材料表征技術(shù)

材料表征技術(shù)第1頁(yè)/共58頁(yè)寶石學(xué)鑒定與研究：

解決傳統(tǒng)的珠寶檢測(cè)儀所無(wú)法解決的疑難問(wèn)題近二十年來(lái)寶石學(xué)上的重要進(jìn)展幾乎都體現(xiàn)在先進(jìn)技術(shù)手段的使用上。如何快速、無(wú)損、準(zhǔn)確地鑒定寶石將是未來(lái)寶石學(xué)家面臨的重要研究課題。第2頁(yè)/共57頁(yè)第2頁(yè)/共58頁(yè)本專業(yè)所使用的主要大型儀器X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法第3頁(yè)/共57頁(yè)第3頁(yè)/共58頁(yè)材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識(shí)。材料成分與結(jié)構(gòu)、合成與生產(chǎn)過(guò)程、性質(zhì)及使用效能稱之為材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素。第4頁(yè)/共57頁(yè)第4頁(yè)/共58頁(yè)成分和結(jié)構(gòu)從根本上決定了材料的性能?？偟膩?lái)說(shuō)一種材料或一種物質(zhì)其性能取決于它本身的兩個(gè)屬性。一個(gè)是它的化學(xué)成分，另一個(gè)是它內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。第5頁(yè)/共57頁(yè)第5頁(yè)/共58頁(yè)第6頁(yè)/共57頁(yè)第6頁(yè)/共58頁(yè)對(duì)材料的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確表征是材料研究的基本要求，也是實(shí)現(xiàn)性能控制的前提。

材料現(xiàn)代分析方法是一門關(guān)于材料成分及結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法性的課程。第7頁(yè)/共57頁(yè)第7頁(yè)/共58頁(yè)8材料信號(hào)輸入信號(hào)輸出材料與輸入信號(hào)相互作用，產(chǎn)生輸出信號(hào)。比較輸入和輸出信號(hào)，獲取材料的相關(guān)信息。1、輸入什么信號(hào)；2、獲取什么信號(hào)；3、輸入信號(hào)與材料的相互作用，以及輸出信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。材料分析方法的理論依據(jù)（重點(diǎn)）第8頁(yè)/共57頁(yè)第8頁(yè)/共58頁(yè)9信號(hào)輸入信號(hào)輸出X-射線、光子、電子、離子束、中子材料掌握和靈活運(yùn)用常見(jiàn)的表征手段。X-射線、光子、電子、離子束、中子第9頁(yè)/共57頁(yè)第9頁(yè)/共58頁(yè)第10頁(yè)/共57頁(yè)第10頁(yè)/共58頁(yè)第11頁(yè)/共57頁(yè)第11頁(yè)/共58頁(yè)組織形貌分析物相分析成份和價(jià)健分析分子結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)代材料分析的主要內(nèi)容第12頁(yè)/共57頁(yè)第12頁(yè)/共58頁(yè)1.組織形貌分析微觀結(jié)構(gòu)的分析對(duì)于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要光學(xué)顯微鏡(OM)電子顯微鏡(SEM)掃描探針顯微鏡(SPM)第13頁(yè)/共57頁(yè)第13頁(yè)/共58頁(yè)第14頁(yè)/共57頁(yè)第14頁(yè)/共58頁(yè)2.物相分析是指利用衍射的方法探測(cè)晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。

X-射線衍射(XRD)

電子衍射(ED)

中子衍射(ND)利用電磁波或運(yùn)動(dòng)電子束、中子束，與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得攜帶材料內(nèi)部原子排列信息的衍射斑點(diǎn)，重組處物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第15頁(yè)/共57頁(yè)第15頁(yè)/共58頁(yè)第16頁(yè)/共57頁(yè)第16頁(yè)/共58頁(yè)

大部分手段都是基于核外電子的能級(jí)分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷，在此過(guò)程中產(chǎn)生元素的特征信息。3.成分和價(jià)鍵分析

按照出射信號(hào)的不同，成分分析手段可以分為兩類：X光譜和電子能譜，出射信號(hào)分別是X射線和電子。

X射線熒光光譜(XFS)，電子探針X射線顯微分析(EPMA)X射線光電子能譜(XPS)，俄歇電子能譜(AES)第17頁(yè)/共57頁(yè)第17頁(yè)/共58頁(yè)4.分子結(jié)構(gòu)分析利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分子結(jié)構(gòu)信息。如：紅外(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時(shí)的發(fā)射效應(yīng)；核磁共振(NMR)是利用原子核與電磁波的作用獲得分子結(jié)構(gòu)信息。第18頁(yè)/共57頁(yè)第18頁(yè)/共58頁(yè)

X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法主要的材料分析技術(shù)第19頁(yè)/共57頁(yè)第19頁(yè)/共58頁(yè)掌握所介紹儀器的基本概念和原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、性能、實(shí)驗(yàn)操作的方法，并了解和基本掌握它們?cè)诓牧衔⒂^組織結(jié)構(gòu)和成分分析中的應(yīng)用。了解現(xiàn)代分析技術(shù)領(lǐng)域里的新技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)。掌握各種現(xiàn)代分析技術(shù)手段在寶石學(xué)中的應(yīng)用。第20頁(yè)/共57頁(yè)第20頁(yè)/共58頁(yè)X－射線的發(fā)現(xiàn)：

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，也叫倫琴射線。因此，1901年成為世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。第21頁(yè)/共57頁(yè)第21頁(yè)/共58頁(yè)底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者？FrauR?ntgen'shand第22頁(yè)/共57頁(yè)第22頁(yè)/共58頁(yè)第23頁(yè)/共57頁(yè)第23頁(yè)/共58頁(yè)用初級(jí)X射線照射樣品，試樣激發(fā)出了不同波長(zhǎng)的熒光X射線。對(duì)熒光X射線的分析檢測(cè)有兩種方式：一是將他們按波長(zhǎng)分開(kāi)，通過(guò)檢測(cè)不同波長(zhǎng)的X射線強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行定性、定量分析，采用波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀；另一類是將熒光X射線按電子能量分開(kāi)，測(cè)量光子能量來(lái)進(jìn)行定量定性分析，則采用能量色散型X熒光光譜儀。X射線熒光光譜儀第24頁(yè)/共57頁(yè)第24頁(yè)/共58頁(yè)WDX1000波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀第25頁(yè)/共57頁(yè)第25頁(yè)/共58頁(yè)能量色散X射線熒光光譜儀第26頁(yè)/共57頁(yè)第26頁(yè)/共58頁(yè)在寶石研究中的應(yīng)用X射線熒光光譜儀適用于各種寶石的無(wú)損測(cè)試。具有分析的元素范圍廣；譜線簡(jiǎn)單，相互干擾少，分析方法簡(jiǎn)單；分析濃度范圍較廣，從常量到微量；分析快速、準(zhǔn)確、無(wú)損。

近年來(lái)受到世界各大寶石研究所和寶石檢測(cè)機(jī)構(gòu)重視并加以應(yīng)用。第27頁(yè)/共57頁(yè)第27頁(yè)/共58頁(yè)眼睛是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的第一架“光學(xué)儀器”。但它能力有限，若兩個(gè)細(xì)小物體間的距離小于0.1mm時(shí)，眼睛就無(wú)法把他們分開(kāi)。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類認(rèn)識(shí)微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。

上世界30年代后，電子顯微鏡的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級(jí)，同時(shí)也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴(kuò)展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類認(rèn)識(shí)微觀世界的能力從此有了長(zhǎng)足的發(fā)展。電子顯微分析第28頁(yè)/共57頁(yè)第28頁(yè)/共58頁(yè)研究對(duì)象微結(jié)構(gòu)與顯微成分微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系微結(jié)構(gòu)形成的條件與過(guò)程機(jī)理材料的性能由微結(jié)構(gòu)所決定，人們可通過(guò)控制材料的微結(jié)構(gòu)，使其形成預(yù)定的結(jié)構(gòu)，從而具有所希望的性能。電子顯微分析是利用聚焦電子束與式樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種物理信號(hào)，分析式樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。方法：1、透射電鏡（TEM）

2、掃描電鏡（SEM）

3、電子探針（EMPA）第29頁(yè)/共57頁(yè)第29頁(yè)/共58頁(yè)電子顯微分析在材料學(xué)中的應(yīng)用①晶相、玻璃相、氣相的存在與分布；②晶粒大小、形狀、位置；③氣孔的尺寸、形式、位置；④顯微缺陷、微裂紋、晶體缺陷；⑤晶界及其所在處的雜質(zhì)；⑥微區(qū)的成分分析。第30頁(yè)/共57頁(yè)第30頁(yè)/共58頁(yè)放大200倍的斜紋藻

放大30倍碳納米管

光學(xué)顯微鏡照片第31頁(yè)/共57頁(yè)第31頁(yè)/共58頁(yè)放大40倍的新月藻、硅藻和水棉放大200倍的昆蟲(chóng)后腿光學(xué)顯微鏡照片第32頁(yè)/共57頁(yè)第32頁(yè)/共58頁(yè)納米InVO4粉體TEM照片第33頁(yè)/共57頁(yè)第33頁(yè)/共58頁(yè)ZnO納米帶高分辨TEM照片第34頁(yè)/共57頁(yè)第34頁(yè)/共58頁(yè)第35頁(yè)/共57頁(yè)第35頁(yè)/共58頁(yè)光學(xué)顯微鏡的局限性一個(gè)世紀(jì)以來(lái)人們一直用光學(xué)顯微鏡來(lái)揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)，但光學(xué)顯微鏡的分辨能力是有限的。最小分辨距離計(jì)算公式：

d指物鏡能夠分開(kāi)兩個(gè)點(diǎn)之間的最短距離，稱為物鏡的分辨本領(lǐng)或分辨能力；λ為入射光的波長(zhǎng)；n為透鏡周圍介質(zhì)的折射率α為物鏡的半孔徑角第36頁(yè)/共57頁(yè)第36頁(yè)/共58頁(yè)由上式可以得出：對(duì)于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在390～770nm之間N、α值均小于1，最大只能達(dá)到1.5～1.6光學(xué)顯微鏡使其最大的分辨能力為0.2μ增大n、a值是有限的，解決的辦法就是減小波長(zhǎng)λ。而可見(jiàn)光的波長(zhǎng)有限，因此，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能再次提高，唯有尋找比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的光線才能解決這個(gè)問(wèn)題。第37頁(yè)/共57頁(yè)第37頁(yè)/共58頁(yè)

高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來(lái)源于核能級(jí)躍遷

χ射線來(lái)自內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來(lái)自原子和分子外層電子能級(jí)的躍遷可見(jiàn)光紅外光來(lái)自分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷波譜區(qū)微波來(lái)自分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)及電子自旋能級(jí)躍遷無(wú)線電波來(lái)自原子核自旋能級(jí)的躍遷電磁波譜：電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列，稱~。γ射線→

X射線→紫外光→可見(jiàn)光→紅外光→微波→無(wú)線電波波長(zhǎng)長(zhǎng)第38頁(yè)/共57頁(yè)第38頁(yè)/共58頁(yè)電子的波性及波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的有：1）紫外線----會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；2）X射線----無(wú)法使其會(huì)聚；3）電子波

根據(jù)德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)，即電子具有微粒性也具有波動(dòng)性。電子波的波長(zhǎng)第39頁(yè)/共57頁(yè)第39頁(yè)/共58頁(yè)

h——Plank常數(shù)，6.63×10-34J﹒S

m——9.1×10-28gv——電子速度顯然，v越大，越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)即而則埃即若被150伏的電壓加速的電子，波長(zhǎng)為1埃。若加速電壓很高，就應(yīng)進(jìn)行相對(duì)論修正。第40頁(yè)/共57頁(yè)第40頁(yè)/共58頁(yè)41紅外吸收光譜分析InfraredAbsorptionSpectroscopy,IR第41頁(yè)/共57頁(yè)第41頁(yè)/共58頁(yè)42當(dāng)紅外光照射時(shí)，物質(zhì)的分子將吸收紅外輻射，引起分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷所產(chǎn)生的分子吸收光譜，稱為紅外吸收光譜或振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。第42頁(yè)/共57頁(yè)第42頁(yè)/共58頁(yè)43分子振動(dòng)能級(jí)間躍遷需要的能量小，一般在0.025～1eV間。波長(zhǎng)范圍：0.75～1000μm。紅外光譜區(qū)在可見(jiàn)光區(qū)與微波區(qū)之間

近紅外區(qū)：0.75~2.5μm（13333～

4000cm-1）

—OH、—NH、—

CH倍頻吸收區(qū)中紅外區(qū)：2.5~25μm（4000～

400cm-1

）

基團(tuán)的基頻振動(dòng)、伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)光譜遠(yuǎn)紅外區(qū)：25~1000μm（400～

10cm-1

）轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、晶格振動(dòng)紅外光區(qū)的劃分

第43頁(yè)/共57頁(yè)第43頁(yè)/共58頁(yè)

當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外吸收光譜。44紅外光譜圖表示形式第44頁(yè)/共57頁(yè)第44頁(yè)/共58頁(yè)紅外光譜儀45一、儀器類型與結(jié)構(gòu)兩種類型：色散型干涉型（傅里葉變換紅外光譜儀）美國(guó)Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR第45頁(yè)/共57頁(yè)第45頁(yè)/共58頁(yè)紫外可見(jiàn)吸收光譜UltravioletandvisiblespectrophotometryUV—Vis第46頁(yè)/共57頁(yè)第46頁(yè)/共58頁(yè)定義：紫外可見(jiàn)吸收光譜:利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見(jiàn)光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見(jiàn)光譜及吸收程度對(duì)物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測(cè)定、推斷的分析方法。第47頁(yè)/共57頁(yè)第47頁(yè)/共58頁(yè)紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析?？梢?jiàn)吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。第48頁(yè)/共57頁(yè)第48頁(yè)/共58頁(yè)紫外可見(jiàn)吸收光譜示意圖末端吸收最強(qiáng)峰肩峰峰谷次強(qiáng)峰maxmin

A第49頁(yè)/共57頁(yè)第49頁(yè)/共58頁(yè)第50頁(yè)/共57頁(yè)第50頁(yè)/共58頁(yè)拉曼光譜的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

1928年，印度科學(xué)家C.VRamanin首先在CCL4光譜中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)光與分子相互作用后，一部分光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改