材料分析方法概述

材料分析方法概述1第1页，共49页，2023年，2月20日，星期五第一章材料分析测试方法概述

必要性：1、加深理解以前所学课程的内容。2、为以后进一步的研究打下一个好的基础。3、目前材料发展日新月异的需要。2第2页，共49页，2023年，2月20日，星期五目的和要求：1、了解本课程中基本概念的来源。2、了解一些检测分析手段。3、能对一些检测结果进行一般性分析。3第3页，共49页，2023年，2月20日，星期五主要内容第一节一般原理第二节衍射分析方法概述第三节光谱分析方法概述第四节电子能谱分析方法概述第五节电子显微分析方法概述第六节色谱、质谱及电化学分析方法概述4第4页，共49页，2023年，2月20日，星期五第一节一般原理定义：材料分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的分析、测试技术及其有关理论基础的科学．材料现代分析、测试技术的发展，使得材料分析不仅包括材料(整体的)成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析、形貌分析等许多内容．5第5页，共49页，2023年，2月20日，星期五材料的元素成份分析材料的物相结构分析材料的表观形貌分析材料的价态分析材料的表面与界面分析

材料的热分析材料的力学性能分析6第6页，共49页，2023年，2月20日，星期五材料分析原理：材料分析是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征信息)的检测实现的．材料分析的基本原理(或称技术基础)是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系．采用各种不同的测量信号(相应地具有与材料的不同持征关系)形成了各种不同的材料分析方法。7第7页，共49页，2023年，2月20日，星期五基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法巳成为材料现代分析方法的重要组成部分，大体分为光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析等四大类方法．此外，基于共它物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法．8第8页，共49页，2023年，2月20日，星期五尽管不同方法的分析原理(检测信号及其与材料的特征关系)不同及具体的检测操作过程和相应的检测分析仪器不同，但各种方法的分析、检测过程均可大体分为信号发生、信号检测、信号处理及信号读出等几个步骤．相应的分析仪器则由信号发生器、检测器、信号处理器与读出装置等几部分组成．9第9页，共49页，2023年，2月20日，星期五信号发生器使样品产生(原始)分析信号，检测器则将原始分析信号转换为更易于测量的信号(如光电管将光信号转换为电信号)并加以检测，被检测信号经信号处理器放大、运算、比较等后由读出装置转变为被人读出的信号被记录或显示出来．依据检测信号与材料的特征关系，分析、处理读出信号，即可实现材料分析的目的。10第10页，共49页，2023年，2月20日，星期五第二节衍射分析方法概述衍射分析方法是以材料结构分析为基本目的的现代分析方法．电磁辐射或运动电子束、中子束等与材料相互作用产生相干散射(弹性散射)，相干散射相干涉的结果——衍射是材料衍射分析方法的技术基础。衍射分析包括x射线衍射分析、电子衍射分析及中子衍射分析等方法。11第11页，共49页，2023年，2月20日，星期五一、x射线衍射分析来源：x射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干散射，同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉．在某些方向上一致加强，即形成了品体的衍射波(线)．衍射方向和衍射强度是据以实现材料结构分析等工作的两个基本特征．衍射方向以衍射角即入射线与衍射线的角2θ表达，其与产生衍射晶面之晶面间距d，及入射线波长λ的关系。即衍射产生的必要条件遵从布拉格方程

2dsinθ＝λ

12第12页，共49页，2023年，2月20日，星期五

多晶体的衍射方法：多晶体x射线衍射分析基本方法为衍射仪法与照相法。照相法以光源(x射线管)发出的单色光(特征x射线)照射多晶体(圆柱形)样品，用底片记录产生的衍射线，用其轴线与样品轴线重合的圆柱形底片记录称为德拜法；用平板底片记录者称为针孔法．较早的x射线分析多采用照相法，而德拜法是常用的照相法，一般称照相法即指德拜法，德拜法照相装置称德拜相机。13第13页，共49页，2023年，2月20日，星期五衍射仪法分析装置称衍射仪，由光源、测角计、检测器(计数管)、辐射测量电路(信号处理器)及读出部分组成。衍射仪法以单色光照射多晶体(平板)样品，检测器与样品台同步转动，扫描接收衍射线并转换为电脉冲信号，再经信号处理并记录或显示，得到(衍射强度)一2θ曲线．近年来衍射仪法己在绝大多数场合下取代了照相法，成为衍射分析的主要方法．14第14页，共49页，2023年，2月20日，星期五粉磨不同时间的α-Al2O3的XRD图谱

15第15页，共49页，2023年，2月20日，星期五单晶体的衍射方法：单晶体X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法．劳埃法以光源发出的复合光即连续X射线照射置于样品台上不动的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线．底片置于样品前方者称为透射劳埃法，底片处于光源与样品之间者称为背射劳埃法．劳埃法照相装置称劳埃相机．周转晶体法以光源发出的单色光照射转动的单晶体样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线．周转晶体法应用较少。16第16页，共49页，2023年，2月20日，星期五四圆衍射仪是近年来在综合衍射仪法与周转晶体法基础上发展起来的单晶体衍射方法，己成为单晶体结构分析的最有效方法．四圆衍射仪由光源、样品台、检测器等部件构成，其特点是实现样品在空间3个方向的圆运动(转动)以及检测器的圆运动(转动)，前3个圆运动共同调节晶体样品的取向，后者保证衍射线进入检测器．17第17页，共49页，2023年，2月20日，星期五x射线衍射分析方法的应用第18页，共49页，2023年，2月20日，星期五

二、电子衍射分析电子衍射分析立足于运动电子束的波动性．入射电子被样品中各个原子弹性散射，被各原子弹性散射的电子(束)相互干涉，在某些方向上一致加强，即形成了样品的电子衍射波．依据入射电子的能量大小，电子衍射可分为高能电子衍射和低能电子衍射，依据电子束是否穿透样品．电子衍射可分为透射式电子衍射与反射式电子衍射．19第19页，共49页，2023年，2月20日，星期五

高能电子衍射分析：入射电子能量为10—200kev．高能电子衍射方向和晶体样品中产生衍射晶面之晶面间距及电子入射波长(A)的关系即电子衍射产生的必要条件也由布拉格方程描述．由于原子对电子的散射能力远高于其对x射线的散射能力(约高10000倍以上)，电子穿透能力差，因而透射式高能电子衍射只适用于对薄层样品(薄膜)的分析。高能电子衍射的专用设备为电子衍射仪，但随着透射电子显微镜的发展，电子衍射分析多在透射电子显微镜上进行．与x射线衍射分析相比，透射电子显微镜亡具有可实现样品选定区域电子衍射(选区电子衍射)并可实现微区样品结构(衍射)分析与形貌观察相对应的特点。20第20页，共49页，2023年，2月20日，星期五反射式高能电子衍射分析：以高能电子照射较厚固体样品来研究分析其表面结构．为获得表面信息，入射电子采用掠射方式即电子束以与样品表面夹角很小的方式照射样品表面，使弹性散射(衍射)发生在样品的近表面层．反射式高能电子衍射仪由电子枪(信号源)、样品架及荧光屏等部分组成，在超高真空环境下工作．21第21页，共49页，2023年，2月20日，星期五

低能电子衍射:以能量为10一1000(一般为10—500)ev的电子(束)照射样品表面，产生电子衍射．由于入射电子能量低，因而低能电子衍射给出的是样品表面1—5个原子层的(结构)信息，故低能电子衍射是分析晶体表面结构的重要方法，应用于表面吸附、腐蚀、催化、外延生长、表面处理等材料表面科学与工程领域。低能电子衍射来自样品表面原子的相干散射，故可将样品表面视为二维点阵。22第22页，共49页，2023年，2月20日，星期五x射线衍射与电子衍射分析方法的比较23第23页，共49页，2023年，2月20日，星期五电于衍射分析方法的应用24第24页，共49页，2023年，2月20日，星期五第三节光谱分析方法概述光谱分析方法是基于电磁辐射与材料相互作用产生的特征光谱波长与强度进行材料分析的方法．光谱分析方法包括各种吸收光谱分析和发射光谱分析法以及散射光谱分析法．25第25页，共49页，2023年，2月20日，星期五原子发射光谱分析(AES)：以直流电弧、交流电弧或高压火花等为信号激发源，其能量使样品蒸发成气态原子，并将气态原子外层电子激发至高能态，处于激发态的原子向低能级跃迁产生辐射(发射光谱)，产生的辐射经过分光仪器分光，按波长顺序记录在感光板上，从而获得了按谱线形式表达的样品发射光谱图．26第26页，共49页，2023年，2月20日，星期五定性分析：由于每种元素均有各自的特征谱线，故依据获得的样品光谱因即可实现样品化学成分定性分析，即确定样品中有何种元素或由哪些元素组成．定性分析经常采用样品光谱图和事先制备的“标准光谱图”进行比较的方法进行。定量分析：由于谱线强度与样品中元素含量存在着一定的函数关系，因而通过(采用测光仪)对各种特征谱线强度的测量即可确定样品中各元素的含量，从而实现样品化学组成的定量分析．27第27页，共49页，2023年，2月20日，星期五

原子吸收光谱分析(AAS)其分析仪器称为原子吸收分光光度计，由信号源(光源)、原子化器、分光系统和检测系统组成．信号源发射出含有待测元素特征谱线的光辐射；火焰或无火焰原子化器使样品待测元素离解转变为原子蒸气，气态原子选择性地吸收由信号源发出的入射光辐射，使入射光减弱；分光系统由被减弱的光辐射中分离出待测元素单色光即将检测元素的吸收分析线与其它辐射线分开；经检测器接收、转换、放大后记录或显示，即可获得样品中待测元素原子蒸气对入射光的吸光度。由于待测元素吸光度与其含量成正比．故根据测得的吸光度可确定样品中持测元素的含量，即实现元素含量的定量分析．28第28页，共49页，2023年，2月20日，星期五原子荧光光谱分析(AFS)其分析仪器称为原子荧光光谱计。通过原子化器产生的样品原子蒸气被强光源发射的光辐射照射，原子外层电子产生荧光辐射；由分光系统(小光栅单色器或寸；涉滤光片)分离荧光经检测器接收、转换为电信号，再经放大并读出．按分析原理，AFS属于原子发射光谱法。29第29页，共49页，2023年，2月20日，星期五紫外、可见(分子)吸收光谱分析：其分析仪器称为紫外、可见分光光度计．光源辐射的复合光经单色器色散(即使不同波长光分散开)成纯度很高的单色光作为样品的入射光，入射光通过置于样品池(或称吸收池，样品池应能透过有关辐射线，即对入射光“透明”)中的样品溶液，被选择性吸收而减弱后再被检测器(光电管或光电倍增管)检测，最后被显示或记录。按获得的吸收光谱(吸光度对波长的分布)实现样品定性或定量分析．30第30页，共49页，2023年，2月20日，星期五红外(分子)吸收光谱分析(IR)：其分析仪器称为红外分光光度计或红外光谱仪，红外分光光度计与紫外、可见分光光度计相似，也是由光源、单色器、样品池、检测器和记录装置等组成。31第31页，共49页，2023年，2月20日，星期五核磁共振波谱分析(NMR)其分析仪器称为核磁共振(波)谱仪，由磁铁、探头、射频发生器、扫描发生器、接收器与记录仪等部件组成．磁铁提供稳定、均匀的强外磁场，射频发生器产生的射频源信号向样品辐射；扫描发生器以扫场方式(保持频率恒定，线性地改变磁场，相当于在强外磁场上叠加线性变化的小磁场)或扫频方式(保持磁场恒定，线性地改变频率)扫描，当满足一定关系时，样品发生核磁共振．32第32页，共49页，2023年，2月20日，星期五拉曼光谱分析：是一种散射光谱分析法．由于激光具有单色性好、方向性好、亮度高等特点，因而以激光为光源的激光拉曼光谱分析已成为材料分析的重要方法。激光拉曼光谱仪由激光光源、样品池、单色器、检测器、信号处理与读出系统等部分组成，。光源发出的激光束(单色光)经反射镜和透镜照射到样品上，样品产生的拉曼散射经单色器分光后由检测器接收、转换为电信号，再经信号处理后由记录仪记录，得到样品拉曼光谱图．激光光源多采用连续式气体激光器，如He—Ne激光器、Ar离子激光器等．33第33页，共49页，2023年，2月20日，星期五光谱分析方法的应用34第34页，共49页，2023年，2月20日，星期五35第35页，共49页，2023年，2月20日，星期五第四节电子能谱分析方法概述电子能谱分析法是基于光子(电磁辐射)或运动实物粒子(电子、离子、原子等)照射或轰击材料(原子、分了或固体)产生的电子能谱(电子产额对能量的分布)进行材料分析的方法。电子能谱分析方法主要类型光电子能谱(x射线光电子能谱与紫外光电子能谱)分析与俄歇电子能谱分析是已经得到广泛应用．是重要电子能谱分析方法．36第36页，共49页，2023年，2月20日，星期五光电子能谱分析仪：由光源、样品室、能量分析器及信号处理与记录系统组成.样品室保持在超高真空，光源发射的x射线或紫外线照射安装在样品架上的样品致其光电离，发射的光电子进入能量分析器按能量分类后由检测器接收，再经放大、甄别、整形并由记录仪记录，获得光电子能谱．现代光电子能谱仪的运行、数据采集和信息处理均由计算机控制完成．37第37页，共49页，2023年，2月20日，星期五俄歇电子能谱仪由光源、样品室、能量分析器、信号处理与记录系统组成。电子激发俄歇能谱仪以电子枪发射电子为激发源，多采用镜简分析器测量俄歇电子能量分布．38第38页，共49页，2023年，2月20日，星期五光电子能谱与俄歇电子能谱分析方法的应用39第39页，共49页，2023年，2月20日，星期五第五节电子显微分析方法概述电子显微分析是基于电子束(波)与材料的相互作用而建立的各种材料现代分析方法。电子显微分析方法以材料微观形貌、结构与成分分析为基本目的．从分析原理(技术基础)来看，各种电子显微分析方法中的一些方法也可归于光谱分析(如电子探针)、能谱分析[如电子激发俄歇能谱)和衍射分析(如电子衍射)等方法范畴．透射电子显微(镜)分析与扫描电子显微(镜)分析及电子探针分析是基本的、得到广泛应用的电子显微分析。另外俄歇能谱分析也得到较广泛应用．40第40页，共49页，2023年，2月20日，星期五透射电子显微镜(TEM)：可简称透射电镜，用于薄层(一般小于200nm)样品微观形貌观察与结构分析．透射电镜成像原理与光学显微镜类似，即以电子束(代替光束)为照明源．经聚光镜(电磁透镜)聚焦后照射样品，透射电子经成像系统聚焦、放大、成像，并由荧光屏显示或底片记录．依据样品不同位置透射电子束强度不同而成像，得到的是样品形貌像；依据(被样品)弹性散射电子相长干涉(衍射)方向与强度不同而成像，则得到样品衍射像(衍射花样、衍射谱)41第41页，共49页，2023年，2月20日，星期五42第42页，共49页，2023年，2月20日，星期五

扫描电子显微镜：可简称扫描电镜，由电子光学系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统及真空系统等组成。由电子光学系统获得的在样品表面聚焦的细电子束(最小直径1—10nm)与样品相互作用产生各种特征物理信号.物理信号经检测系统接收、视频放大等处理后成为显示系统的调制信号，调制信号调制阴极射线管(cRT)电子束强度，从而在cRT荧光屏上获得显示样品特征的图像.入射电子束在样品表面扫描并由扫描系统保证阴极射线管电子束(在荧光屏上)与其同步扫描，因而荧光屏上获得的是样品表面的扫描图像。43第43页，共49页，2023年，2月20日，星期五电子探针x射线显微分析仪：简称电子探针(HPA或EPMA)，其技术基础与x射线荧光光谱分析相似，主要区别是以电子束代替X光为激发源，适用于样品微区成分分析．电子探针与X射线荧光光谱仪相似，亦分为波谱仪与能谱仪．电子探针作为附件配备于透射电子显微镜或扫描电子显微镜，则可实现样品微区成分分析与形貌分析的有机结合．现代电于探针一般都是扫描型电子探针(并多配备于扫描电子显微镜)，可实现样品成分的点分析(点的元素浓度)、线分析(沿样品某方向的元素浓度分布)和面分析(与样品形貌像相对应的样品表面元素浓度分布)等．44