材料分析方法概述

材料分析方法概述1第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第一章材料分析測試方法概述

必要性：1、加深理解以前所學課程的內容。2、為以后進一步的研究打下一個好的基礎。3、目前材料發(fā)展日新月異的需要。2第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六目的和要求：1、了解本課程中基本概念的來源。2、了解一些檢測分析手段。3、能對一些檢測結果進行一般性分析。3第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六主要內容第一節(jié)一般原理第二節(jié)衍射分析方法概述第三節(jié)光譜分析方法概述第四節(jié)電子能譜分析方法概述第五節(jié)電子顯微分析方法概述第六節(jié)色譜、質譜及電化學分析方法概述4第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)一般原理定義：材料分析測試方法是關于材料成分、結構、微觀形貌與缺陷等的分析、測試技術及其有關理論基礎的科學．材料現(xiàn)代分析、測試技術的發(fā)展，使得材料分析不僅包括材料(整體的)成分、結構分析，也包括材料表面與界面分析、微區(qū)分析、形貌分析等許多內容．5第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六材料的元素成份分析材料的物相結構分析材料的表觀形貌分析材料的價態(tài)分析材料的表面與界面分析

材料的熱分析材料的力學性能分析6第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六材料分析原理：材料分析是通過對表征材料的物理性質或物理化學性質參數(shù)及其變化(稱為測量信號或特征信息)的檢測實現(xiàn)的．材料分析的基本原理(或稱技術基礎)是指測量信號與材料成分、結構等的特征關系．采用各種不同的測量信號(相應地具有與材料的不同持征關系)形成了各種不同的材料分析方法。7第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六基于電磁輻射及運動粒子束與物質相互作用的各種性質建立的各種分析方法巳成為材料現(xiàn)代分析方法的重要組成部分，大體分為光譜分析、電子能譜分析、衍射分析與電子顯微分析等四大類方法．此外，基于共它物理性質或電化學性質與材料的特征關系建立的色譜分析、質譜分析、電化學分析及熱分析等方法也是材料現(xiàn)代分析的重要方法．8第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六盡管不同方法的分析原理(檢測信號及其與材料的特征關系)不同及具體的檢測操作過程和相應的檢測分析儀器不同，但各種方法的分析、檢測過程均可大體分為信號發(fā)生、信號檢測、信號處理及信號讀出等幾個步驟．相應的分析儀器則由信號發(fā)生器、檢測器、信號處理器與讀出裝置等幾部分組成．9第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六信號發(fā)生器使樣品產生(原始)分析信號，檢測器則將原始分析信號轉換為更易于測量的信號(如光電管將光信號轉換為電信號)并加以檢測，被檢測信號經信號處理器放大、運算、比較等后由讀出裝置轉變?yōu)楸蝗俗x出的信號被記錄或顯示出來．依據檢測信號與材料的特征關系，分析、處理讀出信號，即可實現(xiàn)材料分析的目的。10第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)衍射分析方法概述衍射分析方法是以材料結構分析為基本目的的現(xiàn)代分析方法．電磁輻射或運動電子束、中子束等與材料相互作用產生相干散射(彈性散射)，相干散射相干涉的結果——衍射是材料衍射分析方法的技術基礎。衍射分析包括x射線衍射分析、電子衍射分析及中子衍射分析等方法。11第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六一、x射線衍射分析來源：x射線照射晶體，晶體中電子受迫振動產生相干散射，同一原子內各電子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉．在某些方向上一致加強，即形成了品體的衍射波(線)．衍射方向和衍射強度是據以實現(xiàn)材料結構分析等工作的兩個基本特征．衍射方向以衍射角即入射線與衍射線的角2θ表達，其與產生衍射晶面之晶面間距d，及入射線波長λ的關系。即衍射產生的必要條件遵從布拉格方程

2dsinθ＝λ

12第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

多晶體的衍射方法：多晶體x射線衍射分析基本方法為衍射儀法與照相法。照相法以光源(x射線管)發(fā)出的單色光(特征x射線)照射多晶體(圓柱形)樣品，用底片記錄產生的衍射線，用其軸線與樣品軸線重合的圓柱形底片記錄稱為德拜法；用平板底片記錄者稱為針孔法．較早的x射線分析多采用照相法，而德拜法是常用的照相法，一般稱照相法即指德拜法，德拜法照相裝置稱德拜相機。13第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六衍射儀法分析裝置稱衍射儀，由光源、測角計、檢測器(計數(shù)管)、輻射測量電路(信號處理器)及讀出部分組成。衍射儀法以單色光照射多晶體(平板)樣品，檢測器與樣品臺同步轉動，掃描接收衍射線并轉換為電脈沖信號，再經信號處理并記錄或顯示，得到(衍射強度)一2θ曲線．近年來衍射儀法己在絕大多數(shù)場合下取代了照相法，成為衍射分析的主要方法．14第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六粉磨不同時間的α-Al2O3的XRD圖譜

15第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六單晶體的衍射方法：單晶體X射線衍射分析的基本方法為勞埃法與周轉晶體法．勞埃法以光源發(fā)出的復合光即連續(xù)X射線照射置于樣品臺上不動的單晶體樣品，用平板底片記錄產生的衍射線．底片置于樣品前方者稱為透射勞埃法，底片處于光源與樣品之間者稱為背射勞埃法．勞埃法照相裝置稱勞埃相機．周轉晶體法以光源發(fā)出的單色光照射轉動的單晶體樣品，用以樣品轉動軸為軸線的圓柱形底片記錄產生的衍射線．周轉晶體法應用較少。16第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六四圓衍射儀是近年來在綜合衍射儀法與周轉晶體法基礎上發(fā)展起來的單晶體衍射方法，己成為單晶體結構分析的最有效方法．四圓衍射儀由光源、樣品臺、檢測器等部件構成，其特點是實現(xiàn)樣品在空間3個方向的圓運動(轉動)以及檢測器的圓運動(轉動)，前3個圓運動共同調節(jié)晶體樣品的取向，后者保證衍射線進入檢測器．17第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六x射線衍射分析方法的應用第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

二、電子衍射分析電子衍射分析立足于運動電子束的波動性．入射電子被樣品中各個原子彈性散射，被各原子彈性散射的電子(束)相互干涉，在某些方向上一致加強，即形成了樣品的電子衍射波．依據入射電子的能量大小，電子衍射可分為高能電子衍射和低能電子衍射，依據電子束是否穿透樣品．電子衍射可分為透射式電子衍射與反射式電子衍射．19第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

高能電子衍射分析：入射電子能量為10—200kev．高能電子衍射方向和晶體樣品中產生衍射晶面之晶面間距及電子入射波長(A)的關系即電子衍射產生的必要條件也由布拉格方程描述．由于原子對電子的散射能力遠高于其對x射線的散射能力(約高10000倍以上)，電子穿透能力差，因而透射式高能電子衍射只適用于對薄層樣品(薄膜)的分析。高能電子衍射的專用設備為電子衍射儀，但隨著透射電子顯微鏡的發(fā)展，電子衍射分析多在透射電子顯微鏡上進行．與x射線衍射分析相比，透射電子顯微鏡亡具有可實現(xiàn)樣品選定區(qū)域電子衍射(選區(qū)電子衍射)并可實現(xiàn)微區(qū)樣品結構(衍射)分析與形貌觀察相對應的特點。20第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六反射式高能電子衍射分析：以高能電子照射較厚固體樣品來研究分析其表面結構．為獲得表面信息，入射電子采用掠射方式即電子束以與樣品表面夾角很小的方式照射樣品表面，使彈性散射(衍射)發(fā)生在樣品的近表面層．反射式高能電子衍射儀由電子槍(信號源)、樣品架及熒光屏等部分組成，在超高真空環(huán)境下工作．21第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

低能電子衍射:以能量為10一1000(一般為10—500)ev的電子(束)照射樣品表面，產生電子衍射．由于入射電子能量低，因而低能電子衍射給出的是樣品表面1—5個原子層的(結構)信息，故低能電子衍射是分析晶體表面結構的重要方法，應用于表面吸附、腐蝕、催化、外延生長、表面處理等材料表面科學與工程領域。低能電子衍射來自樣品表面原子的相干散射，故可將樣品表面視為二維點陣。22第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六x射線衍射與電子衍射分析方法的比較23第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六電于衍射分析方法的應用24第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)光譜分析方法概述光譜分析方法是基于電磁輻射與材料相互作用產生的特征光譜波長與強度進行材料分析的方法．光譜分析方法包括各種吸收光譜分析和發(fā)射光譜分析法以及散射光譜分析法．25第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六原子發(fā)射光譜分析(AES)：以直流電弧、交流電弧或高壓火花等為信號激發(fā)源，其能量使樣品蒸發(fā)成氣態(tài)原子，并將氣態(tài)原子外層電子激發(fā)至高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子向低能級躍遷產生輻射(發(fā)射光譜)，產生的輻射經過分光儀器分光，按波長順序記錄在感光板上，從而獲得了按譜線形式表達的樣品發(fā)射光譜圖．26第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六定性分析：由于每種元素均有各自的特征譜線，故依據獲得的樣品光譜因即可實現(xiàn)樣品化學成分定性分析，即確定樣品中有何種元素或由哪些元素組成．定性分析經常采用樣品光譜圖和事先制備的“標準光譜圖”進行比較的方法進行。定量分析：由于譜線強度與樣品中元素含量存在著一定的函數(shù)關系，因而通過(采用測光儀)對各種特征譜線強度的測量即可確定樣品中各元素的含量，從而實現(xiàn)樣品化學組成的定量分析．27第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

原子吸收光譜分析(AAS)其分析儀器稱為原子吸收分光光度計，由信號源(光源)、原子化器、分光系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成．信號源發(fā)射出含有待測元素特征譜線的光輻射；火焰或無火焰原子化器使樣品待測元素離解轉變?yōu)樵诱魵?，氣態(tài)原子選擇性地吸收由信號源發(fā)出的入射光輻射，使入射光減弱；分光系統(tǒng)由被減弱的光輻射中分離出待測元素單色光即將檢測元素的吸收分析線與其它輻射線分開；經檢測器接收、轉換、放大后記錄或顯示，即可獲得樣品中待測元素原子蒸氣對入射光的吸光度。由于待測元素吸光度與其含量成正比．故根據測得的吸光度可確定樣品中持測元素的含量，即實現(xiàn)元素含量的定量分析．28第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六原子熒光光譜分析(AFS)其分析儀器稱為原子熒光光譜計。通過原子化器產生的樣品原子蒸氣被強光源發(fā)射的光輻射照射，原子外層電子產生熒光輻射；由分光系統(tǒng)(小光柵單色器或寸；涉濾光片)分離熒光經檢測器接收、轉換為電信號，再經放大并讀出．按分析原理，AFS屬于原子發(fā)射光譜法。29第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六紫外、可見(分子)吸收光譜分析：其分析儀器稱為紫外、可見分光光度計．光源輻射的復合光經單色器色散(即使不同波長光分散開)成純度很高的單色光作為樣品的入射光，入射光通過置于樣品池(或稱吸收池，樣品池應能透過有關輻射線，即對入射光“透明”)中的樣品溶液，被選擇性吸收而減弱后再被檢測器(光電管或光電倍增管)檢測，最后被顯示或記錄。按獲得的吸收光譜(吸光度對波長的分布)實現(xiàn)樣品定性或定量分析．30第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六紅外(分子)吸收光譜分析(IR)：其分析儀器稱為紅外分光光度計或紅外光譜儀，紅外分光光度計與紫外、可見分光光度計相似，也是由光源、單色器、樣品池、檢測器和記錄裝置等組成。31第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六核磁共振波譜分析(NMR)其分析儀器稱為核磁共振(波)譜儀，由磁鐵、探頭、射頻發(fā)生器、掃描發(fā)生器、接收器與記錄儀等部件組成．磁鐵提供穩(wěn)定、均勻的強外磁場，射頻發(fā)生器產生的射頻源信號向樣品輻射；掃描發(fā)生器以掃場方式(保持頻率恒定，線性地改變磁場，相當于在強外磁場上疊加線性變化的小磁場)或掃頻方式(保持磁場恒定，線性地改變頻率)掃描，當滿足一定關系時，樣品發(fā)生核磁共振．32第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六拉曼光譜分析：是一種散射光譜分析法．由于激光具有單色性好、方向性好、亮度高等特點，因而以激光為光源的激光拉曼光譜分析已成為材料分析的重要方法。激光拉曼光譜儀由激光光源、樣品池、單色器、檢測器、信號處理與讀出系統(tǒng)等部分組成，。光源發(fā)出的激光束(單色光)經反射鏡和透鏡照射到樣品上，樣品產生的拉曼散射經單色器分光后由檢測器接收、轉換為電信號，再經信號處理后由記錄儀記錄，得到樣品拉曼光譜圖．激光光源多采用連續(xù)式氣體激光器，如He—Ne激光器、Ar離子激光器等．33第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六光譜分析方法的應用34第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六35第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)電子能譜分析方法概述電子能譜分析法是基于光子(電磁輻射)或運動實物粒子(電子、離子、原子等)照射或轟擊材料(原子、分了或固體)產生的電子能譜(電子產額對能量的分布)進行材料分析的方法。電子能譜分析方法主要類型光電子能譜(x射線光電子能譜與紫外光電子能譜)分析與俄歇電子能譜分析是已經得到廣泛應用．是重要電子能譜分析方法．36第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六光電子能譜分析儀：由光源、樣品室、能量分析器及信號處理與記錄系統(tǒng)組成.樣品室保持在超高真空，光源發(fā)射的x射線或紫外線照射安裝在樣品架上的樣品致其光電離，發(fā)射的光電子進入能量分析器按能量分類后由檢測器接收，再經放大、甄別、整形并由記錄儀記錄，獲得光電子能譜．現(xiàn)代光電子能譜儀的運行、數(shù)據采集和信息處理均由計算機控制完成．37第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六俄歇電子能譜儀由光源、樣品室、能量分析器、信號處理與記錄系統(tǒng)組成。電子激發(fā)俄歇能譜儀以電子槍發(fā)射電子為激發(fā)源，多采用鏡簡分析器測量俄歇電子能量分布．38第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六光電子能譜與俄歇電子能譜分析方法的應用39第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六第五節(jié)電子顯微分析方法概述電子顯微分析是基于電子束(波)與材料的相互作用而建立的各種材料現(xiàn)代分析方法。電子顯微分析方法以材料微觀形貌、結構與成分分析為基本目的．從分析原理(技術基礎)來看，各種電子顯微分析方法中的一些方法也可歸于光譜分析(如電子探針)、能譜分析[如電子激發(fā)俄歇能譜)和衍射分析(如電子衍射)等方法范疇．透射電子顯微(鏡)分析與掃描電子顯微(鏡)分析及電子探針分析是基本的、得到廣泛應用的電子顯微分析。另外俄歇能譜分析也得到較廣泛應用．40第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六透射電子顯微鏡(TEM)：可簡稱透射電鏡，用于薄層(一般小于200nm)樣品微觀形貌觀察與結構分析．透射電鏡成像原理與光學顯微鏡類似，即以電子束(代替光束)為照明源．經聚光鏡(電磁透鏡)聚焦后照射樣品，透射電子經成像系統(tǒng)聚焦、放大、成像，并由熒光屏顯示或底片記錄．依據樣品不同位置透射電子束強度不同而成像，得到的是樣品形貌像；依據(被樣品)彈性散射電子相長干涉(衍射)方向與強度不同而成像，則得到樣品衍射像(衍射花樣、衍射譜)41第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六42第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

掃描電子顯微鏡：可簡稱掃描電鏡，由電子光學系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)及真空系統(tǒng)等組成。由電子光學系統(tǒng)獲得的在樣品表面聚焦的細電子束(最小直徑1—10nm)與樣品相互作用產生各種特征物理信號.物理信號經檢測系統(tǒng)接收、視頻放大等處理后成為顯示系統(tǒng)的調制信號，調制信號調制陰極射線管(cRT)電子束強度，從而在cRT熒光屏上獲得顯示樣品特征的圖像.入射電子束在樣品表面掃描并由掃描系統(tǒng)保證陰極射線管電子束(在熒光屏上)與其同步掃描，因而熒光屏上獲得的是樣品表面的掃描圖像。43第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六電子探針x射線顯微分析儀：簡稱電子探針(HPA或EPMA)，其技術基礎與x射線熒光光譜分析相似，主要區(qū)別是以電子束代替X光為激發(fā)源，適用于樣品微區(qū)成分分析．電子探針與X射線熒光光譜儀相似，亦分為波譜儀與能譜儀．電子探針作為附件配備于透射電子顯微鏡或掃描電子顯微鏡，則可實現(xiàn)樣品微區(qū)成分分析與形貌分析的有機結合．現(xiàn)代電于探針一般都是掃描型電子探針(并多配備于掃描電子顯微鏡)，可實現(xiàn)樣品成分的點分析(點的元素濃度)、線分析(沿樣品某方向的元素濃度分布)和面分析(與樣品形貌像相對應的樣品表面元素濃度分布)等．44