材料分析方法第九章其他显微分析方法简介
其他的显微分析方法
由于表面可被看为破坏了点阵周期性的缺陷，因此表面的原子具有和体内原子不同的振动模式。当表面有分子的覆盖层，通过研究这些覆盖层的振动模式可以测定吸附分子的结构，确定分子在表面的吸附位置。
通过观察某些振动模式的激发，可以得到吸附分子相对于衬底的取向，研究频率随覆盖度的变化，可以了解覆盖层的横向相互作用。可以用红外反射谱、高分辨电子能量损失谱和非弹性电子隧道谱来研究表面的振动。
离子探针显微分析仪探测离子扫描像的能力较高，所以当某些元素分布采用EPMA的特征X射线像所得衬度不好或难以探测时，采用离子探针显微分析法可获得满意eV范围内的电子有很大的散射截面，入射电子在经受弹性或非弹性散射之前是不能进入晶体很深的。因此，背散射电子中绝大部分是被表面或近表面的原子散射回来的，这就使低能电子衍射成为研究表面结构的一个理想的手段。
利用XPS可以进行除氢以外全部元素的定性、定量和化学状态分析，其探测深度依赖于电子平均自由程，对于金属及其氧化物，探测深度为5～25Å。XPS的绝对灵敏度很高，是一种超微量分析技术，分析时所需样品很少，一般10的－8次方克左右即可，因此XPS是薄膜材料最有效的分析手段之一。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones 的公式中到另一种印证。
现代材料分析测试技术显微分析技术IR资料
拓展应用领域， 从材料科学向 生物医学等领
域延伸
结合人工智能 和机器学习技 术，实现自动 化和智能化分
析
深入研究IR显 微分析的机理 和相互作用机 制，为新技术 的应用提供理
论支持
06
现代材料分析测试技术的发展趋势与展望
现代材料分析测试技术的发展趋势
数字化技术： 利用数字化技 术提高分析测 试的准确性和
03
显微分析技术的基本原理
光学显微镜的原理
显微镜由物镜和目镜组成，物镜将物体放大并形成一个倒立的实像，目镜将这个实像再次放大并 呈现给观察者。
光线通过显微镜时，经过物镜和目镜的两次放大，使得观察者能够看到物体细微结构。
光学显微镜的分辨力主要取决于物镜的数值孔径和照明光源的波长。
光学显微镜的放大倍数是指物像的长度或宽度与原物体长度的比值，通常由物镜和目镜的放大倍 数相乘得到。
显微分析技术在高分子材料性能测试中的应用，如测量高分子材料的力学性能、热性能和 电性能等。
显微分析技术在高分子材料老化研究中的应用，如观察高分子材料在老化过程中的微观变 化和性能变化等。
显微分析技术在高分子材料合成中的应用，如监测高分子材料的聚合反应过程和产物形貌 等。
陶瓷材料显微分析技术应用
电子显微镜的出现：20世纪30年代，德国科学家鲁斯卡和克诺尔发明了电子显微 镜，实现了对微观世界的更深入观察。
扫描隧道显微镜的诞生：1981年，瑞士物理学家宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道 显微镜，可以直接观察原子结构，为材料科学领域带来了革命性的突破。
原子力显微镜的发展：1986年，日本科学家日立造次和恩格尔巴特发表了原子力 显微镜的论文，实现了对表面形貌的超高分辨率成像。
05
IR资料在显微分析中的应用
扫描隧道显微镜(STM)
图9-4
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图9-5
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
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（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
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（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
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三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
材料分析方法总结
材料分析方法总结材料分析是指对各种材料的成分、结构、性能等进行分析研究的方法。
在工程、科学研究和生产中，材料分析方法的选择和应用对于材料的质量控制、性能评价和新材料的开发具有重要意义。
本文将对常见的材料分析方法进行总结，以便读者对材料分析有一个全面的了解。
一、光学显微镜。
光学显微镜是一种常用的材料分析仪器，通过对材料进行放大观察，可以得到材料的表面形貌、组织结构等信息。
适用于金属、陶瓷、塑料等材料的观察和分析。
二、扫描电子显微镜（SEM）。
扫描电子显微镜是一种使用电子束来扫描样品表面并获取图像的仪器。
相比光学显微镜，SEM具有更高的放大倍数和更高的分辨率，适用于对材料表面微观形貌的分析。
三、X射线衍射（XRD）。
X射线衍射是一种通过照射材料表面并测量衍射图样来分析材料晶体结构的方法。
通过X射线衍射，可以确定材料的晶体结构、晶格常数等信息。
四、透射电子显微镜（TEM）。
透射电子显微镜是一种使用电子束穿透样品并形成透射电子图像的仪器。
TEM 可以观察材料的晶体结构、位错、界面等微观结构特征。
五、质谱分析。
质谱分析是一种通过对材料中的离子进行质量分析来确定材料成分的方法。
质谱分析可以对材料的元素组成、分子结构等进行准确的分析。
六、热分析。
热分析是一种通过对材料在控制温度条件下的热性能进行分析的方法，包括热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）等。
热分析可以得到材料的热分解特性、热稳定性等信息。
七、核磁共振（NMR）。
核磁共振是一种通过测量材料中核自旋的共振信号来分析材料成分和结构的方法。
NMR可以对材料的分子结构、化学环境等进行分析。
以上是常见的材料分析方法的简要总结，每种方法都有其适用的范围和特点。
在实际应用中，需要根据具体的分析目的和样品特点选择合适的分析方法，并结合多种方法进行综合分析，以确保获得准确、全面的分析结果。
希望本文对材料分析方法的选择和应用提供一定的参考和帮助。
高分子材料研究方法显微分析法
电镜的三要素
分辨率
0.61 n sin
放大倍数：肉眼分辨率（0.2 mm）与电镜分 辨率（0.2nm) 的比值，106以上 衬度：分析TEM图像时亮和暗的差别，又称反 差。与样品的特性有关。 高分子电镜图像的衬度主要是吸收衬度，取决于样 品各处参与成像的电子数目的差别。电子数目越多， 散射越强，透射电子愈少，图像就越暗。
光学显微镜可用于研究透明与不透明材材料的形 态结构，虽然近代测试技术，特别是电子显微镜 的问世，提供了强有力的形态观测手段，但作为 直观、简单方便、价格相对低廉的实验室仪器， 其有着其它仪器不可替代的优势，在高分子材料 科学的研究中应用十分广泛。
第一节 光学显微镜的结构原理与分类
光学显微镜的发展史
按光源分 普通白光显微镜：自然光、可见光 红外光显微镜：与红外光谱联用作微区定性定量分析
紫外光显微镜：以紫外线或近紫外为光源
X射线显微镜：以X射线为光源，分辨率极高 For Polymer：
偏光显微镜、干涉显微镜、相差显微镜、金相显微镜
偏光显微镜的结构及原理
黑十字消光原理
相差显微镜 在普通光学显微镜基础上加两个部件：光 源与聚光镜之间环状光栏，在玻璃片上喷 涂金属漆借以挡光，只留下环形透光窄缝， 物镜的后焦面处插入位相板，产生相位差。
Ernst Ruska(1986 Nobel Prize)
透射电镜的结构
透射电镜的明、暗场及衍射模式
透射电镜的功能及发展
从1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，75 年的时间里它得到了长足的发展。这些发展主 要集中在三个方面。 •透射电子显微镜的功能的扩展； •分辨率的不断提高（ HREM ）； •将计算机和微电子技术应用于控制系统、观察 与记录系统等。
现代材料分析测试技术显微分析技术详解演示文稿
蜘蛛丝被拉断时显示出的"芯"结构，也称" 剑" 结构（箭头所示部分）
第61页，共93页。
2.6.4 微孔膜的观察
一般过滤器只能分离出直径为10-1000
m的颗粒。
微孔膜则可以分离出0.05-1 m或更小的
颗粒。
第62页，共93页。
微孔膜celgard的SEM像 (55000×)
第63页，共93页。
一般鉴别向列型和胆淄型液晶较可靠，
近晶型则可靠性较低。
第27页，共93页。
在偏光显微镜下看到的液晶集合体
胆甾相液晶
第28页，共93页。
胆甾相液晶
由螺旋状液晶层的重叠所构成 随着温度的变化呈现出鲜艳的干涉色，因而
最初被应用于温度计的显示 是最早应用于商业用途的。
第29页，共93页。
在偏光显微镜下看到的液晶集合体
相差显微镜
第35页，共93页。
PVC/PAN体系
(1)聚合物配比 (2) 温度
对相容性的影响
第36页，共93页。
9：1 7：3
8：2
6：4
第37页，共93页。
60ºC
40ºC
15ºC
第38页，共93页。
2. 电子显微镜
透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM )
第16页，共93页。
球晶
第17页，共93页。
1.1.4.2观察球晶的成核情况
聚合物结晶过程
晶核形成
晶粒生长
第18页，共93页。
晶核形成
均相成核
熔体中的高分子链段依靠热运动
形成有序排列的链束（晶核）
有时间依赖性
《材料微观分析方法》课件
通过电子束穿过材料，观察材料内部结构，适 用于薄膜和纳米材料。
பைடு நூலகம்
扫描电子显微镜
利用电子束对材料表面进行高分辨率成像，适 用于非导电和导电材料。
X射线衍射
利用材料中的晶体结构对X射线进行衍射，推断 材料的晶体结构和晶格参数。
材料微观分析方法的应用案例
各种材料的物理结构 分析
通过微观分析方法，可以揭示 各种材料的晶体结构、晶界分 布和相变行为。
《材料微观分析方法》 PPT课件
本课程将介绍材料微观分析的方法和应用，以及各种分析方法的优劣势对比 与常见问题的解决方案。
课程介绍
本课程旨在探讨材料微观分析的方法和应用。通过学习，您将了解到材料的 物理结构分析、性能表征和评价，以及材料失效分析。
常见的材料微观分析方法
光学显微镜
通过光学原理对材料进行显微观察和分析，适 用于较大尺寸和透明样品。
3 分析时间和成本
不同方法的分析时间和成 本也有所不同，需要综合 考虑资源投入和分析精度。
常见问题和解决方案
样品制备中的常见问题及解决方法
比如样品表面污染、振动干扰等问题，在课程中将介绍解决这些问题的方法和技巧。
材料性能的表征和评 价
分析材料的显微结构，了解其 力学性能、热学性能和导电性 能等特性。
材料失效分析
通过显微观察和分析，找出材 料失效的原因，改进材料设计 和生产工艺。
材料微观分析方法的优劣势对比
1 分辨率
不同方法的分辨率不同， 选择适合的方法以获得所 需的细节信息。
2 样品制备要求
不同方法对样品的制备要 求不同，需要根据具体需 求进行不同的样品制备。
材料分析方法总结
材料分析方法总结材料分析是一门重要的科学技术，它在工程、材料科学、地质学、化学等领域都有着广泛的应用。
在材料分析中，我们需要运用各种方法来对材料的成分、结构、性能进行分析，以便更好地理解和利用材料。
本文将对常见的材料分析方法进行总结，希望能够对相关领域的研究者和工程师有所帮助。
首先，光学显微镜是材料分析中常用的方法之一。
通过光学显微镜，我们可以观察材料的形貌、颗粒大小、晶粒结构等信息。
这对于金属、陶瓷、塑料等材料的分析都非常有帮助。
同时，透射电子显微镜和扫描电子显微镜也是常用的分析工具，它们可以提供更高分辨率的图像，帮助我们观察材料的微观结构。
除了显微镜，X射线衍射也是一种常用的材料分析方法。
通过X射线衍射，我们可以确定材料的晶体结构和晶格参数，从而了解材料的晶体学性质。
X射线衍射在材料科学、地质学和化学领域都有着广泛的应用，是一种非常有效的分析手段。
此外，光谱分析也是材料分析中常用的方法之一。
光谱分析包括紫外可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱等，它们可以用于分析材料的组成、结构和性能。
光谱分析在材料科学、化学和生物学领域都有着重要的应用，是一种非常有力的分析工具。
在材料分析中，热分析也是一种常用的方法。
热分析包括热重分析、差热分析、热膨胀分析等，它们可以用于研究材料的热稳定性、热分解过程、相变行为等。
热分析在材料科学、化学工程和材料加工领域都有着广泛的应用，是一种非常重要的分析手段。
最后，表面分析也是材料分析中不可或缺的方法。
表面分析包括扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱等，它们可以用于研究材料的表面形貌、化学成分和电子结构。
表面分析在材料科学、电子工程和纳米技术领域都有着重要的应用，是一种非常有效的分析手段。
综上所述，材料分析是一门重要的科学技术，它涉及到多个领域的知识和技术。
在材料分析中，我们可以运用光学显微镜、X射线衍射、光谱分析、热分析和表面分析等方法来对材料进行分析，从而更好地理解和利用材料。
材料分析方法总结
材料分析方法总结材料分析是指通过对材料的组成、结构、性能等方面进行研究，以获取有关材料特性和行为的信息。
在工程、科学研究和生产中，材料分析是非常重要的一项工作。
本文将对常见的材料分析方法进行总结，以便广大研究人员和工程技术人员参考。
一、光学显微镜分析。
光学显微镜是一种常见的材料表征工具，通过观察材料的形貌、颜色、结晶性等特征，可以初步了解材料的性质。
透射光学显微镜可用于金属材料、陶瓷材料等的分析，而反射光学显微镜则适用于表面分析和颗粒分析等。
通过光学显微镜分析，可以获得材料的晶粒大小、晶体结构、缺陷等信息。
二、扫描电子显微镜（SEM）分析。
SEM是一种能够提供高分辨率表面形貌和成分信息的分析工具。
通过SEM观察样品表面的形貌，可以获得材料的微观形貌特征，如表面粗糙度、颗粒大小等。
同时，SEM还可以结合能谱分析（EDS），用于获得材料的成分信息，如元素含量、元素分布等。
三、X射线衍射（XRD）分析。
X射线衍射是一种常用的材料结构分析方法，通过分析材料对X射线的衍射图样，可以得到材料的晶体结构、晶体参数、晶面取向等信息。
XRD分析适用于晶体材料、粉末材料等的结构表征，对于材料的相变、析出相、晶体取向等研究具有重要意义。
四、热分析（TG-DTA）分析。
热分析是一种通过对材料在不同温度下的质量、热量变化进行分析的方法。
常见的热分析方法包括热失重分析（TG）、差热分析（DTA）等。
通过热分析，可以了解材料的热稳定性、热分解特性、相变温度等信息，对材料的热性能研究具有重要意义。
五、原子力显微镜（AFM）分析。
AFM是一种能够提供材料表面形貌和力学性质信息的分析工具。
通过AFM可以获得材料的表面形貌、表面粗糙度、力学性能等信息，对于纳米材料、薄膜材料的表征具有独特优势。
综上所述，材料分析方法涵盖了光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、热分析、原子力显微镜等多种手段，每种方法都有其独特的优势和适用范围。
在实际应用中，可以根据具体分析的目的和要求，选择合适的分析方法进行研究，以获得准确、全面的材料信息。
光学显微分析材料研究方法
材料研究方法考试大纲1、光学显微分析技术：晶体光学基础、偏光显微镜下的光学显微分析技术及其应用，包括晶体中的光学特性、光率体的分类及应用、单偏光与正交偏光下的晶体光学性质、正交偏光下的干涉现象及光率体性质鉴定、晶体光学与轴性的鉴定、光学显微分析的应用等。
2、X射线衍射分析：包括X射线的产生及性质、X射线与物质之间的相互作用、X射线衍射及布拉格方程、X射线衍射分析方法、粉末衍射定性分析、X射线衍射分析的应用等。
3、电子显微分析：透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针，包括电子与物质的相互作用、透射电镜的成像原理、衬度原理与样品的制备、扫描电镜的原理及性能特点、扫描电镜与透射电镜的应用、波谱仪与能谱仪等。
4、热分析技术：差热分析、示差扫描量热分析、热重分析、热膨胀分析，包括热分析技术的原理、差热分析与示差扫描量热分析的特点、差热分析与热重分析的影响因素、热分析技术的应用、热分析联用技术及综合热分析、DTA和DSC的区别、理解如何通过热分析曲线确定高聚物成型和处理温度等。
5、光谱分析：紫外光谱、红外光谱、激光拉曼光谱，包括光谱分析的基本原理、紫外光谱谱带的产生及种类、分子震动形式及红外光谱的产生条件、红外光谱谱带强度及位置影响因素、拉曼光谱的基本概念及特点、光谱分析技术的应用、助色团和生色团的概念、红外光谱和拉曼光谱的异同等。
6、核磁共振分析：核磁共振的基本原理、弛豫、质子的化学位移、自旋偶合、自旋分裂、图谱的解释及其在材料分析中的应用。
7、质谱分析：质谱分析的基本原理、质谱仪的主要技术指标、质谱定性分析及图谱解析等。
8、材料测试分析的种类和意义、材料测试分析的综合应用等。
考试题型：论述题、计算题等。
课后习题答案§2-7．平行莫来石（斜方）斜方柱面（110）取一切面测得最大折射率为1.654，垂直斜方柱面另取一切面（001）面测得其折射率变化在1.644-1.642 之间。
已知光轴面//（010），试绘出其光率体并写出最大双折射率、光性符号、光性方位。
材料分析方法-1-课件
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
各种显微分析手段简介
提供一下拉曼数据库：1 聚合物和聚合物添加剂谱图数据库包含862个聚合物或聚合物体系的拉曼光谱2 食品添加剂和食品包装材料谱图数据库1,005个食品添加剂的拉曼光谱，其中包含FDA管制的物质；另外包含间接的食品添加剂：与食物直接接触的过程或包装物质3 溶剂谱图数据库460种溶剂的拉曼光谱谱图4 生化试剂谱图数据库1,585 种生化试剂的拉曼光谱，包含部分维生素、树脂、淀粉、甘油酯、脂肪酸、糖、碳水化合物、蛋白质和多肽物质5 醛、酮谱图数据库513 种脂肪族和芳香族醛类及酮类物质的拉曼光谱6 醇类和酚类谱图数据库701 种醇类和酚类的拉曼光谱谱图7 酯类、内酯和酸酐谱图数据库1,048 种羧酸、酯类、内酯和酸酐的拉曼光谱谱图8 碳氢化合物谱图数据库539 种碳氢化合物和卤化碳氢化合物的拉曼光谱谱图9 香料、芳香剂和化妆品成分谱图数据库949 种香料、芳香剂和用在化妆品中组分的拉曼谱图10 苯氧基农药谱图数据库418 种苯氧基农药的拉曼谱图，包含杀虫剂、除草剂、除藻剂和杀菌剂11 半导体化学品谱图数据库351 种在半导体中使用的化学品的拉曼谱图12 法医谱图数据库655 种在法医实验室中常见的化合物的拉曼光谱13 染料、颜料、和染色剂谱图数据库196 种选定的染料、颜料、染色剂和指示剂的拉曼光谱14 硫磺和磷谱图数据库649种硫磺和磷的拉曼光谱15 危险化学品谱图数据库包含美国环保局（EPA）Cameo 数据库和美国海岸警卫队（USCG）Chris危险品数据库的1,249 种化学品的拉曼谱图16 危险和有毒物质谱图数据库包含美国环保局（EPA）Cameo数据库中危险化学制品、美国海岸警卫队（USCG）Chris危险化学品数据库和国立职业和安全与健康研究所（NIOSH）危险化学品数据库的2,704 种物质的拉曼光谱，包括有毒物品控制法管制的化学品17 医药品、药品和抗生素谱图数据库1,019种医药工业中常用的有效物质和艾滋药品18 大宗化学品谱图数据库657种大宗化学品的拉曼谱图。
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• 内容提要： • 第一节 X射线光电子能谱(XPS) • 第二节 扫描探针显微镜(SPM)
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
第一节 X射线光电子能谱
• 引言 • 一、基本原理 • 二、X射线光电子能谱仪 • 三、X射线光电子能谱分析方法 • 四、XPS的特点及应用
• 表明：Na2S2O3中的两个硫原子 (+6价和-2价)的化学环境不同造 成了内层电子结合能相当显著的 化学位移，在电子能谱图上亦清 楚可见。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
一、基本原理
• 光电子谱仪分析样品成分的基 本方法，就是用已知光子照射 样品，然后检测从样品上发射 的电子所带有的关于样品成分 的信息。
2、表面科学的应用
• 对于表面的许多物理化学性质性质的研究能够揭 露一些表面现象的本质。
• 例如： ◇ 催化与表面吸附层和表面原子结构的关系； ◇ 逸出功与表面吸附层和表面原子结构的关系； ◇ 其他：表面钝化、活化、腐蚀、脆性、发光等 现象。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
3、表面分析技术的发展
• XPS：用X射线激发内层 电子(芯电子)，然后分析 这些电子的能量分布，从 而进行元素的定性分析和 化学状态分析等。
日本岛津产： 岛津/KRATOS高性能成图X射线光电子 能谱仪（AXIS-ULTRA型）
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• 1、光电效应 • 物质受光作用放出电
子的现象称为光电效 应 。（如图） • 在光激发下发射的电 子，称为光电子。
• 元素的主峰：元素最强最尖 锐的特征峰。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• 谱峰命名： • 光电子能谱的谱线常
以被激发电子所在能 级来表示。 • 如K层激发出来的电子 称为1s光电子，L层激 发出来的光电子分别 记为2s,2p1/2,2p3/2 电子等等。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• 式中， Eb—电子的结合能； Ek—电子动能。
• 电子结合能 Eb的物理意义（介绍两种情况）： • ① 对孤立原子或分子，Eb指某壳层电子激发为真
空中自由的静止光电子所需要的能量；
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• ② 对于导电固体样品， Eb指固 体样品中某内层电子跃迁到费米 能级所需要的能量。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
引言
• 1、表面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ特殊意义
• “表面”的概念：把一个或几个原子层厚度的表 面相称为“表面”。
• 表面相的特殊性在于它所处的环境与基体不同。
• 表面具有与基体不同的力学、光学、磁学、电 学和化学性能，以致影响材料的整体性能。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• 常用的电子能谱仪：X射线光电子能谱仪 (XPS)和俄歇电子能谱仪(AES)两种。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
5、X射线光电子能谱的发现
• 在对硫代硫酸钠(Na2S2O3)的研究 中观察到化学位移效应。
• 如图：XPS谱图中出现两个完全 分开的S2p峰，而且两峰的强度 相等：但在硫酸钠（Na2SO4）的 XPS谱图中只有一个S2P峰，
• 当一束能量为hν的单色光与原子发生相互作用，而入 射光量子的能量大于激发原子某一能级电子的结合能 时，此光量子的能量很容易被电子吸收，获得能量的 电子便可脱离原子核束缚，并带有一定的动能从内层 逸出，成为自由电子。
材料分析方法第九章其他显微分析 方法简介
• 在光电效应过程中，根据能量守恒原理： • h＝ Eb＋ Ek
表面分析方法
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4、电子能谱分析
• 对表面成分的分析，有效的工具是20世纪70年代迅速发展 起来的电子能谱分析。
• 电子能谱分析：采用单色光源(如X射线、紫外光) 或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而 发射出来，然后测量这些电子的产额(强度)对其 能量的分布，从中获得有关信息。
• 表面科学的发展：主要发展始于20世纪60年代， 它的两个最主要的条件是：
• —超高真空技术的发展； • —各种弱信号检测技术不断出现。 • 此外，需要电子及计算机技术的突破性进展。
• 与材料科学的联系：表面分析技术的发展与材料 科学的发展密切相关，它们相互促进。
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• 若>' ，则：V，此接触电势将使光电子
向谱仪入口的运动加速，使其动能从Ek增加到Ek '
Ek ＋ ＝ Ek ' ＋ '
h＝ Eb＋ Ek' ＋ '
于是，
Eb ＝ h －Ek' － '
式中： h为已知量； ‘在仪器中为定值（约4eV）。
• 通过测量出光电子的动能Ek' ，就能计算出Eb 。
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3、X射线光电子能谱图
• 如图： • 纵坐标：光电子产额(光电子
强度)。光电子产额通常由检 测器计数或计数率(单位时间 的平均计数)表示。 • 横坐标：光电子动能(Ek)或 电子结合能(Eb)。
• 元素的特征峰：表征某元素 芯电子结合能的一系列光电 子谱峰。
• 谱峰的化学位移 ：
• 原子所处化学环境不同，使原 子芯电子结合能发生变化，相 应地使电子能谱谱峰位置发生 移动，称为谱峰的化学位移。
• 某原子所处化学环境不同，有 两方面的含义：一是指与它相 结合的元素种类和数量不同； 二是指原子具有不同的价态。
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• 各种原子、分子不同轨道电子的结合能是一定的， 具有标识性；此外，同种原子处于不同化学环境 也会引起电子结合能的变化。
• 因此，对于导电固体样品： h＝ Eb ＋ ＋ Ek
• X射线能量(h)用于三部分（如 图）：
① 内层电子跃迁到费米能级，即克服 该电子的结合能Eb；
② 电子由费米能级进入真空成为静止 电子，即克服功函数 ；
③ 自由的光电子的动能Ek 。
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2、测试原理
• 当样品置于仪器中的样品架上时，由于样品材料的功 函数()和谱仪材料的功函数( ')不同，使样品与仪器 样品架材料之间将产生接触电势 V ；