材料近代分析方法

1、材料近代分析測(cè)試方法論文學(xué)生姓名：學(xué)號(hào):200912010228院系：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：2012年12月12日目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 X射線在晶體中的分析方法1 HYPERLINK l bookmark4 X射線的理論依據(jù)1 HYPERLINK l bookmark10 X射線在晶體衍射分析中的應(yīng)用1 HYPERLINK l bookmark24 X射線衍射在薄膜材料中的應(yīng)用3 HYPERLINK l bookmark28 材料的電子顯微衍射分析方法42.1材料的電子顯微衍射的理論分析42.2材料的電子顯微衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀53材料的

2、電子顯微衍射的發(fā)展趨勢(shì)6 HYPERLINK l bookmark42 電子能譜在材料分析方法7 HYPERLINK l bookmark44 3.1電子能譜的基本原理73.2材料的電子顯微衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀83.3材料的電子顯微衍射的發(fā)展趨勢(shì)9 HYPERLINK l bookmark54 光譜衍射分析的分析方法10 HYPERLINK l bookmark56 4.1光譜衍射的基本原理10 HYPERLINK l bookmark60 4.2光譜衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀11 HYPERLINK l bookmark64 4.3光譜衍射的發(fā)展趨勢(shì)12 HYPERLINK l bookmark68 參考文獻(xiàn)

3、14西安石油大學(xué)材料近代分析測(cè)試方法論文 iX射線在晶體中的分析方法1.1X射線的理論依據(jù)設(shè)有一束波長(zhǎng)為九的單色X射線入射到面間距為dhkl的晶面組晶面組與入射線和反射線的交角為（等于衍射光線和入射光線夾角的一半），有著名的布拉格（Bragg）衍射方程式2dhklsin=n九（1）式中為正整數(shù)，衍射級(jí)數(shù)n=1，2,3時(shí)，分別稱為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)衍射。只有在滿足布拉格衍射方程式的條件時(shí)，才能發(fā)生衍射。因此，晶體反射X射線是一種“選擇反射”。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在

4、某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)于X射線衍射理論的研究，目前有兩種理論：運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)衍射理論。1.1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射理論達(dá)爾文（Darwin）的理論稱為X射線衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論。該理論把衍射現(xiàn)象作為三維Frannhofer衍射問(wèn)題來(lái)處理，認(rèn)為晶體的每個(gè)體積元的散射與其它體積元的散射無(wú)關(guān)，而且散射線通過(guò)晶體時(shí)不會(huì)再被散射。X射線衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論內(nèi)容主要包括衍射方向和衍射線強(qiáng)度大小及其分布（線型）。112動(dòng)力學(xué)衍射理論厄瓦爾德（Ewald）的理論稱為動(dòng)力學(xué)理論。該理論考慮到了晶體內(nèi)所有波的相互作用，認(rèn)為入射線與衍射線在晶體內(nèi)相干地結(jié)合，而且來(lái)回地交換能

5、量。兩種理論對(duì)細(xì)小的晶體粉末得到的強(qiáng)度公式相同，而對(duì)高度完整的晶體的衍射問(wèn)題，則必須采用動(dòng)力學(xué)理論來(lái)處理，才能得出正確的結(jié)果。1.2X射線在晶體衍射分析中的應(yīng)用X射線衍射在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用范圍非常廣泛，現(xiàn)已滲透到物理、化學(xué)、礦物學(xué)、冶金學(xué)、地球科學(xué)和生命科學(xué)以及各種工程技術(shù)科學(xué)之內(nèi)，成為一種重西安石油大學(xué)材料近代分析測(cè)試方法論文 要的手段和分析方法，提供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息。X射線衍射的主要應(yīng)用：X射線衍射技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)成為最基本、最重要的一種結(jié)構(gòu)測(cè)試手段，其主要應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：1.2.1物相定性分析即固體由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成不同的多晶體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成元素各不相同，它們的衍射花樣在線條數(shù)

6、目、角度位置、強(qiáng)度上就呈現(xiàn)出差異，衍射花樣與多晶體的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，一種特定的物相具有自己獨(dú)特的一組衍射線條（即衍射譜），反之不同的衍射譜代表著不同的物相。若多種物相混合成一個(gè)試樣，則其衍射譜就是其中各個(gè)物相衍射譜疊加而成的復(fù)合衍射譜。因而，我們可以通過(guò)測(cè)定試樣的復(fù)合衍射譜，并對(duì)復(fù)合衍射譜進(jìn)行分析分解，從而確定試樣由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成。1.2.2物相定量分析物相定量分析的任務(wù)是用X射線衍射技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定混合物中各相的衍射強(qiáng)度，從而求出多相物質(zhì)中各相的含量。其理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積或者重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比，因而，可通過(guò)衍射強(qiáng)度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分?jǐn)?shù)或者重量分?jǐn)?shù)，從而

7、確定混合物中某相的含量。X射線衍射物相定量分析方法有：內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、絕熱法、增量法、無(wú)標(biāo)樣法、基體沖洗法和全譜擬合法等常規(guī)分析方法。1.2.3結(jié)晶度的測(cè)定結(jié)晶度定義為結(jié)晶部分重量與總的試樣重量之比的百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在非晶態(tài)合金應(yīng)用非常廣泛，如軟磁材料等，而結(jié)晶度直接影響材料的性能，因此結(jié)晶度的測(cè)定就顯得尤為重要了。測(cè)定結(jié)晶度的方法很多，但不論哪種方法都是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。1.2.4宏觀應(yīng)力的測(cè)定在材料部件宏觀尺度范圍內(nèi)存在的內(nèi)應(yīng)力分布在它的各個(gè)部分，相互間保持平衡，這種內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀應(yīng)力，宏觀應(yīng)力的存在使部件內(nèi)部的晶面間距發(fā)生改變，所以可以借助X射線衍射方法來(lái)測(cè)定材料部

8、件中的應(yīng)力。按照布拉格定律可知，在一定波長(zhǎng)輻射發(fā)生衍射的條件下，晶面間距的變化導(dǎo)致衍射角的變化，測(cè)定衍射角的變化即可算出宏觀應(yīng)變，因而可進(jìn)一步計(jì)算得到應(yīng)力大小?？傊?，X射線衍射測(cè)定應(yīng)力的原理是以測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是應(yīng)變，而應(yīng)力則是通過(guò)虎克定律由應(yīng)變計(jì)算得到。1.2.5晶粒大小的測(cè)定多晶體材料的晶粒尺寸是影響其物理、化學(xué)等性能的一個(gè)重要因素。用X射線衍射法測(cè)量小晶粒尺寸是基于衍射線剖面寬度隨晶粒尺寸減小而增寬這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這就是1918年謝樂(lè)(Scherrer)首先提出的小晶粒平均尺寸(D)與衍射線真實(shí)寬度之間有的數(shù)學(xué)關(guān)系(2)，該式也稱為謝樂(lè)公式，其中D為晶粒的平均

9、尺寸；K為接近1的常數(shù)；K為特征X射線衍射波長(zhǎng)；B為衍射線剖面的半高寬，即半峰寬，0為布拉格角。D=2KX/BcosO(2)1.3x射線衍射的發(fā)展趨勢(shì)X射線衍射在薄膜材料中的應(yīng)用人工低維材料的出現(xiàn)是20世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志，它所表現(xiàn)出的生命力不僅是因?yàn)樗粩嘟沂境錾羁痰奈锢韮?nèi)涵，而且更重要的是所發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)不斷地被用來(lái)開(kāi)發(fā)新的固態(tài)器件，對(duì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。薄膜就是一種典型的低維材料。薄膜的成分、厚度、應(yīng)力分布以及表面和界面狀態(tài)等都會(huì)直接影響材料和器件的性能，需要在原子尺度上對(duì)材料微結(jié)構(gòu)品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。除了上述六種X射線衍射的應(yīng)用適用于薄膜材料分析之外，X射線衍射還可以對(duì)薄膜材料作如

10、下分析：厚度是膜層的基本參數(shù)。厚度的測(cè)量和控制始終是氣相沉積薄膜研究和生產(chǎn)中的主要問(wèn)題之一。由于厚度會(huì)產(chǎn)生三種效應(yīng):衍射強(qiáng)度隨厚度而變，膜愈薄散射體積愈小；散射將顯示干涉條紋，條紋的周期與層厚度有關(guān)；衍射線隨著膜厚度降低而寬化，因此可從衍射強(qiáng)度、線形分析和干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的測(cè)定.用X射線儀測(cè)量單層膜的小角X衍射線，之后用公式(3)，便可以計(jì)算單層膜的厚度。在式(3)中，d表示膜厚，K表示X射線的波長(zhǎng)，H表示掠射角。d=X/2A0(3)由兩種材料交替沉積形成的納米多層膜具有成分周期性變化的調(diào)制結(jié)構(gòu)，入射X射線滿足布拉格條件時(shí)就可能像晶體材料一樣發(fā)生相干衍射。由于納米多層膜的成分調(diào)制周期遠(yuǎn)大

11、于晶體材料的晶面間距，其衍射峰產(chǎn)生于小角度區(qū)間。小角度X射線衍射被廣泛用來(lái)測(cè)量納米多層膜的周期數(shù)。因此，不論是薄膜厚度還是多層膜的周期數(shù)都可以通過(guò)X射線衍射測(cè)得。2由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)確定一個(gè)晶態(tài)材料晶體結(jié)構(gòu)最有力的手段是進(jìn)行單晶X射線衍射，通常要求單晶的粒徑在0.11mm之間,但是合乎單晶結(jié)構(gòu)分析用的單晶有時(shí)難以獲得，且所發(fā)現(xiàn)的新材料通常是先獲得多晶樣品，因此，僅僅依靠單晶衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)定顯然不能適應(yīng)新材料研究快速發(fā)展的狀況。為加速研究工作的進(jìn)展，以及對(duì)復(fù)合材料和納米材料等的結(jié)構(gòu)研究，都只能在多晶材料下進(jìn)行研究和測(cè)定其晶體結(jié)構(gòu)，因此，X射線粉末衍射法在表征物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，提供結(jié)構(gòu)信息

12、方面具有極其重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，利用粉末衍射數(shù)據(jù)測(cè)定未知結(jié)構(gòu)的方法獲得了很大的成功，這種方法的關(guān)鍵在于正確地對(duì)粉末衍射圖譜進(jìn)行分峰，確定相應(yīng)于每一個(gè)面指數(shù)(hkl)的衍射強(qiáng)度，再利用單晶結(jié)構(gòu)分析方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。從復(fù)雜的氧化物到金屬化合物都可利用此方法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定還有一些經(jīng)驗(yàn)方法，如同構(gòu)型法、傅里葉差值法和嘗試法等。對(duì)于較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，人工嘗試往往受到主觀因素和計(jì)算量大的限制，存在著可行的模型被忽略的可能性。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料相關(guān)系、晶體結(jié)構(gòu)研究和新材料探索中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中計(jì)算機(jī)模擬法是對(duì)待測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)，先給定一個(gè)隨機(jī)的模型，根據(jù)設(shè)定的某一判據(jù)，指導(dǎo)計(jì)

13、算機(jī)沿正確的方向?qū)ふ医Y(jié)構(gòu)中的原子位置，以獲得初略結(jié)構(gòu)，繼而可采用差值傅里葉合成和立特沃爾德法修正結(jié)構(gòu)。以衍射強(qiáng)度剩差最小為判據(jù)的蒙特-卡洛(Monte-Carlo)法、以體系能量最低為判據(jù)的能量最小法以及模擬退火法和分子動(dòng)力學(xué)模擬法等都屬于粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的計(jì)算機(jī)模擬法。材料的電子顯微衍射分析方法2.1材料的電子顯微衍射的理論分析1掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscopy，簡(jiǎn)稱SEM)掃描電子顯微鏡是較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過(guò)電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二

14、次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個(gè)像是在樣品被掃描時(shí)按時(shí)序建立起來(lái)的，即使用逐點(diǎn)成像的方法獲得放大像。掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信

15、息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。2.1.2透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope簡(jiǎn)稱TEM）透射電子顯微鏡是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.10.2nm，放大倍數(shù)為幾萬(wàn)百萬(wàn)倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)、光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微

16、結(jié)構(gòu)”。是由電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過(guò)聚光鏡將之會(huì)聚成一束尖細(xì)明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上。透過(guò)樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致密處透過(guò)的電子量少，稀疏處透過(guò)的電子量多。經(jīng)過(guò)物鏡的會(huì)聚調(diào)焦和初級(jí)放大后，電子束進(jìn)入下級(jí)的中間透鏡和第1、第2投影鏡進(jìn)行綜合放大成像。最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上。熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光影像以供使用者觀察。2.2材料的電子顯微衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀SEM的應(yīng)用現(xiàn)狀生物：種子、花粉、細(xì)菌醫(yī)學(xué)：血球、病毒動(dòng)物：大腸、絨毛、細(xì)胞、纖維材料：陶瓷、高分子、粉末、環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)、物理、地質(zhì)、冶金

17、、礦物、污泥（桿菌）、機(jī)械、電機(jī)及導(dǎo)電性樣品，如半導(dǎo)體（IC、線寬量測(cè)、斷面、結(jié)構(gòu)觀察）電子材料等。TEM的應(yīng)用現(xiàn)狀透射電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)上應(yīng)用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會(huì)影響到最后的成像質(zhì)量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50lOOnm。所以用透射電子顯微鏡觀察時(shí)的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對(duì)于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過(guò)的銅網(wǎng)上進(jìn)行觀察。3材料的電子顯微衍射的發(fā)展趨勢(shì)231SEM的發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)艾瑞咨詢最新發(fā)布的2007-2008年中國(guó)搜索引擎行業(yè)發(fā)展報(bào)告顯2007年中國(guó)搜索引擎市場(chǎng)

18、規(guī)模達(dá)29.0億人民幣，相比2006年同比增長(zhǎng)108.3%預(yù)計(jì)2011年中國(guó)搜索引擎市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)日本。2008年2月adSage（中國(guó)）公司與百度合作，推出百度競(jìng)價(jià)排名廣告系統(tǒng)管理工具adSageforBaidu，成為基于百度API的第一款搜索引擎營(yíng)銷工具，中國(guó)搜索引擎營(yíng)銷市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。TEM的發(fā)展趨勢(shì)隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)透射電子的使用要求越來(lái)越高了，透射電鏡也在不斷發(fā)展。人們預(yù)測(cè)，當(dāng)材料的尺度減少到納米度時(shí)，其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)具有獨(dú)特性。因此，納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備，以及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究成為人們十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。由于電子顯微鏡的分

19、析精度逼近原子尺度，所以利用場(chǎng)發(fā)射槍球差校正透射電鏡，用直徑為0.13mm的電子束，不僅可以采集到單個(gè)原子的Z-襯度像，而且還可以采集到單個(gè)原子的電子能量損失譜。即電子顯微鏡可以在原子尺度上可同時(shí)獲得材料的原子和電子結(jié)構(gòu)信息。利用球差校正電子顯微鏡還可以對(duì)缺陷進(jìn)行成像，對(duì)人們重新認(rèn)識(shí)缺陷對(duì)性能的影響提供幫助。通過(guò)樣品臺(tái)的設(shè)計(jì)，可以在透射電鏡下對(duì)材料進(jìn)行加熱，通電和外加應(yīng)力等，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料在實(shí)際服役條件下的行為觀察，從而為人們?cè)O(shè)計(jì)材料、改良材料提高更加直接的證據(jù)。通過(guò)對(duì)透射電鏡的真空進(jìn)行改進(jìn)對(duì)樣品通氣，觀察材料與氣體分子的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原子尺度觀察，也可實(shí)現(xiàn)固體材料與液體反應(yīng)過(guò)程的觀察?？傊?/p>

20、，透射電子顯微鏡的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電子能譜在材料分析方法3.1電子能譜的基本原理311俄歇電子能譜的基本原理俄歇電子能譜學(xué)是科學(xué)、物理、化學(xué)、技術(shù)和許多其它領(lǐng)域進(jìn)行表面分析的最有效、最實(shí)用的技術(shù)。該技術(shù)為表面物理和化學(xué)定量化分析奠定了基礎(chǔ)。本文介紹了俄歇電子能譜學(xué)的創(chuàng)始人、美國(guó)科學(xué)家勞倫斯哈里斯在表面物理方面所做的貢獻(xiàn)；簡(jiǎn)述了俄歇電子能譜學(xué)的歷史、發(fā)展現(xiàn)狀以及高性能俄歇電子能譜儀的研究成果；提出目前正在研究的課題和有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題；討論了用俄歇電子能譜儀以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析儀獲得的表面分析參數(shù)，包括靈敏度、側(cè)向和深度分辨率及取樣深度等。X射線光電子能譜(XPS)的基本原理X

21、PS是測(cè)量電子能量的譜學(xué)技術(shù)。我們知道，原子是由原子核及繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。電子在一定的軌道上運(yùn)動(dòng)，并具有確定的能量.當(dāng)一束有足夠能量(hv)的X射線照射到某一固體樣品(M)上時(shí)，便可激發(fā)出某原子或分子中某個(gè)軌道上的電子，使原子或分子電離，激發(fā)出的電子獲得了一定的動(dòng)能，留下一個(gè)離子。這一X射線的激發(fā)過(guò)程可表示如下：M+hvfM+ee被稱為光電子。若這個(gè)電子的能量高于真空能級(jí)，就可以克服表面位壘，逸出體外而成為自由電子。圖1(a)給出了這一過(guò)程的示意圖。光電子發(fā)射過(guò)程的能量守恒方程為Ek=hv-EB，式Ek為某一光電子的動(dòng)能，EB為結(jié)合能。這就是著名的愛(ài)因斯坦光電發(fā)射方程。它是光電子能譜分析的基

22、礎(chǔ)在實(shí)際分析中，采用費(fèi)米能級(jí)（）作為基準(zhǔn)（即結(jié)合能為零），測(cè)得了樣品的結(jié)合能（BE）值，就可判斷出被測(cè)元素由于被測(cè)元素的BE變化與其周圍的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，根據(jù)這一變化，可推測(cè)出該元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)和價(jià)態(tài)。圖1（狛X射線引發(fā)的芯能級(jí)電離：（h）俄歇電子產(chǎn)生過(guò)程在X射線引發(fā)的芯能級(jí)電離過(guò)程中，還涉及到俄歇（Auger）電子的發(fā)射，如圖1（b）所示。樣品由于X射線的入射而產(chǎn)生電離，在電離的過(guò)程中，某殼層形成空穴，當(dāng)鄰近軌道的電子填充這個(gè)空穴時(shí)，多余的能量又將某軌道上的另一個(gè)電子擊出，這就是俄歇電子。這一電子是Auger在1925年的X射線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的?？梢?jiàn)，俄歇電子涉及到3個(gè)能級(jí)，其動(dòng)能取決于元素的種

23、類。圖1（b）中表示的是電離過(guò)程中在K殼層形成空穴，L殼層的電子向空位躍遷時(shí)，釋放的能量將鄰近軌道的另一個(gè)電子擊出，此過(guò)程即KL1L23俄歇電子的發(fā)射過(guò)程，可簡(jiǎn)寫(xiě)為KLL，依此類子能譜中，俄歇電子可用作元素鑒定，且迅速準(zhǔn)確。3.2材料的電子顯微衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀3.2.1俄歇電子能譜的應(yīng)用現(xiàn)狀材料微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性往往對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生重大影響，例如雜質(zhì)或(和)合金元素向界面(如自由表面、晶界等)狹窄區(qū)域偏聚，使韌性材料變脆或造成金屬腐蝕。由于偏聚的范圍一般只有幾個(gè)原子層，所以電子探針、自射照相、化學(xué)浸蝕等技術(shù)均不能檢測(cè)。近十年來(lái)，俄歇電子能譜分析(AES)已經(jīng)發(fā)展成為研究材料表面性質(zhì)的有力工具之一，

24、其主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以測(cè)定深度僅為23個(gè)原子層的表層化學(xué)成份；(2)能檢測(cè)除氫和氦以外的所有元素；(3)當(dāng)與惰性氣體離子濺蝕組合使用時(shí)，點(diǎn)俄歇分析能測(cè)定元素距離界面的深度分布，掃描俄歇探針還可測(cè)定元素的二維及三維分布。X射線光電子能譜的應(yīng)用現(xiàn)狀射線光能譜技術(shù)的應(yīng)用分定性分析和定量分析。因?yàn)橛绊懚糠治龅囊蛩剌^多，目前要做得很準(zhǔn)確還有很大困難。所以這里重點(diǎn)介紹定性分析方面的應(yīng)用。定性分析的主要工作是鑒定元素及它所處的化學(xué)狀態(tài)。在分析時(shí)，肴對(duì)樣品情況不甚了解或希望了解全面情況，一般是先作一個(gè)能量在01OOOeV范圍內(nèi)的全面掃描，然后再具體分析某種元素。對(duì)有些樣品希望了解元素沿深度分布的信息，可甩

25、離子槍作濺射剝離后再進(jìn)行定性分析。3.3材料的電子顯微衍射的發(fā)展趨勢(shì)331俄歇電子能譜的發(fā)展趨勢(shì)雖然近幾年來(lái)俄歇電子能譜學(xué)領(lǐng)域的研究和儀器的研制取得了巨大的成就，但仍然存在著大量的有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題：俄歇電子能譜儀的關(guān)鍵間題是確定表面的實(shí)際成份。對(duì)于低能俄歇峰值，例如選擇戮射偏析，則大于1個(gè)單層。目前已有人設(shè)計(jì)同時(shí)使用電子發(fā)射器定位系統(tǒng)和電子程序評(píng)價(jià)系統(tǒng)這兩種輔助方法，試嘗解決這個(gè)間題。另一個(gè)主要間題是表面糙性以及如何評(píng)價(jià)糙性影響的問(wèn)題。有人提出用鐵研磨這種新方法解決這個(gè)間題目前還未見(jiàn)這方面的結(jié)果報(bào)道。X射線光電子能譜的發(fā)展趨勢(shì)隨著電子能譜儀器制造技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)分析技術(shù)的需求，近年來(lái)迅速發(fā)

26、西安石油大學(xué)材料近代分析測(cè)試方法論文西安石油大學(xué)材料近代分析測(cè)試方法論文 展起來(lái)的高靈敏度單色化XPS（簡(jiǎn)稱MonoXPS）,小面積XPS或小束斑XPS（簡(jiǎn)稱SAXPS，也稱為SelectedAreaXPS即選區(qū)XPS）和成像XPS（iXPS）倍受關(guān)注。這些新分析功能在制造水平、性能和功能上都是一般常規(guī)XPS譜儀無(wú)法相比的，是常規(guī)XPS分析的拓展。單色SAXPS（MonoSAXPS）可提供高能量分辨率、高信背比、選定分析微區(qū)（目前可達(dá)到約15“n）內(nèi)XPS信號(hào)。iXPS提供指定分析區(qū)域內(nèi)元素及其化學(xué)態(tài)分布的信息圖像（即化學(xué)像，Mapping）。雖然這些微分析功能目前在空間分辨率僅達(dá)到微米量級(jí)，

27、遠(yuǎn)不及顯微AES的分辨率，但由于XPS分析的突出的優(yōu)點(diǎn)以及性能的不斷改善，這些功能已廣泛應(yīng)用于材料、薄膜、催化劑、微電子等領(lǐng)域的微分析中，擴(kuò)充了XPS應(yīng)用。這3個(gè)新功能被認(rèn)為是X光電子能譜儀未來(lái)的發(fā)展方向。光譜衍射分析的分析方法41光譜衍射的基本原理411紅外光譜衍射的基本原理利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，分子振動(dòng)是指分子中各原子在平衡位置附近作相

28、對(duì)運(yùn)動(dòng)，多原子分子可組成多種振動(dòng)圖形。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)方式稱簡(jiǎn)正振動(dòng)（例如伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng)）。分子振動(dòng)的能量與紅外射線的光量子能量正好對(duì)應(yīng)，因此當(dāng)分子的振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動(dòng)而產(chǎn)生紅外吸收光譜。分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能量不是連續(xù)而是量子化的。但由于在分子的振動(dòng)躍遷過(guò)程中也常常伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，使振動(dòng)光譜呈帶狀。所以分子的紅外光譜屬帶狀光譜。分子越大，紅外譜帶也越多。4.1.2拉曼光譜的基本原理拉曼散射是光照射到物質(zhì)上發(fā)生的非彈性散射所產(chǎn)生的。單色光束的入射光光子與分子相互作用時(shí)可發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞

29、，在彈性碰撞過(guò)程中，光子與分子間沒(méi)有能量交換，光子只改變運(yùn)動(dòng)方向而不改變頻率，這種散射過(guò)程稱為瑞利散射。而在非彈性碰撞過(guò)程中，光子與分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅僅改變運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)光子的一部分能量傳遞給分子，或者分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這種散射過(guò)程稱為拉曼散射。拉曼散射分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的是斯托克斯散射，拉曼散射光和瑞利光的頻率之差值稱為拉曼位移。拉曼位移就是分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，它與入射線頻率無(wú)關(guān)，而與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。每一種物質(zhì)有自己的特征拉曼光譜，拉曼譜線的數(shù)目、位移值的大小和譜帶的強(qiáng)度等都與物質(zhì)分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。4.2

30、光譜衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀4.2.1紅外光譜衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀化合物或基團(tuán)的驗(yàn)證和確認(rèn)利用紅外光譜對(duì)某一化合物或基團(tuán)的驗(yàn)證和確認(rèn)是一種簡(jiǎn)便、快捷的方法，只要選擇合適的制備樣品方法，測(cè)其紅外光譜圖，然后與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的紅外光譜或紅外標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照，即可以確認(rèn)或否定。要注意的是，樣品及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的物態(tài)、結(jié)晶態(tài)和溶劑的一致性，以及注意到一些其它因素，如有雜峰的出現(xiàn)，應(yīng)考慮到是否有水份、co2等的影響等。未知化合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定定量分析吸收度的測(cè)量由紅外光譜中的測(cè)量峰測(cè)出入射光強(qiáng)度I0及透射光強(qiáng)度It，求出吸收度Az=-igz=-igi=igi其它方面的應(yīng)用催化方面的研究一催化劑的表面結(jié)構(gòu)及化學(xué)吸附，催化機(jī)理，催化反應(yīng)中間絡(luò)

31、合物的觀察等的研究；高聚物方面的研究一高聚物的聚合度及立體構(gòu)型，解剖高聚物中的助聚劑、添加劑等的研究；配合物方面的研究一配合物中配位體與中心離子之間的相互作用，配位鍵的性質(zhì)等的研究；光譜電化學(xué)方面的研究一利用紅外反射光譜，對(duì)電極表面的吸附作用或催化作用進(jìn)行分子水平上的研究。4.2.2拉曼光譜衍射的應(yīng)用現(xiàn)狀1拉曼光譜在考古研究中應(yīng)用對(duì)古代青銅器的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析研究，有利于我們認(rèn)識(shí)古代各國(guó)的合金技術(shù)及處理工藝，研究其腐蝕機(jī)理，從而探討古青銅器的保護(hù)方案。與傳統(tǒng)的鑒別方法如電鏡、X光衍射等分析方法相比較，拉曼光譜被證實(shí)是對(duì)金屬器物做無(wú)損檢測(cè)的一種非常有效的方法。拉曼光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用。癌癥

32、是人類健康最大敵人，幾乎人體的所有器官都能發(fā)生癌癥，全球每年約有萬(wàn)人被癌癥奪去生命。因此，早期診斷對(duì)于提高病人的生存幾率顯得尤為重要。拉曼光譜可以在分子水平上揭示癌細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)與正常細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)之間的差異，通過(guò)一定數(shù)量癌變的和正常的器官組織的拉曼光譜的對(duì)比研究，從二者差異應(yīng)能找出反映改變的特征標(biāo)志光譜。拉曼光譜可以對(duì)生物材料樣品進(jìn)行測(cè)定而不會(huì)改變樣品的性狀，為此應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)動(dòng)物組織和細(xì)胞進(jìn)行研究可用于醫(yī)學(xué)診斷為癌癥診斷和機(jī)理分析提供重要的信息和數(shù)據(jù)。這對(duì)于癌癥的診斷具有重要的臨床意義。拉曼光譜技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用。林木種子的優(yōu)劣是造林的關(guān)鍵，選用良種是培育壯苗和林木速生、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要措施。在選種時(shí)，先從遺傳品質(zhì)優(yōu)良的采種母樹(shù)上采集種子，將種子拋光，能夠看到胚、胚乳、白色的糊粉層，在拉曼光譜儀下對(duì)種子胚中蛋白質(zhì)的含量、胚乳中脂類的含量以及碳水化合物的含量與分布進(jìn)行測(cè)定，分析其發(fā)芽能力、判斷其質(zhì)量?jī)?yōu)劣，評(píng)定其利用價(jià)值，使育苗和播種的風(fēng)險(xiǎn)減少到最低程度。拉曼光譜技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用。4.3光譜衍射的發(fā)展趨勢(shì)431紅外光譜衍射的發(fā)展趨勢(shì)紅外光譜法廣泛用于有機(jī)化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析。近紅外光（nearinfrared,NIR）