第一讲 概论 现代材料物理研究方法

1、现代材料研究方法闫鹏勋闫鹏勋 吴志国吴志国兰州大学等离子体与金属材料研究所教师简介吴志国吴志国 男男 兰州大学等离子体与金属材料研究所博士兰州大学等离子体与金属材料研究所博士 19961996年考入兰州大学物理系，年考入兰州大学物理系，20002000年免试推荐年免试推荐攻读硕士学位，攻读硕士学位，20032003年作为优秀硕士毕业生推年作为优秀硕士毕业生推荐攻读博士学位。荐攻读博士学位。研究经历：研究经历：1999-20021999-2002 设计、安装、调试两套磁过滤阴极弧等离子体设计、安装、调试两套磁过滤阴极弧等离子体镀膜设备；镀膜设备；2002-20032002-2003 等离子体诊断

2、；纳米氮化钛（等离子体诊断；纳米氮化钛（TiNTiN）硬质薄膜）硬质薄膜及纳米氮化铜（及纳米氮化铜（CuCu3 3N N）薄膜新型信息、微电）薄膜新型信息、微电子材料；同时致力于制备纳米金属粉体等离子子材料；同时致力于制备纳米金属粉体等离子体装置的设计、安装、调试和产业化推广，现体装置的设计、安装、调试和产业化推广，现已在甘肃金昌实现产业化；已在甘肃金昌实现产业化；教师简介2002至今至今 TiN基硬硬基硬硬/软硬多层膜；软硬多层膜； CuCu3 3N N薄膜的性能研究和薄膜的性能研究和应用开发；应用开发；预研项目预研项目 利用利用AAOAAO模板作为遮掩制备量子点阵列模板作为遮掩制备量子点阵

3、列所获奖项：所获奖项：20022002年甘肃省高校科技进步二等奖；年甘肃省高校科技进步二等奖； 20042004年甘肃省高校科技进步一、二等奖各一项；年甘肃省高校科技进步一、二等奖各一项； 正在申报甘肃省科技进步和教育部科技进步奖。正在申报甘肃省科技进步和教育部科技进步奖。联系方式联系方式: : 住址住址 研究生一号楼研究生一号楼307307 电话电话 1389365037113893650371；8912719(O)8912719(O) E-mail E-mail 课程简介课程简介本课程介绍应用现代分析仪器分析材料微观结构、本课程介绍应用现代分析仪器分析材料微观结构、衬度（形貌）和成份的方法

4、。衬度（形貌）和成份的方法。主要是从材料工作者的角度出发来了解分析仪器，主要是从材料工作者的角度出发来了解分析仪器，即侧重于仪器的应用。课件仅涉及仪器分析材料问题即侧重于仪器的应用。课件仅涉及仪器分析材料问题的基本原理和重要示意图。同时，按仪器的应用分别的基本原理和重要示意图。同时，按仪器的应用分别将其归属于结构分析、衬度和成份分析三篇，大量介将其归属于结构分析、衬度和成份分析三篇，大量介绍了应用领域及最新进展。绍了应用领域及最新进展。课程涉及较为广泛的分析方法，争取对材料分析领课程涉及较为广泛的分析方法，争取对材料分析领域有个较为全面的介绍。域有个较为全面的介绍。应用范围应用范围 本课程为材

5、料工程领域的本科生课程，适本课程为材料工程领域的本科生课程，适用于金属材料、非金属材料、建筑材料、生物材用于金属材料、非金属材料、建筑材料、生物材料、核材料、环境材料、高分子材料等有关专业料、核材料、环境材料、高分子材料等有关专业的高年级本科生。对于初级研究生和材料工作者的高年级本科生。对于初级研究生和材料工作者来说，学习这门课程也是非常必要和有益的。来说，学习这门课程也是非常必要和有益的。学习目标和学生要求学习目标和学生要求学习目标：学习目标：v了解材料分析方法了解材料分析方法-各类分析仪器应用全貌；各类分析仪器应用全貌；v掌握材料分析中的基本概念和基本原理；掌握材料分析中的基本概念和基本原

6、理；v学会基本的分析方法。学会基本的分析方法。学生要求：学生要求： 学过普通物理（大学）、高等数学、材料学学过普通物理（大学）、高等数学、材料学概论概论课时安排课时安排本课程共本课程共54课时，分课时，分18周完成，每周周完成，每周3课时课时内内 容容课课 时时概概 论论课程简介、材料分析概论课程简介、材料分析概论3结结 构构X射线衍射（射线衍射（XRD）18电子衍射（电子衍射（ED）、中子衍射（）、中子衍射（ND）紫外可见（紫外可见（UV-Vis）、红外（）、红外（IR）拉曼光谱（拉曼光谱（Raman）衬衬 度度（形貌）（形貌）电子显微镜（电子显微镜（SEM）18透射电子显微镜（透射电子显微

7、镜（TEM）原子探针显微镜（原子探针显微镜（SPM）成成 分分x射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）12俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES）电子探针显微分析（电子探针显微分析（EPMA）、质谱（）、质谱（MS） 其其 它它热分析热分析3参考书目参考书目 材料结构表征及应用材料结构表征及应用，吴刚，吴刚 主编，面向主编，面向21世纪课程教材，化世纪课程教材，化学工业出版社，学工业出版社，推荐推荐。 材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法，常铁军，常铁军 等编，材料科学与工程系列等编，材料科学与工程系列教材，哈尔滨工业大学出版社。教材，哈尔滨工业大学出版社。 材料结构分析基础材料结构分析基础

8、，余焜，余焜 主编，高等学校选用教材材料类，主编，高等学校选用教材材料类，科学出版社。科学出版社。 晶体晶体X射线衍射学基础射线衍射学基础，李树棠，李树棠 主编，高等学校教学用书，主编，高等学校教学用书，冶金工业出版社。冶金工业出版社。 材料电子显微分析材料电子显微分析，魏全金，魏全金 编，高等学校教学用书，冶金工编，高等学校教学用书，冶金工业出版社。业出版社。 材料物理现代研究方法材料物理现代研究方法， 马如璋，徐祖雄主编马如璋，徐祖雄主编 ，冶金工业，冶金工业出版社。出版社。 材料分析测试方法材料分析测试方法，王成国，王成国 等编，高等学校教材，上海交等编，高等学校教材，上海交通大学出版社

9、。通大学出版社。 论表面分析及其在材料研究中的应用论表面分析及其在材料研究中的应用，黄惠忠，黄惠忠 等著，分析等著，分析科学现代方法丛书，科学技术文献出版社。科学现代方法丛书，科学技术文献出版社。 材料的特征检测材材料的特征检测材 第第I部分部分，料科学与技术丛书，料科学与技术丛书 第第2A卷，卷，（德）卡恩（德）卡恩 等主编等主编 叶恒强等译，科学出版社。叶恒强等译，科学出版社。 材料的特征检测材材料的特征检测材 第第I部分部分，料科学与技术丛书，料科学与技术丛书 第第2B卷，卷，（德）卡恩，（美）利弗森主编（德）卡恩，（美）利弗森主编 叶恒强等译，科学出版社。叶恒强等译，科学出版社。 材料

10、评价的高分辨电子显微方法材料评价的高分辨电子显微方法 ，日日进藤大辅、平贺进藤大辅、平贺贤二贤二 ，冶金工业出版社。，冶金工业出版社。 现代仪器分析现代仪器分析 ，杜廷发，杜廷发 编，国防科技大学出版社编，国防科技大学出版社 。 纳米材料分析纳米材料分析，黄惠忠，黄惠忠 等著，分析科学现代方法丛书，化等著，分析科学现代方法丛书，化学工业出版社。学工业出版社。概论概论 材料简介材料简介人类文明以材料纪元：人类文明以材料纪元：石器時代石器時代青铜器時代青铜器時代铁器時代铁器時代高分子時代高分子時代半导体時代半导体時代材料時代材料時代纳米時代纳米時代概论 分析技术简介分析技术简介材料为科技发展的中心

11、：材料为科技发展的中心：材料 物性 化性物性加工元件产品材料材料物理、化学、化工、材料、光电、生物、资讯、电机、机械物理、化学、化工、材料、光电化学、化工、材料生物、资讯、电机、机械材料、光电、生物、资讯、电机、机械概论 分析技术简介分析技术简介v材料分析技术是人们为了获取材料的物理、材料分析技术是人们为了获取材料的物理、化学等方面的信息而采用的一些实验方法化学等方面的信息而采用的一些实验方法和手段。和手段。SampleExcitationsourceEnergy SelectorSignal DetectorEvent概论 分析技术简介分析技术简介v一般地说，它是利用一种探测束一般地说，它是

12、利用一种探测束如如电子束、电子束、 离子束、光子束、中性粒子束离子束、光子束、中性粒子束等，有时还加上电场、磁场、热等的作等，有时还加上电场、磁场、热等的作用，来探测材料的形貌、化学组成、原用，来探测材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。信息。 概论 分析技术简介分析技术简介p更高的灵敏度更高的灵敏度p更好的选择性更好的选择性p更高的准确性更高的准确性p更快的分析速度更快的分析速度p更高的自动化程度更高的自动化程度p更完善的多元分析能力更完善的多元分析能力p更可信的形态分析更可信的形态分析p实现无损分析实现无损分析p原位原位(in s

13、itu),活体内活体内(in vivo),实时实时( real time)分析分析概论 分析技术简介探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 e e低能电子衍射低能电子衍射 LEED结构结构e e反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射 RHEED结构结构e e俄歇电子能谱俄歇电子能谱 AES成分成分e e扫描俄歇探针扫描俄歇探针 SAM微区成分微区成分e e电离损失谱电离损失谱 ILS成分成分e 能量弥散能量弥散x射线谱射线谱 EDXS成分成分e e俄歇电子出现电势谱俄歇电子出现电势谱 AEAPS成分成分e 软软x射线出现电势谱射线出现电势谱SXAPS

14、成分成分e e消隐电势谱消隐电势谱DAPS成分成分e e电子能量损失谱电子能量损失谱EELS原子及电子态原子及电子态e I电子诱导脱附电子诱导脱附ESD吸附原子态及成分吸附原子态及成分e e透射电子显微镜透射电子显微镜TEM形貌形貌e e扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEM形貌形貌ee扫描透射电子显微镜扫描透射电子显微镜STEM形貌形貌概论 分析技术简介探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 I I离子探针质量分析离子探针质量分析IMMA微区成分微区成分I I静态次级离子质谱静态次级离子质谱SSIMS成分成分I n次级中性离子质谱次级中性离子质谱SN

15、MS成分成分I I离子散射谱离子散射谱ISS成分、结构成分、结构I I卢瑟福背散射谱卢瑟福背散射谱RBS成分、结构成分、结构I e离子中和谱离子中和谱INS最表层电子态最表层电子态I 离子激发离子激发x射线谱射线谱IEXS原子及电子态原子及电子态概论 分析技术简介探测粒探测粒子子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 ex射线光电子谱射线光电子谱XPS成分、化合态成分、化合态 e紫外线光电子谱紫外线光电子谱UPS分子及固体电子态分子及固体电子态 e同步辐射光电子谱同步辐射光电子谱SRPES成分、原子及电子态成分、原子及电子态 红外吸收谱红外吸收谱IR原子态原子态

16、拉曼散射谱拉曼散射谱RAMAN原子态原子态 扩展扩展x射线吸收谱精细结构射线吸收谱精细结构SEXAFS结构结构 角分辨光电子谱角分辨光电子谱ARPES原子及电子态结构原子及电子态结构 I光子诱导脱附谱光子诱导脱附谱PSD原子态原子态概论 分析技术简介探测粒子探测粒子 发射粒子发射粒子分析方法名称分析方法名称简称简称 主要用途主要用途 Ee场电子显微镜场电子显微镜FEM结构结构EI场离子显微镜场离子显微镜FIM结构结构EI场离子显微镜场离子显微镜-原子探针原子探针AP-FIM结构及成分结构及成分Ee场电子发射能量分布场电子发射能量分布FEED电子态电子态Ee扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM形貌

17、形貌Tn热脱附谱热脱附谱TDS原子态原子态n 中性粒子碰撞诱导辐射中性粒子碰撞诱导辐射SCANIIR成分成分n n分子束散射分子束散射MBS结构、原子态结构、原子态AWAW声显微镜声显微镜AM形貌形貌概论 分析技术简介材料中组织的尺度与检测仪器分辨率极限对比图材料中组织的尺度与检测仪器分辨率极限对比图概论 分析技术简介材料表征方法在深度和横向尺度方面的分辨率示意图材料表征方法在深度和横向尺度方面的分辨率示意图概论 分析技术简介XPS AES ILS ISS RBS SIMS 测氢测氢 NoNoNoNoNoYes元素灵敏度均匀性元素灵敏度均匀性 GoodGoodBadGoodGoodBad最小可检测灵敏度最小可检测灵敏度 10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析定量分析 GoodYesBadBadGoodBad化学态判断化学态判断 GoodYesYesBadBadBad谱峰分辨率谱峰分辨率 GoodGoodGoodBadBadGood识谱难易识谱难易 GoodGoodGood-表面探测深度表面探测深度 MLsMLsMLsMLML- mML-