副本材料加工分析測(cè)試學(xué)習(xí)報(bào)告教程

1、關(guān)于“材料加工分析測(cè)試技術(shù)”的學(xué)習(xí)報(bào)告學(xué)生：學(xué)院： 學(xué)號(hào):電話(huà)：日期:進(jìn)入研究生階段，我深感實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力的基礎(chǔ)性、重要性。很幸運(yùn)選修了孫老師的“材料加工分析測(cè)試技術(shù)”課程，從中我接觸到了系統(tǒng)的材 料分析測(cè)試技術(shù)，也被孫老師帶有自己個(gè)人經(jīng)歷、感受的東西吸引也很幸運(yùn)聽(tīng)了很 多同學(xué)的優(yōu)秀的報(bào)告（了解了不同研究方向的同學(xué)的工作成果、見(jiàn)識(shí)了不同的性格的同 學(xué)的“臺(tái)風(fēng)”，還認(rèn)識(shí)了不同專(zhuān)業(yè)的幾個(gè)同學(xué)，并在一起探討課程方面的知識(shí)點(diǎn)）在此，我總結(jié)了常見(jiàn)的材料測(cè)試方法，側(cè)重不同測(cè)試方法的特點(diǎn)和適用情況；并結(jié) 合我的研究方向，以對(duì)多孔材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的測(cè)試作為例子，把我的所學(xué)融進(jìn)去，類(lèi)似 一場(chǎng)“紙上談兵”；

2、最后，我還思考了材料設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新之處；這篇報(bào)告，既是對(duì)這 門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的課程的交待，也是為我以后的實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。1常見(jiàn)的材料測(cè)試分析方法現(xiàn)代材料測(cè)試技術(shù)就是關(guān)于材料分析、測(cè)試?yán)碚摷凹夹g(shù)的一門(mén)課程。材料測(cè)試分析 技術(shù)主要可以分為形貌分析、相結(jié)構(gòu)分析、成分分析、分子結(jié)構(gòu)分析還有熱分析。這些 測(cè)試分析手段看上去紛繁復(fù)雜，但它們也有共同之處：除了個(gè)別的測(cè)試手段（掃描探針顯 微鏡）外，各種測(cè)試技術(shù)都是利用入射的電磁波或物質(zhì)波與材料試樣相互作用后產(chǎn)生的各 種各樣的物理信號(hào)，探測(cè)這些出射的信號(hào)并進(jìn)行分析處理，就可獲得材料的顯微結(jié)構(gòu)、 外觀(guān)形貌、相組成、成分等信息。其中入射的可以是X射線(xiàn)、高能電子束、可見(jiàn)光

3、、紅外線(xiàn)等，出射信號(hào)可以是X射線(xiàn)、電子束、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)等。1.1形貌分析形貌分析對(duì)象主要是對(duì)材料的外觀(guān)形貌（如材料的表面、斷口形貌）、晶粒的大小及 其形態(tài)、界面（晶界、相界）等。微觀(guān)結(jié)構(gòu)的觀(guān)察分析借助于各種顯微技術(shù)：表面形貌分 析技術(shù)所使用的測(cè)試手段經(jīng)歷了由光學(xué)顯微鏡一一 掃描電子顯微鏡一一 掃描探針顯 微鏡的發(fā)展過(guò)程；現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀(guān)測(cè)到原子的圖像；材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了 光學(xué)顯微鏡一一 透射電子顯微鏡的發(fā)展歷程，從原先的顯微結(jié)構(gòu)觀(guān)察發(fā)展到能直接觀(guān) 測(cè)到原子級(jí)的高分辨圖像。形貌分析方法主要有：光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧道 顯微鏡以及原子力顯微鏡?？偨Y(jié)如下：1.

4、1.1 光學(xué)顯微鏡（Optical microscopy，OM）光學(xué)顯微鏡的成像原理，是利用可見(jiàn)光照射在試片表面造成局部散射或反射來(lái)形成 不同的對(duì)比，然而因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)高達(dá)4000-7000埃，在分辨率（或謂鑒別率、解像 能，系指兩點(diǎn)能被分辨的最近距離）的考慮上，自然是最差的。在一般的操作下，由于 肉眼的鑒別率僅有0.2 mm，當(dāng)光學(xué)顯微鏡的最佳分辨率只有 0.2 um時(shí)，理論上的最高 放大倍率只有1000 X，放大倍率有限，但視野卻反而是各種成像系統(tǒng)中最大的，這說(shuō)明 了光學(xué)顯微鏡的觀(guān)察事實(shí)上仍能提供許多初步的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。光學(xué)顯微鏡主要用于金相顯微觀(guān)察，金相樣品按標(biāo)準(zhǔn)制樣過(guò)程鑲樣，再依次進(jìn)行粗

5、 磨、細(xì)磨和拋光。觀(guān)察孔隙度的樣品不經(jīng)過(guò)腐蝕，而觀(guān)察顯微組織的樣品則需要腐蝕。掃描電子顯微鏡（Seanning electron microscopy, SEM）、掃描電鏡檢測(cè)二次電子或背散射電子成像，有高分辨率和高放大倍數(shù)的特點(diǎn)，二次 電子像分辨率可達(dá)1nm。掃描電子顯微鏡（SEM）光柵聚集電子束到樣品表面，提供樣品 表面高辨析率以及長(zhǎng)深度的圖像。SEM是最廣泛使用的分析工具之一，掃描電子顯微鏡 所能提供的信息主要有：材料的幾何形貌、粉體的分散狀態(tài)、納米顆粒大小與分布以及 特定形貌區(qū)域的元素組成和物相結(jié)構(gòu)。掃描電鏡對(duì)樣品的要求比較低，無(wú)論是粉體樣品 還是大塊樣品，均可以直接進(jìn)行形貌觀(guān)察。因?yàn)?/p>

6、它可以提供非常詳細(xì)的圖像。耦合輔助 以EDS，還可以為幾乎整個(gè)元素周期表的元素進(jìn)行鑒定。SEM分析的優(yōu)勢(shì)：（a）快速、高辨析率成像（b）快速識(shí)別呈現(xiàn)元素（c）適合的景深（d）支持許多其他工具的多功能平臺(tái)SEM分析的局限性：（a）通常需要真空兼容（b）可能需要蝕刻來(lái)作對(duì)比（c）SEM可能會(huì)損壞樣品隨后的分析（d）尺寸限制可能要求切割樣品（e）最終的辨析率是樣品和制備品的強(qiáng)大功能透射電子顯微鏡（Transmission electron microscopy TEM）透射電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米粉體材料的分析。其特點(diǎn)是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌，顆粒大小，分布以還可以獲得

7、 特定區(qū)域的元素組成及物相結(jié)構(gòu)信息。透射電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但 顆粒大小應(yīng)小于300nm,否則電子束就不能透過(guò)了。對(duì)塊體樣品的分析，透射電鏡一般 需要對(duì)樣品進(jìn)行減薄處理。透射電鏡可用于觀(guān)測(cè)微粒的尺寸、形態(tài)、粒徑大小、分布狀況、粒徑分布范圍等， 并用統(tǒng)計(jì)平均方法計(jì)算粒徑，一般的電鏡觀(guān)察的是產(chǎn)物粒子的顆粒度而不是晶粒度。高 分辨電子顯微鏡（HRTEM）可直接觀(guān)察微晶結(jié)構(gòu)，尤其是為界面原子結(jié)構(gòu)分析提供了有效 手段，它可以觀(guān)察到微小顆粒的固體外觀(guān)，根據(jù)晶體形貌和相應(yīng)的衍射花樣、高分辨像可以研究晶體的生長(zhǎng)方向。和AFM形貌分析掃描隧道顯微鏡（STM）主要針對(duì)一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌分析

8、?？梢赃_(dá)到原 子量級(jí)的分辨率，但僅適合具有導(dǎo)電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析， 對(duì)納米粉體材料不能分析。掃描隧道顯微鏡有原子量級(jí)的高分辨率，其平行和垂直于表面方向的分辨率分別為0.1 nm和0.01 nm,即能夠分辨出單個(gè)原子，因此可直接觀(guān)察晶體表面的近原子像；其次 是能得到表面的三維圖像，可用于測(cè)量具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。通過(guò)探 針可以操縱和移動(dòng)單個(gè)分子或原子，按照人們的意愿排布分子和原子，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)表面 進(jìn)行納米尺度的微加工，同時(shí)，在測(cè)量樣品表面形貌時(shí)，可以得到表面的掃描隧道譜， 用以研究表面電子結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡可以對(duì)納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨率可以達(dá)到幾十納米

9、，比STM差, 但適合導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。這四種形貌分析方法各有特點(diǎn)，電鏡分析具有更多的優(yōu)勢(shì)，但STM和AFM具有可以氣氛下進(jìn)行原位形貌分析的特點(diǎn)。愴構(gòu)的膽曲0耳睡檢髓（宏秘）Ssel站技術(shù)- 剛pm儡啊向）X祕(mì)第恂分折 mtt）' lOpmx（A*） 光學(xué)畳黴鎮(zhèn)t 1電子鼻計(jì)（虜分） 掃描電（成分） 選區(qū)砲子街時(shí) cm與廩向）” OO|xnitk更度測(cè)（力學(xué)性能）I mm10 nm掃電鎮(zhèn)（S掃摘電橘 滋面瑋勒 光學(xué)于診墳（哀麗陋啜） 原于探tt-ftM子 顯黴榛（姑構(gòu)廉分）(LI nm（量It俎駅） &HK道星M 曲面於校） 二 II 愜梱SEH

10、69;£«舉対餐««左5謹(jǐn)酉fiMTir: 丄5年甜圖1材料中的組織尺度與檢測(cè)儀器分辨極限對(duì)比圖1.2晶體材料的相結(jié)構(gòu)分析晶體材料的相結(jié)構(gòu)即物相分析，研究對(duì)象主要是材料的相組成、相結(jié)構(gòu)、結(jié)晶 學(xué)參數(shù)、各種相的尺寸形狀、各相含量與分布、晶體缺陷等。主要的分析手段有：X射線(xiàn)衍射分析（XRD）、微區(qū)電子衍射分析（SAED）以及、激光拉曼分析、傅里葉紅外分析。 其共同的原理是利用電磁波或物質(zhì)波（運(yùn)動(dòng)的電子束。中子束）等與材料內(nèi)部規(guī)則排列的 原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得材料內(nèi)部原子排列的信息，從而重組出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。X射線(xiàn)衍射分析（XRD）XRD物相分析是基于多晶樣品

11、對(duì) X射線(xiàn)的衍射效應(yīng)，對(duì)樣品中各組分的存在形態(tài) 進(jìn)行分析。通過(guò)測(cè)定結(jié)晶情況、晶相、晶體結(jié)構(gòu)及成鍵狀態(tài)等等，可以確定各種晶態(tài)組 分的結(jié)構(gòu)和含量。X射線(xiàn)衍射（XRD）是一項(xiàng)可以無(wú)損傷晶體材料進(jìn)行特征描述的技術(shù)。 它提供結(jié)構(gòu)、相、擇優(yōu)晶體取向（織構(gòu)）、及其它諸如平均晶粒尺寸、結(jié)晶、應(yīng)力和晶 體缺陷的結(jié)構(gòu)參數(shù)。X射線(xiàn)衍射峰是由樣品各晶面族上在特定角度散射的X射線(xiàn)單色束通過(guò)結(jié)構(gòu)干涉而產(chǎn)生的，峰強(qiáng)度由晶面內(nèi)的原子排列來(lái)決定。因此，X射線(xiàn)衍射圖是給定材料的周期原子排列的指紋。X射線(xiàn)粉末衍射圖標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的在線(xiàn)搜索使我們能夠快 速識(shí)別各種各樣的晶體樣品中的相。X射線(xiàn)衍射分析主要用途有：XRD物相定性分析、物相定

12、量分析、晶粒大小的測(cè)定、 介孔結(jié)構(gòu)測(cè)定（小角X射線(xiàn)衍射）、多層膜分析（小角度 XRD方法）、物質(zhì)狀態(tài)鑒別 （區(qū)別晶態(tài)和非晶態(tài)）。XRD分析的優(yōu)勢(shì)：（a）無(wú)破壞性（b）晶相內(nèi)容與結(jié)構(gòu)取向的量化測(cè)量（c）極少或無(wú)樣品制備要求（d）所有分析在大氣環(huán)境中進(jìn)行XRD分析的局限性：（a）無(wú)法識(shí)別非結(jié)晶材料（b）無(wú)深度剖面信息（c）最小分析尺寸50um1.2.2 微區(qū)電子衍射分析（Selected area electron diffraction SAED）電子衍射與X射線(xiàn)一樣，也遵循布拉格方程，電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析，因此, 主要用于確定物相以及它們與基體的取向關(guān)系以及材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。1.2.3

13、 拉曼分析（Raman analysis）當(dāng)一束激發(fā)光的光子與作為散射中心的分子發(fā)生相互作用時(shí)，大部分光子僅是改變 了方向，發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光源一致，這中散射稱(chēng)為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種 散射稱(chēng)為拉曼散射。其散射光的強(qiáng)度約占總散射光強(qiáng)度的10-610-10。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。在固 體材料中拉曼激活的機(jī)制很多，反映的范圍也很廣：如分子振動(dòng)，各種元激發(fā)（電子， 聲子，等離子體等），雜質(zhì)，缺陷等利用拉曼光譜可以對(duì)材料進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析、理化 特性分析和定性鑒定等，可揭示材料中的空位、

14、間隙原子、位錯(cuò)、晶界和相界等方面信 息。1.3化學(xué)成分分析化學(xué)成分分析包括宏觀(guān)和微區(qū)化學(xué)成分分析。大部分成分分析手段基于同一個(gè)原理： 原子的核外電子的能級(jí)分布反映出元素的特征信息。按照出射信號(hào)的不同，成分分析可 以分為兩類(lèi)：X光譜和電子能譜，出射的信號(hào)分別為 X射線(xiàn)及電子。成分分析按照分析 的具體范圍不同，又分為體相元素成分分析、表面成分分析和微區(qū)成分分析等方法。體相元素成分分析是指體相元素組成及其雜質(zhì)成分的分析，其方法包括原子吸收、 原子發(fā)射ICP,質(zhì)譜以及X射線(xiàn)熒光與X射線(xiàn)衍射分析方法；其中前三種分析方法需 要對(duì)樣品進(jìn)行溶解后再進(jìn)行測(cè)定，因此屬于破壞性樣品分析方法；而X射線(xiàn)熒光與衍射分析方

15、法可以直接對(duì)固體樣品進(jìn)行測(cè)定因此又稱(chēng)為非破壞性元素分析方法。表面與微區(qū)成份分析主要包括：X射線(xiàn)光電子能譜（10納米，表面）、俄歇電子能 譜（6nm，表面）、二次離子質(zhì)譜（微米，表面）、電子探針?lè)治龇椒ǎ?.5微米，體相）、 電鏡的能譜分析（1微米，體相）、電鏡的電子能量損失譜分析（0.5 nm）。成分分析按照分析手段不同又分為光譜分析、質(zhì)譜分析和能譜分析。光譜分析光譜分析主要包括火焰和電熱原子吸收光譜（AAS ）、電感耦合等離子體原子發(fā)射 光譜（ICP-OES）、X-射線(xiàn)熒光光譜（XFS）和X-射線(xiàn)衍射光譜分析法（XRD ）。原子吸收光譜（AAS）又稱(chēng)原子吸收分光光度分析。原子吸收光譜分析是基

16、于試樣蒸氣相中被測(cè)元素的基 態(tài)原子對(duì)由光源發(fā)出的該原子的特征性窄頻輻射產(chǎn)生共振吸收，其吸光度在一定范圍內(nèi) 與蒸氣相中被測(cè)元素的基態(tài)原子濃度成正比，以此測(cè)定試樣中該元素含量的一種儀器分 析方法。原子吸收分析特點(diǎn)：（a）根據(jù)蒸氣相中被測(cè)元素的基態(tài)原子對(duì)其原子共振輻射的吸收強(qiáng)度來(lái)測(cè)定試樣中 被測(cè)元素的含量；（b） 適合對(duì)納米材料中痕量金屬雜質(zhì)離子進(jìn)行定量測(cè)定，檢測(cè)限低，ng/cm3;（c）測(cè)量準(zhǔn)確度很高，1% 5%；（d）選擇性好，不需要進(jìn)行分離檢測(cè)；（e）分析元素范圍廣，70多種；缺點(diǎn)：難熔性元素，稀土元素和非金屬元素，不能同時(shí)進(jìn)行多元素分析；131.2電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES

17、）ICP是利用電感耦合等離子體作為激發(fā)源，根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測(cè)元素原子回到基 態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線(xiàn)對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行分析的方法；可進(jìn)行多元素同時(shí)分析，適合近70種元素的分析；很低的檢測(cè)限，一般可達(dá)到10-110-5卩g/cm-3;穩(wěn)定性很好，精密度很高， 相對(duì)偏差在1%以?xún)?nèi)，定量分析效果好；線(xiàn)性范圍可達(dá) 46個(gè)數(shù)量級(jí)；但是對(duì)非金屬元 素的檢測(cè)靈敏度低。1.3.1.3 X-射線(xiàn)熒光光譜（XFS）是一種非破壞性的分析方法，可對(duì)固體樣品直接測(cè)定。在納米材料成分分析中具有 較大的優(yōu)點(diǎn)；X射線(xiàn)熒光光譜儀有兩種基本類(lèi)型波長(zhǎng)色散型和能量色散型；具有較好的 定性分析能力，可以分析原子序數(shù)大于 3的所有元素。本低強(qiáng)度

18、低，分析靈敏度高，其 檢測(cè)限達(dá)到10-510-9g/g （或g/cm3）；可以測(cè)定幾個(gè)納米到幾十微米的薄膜厚度。質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析主要包括電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法TOF-SIMS。1.321電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）ICP-MS是利用電感耦合等離子體作為離子源的一種元素質(zhì)譜分析方法；該離子源 產(chǎn)生的樣品離子經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì)量分析器和檢測(cè)器后得到質(zhì)譜；檢出限低（多數(shù)元素檢出限 為ppb-ppt級(jí)）；線(xiàn)性范圍寬（可達(dá)7個(gè)數(shù)量級(jí)）；分析速度快（1分鐘可獲得70種元 素的結(jié)果）；譜圖干擾少（原子量相差1可以分離），能進(jìn)行同位素分析。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法（TOF-SI

19、MS）是通過(guò)用一次離子激發(fā)樣品表面，打出極其微量的二次離子，根據(jù)二次離子因不同 的質(zhì)量而飛行到探測(cè)器的時(shí)間不同來(lái)測(cè)定離子質(zhì)量的極高分辨率的測(cè)量技術(shù)。工作原理：a. 利用聚焦的一次離子束在樣品上進(jìn)行穩(wěn)定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的 背散射（概率很?。部赡艽┩腹腆w樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過(guò)程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原 子中有一部分向表面運(yùn)動(dòng)，并把能量傳遞給表面離子使之發(fā)射，這種過(guò)程成為粒子濺射。 在一次離子束轟擊樣品時(shí)，還有可能發(fā)生另外一些物理和化學(xué)過(guò)程：一次離子進(jìn)入晶格，引起晶格畸變；在具有吸附層覆蓋的表面上引起化學(xué)反應(yīng)等

20、。濺射粒子大部分為中性原 子和分子，小部分為帶正、負(fù)電荷的原子、分子和分子碎片；b. 電離的二次粒子（濺射的原子、分子和原子團(tuán)等）按質(zhì)荷比實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分離；c. 收集經(jīng)過(guò)質(zhì)譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在 分析過(guò)程中，質(zhì)量分析器不但可以提供對(duì)于每一時(shí)刻的新鮮表面的多元素分析數(shù)據(jù)。而 且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像。d. TOF（Time of Flight）的獨(dú)特之處在于其離子飛行時(shí)間只依賴(lài)于他們的質(zhì)量。由 于其一次脈沖就可得到一個(gè)全譜，離子利用率最高，能最好地實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品幾乎無(wú)損的靜 態(tài)分析，而其更重要的特點(diǎn)是只要降低脈沖的重復(fù)頻率就可擴(kuò)展質(zhì)量范圍，從原理上

21、不 受限制。能譜分析能譜分析主要包括X射線(xiàn)光電子能譜XPS和俄歇電子能譜法AES。射線(xiàn)光電子能譜（XPS）X射線(xiàn)光電子能譜（XPS ）就是用X射線(xiàn)照射樣品表面，使其原子或分子的電子受激 而發(fā)射出來(lái)，測(cè)量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）, 也稱(chēng)為電子光譜化學(xué)分析儀（ESCA），用來(lái)測(cè)量定量原子組成和化學(xué)成份。它是取樣范 圍從表面到深度大約50-70?的分析技術(shù)。或者，XPS也可用通過(guò)量化材料本體級(jí)分子 進(jìn)行特征化薄膜濺射深度剖面。XPS是一種元素分析技術(shù)，提供獨(dú)特的被檢測(cè)元素的化學(xué) 狀態(tài)信息，如，測(cè)量硫元素中硫酸鹽和硫化物的形式。這個(gè)過(guò)程是用單色X射線(xiàn)照射樣品

22、而產(chǎn)生散射光電子，這些光電子釋放的能量是取樣范圍內(nèi)元素的特征。過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行全掃描，在一次測(cè)定中即可檢測(cè)出全部或大部分元素。因此， XPS已 發(fā)展成為具有表面元素分析、化學(xué)態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)分析以及微區(qū)化學(xué)態(tài)成像分析等功能強(qiáng)大的表面分析儀器。XPS分析的優(yōu)勢(shì)（適用于）：（a）表面化學(xué)狀態(tài)識(shí)別（b）除H和He外，所有元素的識(shí)別（c）定量分析，包括樣品間化學(xué)狀態(tài)的不同（d）適用于多種材料，包括絕緣樣品（紙，塑料、玻璃）（e）材料本體水平濃度的深度（a）氧化物厚度測(cè)量XPS分析的局限性：（a）檢測(cè)極限通常在0.01 %（b）最小的分析面積是io m（c）有限的具體有機(jī)物信息（d）超高真空（UHV ）環(huán)境下樣

23、品兼容1.332俄歇電子能譜法（AES）俄歇電子能譜法是用具有一定能量的電子束（或X射線(xiàn)）激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)，通過(guò)檢 測(cè)俄歇電子的能量和強(qiáng)度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法。利用受激原子俄歇躍遷退激過(guò)程發(fā)射的俄歇電子對(duì)試樣微區(qū)的表面成分進(jìn)行的定性 定量分析。俄歇能譜儀與低能電子衍射儀聯(lián)用，可進(jìn)行試樣表面成分和晶體結(jié)構(gòu)分析， 因此被稱(chēng)為表面探針。電鏡-能譜分析方法：利用電鏡的電子束與固體微區(qū)作用產(chǎn)生的 X 射線(xiàn)進(jìn)行能譜分析（EDAX ）;與電子顯微鏡結(jié)合（SEM，TEM ），可進(jìn)行微區(qū)成份分 析；可進(jìn)行定性和定量分析。AES電子束可以?huà)呙枰粔K或大或小的表面。它也可以直接聚焦在小塊表

24、面形貌上， 聚焦電子束斑到10nm或更小的直徑使得AES成為小表面形貌元素分析的非常有用的工 具。此外，它能夠在可調(diào)整的表面區(qū)域內(nèi)柵蔽電子束從而控制分析區(qū)域的尺寸。當(dāng)用來(lái) 與濺射離子源的結(jié)合時(shí)，AES能勝任大、小面積的深度剖面。當(dāng)與聚焦離子束（FIB） 起 使用時(shí)，它對(duì)于截面分析是很有用的。AES分析的優(yōu)勢(shì)：（a）小面積分析（30納米）（b）良好的表面靈敏度（c）良好的深度分辨率AES分析的局限性：（a）最佳量化標(biāo)準(zhǔn)（b）絕緣體難分析（c）樣品必須真空兼容（d）相對(duì)低的檢測(cè)靈敏度（最好是 0.1%）1.4分子結(jié)構(gòu)分析分子結(jié)構(gòu)分析主要是分析無(wú)機(jī)分子的化學(xué)鍵、有機(jī)高分子官能團(tuán)等，主要由紅外光 譜分

25、析來(lái)完成，這里抓主要介紹傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線(xiàn)光譜術(shù)（FTIR）。FTIR可檢驗(yàn)金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學(xué)環(huán)境情況及變化?；瘜W(xué)鍵以特有的頻率振動(dòng)， 當(dāng)接觸到紅外線(xiàn)輻射時(shí)，它們以與振動(dòng)模式相匹配的頻率吸收紅外線(xiàn)。作為頻率的函數(shù) 測(cè)量輻射吸收得到用于識(shí)別官能團(tuán)和化合物的光譜。FTIR分析的優(yōu)勢(shì)：（a）能識(shí)別有機(jī)官能團(tuán)，通常是具體的有機(jī)化合物（b）具有識(shí)別化合物的豐富光譜庫(kù)（c）周?chē)h(huán)境（非真空，易揮發(fā)物質(zhì)）（d）典型的非破壞性（e）最小分析面積15 micronFTIR分析的局限性：（a）有限的表面靈敏度（一般取樣量0.8 m ）（b）最小分析面積15 micron（c）有限的無(wú)機(jī)物

26、信息（d）一般非定量（需要標(biāo)準(zhǔn)）1.5熱分析熱分析是對(duì)材料熱性能進(jìn)行測(cè)試分析，主要包括材料的差熱分析、差示掃描量熱分 析、熱重分析、機(jī)械熱分析等分析方法。熱分析常用的有示差掃描熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）和熱重 （Thermogravimetry, TG ），簡(jiǎn)稱(chēng)為DSC-TG法。DSC是在程序控制溫度下，測(cè)量樣品的 熱流隨溫度或時(shí)間變化而變化的技術(shù)。因此，利用此技術(shù)，可以對(duì)樣品的熱效應(yīng)，如玻 璃化轉(zhuǎn)變、熔融、固-固轉(zhuǎn)變、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行研究。2多孔材料的顯微結(jié)構(gòu)表征分析第一部分簡(jiǎn)單介紹了材料的幾類(lèi)分析方法，下面我從我的研究方向一一多孔材料入

27、 手，討論多孔材料的顯微結(jié)構(gòu)表征。毫無(wú)疑問(wèn)，電子顯微鏡是研究多孔材料最直接的手段，通過(guò)它可以直接觀(guān)察放大百 萬(wàn)倍的多孔材料的局部顯微結(jié)構(gòu)。2.1多孔材料的形貌的表征掃描電子顯微鏡（SEM）是利用二次電子成像技術(shù)對(duì)材料表面的顯微形貌進(jìn)行觀(guān)察。 而對(duì)于多孔材料，孔穴處不能產(chǎn)生二次電子，故不能成像而顯示較深的顏色，這為我們分析多孔材料的SEM相片提供了依據(jù)。因?yàn)閽呙桦娮语@微鏡的景深大，用它分析多孔材料的優(yōu)點(diǎn)之一是它能在低分辨率的 情況下呈現(xiàn)三維立體孔結(jié)構(gòu)圖像。用普通掃描電子顯微鏡只能觀(guān)察材料的微米級(jí)孔結(jié)構(gòu)， 因此普通掃描電子顯微鏡一般多用于觀(guān)測(cè)大孔材料；對(duì)于分辨率要求很高的多孔材料的 表征，如納米孔

28、（微孔、介孔等）材料，則需要用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，又稱(chēng)為高倍 數(shù)掃描電鏡，它可以實(shí)現(xiàn)高分辨率觀(guān)察。2.2多孔材料的顯微孔結(jié)構(gòu)表征透射電子顯微鏡（TEM）可以提供樣品的形態(tài)、粒徑、孔徑大小和分布情況等，結(jié)合 選區(qū)電子衍射（SAED）花樣圖，可以知道樣品的晶體性質(zhì)以及每個(gè)衍射環(huán)所對(duì)應(yīng)的衍射 晶面。而高分辨透射電子顯微鏡 （High resoluti ont ran smiss ion electro nic microscopy HRT EM）可以在原子尺度直接觀(guān)察多孔材料的微缺陷和骨架結(jié)構(gòu)。如果所觀(guān)測(cè)的多孔材料是晶體的話(huà)，將出現(xiàn)晶格條紋圖，通過(guò)晶格條紋圖可以很直 觀(guān)地看到孔結(jié)構(gòu)的有序性、孔排列

29、情況、孔壁厚度以及外來(lái)原子的填充情況等。另外， 值得注意的是，分辨哪兒是孔，哪兒是原子，要依據(jù)透射電子顯微鏡的背底情況。例如， 如果成的是暗場(chǎng)像，背底是暗色，暗處是孔，反之亦然，即孔的明暗與背底顏色一致。 還有確定SAED花樣圖中R值的大小時(shí)，也要依據(jù)成像的背底情況。如果成的是暗場(chǎng)像， 則中心透射斑點(diǎn)和衍射環(huán)斑點(diǎn)（亮環(huán)）間的距離為R值；反之亦然，即所選衍射環(huán)斑點(diǎn) 明暗與背底顏色相反。2.3多孔材料的表面形貌表征掃描探針顯微鏡，俗稱(chēng)原子力顯微鏡（A tomic force microscope, AFM ）,提供原子或 接近原子分辨率的表面圖形，是通過(guò)測(cè)量針尖與樣品表面之間的力來(lái)獲得樣品表面形貌

30、 的，是當(dāng)今最好的納米觀(guān)測(cè)技術(shù)之一。除顯示表面圖像，AFM還可以提供的特征尺寸定量測(cè)量、例如步進(jìn)高度測(cè)量、其他樣本特性，如為確定載體和摻雜劑的分布和測(cè)量電容。 它可以直接觀(guān)察原子和分子，對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等固態(tài)或液態(tài)材料均適用。AFM廣泛用于材料、生命科學(xué)及聚合物的研究。AFM分析的優(yōu)勢(shì)：（a）量化表面粗糙程度（b）整個(gè)晶圓分析（150, 200，300 mm）（c）高空間辨析率（d）導(dǎo)體和絕緣體樣品的成像AFM分析的局限性：（a）掃描范圍限制：橫坐標(biāo)100微米，Z軸5微米（b）樣品的潛在問(wèn)題是太粗糙、樣品形狀古怪（c）針頭可能引起的誤差2.4多孔材料的結(jié)構(gòu)表征新技術(shù)核磁共振技術(shù)是一種重要

31、的表征多孔材料結(jié)構(gòu)的新方法。其中，激光抽運(yùn)和自旋交 換的超極化核磁共振是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新方法，是檢測(cè)多孔材料孔結(jié)構(gòu)比較有效 和靈敏的手段。2.5總結(jié)綜合上述分析可以看出，X射線(xiàn)小角度衍射（SAXRD）、氣體吸附、電子顯微鏡（EM） 和原子力顯微鏡（A FM）等測(cè)量技術(shù)在多孔材料的結(jié)構(gòu)表征分析中發(fā)揮了重要作用，為多 孔材料的研發(fā)提供了必不可少的強(qiáng)有力的依據(jù)。X射線(xiàn)小角度衍射法主要表征介孔材料的有序性；氣體吸附法則是從宏觀(guān)上對(duì)多孔材料的孔道結(jié)構(gòu)類(lèi)型和相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行分析表 征；電子顯微鏡則對(duì)多孔材料的局部進(jìn)行觀(guān)察等。它們之間互相補(bǔ)充，相互印證。但是應(yīng)該指出是，這些測(cè)試方法在實(shí)際應(yīng)用中還存 在一些

32、不足，例如，某些物質(zhì)強(qiáng)烈地吸收陽(yáng)極靶的特征 X射線(xiàn)而出現(xiàn)熒光輻射現(xiàn)象，導(dǎo) 致X射線(xiàn)小角度衍射技術(shù)無(wú)法正確表征介孔材料的有序性；而雙原子分子的N2具有扁長(zhǎng)的形狀和較長(zhǎng)的四極矩，作為吸附質(zhì)，應(yīng)用氣體吸附法測(cè)定某些多孔材料的孔體積并 不理想；高能電子束對(duì)材料孔結(jié)構(gòu)的超輻射破壞， 以及過(guò)高的放大倍數(shù)降低了圖像的清 晰度等，嚴(yán)重影響了高分辨透射電子顯微鏡對(duì)顯微孔結(jié)構(gòu)的觀(guān)察。目前，迫切需要發(fā)展 一些多孔材料表征的新技術(shù)和新方法，特別是研發(fā)更有效的原位分析鑒定手段。相信隨 著傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不斷提高以及新技術(shù)和新方法的研發(fā)，必將推動(dòng)多孔材料研究的發(fā)展。3材料測(cè)試的創(chuàng)新性的思考現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展，在很大的程度上依賴(lài)對(duì)