材料的表征技术

紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围
200400 nm（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 400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。
紫外可见吸收光谱示意图
A
末端吸收
最强峰
肩 峰
峰谷
次强峰
max
min

拉曼光谱分析法
电子显微分析
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
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。
光学显微镜照片
放大200倍的斜纹藻
放大30倍碳纳米管
光学显微镜照片
放大40倍的新月藻、硅藻和水棉
放大200倍的昆虫后腿
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。
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信号 输入
X-射线、光子、 电子、离子束、 中子
掌握和 灵活运 用常见 的表征 手段。
信号 输出
X-射线、光子、 电子、离子束、 中子
材料
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现代材料分析的主要内容
1. 2. 3. 4.
组织形貌分析 物相分析
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。
3.成分和价键分析 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。 按照出射信号的不同，成分分析手段可以分为两类：
1 d 0.61 n sin 2

由上式可以得出：
① ②
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。
显然，v越大， 越小，电子的速度与其加速电压（E伏特）有关
即
1 2 mv eE 2
v
2e E m
而 则
e 1.601019 C
150 E
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。
红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
红外光谱图表示形式
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。
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红外光谱仪
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）

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。
材料分析方法的理论依据 （重点） 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。
材 料
比较输入 和输出信 号，获取 材料的相 关信息。
近红外区：0.75~2.5 µ m （13333 ～ 4000 cm-1 ） —OH、—NH、— CH倍频吸收区 中红外区：2.5~25 µ m （4000 ～ 400 cm-1 ） 基团的基频振动、伴随转动光谱 远红外区：25~1000 µ m （400 ～ 10 cm-1 ） 转动光谱 、晶格振动 44
2.
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。
3.
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。
底片显影后的手指骨 世界上第一位诺贝尔奖获得者？
Frau Röntgen's hand
材料的表征技术
为什么要学习这门课程？
材料生产：
原材料和产品的成分、结构和性质怎样（原材 料和产品质量检测）？材料生产过程的质量监控等。
材料研发： 1)材料成分-结构-性质的研究
2)新材料的研发：材料设计-合成-分析测试-调 整工艺参数-合成-分析测试-材料制备工艺
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
拉曼光谱的发现与发展
1928 年，印度科学家 C.V Raman in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变（颜 色发生变化），通过对于这些 颜色发生变化的散射光的研究， 可以得到分子结构的信息，因 此这种效应命名为Raman效 应。——于 1930 年获诺贝尔物 理学奖。
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）

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。

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。

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。
源自文库

本专业所使用的主要大型仪器
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
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
想一想：
天空为什么是蓝色？ 早晚为什么有朝霞和晚霞？ 海水为什么也是蓝色？
0
拉曼(Raman)光谱基本原理
拉曼光谱是研究分 子和光相互作用的 散射光的频率
散射光
入射光
0
0
透射光
散射是光子与分子发生碰撞的结果

光散射的过程：激光入射到样品，产生散射光。 弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）
1. X射线荧光分析 主 要 的 材 料 分 析 技 术
2. 电子显微分析
3. 红外光谱分析紫外
4. 紫外-可见吸收光谱分析
5. 激光拉曼光谱
6. 阴极发光仪
7. X射线衍射分析
8. 其它一些分析方法
1.
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。
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)
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。
WDX1000波长色散X射线荧光光谱仪
能量色散X射线荧光光谱仪
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。
纳米InVO4粉体TEM照片
ZnO纳米带高分辨TEM照片
1.
•
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
X射线荧光光谱仪
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。
瑞利散射 scatter= laser
散射光
laser
拉曼散射
scatter> laser
激光拉曼散射光谱法
拉曼光谱的应用
激光拉曼散射光谱法
拉曼光谱的应用：司法科学中检验
材料分析需要各种分析表征 手段，要求我们掌握它们的原理 并在实践中加以灵活运用。
美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR
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紫外可见吸收光谱
Ultraviolet and visible spectrophotometry
UV—Vis
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。
成份和价健分析
分子结构分析
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)
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)
波长
长
2.
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
h m
h —— Plank 常数 ，6.63 ×10-34 J ﹒ S m ——9.1×10-28 g v ——电子速度
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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。
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红外光区的划分
分子振动能级间跃迁需要的能量小，一般在 0.025～1 eV间。 波长范围：0.75～1000 µ m。 红外光谱区在可见光区与微波区之间