材料分析与表征绪论

1、12材料科学的主要任务是研究材料材料科学的主要任务是研究材料研究的内容：研究的内容： 组成组成 结构结构 性能性能材料设计材料设计材料的性能决定于：材料的性能决定于： 组成组成 结构结构3是关于材料组成和结构（包括材料整体分析、是关于材料组成和结构（包括材料整体分析、表面与界面分析、微区分析、形貌分析等）表面与界面分析、微区分析、形貌分析等）的现代分析、测试技术及其有关理论基础的的现代分析、测试技术及其有关理论基础的科学科学4l测量信号（或特征信息）与材料组成、结测量信号（或特征信息）与材料组成、结构等的特征关系。构等的特征关系。l 测量信号与材料的物理化学性质测量信号与材料的物理化学性质及其

2、变化有关及其变化有关l采用不同的测量信号（相应地具有与材料采用不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。分析方法。5信号发生信号发生信号检测信号检测信号读出信号读出信号处理信号处理（信号发生器）（信号发生器）（信号检测器）（信号检测器）（信号处理器）（信号处理器）（信号读出装置）（信号读出装置）61 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波 1. 电磁辐射电磁辐射 2. 电磁波谱电磁波谱 3. 物质波物质波一、信号（电磁辐射与物质波）一、信号（电磁辐射与物质波）71. 电磁辐射与波粒二象性电磁辐射与波粒二象性l电磁辐射是指在空间传

3、播的交变电磁场。电磁辐射也可称为电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场。电磁辐射也可称为电磁波（有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）。电磁波（有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）。l根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。l描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（）或波数）或波数（或或K）、频率（）、频率（）及相位（）及相位（）等。）等。l =c l微粒性：电磁波是由光子所组成的光子流。微粒性：电磁波是由光子所组成的光子流。l电磁波波动性与微粒性的关系是电磁波波动性与微粒性的关系是lE=hlP=h/ l l 电磁波微粒性电磁波微粒

4、性 波动性波动性82. 电磁波谱电磁波谱 9电磁波谱的分区电磁波谱的分区长波部分（低能部分），包括射频波（无线电长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，有时习惯上称此部分为波谱。波）与微波，有时习惯上称此部分为波谱。中间部分，包括紫外线、可见光和红外线，统中间部分，包括紫外线、可见光和红外线，统称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而言。称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而言。短波部分（高能部分），包括短波部分（高能部分），包括X射线和射线和射线射线（以及宇宙射线），此部分可称射线谱，是能（以及宇宙射线），此部分可称射线谱，是能量高的谱域。量高的谱域。103. 物质波物质波 l运动

5、实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或德布罗运动实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或德布罗意波，如电子波、中子波等。意波，如电子波、中子波等。l德布罗意关系式德布罗意关系式l(=h/p)=h/mv l对于高速运动的粒子，对于高速运动的粒子，m为相对论质量，有为相对论质量，有 l l 当当v c时，时，m m0。 20)(1cvmm11电子波（运动电子束）波长电子波（运动电子束）波长 l将电子电荷将电子电荷e1.6010-29C、电子质量、电子质量mm0=9.1110-31kg及及h值代入上式，得值代入上式，得 l 式中，式中，以以nm为单位，为单位，V以以V单位。单位。 eVmv221meV

6、v2emVh2V225. 112不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正） 13射线射线X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波射频射频吸收吸收发射发射散射散射光电离光电离物质物质电磁辐射电磁辐射相互作用类型相互作用类型二、电磁辐射与材料的相互作用二、电磁辐射与材料的相互作用14l辐射的吸收是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组辐射的吸收是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸收，从而成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。使辐射强度减弱的现象。l实质：辐

7、射使物质粒子发生由低能级实质：辐射使物质粒子发生由低能级(一般为基态一般为基态)向高能级向高能级(激发态激发态)的能级跃迁。的能级跃迁。l被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差，即间的能量差，即 l 式中：式中：E2与与E1高能级与低能级能量。高能级与低能级能量。l辐射辐射(能量能量)被吸收的程度被吸收的程度(一般用吸光度一般用吸光度)与与或或的关系的关系(曲曲线线)，即辐射被吸收程度对，即辐射被吸收程度对或或的分布称为吸收光谱。的分布称为吸收光谱。15l辐射的发射是指物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。辐射的发射是指物

8、质吸收能量后产生电磁辐射的现象。l辐射发射的实质在于辐射跃迁，即当物质的粒子吸收能量辐射发射的实质在于辐射跃迁，即当物质的粒子吸收能量被激发至高能态被激发至高能态(E2)后，瞬间返回基态或低能态后，瞬间返回基态或低能态(E1)，多余，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。的能量以电磁辐射的形式释放出来。l发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量(E2与与E1)之差，即之差，即l辐射的发射，前提是使物质吸收能量即激发。辐射的发射，前提是使物质吸收能量即激发。16非电磁辐射激发非电磁辐射激发(非光激发非光激发)电磁辐射激发电磁辐射激发(光激发光激发

9、)激发激发热激发热激发电激发电激发光致发光光致发光荧光荧光磷光磷光l物质粒子发射辐射的强度物质粒子发射辐射的强度(能量能量)对对或或的分布称为发的分布称为发射光谱。射光谱。l不同物质粒子也具有各自的特征发射光谱。不同物质粒子也具有各自的特征发射光谱。 17吸收与发射光谱分类吸收与发射光谱分类 1819辐射的散射辐射的散射 l辐射的散射指电磁辐射辐射的散射指电磁辐射(与物质发生相互作用与物质发生相互作用)部分偏离部分偏离原入射方向而分散传播的现象。原入射方向而分散传播的现象。l物质中与入射的辐射即入射线相互作用而致其散射的物质中与入射的辐射即入射线相互作用而致其散射的基本单元可称散射基元。基本单

10、元可称散射基元。l散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电子等，散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电子等，取决于物质结构及入射线波长大小等因素。取决于物质结构及入射线波长大小等因素。 20分子散射分子散射 瑞利散射瑞利散射分子散射分子散射 反斯托克斯线反斯托克斯线 拉曼散射拉曼散射 斯托克斯线斯托克斯线 瑞利散射是指入射线光子与分子发生弹性碰撞作用，仅光瑞利散射是指入射线光子与分子发生弹性碰撞作用，仅光子运动方向改变而子运动方向改变而 没有能量变化的散射。瑞利散射线与入没有能量变化的散射。瑞利散射线与入射线波长相同，不含有物质特征信息。射线波长相同，不含有物质特征信息。拉曼散射是指入射

11、线光子（单色光）与分子发生非弹性碰拉曼散射是指入射线光子（单色光）与分子发生非弹性碰撞作用，光子运动方向改变同时有能量的增加或损失的散撞作用，光子运动方向改变同时有能量的增加或损失的散失失拉曼散射线与入射线波长稍有不同，波长短于入射线者称拉曼散射线与入射线波长稍有不同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之称为斯托克斯线。为反斯托克斯线，反之称为斯托克斯线。在光谱上斯托克斯线和反斯托克斯线出现在入射光谱线附在光谱上斯托克斯线和反斯托克斯线出现在入射光谱线附近，称为拉曼散射谱。近，称为拉曼散射谱。21l拉曼散射产生的实质在于入射光子与分子作用拉曼散射产生的实质在于入射光子与分子作用时分子的振动能

12、级或转动能级跃迁，因而拉曼时分子的振动能级或转动能级跃迁，因而拉曼散射谱谱线的多少、强度与波长等均与分子的散射谱谱线的多少、强度与波长等均与分子的振动转动能级结构密切相关，因而拉曼散射振动转动能级结构密切相关，因而拉曼散射谱是特征光谱谱是特征光谱l拉曼位移（散射光与入射光频率之差）与分子拉曼位移（散射光与入射光频率之差）与分子的振动转动能级有关。的振动转动能级有关。l 以拉曼位移为横坐标，以散射光强度为纵以拉曼位移为横坐标，以散射光强度为纵坐标得到拉曼光谱坐标得到拉曼光谱22l用量子理论解释分子散射用量子理论解释分子散射23电子散射电子散射 当当X X射线等谱域的辐射照射晶体时，电子射线等谱域

13、的辐射照射晶体时，电子是散射基元。晶体中的电子散射包括相干是散射基元。晶体中的电子散射包括相干散射和非相干散射散射和非相干散射相干散射：入射线光子与原子内层电子发相干散射：入射线光子与原子内层电子发生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变而无生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变而无能量变化的散射，又称弹性散射，或经典能量变化的散射，又称弹性散射，或经典散射、汤姆逊散射散射、汤姆逊散射 相长干涉散射线衍射：相长干涉散射线衍射：X X射线衍射射线衍射的基础。的基础。 非相干散射：入射线光子与原子外层电非相干散射：入射线光子与原子外层电子或晶体中自由电子发生非弹性碰撞作用，子或晶体中自由电子发生非弹性碰撞作用，

14、光子运动方向改变同时有能量损失的散射，光子运动方向改变同时有能量损失的散射，又称非弹性散射，或康普顿散射、康普顿又称非弹性散射，或康普顿散射、康普顿- -吴有训效应，量子散射。吴有训效应，量子散射。24光电离光电离 l光电离是指入射光子能量光电离是指入射光子能量(h)足够大时，使原子或足够大时，使原子或分子产生电离的现象，其过程可表示为分子产生电离的现象，其过程可表示为l M+hM+e l 式中：式中：M原子或分子；原子或分子；l M+离子；离子；l e自由电子。自由电子。l物质在光照射下释放电子物质在光照射下释放电子(称光电子称光电子)的现象又称光电的现象又称光电效应。效应。l光电子产额随入

15、射光子能量的变化关系称为物质的光光电子产额随入射光子能量的变化关系称为物质的光电子能谱。电子能谱。 25入射电子与固体中粒子相互作用包括：入射电子与固体中粒子相互作用包括： 1. 1.入射电子的散射；入射电子的散射； 2. 2.入射电子对固体的激发；入射电子对固体的激发； 3. 3.受激发粒子在固体中的传播受激发粒子在固体中的传播电子束电子束离子束离子束粒子束粒子束三、三、 粒子束与材料的相互作用粒子束与材料的相互作用26电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号1234527 I0: I0:入射电子流，单位是入射电子流，单位是A A。入射电子流密度。入射电子流密度A/cm2A/cm2

16、强聚焦情况下，强聚焦情况下， I0 I0一般很小，电子束流密度很高一般很小，电子束流密度很高 IR: IR: 背散射电子流，是入射电子与固体作用后又离开固体背散射电子流，是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。主要包括两部分：弹性背散射电子和非弹性背的总电子流。主要包括两部分：弹性背散射电子和非弹性背散射电子。散射电子。 * * 背散射电子的产额随原子序数增大而增加，因此背散背散射电子的产额随原子序数增大而增加，因此背散射电子像的衬度与样品上个微区的成分密切相关，显示相分射电子像的衬度与样品上个微区的成分密切相关，显示相分布情况布情况 * * 空间分辨率低，约空间分辨率低，约100nm10

17、0nm * * 背散射电子最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半背散射电子最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半28lIS:二次电子流，包括入射电子从固体中直接击出的原子二次电子流，包括入射电子从固体中直接击出的原子核外电子和激发态原子退回基态时产生的电子核外电子和激发态原子退回基态时产生的电子l * 前者称为（真）二次电子，能量较低，且强度按能量前者称为（真）二次电子，能量较低，且强度按能量连续分布；后者称为特征二次电子（俄歇电子），其能连续分布；后者称为特征二次电子（俄歇电子），其能量是量子化的，取决于原子本身的电子结构。量是量子化的，取决于原子本身的电子结构。l * （真）二次电子产额（

18、真）二次电子产额 ：二次电子流与入射电子流的：二次电子流与入射电子流的比值比值I0/IS ，与入射电子能量和入射角有关，与入射电子能量和入射角有关 （正比于正比于1/cos)l 特点：特点：1.对样品形貌敏感对样品形貌敏感l 2.空间分辨率高空间分辨率高3-6nml 3.信号收集率高信号收集率高(能量低，易受电场作用能量低，易受电场作用)293031lIX :表示电子激发诱导的表示电子激发诱导的X射线辐射强度射线辐射强度l l 包括三部分包括三部分lIE :表示表面元素发射的总强度表示表面元素发射的总强度l * 电子激发可能引起一些固体的表面原子电离，电子激发可能引起一些固体的表面原子电离，使

19、表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分使表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分解。解。l * 电子束可引起部分氧化物、多数氟化物和几乎电子束可引起部分氧化物、多数氟化物和几乎所有的有机物的辐照分解。所有的有机物的辐照分解。 连续连续X X射线射线特征特征X X射线射线X X射线荧光（二次特征射线荧光（二次特征X X射线）射线）32lIA :表示样品吸收电流强度。入射电子在固体中传播时，表示样品吸收电流强度。入射电子在固体中传播时，能量逐渐减小，最后失去全部动能，被样品能量逐渐减小，最后失去全部动能，被样品“吸收吸收”。l 样品中背散射电子（包括二次电子）与吸收电子样品中背散射电

20、子（包括二次电子）与吸收电子在数量上存在互补关系。随原子序数增加，背散射电子在数量上存在互补关系。随原子序数增加，背散射电子增多，吸收电子减少。因此用吸收电流成像，也可以得增多，吸收电子减少。因此用吸收电流成像，也可以得到样品各元素分布情况，但图像衬度相反。到样品各元素分布情况，但图像衬度相反。lIT :表示透射电流总强度。当样品的厚度小于入射电子表示透射电流总强度。当样品的厚度小于入射电子的平均穿入深度时，一部分入射电子穿过样品，在样品的平均穿入深度时，一部分入射电子穿过样品，在样品的背面被接受或检测。的背面被接受或检测。33l所有这些发射信号的强度均与固体材料的结构、成分、所有这些发射信号

21、的强度均与固体材料的结构、成分、表面状态等性质有关，并受入射电子的能量和入射角表面状态等性质有关，并受入射电子的能量和入射角的影响。的影响。l 对导电样品：对导电样品：l l (忽略透射方向的二次电子发射和表面元素脱附忽略透射方向的二次电子发射和表面元素脱附对样品总电荷量的影响对样品总电荷量的影响)34l电子与固体的作用区：弹性散射使电子偏离原来电子与固体的作用区：弹性散射使电子偏离原来的方向而扩散，非弹性散射使电子的能量逐渐减的方向而扩散，非弹性散射使电子的能量逐渐减小，直至被固体吸收，从而限制了电子在固体中小，直至被固体吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围的扩散范围（信息深度和广度）（信

22、息深度和广度）35信息深度和广度：信息深度和广度：363. 3. 电子能谱电子能谱 电子发射强度按能量的分布电子发射强度按能量的分布 37二次电子用于扫描电子显微镜的表面形貌观测二次电子用于扫描电子显微镜的表面形貌观测特点：特点：1.对样品形貌敏感；对样品形貌敏感； 2.空间分辨率高空间分辨率高3-6nm 3.信号收集率高信号收集率高(能量低，易受电场作用能量低，易受电场作用)38l俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AESAES）l 适于轻元素适于轻元素( (如如C,Al)C,Al)及表面薄层（及表面薄层（1nm1nm）分析）分析l弹性背散射电子用于材料电子衍射分析方法弹性背散射电子用于材料电子衍射分析方法l电子能量损失谱（电子能量损失谱（EELSEELS）l 39电磁辐射及电磁辐射及运动粒子束运动粒子束与物质相互与物质相互作用作用 光谱分析光谱分析(组成组成): 紫外、红外、拉曼、荧光、核磁共振紫外、红外、拉曼、荧光、核磁共振 衍射分析衍射分析(组成组成)： X射线衍射，电子衍射射线衍射，电子衍射 电子能谱分析电子能谱分析(表面成份表面成份):XPS, UPS, AES 电子显微分析电子显微分析(形貌形貌)：TEM, SEM, STM, AFM 热分析热分析(热性能热性能):