材料分析技术座
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材料分析方法发展
高分辨率的扫描隧道显微技术，可以从分子到 原子层次上观察材料，如STM和AFM对材料 科学发展是突破性的，为纳米材料的发展提供 测试技术上的支持。
此外，孔结构、比表面积、粒度及分布、热分 析等技术都在材料分析起着重要的重要作用。
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2 表面分析
定义：表面是指凝态物质靠近气体或真空的一 个或几个原子层（0.5～10nm），是凝聚态对 气体或真空的一种过渡。
F 67.7 理论值66.7
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化学形态
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电子探针能谱仪EDS
EDS是通过检测特征X射线的能量，来确定样品微区成分。
检测器是能谱仪，它将检测到的特征X射线按其能量进行展谱。 EDS作为SEM或TEM的附件，与主件共同使用电子光学系统。
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材料分析方法发展
追溯到18世纪，由于光学显微镜的问世，人 们利用它可以对金属材料进行研究，观察其微
观结构，直到现在，金相显微镜 还是研究金
属材料的常用工具; 随着化学分析、仪器分析技术的材料的化学成
份研究，特别是对合金等材料中微量组分的分 析方法的研究，如发射光谱的新光源、光度分 析的发展及作用，也对材料科学发展起到积极 地促进作用。
1 材料分析的目的和意义
材料分析是材料科学/材料化学分科的一个重 要组成部分。
材料的性能是由其组成和结构所决定的，可以 通过对材料的测试来认识材料组成和结构。
包括各种有关的物理或化学的测试方法。 利用各种“探针”技术，如辐射、电子、离子
等与被测材料的相互作用，可以产生能够表现 材料微观结构特征的各种信息.
描述，粒子性用能量描述，其关系有： E＝hv=h·c/λ，动量P＝h/ λ 。 由于x-ray能量较大, 常用能谱表示. 常用分析方法有：
只要能确定光电子的动能EK，即可得到结合 能Eb， Eb作为定性分析的依据。
XPS也可以做定量分析，可用峰面积或峰高为 定量指标，方法与AES类似。
同时，光电子还有明确地化学位移，可以用于 研究化学形态。
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定性分析 月球土壤
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定量分析 聚四氟乙烯定量分析
原子百分比 C 32.3 理论值33.3
表面与体内的差别： 1)组成不同 2) 表面的排列与体内不同 3) 表面的电子结构与体内原子结构不同 4) 表面的电子结构与体内原子结构不同
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表面分析方法
表面分析方法是借助于某种“探针”，通过 “探针”与物质的表面作用，从而获得有关表 面的信息的分析方法.
常用的“探针”有：电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、声波、热；
子电离从而发射出光电子（二次电子）。同时原子内 层出现电子空穴，此时原子处于激发态，这种状态是 不稳定的，必然自发地跃迁至能量较低的状态，这一 过程称为退激发，退激发的方式有两种：一种是发射 特征X－ray；另一种是较外层电子向空穴跃迁，退激 发的能量使外层电子克服结合能脱离原子，发射出来
的电子被称为俄歇电子。
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材料分析方法发展
19世纪以来，特别是 1895年发现x-射线 ，后 来发展起来的XRD/XFS等测试技术，可以准 确地进行材料的物相分析/成分分析，可对物 体的组成、结构等进行表征。
随着电子学的发展，出现了电子显微技术，其 中主要有TEM和SEM以及电子探针，如各种 电子能谱，AES、XPS、UPS等，可以对材 料进行微观形貌、表面分析。
表面响应信号有：电子、离子、光子。 探针与样品表面作用，激发出电子、离子、光
子等出射粒子，这些出射粒子带有表面信息.
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表面分析仪器
表面谱仪由样品室、探针系统（信号源）、分析 室、检测系统、信号处理系统、其它系统。
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俄歇电子能谱（AES）
俄歇过程和俄歇电子: X－ray（或电子）激发固体中原子的内层电子，使原
Al-TiO2反应体系的反应结果中棒状物 和颗粒的EDS图，能谱分析可知棒状 物为Al3Ti，颗粒为Al2O3。
能谱分析只能给出组成元素及其成分 之间的原子比。而无法知道其结构。
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3 X—射线分析
x-ray是波长在0.01~10mm范围的电磁辐射， x-ray具有波粒两象性，波动性用波长或频率
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X－射线光电子能谱（XPS）
亦称化学分析用电子能谱（ESCA） 基本原理：
物质受到x-ray（或uv）的激发而产生光电子，以 Ne氖为例
Ne(0 ) hv Ne ( j ) e
基态
激发态 光电子
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按照爱因斯坦的光电效率定律
hv (Ei E0 ) EK A Is
式中 Ej E0 Eb 为电子结合能或电离能， 即产生光电离所需能量，对于元素来讲是特征的； EK－光电子的动能；Is－逸出功，即固体样品中 的光电子逸出表面所需能量；A－光电子在输运过 程中因非弹性碰撞而损失的能量
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hv Eb Ek A Is
对于具体的仪器，A+Is为常数, 激发能是已知 的（探针能量，特征x-ray）。
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俄歇电子能谱应用
1）定性分析 定性分析是根据直接谱或微分谱上负峰的位置进
行元素的定性分析，与标准谱相对比，可在《俄歇电 子谱上册》等资料中查到。 2）定量分析：
定量分析精不高，一般只能做半定量分析（精度 仅为10-20%左右）。但如果能正确估计俄歇电子的 有效深度，则精度可提高，但总的说来，AES不是一 种很好定量分析方法。
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俄歇ห้องสมุดไป่ตู้子
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俄歇电子的动能
EWXY(z)＝EW(z)－EX(z)－EY(z)
EWXY－序数为z的原子WXY俄歇电子 的动能（ev）
EW(z)——内层轨道的电离能 EX(z)——外层X轨道的电离能 EY(z)——次外层Y轨道电离能
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化学位移
原子化学环境是指原子价态或形成化合物时与 该元素的原子相结合的其它元素的原子的电负 性等情况的变化，不仅能引起俄歇峰的位移 （化学位移），还能引起其强度的变化，这两 种作用将引起俄歇谱形状的改变。
材料分析方法发展
高分辨率的扫描隧道显微技术，可以从分子到 原子层次上观察材料，如STM和AFM对材料 科学发展是突破性的，为纳米材料的发展提供 测试技术上的支持。
此外，孔结构、比表面积、粒度及分布、热分 析等技术都在材料分析起着重要的重要作用。
第4页/共77页
2 表面分析
定义：表面是指凝态物质靠近气体或真空的一 个或几个原子层（0.5～10nm），是凝聚态对 气体或真空的一种过渡。
F 67.7 理论值66.7
第18页/共77页
化学形态
第19页/共77页
电子探针能谱仪EDS
EDS是通过检测特征X射线的能量，来确定样品微区成分。
检测器是能谱仪，它将检测到的特征X射线按其能量进行展谱。 EDS作为SEM或TEM的附件，与主件共同使用电子光学系统。
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第1页/共77页
材料分析方法发展
追溯到18世纪，由于光学显微镜的问世，人 们利用它可以对金属材料进行研究，观察其微
观结构，直到现在，金相显微镜 还是研究金
属材料的常用工具; 随着化学分析、仪器分析技术的材料的化学成
份研究，特别是对合金等材料中微量组分的分 析方法的研究，如发射光谱的新光源、光度分 析的发展及作用，也对材料科学发展起到积极 地促进作用。
1 材料分析的目的和意义
材料分析是材料科学/材料化学分科的一个重 要组成部分。
材料的性能是由其组成和结构所决定的，可以 通过对材料的测试来认识材料组成和结构。
包括各种有关的物理或化学的测试方法。 利用各种“探针”技术，如辐射、电子、离子
等与被测材料的相互作用，可以产生能够表现 材料微观结构特征的各种信息.
描述，粒子性用能量描述，其关系有： E＝hv=h·c/λ，动量P＝h/ λ 。 由于x-ray能量较大, 常用能谱表示. 常用分析方法有：
只要能确定光电子的动能EK，即可得到结合 能Eb， Eb作为定性分析的依据。
XPS也可以做定量分析，可用峰面积或峰高为 定量指标，方法与AES类似。
同时，光电子还有明确地化学位移，可以用于 研究化学形态。
第16页/共77页
定性分析 月球土壤
第17页/共77页
定量分析 聚四氟乙烯定量分析
原子百分比 C 32.3 理论值33.3
表面与体内的差别： 1)组成不同 2) 表面的排列与体内不同 3) 表面的电子结构与体内原子结构不同 4) 表面的电子结构与体内原子结构不同
第5页/共77页
表面分析方法
表面分析方法是借助于某种“探针”，通过 “探针”与物质的表面作用，从而获得有关表 面的信息的分析方法.
常用的“探针”有：电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、声波、热；
子电离从而发射出光电子（二次电子）。同时原子内 层出现电子空穴，此时原子处于激发态，这种状态是 不稳定的，必然自发地跃迁至能量较低的状态，这一 过程称为退激发，退激发的方式有两种：一种是发射 特征X－ray；另一种是较外层电子向空穴跃迁，退激 发的能量使外层电子克服结合能脱离原子，发射出来
的电子被称为俄歇电子。
第2页/共77页
材料分析方法发展
19世纪以来，特别是 1895年发现x-射线 ，后 来发展起来的XRD/XFS等测试技术，可以准 确地进行材料的物相分析/成分分析，可对物 体的组成、结构等进行表征。
随着电子学的发展，出现了电子显微技术，其 中主要有TEM和SEM以及电子探针，如各种 电子能谱，AES、XPS、UPS等，可以对材 料进行微观形貌、表面分析。
表面响应信号有：电子、离子、光子。 探针与样品表面作用，激发出电子、离子、光
子等出射粒子，这些出射粒子带有表面信息.
第6页/共77页
表面分析仪器
表面谱仪由样品室、探针系统（信号源）、分析 室、检测系统、信号处理系统、其它系统。
第7页/共77页
俄歇电子能谱（AES）
俄歇过程和俄歇电子: X－ray（或电子）激发固体中原子的内层电子，使原
Al-TiO2反应体系的反应结果中棒状物 和颗粒的EDS图，能谱分析可知棒状 物为Al3Ti，颗粒为Al2O3。
能谱分析只能给出组成元素及其成分 之间的原子比。而无法知道其结构。
22 第22页/共77页
3 X—射线分析
x-ray是波长在0.01~10mm范围的电磁辐射， x-ray具有波粒两象性，波动性用波长或频率
第13页/共77页
X－射线光电子能谱（XPS）
亦称化学分析用电子能谱（ESCA） 基本原理：
物质受到x-ray（或uv）的激发而产生光电子，以 Ne氖为例
Ne(0 ) hv Ne ( j ) e
基态
激发态 光电子
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按照爱因斯坦的光电效率定律
hv (Ei E0 ) EK A Is
式中 Ej E0 Eb 为电子结合能或电离能， 即产生光电离所需能量，对于元素来讲是特征的； EK－光电子的动能；Is－逸出功，即固体样品中 的光电子逸出表面所需能量；A－光电子在输运过 程中因非弹性碰撞而损失的能量
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hv Eb Ek A Is
对于具体的仪器，A+Is为常数, 激发能是已知 的（探针能量，特征x-ray）。
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俄歇电子能谱应用
1）定性分析 定性分析是根据直接谱或微分谱上负峰的位置进
行元素的定性分析，与标准谱相对比，可在《俄歇电 子谱上册》等资料中查到。 2）定量分析：
定量分析精不高，一般只能做半定量分析（精度 仅为10-20%左右）。但如果能正确估计俄歇电子的 有效深度，则精度可提高，但总的说来，AES不是一 种很好定量分析方法。
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俄歇ห้องสมุดไป่ตู้子
第9页/共77页
俄歇电子的动能
EWXY(z)＝EW(z)－EX(z)－EY(z)
EWXY－序数为z的原子WXY俄歇电子 的动能（ev）
EW(z)——内层轨道的电离能 EX(z)——外层X轨道的电离能 EY(z)——次外层Y轨道电离能
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化学位移
原子化学环境是指原子价态或形成化合物时与 该元素的原子相结合的其它元素的原子的电负 性等情况的变化，不仅能引起俄歇峰的位移 （化学位移），还能引起其强度的变化，这两 种作用将引起俄歇谱形状的改变。