材料科學(xué)分析技術(shù)(材料科學(xué)研究與測(cè)試方法-緒論)

材料科學(xué)研究與測(cè)試方法

2專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課程的建立

成份/價(jià)鍵、非晶/結(jié)晶、微結(jié)構(gòu)

力學(xué)性能物理性能

分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS…)

分子結(jié)構(gòu)、非晶/結(jié)晶、織態(tài)

力學(xué)性能物理性能

分析方法(FTIR,NMR,TEM…)

高分子材料無(wú)機(jī)非金屬材料

成份/價(jià)鍵、結(jié)晶/非晶、組織

力學(xué)性能物理性能

分析方法(XRD,TEM,SEM,EDS…)

金屬材料結(jié)構(gòu)共性知識(shí)性能共性理論測(cè)試分析共性方法材料科學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)性能材料研究方法材料物理性能3材料科學(xué)基礎(chǔ)材料力學(xué)性能材料研究方法材料物理性能專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課程的建立

有限元

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算相圖

晶體結(jié)構(gòu)精飾

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)材料研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用4有限元基礎(chǔ)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)譜圖解析晶體結(jié)構(gòu)精飾材料研究計(jì)算機(jī)應(yīng)用EDSNMRFTIRXRDTEMSEMAFM結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)拉伸彎曲沖擊扭轉(zhuǎn)壓縮硬度疲勞粘彈量子力學(xué)介電光學(xué)傳熱磁性材料力學(xué)性能材料物理性能材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料現(xiàn)代研究方法

成份/價(jià)鍵、分子結(jié)構(gòu)、晶態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、織態(tài)結(jié)構(gòu)熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、疲勞、磨損學(xué)習(xí)內(nèi)容核心內(nèi)容結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)演變力學(xué)性能物理性能45專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課程的建立

固體中的原子鍵合

結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)

金屬與無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)鍵合力與能量，雜化軌道的鍵合，分子軌道的鍵合，原子間基本鍵型，離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，弱作用鍵

晶體的基本概念與性質(zhì)，晶體的宏觀對(duì)稱，單形與聚形，晶體定向和結(jié)晶符號(hào)，晶體點(diǎn)陣的對(duì)稱，晶體的堆積方式金屬的晶體結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)合金，無(wú)機(jī)材料的晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)熔體與玻璃材料科學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺陷及固溶體點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)，面缺陷，固溶體，非化學(xué)計(jì)量缺陷，有序和無(wú)序固溶體

高分子鏈的結(jié)構(gòu)高分子鏈的組成和構(gòu)造，高分子鏈的構(gòu)象高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的分子間作用力，聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的液晶態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物的取向態(tài)結(jié)構(gòu)，高聚物的熱運(yùn)動(dòng)和力學(xué)狀態(tài)組織形貌分析

物相分析

成分和價(jià)鍵分析

光學(xué)顯微分析，掃描電子顯微鏡，掃描探針顯微鏡，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。

物相分析的意義及含義,電磁波及物質(zhì)波的衍射理論,X射線衍射物相分析,電子衍射及顯微分析

X射線光譜分析(電子探針儀，能譜儀，波譜儀),X射線光電子能譜分析,俄歇電子能譜.材料現(xiàn)代研究方法分子結(jié)構(gòu)分析

振動(dòng)光譜(傅里葉變換紅外光譜,拉曼光譜)和核磁共振波譜技術(shù)。

綜合案例分析

以一種材料的綜合研究為例，講授以上四大類材料分析手段在材料研究中如何綜合應(yīng)用，達(dá)到實(shí)現(xiàn)材料研究的目的。6第一章材料分析檢測(cè)技術(shù)概述材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能及應(yīng)用之間相互關(guān)系的科學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱。材料學(xué)科是一交叉學(xué)科。材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能四個(gè)方面，它們之間相互聯(lián)系、相互影響，成為一個(gè)有機(jī)的整體。1.1Introduction7Tetrahedron

composition-structure

synthesis-processingpropertiesperformance

8Hexahedron

9結(jié)構(gòu)決定性能是自然界永恒的規(guī)律“相”(phase)

在體系內(nèi)部物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的一部分成分和結(jié)構(gòu)完全相同的部分才稱為同一個(gè)相

10材料的微觀組織結(jié)構(gòu)形貌相分布、形狀、大小、數(shù)量等。結(jié)構(gòu)相的原子排列情況表征；組成相之間的關(guān)系缺陷晶體缺陷表面狀態(tài)成分相的成分、界面成分及其分布

材料分析檢測(cè)技術(shù)是關(guān)于材料成分、物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和晶體缺陷等的現(xiàn)代分析、檢測(cè)技術(shù)及其有關(guān)理論知識(shí)的科學(xué)。11

材料分析的基本原理是指測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系，采用不同的測(cè)量信號(hào)形成了各種不同的材料分析方法。

基于電磁輻射及運(yùn)動(dòng)粒子束與物質(zhì)相互作用的各種物理效應(yīng)所建立的各種分析方法已成為材料分析檢測(cè)的重要組成部分，大體可分為：光譜分析、電子能譜分析、衍射分析及電子顯微分析熱分析、色譜分析、質(zhì)譜分析、電化學(xué)分析12檢測(cè)分析分析儀器分析過(guò)程信號(hào)發(fā)生信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生分析信號(hào)信號(hào)檢測(cè)檢測(cè)器測(cè)量信號(hào)信號(hào)處理信號(hào)處理器放大、運(yùn)算、比較信號(hào)讀出讀出裝置記錄、顯示檢測(cè)信號(hào)與材料的特征關(guān)系131.2衍射分析方法概述

衍射分析主要用于物相分析和晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定。14定義:光在傳播過(guò)程中能繞過(guò)障礙物的邊緣而偏離直線傳播，并且在屏幕上形成明暗相間的條紋分布的現(xiàn)象。光的衍射不易發(fā)生的原因：（2）聲波，波長(zhǎng)幾十米，未見(jiàn)其人先聞其聲（1）無(wú)線電波：波長(zhǎng)幾百米，天涯若比鄰（3）可見(jiàn)光波，波長(zhǎng)400-760nm，15衍射現(xiàn)象f1f2a（1）中央亮紋兩邊對(duì)稱分布明暗相間條紋；（2）中央亮紋的寬度大致是兩側(cè)亮紋寬度的兩倍；（3）離中央亮紋愈遠(yuǎn)的亮紋，亮度愈低;(4)縫寬

，亮紋膨脹(變寬);縫寬

，亮紋收縮。16電磁輻射或運(yùn)動(dòng)電子束、中子束等與材料相互作用產(chǎn)生相干散射（彈性散射），相干散射相互干涉的結(jié)果---衍射，是材料衍射分析方法的技術(shù)基礎(chǔ)。X-射線衍射分析、電子衍射分析分析、中子衍射分析171.2.1X射線衍射分析物質(zhì)的性質(zhì)、材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如果你有一雙X射線的眼睛，就能把物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)看個(gè)清清楚楚明明白白！X射線衍射將會(huì)有助于你探究為何成份相同的材料，其性能有時(shí)會(huì)差異極大.X射線衍射將會(huì)有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑。18與衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

19X射線的物理基礎(chǔ)X射線與物質(zhì)作用示意圖衍射1.X射線衍射的物理學(xué)基礎(chǔ)1895年倫琴X-ray0.04~1nm電磁波20X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

當(dāng)X射線與物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生化作用，引起各種效應(yīng)，如：使一些物質(zhì)發(fā)出可見(jiàn)的熒光；使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光；破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵，使新鍵形成，促進(jìn)物質(zhì)的合成引起生物效應(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化；X射線與物質(zhì)之間的物理作用，可分為X射線散射和吸收。21X射線的物理基礎(chǔ)（1）X射線的散射原子對(duì)X射線的散射：使得X射線發(fā)生散射的物質(zhì)主要是物質(zhì)的自由電子及原子核束縛的非自由電子，后者有時(shí)可稱為原子對(duì)X射線的散射。X射線穿過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度衰減,原因：----主要由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)----發(fā)生散射:相干散射和非相干散射22相干散射：（經(jīng)典散射）當(dāng)X射線與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子相遇，光量子能量不足以使原子電離，但電子在X射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，而向周圍輻射與X射線波長(zhǎng)相同的電磁波，各電子所散射的射線波長(zhǎng)相同，彼此間有確定的相位關(guān)系。在與晶體作用時(shí)，在空間現(xiàn)成滿足波的相互干涉條件的多元波。（當(dāng)入射線與散射線波長(zhǎng)相同時(shí)，相位滯后恒定，散射線之間能相互干涉）。非相干散射：當(dāng)散射線波長(zhǎng)與入射線波長(zhǎng)不同時(shí)，散射線之間不相干，則稱之為非相干散射。而康普頓散射即為非相干散射?？灯疹D—吳有訓(xùn)效應(yīng)23（2）X射線的真吸收

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指X射線能量在經(jīng)過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰康男?yīng)。主要表現(xiàn)在對(duì)物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子的激發(fā)和隨后產(chǎn)生的各種過(guò)程。它主要包括光電效應(yīng)（二次特征輻射）和俄歇效應(yīng)等。24①光電效應(yīng)與熒光輻射

當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí)，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子的能量就會(huì)被吸收，從而也導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級(jí)上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。為與入射的X射線相區(qū)別，我們稱X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征X射線或熒光X射線。這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程稱為光電效應(yīng)。被擊出的電子稱光電子。與上述相同，產(chǎn)生的二次特征X射線的波長(zhǎng)與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種類和結(jié)構(gòu)。25②俄歇效應(yīng)

在上述的激發(fā)與躍遷的過(guò)程中，當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，以輻射X射線的形式釋放能量。還可以另一種形式釋放能量，即這些能量被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。由于這種二次電子原來(lái)是在原子的某個(gè)殼層上的，因此它具有特定的能量值。可以用來(lái)表征這些原子。這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的。故稱俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。

26X射線的物理基礎(chǔ)

（3）X射線的吸收

dIx

＝Ix+dx－Ix

X光減弱規(guī)律的圖示

l為線吸收系數(shù)（cm-1)，與入射X射線束的波長(zhǎng)及被照射物質(zhì)的元素組成和狀態(tài)有關(guān)。＝＝-

l·dx

27X射線的物理基礎(chǔ)X射線通過(guò)整個(gè)物質(zhì)厚度的衰減規(guī)律：

I/I0=exp(-

l

?d)式中I/I0稱為X射線透射系數(shù)，I/I0

＜1。I/I0愈小,表示X射線被衰減的程度愈大。X射線與物質(zhì)的作用28X射線的物理基礎(chǔ)X射線透射系數(shù)：I/I0

，I/I0愈小,表示X射線被衰減的程度愈大。線吸收系數(shù)，

l：就是當(dāng)X射線透過(guò)單位長(zhǎng)度（1cm）物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度衰減的程度,

l值愈大，則強(qiáng)度衰減愈快。相關(guān)概念及物理意義29X射線的物理基礎(chǔ)

質(zhì)量吸收系數(shù)

m：是單位質(zhì)量物質(zhì)（單位截面的1g物質(zhì)）對(duì)X射線的衰減程度，其值的大小與溫度、壓力等物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)無(wú)關(guān)，但與X射線波長(zhǎng)及被照射物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。

m=

l/

為被照射物質(zhì)的密度相關(guān)概念及物理意義cm2g-130X射線的物理基礎(chǔ)質(zhì)量吸收系數(shù)具有加和性：相關(guān)概念及物理意義或31金屬鉑的質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)變化示意圖質(zhì)量吸收系數(shù)是所用輻射波長(zhǎng)及元素的原子序數(shù)的函數(shù)。32X射線的物理基礎(chǔ)元素的質(zhì)量系數(shù)

m是所用輻射波長(zhǎng)及元素的原子序數(shù)的函數(shù)。吸收與波長(zhǎng)及原子序數(shù)的關(guān)系a、b為常數(shù)，與吸收物質(zhì)有關(guān)。

m=a

3+b

4(連續(xù)的部分）

m=k

3Z333X射線的物理基礎(chǔ)34物質(zhì)吸收限K應(yīng)滿足K<K<K351895年，著名德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。1912年，英國(guó)物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測(cè)定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，從此開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。362.X射線衍射X射線源單色連續(xù)譜的X射線晶體樣品單晶體多晶體晶體粉末多晶體X射線衍射分析衍射儀法粉末照相法單晶體X射線衍射分析勞厄法周轉(zhuǎn)晶體法四圓衍射儀綜合衍射儀法與周轉(zhuǎn)晶體法37X射線衍射儀是對(duì)物質(zhì)和材料的組成和原子級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和鑒定的基本手段。其最常用的目的如下：1：確定物質(zhì)和材料中的各種化合物的各種原子是怎么排列的。研究材料和物質(zhì)的一些特殊性質(zhì)與其原子排列的關(guān)系。2：確定物質(zhì)和材料含有哪些化合物（物相）。3：確定各種化合物（物相）的百分比。4：測(cè)定納米材料的晶粒大小。5：材料中的應(yīng)力、織構(gòu)、取向度、結(jié)晶度等等。6：薄膜的表面和界面的粗糙度、薄膜的厚度。38P123表面活性劑輔助生長(zhǎng)，100℃、12h水熱合成CePO4一維納米結(jié)構(gòu)材料的XRD圖譜

39

表面活性劑SDS誘導(dǎo)氧化鋯納米晶樣品在不同溫度煅燒后的XRD圖譜40

1923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問(wèn)題，并且大膽地設(shè)想，對(duì)于光子的波粒二象性會(huì)不會(huì)也適用于實(shí)物粒子。物質(zhì)波的引入光具有粒子性，又具有波動(dòng)性。光子能量和動(dòng)量為

上面兩式左邊是描寫粒子性的E、P；右邊是描寫波動(dòng)性的

、

。

將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來(lái)。實(shí)物粒子：靜止質(zhì)量不為零的那些微觀粒子。一切實(shí)物粒子都有具有波粒二象性。1.2.2電子衍射分析1.電子衍射的物理學(xué)基礎(chǔ)41實(shí)物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動(dòng)的特性。實(shí)物粒子的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波，物質(zhì)波的波長(zhǎng)稱為德布羅意波長(zhǎng)。德布羅意關(guān)系式

德布羅意把愛(ài)因斯坦對(duì)光的波粒二象性描述應(yīng)用到實(shí)物粒子，動(dòng)量為P

的粒子波長(zhǎng)：德布羅意公式德布羅意是第一個(gè)由于博士論文（提出的物質(zhì)波的假設(shè)）獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。42

X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。

1927年C.J.戴維森與G.P.革末作電子衍射實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電子具有波動(dòng)性。德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子衍射實(shí)驗(yàn)1

戴維遜和革末的實(shí)驗(yàn)是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強(qiáng)度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗(yàn)證了物質(zhì)波的存在。探測(cè)器電子束電子槍鎳單晶431927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實(shí)驗(yàn)2

電子束在穿過(guò)細(xì)晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。此后，人們相繼證實(shí)了原子、分子、中子等都具有波動(dòng)性。44電子束與材料的相互作用45當(dāng)高能入射電子束轟擊樣品表面時(shí)，入射電子束與樣品之間存在相互作用，有99%以上的入射電子能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能，而余下的約1%的入射電子能量，將從樣品中激發(fā)出各種有用的信息，主要有：46（1）電子散射電子顯微鏡成像的重要基礎(chǔ)。當(dāng)一束高能電子束照射到試樣上，運(yùn)動(dòng)的電子受固體中原子核及其周圍電子形成的電場(chǎng)的作用，改變其運(yùn)動(dòng)方向---電子散射。彈性散射非彈性散射原子核運(yùn)動(dòng)方向改變電子能量不變（波長(zhǎng)和速度）核外電子方向、能量均變伴隨物理現(xiàn)象發(fā)生47背散射電子

背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子(距樣品表面0.1~1um)，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指被樣品中原子核反彈回來(lái)的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量沒(méi)有損失（或基本上沒(méi)有損失）。由于入射電子的能量很高，所以彈性背散射電子的能量能達(dá)到數(shù)千到數(shù)萬(wàn)電子伏。從數(shù)量上看，彈性背散射電子遠(yuǎn)比非彈性背散射電子所占的份額多。背散射電子來(lái)自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。48（2）二次電子在入射電子束作用下被轟擊出來(lái)并離開樣品表面的樣品的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。（從距樣品表面100A左右深度范圍內(nèi)激發(fā)出來(lái)的低能電子。<50eV—SEM)二次電子一般都是在表層5~10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，它對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒(méi)有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來(lái)進(jìn)行成分分析。49氟磷灰石六方短柱狀晶體,階梯狀晶面生長(zhǎng)紋清晰，(PitiglianoItaly，

SEI)

50（3）吸收電子入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射能量損失殆盡（假定樣品有足夠的厚度沒(méi)有透射電子產(chǎn)生），最后被樣品吸收。(殘存在樣品中的入射電子）由入射電子束與樣品的相互作用可知：

ia=i0-(ib+is)式中，i0

是入射電子流，ib，is，iaBESEAE。吸收電子像：表面化學(xué)成分和表面形貌信息。吸收電子是對(duì)樣品中原子序數(shù)敏感的一種物理信號(hào)51入射電子束吸收電子二次電子背散射電子俄歇電子特征X射線透射電子透射電子（包含非彈性散射電子）（彈性散射電子）樣品52（4）透射電子

如果樣品足夠?。?um以下），透過(guò)樣品的入射電子其能量近似于入射電子能量?！猅EM

透射電子是采用掃描透射操作方式對(duì)薄樣品成像和微區(qū)成分分析時(shí)形成的透射電子。這種透射電子是由直徑很?。?lt;10nm）的高能電子束照射薄樣品時(shí)產(chǎn)生的，因此，透射電子信號(hào)是由微區(qū)的厚度、成分和晶體結(jié)構(gòu)來(lái)決定。透射電子中除了有能量和入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮油?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子，其中有些遭受特征能量損失

E的非彈性散射電子（即特征能量損失電子）和分析區(qū)域的成分有關(guān)，因此，可以利用特征能量損失電子配合電子能量分析器來(lái)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

53（5）特征X射線

特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。(發(fā)射深度0.5~5um)發(fā)射的X射線波長(zhǎng)具有特征值，波長(zhǎng)和原子序數(shù)之間服從莫塞萊定律。因此，原子序數(shù)和特征能量之間是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，利用這一對(duì)應(yīng)關(guān)系可以進(jìn)行成分分析。如果用X射線探測(cè)器測(cè)到了樣品微區(qū)中存在某一特征波長(zhǎng)，就可以判定該微區(qū)中存在的相應(yīng)元素。54（6）俄歇電子

從距樣品表面幾A深度范圍內(nèi)發(fā)射的并具有特征能量的二次電子。

在入射電子激發(fā)樣品的特征X射線過(guò)程中，如果在原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出來(lái)的能量并不以X射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量的空位層內(nèi)的另一個(gè)電子發(fā)射出去（或使空位層的外層電子發(fā)射出去），這個(gè)被電離出來(lái)的電子稱為俄歇電子。因?yàn)槊恳环N原子都有自己的特征殼層能量，所以其俄歇電子能量也各有特征值。俄歇電子的能量很低，一般位于8

10-19~240

10－19J（50～1500eV）范圍內(nèi)。俄歇電子的平均自由程很?。?nm左右），因此在較深區(qū)域中產(chǎn)生的俄歇電子在向表層運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)因碰撞而損失能量，使之失去了具有特征能量的特點(diǎn)，而只是在距離表面1nm左右范圍內(nèi)（即幾個(gè)原子層厚度）逸出的俄歇電子才具備特征能量，因此俄歇電子特別適用做表面層成分分析。552.電子衍射分析立足于運(yùn)動(dòng)電子束的波動(dòng)性

入射電子被樣品中各個(gè)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(qiáng)，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)。

依據(jù)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。

56HEED法的入射電子能量為10~200keV；透射式高能電子衍射只適用于對(duì)薄層樣品（薄膜）的分析。反射式高能電子衍射分析（RHEED)以高能電子照射較厚固體樣品來(lái)分析研究表面結(jié)構(gòu)。反射式高能電子衍射儀由：電子槍（信號(hào)源）、樣品架、熒光屏等組成，在超高真空環(huán)境下工作。LEED入射電子能量為10~1000(一般10~500)eV。適用于分析晶體表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于表面吸附、腐蝕、催化、外延生長(zhǎng)、表面處理等材料表面科學(xué)與工程領(lǐng)域。低能電子衍射儀由電子光學(xué)系統(tǒng)、控制電源、記錄系統(tǒng)和超真空系統(tǒng)等部分組成。571.3電子顯微分析方法概述1.3.1電子顯微分析的物理學(xué)基礎(chǔ)---德布羅意波

電子具有波動(dòng)性，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。以電子束照明的電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡提高近2000倍電子波的波長(zhǎng)取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量58物質(zhì)波與加速電壓之間存在如下關(guān)系若電子速度較低，則其質(zhì)量和靜止質(zhì)量相近，即m=m059若加速電壓很高，使電子具有極高速度，則經(jīng)過(guò)相對(duì)論修正，有電子波長(zhǎng)為：601.3.2電子顯微分析

高能電子束作光源，用磁場(chǎng)作透鏡制造的，主要用來(lái)觀察物體的形貌

觀察物體的形貌的同時(shí)，還能測(cè)定物相的結(jié)構(gòu)和微區(qū)化學(xué)成分。透射和反光顯微鏡

基于電子束（波）與材料的相互作用611）透射電子顯微鏡（TEM）用于薄層（<200nm)樣品微觀形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析。其成像原理:A、以電子束為照明源，經(jīng)聚光鏡（電磁透鏡)聚光，透過(guò)薄膜樣品。透射電子經(jīng)成像系統(tǒng)聚焦、放大、成像，并由熒光屏顯示或底片記錄。B、用于觀察樣品的形態(tài)C、通過(guò)電子衍射測(cè)定材料的結(jié)構(gòu)，從而確定材料的物相。62一種能夠以原子尺度的分辨能力提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功能的儀器63TEM形貌--結(jié)構(gòu)--成分三位一體分析

日立公司H－700

CM200-FEG場(chǎng)發(fā)射槍電鏡

64JEM-2010透射電鏡EM420透射電子顯微鏡65PhilipsCM12透射電鏡CEISS902電鏡66

67

6869晶格分辨率標(biāo)定70放大倍數(shù)標(biāo)定

71EuPO4GdPO4

72

單根CePO4納米線的TEM及相應(yīng)的SAED、HRTEM/EDS圖譜732）掃描電子顯微鏡（SEM）A、電子束在樣品表面掃描B、用于觀察樣品的形貌（具有立體感）C、通過(guò)電子束激發(fā)樣品的特征X射線獲取樣品的成分信息。74以多種方式給出微區(qū)成份等信息，用來(lái)觀察斷口表面微觀形態(tài)，分析研究斷裂的原因和機(jī)理等

較高的分辨率和很大的景深清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌7576773）電子探針顯微分析（EPMA，electromprobemicro-analysis）

電子探針是在掃描電鏡的基礎(chǔ)上配上波譜儀或能譜儀的顯微分析儀器，它通過(guò)將電子束打在樣品表面，激發(fā)樣品的特征X射線通過(guò)波譜儀或能譜儀獲取成分信息，進(jìn)行微區(qū)的成分分析?，F(xiàn)代電子探針：掃描型電子探針—樣品表面成分的點(diǎn)分析、線分析、面分析。78掃描俄歇探針（SAM)__用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描，可實(shí)現(xiàn)樣品表面成分的點(diǎn)分析、線分析、面分析和深度剖面分析（利用離子槍發(fā)射惰性氣體離子對(duì)樣品表面濺射刻蝕，用俄歇譜逐層測(cè)定化學(xué)成分，從而獲得元素沿樣品深度方向的濃度分布。）791.4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(yùn)動(dòng)實(shí)物粒子（電子、離子、原子等）照射或轟擊材料產(chǎn)生的電子能譜（電子產(chǎn)額對(duì)能量的分布）進(jìn)行材料分析的方法。電子能譜分析法：光電子能譜、俄歇電子能譜、離子中和譜、電子能量損失譜光電子能譜分析：X射線光電子能譜XPS/ESCA

紫外光電子能譜UPS/PES與俄歇電子能譜分析是已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的重要電子能譜分析方法。電子能譜分析可使用固體樣品、氣體樣品和液體樣品[液體樣品應(yīng)蒸發(fā)為氣體或沸騰或做成載體（線）上的液體膜等]。801.5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(zhǎng)與強(qiáng)度進(jìn)行材料分析的方法。光譜分析方法包括：吸收光譜分析、發(fā)射光譜分析法散射光譜(拉曼散射譜)分析法。81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(hào)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(jí)躍遷產(chǎn)生輻射(發(fā)射光譜)，產(chǎn)生的輻射經(jīng)過(guò)分光儀器(攝譜儀)分光(色散)，按波長(zhǎng)順序記錄在感光板上，從而獲得了按譜線形式表達(dá)的樣品發(fā)射光譜圖

82

分析儀器：原子吸收分光光度計(jì)——信號(hào)源(光源)、原子化器、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)。由于待測(cè)元素吸光度與其含量成正比，故根據(jù)測(cè)得的吸光度可確定樣品中待測(cè)元素的含量，即實(shí)現(xiàn)元素含量的定量分析。吸光度(A)定義為入射光強(qiáng)度(I0)與(透過(guò)樣品原子蒸氣的)透射光強(qiáng)度(IL)之比的對(duì)數(shù)，即

原子吸收光譜分析(AAS)83原子熒光光譜分析(AFS)——原子熒光光度計(jì)：通過(guò)原子化器產(chǎn)生的樣品原子蒸氣被強(qiáng)光源發(fā)射的光輻射照射，原子外層電子產(chǎn)生熒光輻射；由分光系統(tǒng)(小光柵單色器或干涉濾光片)分離熒光并經(jīng)檢測(cè)器接收、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大并讀出。按分析原理，AFS屬原子發(fā)射光譜法，但由于是光激發(fā)發(fā)光，因而其分析儀器與原子吸收光譜儀器類似。

8485紫外、可見(jiàn)(分子)吸收光譜分析(UV、VIS)分析儀器稱為紫外、可見(jiàn)分光光度計(jì)。光源輻射的復(fù)合光經(jīng)單色器(棱鏡或光柵)色散(即使不同波長(zhǎng)光分散開)