實(shí)驗(yàn)和材料分析

1、關(guān)于實(shí)驗(yàn)與材料分析第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 對于材料物理來說，除了材料制備方法以外，最廣泛使用的表征材料特征的方法有：衍射方法: 中子衍射、X射線衍射、電子衍射、穆斯堡爾譜、射線衍射等顯微方法: 光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描遂道顯微鏡、場離子顯微鏡、原子力顯微鏡等表征材料的方法第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 考慮所需的信息：整體統(tǒng)計(jì)性的還是局域性的？是宏觀尺度的、納米尺度的還是原子尺度的？是單項(xiàng)的還是綜合的？ 考慮采用什么方法才能得到自己需要的參數(shù) 優(yōu)先考慮本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的測量手段 考慮實(shí)驗(yàn)費(fèi)用 考慮是否能用別的測量手段替代如何選擇測量手段第三張，PPT共三

2、十六頁，創(chuàng)作于2022年6月某些常用的測量方法第四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)工作原理：利用一個(gè)來自同步輻射源的可調(diào)單色X射線輻照樣品。當(dāng)X射線的能量從稍低于樣品中選定元素原子內(nèi)殼層電子結(jié)合能(例如K或L電子)到遠(yuǎn)高于此能量掃描時(shí)，會發(fā)生X射線吸收，并可觀察到一個(gè)極陡的吸收邊。當(dāng)入射X射線的能量大于結(jié)合能時(shí)，可以觀察到一系列吸收振蕩。用處：能夠反映X射線吸收原子0.5nm附近的原子結(jié)構(gòu)分布情況。 EXAFS的頻率與吸收原子和其近鄰原子間距有關(guān)，而EXAFS的強(qiáng)度則與近鄰原子的種類、數(shù)量和有序度有關(guān)。第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月

3、表面擴(kuò)展X射線吸收超精細(xì)結(jié)構(gòu)和近邊X射線吸收超精細(xì)結(jié)構(gòu)(SEXAFS/NEXAFS)工作原理：固體樣品處于超高真空中，受到來自同步輻射源的可調(diào)X射線照射。通過改變X射線的光子能量和測量出射電子或熒光的產(chǎn)額來采集吸收譜。用處：SEXAFS的特征峰 樣品表面的近鄰原子鍵長、 配位數(shù)NEXAFS 局域配位(四配位、八配位等等) 氧化態(tài)性質(zhì) 鍵合的種類（分子吸收）第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月場離子顯微鏡(FIM)工作原理：中性的惰性氣體分子以原子尺度靠近帶幾千伏特正電壓的固體針尖時(shí)，電子很可能從惰性氣體分子隧穿至固體，從而產(chǎn)生一個(gè)陽離子。陽離子被電場加速打到接收器上，再放出大量的電子

4、打到熒屏上產(chǎn)生亮點(diǎn)，同時(shí)能看到一顆顆原子影象。（可以通過電化學(xué)刻蝕制作半徑約50nm的針尖，并在針尖和熒光屏之間加約5kV的電壓。利用氦、氖等惰性氣體產(chǎn)生的離化）用處：研究吸附原子或空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷以及位錯(cuò)、晶界這樣的擴(kuò)展缺陷。第七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月磁光克爾效應(yīng)(MOKE)工作原理：基于材料的凈磁化強(qiáng)度M與從表面反射的可見光的偏振變化的比例關(guān)系。磁化方向由起始位置和旋轉(zhuǎn)信號(偏振)決定。用處：是一種測定磁性材料近表面凈磁矩方向和相對大小的光學(xué)技術(shù)。測量材料在連續(xù)變化的外磁場下的磁光克爾效應(yīng)給出了材料的磁滯回線。磁光克爾效應(yīng)的測量可以在兆赫茲頻率下和在直流下測量，這

5、使得測量磁疇動力學(xué)或靜疇像成為可能。第八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月低能電子衍射(LEED)工作原理：測量一束平行的單色低能電子束（101000eV）被樣品表面所衍射的花樣。實(shí)驗(yàn)在真空中進(jìn)行。在這個(gè)能量范圍里，電子的平均自由程只有幾個(gè)埃，因此對表面十分敏感。用處：衍射花樣可以用來分析干凈的表面或涂層結(jié)構(gòu)。對衍射強(qiáng)度的分析可以確定表面原子之間的相對位置及它們相對下層原子的位置。對不同角度的衍射束的分析可以提供表面無序程度的信息。可以用來研究表面晶體的微觀晶體結(jié)構(gòu)和組織及相關(guān)現(xiàn)象。第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電子探針X射線顯微分析(EPMA)工作原理：利用一束會聚的

6、高能(5-30keV)電子束轟擊樣品，從而導(dǎo)致樣品發(fā)射出特征X射線(能量范圍0.1-15keV)。X射線通常用能量色散(簡稱能譜)或波長色散X射線譜儀(簡稱波譜儀)測量。作用：是一種元素分析技術(shù)。標(biāo)樣系列包括純元素或二元化合物等。在使用純元素標(biāo)樣分析濃度時(shí)相對濃度誤差在4以內(nèi)的幾率為0.95。元素的空間分布可以用X射線區(qū)域掃描定性觀察，并通過數(shù)字成分圖來定量表示。第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電子自旋共振(ESR)，也叫電子順磁共振(EPR)工作原理：在被研究的物質(zhì)中，若有未成對電子，則這種物質(zhì)(分子)便具有未抵消的磁矩，表現(xiàn)出順磁性。電子自旋磁矩在外磁場中會具有分立的能級，因

7、而會有共振現(xiàn)象。用處：可以探討自旋未成對電子與一些核噪音的強(qiáng)弱，給出分子中電子結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息，如順磁離子的氧化態(tài)、電子組態(tài)和配位數(shù)；順磁離子的基態(tài)d軌道、格位對稱性及所發(fā)生的任何結(jié)構(gòu)畸變。在成分分析方面可以定性的或定量的測量?？梢杂糜谘芯炕瘜W(xué)鍵的性質(zhì)、電子與聲子的相互作用、電子自旋哈密頓參數(shù)、g因子值以及具有未成對電子的晶體缺陷等。第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二次離子質(zhì)譜(SIMS)工作原理：在二次離子質(zhì)譜分析中，固態(tài)樣品置于真空中并用細(xì)離子束轟擊，此入射離子被稱作初級離子，它們有足夠的能量使樣品照射區(qū)的原子或小原子團(tuán)逸出。以離子形式發(fā)射的原子或原子團(tuán)被稱為二次離子。二次離

8、子在質(zhì)譜儀中加速后，根據(jù)它們的荷質(zhì)比不同被分離并分別計(jì)數(shù)。用處：二次離子的相對量可以轉(zhuǎn)換成濃度。通過與標(biāo)樣比較可以展示樣品成分和痕量雜質(zhì)的濃度隨轟擊時(shí)間(即距樣品表面深度)的變化情況。第十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月俄歇電子譜(AES)工作原理：俄歇電子是用一束會聚電子束照射固體后在表面附近所產(chǎn)生的二次電子。俄歇電子反映元素的能量特征，在許多情況下反映了釋放出俄歇電子的原子的化學(xué)鍵特征。用處：由于俄歇電子在從樣品淺層表面逃逸過程中沒有能量損耗，因此利用俄歇電子的特征能量可以確定樣品元素的成分，同時(shí)能確定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)。如果同時(shí)結(jié)合離子轟擊，逐層剝離表面技術(shù)，還可以表征樣品在

9、表面下不同深度上的化學(xué)性質(zhì)。由于電子束的高空間分辨，故可以進(jìn)行樣品的三維區(qū)域的微觀分析。俄歇電子譜的特征包括高橫向分辨率、高靈敏度、無標(biāo)樣半定量分析并且在某些情況下給出化學(xué)鍵信息。第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月反射電子能量損失譜(REELS)工作原理：將固體樣品置于真空中，用一束細(xì)電子束輻照，電子束的能量相當(dāng)高，足以導(dǎo)致原子或原子團(tuán)的電子激發(fā)。部分入射電子從樣品中射出時(shí)，相對于入射能量E0損失了一特定能量。通過電子能量分析器可以測量反射電子的數(shù)量、方向k和能量。用處：與標(biāo)樣比較，從逸出電子能量損失譜的強(qiáng)度和線形能夠得到有關(guān)樣品表面成分、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息。第十四張，PPT

10、共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月反射高能電子衍射(RHEED)工作原理：一束高能電子(5-50keV)被加速射向接地的導(dǎo)體樣品或半導(dǎo)體樣品的表面。入射電子束以l-5的掠射角照射樣品，并被其散射。由于電子束的波長比原子間距短，這些電子被樣品表面有序的原子陣列所衍射。散射電子束打到與電子槍相對的熒光屏上，使熒光屏上的磷粉發(fā)光。熒光屏上顯示的圖像被稱之為反射高能電子衍射花樣，此衍射花樣能用照相或其他方法記錄下來。用處：反射高能電子衍射花樣中的明亮條紋的對稱性和間距可以給出表面對稱性、晶格常數(shù)和完整性的信息。第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月富里葉變換紅外光譜(FTlR)工作原理：一些物

11、質(zhì)的化學(xué)鍵合的振動頻率常處于紅外波段。樣品中具有一定振動模式的振動將與入射的紅外電磁波相互作用，并當(dāng)發(fā)生共振時(shí)與其交換能量。用處：在紅外實(shí)驗(yàn)中，通過測量紅外電磁波在與樣品作用前后的光強(qiáng)，可以得到隨頻率變化的光強(qiáng)比I/I0，這類紅外光譜測量可以得到化學(xué)鍵的種類、周圍環(huán)境和濃度等信息。第十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月高分辨電子能量損失譜(HREELS)工作原理：在高分辨電子能量損失譜中，一束高度單色的低能(110eV)電子束被聚焦在樣品表面，并對散射電子的散射能量和散射角進(jìn)行高分辨分析。由于表面原子和分子的振動激發(fā)，一些散射電子具有較小的特征能量損失。通過測量電子數(shù)和相對于彈性散射

12、電子束的電子能量損失可以得到振動譜。用處：這種譜分析主要是用來確定表面第一層的化學(xué)物質(zhì)(官能團(tuán))，通常在這一層中包含被固體吸附的官能團(tuán)。第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光聲譜(PAS)工作原理：在光聲譜中，用一束調(diào)制光照射樣品，光吸收引起了樣品溫度變化，所導(dǎo)致的樣品膨脹又引起了空氣中的壓力波(聲波)。在樣品附近放一個(gè)探測器以記錄聲波的強(qiáng)度和頻率。當(dāng)樣品表面的條件變化時(shí)，例如樣品吸附氣體或形成氧化層后，光吸收發(fā)生了變化，影響了樣品加熱和膨脹過程，從而影響了聲波的強(qiáng)度。因此聲波可以用來表征氣體吸附程度或表面反應(yīng)層的份量。用處：提供了有關(guān)表面上吸附物的種類和吸附量以及表面上薄膜生長的

13、額外信息。第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光致熒光(PL)工作原理：在光致熒光測量中，光子導(dǎo)致了樣品物質(zhì)的激發(fā)電子態(tài)，通過分析激發(fā)態(tài)在恢復(fù)到基態(tài)過程的光發(fā)射來測量材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。為了獲得激發(fā)態(tài)，通常讓光直接照射到樣品上，所發(fā)出的光致熒光通過透鏡和光探測器上的光譜儀來采集。發(fā)射光的光譜分布和時(shí)間依賴關(guān)系與電子的躍遷幾率有關(guān)。用處：提供定性的，有時(shí)是定量的有關(guān)化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)(如鍵合、無序態(tài)、界面和量子阱等)、雜質(zhì)、動力學(xué)過程和能量傳遞。第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月核磁共振(NMR)工作原理：用以研究核磁矩與射頻電磁波的相互作用。在實(shí)驗(yàn)中，固態(tài)樣品被放在l-

14、14T強(qiáng)磁場下，磁場使具有自旋I的基態(tài)采取(2I+1)個(gè)取向，每種取向代表一個(gè)能級；當(dāng)用強(qiáng)射頻脈沖輻照，其頻率范圍能使特定原子核在基態(tài)的能級間躍遷，產(chǎn)生NMR信號。利用電磁感應(yīng)和富利葉變換得到信號強(qiáng)度與頻率的關(guān)系，將得到的譜與標(biāo)樣對比。用處：可以確定原子種類及其含量。同時(shí)它是一個(gè)對結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)十分靈敏的探測器。核磁共振可以用來作相分析及研究無序材料的局域鍵合性質(zhì)。第二十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月激光電離表面分析(SALI)工作原理：在激光電離表面分析中，利用一探測束(如離子束、電子束或激光)直接照射到表面來轟擊樣品。用一束不轉(zhuǎn)動的強(qiáng)激光緊貼樣品表面平行照射。由于激光強(qiáng)度很大，

15、因此在被激光照射的蒸發(fā)樣品區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致了大量的非共振的(非選擇性的)光電離。然后對非選擇性電離的樣品作質(zhì)譜分析以確定未知樣品的性質(zhì)。用處：能精確地反映表面的成分，如果與時(shí)間飛行質(zhì)譜儀結(jié)合可以提供快速、有效、靈敏的分析結(jié)果。第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月濺射中性質(zhì)譜(SNMS)工作原理：濺射中性質(zhì)譜是對在高能離子束轟擊下固體表面的濺射原子所進(jìn)行的質(zhì)譜分析。對于質(zhì)譜分析，利用機(jī)械分離方法使濺射出來的原子游離化。濺射中性質(zhì)譜是二次離子質(zhì)譜的補(bǔ)充，與濺射原子不同的是，二次離子質(zhì)譜是針對濺射離子的質(zhì)譜分析。用處：與二次離子質(zhì)譜相比，濺射中性質(zhì)譜的特點(diǎn)是能夠精確測量化學(xué)成分復(fù)雜的薄膜和界

16、面的濃度沿深度變化的情況，這種測量能得到很好的深度分辨和痕量分析結(jié)果。激光離化表面分析和流動放電質(zhì)譜都是濺射中性質(zhì)譜的特例。第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月可變角度的光譜橢圓儀(VASE)工作原理：用偏振光照射到樣品表面后，利用檢偏器對反射光進(jìn)行分析。用平行的單色光束以一傾角照射樣品，對于每個(gè)入射角和波長，測量反射光強(qiáng)與偏振角的關(guān)系，從而得到了重要的橢圓儀參數(shù)。利用一組最優(yōu)化的入射角和波長的組合可以得到最大的測量靈敏度和有關(guān)信息。用處：從測量參數(shù)導(dǎo)出的物理量包括塊體或薄膜介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度(從一到幾百納米)和多組份薄膜的顯微組織成分。一般說來，只有材料具有平行表面且在十

17、分之一入射波長范圍內(nèi)有結(jié)構(gòu)和化學(xué)的不均勻性時(shí)才能使用橢圓儀測量。第二十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)工作原理：當(dāng)超導(dǎo)環(huán)處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，弱聯(lián)結(jié)使得通過超導(dǎo)環(huán)的磁通是量子化的，磁通躍變值為一個(gè)磁通量子，可用于測量很小的磁通變化。如果繞此超導(dǎo)環(huán)放一線圈，則磁通每躍變一個(gè)量便在線圈中感生一個(gè)電壓脈沖。此電壓脈沖可用來測量小磁場。用處： 是測量磁場最靈敏的儀器，可分辨l0-14T。第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月盧瑟福背散射譜(RBS)工作原理：用一束單色高能粒子束(常用氦)轟擊被探測樣品，粒子束的能量高達(dá)幾兆電子伏特。入射粒子的一部分被樣品中

18、近表面區(qū)域的重原子背散射，并用固體探測器測量其能量。用處：背散射粒子的能量與被轟擊原子的質(zhì)量和深度有關(guān)，因此可用來定量測定在1-2um深度范圍內(nèi)的成分分布。入射粒子束平行樣品晶軸方向時(shí)，可以定量測量晶格缺陷和雜質(zhì)在晶格中的位置，并給出沿深度的分布。對薄膜樣品結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、雜質(zhì)和缺陷進(jìn)行深度分析是盧瑟福背散射譜的主要應(yīng)用。第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月穆斯堡爾譜學(xué)(MS)工作原理：原子核對射線的共振吸收和發(fā)射現(xiàn)象叫穆斯堡爾效應(yīng)。穆斯堡爾譜實(shí)驗(yàn)由放射源、樣品、探測器、顯示及記錄裝置組成。透射實(shí)驗(yàn)得到的譜是一系列吸收峰。用處：由吸收峰的位置、強(qiáng)度和線寬可以得到樣品中被探測核素所在

19、處的電磁環(huán)境，它們由一系列超精細(xì)參數(shù)(同質(zhì)異能移位、四極分裂裂距、超精細(xì)場、線寬等)表征，可以用于研究價(jià)態(tài)、磁有序、相變和化學(xué)反應(yīng)等。穆斯堡爾譜的優(yōu)點(diǎn)是對能量的高靈敏度、相對所探測核素的高選擇性、很少受到其他元素的干擾。缺點(diǎn)是只對部分核素有效，最常用的是各種含鐵物質(zhì)，其次是含錫、銪和碘等元素的物質(zhì)。第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月掃描電子顯微術(shù)(SEM)工作原理：電子束被聚成細(xì)針狀并在小矩形面積上掃描。當(dāng)電子束與樣品相互作用時(shí)產(chǎn)生各種各樣的信號，如二次電子、內(nèi)電流、光子發(fā)射等，這些信號可以被探測，它們反映了被電子束直接照射的面積上的局域信息。利用這些信號調(diào)制陰極射線管的亮度，

20、它是與電子束同步的屏面掃描并同步成像。用處：當(dāng)需要對某種材料進(jìn)行快速觀測而光學(xué)顯微鏡的分辨精度又不夠時(shí)，掃描電子顯微鏡是首選儀器。配合其他輔助探測器，掃描電子顯微鏡可以作元素分析。第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡(STMAFM)工作原理：固體樣品可置于空氣、液體或真空中，針尖到樣品表面只有幾埃。對于掃描隧道顯微鏡來說，在樣品表面和針尖之間有量子隧道電流。原子力顯微鏡，樣品表面的原子與針尖原子的相互作用力使得一個(gè)小懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于隧道電流和懸臂偏轉(zhuǎn)的大小強(qiáng)烈地依賴于樣品與針尖的間距，它可以用來畫出三維的表面原子尺度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。用處：STMAFM在高

21、分辨和三維分析上有無與倫比的優(yōu)越性，可以得到原子尺寸的信息。第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月透射電子顯微鏡(TEM)工作原理：利用一束高聚焦的單色電子束轟擊處于真空中的薄固體樣品。電子束的能量很高足以穿透樣品，利用一系列電磁透鏡將此透射電子信號放大。在樣品下方還能觀察到一系列衍射花樣。用處：衍射花樣可用來確定樣品的原子結(jié)構(gòu)。由于電子和樣品中的原子之間的相互作用導(dǎo)致了多種散射機(jī)制，因此對透射電子像的分析可以得到有關(guān)材料的原子結(jié)構(gòu)和缺陷的信息。第二十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月X射線光電子譜(XPS)工作原理：用單色的軟X射線轟擊樣品導(dǎo)致了光電子的逸出，然后得到光

22、電子譜。(根據(jù)射線波長可以大致分為硬X射線和軟X射線，波長越短則射線越“硬”，其能量就越大，穿透力也就越強(qiáng)。反之則能量較小，易被物質(zhì)吸收。 )用處：通過測量逸出光電子的動能可直接確定元素。通過測量光電子的強(qiáng)度可以測定元素含量。對于固體樣品，X射線光電子譜可以探測2-20個(gè)原子層深度的范圍，探測深度依賴于被測材料、光電子能量和探測的角度。從生物到冶金材料廣闊的范圍里，XPS的優(yōu)點(diǎn)是可無標(biāo)樣半定量測定表面元素。第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月X射線衍射(XRD)工作原理：一束平行的波長為0.05-0.2nm的X射線入射到樣品上時(shí)，衍射依據(jù)Bragg公式=2dsin，其中d是晶面間距

23、。X射線的衍射強(qiáng)度是衍射角2和樣品取向的函數(shù)。用處：衍射花樣用以確定樣品的晶體相和測量結(jié)構(gòu)性質(zhì)，包括應(yīng)變、外延織構(gòu)和晶粒的尺寸和取向； X射線衍射也能確定非晶材料和多層膜的成分深度分布、薄膜厚度和原子排列。第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)與線圈交連的磁通變化時(shí)要在線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動勢。振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM) 就是基于此一原理。VSM事實(shí)上是一個(gè)對磁感應(yīng)強(qiáng)度差的計(jì)量裝置，在線圈(置于電磁鐵二極頭之間的空隙中)內(nèi)的特定空間中，當(dāng)樣品在內(nèi)或不在內(nèi)(樣品往返振動)而產(chǎn)生磁通變化時(shí)，線圈中就感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)交流電壓信號，經(jīng)放大后進(jìn)行記錄和顯示。用處：故原則上說，由于樣品退磁因子太大的關(guān)系，VSM只適于測飽和磁化強(qiáng)度，而不太適于測磁化曲線或磁滯回線。VSM還可測量小到5l0-8Am2(510-5emu)的磁矩，精度可達(dá)2，還可以用于測定居里點(diǎn)和奈耳點(diǎn)，研究某些相變。第三十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月正電子湮滅技術(shù)(PAT)工作原理：正電子具有正電荷，通常只在某些核衰變時(shí)產(chǎn)生(例如22Na核)。正電子湮滅實(shí)驗(yàn)裝置由正電子源