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1、第一章材料分析方法概述本讲稿第一页，共四十九页第一章材料分析测试方法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。本讲稿第二页，共四十九页2 2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。本讲稿第三页，共四十九页3 3n n主要内容n n第一节 一般原理n n第二节 衍射分析方法概述n n第三节第三节 光谱分析方法概述光谱分析方法概述n n第四节 电子能谱分析方法概述n n第五节第五节 电子显微分析方法概述电子显微分析方法概述n n第六节 色谱、
2、质谱及电化学分析方法概述本讲稿第四页，共四十九页4 4第一节 一般原理定定义义：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n n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本讲稿第五页，共四十九页5 5n n材料的元素成份分析n n材料的物相结构分析n n材料的表观形貌分析n n材料的价态分析n n材料的表面与界面分析 n n材料的热分析n n材料的力学性能分析本讲稿第六页，共四十九页6 6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
3、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。本讲稿第七页，共四十九页7 7n n 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本讲稿第八页，共四十九页8 8n n 尽管不同方法的分析原理
4、(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本讲稿第九页，共四十九页9 9n n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。本讲稿第十页，共四十九页1010第二节
5、 衍射分析方法概述n n 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。n n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。本讲稿第十一页，共四十九页1111 一、x射线衍射分析n n来源：x x射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干散射线照射晶体，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，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，即形各原子散射波相互干涉在某些方
6、向上一致加强，即形成了品体的衍射波成了品体的衍射波(线线)衍射方向和衍射强度衍射方向和衍射强度是据以实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射角即入射线与衍射线的角2 2 表达，其与产生衍射晶表达，其与产生衍射晶面之晶面间距面之晶面间距d d，及入射线波长及入射线波长的关系。即衍射产生的关系。即衍射产生的必要条件遵从布拉格方程的必要条件遵从布拉格方程 2dsin 本讲稿第十二页，共四十九页1212n n 多晶体的衍射方法：n n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
7、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。本讲稿第十三页，共四十九页1313n n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)一2 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
8、要方法本讲稿第十四页，共四十九页1414粉磨不同时间的粉磨不同时间的-Al2O3的的XRD图谱图谱 本讲稿第十五页，共四十九页1515n n单晶体的衍射方法：n n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n n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。本讲稿第十六页，共四十九页1616n n 四圆衍射仪是近年来在综合衍射
9、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本讲稿第十七页，共四十九页1717x射线衍射分析方法的应用本讲稿第十八页，共四十九页1818 二、电子衍射分析n n 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n n 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
10、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本讲稿第十九页，共四十九页1919n n 高能电子衍射分析：高能电子衍射分析：n n入射电子能量为10200 kev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)的的关关系系即即电电子子衍衍射射产产生生的的必必要要条条件件也也由由布拉格方程描述n n由由于于原原子子对对电电子子的的散散射射能能力力远远高高于于其其对对x射射线线的的散散射射能能力力(约高1000010000倍以上)，电电子子穿穿透透能能力力差差，因因而而透透射射式式高高能能电电子子衍衍射射只只适适用用于于对对薄薄层层样样品品(薄薄膜膜)
11、的的分分析析。高高能能电电子子衍衍射射的的专专用用设设备备为为电电子子衍衍射射仪仪，但但随随着着透透射射电电子子显显微微镜镜的的发发展展，电电子子衍衍射射分分析析多多在在透透射射电电子子显显微微镜镜上上进进行行与与x射射线线衍衍射射分分析析相相比比，透透射射电电子子显显微微镜镜亡亡具具有有可可实实现现样样品品选选定定区区域域电电子子衍衍射射(选区电子衍射)并并可可实实现现微微区样品结构区样品结构(衍射)分析与形貌观察相对应分析与形貌观察相对应的特点。本讲稿第二十页，共四十九页2020n n 反射式高能电子衍射分析：n n 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
12、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本讲稿第二十一页，共四十九页2121n n 低能电子衍射:n n以以能能量量为为1010一10001000(一一般般为为10500)ev的电子(束)照照射射样样品品表表面面，产产生生电电子子衍衍射射由由于于入入射射电电子子能能量量低低，因因而而低低能能电电子子衍衍射射给给出出的的是是样品表面15个原子层的(结结构构)信息，故故低低能能电电子子衍衍射射是是分分析析晶晶体体表表面面结结构构的的重重要要方方法法，应应用用
13、于于表面吸附、腐腐蚀蚀、催催化化、外外延延生生长长、表表面面处处理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。本讲稿第二十二页，共四十九页2222x射线衍射与电子衍射分析方法的比较本讲稿第二十三页，共四十九页2323电于衍射分析方法的应用本讲稿第二十四页，共四十九页2424第三节 光谱分析方法概述n n 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本讲稿第二十五页，共四十九页2525n n 原子发射光谱分析(AES)：n n以直流电弧、交流
14、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本讲稿第二十六页，共四十九页2626n n定性分析：n n由于每种元素均有各自的特特征征谱谱线线，故故依依据据获获得得的的样样品品光光谱谱因因即即可可实实现现样样品品化化学学成成分分定定性性分分析析，即即确确定定样样品品中中有有何何种种元元素素或或由由哪哪些些元元素素组组成成定定性性分分析析经经常常采采用用样样品品光光谱谱图图和和事事先先制制备备的的“标标准准光
15、光谱谱图图”进进行行比比较较的的方方法法进行进行 。n n定量分析：定量分析：n n由由于于谱谱线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(采采用用测测光光仪仪)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本讲稿第二十七页，共四十九页2727n n 原子吸收光谱分析原子吸收光谱分析(AAS)(AAS)n n其其分分析析仪仪器器称称为为原原子子吸吸收收分分光光光光度度计计，由由信号源(光光源源)、原子化器、分光系统和检测系统组成n n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
16、收由信号源发出的入入射射光光辐辐射射，使使入入射射光光减减弱弱；分分光光系系统统由由被被减减弱弱的的光光辐辐射射中中分分离离出出待待测测元元素素单单色色光光即即将将检检测测元元素素的的吸吸收收分分析析线线与与其其它它辐辐射射线线分分开开；经经检检测测器器接接收收、转转换换、放放大大后后记记录录或或显显示示，即即可可获获得得样样品品中中待待测测元元素素原原子子蒸蒸气气对对入入射射光光的的吸吸光光度度。由由于于待待测测元元素素吸吸光光度度与与其其含含量量成成正正比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本讲稿第二十八页，共四十九页2828n n原子荧光光谱分析(AF
17、S)n n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。本讲稿第二十九页，共四十九页2929n n 紫外、可见(分子)吸收光谱分析：n n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)
18、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本讲稿第三十页，共四十九页3030n n 红外(分子)吸收光谱分析(IR)：n n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。本讲稿第三十一页，共四十九页3131n n核磁共振波谱分析(NMR)n n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
19、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，样品发生核磁共振本讲稿第三十二页，共四十九页3232n n 拉曼光谱分析：n n是是一一种种散散射射光光谱谱分分析析法法由由于于激激光光具具有有单单色色性性好好、方方向向性性好好、亮亮度度高高等等特特点点，因因而而以以激激光光为为光光源源的的激激光光拉拉曼曼光光谱谱分分析析已已成成为为材材料料分分析析的的重重要要方方法法。激激光光拉拉曼曼光光谱谱仪仪由由激光光源、样品池、单色器、检测器、信号处理与读出系统等等部部分分组组成成，。光光源源发发出出的的激激光光束束(单色光)经反射镜和透镜照射到样品上，
20、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HeNe激光器、激光器、ArAr离子激光器等离子激光器等本讲稿第三十三页，共四十九页3333光谱分析方法的应用本讲稿第三十四页，共四十九页3434本讲稿第三十五页，共四十九页3535第四节 电子能谱分析方法概述n n 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。n n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
21、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本讲稿第三十六页，共四十九页3636n n 光电子能谱分析仪：n n由光源、样品室、能量分析器及信号处理与记录系统组成.n n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n n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本讲稿第三十七页，共四十九页3737n n 俄歇电子能谱仪n n由光源、样品室、能量分析器、信号处理与记录系统组成。n n电子激发俄歇能谱仪以电子枪发射电子为激发源
22、，多采用镜简分析器测量俄歇电子能量分布本讲稿第三十八页，共四十九页3838光电子能谱与俄歇电子能谱分析方法的应用本讲稿第三十九页，共四十九页3939第五节 电子显微分析方法概述n n电子显微分析是基于电子束(波)与材料的的相相互互作作用用而而建立的各种材料现代分析方法。建立的各种材料现代分析方法。n n电子显微分析方法以材材料料微微观观形形貌貌、结结构构与与成成分分分分析析为基本目的n n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(如如电电子子探探针针)、能能谱谱分分析析 如如电电子子激激发发俄俄歇歇能能谱谱)和和衍衍射射分分析析(如如电电子子衍衍射射)等方法
23、范畴透射电子显微(镜镜)分分析析与与扫扫描描电电子子显显微微(镜镜)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本讲稿第四十页，共四十九页4040n n 透射电子显微镜(TEM)(TEM)：n n可简称透射电镜，用于薄层(一般小于200nm)200nm)样样品品微微观形貌观察与结构分析观形貌观察与结构分析n n透透射射电电镜镜成成像像原原理理与与光光学学显显微微镜镜类类似似，即即以以电电子子束束(代替光束)为为照照明明源源经经聚聚光光镜镜(电电磁磁透透镜镜)聚聚焦焦后后照照射射样样品品，透透射射电电子子经经成成像像系系统统聚焦、放大、成像，并并由由荧
24、荧光光屏屏显显示或底片记录示或底片记录n n依依据据样样品品不不同同位位置置透透射射电电子子束束强强度度不不同同而而成成像像，得得到到的的是是样样品品形貌像；依依据据(被样品)弹性散射电子相长干涉(衍衍射射)方向与强度不同而成像，则得到样品衍衍射射像像(衍衍射花样、衍射谱射花样、衍射谱)本讲稿第四十一页，共四十九页4141本讲稿第四十二页，共四十九页4242n n 扫描电子显微镜：扫描电子显微镜：n n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。等组成。n n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110nm)与样品相互作用产生各种特征物
25、理信号.n n物理信号经检检测测系系统统接接收收、视视频频放放大大等等处处理理后后成成为为显显示示系系统统的的调调制制信信号号，调调制制信信号号调调制制阴阴极极射射线线管管(cRT)(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.入入射射电电子子束束在在样样品品表表面面扫扫描描并并由由扫扫描描系系统统保保证证阴阴极极射射线线管管电电子子束束(在在荧荧光光屏屏上上)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。本讲稿第四十三页，共四十九页4343n n 电子探针x x射线显微分析仪：n n简简称称电电子子探探针针(HPA或EPMA)EPMA)，其技术基础与x射射线线荧荧
26、光光光光谱谱分分析析相相似似，主主要要区区别别是是以以电子束代替X光为为激激发发源，适用于样品微区成分分析源，适用于样品微区成分分析n n电电子子探探针针与与X射线荧光光谱仪相似，亦分为波波谱谱仪仪与与能能谱谱仪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n n现现代代电电于于探探针针一一般般都都是是扫扫描描型型电电子子探探针针(并并多多配配备备于于扫扫描描电电子子显显微微镜镜)，可实现样品成分的点点分分析析(点点的的元元素素浓浓度度)、线分析(沿样品某方向的元素浓度分布)和和面分析(与样品形貌像相对应的样品表面元素浓度分布与样品形貌像相
27、对应的样品表面元素浓度分布)等等本讲稿第四十四页，共四十九页4444n n 电子激发俄歇电子能谱(xAFS或AEs)：n n近年来出现的扫描俄歇探针(SAM)用细聚焦电子束在样品表面扫描，可实现样品表面成分的点分析、线分析、面分析和深度剖面分析(利用离子枪发射惰性气体离子对样品表面溅射刻蚀，用俄歇谱逐层测定化学成分，从而获得元素沿样品深度方向的浓度分布)n n俄歇探针带有二次电子及吸收电子显示器并配备有x射线能谱探头，因而兼具扫描电镜和电子探针的功能本讲稿第四十五页，共四十九页4545电子显微分析方法本讲稿第四十六页，共四十九页4646第六节 色谱、质谱及电化学分析方法概述n n 色谱分析法n
28、 n是基于混合物中各组分在互不相溶的两相(固定相与流动相)中分配系数、吸附能力、溶解能力或阻滞能力等物理性质的差异，进行混合物组分分离和分析的方法n n 本讲稿第四十七页，共四十九页4747n n质谱分析法质谱分析法n n 质质谱谱分分析析法法(MS)(MS)是是基基于于元元素素(离离子子)的质荷比(质量与电荷的比值，MMe)e)进行材料定性、定量结构分析，特别是研究有机化合物结构的重要方法n n 无机化合物质谱分析主要应用于元素定性分析(样样品品全全元元素素分分析析或或确确定定样样品品中中是是否否台台有有某某些些元元素素)、半半定定量量或或定定量量分分析析质谱分析灵敏度很高，能检测相对含量达10-12E10-12E级级的的元元素素属属于于无无机机痕痕量量分分析析方方法法对对于于性性质质极极为为相相似似的的Hf、NbNb和和TaTa，稀土元素等采用质谱分析结果可靠。本讲稿第四十八页，共四十九页4848n n电化学分析法n n 电化学分析法是基于物质溶液的各种电化学性质与物质的特征关系确定其组成的分析方法电化学分析法依据检测信号(电化学参数)的不同分类及其大致应用，可分为：电位法、电解分析法、库仑分析方法、极谱分析方法和伏安法。本讲稿第四十九页，共四十九页4949