材料表面技術(shù)

1、材料表面分析技術(shù)材料表面分析技術(shù)外觀檢測外觀檢測成分及組織結(jié)構(gòu)分析成分及組織結(jié)構(gòu)分析物理及力學(xué)性能檢測物理及力學(xué)性能檢測一、外觀檢測（一、外觀檢測（visual examination ）含義：肉眼、樣板或放大鏡含義：肉眼、樣板或放大鏡 涂層外觀檢測要求：涂層外觀檢測要求： 涂層表面保持干凈；涂層表面保持干凈； 檢測要全面、細(xì)致；檢測要全面、細(xì)致； 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（QJ 990.2-1986 ）或技術(shù)要求。）或技術(shù)要求。不平整、不平整、針孔針孔、氧化、脫皮、氧化、脫皮、飛濺飛濺、表面裂紋、表面裂紋、剝落、剝落、麻點麻點、鼓泡鼓泡、縮孔縮孔、疏松疏松、斑點、斑點、毛刺毛刺、擦擦傷傷等

2、等 表面缺陷的種類及特點：表面缺陷的種類及特點： 涂層表面缺陷（涂層表面缺陷（surface defects ）檢測）檢測二、表面結(jié)構(gòu)的表征二、表面結(jié)構(gòu)的表征表面成分分析表面成分分析 X射線光電子能譜、俄歇電子能譜射線光電子能譜、俄歇電子能譜表面結(jié)構(gòu)測定表面結(jié)構(gòu)測定 X射線衍射射線衍射等等表面形貌觀察表面形貌觀察 光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等X射線衍射（射線衍射（XRD）n各相物質(zhì)均具有其獨具的各相物質(zhì)均具有其獨具的。n在給定波長的在給定波長的X X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都形成自己特射線照射下，每種晶體物質(zhì)都形成自己特定的定的。n對

3、于復(fù)相物質(zhì)，其衍射花樣是各相物質(zhì)衍射花樣的對于復(fù)相物質(zhì)，其衍射花樣是各相物質(zhì)衍射花樣的。n將被測試樣的衍射花樣與一組將被測試樣的衍射花樣與一組的衍射花的衍射花樣逐一對比，從而判斷其相組成。樣逐一對比，從而判斷其相組成。X射線衍射分析的應(yīng)用射線衍射分析的應(yīng)用物相定性分析物相定量分析點陣常數(shù)測定應(yīng)力測定晶體取向測定獲得衍射花樣獲得衍射花樣計算面間距計算面間距d d 值和測定相對強度值和測定相對強度/1 1檢索檢索PDFPDF卡片和核對卡片和核對PDFPDF卡片卡片分析判定分析判定常用的物相定量分析分析方法有三種：常用的物相定量分析分析方法有三種： 它是用分析相的純樣品的某一衍射線為標(biāo)準(zhǔn)它是用分析相

4、的純樣品的某一衍射線為標(biāo)準(zhǔn) 用摻入試樣內(nèi)的某已知物相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)用摻入試樣內(nèi)的某已知物相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn) 用試樣中另一相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)用試樣中另一相的衍射線為標(biāo)準(zhǔn)俄歇電子能譜分析（俄歇電子能譜分析（AES） 俄歇電子能譜（俄歇電子能譜（AES）是用具有一定能量是用具有一定能量的電子束的電子束(或或X射線射線)激發(fā)樣品激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)，通，通過檢測俄歇電子的能量和強度，從而獲得過檢測俄歇電子的能量和強度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法。法。 主要組成部分：主要組成部分：電子槍電子槍、能量分析器能量分析器、二次電二次電子探測器子探測器、（

5、、（樣品）分析室樣品）分析室、濺射離子槍濺射離子槍和和信信號處理與記錄系統(tǒng)號處理與記錄系統(tǒng)等。等。俄歇譜儀示意圖俄歇譜儀示意圖直接譜與微分譜直接譜與微分譜 直接譜直接譜：俄歇電子強度：俄歇電子強度密度密度(電子數(shù)電子數(shù))N(E)對其對其能量能量E的分布的分布N(E)E。 微分譜微分譜：由直接譜微分：由直接譜微分而來，是而來，是dN(E)/dE對對E的分布的分布dN(E)/dEE。俄歇電子能譜示例俄歇電子能譜示例(銀原子的銀原子的俄歇能譜俄歇能譜) AES定性分析定性分析 實際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子實際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子譜的組合，定性分析的方法是將測得

6、的俄歇電子譜與譜的組合，定性分析的方法是將測得的俄歇電子譜與純元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，通過對比峰的位置和形狀來純元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，通過對比峰的位置和形狀來識別元素的種類。識別元素的種類。AES定量分析定量分析 俄歇電子強度與樣品中對應(yīng)原子的濃度有線性關(guān)系，俄歇電子強度與樣品中對應(yīng)原子的濃度有線性關(guān)系，據(jù)此可以進(jìn)行元素的半定量分析。據(jù)此可以進(jìn)行元素的半定量分析。成分深度分析成分深度分析 AES的深度分析功能是的深度分析功能是AES最有用的分析功能最有用的分析功能,主要分析元素及主要分析元素及含量隨樣品表面深度的變化。含量隨樣品表面深度的變化。鍍銅鋼深度分析曲線鍍銅鋼深度分析曲線 微區(qū)分析也是俄歇電

7、子能譜分析的一個重要功能，微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個重要功能，可以分為可以分為選點分析，線掃描分析和面掃描分析選點分析，線掃描分析和面掃描分析三個三個方面。方面。X射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS) X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）：）：激發(fā)源為激發(fā)源為X射射線線，用，用X射線作用于樣品表面，產(chǎn)生光電射線作用于樣品表面，產(chǎn)生光電子。通過分析光電子的能量分布得到光電子。通過分析光電子的能量分布得到光電子能譜。用于研究樣品表面組成和結(jié)構(gòu)。子能譜。用于研究樣品表面組成和結(jié)構(gòu)。 XPS圖譜圖譜 如圖以如圖以Mg 為激發(fā)源得到為激發(fā)源得到 的的Ag片的片的XPS 譜圖。圖中有譜圖。

8、圖中有 Ag3d3/2和和Ag 3d5/2光電子兩光電子兩 個強特征峰。個強特征峰。 用于鑒別銀。用于鑒別銀。X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀 XPS儀由儀由X射線激發(fā)源、樣品臺、電子能量分析器、射線激發(fā)源、樣品臺、電子能量分析器、檢測器系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)等部分組成。檢測器系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)等部分組成。X射線光電子能譜儀射線光電子能譜儀 定性分析定性分析 不同元素的原子不同元素的原子，其，其電子結(jié)合能不同電子結(jié)合能不同，電子結(jié)合能是，電子結(jié)合能是特征性特征性的。因此，我們可以根據(jù)電子的結(jié)合能對物質(zhì)的元素種類進(jìn)的。因此，我們可以根據(jù)電子的結(jié)合能對物質(zhì)的元素種類進(jìn)行行定性分析定性分析。 半定量分

9、析半定量分析 經(jīng)經(jīng)X射線照射后，從樣品表面某原子出射的射線照射后，從樣品表面某原子出射的光電子的強度光電子的強度是是與樣品中該與樣品中該原子的濃度原子的濃度有線性關(guān)系，因此，可以利用它進(jìn)行有線性關(guān)系，因此，可以利用它進(jìn)行元素的元素的半定量分析半定量分析。X射線光電子能譜定性、定量分析射線光電子能譜定性、定量分析硅晶體表面薄膜的物相分析硅晶體表面薄膜的物相分析 對薄膜全掃描分析得下圖，含有對薄膜全掃描分析得下圖，含有Zn和和S元素但元素但化學(xué)態(tài)未知。化學(xué)態(tài)未知。為得知為得知Zn和和S的存在形態(tài)，對的存在形態(tài)，對Zn的最強峰進(jìn)行窄掃描，其峰位的最強峰進(jìn)行窄掃描，其峰位1022eV比純比純Zn峰峰1

10、021.4eV更高，說明更高，說明Zn內(nèi)層電子的結(jié)合能增內(nèi)層電子的結(jié)合能增加了，即加了，即Zn的價態(tài)變正，根據(jù)含有的價態(tài)變正，根據(jù)含有S元素并查文獻(xiàn)中元素并查文獻(xiàn)中Zn的標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，確定薄膜中準(zhǔn)譜圖，確定薄膜中Zn是以是以ZnS的形式存在的。的形式存在的。 l 宏觀形貌：宏觀形貌：體視顯微鏡、（數(shù)碼）照相機體視顯微鏡、（數(shù)碼）照相機手段：手段：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡（光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡（SEMSEM、TEMTEM）目的：目的：涂層微觀涂層微觀組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)過程：過程：取樣取樣鑲嵌鑲嵌磨制磨制拋光拋光腐蝕腐蝕金相試樣金相試樣觀察（觀察（OMOM、SEMSEM或或TEMTEM）l 顯微組織

11、結(jié)構(gòu)分析顯微組織結(jié)構(gòu)分析SEM SEMSEM成像原理：成像原理： 利用掃描電子束從樣品表面激發(fā)出各種利用掃描電子束從樣品表面激發(fā)出各種物理信號物理信號來來調(diào)制成象調(diào)制成象的。的。 物理信號：二次電子、背散射電子物理信號：二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征、俄歇電子、特征X射線等射線等 SEM的特點的特點 分辨本領(lǐng)高、放大倍率可連續(xù)變化、景深長、視野大、成像富分辨本領(lǐng)高、放大倍率可連續(xù)變化、景深長、視野大、成像富有立體感、試樣制備簡單有立體感、試樣制備簡單掃描電鏡的構(gòu)造掃描電鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)信號的收集和圖像顯示系信號的收集和圖像顯示系統(tǒng)統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)SEM試樣的制備一般固體

12、材料的試樣制備都比較簡單對于導(dǎo)電材料，只有幾何尺寸和重量的要求，具體大小因掃描電鏡的型號不同而有所差異對于導(dǎo)電性差的材料或絕緣材料，通常要蒸鍍一層薄的導(dǎo)電材料，如金、銀、碳等SEM的應(yīng)用二次電子形貌襯度應(yīng)用斷口形貌分析背散射電子原子序數(shù)襯度應(yīng)用背散射電子的信號即可以用來進(jìn)行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他進(jìn)行形貌分析的分辨率遠(yuǎn)比二次電子低利用原子序數(shù)造成的襯度變化對金屬和合金進(jìn)行定性的成分分析，試樣中重元素對應(yīng)于圖像上的亮區(qū)，輕元素對應(yīng)暗區(qū)TEM TEM工作原理：工作原理： 在一個高真空系統(tǒng)中，由電子槍發(fā)射電子束，穿過被研究的樣品，經(jīng)電子透鏡聚焦放大，在熒光屏上顯示出高度放大的物像，還可作攝片記錄的一類最常見的電子顯微鏡。 成像原理