表面分析技术综述.doc

表面分析技术综述学校：武汉纺织大学班级：应化0921姓名：简仕琪 学号：0914811008表面分析技术综述武汉纺织大学外经贸学院 简仕琪 湖北武汉 430200摘要：主要介绍了表面分析技术在材料、纤维表面、以及制浆造纸工业中的应用和它的发展趋势。关键词：表面分析 材料 纤维 造纸 发展趋势引言：表面分析技术是一种统称，指利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术。表面科学是上世纪60年代后期发展起来的一门学科。表面是指固体表面几个原子的薄层。这层原子既受体内原子的束缚,又受到表面特殊环境的影响。表面成分、结构、化学状态等与体内不同,而表面特性对材料的物理、化学等性能影响很大。表面分析就是对固体最外层数个纳米内表面及薄层的组分、结构和能态的分析。随着人们对表面分析的需要以及真空、电了技术的发展,现代表面分析技术有扫锚电镜（SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、俄歇能谱(AES)、离子探针(IMA)、电子探针(EPMA)等。1.1表面分析技术在材料科学中的应用界面脆裂 亚单分子层浓度的杂质出现于界面时,如晶界(面)、相界(面),将导致工程材料的灾难。典型的例子是发电厂蒸汽轮机转子在工作过程中的脆裂。研究证明,脆裂是沿着晶界的。表面分析技术已探明铁中如下的杂质将在晶界偏析并导致脆裂,它们是Si,P,S,Cu,Zn,Ge,As,Se,Sn,Sb,Te,Bi等,这种现象在含铁的合金中也很可能发生。可以认为工业用的材料发生偏析是普遍的规律而不是特殊情况。表面偏析 表面能总是正的,因此一个系统的表面会由表面能较低的组分(或杂质)所覆盖,使该系统的表面组成和体内的组成不同,这就是表面偏析。合金表面的重要性已在催化、腐蚀、以及材料的其他性能方面得到确认。表面偏析的应用研究是要了解外部可控因素(如组成、结构、温度、环境等等)和表面性能之间的关系。腐蚀和钝化 腐蚀过程始于非常薄(如几个单分子层)的范围,中止腐蚀过程也只需非常薄(与腐蚀范围相当)的钝化层。既然腐蚀和钝化发生在极薄的范围,表面分析便是十分理想的手段。值得指出的是,腐蚀是个微观过程,用具有微分析能力的表面分析方法对了解有机和无机的钝化层作用,裂隙腐蚀和点状腐蚀的机理,具有特别重要的意义。大多数腐蚀和氧化层其外层部分的组分明显和基底不同,它们有时是少有意义的,如腐蚀环境下的析出杂质;但在另一种情况下,它们可能是基底的一种前趋态,包含有腐蚀机理在内。对这种腐蚀层和氧化膜的厚度和形状(岛状或层状)均可能以表面分析方法加以判断。1.2表面分析技术在制浆造纸工业中的应用在制浆造纸过程中，要想全面描述纸浆或纸张的表面信息和性质，需要从宏观到微观按不同层次对纸张表面进行分析研究。表面分析方法的基本原理是用各种入射激发粒子或场（入射粒子或激发源主要有电子、离子、光子、中性粒子、热、电场、磁场和声波等8种），使之与被分析的表面相互作用，然后分析出射粒子或场，用分析谱仪检测出射粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等就可以获得表面的信息。纤维表面形貌分析技术 电子显微镜是最常用的表面形貌研究方法，它利用电子与物质相互作用所产生的透射电子、弹性散射电子、能量损失电子、二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等信息来对样品进行形貌观察。电子显微镜一般可分为扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,简称SEM)和透射电子显微镜（Transmission electron microscope,简称TEM）。两者均可用于分析导体、半导体及绝缘样品，对样品的形状也没有限制。扫描电镜利用二次电子和背散射电子成像，放大倍数在20到20万倍之间，对凹凸不平的表面显示得很清楚，立体感很强，样品制备也很简单。纤维表面化学分析技术 化学分析电子能谱（Electron Spectroscopy for ChemicalAnalysis,简称ESCA），目前被认为是表面化学分析最有效的方法之一，它在所有表面化学分析能谱中获得的化学信息最多，它具有元素定性、定量分析能力，也可以测定元素在化合物中存在的价态，同时还能感受元素周围其它元素、官能团、原子团对其内壳电子的影响所产生的化学位移。该方法已经在日常表面化学分析工作中得到广泛地应用，是一种最主要的表面化学分析工具。在对纤维表面分析的工具中，ESCA分析能谱技术已经被用于鉴定木材表面的化学组成。利用ESCA对木材表面的化学结构进行研究，可以根据各特征峰的位置决定木材表面的化学组成，这对于了解木材材种间的表面化学性质差异和化学处理对木材表面化学特征的变化是一种极为有效的方法。而利用ESCA技术进行纸浆纤维的表面分析同样是一种有效的方法，它在制浆造纸领域中的应用已经逐步引起人们的关注。1.3表面分析技术用于纤维表面研究的新进展 表面分析技术是在科学技术发展需求的推动下应运而生。表面分析技术的特点是用1个探束(光子或原子、电子和离子等)或探针(机械加电场)探测样品表面，并在两者相互作用时，从样品发射及散射电子、离子、中性粒子(原子或分子)与光子等。检测这些微粒的能量、质荷比和束流强度等就可以得到样品表面的形貌、原子结构(即排列)、化学组成的价态和电子态(即电子结构)等信息。近年来，表面分析技术在造纸纤维表面研究中的应用日益广泛。原子力显微镜(AFM) AFM的工作原理是用一端固定而另一端装有纳米针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作用就会引起微悬臂的形变。通过检测微悬臂产生的弹性形变就可以根据微悬臂的弹性系数k和函数式(F=k?z)直接求出样品-针尖间相互作用力。AFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01 nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10 nm的激光点位移，由此产生的电压变化对应微悬臂形变量，通过一定的函数变换可获得悬臂形变量。当样品在xy平面内坐标(x，y)扫描时，若保持样品在z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系曲线，获得样品表面高度变化的信息h(x，y)，即样品表面任意点(x，y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可获得此区域的表面形貌A=Ax，y，h(x，y)。探针和样品间的力和距离关系是AFM测量的关键。当选择不同的初始工作距离时，探针所处的初始状态也不相同AFM有4种基本成像模式，分别是接触式、非接触式、敲击式和升降式。目前用于制浆造纸研究的多数为敲击式。研究中主要利用AFM进行形貌观察和力学曲线测定。近年来，AFM已经被广泛应用于纸浆纤维表面结构情况以及其主要成分如纤维素、半纤维素、木素和抽出物的研究。化学力显微镜(CFM) CFM是由AFM的微悬梁臂的探针尖端经过化学处理改性接上特定的功能团而得到的。CFM通过探针尖端和表面的相互作用来研究表面的化学组成。当探针尖端接上COOH基团时，其黏附力受pH值影响，但是当探针尖端接上CH3和OH时，其黏附力几乎不受pH值影响。同时在实验条件下对纤维素模型物表面和纤维表面进行比较研究发现，纤维表面的粗糙度不影响黏附力的大小。XPS和FTIR同样证明了这两种底物表面具有同样的化学成分。X射线光电子能谱(XPS) XPS可用于元素定性、定量分析，也可以测定元素在化合物中存在的价态，同时还能感应元素周围其他元素、官能团、原子团对其内壳电子影响所产生的化学位移。XPS以1束单色射线激发样品，当光子的能量大于原子、分子或固体中某原子轨道电子的结合能时，就会将电子激发而离开，从而得到具有一定动能的光电子，由于照射的X射线能量一定，测量这种光电子的动能可求得原子内的电子结合能，从而求得轰击束缚在原子核内层的电子所需的能量。由于内层电子的结合能具有固定值，因而通过观测光电子光谱便可确定组成元素。研究表面化学键结合状态，特别是当原子的化学结合状态不同时，结合能的数值在许多情况会有数电子伏的变化，所以根据变化值(化学位移)能评价其化学结合能状态。化学位移值是根据待测元素及其结合的其他元素的化学结合的性质(离子键、共价键)以及待测元素的配位键(或待测元素上结合的其他元素的数)而发生变化。从而根据化学位移可以了解化学结合的性质及存在怎样的化学键等问题。2.1表面分析技术的发展趋势 现代科学技术和工业的迅速发展，对各种特殊性能的材料及材料表面，除了要求更高的防腐蚀和装饰性能外，还提出了各式各样的功能性要求。如耐磨性、润滑性、耐高温性、导电性、可焊性、磁性和光电性等。因此，随着材料和科学技术的发展也促进了材料和科学技术的表面发展。 2000年表面处理技术的发展趋势，很多专家认为，在环境保护方面重点将是限制并消除破坏大气臭氧层物质的使用，减少挥发性有机溶剂和不能生物降解的含氯烷烃等物质在清洗中的使用，开发无污染的新的取代物和技术。减少剧毒和有毒物质诸如氰化物、镉和六价铬等在电镀中的应用，开发能代替的新工艺。在新材料方面发展的重点将是轻金属和难熔金属以及新型合金和复合材料方面的表面处理技术。新工艺和新技术方面的重点将是各种薄膜形成工艺和技术。 参考文献：1崔兆玉,安显慧,惠岚峰.氧脱木素桦木硫酸盐浆的臭氧漂白ESC A分析J.东北林业大学学报,2002,30(1):78-80.2L i K.,T an X.Surface characterizat