材料研究方法引言

（優(yōu)選）材料研究方法引言當前第1頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

1．2材料科學研究方法1.2.1性能檢測1.2.2顯微組織分析原理1.2.3顯微結構表征1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析當前第2頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

1．2材料科學研究方法

1.2.3顯微結構表征顯微結構表征包括觀察組織的形貌、確定其原子排列方式和分析化學組分。分析方法可按觀察形貌的顯微鏡，測定結構的衍射儀及分析成分的各種譜儀進行分類。當前第3頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征A形貌觀察光學顯微術和金相學是在微米尺度觀察材料組織結構的最常用的方法。當前第4頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征掃描式和透射式電子顯微鏡把觀察顯微組織的尺度推進到納米層次。掃描電鏡已成為材料斷口形貌分析的主要工具，由于分辨率改進到納米尺寸，近年來已經作為質量監(jiān)控設備安裝在大規(guī)模集成電路器件的生產線上。當前第5頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征透射電鏡加上X射線能譜儀，電子能量損失譜儀和高亮度、高相干性的場發(fā)射槍電子源，使它成為能在納米尺度給出材料組織形貌、結構和成分的綜合儀器，功能強大。場離子顯微鏡利用針尖端表面原子層輪廓邊緣的電場不同，借助惰性氣體離子轟擊熒光屏可以得到針尖正面原子排布的投影像，達到0.2nm的分辨率?？梢灾庇^顯示晶界或位錯露頭處原子排列及氣體原子在表面的吸附行為。當前第6頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征20世紀80年代中期發(fā)展起來的掃描隧道顯微鏡，借助一根針尖與表面之間的隧道效應電流的調控，在表面作X，Y方向掃描的同時，在保持隧道效應電流恒定的電路控制下，針尖將依表面原子的起伏而在Z方向游動。這種移動經電信號放大并由計算機進行圖像處理，可以得到表面原子分布的圖像。其縱、橫向分辨率分別達到0.01nm及0.2nm，為材料表面表征及納米結構制備技術開拓了嶄新的領域。當前第7頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征在此技術有關的利用近程作用力而發(fā)展出來的原子力顯微鏡也日益擴展其應用。此外基于掃描探針近場技術發(fā)展的顯微鏡還有：研究磁性樣品表面磁疇和磁場分布的磁力顯微鏡；觀察微電路上電特性的靜電力顯微鏡；近場光學顯微鏡和光學掃描隧道顯微鏡；測量樣品表面微區(qū)溫度變化的掃描熱顯微鏡；可用于探測金屬與半導體次表面電子性質的彈道電子發(fā)射顯微鏡等。當前第8頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征B結構測定材料的結構測定仍以X射線衍射為主。這一技術包括粉末照相相分析，高溫、常溫、低溫衍射儀，背反射譜和透射勞厄照相，測定單晶結構的四聯(lián)衍射，織構的極圖測定等。由于X射線在晶體中衍射基本上是運動學衍射，因此衍射束的振幅與晶體單胞的結構因子有線性關系。這樣從X射線衍射圖的幾何分布可確定晶體材料的點陣類型和單胞大小，從衍射強度可反推出晶體單胞內各原子的位置。當前第9頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征在計算機的幫助下，只要提供試樣的尺寸及完整性滿足一定要求，X射線單晶衍射儀就可以打印出測定晶體樣品的晶體結構詳盡資料。但X射線不能在電磁場作用下會聚，所以通過狹縫或準直的方法使X射線束變小同時也就削弱了強度。要分析微米大小的單晶材料需要更強的X射線源，例如同步輻射X射線源。當前第10頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征由于電子與物質相互作用比X射線強4個數量級，而且電子束又可以會聚得很小，所以電子衍射特別適用于測定微細晶體或材料的亞微米尺度結構。在透射電鏡中進行電子衍射試驗，除了有結合形貌觀察以鑒別微細物相的有利條件外，還可以作結構的直接觀察，或稱高分辨像。當前第11頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征將晶體置于電子透鏡的前焦面，通常透射電鏡樣品就是放在這個位置，則電子經晶體的衍射圖就在電子透鏡的后焦面上形成，而且進一步在像平面上呈現晶體的點陣像?，F代電子透鏡的分辨率已達0.2nm甚至更高，完全可以在有利的取向下將晶體的投影原子柱之間的距離清楚分開。因此只要將晶體試樣制備得足夠薄，使電子穿過晶體是一種運動學相互作用，這樣在X射線中通常需要從衍射強度反推原子排列的過程可以自動由電子透鏡完成，將晶體沿電子束投影方向的原子排列成像于像平面。當前第12頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征下面以新型高溫結構陶瓷Ti3SiC2的高分辨結構像為例作一說明。碳化物陶瓷熔點、硬度都很高，碳化鈦、碳化硅是兩種典型的高溫結構材料和耐磨材料。但它們的可加工性很差，要將它們成型為合用的部件要較長的工藝過程。它們的復相陶瓷對韌性有所改善。近年發(fā)現碳硅鈦三元陶瓷有室溫可切削性，而且其電子結構也很有特點，有望用于功能性材料。當前第13頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征Ti3SiC2的結構可描述為三類原子分別以平面六角密堆排布，面與面之間按密堆積結構的三個球形成的凹陷堆垛。由于一個六角密堆面上的凹陷有兩種，如果將形成凹陷的原子平面記為A的話，則兩種凹陷位置分別記為B，C。圖1-4(a)、(b)的結構模型圖給出了三類原子的分布，而且標注了各原子平面在密堆垛中的記號。當前第14頁\共有49頁\編于星期三\3點圖1-4Ti-Si-C三元系化合物晶體結構的高分辨像(a)Ti3SiC2單胞原子排列；(b)沿[110]取向的結構投影圖，旁邊A、B、C標注密堆積平面的位置；(c)[110]取向高分辨像，元素符號標注原子種類，折線表示原子面堆積順序當前第15頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征從圖可以盾出，Ti-C之間是ABCABC堆垛，即原來TiC面心立方結構。Ti-Si之間則是ACA堆垛，相當于原來SiC的六角密堆垛，不過這里的C原子由Ti原子置換了。由于沿[110]方向投影看過去，Ti-C原子間距僅為0.16nm，在0.2nm分辨率的電鏡中不可分辨，加上碳原子的散射能力弱，故碳原子在圖1-4(c)的高分辨像中不能單獨成像。在高分辨像中鈦、硅原子均可單獨成像，在圖中與白亮像點對應。當前第16頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征如以Si原子面為A位置，則Ti原子在Si原子面上下兩側的排布分別為BCA，呈鏡面對稱，在圖中已用線條勾勒出來。高分辨原子像對研究晶體結構而言不僅有直觀性的優(yōu)點，而且對于局域的結構變異或缺陷的揭示，更顯示它的長處。當前第17頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征

中子衍射也是結構分析的手段之一。中子受物質中原子核散射，輕重原子核對中子的散射能力差別不大。中子衍射有利于測定輕原子的位置，是上述兩種主要結構分析方法的有力補充。當前第18頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征C化學組分分析材料的化學成分分析除傳統(tǒng)的分析化學技術外，還包括質譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣、液相色譜，光發(fā)射與吸收譜，X射線熒光分析譜，俄歇與X射線光電子譜，二次離子質譜，拉曼譜，電子探針，原子探針(與場離子顯微鏡聯(lián)用)，激光探針等等。適用于各種不同情況的分析方法，在這里不能一一敘述。當前第19頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征另有一類譜儀是基于材料受激發(fā)的發(fā)射譜，專為研究晶體缺陷附近的原子排列狀態(tài)而設計的，如核磁共振譜儀、電子自旋共振譜儀、穆斯堡爾譜儀、正電子湮沒等等。當前第20頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征掃描探針顯微鏡的主要功能雖然是形貌觀察，但控制探針的隧道電流、近程力等，除與探針跟試樣之間的距離有關外，還與試樣表面的化學元素、電子態(tài)、自旋態(tài)等有關。所以這類儀器從原理上說，也有探測表面化學狀態(tài)的潛力。有些掃描探針顯微鏡也已開發(fā)出這種功能。當前第21頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征就各種方法的適用層次而言，一方面要知道需探測組織的尺度，另方面需要知道各種分析方法自身具備的能力。圖22—4是幾種典型的顯微組織表征設備分析空間分辨極限和靈敏度的綜合示意圖，圖中各分析技術英文縮寫含意如下：

當前第22頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.3顯微結構表征RM拉曼譜；TEM透射電子顯微術；FESEM場發(fā)射掃描電子顯微術；AFM原子力顯微術；AES俄歇電子能譜；原子發(fā)射光譜；EDSX射線微區(qū)分析能譜；FTIR傅里葉變換紅外光譜；ESCA化學分析電子能譜；RBS盧瑟福背散射；XRFX射線熒光光譜；SIMS次離子質譜；MS質譜。當前第23頁\共有49頁\編于星期三\3點圖1-5各種分析手段的分辨率與靈敏度縱坐標為檢測范圍(左)／每立方厘米原子數(右)，橫坐標是分析束斑大小。圖上方表示成像模式的分辨率，右方表示對塊體而言。圖內三根斜線分別表示對于0.3nm，3nm，30nm的樣品深度進行成分分析的物理極限當前第24頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析為了說明從材料研制的需要及從測試技術提供的可能兩方面的結合，以納米碳管和氮化鎵棒這類一維材料為例，介紹所涉及的多種性能測試技術及顯微分析手段。同時也說明材料向低維方向延伸對表征技術的促進。按表征的要求分類，這些測試技術有以下幾種。當前第25頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析

①形貌觀察。一維管、棒生長得完整與否，雜質多少，缺陷分布，在電子顯微鏡均可清楚顯示。但有些特殊形貌，如納米碳管的手性特征，則尚未能直接成像。②結構測定。碳對X射線散射能力很弱，所以納米碳管多用電子衍射分析。電子衍射對碳管的手性特征分析有其獨到之處。當前第26頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析③化學成分。當碳管綴飾人元素或化合物，需要在非常特定的區(qū)域作鑒定時，場發(fā)射槍透射電子顯微鏡所提供的納米尺度電子束適合于此類分析。④光學性質。氮化鎵是正在研制中的發(fā)光材料，當其二維尺寸受限后的發(fā)光特性是大家感興趣的課題。當前第27頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析⑤電學性質。納米碳管的場發(fā)射特性近年來頗受關注，它作為量子線也提到研究日程。納米碳管依其螺旋度及管徑，可以表現出金屬性或半導體性的導電特性。所以相關的電測量也日益精細化。當前第28頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析⑥力學性能。石墨纖維的高模量和高強度已經很吸引人，而納米碳管的力學性能更為誘人。已經在電子顯微鏡觀察的范疇內提出通過一維管或棒受力彎曲的程度來測量其基本力學參數的電子秤概念。⑦化學性能。如穩(wěn)定性，特別是在特殊環(huán)境中的穩(wěn)定性，如太空。還有如吸放氫特性，也很吸引人。當前第29頁\共有49頁\編于星期三\3點圖1-6氧化鋯納米粒子包覆著氮化硼膜的高分辨像

圖1-6是一種納米復合粒子的高分辨像。中心的二維點陣像給出這是ZrO2，相應的微衍射圖也可以給出同樣的信息。包覆在粒子外層的膜有明顯的層狀結構，但因為只有一個參數，難以作判斷。當前第30頁\共有49頁\編于星期三\3點圖1-7氧化鋯-氮化硼復合粒子的電子能量損失譜

(a)電子束輻照整個復合粒子所得的電子能量損失譜；

(b)電子束只輻照表面膜的電子能量損失譜

圖1-7(a)給出從粒子中心得出的電子能量損失譜，可以確定它是氧化鋯。在200—450eV區(qū)可以察覺到B和N的存在。由于粒子是近似球形的，入射電子在進入及離開氧化鋯時都必然令穿過表面覆蓋層，所以表層為BN的可能性很大。當前第31頁\共有49頁\編于星期三\3點圖1-7氧化鋯-氮化硼復合粒子的電子能量損失譜

(a)電子束輻照整個復合粒子所得的電子能量損失譜；

(b)電子束只輻照表面膜的電子能量損失譜將電子束只集中在覆蓋層采集電子能量損失譜，如圖1-7(b)所示，可以清楚看到BN的兩個元素峰。當前第32頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1.2.4從材料出發(fā)的綜合分析透射電鏡將電子束會聚到納米大小，在試樣的納米區(qū)域提供結構、形貌、組分的綜合信息，這個例子是很好的說明。當前第33頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望A分析技術的交叉與綜合分析表征技術各有專長。技術發(fā)展的第一趨向總是將技術的特長指標步步推向極致。如分析成分的技術把定量化做得更精確，把在材料內單一成分的檢測極限一再降低等。對于新材料的研制，如能在一個設備中收集到多種信息，能從多方面反映材料的性能及組織特征，是材料工作者所希望的。因此分析技術的發(fā)展有下述兩種趨勢。當前第34頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望一是發(fā)展綜合分析技術。以透射電子顯微鏡為例，電子束經過樣品后，由電子透鏡在后焦面上形成衍射圖，提供樣品物相晶體結構與缺陷的信息；透鏡還進一步在像平面顯現樣品的放大像，在有利情況下，甚或可以顯示原子排列的直觀像。通過收集相關特征X射線和電子能量損失譜，可以得到試樣的化學組分信息。當前第35頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望20世紀末期裝備有場發(fā)射槍電子源的透射電子顯微鏡已逐漸成為商品透射電鏡的主流，這種電子源能提供束斑尺寸在納米量級、亮度又足夠進行成分分析的入射電子束，使樣品在納米范圍內進行形貌、結構、成分的綜合分析成為可能，有力地促進了材料界面、納米結構、微電子器件的表征研究。當前第36頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望二是性能測試與顯微組織表征同步進行。為驗證金屬多列原子作為量子線的電導性能，可以將金的針尖與平面試樣接觸后再慢慢拉開，從透射電鏡中可以清楚看到隨著拉開的過程，聯(lián)接針尖與平面的原子列從數列一列一列地減少到單列直至斷開。這樣從多列到單列的原子線模型材料是實現了，但還要同時測量金多列原子的電導性質。當前第37頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望單壁納米碳管也有作為量子線的潛力。為了考察這一點，已有人設計出這樣的實驗，將定向生長在某基體的長度參差不齊的單壁納米碳管倒置過來，逐漸浸入汞液中，在電子顯微鏡可看到最長的一根管與汞液相接觸。這時接連基體與汞液的電路測量到一個相當于量子電導的電流。當這根最長的管繼續(xù)浸入汞液時，電流保持不變，意味著碳管在汞液的浸入長度對電流沒有影響。僅當第二根次長的碳管與汞液接觸時，電路電流跳躍到另一個平臺。這能確定了單壁納米碳管作為電導量子線的性質。當前第38頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望B分析結果的定量化與可視化計算機的快速發(fā)展在多方面促進材料檢測與評價分析技術。首先是數據處理能力的提高使分析定量化。自然所有分析數據的處理都能從計算能力的提高中得到好處。例如一條曲線，如果需要的話，可以畫出其微分或積分曲線；在沖擊或硬度試驗中，過去只能簡單記錄結果的沖擊值或硬度值，現在則可從擺錘或頂頭接觸試樣的一刻開始記錄受力與位移曲線，從中分析出其他力學量，如模量、屈服強度、加工硬化率等等。

當前第39頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望分析定量化還可以從透射電子顯微鏡的高分辨像定量分析作為例子進行說明。首先是像點幾何位置的定量化。在有利條件下，高分辨像的像點排列可被認為是樣品中投影方向原子柱的排列。對于完整晶體，人們從原子像中看原子排列的周期性、對稱性就可以了。然而對于局部缺陷區(qū)域，如界面、層錯、位錯、空位等等，如果想了解原子排列位置的畸變，僅憑肉眼只能有定性的印象。當前第40頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望現在可以首先將每個像點求出他們的“重心”，作為其幾何位置。進一步將完整區(qū)的像點位置在幾何上平均為一個網格，然后將這個網格與局域缺陷區(qū)的取樣網格對照，將缺陷區(qū)的像點位移一一測量出來。這就是缺陷區(qū)的位移場。如果有足夠的力學參數，還可從進一步推導缺陷區(qū)的應力場等等。

當前第41頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望其次是像點強度的定量化。高分辨像每個像點強度與真實投影原子柱的原子序之間的關系目前還沒有嚴格的定量關系。但在一些特定情況下，可以作一些類比。例如先將像點的強度定量化，分成若干個強度等級。然后設計模型，根據可能的原子排布進行像模擬。從模擬圖中的像點強度也進行等級分類。實驗圖與計算圖強度等級如能從基體(或絕大多數)原子中找出一個可比較的認定值，即作為參照物。進而把其他少量原子的像點強度區(qū)分出來。這種能對像中像點的原子類別作辨認的定量分析法還在發(fā)展中。當前第42頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望其次是分析結果的可視化。在人們與客觀世界交流信息的手段中，視覺具有接受信息量大、直觀性強的特點。如果分析結果只是一堆數字，雖然很精確，但失之枯燥?，F在計算機的介入將這些數據作處理，變成圖表、曲線甚至生動的圖像。當前第43頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望掃描隧道顯微鏡的表面拓撲像的原始數據是掃描針尖在X、Y方向掃描過程中沿Z方向上下位移的記錄。初步的可視化是一根根沿X或Y方向的起伏線，再把這族線沿Y或X方向疊起來。進一步可以將它們處理成表面拓撲像，如我們?？吹降腟i表面重構圖，把一個個原子形象地用圓球表示出來。如果按時間順序把各幅畫面作動畫播放，就能把表面重構、化學反應的過程清楚地顯示出來。

當前第44頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望C低維材料制備與分析測試結合在傳統(tǒng)意義上，材料的分析測試都是在制備與加工后，截取部分試樣進行檢查。由于納米科技日趨成熟，許多新材料研制是在微米－納米尺度進行的。這與材料顯微組織表征的尺度正好相近。這就產生了雙重效應：一是在制備過程中進行檢測表征，另一是利用顯微組織表征設備作為納米結構的制備手段。下面以透射電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡為例作一說明。當前第45頁\共有49頁\編于星期三\3點第一章引言

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1．2．5材料性能與組織表征技術發(fā)展展望透射電鏡兼有顯微組織表征中的形貌、結構和成分分析的綜合功能。為了制備與檢查功能材料的需要，可以在透射電子顯微鏡的鏡筒一側，并行放置離子注入設備、聚焦離子束設備和分子束外延生長設備。這些樣品