材料近代分析方法

1、材料近代分析測試方法論文學(xué)生姓名：學(xué)號:200912010228院系：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：完成時間：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12 HYPERLINK l bookmark68 參考文獻

3、14西安石油大學(xué)材料近代分析測試方法論文 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)，衍射級數(shù)n=1，2,3時，分別稱為一級、二級、三級衍射。只有在滿足布拉格衍射方程式的條件時，才能發(fā)生衍射。因此，晶體反射X射線是一種“選擇反射”。當一束單色X射線入射到晶體時，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射線波長有相同數(shù)量級，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X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于X射線衍射理論的研究，目前有兩種理論：運動學(xué)和動力學(xué)衍射理論。1.1.1運動學(xué)衍射理論達爾文（Darwin）的理論稱為X射線衍射運動學(xué)理論。該理論把衍射現(xiàn)象作為三維Frannhofer衍射問題來處理，認為晶體的每個體積元的散射與其它體積元的散射無關(guān)，而且散射線通過晶體時不會再被散射。X射線衍射運動學(xué)理論內(nèi)容主要包括衍射方向和衍射線強度大小及其分布（線型）。112動力學(xué)衍射理論厄瓦爾德（Ewald）的理論稱為動力學(xué)理論。該理論考慮到了晶體內(nèi)所有波的相互作用，認為入射線與衍射線在晶體內(nèi)相干地結(jié)合，而且來回地交換能

5、量。兩種理論對細小的晶體粉末得到的強度公式相同，而對高度完整的晶體的衍射問題，則必須采用動力學(xué)理論來處理，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)測試手段，其主要應(yīng)用主要有以下幾個方面：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試樣，則其衍射譜就是其中各個物相衍射譜疊加而成的復(fù)合衍射譜。因而，我們可以通過測定試樣的復(fù)合衍射譜，并對復(fù)合衍射譜進行分析分解，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)，準確測定混合物中各相的衍射強度，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)生的衍射強度成正比，因而，可通過衍射強度的大小求出混合物中某相參與衍射的體積分數(shù)或者重量分數(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)標法、外標法、絕熱法、增量法、無標樣法、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數(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)晶度的測定就顯得尤為重要了。測定結(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射線衍射方法來測定材料部

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，測定衍射角的變化即可算出宏觀應(yīng)變，因而可進一步計算得到應(yīng)力大小?？傊?，X射線衍射測定應(yīng)力的原理是以測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際上是應(yīng)變，而應(yīng)力則是通過虎克定律由應(yīng)變計算得到。1.2.5晶粒大小的測定多晶體材料的晶粒尺寸是影響其物理、化學(xué)等性能的一個重要因素。用X射線衍射法測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驗現(xiàn)象，這就是1918年謝樂(Scherrer)首先提出的小晶粒平均尺寸(D)與衍射線真實寬度之間有的數(shù)學(xué)關(guān)系(2)，該式也稱為謝樂公式，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；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世紀材料科學(xué)發(fā)展的重要標志，它所表現(xiàn)出的生命力不僅是因為它不斷揭示出深刻的物理內(nèi)涵，而且更重要的是所發(fā)現(xiàn)的新效應(yīng)不斷地被用來開發(fā)新的固態(tài)器件，對高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。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)等都會直接影響材料和器件的性能，需要在原子尺度上對材料微結(jié)構(gòu)品質(zhì)進行評估。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)。厚度的測量和控制始終是氣相沉積薄膜研究和生產(chǎn)中的主要問題之一。由于厚度會產(chǎn)生三種效應(yīng):衍射強度隨厚度而變，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，因此可從衍射強度、線形分析和干涉條紋來實現(xiàn)薄膜厚度的測定.用X射線儀測量單層膜的小角X衍射線，之后用公式(3)，便可以計算單層膜的厚度。在式(3)中，d表示膜厚，K表示X射線的波長，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測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X射線衍射測得。2由多晶材料得到類單晶衍射數(shù)據(jù)確定一個晶態(tài)材料晶體結(jié)構(gòu)最有力的手段是進行單晶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行結(jié)構(gòu)測定顯然不能適應(yīng)新材料研究快速發(fā)展的狀況。為加速研究工作的進展，以及對復(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行研究和測定其晶體結(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際應(yīng)用價值。近年來，利用粉末衍射數(shù)據(jù)測定未知結(jié)構(gòu)的方法獲得了很大的成功，這種方法的關(guān)鍵在于正確地對粉末衍射圖譜進行分峰，確定相應(yīng)于每一個面指數(shù)(hkl)的衍射強度，再利用單晶結(jié)構(gòu)分析方法測定晶體結(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定晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)測定還有一些經(jīng)驗方法，如同構(gòu)型法、傅里葉差值法和嘗試法等。對于較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，人工嘗試往往受到主觀因素和計算量大的限制，存在著可行的模型被忽略的可能性。目前計算機技術(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)用越來越廣泛，其中計算機模擬法是對待測的晶體結(jié)構(gòu)，先給定一個隨機的模型，根據(jù)設(shè)定的某一判據(jù)，指導(dǎo)計

13、算機沿正確的方向?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力學(xué)模擬法等都屬于粉末衍射晶體結(jié)構(gòu)測定的計算機模擬法。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，簡稱SEM)掃描電子顯微鏡是較現(xiàn)代的細胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號成像來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，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點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。當一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，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、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動（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)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機理，采用不同的信

15、息檢測器，使選擇檢測得以實現(xiàn)。如對二次電子、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)為幾萬百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微

16、結(jié)構(gòu)”。是由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上。透過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)致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多。經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像。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、細菌醫(yī)學(xué)：血球、病毒動物：大腸、絨毛、細胞、纖維材料：陶瓷、高分子、粉末、環(huán)氧樹脂化學(xué)、物理、地質(zhì)、冶金

17、、礦物、污泥（桿菌）、機械、電機及導(dǎo)電性樣品，如半導(dǎo)體（IC、線寬量測、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。對于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過的銅網(wǎng)上進行觀察。3材料的電子顯微衍射的發(fā)展趨勢231SEM的發(fā)展趨勢根據(jù)艾瑞咨詢最新發(fā)布的2007-2008年中國搜索引擎行業(yè)發(fā)展報告顯2007年中國搜索引擎市場

18、規(guī)模達29.0億人民幣，相比2006年同比增長108.3%預(yù)計2011年中國搜索引擎市場規(guī)模將超過日本。2008年2月adSage（中國）公司與百度合作，推出百度競價排名廣告系統(tǒng)管理工具adSageforBaidu，成為基于百度API的第一款搜索引擎營銷工具，中國搜索引擎營銷市場已經(jīng)開始進入國際市場。TEM的發(fā)展趨勢隨著科技的發(fā)展，人們對透射電子的使用要求越來越高了，透射電鏡也在不斷發(fā)展。人們預(yù)測，當材料的尺度減少到納米度時，其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)具有獨特性。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。由于電子顯微鏡的分

19、析精度逼近原子尺度，所以利用場發(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原子的Z-襯度像，而且還可以采集到單個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缺陷進行成像，對人們重新認識缺陷對性能的影響提供幫助。通過樣品臺的設(shè)計，可以在透射電鏡下對材料進行加熱，通電和外加應(yīng)力等，實現(xiàn)對材料在實際服役條件下的行為觀察，從而為人們設(shè)計材料、改良材料提高更加直接的證據(jù)。通過對透射電鏡的真空進行改進對樣品通氣，觀察材料與氣體分子的反應(yīng)，實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原子尺度觀察，也可實現(xiàn)固體材料與液體反應(yīng)過程的觀察?？傊?/p>

20、，透射電子顯微鏡的功能越來越強大，應(yīng)用越來越廣泛。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)域進行表面分析的最有效、最實用的技術(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、美國科學(xué)家勞倫斯哈里斯在表面物理方面所做的貢獻；簡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一步解決的問題；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動的電子組成。電子在一定的軌道上運動，并具有確定的能量.當一束有足夠能量(hv)的X射線照射到某一固體樣品(M)上時，便可激發(fā)出某原子或分子中某個軌道上的電子，使原子或分子電離，激發(fā)出的電子獲得了一定的動能，留下一個離子。這一X射線的激發(fā)過程可表示如下：M+hvfM+ee被稱為光電子。若這個電子的能量高于真空能級，就可以克服表面位壘，逸出體外而成為自由電子。圖1(a)給出了這一過程的示意圖。光電子發(fā)射過程的能量守恒方程為Ek=hv-EB，式Ek為某一光電子的動能，EB為結(jié)合能。這就是著名的愛因斯坦光電發(fā)射方程。它是光電子能譜分析的基

22、礎(chǔ)在實際分析中，采用費米能級（）作為基準（即結(jié)合能為零），測得了樣品的結(jié)合能（BE）值，就可判斷出被測元素由于被測元素的BE變化與其周圍的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，根據(jù)這一變化，可推測出該元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)和價態(tài)。圖1（狛X射線引發(fā)的芯能級電離：（h）俄歇電子產(chǎn)生過程在X射線引發(fā)的芯能級電離過程中，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，在電離的過程中，某殼層形成空穴，當鄰近軌道的電子填充這個空穴時，多余的能量又將某軌道上的另一個電子擊出，這就是俄歇電子。這一電子是Auger在1925年的X射線實驗中發(fā)現(xiàn)的?？梢姡硇娮由婕暗?個能級，其動能取決于元素的種

23、類。圖1（b）中表示的是電離過程中在K殼層形成空穴，L殼層的電子向空位躍遷時，釋放的能量將鄰近軌道的另一個電子擊出，此過程即KL1L23俄歇電子的發(fā)射過程，可簡寫為KLL，依此類子能譜中，俄歇電子可用作元素鑒定，且迅速準確。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。近十年來，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)點是：(1)可以測定深度僅為23個原子層的表層化學(xué)成份；(2)能檢測除氫和氦以外的所有元素；(3)當與惰性氣體離子濺蝕組合使用時，點俄歇分析能測定元素距離界面的深度分布，掃描俄歇探針還可測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。因為影響定量分析的因素較多，目前要做得很準確還有很大困難。所以這里重點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，肴對樣品情況不甚了解或希望了解全面情況，一般是先作一個能量在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行定性分析。3.3材料的電子顯微衍射的發(fā)展趨勢331俄歇電子能譜的發(fā)展趨勢雖然近幾年來俄歇電子能譜學(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一步解決的問題：俄歇電子能譜儀的關(guān)鍵間題是確定表面的實際成份。對于低能俄歇峰值，例如選擇戮射偏析，則大于1個單層。目前已有人設(shè)計同時使用電子發(fā)射器定位系統(tǒng)和電子程序評價系統(tǒng)這兩種輔助方法，試嘗解決這個間題。另一個主要間題是表面糙性以及如何評價糙性影響的問題。有人提出用鐵研磨這種新方法解決這個間題目前還未見這方面的結(jié)果報道。X射線光電子能譜的發(fā)展趨勢隨著電子能譜儀器制造技術(shù)的發(fā)展以及對分析技術(shù)的需求，近年來迅速發(fā)

26、西安石油大學(xué)材料近代分析測試方法論文西安石油大學(xué)材料近代分析測試方法論文 展起來的高靈敏度單色化XPS（簡稱MonoXPS）,小面積XPS或小束斑XPS（簡稱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)（目前可達到約15“n）內(nèi)XPS信號。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到微米量級，

27、遠不及顯微AES的分辨率，但由于XPS分析的突出的優(yōu)點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，擴充了XPS應(yīng)用。這3個新功能被認為是X光電子能譜儀未來的發(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物質(zhì)分子進行的分析和鑒定。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，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)決定的獨有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉(zhuǎn)動運動而產(chǎn)生的，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相

28、對運動，多原子分子可組成多種振動圖形。當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動（例如伸縮振動和變角振動）。分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應(yīng)，因此當分子的振動狀態(tài)改變時，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動而產(chǎn)生紅外吸收光譜。分子的振動和轉(zhuǎn)動的能量不是連續(xù)而是量子化的。但由于在分子的振動躍遷過程中也常常伴隨轉(zhuǎn)動躍遷，使振動光譜呈帶狀。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可發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞

29、，在彈性碰撞過程中，光子與分子間沒有能量交換，光子只改變運動方向而不改變頻率，這種散射過程稱為瑞利散射。而在非彈性碰撞過程中，光子與分子之間發(fā)生能量交換，光子不僅僅改變運動方向，同時光子的一部分能量傳遞給分子，或者分子的振動和轉(zhuǎn)動能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這種散射過程稱為拉曼散射。拉曼散射分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射，通常的拉曼實驗檢測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或轉(zhuǎn)動頻率，它與入射線頻率無關(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度等都與物質(zhì)分子振動和轉(zhuǎn)動能級有關(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)狀化合物或基團的驗證和確認利用紅外光譜對某一化合物或基團的驗證和確認是一種簡便、快捷的方法，只要選擇合適的制備樣品方法，測其紅外光譜圖，然后與標準物質(zhì)的紅外光譜或紅外標準譜圖對照，即可以確認或否定。要注意的是，樣品及標準物質(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)的測定定量分析吸收度的測量由紅外光譜中的測量峰測出入射光強度I0及透射光強度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，對電極表面的吸附作用或催化作用進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)用對古代青銅器的腐蝕產(chǎn)物進行分析研究，有利于我們認識古代各國的合金技術(shù)及處理工藝，研究其腐蝕機理，從而探討古青銅器的保護方案。與傳統(tǒng)的鑒別方法如電鏡、X光衍射等分析方法相比較，拉曼光譜被證實是對金屬器物做無損檢測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，全球每年約有萬人被癌癥奪去生命。因此，早期診斷對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胞組織結(jié)構(gòu)與正常細胞組織結(jié)構(gòu)之間的差異，通過一定數(shù)量癌變的和正常的器官組織的拉曼光譜的對比研究，從二者差異應(yīng)能找出反映改變的特征標志光譜。拉曼光譜可以對生物材料樣品進行測定而不會改變樣品的性狀，為此應(yīng)用這項技術(shù)對動物組織和細胞進行研究可用于醫(yī)學(xué)診斷為癌癥診斷和機理分析提供重要的信息和數(shù)據(jù)。這對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，先從遺傳品質(zhì)優(yōu)良的采種母樹上采集種子，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行測定，分析其發(fā)芽能力、判斷其質(zhì)量優(yōu)劣，評定其利用價值，使育苗和播種的風(fēng)險減少到最低程度。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431紅外光譜衍射的發(fā)展趨勢紅外光譜法廣泛用于有機化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析。近紅外光（nearinfrared,NIR）