測(cè)量物質(zhì)受是精確測(cè)量物質(zhì)受X-射線激射線激發(fā)產(chǎn)生光電子能量分布的儀器，發(fā)產(chǎn)生光電子能量分布的儀器，由真空系統(tǒng)、離子槍、進(jìn)樣系統(tǒng)、由真空系統(tǒng)、離子槍、進(jìn)樣系統(tǒng)、能量分析器以及探測(cè)器等部件組能量分析器以及探測(cè)器等部件組成。成。X-射線光電子能譜射線光電子能譜 (XPS)特點(diǎn)

46、：特點(diǎn)： 能在不太高的真空度下進(jìn)行表面分析研究，這是其它方法都能在不太高的真空度下進(jìn)行表面分析研究，這是其它方法都做不到的。做不到的。 X-射線比較柔和的特性使得人們有可能在中等真空程度下，射線比較柔和的特性使得人們有可能在中等真空程度下，對(duì)表面觀察若干小時(shí)而不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。對(duì)表面觀察若干小時(shí)而不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。 化學(xué)位移效應(yīng)是化學(xué)位移效應(yīng)是XPS不同于其它方法的一個(gè)特點(diǎn)，采用直觀不同于其它方法的一個(gè)特點(diǎn)，采用直觀的化學(xué)認(rèn)識(shí)即可解釋的化學(xué)認(rèn)識(shí)即可解釋XPS中的化學(xué)位移，相比之下，在中的化學(xué)位移，相比之下，在AES中解釋起來就困難的多。中解釋起來就困難的多。X-射線光電子能譜的應(yīng)用射線光電子能

47、譜的應(yīng)用XPS電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)是光電子的測(cè)量強(qiáng)度，是表面分析領(lǐng)域中一種嶄新是光電子的測(cè)量強(qiáng)度，是表面分析領(lǐng)域中一種嶄新的方法。根據(jù)的方法。根據(jù)XPS電子結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)可以對(duì)被分電子結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)可以對(duì)被分析元素進(jìn)行鑒定。析元素進(jìn)行鑒定。化學(xué)分析化學(xué)分析元素成份分析元素成份分析：可測(cè)定除氫以外的全部元素，對(duì)物質(zhì)的狀可測(cè)定除氫以外的全部元素，對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)沒有選擇，樣品需要量少，可少至態(tài)沒有選擇，樣品需要量少，可少至10-8 g，靈敏度可達(dá)，靈敏度可達(dá)10-18 g，相對(duì)精度有，相對(duì)精度有1。特別適于作微量元素的分析。特別適于作微量元素

48、的分析。元素定量分析元素定量分析：從光電子能譜測(cè)得的信號(hào)是該物質(zhì)含量或從光電子能譜測(cè)得的信號(hào)是該物質(zhì)含量或相應(yīng)濃度的函數(shù)，在譜圖上表示為光電子峰的面積。雖然相應(yīng)濃度的函數(shù)，在譜圖上表示為光電子峰的面積。雖然已經(jīng)有幾種已經(jīng)有幾種XPS定量分析的模型，但影響定量分析的因素定量分析的模型，但影響定量分析的因素相當(dāng)復(fù)雜。相當(dāng)復(fù)雜。X-射線光電子能譜的應(yīng)用射線光電子能譜的應(yīng)用化學(xué)位移分析化學(xué)位移分析不同的化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致核外層電子結(jié)合能的不同，這在不同的化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致核外層電子結(jié)合能的不同，這在XPS中表現(xiàn)為譜峰的變化，通過測(cè)量譜峰位置的移動(dòng)中表現(xiàn)為譜峰的變化，通過測(cè)量譜峰位置的移動(dòng)多少及結(jié)合半峰寬，可以估計(jì)

49、其氧化態(tài)及配位原子數(shù)。多少及結(jié)合半峰寬，可以估計(jì)其氧化態(tài)及配位原子數(shù)。表面污染分析表面污染分析由于各個(gè)元素在由于各個(gè)元素在XPS中都會(huì)有各自的特征光譜，如果表中都會(huì)有各自的特征光譜，如果表面存在面存在C、O或其它污染物質(zhì)，會(huì)在所分析物質(zhì)的或其它污染物質(zhì)，會(huì)在所分析物質(zhì)的XPS光譜中顯示出來，加上光譜中顯示出來，加上XPS的表面靈敏性，就可以對(duì)表的表面靈敏性，就可以對(duì)表面清潔程度有大致的了解。面清潔程度有大致的了解。AES與與XPS的比較的比較XPSAES鑒別種類與靈敏度鑒別種類與靈敏度強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)空間分辨率空間分辨率弱弱強(qiáng)強(qiáng)表面無損度表面無損度強(qiáng)強(qiáng)弱弱定量分析定量分析強(qiáng)強(qiáng)弱弱化學(xué)位移化學(xué)位移強(qiáng)強(qiáng)弱

50、弱分析速度分析速度弱弱強(qiáng)強(qiáng)紫外光電子能譜紫外光電子能譜紫外光電子能譜和紫外光電子能譜和 X-射線光電子能譜的原理基本相射線光電子能譜的原理基本相同，只是采用能量在同，只是采用能量在16 - 41eV的真空紫外電子作為的真空紫外電子作為激發(fā)源。激發(fā)源。紫外光電子能譜能反映分子的外殼層分子軌道的特紫外光電子能譜能反映分子的外殼層分子軌道的特性，而性，而X-射線光電子能譜則能反映內(nèi)殼層分子軌道射線光電子能譜則能反映內(nèi)殼層分子軌道的特性。的特性。 熱分析技術(shù)熱分析技術(shù)熱分析技術(shù)主要包括：熱分析技術(shù)主要包括：差熱分析差熱分析 (DTA) - 測(cè)量參數(shù)為溫度測(cè)量參數(shù)為溫度差示掃描量熱差示掃描量熱 (DSC

51、) 測(cè)量參數(shù)為熱量測(cè)量參數(shù)為熱量熱重分析熱重分析 (TGA) 測(cè)量參數(shù)為重量測(cè)量參數(shù)為重量動(dòng)態(tài)力學(xué)分析動(dòng)態(tài)力學(xué)分析 (DMA) 測(cè)量參數(shù)為力學(xué)性質(zhì)測(cè)量參數(shù)為力學(xué)性質(zhì)熱機(jī)械分析熱機(jī)械分析 (TMA) 測(cè)量參數(shù)為尺寸測(cè)量參數(shù)為尺寸What DSC Can Tell YouGlass transitionsMelting and boiling pointsCrystallisation time and temperaturePercent crystallinityHeats of fusion and reactionsSpecific heat capacityOxidative/therm

52、al stabilityRate and degree of cureReaction kineticsPurity.Differential Scanning Calorimetry (DSC) measures the temperatures and heat flows associated with transitions in materials as a function of time and temperature in a controlled atmosphere.These measurements provide quantitative and qualitativ

53、e information about physical and chemical changes that involve endothermic or exothermic processes, or changes in heat capacity.DSC: The Technique TRADITIONAL DSC CELL SCHEMATICDynamic Sample ChamberReference PanSample PanLidGas Purge InletChromel DiscHeating BlockChromel DiscAlumel WireChromel Wire

54、Thermocouple JunctionThermoelectric Disc (Constantan)How does a Heat Flux DSC work?Metal 1Metal 2Metal 1Metal 2SampleEmptySample TemperatureReference TemperatureTemperature Difference = Heat FlowDSC ThermogramTemperatureHeat Flow - exothermicGlassTransitionCrystallisationMeltingCross-Linking (Cure)

55、Oxidation Effect of Heating Rate on HDPE and Indium MeltingPolyethylene MeltIndiumMelt20406080100120140160180-8-6-4-20Temperature (C)Heat Flow (W/g)Effect of Cooling Rate on Crystallisation of HDPE100110120130-1010305070Temperature (C)Heat Flow (mW)32C/min1684210.5 TGA: Schematic DiagramPhotodiodes

56、Infrared LED Meter movement Balance arm Tare pan Sample platform Thermocouple Sample pan Furnace assembly Purge gas outlet Heater Elevator base Purge gas inlet Sample pan holder TGA: Composite Analysis0100200300400500600700800020406080100TEMPERATURE (C)WEIGHT PERCENT31.0% PTFE18.0% C50.5% Si 02 size : 10 mg prog : 5CN20.5% VOLATILESAIR TGA: Filled Polymer AnalysisPolymerCarbon BlackAir(A)PolymerCarbon BlackAir(B)Light OilPolymer +Heavy OilCarbon BlackAir(C)100010010000WEIGHT (%)