材料結構表征與應用第一章緒論

1、材料結構表征與應用第一章緒論第一章 緒論 材料、信息和能源是現(xiàn)代文明的三大支柱，又把新材料、信息和生物技術作為新技術革命的主要標志。 材料作為一門學科，與其他學科最大的不同點是其本身就是多學科交叉的新興學科。 現(xiàn)代材料科學的發(fā)展在很大程度上依賴對材料性能和其他成分結構及微觀組織關系的理解。因此，對材料性能的各種測試技術；對材料在微觀層次上的表征技術，構成了材料科學的一個重要組成部分。第一章 緒論 材料的現(xiàn)代分析方法是關于材料的成分、結構、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測試技術及相關的理論基礎的科學。 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）成分、結構分析，也包括材料表面與界

2、面分析、微區(qū)分析、形貌分析等諸多內(nèi)容。材料分析方法也不僅是以材料成分、結構等分析、測試為唯一目的，而是成為材料科學的重要手段，廣泛應用于研究和解決材料理論和工程實際問題。 第一章 緒論 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(稱為測量信號或表征信息)的檢測實現(xiàn)的。即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形成了各種不同的材料分析方法。 材料結構的表征（或材料的分析方法）就其任務來說，主要有三個，即成分分析、結構測定和形貌觀察。第一章 緒論 材料的化學成分分析除了傳統(tǒng)的化學分析技術外，還包括質譜（MC）、紫外（UV）

3、、可見光、紅外（IR）光譜分析、氣、液相色譜、核磁共振、電子自旋共振、二次離子色譜、X射線熒光光譜、俄歇與X射線光電子譜、電子探針等。 如質譜已經(jīng)是鑒定未知有機化合物的基本手段；IR在高分子材料的表征上有著特殊重要地位；特別是近年來對材料的表面優(yōu)化處理技術的發(fā)展，對確定表面層結構與成分的測試需求更為迫切。一種以X射線光電子能譜、俄歇電子能譜為代表的分析系統(tǒng)的使用日益重要。如X射線光電子能譜（XPS）是用單色的X射線轟擊樣品導致電子的逸出，通過測定逸出的光電子可以無標樣直接確定元素及元素含量。第一章 緒論 材料結構的測定主要以衍射方法為主。衍射方法主要有X射線衍射、電子衍射、中子衍射、穆斯堡譜等

4、，應用最多最普遍的是X射線衍射。 在材料結構測定方法中，值得一提的是熱分析技術。雖不屬于衍射范疇，但它研究材料結構特別是高分子材料結構的一種重要的手段，可通過測定其熱力學性質的變化來了解物質物理或化學變化過程。 第一章 緒論 形貌觀察和分析主要采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。近年來，發(fā)展起來的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，克服了透射電子顯微鏡景深小、樣品制備復雜等缺點，借助一根針尖與試樣表面之間隧道效應電流的調控，可以在三維空間達到原子分辨率。在探測表面深層次的微觀結構上顯示了無與倫比的優(yōu)越性。第一章 緒論 舉例1：粘土/聚合物納米復合材料：一種典型的無機/有機雜化材料，研究有機聚合物嵌入

5、層狀結構的粘土（如蒙脫土）晶層之間。可采用的測試技術有：（1）形貌觀察：采用透射電鏡可以清晰地觀察粘土的層狀結構在被大分子嵌入以后晶層間距發(fā)生的變化情況；晶層的厚度、間距、缺陷及其細微結構等；第一章 緒論（2）結構測定：采用XRD圖譜衍射峰的不同角度和衍射強度，研究粘土晶層d001發(fā)生變化，若知道有機分子的平均直徑，還可以推算出有機分子在粘土層間的排列層數(shù)，以及排列的形態(tài)等；（3）化學成分分析：采用IR光譜，研究硅氧特征峰和有機分子與粘土層間離子之間的作用而產(chǎn)生的新峰；（4）熱分析：采用DSC手段根據(jù)熔點的漂移研究有機分子嵌入程度的大小。第一章 緒論舉例2：制備納米級-Fe2O3粉體（1）純度

6、：化學分析或儀器分析如原子吸收、等離子發(fā)射光譜等；（2）相結構： -型還是-或-型；（3）形貌和顆粒大?。翰捎肧EM或TEM（4）制備過程中，還可能用到IR、TG-DTA等手段第一章 緒論一、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(chǎn)生相干散射，相干散射相長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。 X射線照射晶體，晶體中電子受迫振動產(chǎn)生相干散射，同一原子內(nèi)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，即形成了晶體的衍射波

7、（線）。 第一章 緒論 衍射方向（衍射線在空間分布的方位）和衍射強度是據(jù)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夾角2表達。其角度滿足布拉格方程。 多晶體X射線衍射分析基本方法為衍射儀法與（粉末）照相法；單晶體X射線衍射分析基本方法為勞埃法與周轉晶體法。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，已成為單晶體結構分析的最有效方法。 1020304050607080905.00 wt.%4.00 wt.%3.00 wt.%2.50 wt.%2.00 wt.%1.00 wt.%0.50 wt.%0.00 wt.%(002)T(20

8、0)T 2Theta(deg.)Intensity(cps)第一章 緒論分析方法基本分析項目衍射儀法物相定性分析、物相定量分析、點陣常數(shù)測定，應力測定，晶粒度測定織構測定，非晶態(tài)結構分析粉末照相法物相定性分析、點陣常數(shù)測定四圓衍射法單晶結構分析、晶體學研究、化學鍵（鍵角、鍵長）測定第一章 緒論在材料科學中的應用舉例：（1）塑性形變的X射線分析：形變與再結晶織構測定、應力分析等；（2）相變過程與產(chǎn)物的X射線研究：相變過程中產(chǎn)物（相）結構的變化及最終產(chǎn)物、工藝參數(shù)對相變的影響、新生相與母相的取向關系等；（3）固溶體的X射線分析：固溶極限測定、點陣有序化（超點陣）參數(shù)、短程有序分析等；（4）高分子材

9、料的X射線分析：高聚物鑒定、晶態(tài)與非晶態(tài)及晶型的確定、結晶度測定、微晶尺寸測定等。第一章 緒論 電子衍射分析:是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（束）。 依據(jù)入射電子的能量大小，電子衍射可分為高能電子衍射（HEED）和低能電子衍射（LEED）。 HEED入射電子能量為10200kev，一般只適合薄層樣品。常裝在透射電鏡上，因此可實現(xiàn)微區(qū)樣品的結構分析和形貌觀察同步進行。 LEED，以能量101000ev的電子束照射樣品表面，產(chǎn)生電子衍射。由于入射能量低，因而只能給出樣品表面15個電子

10、層的結構信息，故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、外延生長等。第一章 緒論二、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(chǎn)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（拉曼）分析法。主要包括以下幾種方法：1、原子發(fā)射光譜分析（AES）：將樣品蒸發(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(chǎn)生輻射（發(fā)射光譜）。2、原子吸收光譜分析（AAS）：原子的價電子從低能級到高能級。第一章 緒論3、紫外、可見（分子）吸收光譜分析（UV、VIS）：分子電子能級從低能級躍遷到高能級。4

11、、紅外（分子）吸收光譜分析（IR）：分子振動能級低能級躍遷到高能級。5、X射線熒光光譜分析（XFS）：原子中電子能級躍遷（光子激出內(nèi)層電子，外層電子向空位躍遷）。6、核磁共振波譜分析（NMR）：原子核磁能級躍遷7、拉曼光譜分析：是一種散射光譜分析方法。第一章 緒論分析方法基本分析項目與應用原子發(fā)射光譜分析（AES）元素定性、半定量、定量分析。對于無機物分析是最好的定性、半定量分析方法。原子吸收光譜分析（AAS）元素定量分析X射線熒光光譜分析（XFS）元素定性、半定量、定量分析。（適合于Z5的元素）紫外、可見（分子）吸收光譜分析（UV、VIS）結構定性分析（有機物）、有機物構型和構象的測定、組分

12、定量分析、化學和物理數(shù)據(jù)測定（氫鍵強度、化合物相對分子質量測定等）第一章 緒論紅外吸收光譜分析（IR）未知物定性分析、結構分析，定量分析，反應機理研究核磁共振波譜分析（NMR）定性分析（有機物結構鑒定）；定量分析；相對分子質量的測定；化學鍵性質研究拉曼光譜分析定性分析（有機物結構），分子結構分析，高聚物研究（結晶度、取向性、碳鏈結構等）第一章 緒論三、電子能譜分析方法概述 是基于光子（電子輻射）或運動實物粒子（電子、離子、原子等）照射或轟擊材料（原子、分子或固體）產(chǎn)生的電子能譜（電子產(chǎn)額對能量的分布）進行材料分析的方法。 主要為光電子能譜（X射線光電子能譜XPS與紫外光電子能譜UPS）分析與俄

13、歇電子能譜分析AES。第一章 緒論分析方法俄歇電子能譜分析AESX射線光電子能譜XPS紫外光電子能譜UPS元素定性分析適合與除H、He以外的所有元素適合與除H、He以外的所有元素不適合元素定性分析元素定量分析一般用于Z小于33的元素。準確度較XPS差，相對靈敏度與XPS相近，分析速度較XPS快適于Z大、重元素。相對靈敏度不高（大于0.1%），絕對靈敏度高難于準確定量結構分析與物質分析研究結構定性分析確定元素的化學狀態(tài)元素存在于何種化合物中（常與XPS結合分析）1結構定性分析2固體能帶結構測量3電子軌道結構分析4有機分子電荷轉移1結構定性分析2固體能帶結構測量3電子軌道結構分析4分子振-轉結構分

14、析5原子蔟的UPS研究第一章 緒論分析方法俄歇電子能譜分析AESX射線光電子能譜XPS紫外光電子能譜UPS固體表面分析1表面成分分析（微區(qū)分析、點分析、線分析、面分析，深度剖析）2表面結構定性分析1表面成分分析（可作深度分析）2表面能帶結構分析3表面結構定性分析與表面化學研究1表面能帶結構分析2表面結構定性分析與表面化學研究固體樣品探測深度約0.42nm（俄歇電子能量502000eV范圍內(nèi)）（與電子能量及樣品材料有關）約0.52.5nm(金屬及金屬氧化物)；約410nm(有機化合物和聚合物)。約0.42.0nm(光電子能量10100eV范圍內(nèi))。第一章 緒論四、電子顯微分析方法概述 電子顯微分

15、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微觀形貌、結構與成分分析為基本目的。透射電子電鏡分析與掃描電子顯微分析及電子探針分析是最基本的、得到廣泛應用的電子顯微分析方法。第一章 緒論方法或儀器分析原理檢測信號基本應用透射電鏡（TEM）透射與衍射透射電子與衍射電子1形貌分析（顯微組織、晶體缺陷）2晶體結構分析3成分分析（配附件）掃描電鏡（SEM）電子激發(fā)二次電子；電子吸收和背散射二次電子、背散射電子和吸收電子1形貌分析（顯微組織、斷口形貌、三維立體形態(tài)）2成分分析（配附件）3斷裂過程動態(tài)分析4結構分析（配附件）電子探針（EPMA）電子激發(fā)特征X射線X光子

16、1成分（元素）分析（離表面110um層內(nèi)：點分析、線分析、面分析）2固體表面結構與表面化學分析第一章 緒論方法或儀器分析原理檢測信號基本應用掃描透射電鏡（STEM）透射與衍射透射電子與衍射電子1形貌分析（顯微組織、晶體缺陷等）2晶體結構分析3成分分析（配附件）與電子結構分析掃描隧道顯微鏡（STM）隧道效應隧道電流1表面形貌與結構分析（表面原子三維輪廓）2表面力學行為、表面物理與表面化學研究（不能檢測樣品深層信息）原子力顯微鏡（AFM）隧道效應；并通過力傳感器建立其針尖端上原子與表面原子間作用力和掃描隧道電流的關系隧道電流1表面形貌與結構分析（接近原子分辨水平）2表面原子間力與表面力學性質的測定

17、第一章 緒論五、色譜、質譜及電化學分析方法1、色譜分析法 色譜分析法是基于混合物中各組分在互不相溶的兩相（固定相與流動相）中分配系數(shù)、吸附能力或阻滯能力等物理性質的差異，進行混合物組分分離和分析的方法。 色譜分析過程中有兩相，即流動相和固體相。按照勇流動相的不同，色譜法可分為氣相法（GC）和液相色譜法（LC）。 GC以氣體為流動相，而LC以液體為流動相，固定相則為固體吸附劑或涂在載體上的液體。第一章 緒論 現(xiàn)代液相分析方法稱為高效液相色譜分析法（HLC）。 色譜法廣泛應用于多組分物質的分離和分析，具有能解決那些物理常數(shù)相近、化學性質相似的同系物、異構體等復雜組成混合物分析問題的特點。色譜法靈敏

18、度高、分析速度快。不僅可以分析有機物，也可以分析無機物。 HLC與GC比較，前者不受樣品揮發(fā)度和熱穩(wěn)定性的限制，非常適合于離子型化合物、不穩(wěn)定的天然產(chǎn)物以及其它各種高分子化合物等；后者則適合于操作溫度下能氣化而不分解的物質。 除此之外，色譜法還作為各種分離技術中應用最廣和效率最高的一種，用于純物質的制備和混合物的分離。第一章 緒論2、質譜分析法（MC） 質譜分析法是基于元素（離子）的質核比進行材料定性、定量結構分析，是研究有機化合物結構的重要方法。還可以進行無機物的定性、半定量或定量分析。 質譜分析靈敏度很高，能檢測相對含量達10-12級的元素，尤其適合于極為相似的Nb和Ta，稀土元素等分析。因此，特別適用于半導體材料等超純物質的分析。 還可用于無機物的多組分復雜混合物組分分析。 第一章 緒論3、電化學分析法 電化學分析法是基于物質溶液的各種電化學性質與物質的特征關系確定其組成的分析方法。 可分為：電位分析法、電解分析法、庫侖分析法、極譜分析法和伏安分析法。他們的檢測信號分別為：電池電動勢或電極電位、在電極上析出的被測物質量、電解過程中所消耗的電量、電流-電壓曲線。第一章 緒論六、其它方法 熱分析法：是指程序控制溫度條件下，測量物質的物理性質隨溫度變化的函數(shù)關系的技術。其技術基礎是基于物質在加熱或冷卻的過程