材料表征技术

材料表征技术第1页/共58页宝石学鉴定与研究：

解决传统的珠宝检测仪所无法解决的疑难问题近二十年来宝石学上的重要进展几乎都体现在先进技术手段的使用上。如何快速、无损、准确地鉴定宝石将是未来宝石学家面临的重要研究课题。第2页/共57页第2页/共58页本专业所使用的主要大型仪器X射线荧光分析电子显微分析红外光谱分析紫外紫外-可见吸收光谱分析激光拉曼光谱阴极发光仪X射线衍射分析其它一些分析方法第3页/共57页第3页/共58页材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识。材料成分与结构、合成与生产过程、性质及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。第4页/共57页第4页/共58页成分和结构从根本上决定了材料的性能。总的来说一种材料或一种物质其性能取决于它本身的两个属性。一个是它的化学成分，另一个是它内部的组织结构。第5页/共57页第5页/共58页第6页/共57页第6页/共58页对材料的成分和结构进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控制的前提。

材料现代分析方法是一门关于材料成分及结构表征的技术性实验方法性的课程。第7页/共57页第7页/共58页8材料信号输入信号输出材料与输入信号相互作用，产生输出信号。比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。材料分析方法的理论依据（重点）第8页/共57页第8页/共58页9信号输入信号输出X-射线、光子、电子、离子束、中子材料掌握和灵活运用常见的表征手段。X-射线、光子、电子、离子束、中子第9页/共57页第9页/共58页第10页/共57页第10页/共58页第11页/共57页第11页/共58页组织形貌分析物相分析成份和价健分析分子结构分析现代材料分析的主要内容第12页/共57页第12页/共58页1.组织形貌分析微观结构的分析对于理解材料的本质至关重要光学显微镜(OM)电子显微镜(SEM)扫描探针显微镜(SPM)第13页/共57页第13页/共58页第14页/共57页第14页/共58页2.物相分析是指利用衍射的方法探测晶格类型和晶胞常数，确定物质的相结构。

X-射线衍射(XRD)

电子衍射(ED)

中子衍射(ND)利用电磁波或运动电子束、中子束，与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得携带材料内部原子排列信息的衍射斑点，重组处物质内部结构。第15页/共57页第15页/共58页第16页/共57页第16页/共58页

大部分手段都是基于核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。3.成分和价键分析

按照出射信号的不同，成分分析手段可以分为两类：X光谱和电子能谱，出射信号分别是X射线和电子。

X射线荧光光谱(XFS)，电子探针X射线显微分析(EPMA)X射线光电子能谱(XPS)，俄歇电子能谱(AES)第17页/共57页第17页/共58页4.分子结构分析利用电磁波与分子键和原子核的作用，获得分子结构信息。如：红外(IR)，拉曼(Raman)，荧光光谱(PL)利用电磁波与分子键作用时的发射效应；核磁共振(NMR)是利用原子核与电磁波的作用获得分子结构信息。第18页/共57页第18页/共58页

X射线荧光分析电子显微分析红外光谱分析紫外紫外-可见吸收光谱分析激光拉曼光谱阴极发光仪X射线衍射分析其它一些分析方法主要的材料分析技术第19页/共57页第19页/共58页掌握所介绍仪器的基本概念和原理、熟悉仪器结构、性能、实验操作的方法，并了解和基本掌握它们在材料微观组织结构和成分分析中的应用。了解现代分析技术领域里的新技术及其发展动态。掌握各种现代分析技术手段在宝石学中的应用。第20页/共57页第20页/共58页X－射线的发现：

1895年，德国物理学家伦琴在研究真空管高压放电现象时偶然发现，也叫伦琴射线。因此，1901年成为世界上第一位诺贝尔奖获得者。第21页/共57页第21页/共58页底片显影后的手指骨

世界上第一位诺贝尔奖获得者？FrauRöntgen'shand第22页/共57页第22页/共58页第23页/共57页第23页/共58页用初级X射线照射样品，试样激发出了不同波长的荧光X射线。对荧光X射线的分析检测有两种方式：一是将他们按波长分开，通过检测不同波长的X射线强度来进行定性、定量分析，采用波长色散X射线荧光光谱仪；另一类是将荧光X射线按电子能量分开，测量光子能量来进行定量定性分析，则采用能量色散型X荧光光谱仪。X射线荧光光谱仪第24页/共57页第24页/共58页WDX1000波长色散X射线荧光光谱仪第25页/共57页第25页/共58页能量色散X射线荧光光谱仪第26页/共57页第26页/共58页在宝石研究中的应用X射线荧光光谱仪适用于各种宝石的无损测试。具有分析的元素范围广；谱线简单，相互干扰少，分析方法简单；分析浓度范围较广，从常量到微量；分析快速、准确、无损。

近年来受到世界各大宝石研究所和宝石检测机构重视并加以应用。第27页/共57页第27页/共58页眼睛是人类认识客观世界的第一架“光学仪器”。但它能力有限，若两个细小物体间的距离小于0.1mm时，眼睛就无法把他们分开。光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。

上世界30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。电子显微分析第28页/共57页第28页/共58页研究对象微结构与显微成分微结构与性能的关系微结构形成的条件与过程机理材料的性能由微结构所决定，人们可通过控制材料的微结构，使其形成预定的结构，从而具有所希望的性能。电子显微分析是利用聚焦电子束与式样物质相互作用产生各种物理信号，分析式样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。方法：1、透射电镜（TEM）

2、扫描电镜（SEM）

3、电子探针（EMPA）第29页/共57页第29页/共58页电子显微分析在材料学中的应用①晶相、玻璃相、气相的存在与分布；②晶粒大小、形状、位置；③气孔的尺寸、形式、位置；④显微缺陷、微裂纹、晶体缺陷；⑤晶界及其所在处的杂质；⑥微区的成分分析。第30页/共57页第30页/共58页放大200倍的斜纹藻

放大30倍碳纳米管

光学显微镜照片第31页/共57页第31页/共58页放大40倍的新月藻、硅藻和水棉放大200倍的昆虫后腿光学显微镜照片第32页/共57页第32页/共58页纳米InVO4粉体TEM照片第33页/共57页第33页/共58页ZnO纳米带高分辨TEM照片第34页/共57页第34页/共58页第35页/共57页第35页/共58页光学显微镜的局限性一个世纪以来人们一直用光学显微镜来揭示材料的微观结构，但光学显微镜的分辨能力是有限的。最小分辨距离计算公式：

d指物镜能够分开两个点之间的最短距离，称为物镜的分辨本领或分辨能力；λ为入射光的波长；n为透镜周围介质的折射率α为物镜的半孔径角第36页/共57页第36页/共58页由上式可以得出：对于可见光的波长在390～770nm之间N、α值均小于1，最大只能达到1.5～1.6光学显微镜使其最大的分辨能力为0.2μ增大n、a值是有限的，解决的办法就是减小波长λ。而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能再次提高，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。第37页/共57页第37页/共58页

高能辐射区γ射线能量最高，来源于核能级跃迁

χ射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称~。γ射线→

X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波波长长第38页/共57页第38页/共58页电子的波性及波长比可见光波长更短的有：1）紫外线----会被物体强烈的吸收；2）X射线----无法使其会聚；3）电子波

根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性也具有波动性。电子波的波长第39页/共57页第39页/共58页

h——Plank常数，6.63×10-34J﹒S

m——9.1×10-28gv——电子速度显然，v越大，越小，电子的速度与其加速电压（E伏特）有关即而则埃即若被150伏的电压加速的电子，波长为1埃。若加速电压很高，就应进行相对论修正。第40页/共57页第40页/共58页41红外吸收光谱分析InfraredAbsorptionSpectroscopy,IR第41页/共57页第41页/共58页42当红外光照射时，物质的分子将吸收红外辐射，引起分子的振动和转动能级间的跃迁所产生的分子吸收光谱，称为红外吸收光谱或振动-转动光谱。第42页/共57页第42页/共58页43分子振动能级间跃迁需要的能量小，一般在0.025～1eV间。波长范围：0.75～1000µm。红外光谱区在可见光区与微波区之间

近红外区：0.75~2.5µm（13333～

4000cm-1）

—OH、—NH、—

CH倍频吸收区中红外区：2.5~25µm（4000～

400cm-1

）

基团的基频振动、伴随转动光谱远红外区：25~1000µm（400～

10cm-1

）转动光谱、晶格振动红外光区的划分

第43页/共57页第43页/共58页

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外吸收光谱。44红外光谱图表示形式第44页/共57页第44页/共58页红外光谱仪45一、仪器类型与结构两种类型：色散型干涉型（傅里叶变换红外光谱仪）美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR第45页/共57页第45页/共58页紫外可见吸收光谱UltravioletandvisiblespectrophotometryUV—Vis第46页/共57页第46页/共58页定义：紫外可见吸收光谱:利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断的分析方法。第47页/共57页第47页/共58页紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm，主要用于有色物质的定量分析。第48页/共57页第48页/共58页紫外可见吸收光谱示意图末端吸收最强峰肩峰峰谷次强峰maxmin

A第49页/共57页第49页/共58页第50页/共57页第50页/共58页拉曼光谱的发现与发展

1928年，印度科学家C.VRamanin首先在CCL4光谱中发现了当光与分子相互作用后，一部分光的波长会发生改