材料測(cè)試技術(shù)精品課件

1、材料測(cè)試技術(shù)第1頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四材料分析的重要性材料的元素組成材料的物相雜質(zhì)控制和摻雜材料的化學(xué)價(jià)態(tài)材料的結(jié)構(gòu)下課第2頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四材料分析的內(nèi)容材料的元素成份分析材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析材料的物相結(jié)構(gòu)分析材料的表觀形貌分析材料的鍵合分析材料的表面與界面分析 材料的熱分析材料的力學(xué)性能分析下課第3頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四本課程的主要內(nèi)容元素成份分析（AAS，AES，XRF，EDX）化學(xué)價(jià)鍵分析（IR，LRS）結(jié)構(gòu)分析（XRD，ED）形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM）表面與界面分析

2、（XPS，AES，SIMS）下課第4頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四元素成份分析簡介元素成份分析技術(shù)原子吸收光譜原子發(fā)射光譜ICP，ICP-MS分析X射線熒光光譜電子顯微探針分析電鏡的X射線能譜分析XPS，AES，SIMS等下課第5頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收光譜Atomic Absorbtion Spectroscopy, AAS 基礎(chǔ)知識(shí)樣品制備 分析方法 應(yīng)用案例 下課第6頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收光譜基礎(chǔ)知識(shí)1802 發(fā)現(xiàn)光譜吸收現(xiàn)象1955年Walsh發(fā)表了一篇論文“Applicatio

3、n of atomic absorption spectrometry to analytical chemistry”,解決了原子吸收光譜的光源問題。50年代末 PE 和 Varian公司推出了原子吸收商品儀器。檢測(cè)極限很低 ，ng/cm3，10101014g測(cè)量準(zhǔn)確度很高 ，1% （3-5% ） 選擇性好，不需要進(jìn)行分離檢測(cè) 分析元素范圍廣 ，70多種 難熔性元素，稀土元素和非金屬元素 不能同時(shí)進(jìn)行多元素分析下課第7頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收光譜樣品制備樣品制備的原則（取樣的代表性，樣品量適度）環(huán)境污染的影響試劑，溶劑，灰塵，容器樣品的損失問題吸附，沉

4、淀等，消化完全標(biāo)準(zhǔn)溶液配置（純度，時(shí)效性）下課第8頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收樣品的制備無機(jī)樣品的制備消樣，配置有機(jī)，生物樣品的制備灰化或消樣，配置溶液高分子樣品的制備溶劑溶解方式干式灰化，濕式消化下課第9頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收 分析方法實(shí)驗(yàn)條件的選擇 分析線，狹縫寬度，燈電流，火焰原子化，石墨爐原子化標(biāo)準(zhǔn)曲線法，標(biāo)準(zhǔn)加入法干擾的消除物理干擾，化學(xué)干擾，電離干擾，光譜干擾下課第10頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子吸收分析 案例分析單晶硅表面金屬污染分析芯片基材，1012g/cm2Na，Mg

5、，Ca，F(xiàn)e，Ni,Cu，Zn,Mn，Ti，SiHF-H2O2富集元素ICP-MS，ASS測(cè)定高溫鎳基合金中Se和Sn測(cè)定 航天耐高溫材料，雜質(zhì)元素硝酸HF微波消解，氫化物發(fā)生火焰法標(biāo)準(zhǔn)曲線法，Se：8.6微克/g，Sn:32微克/g下課第11頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四廢水中鉛的譜圖下課第12頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四原子發(fā)射光譜分析基礎(chǔ)知識(shí) 1930年，1960 ICP，90年代 ICP-MS優(yōu)點(diǎn) ：不經(jīng)分離同時(shí)檢測(cè)多種元素 ；分析速度快；選擇性好 很高的靈敏度和很低的檢測(cè)限 ，ng量級(jí)很高的準(zhǔn)確度，5-10% ；ICP：1%線形范

6、圍寬 非金屬元素 難以檢測(cè) 下課第13頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四2、原子發(fā)射光譜(1) 早期的原子發(fā)射光譜儀攝譜儀（AES）光源單色器檢測(cè)器Au Pb下課第14頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四自吸和自蝕無自吸有自吸自蝕嚴(yán)重自蝕下課第15頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四影響I的主要因素1）激發(fā)電位: E I 2）躍遷幾率A: 一般在10-8-10-9s-1，A 1/3）統(tǒng)計(jì)權(quán)重g: Ig4）光源溫度: T I 再高時(shí)，電離增加，原子線I 離子線I 5）原子密度：D I 下課第16頁，共48頁，2022年，5月20日，4

7、點(diǎn)18分，星期四發(fā)射光譜樣品制備固體金屬和合金 金屬絲箔狀樣品 導(dǎo)電的粉體試樣 非導(dǎo)體樣品 生物樣品 （高溫灰化，溶液消化）環(huán)境污染的影響液體樣品防滲透下課第17頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四發(fā)射光譜分析方法定性分析與鐵譜比較法 ；標(biāo)準(zhǔn)試樣比較法 定量分析內(nèi)標(biāo)法 標(biāo)準(zhǔn)加入法 ICP：工作曲線法下課第18頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四內(nèi)標(biāo)元素的選擇1）內(nèi)標(biāo)元素與待測(cè)元素蒸發(fā)性質(zhì)相近，以保證蒸發(fā)速度比不變；2）兩元素的電離能相近，是不因溫度變化而影響原子/離子濃度比；3）最好同族，而使Z1/Z2不受影響；4）內(nèi)標(biāo)元素在樣品中不存在或極少存在；5）

8、加入的內(nèi)標(biāo)元素的試劑或化合物有高純度，無待測(cè)元素。下課第19頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四玻璃成份分析1E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+8BNaSCaTiCrFeNiCuZnRhAgHfPbElemental Fingerprints of 2 Different Glass SamplesMgKMnCoZrCdWC下課第20頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電感耦合等離子體質(zhì)譜 （ICP-MS）ICP-MS儀器外形圖下課第21頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四ICP-MS與其它原子光譜相比的特點(diǎn)

9、Detection PowerICPMSICP-OESFAASpeedGFAA檢出限低（多數(shù)元素檢出限為ppb-ppt級(jí)）線性范圍寬（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)行同位素分析下課第22頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四在43% 磷酸中各元素的檢出限下課第23頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四巖礦超痕量鑭系和錒系元素的分析下課第24頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四X射線熒光光譜分析基礎(chǔ)知識(shí) 1923年建立X射線熒光分析方法； 1950 X射線熒光分析譜儀1980

10、 全反射X射線熒光譜儀 應(yīng)用：固體材料（礦物，陶瓷，建材，環(huán)境，金屬材料，薄膜，鍍層分析）下課第25頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF樣品的制備液體樣品，固體樣品易揮發(fā)性物質(zhì)，腐蝕性溶劑 樣品化學(xué)組成的不同 共存元素的干擾 晶型，粒度，密度以及表面光潔度 研磨到300目 ，壓片溶解成溶液或用濾紙吸收 下課第26頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF分析方法定性分析根據(jù)Moseley定律 查閱波長的方法進(jìn)行元素的標(biāo)定 查閱X射線的能量的方法確定元素成份 計(jì)算機(jī)上自動(dòng)識(shí)別 人工識(shí)譜主要是解決一些干擾譜線 下課第27頁，共48頁，2022年，5月2

11、0日，4點(diǎn)18分，星期四XRF定量分析X射線熒光光譜的強(qiáng)度與元素的含量成正比 基體效應(yīng)（物理化學(xué)狀態(tài)不同）粒度效應(yīng)（對(duì)X射線的吸收）譜線干擾 下課第28頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF分析方法校準(zhǔn)曲線法 內(nèi)標(biāo)法 標(biāo)準(zhǔn)加入法 稀釋法 無標(biāo)樣基本參數(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算法 下課第29頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF薄膜厚度分析對(duì)金屬材料檢測(cè)深度為幾十微米 對(duì)高聚物可達(dá)3mm 薄膜元素的熒光X射線強(qiáng)度隨鍍層厚度的增加而增強(qiáng)；而基底元素的熒光X射線的強(qiáng)度則隨鍍層厚度的增加而減弱 幾個(gè)納米到幾十微米 微電子，電鍍，鍍膜鋼板以及涂料等材料 的薄膜層研究下課第

12、30頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四薄膜厚度分析第31頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF元素分布圖X射線的限束功能 ，輻照束斑直徑減小到1mm 對(duì)任何指定區(qū)域進(jìn)行小面積逐點(diǎn)進(jìn)行元素測(cè)定 形成X射線熒光光譜的元素分布圖 下課第32頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四實(shí)例下課第33頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF全反射XRF分析表面靈敏性，可以檢測(cè)表面幾個(gè)原子層厚度檢測(cè)靈敏性，可以檢測(cè)到108原子/cm2定量分析效果好可以進(jìn)行表面掃描微電子芯片材料的表面金屬污染的檢測(cè)下課第34頁，共48頁，202

13、2年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF元素分析的特性本低強(qiáng)度低，分析靈敏度高，其檢測(cè)限達(dá)到105109g/g（或g/cm3）； 適合于固體和液體材料的分析 信號(hào)測(cè)量的重現(xiàn)性好，具有較高的定量分析準(zhǔn)確性 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。 可以有效地測(cè)定薄膜的厚度和組成 下課第35頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四XRF的應(yīng)用礦物成份分析環(huán)境分析陶瓷材料分析催化劑成份分析薄膜厚度測(cè)定下課第36頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析材料微區(qū)化學(xué)成份分析的重要手段 利用樣品受電子束轟擊時(shí)發(fā)出的X射線的波長和強(qiáng)度，來分析微

14、區(qū)（1-30m3）中的化學(xué)組成 下課第37頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析微區(qū)分析能力，1微米量級(jí) 分析準(zhǔn)確度高 ，優(yōu)于2%分析靈敏度高，達(dá)到1015g ，100PPM1%樣品的無損性 多元素同時(shí)檢測(cè)性 可以進(jìn)行選區(qū)分析 電子探針分析對(duì)輕元素很不利 第38頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析原理 當(dāng)高能電子轟擊固體樣品時(shí)，可以把原子中的內(nèi)層激發(fā)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)離子，在退激發(fā)過程中，可以促進(jìn)次外層電子的填充，并伴隨能量的釋放。以X射線形式釋放稱為熒光X射線，也可以激發(fā)次外層的電子發(fā)射，稱為俄歇發(fā)射。俄歇效應(yīng)和熒光效應(yīng)是互補(bǔ)的，俄歇產(chǎn)率

15、與熒光產(chǎn)率之和為1。對(duì)于輕元素，其俄歇效應(yīng)的幾率較大，對(duì)于重元素X射線熒光發(fā)射的幾率較大。 下課第39頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針儀器裝置 電子光學(xué)系統(tǒng)（電子槍和聚焦透鏡）樣品室（超高真空）電子圖像系統(tǒng)（掃描圖像）檢測(cè)系統(tǒng)（X射線能量分析）數(shù)據(jù)記錄和分析系統(tǒng) 下課第40頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針樣品僅限于固體材料 不應(yīng)該放出氣體 ，能保證真空度需要樣品有良好的接地 可以蒸鍍Al和碳，厚度在2040nm 作為導(dǎo)電層下課第41頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析定性分析 理論依據(jù)是Mosele

16、y定律和Bragg定律 計(jì)算機(jī)自動(dòng)標(biāo)識(shí) 人工標(biāo)識(shí)主要針對(duì)干擾線 譜線干擾，化學(xué)環(huán)境影響等下課第42頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析定量分析依據(jù)熒光X射線強(qiáng)度與元素濃度的線性關(guān)系，可以對(duì)電子探針進(jìn)行定量分析。 一般采用標(biāo)準(zhǔn)純物質(zhì)作為基準(zhǔn)樣品，獲得其強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)可計(jì)算出所測(cè)元素的濃度。 可以利用靈敏度因子的方法進(jìn)行計(jì)算 需要進(jìn)行熒光修正和吸收修正 下課第43頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針成份分布和線掃描分析薄膜分析成份分析 （不需要進(jìn)行熒光修正和吸收修正 ） 厚度分析對(duì)于有基底的薄膜樣品 ，通過對(duì)薄膜元素以及基底元素信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算，不僅可以獲得薄膜的成份，還可以獲得薄膜的厚度第44頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四電子探針分析的應(yīng)用材料局部區(qū)域的成份分析摩擦材料的元素分布陶瓷材料的偏析顆粒催化劑的成份分布下課第45頁，共48頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四其它元素分析方法高頻等離子體質(zhì)譜（ICP-MS） 方法主要是利用ICP把待測(cè)元素進(jìn)行電離形成離子，然后通過質(zhì)譜對(duì)離子的質(zhì)荷進(jìn)行測(cè)定。不僅可以很容易鑒別元素成份，也可以獲得很