材料近代研究方法1-1 (2)

航天、海洋、生命、环境、能源、信息---新材料
• 我国是世界上的材料生产与消费大国。 • 钢、水泥、建筑陶瓷、玻璃等产量稳居第 一，有色金属、高分子材料等居世界前列， 绝大部分材料可立足国内。 • 材料的发展基本上满足了我国经济、科技 和国防建设的需求。
但我国还不是材料强国.
• 能耗大 • 污染严重 • 资源消耗大
1.3 材料近代研究方法的分类
（5）超精细物理化学结构分析技术
穆斯堡尔谱MS，核磁共振NMR， 正电子湮没分析PAT，核反应分析NRA 核物理效应——电子结构、电子密度、超精细力场、 电场、磁场，空位型缺陷
本课程的主要内容：
• 扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，场离子显 微镜FIM • 俄歇电子能谱AES，X射线光电子能谱XPS，紫外光电 子能谱UPS，二次离子质谱SIMS，离子散射谱ISS ， 原子探针AP • 低能电子衍射LEED，反射式高能电子衍射RHEED • 电子能量损失谱EELS
主要特征：宏观区域，平均成分，综合性能，一般精确度
1.1 材料近代研究方法的特征
（1）近代方法：
外在的性能测试 探索决定材料性能的深入的物理,化学,结构本质
1.1 材料近代研究方法的特征
（2）近代方法：微观（ μm）—亚微观（nm）—原子—原子核 A.人们对材料组成、结构、性质的认识进入更深层次 B.研究材料中某一微小的区域： 微区：微米至纳米尺寸区域的结构、原子排列、化学组成、 性质 薄膜：厚度几μm到几A，单原子层 表面与界面：几个原子层到单原子层 C.分辨率、精确度更高 穆斯堡尔谱：E的变化10-9 eV，1 eV=1.6x10-19 J
石油化工装置
能源生产
建筑
交通工具
材料的分类：
功能材料： 能源材料:电极材料，贮氢材料，光电转换材料 信息材料：半导体，光纤，电缆、 生物医用材料：人工关节，人造血管，人造器官 磁性材料：电机定子、转子材料，磁性存贮材料 环境材料：清除污染,可降解,环境友好材料 光学材料：透镜，黑体材料 催化材料、吸波材料、含能材料、智能材料
参考教材：
1.材料的特征检测，利弗森等，科学出版社，1998 2.现代分析技术，清华大学出版社，1995 3.电子能谱学，周清，南开大学出版社，1995 4.Surface Analysis, J.C.Vickerman, J.Wiley and Sons, 1997 5.原子物理学 6.表面分析（XPS和AES)引论，华东理工大学出版社，2008 7.聚合物表面分析：XPS和SSIMS，化工出版社，2001 8.材料分析技术，科学出版社，2010 9.材料分析检测技术，中南工大出版社，2009
信息材料：
信息记录材料
结绳—— 竹简—— 帛—— 纸张—— 磁盘—— 光盘——
信息材料：
信息记录材料
5”磁盘（0.36M）—3.5”盘（1.44M）—光盘（600M—>10G） —U盘（16M—>1G-----32G） 1990------------------1995------------------2000----------2005-----2010 Γ-Fe2O3(几kb/ inch2)--CrO2(几百kb/ inch2)—CoCrPt,CoCrTa(>10G/ inch2) 100G/inch2 Pt/Co多层膜，搀杂MnBiAl薄膜，Bi石榴石系薄膜，Ge-Te-Sb等
（3）结构分析技术
X射线衍射XRD，电子衍射TED，低能电子衍射LEED， 反射式高能电子衍射RHEED， 中子衍射ND，近吸收边X射线精细结构分析NEXAFS
晶体与非晶体结构，原子与分子排列
1.3 材料近代研究方法的分类
（4）分子结构、表面与薄膜特征分析技术 红外光谱IRS，表面增强拉曼光谱SERS， 电子能量损失谱EELS，椭圆偏振光分析 表面原子结构与排列，分子结构，吸附结构，薄膜性质
高分子材料的降解目 前还是世界性难题。
• 部分先进材料还要依赖进口:大规格铝合金, 高强碳纤维,超大规模集成电路芯片,特种合 金钢…; • 品种、规格少;低档次材料多，高性能材料 少； • 仿制多,自主研发少; • 同样材料的服役性能往往明显低于国外产 品； ……
材料科学与工程学科的核心内容：
研究材料成分、结构、制备方法与性能的关系 材料的制造、使用和创新
1.3 材料近代研究方法的分类
按分析内容和目的分类：
（1）材料微观形态分析技术 光学显微镜，扫描电镜SEM，透射电镜TEM，高分辨 率透射电镜HRTEM， 扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，场离子显 微镜FIM， 观察材料表面与内部形态、组织结构、晶体缺陷、夹杂物 原子组态与原子排列、分子组态
（2）角量子数（副量子数） l：0，1，2，3….（n-1） s，p，d，f， 意义：轨道角动量 （电子云几何形状）
(3)磁量子数m：-l，0，+l，最大值（2l+1） 意义：轨道角动量的空间取向 （电子云的空间取向）
无外磁场时各种取向的能量相同，有外磁场时由于磁相互作用，不 同取向能量不同
（4）自旋量子数s：+1/2，-1/2， 意义：电子自旋的两种方向
1.1 材料近代研究方法的特征
材料研究和表征的传统方法： 宏观研究（mm）----微观研究（μm） 力学性能： 强度——屈服强度、抗拉强度、抗压强度、弯曲与扭 转强度、疲劳寿命、硬度、弹性模量、磨损抗力、高温持久 强度、蠕变极限 塑性——应变、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性、 应力腐蚀断裂韧性
1.1 材料近代研究方法的特征
2.1.3 不确定关系
• 经典力学中，可以用质点的位置和速度（观粒子具有波动性，其位置与动量之间存在相互依 存和制约的关系，两个量不可能同时被精确测定，任 何一个量的测量精度与另一个量的精度有关。
材料制造工业：炼钢、有色 冶金、石油化工、水泥、陶 瓷、玻璃等行业是环境污染 的主要源头。
1999年统计，我国材料工业： 废气排放量占全国排放总量的77.2%，
固体废弃物占93.1%，
工业废水占58.6% 水泥:粉尘；有色金属冶炼:废矿渣、有毒气体。 材料工业能耗占全国工业总能耗的40%。
固体废弃物处理困难；
材料研究和表征的传统方法：
材料结构与化学组成——XRD、化学分析、仪器分析 材料热学性能——热分析、膨胀分析 材料电学与磁学性能——电阻测量、热电势分析、磁性测量 材料光学性能——光学测量、折光率、光发射行为、光谱分析 材料其它物理性能——内耗分析、同位素分析、超声波探测、 声发射、红外探测、流变性能测量
2.原子物理学基础
2.1 原子能级
2.1.1 原子核 原子核 Z个质子 原子质量数A=Z+N
原子序数Z的原子
Z个电子
N个中子
同位素——原子核的质子数相等而中子数不等 Z值相同而A值不同的一组核素 稳定同位素，不稳定同位素（放射性同位素） α（He核），β（电子），γ（光子）
2.1.2 原子能级 完整地描述一个电子的运动状态需要4个参数： （1）主量子数n，允许值1，2，3，……n 每个能级最多电子数2n2 意义：电子轨道
（6）原子核与核外电子的相互作用：力场、电场、磁场的分布与作用
（7）表面吸附层的结构、成分、结合强度、性质 （8）薄膜、表面、界面与微区内的上述内容—薄膜与微区分析
1.2 材料科学对研究方法和技术的需求
（9）高灵敏度、高分辨率、高定量精度 （10）不影响材料的组成与结构——非破坏分析 （11）适用于各种样品——非导体、粗糙表面、无须特 殊处理 （12）原位分析——空气、水、溶液及其他介质 （13）高低温，应力加载，断裂 不存在能够满足上述所有要求的方法!
1.3 材料近代研究方法的分类
（2）原子组成与原子状态分析技术
电子探针EPMA，俄歇电子能谱AES，X射线光电子 能谱XPS，紫外光电子能谱UPS，二次离子质谱SIMS，离 子散射谱ISS 卢瑟福背散射RBS，原子探针AP 材料组成元素与分布，偏析，价态，电子状态，化学键 强度
1.3 材料近代研究方法的分类
材料近代研究方法
材料科学与工程学院 左禹
什么是“材料”？
材料——人们用来制造机器、结构等具 有某种特性的物质的实体。
材料——人类文明的基石
人类文明的发展是以材料为标志的 材料的发展促进了人类文明的进步
石器时代—~25000年前 陶器时代—~10000年前 青铜时代—~4000年前 铁器时代—~2000年前
信息材料：
图示的量子磁盘由纳 米Co棒形成周期排列, 存贮密度达到 400Gb/Inch2
信息材料：
光传输材料： 熔融石英玻璃光导纤维：高纯SiO2，无杂质、气孔、 表面缺陷 目前的光功率损耗是0.2db/km 短距离：聚合物光纤PMMA，PS，损耗约200db/km 有源光纤：掺入Er离子，产生受激发射，增强功率
材料研究方法的涵盖内容：
材料结构、缺陷、表面及界面分析 材料化学组成分析——化学、仪器分析 材料热学性能——热分析、膨胀分析 材料电学与磁学性能——电阻测量、热电势分析、磁性测量 材料光学性能——光学测量、折光率、光发射行为、光谱分析 材料其它物理性能——内耗分析、同位素分析、超声波探测、 声发射、红外探测、流变性能测量、分子 量及其分布测量 电化学分析
能源材料
• 太阳能电池 • 燃料电池(氢,甲烷,甲醇) • 锂离子二次电池
电极材料,催化材料,贮氢材 料
材料科学与工程学科：
• • • • 是当今科技领域发展最快的学科之一； 是孕育着重大发现和突破的学科； 是挑战性非常强的学科； 是物理、化学、电子学、生物学等多个学科汇 聚的前沿领域； • 对21世纪的高新科技发展起着关键支撑作用：
无外加磁场时，电子能量主要决定于n和l 有外磁场时，4个量子数共同起作用
• 核外电子的排布遵从三项规则： • 泡利不相容原理——同一个原子中，不可能有两个运 动状态完全相同的电子存在 • 能量最低原理——电子依次进入能量从低到高的轨道 状态 • 洪特规则——在角量子数相同的轨道上，电子排布时 尽可能自旋平行地进入轨道