材料表征技術(shù)【共64張】

寶石學(xué)鑒定與研究：解決傳統(tǒng)的珠寶檢測儀所無法解決的疑難問題近二十年來寶石學(xué)上的重要進(jìn)展幾乎都體現(xiàn)在先進(jìn)技術(shù)手段的使用上。如何快速、無損、準(zhǔn)確地鑒定寶石將是未來寶石學(xué)家面臨的重要研究課題。第2頁/共57頁本專業(yè)所使用的主要大型儀器X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法第3頁/共57頁材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識(shí)。材料成分與結(jié)構(gòu)、合成與生產(chǎn)過程、性質(zhì)及使用效能稱之為材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素。第4頁/共57頁成分和結(jié)構(gòu)從根本上決定了材料的性能?？偟膩碚f一種材料或一種物質(zhì)其性能取決于它本身的兩個(gè)屬性。一個(gè)是它的化學(xué)成分，另一個(gè)是它內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。第5頁/共57頁第6頁/共57頁對(duì)材料的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確表征是材料研究的基本要求，也是實(shí)現(xiàn)性能控制的前提。

材料現(xiàn)代分析方法是一門關(guān)于材料成分及結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法性的課程。第7頁/共57頁7材料信號(hào)輸入信號(hào)輸出材料與輸入信號(hào)相互作用，產(chǎn)生輸出信號(hào)。比較輸入和輸出信號(hào)，獲取材料的相關(guān)信息。1、輸入什么信號(hào)；2、獲取什么信號(hào)；3、輸入信號(hào)與材料的相互作用，以及輸出信號(hào)的產(chǎn)生過程。材料分析方法的理論依據(jù)（重點(diǎn)）第8頁/共57頁紅外(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時(shí)的發(fā)射效應(yīng)；掌握所介紹儀器的基本概念和原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、性能、實(shí)驗(yàn)操作的方法，并了解和基本掌握它們在材料微觀組織結(jié)構(gòu)和成分分析中的應(yīng)用。5~25μm（4000～400cm-1）干涉型（傅里葉變換紅外光譜儀）基團(tuán)的基頻振動(dòng)、伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)光譜⑤晶界及其所在處的雜質(zhì)；底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者？可見光拉曼(Raman)光譜基本原理紅外(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時(shí)的發(fā)射效應(yīng)；X射線熒光光譜(XFS)，電子探針X射線顯微分析(EPMA)根據(jù)德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)，即電子具有微粒性也具有波動(dòng)性。材料現(xiàn)代分析方法是一門關(guān)于材料成分及結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法性的課程。掌握各種現(xiàn)代分析技術(shù)手段在寶石學(xué)中的應(yīng)用。γ射線→X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波8信號(hào)輸入信號(hào)輸出X-射線、光子、電子、離子束、中子材料掌握和靈活運(yùn)用常見的表征手段。X-射線、光子、電子、離子束、中子第9頁/共57頁第10頁/共57頁第11頁/共57頁組織形貌分析物相分析成份和價(jià)健分析分子結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)代材料分析的主要內(nèi)容第12頁/共57頁1.組織形貌分析微觀結(jié)構(gòu)的分析對(duì)于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要光學(xué)顯微鏡(OM)電子顯微鏡(SEM)掃描探針顯微鏡(SPM)第13頁/共57頁第14頁/共57頁2.物相分析是指利用衍射的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。

X-射線衍射(XRD)

電子衍射(ED)

中子衍射(ND)利用電磁波或運(yùn)動(dòng)電子束、中子束，與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得攜帶材料內(nèi)部原子排列信息的衍射斑點(diǎn)，重組處物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第15頁/共57頁第16頁/共57頁大部分手段都是基于核外電子的能級(jí)分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷，在此過程中產(chǎn)生元素的特征信息。3.成分和價(jià)鍵分析

按照出射信號(hào)的不同，成分分析手段可以分為兩類：X光譜和電子能譜，出射信號(hào)分別是X射線和電子。

X射線熒光光譜(XFS)，電子探針X射線顯微分析(EPMA)X射線光電子能譜(XPS)，俄歇電子能譜(AES)第17頁/共57頁maxmin顯然，v越大，越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)材料現(xiàn)代分析方法是一門關(guān)于材料成分及結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法性的課程。比較輸入和輸出信號(hào)，獲取材料的相關(guān)信息。scatter=laserX-射線、光子、電子、離子束、中子一個(gè)是它的化學(xué)成分，另一個(gè)是它內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。h——Plank常數(shù)，6.具有分析的元素范圍廣；能量色散X射線熒光光譜儀底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者？n為透鏡周圍介質(zhì)的折射率⑤晶界及其所在處的雜質(zhì)；InfraredAbsorptionSpectroscopy,IR能量色散X射線熒光光譜儀4.分子結(jié)構(gòu)分析利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分子結(jié)構(gòu)信息。如：紅外(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時(shí)的發(fā)射效應(yīng)；核磁共振(NMR)是利用原子核與電磁波的作用獲得分子結(jié)構(gòu)信息。第18頁/共57頁

X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法主要的材料分析技術(shù)第19頁/共57頁掌握所介紹儀器的基本概念和原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、性能、實(shí)驗(yàn)操作的方法，并了解和基本掌握它們在材料微觀組織結(jié)構(gòu)和成分分析中的應(yīng)用。了解現(xiàn)代分析技術(shù)領(lǐng)域里的新技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)。掌握各種現(xiàn)代分析技術(shù)手段在寶石學(xué)中的應(yīng)用。第20頁/共57頁X－射線的發(fā)現(xiàn)：

1895年，德國物理學(xué)家倫琴在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，也叫倫琴射線。因此，1901年成為世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。第21頁/共57頁底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者？FrauR?ntgen'shand第22頁/共57頁第23頁/共57頁用初級(jí)X射線照射樣品，試樣激發(fā)出了不同波長的熒光X射線。對(duì)熒光X射線的分析檢測有兩種方式：一是將他們按波長分開，通過檢測不同波長的X射線強(qiáng)度來進(jìn)行定性、定量分析，采用波長色散X射線熒光光譜儀；另一類是將熒光X射線按電子能量分開，測量光子能量來進(jìn)行定量定性分析，則采用能量色散型X熒光光譜儀。X射線熒光光譜儀第24頁/共57頁WDX1000波長色散X射線熒光光譜儀第25頁/共57頁能量色散X射線熒光光譜儀第26頁/共57頁在寶石研究中的應(yīng)用X射線熒光光譜儀適用于各種寶石的無損測試。具有分析的元素范圍廣；譜線簡單，相互干擾少，分析方法簡單；分析濃度范圍較廣，從常量到微量；分析快速、準(zhǔn)確、無損。

近年來受到世界各大寶石研究所和寶石檢測機(jī)構(gòu)重視并加以應(yīng)用。第27頁/共57頁眼睛是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的第一架“光學(xué)儀器”。但它能力有限，若兩個(gè)細(xì)小物體間的距離小于0.1mm時(shí)，眼睛就無法把他們分開。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類認(rèn)識(shí)微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。

上世界30年代后，電子顯微鏡的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級(jí)，同時(shí)也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴(kuò)展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類認(rèn)識(shí)微觀世界的能力從此有了長足的發(fā)展。電子顯微分析第28頁/共57頁研究對(duì)象微結(jié)構(gòu)與顯微成分微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系微結(jié)構(gòu)形成的條件與過程機(jī)理材料的性能由微結(jié)構(gòu)所決定，人們可通過控制材料的微結(jié)構(gòu)，使其形成預(yù)定的結(jié)構(gòu)，從而具有所希望的性能。電子顯微分析是利用聚焦電子束與式樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種物理信號(hào)，分析式樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。方法：1、透射電鏡（TEM）

2、掃描電鏡（SEM）

3、電子探針（EMPA）第29頁/共57頁電子顯微分析在材料學(xué)中的應(yīng)用①晶相、玻璃相、氣相的存在與分布；②晶粒大小、形狀、位置；③氣孔的尺寸、形式、位置；④顯微缺陷、微裂紋、晶體缺陷；⑤晶界及其所在處的雜質(zhì)；⑥微區(qū)的成分分析。第30頁/共57頁放大200倍的斜紋藻

放大30倍碳納米管

光學(xué)顯微鏡照片第31頁/共57頁放大40倍的新月藻、硅藻和水棉放大200倍的昆蟲后腿光學(xué)顯微鏡照片第32頁/共57頁納米InVO4粉體TEM照片第33頁/共57頁ZnO納米帶高分辨TEM照片第34頁/共57頁第35頁/共57頁光學(xué)顯微鏡的局限性一個(gè)世紀(jì)以來人們一直用光學(xué)顯微鏡來揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)，但光學(xué)顯微鏡的分辨能力是有限的。最小分辨距離計(jì)算公式：

d指物鏡能夠分開兩個(gè)點(diǎn)之間的最短距離，稱為物鏡的分辨本領(lǐng)或分辨能力；λ為入射光的波長；n為透鏡周圍介質(zhì)的折射率α為物鏡的半孔徑角第36頁/共57頁由上式可以得出：對(duì)于可見光的波長在390～770nm之間N、α值均小于1，最大只能達(dá)到1.5～1.6光學(xué)顯微鏡使其最大的分辨能力為0.2μ增大n、a值是有限的，解決的辦法就是減小波長λ。而可見光的波長有限，因此，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能再次提高，唯有尋找比可見光波長更短的光線才能解決這個(gè)問題。第37頁/共57頁

高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級(jí)躍遷

χ射線來自內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來自原子和分子外層電子能級(jí)的躍遷可見光紅外光來自分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷波譜區(qū)微波來自分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)及電子自旋能級(jí)躍遷無線電波來自原子核自旋能級(jí)的躍遷電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列，稱~。γ射線→

X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波波長長第38頁/共57頁電子的波性及波長比可見光波長更短的有：1）紫外線----會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；2）X射線----無法使其會(huì)聚；3）電子波

根據(jù)德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)，即電子具有微粒性也具有波動(dòng)性。電子波的波長第39頁/共57頁

h——Plank常數(shù)，6.63×10-34J﹒S

m——9.1×10-28gv——電子速度顯然，v越大，越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)即而則埃即若被150伏的電壓加速的電子，波長為1埃。若加速電壓很高，就應(yīng)進(jìn)行相對(duì)論修正。第40頁/共57頁40紅外吸收光譜分析InfraredAbsorptionSpectroscopy,IR第41頁/共57頁41當(dāng)紅外光照射時(shí)，物質(zhì)的分子將吸收紅外輻射，引起分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷所產(chǎn)生的分子吸收光譜，稱為紅外吸收光譜或振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。第42頁/共57頁42分子振動(dòng)能級(jí)間躍遷需要的能量小，一般在0.025～1eV間。波長范圍：0.75～1000μm。紅外光譜區(qū)在可見光區(qū)與微波區(qū)之間

近紅外區(qū)：0.75~2.5μm（13333～

4000cm-1）

—OH、—NH、—

CH倍頻吸收區(qū)中紅外區(qū)：2.5~25μm（4000～

400cm-1

）

基團(tuán)的基頻振動(dòng)、伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)光譜遠(yuǎn)紅外區(qū)：25~1000μm（400～

10cm-1

）轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、晶格振動(dòng)紅外光區(qū)的劃分

第43頁/共57頁

當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長關(guān)系曲線，就得到紅外吸收光譜。43紅外光譜圖表示形式第44頁/共57頁紅外光譜儀44一、儀器類型與結(jié)構(gòu)兩種類型：色散型干涉型（傅里葉變換紅外光譜儀）Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR第45頁/共57頁紫外可見吸收光譜UltravioletandvisiblespectrophotometryUV—Vis第46頁/共57頁定義：紫外可見吸收光譜:利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見光譜及吸收程度對(duì)物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測定、推斷的分析方法。第47頁/共57頁紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。第48頁/共57頁紫外可見吸收光譜示意圖末端吸收最強(qiáng)峰肩峰峰谷次強(qiáng)峰

max

min

A第49頁/共57頁第50頁/共57頁拉曼光譜的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

1928年，印度科學(xué)家C.VRamanin首先在CCL4光譜中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)光與分子相互作用后，一部分光的波長會(huì)發(fā)生改變（顏色發(fā)生變化），通過對(duì)于這些顏色發(fā)生變化的散射光的研究，可以得到分子結(jié)構(gòu)的信息，因此這種效應(yīng)命名為Raman效應(yīng)。——于1930年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。拉曼光譜分析法第51頁/共57頁想一想：天空為什么是藍(lán)色？早晚為什么有朝霞和晚霞？海水為什么也是藍(lán)色？第52頁/共57頁拉曼(Raman)光譜基本原理透射光入射光散射光散射是光子與分子發(fā)生碰撞的結(jié)果拉曼光譜是研究分子和光相互作用的散射光的頻率第53頁/共57頁

光散射的過程：激光入射到樣品，產(chǎn)生散射光。散射光彈性散射（頻率不發(fā)生改變-瑞利散射）非彈性散射（頻率發(fā)生改變-拉曼散射）瑞利散射

scatter=laser

scatter>laser拉曼散射

laser第54頁/共57頁激光拉曼散射光譜法

拉曼光譜的應(yīng)用

第55頁/共57頁激光拉曼散射光譜法

拉曼光譜的應(yīng)用：司法科學(xué)中檢驗(yàn)

第56頁/共57頁

材料分析需要各種分析表征手段，要求我們掌握它們的原理并在實(shí)踐中加以靈活運(yùn)用。第57頁/共57頁n為透鏡周圍介質(zhì)的折射率是指利用衍射的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。拉曼光譜是研究分子和光相互作用的散射光的頻率高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級(jí)躍遷材料分析需要各種分析表征手段，要求我們掌握它們的原理并在實(shí)踐中加以靈活運(yùn)用。無線電波來自原子核自旋能級(jí)的躍遷利用不同的入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷，在此過程中產(chǎn)