表面与表面分析
电子能谱分析基础
分布 价带结构 功函数
1-6
第一章 电子能谱分析基础
三 电子能谱与表面灵敏性
一般来讲 分析方法的表面灵敏度依赖于所检测的辐射 电子能谱中 电子从被
电子束或X射线照射的样品中发射出 然后到达能量分析器和检测器进行分析测量 在
1-7
电子能谱(Electron Spectroscopy)
电子在固体中的非弹性平均自由程 通用曲线
为了计算不同物质的非弹性平均自由程 M.P.Seah和W.A.Dench(1979)综合了大量
实测数据 总结出以下经验公式
对纯元素 对无机化合物 对有机化合物
由于电子能谱中包含着样品有关表面电子结构的重要信息 用它可直接研究表面 及体相的元素组成 电子组态和分子结构 电子能谱可进行表面元素的定性和定量分析 元素组成的选区和微区分析 元素组成的表面分布分析 原子和分子的价带结构分析 在某些情况下还可对元素的化学状态 分子结构等进行研究 是一种用途广泛的现代分 析实验技术和表面分析的有力工具 广泛应用于科学研究和工程技术的诸多领域中
由于表面所具有的特殊性质和表面问题与基础理论和工程技术的密切关系 使得近 年来对表面问题研究异常活跃 表面科学虽然诞生的历史不长 但它被认为是当今发展 最快 与技术关系最密切的一门前沿科学 它涉及物理学 化学 生物技术 材料科学 等许多领域
材料的表面行为对于我们的生活是及其重要的 如明显的腐蚀问题可由特别的表 面处理来克服 玻璃的光学性质可由表面涂覆层或改变表面组分加以调控 聚合物的表 面化学可被调整到使其紧附于包装上而对食品不沾 汽车废气催化剂可以除去燃烧引擎 的某些有害排出是表面化学的一个代表作 正如工业催化剂对90%的化工产品是及其重 要的 无论是催化剂 固态电子器件 还是引擎中的运动部件 均是其表面与其环境相 接触 其表面活性将决定材料在预期功能中的行为表现 所以彻底了解材料的表面性质 和行为是十分重要的
表面分析技术
表面分析技术表面分析技术是一项涉及材料和表面特性研究的重要技术手段。
通过对材料表面的分析和测试，可以了解材料的化学成分、结构形态以及物理性质等重要信息。
这些信息对于材料科学、化学工程以及各种工业领域的研究和应用具有重要的指导意义。
本文将介绍常见的表面分析技术及其应用，并探讨其在材料研究领域中的重要性。
一、X射线衍射（XRD）X射线衍射技术是一种分析晶体结构和晶体取向的重要手段。
通过照射材料表面的X射线，利用倒转的原理，可以得到材料中晶体的信息，如晶体晶胞参数、晶面取向和结晶度等。
X射线衍射技术广泛应用于金属材料、无机晶体、聚合物材料以及生物材料等领域的研究中。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种通过扫描材料表面的电子束来获取表面形貌和成分信息的技术。
通过SEM技术可以观察到材料的微观形貌、表面粗糙度以及颗粒分布情况。
此外，SEM还可以结合能谱分析，获取材料的元素成分信息，对于材料表面的成分分析具有重要意义。
扫描电子显微镜的高分辨率、高灵敏度和高成像质量使其成为材料科学研究中不可或缺的工具。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针在材料表面扫描获取高分辨率表面形貌和力学性质的技术。
与扫描电子显微镜类似，原子力显微镜可以获得纳米级别的表面形貌信息。
此外，通过原子力显微镜还可以研究材料的力学性质，如力曲线、硬度和弹性模量等。
原子力显微镜在纳米材料研究、表面重构以及生物医学领域的研究具有重要应用价值。
四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过激光照射材料表面，并测量散射光强度的技术。
拉曼光谱的原理是根据材料分子振动产生的震动频率差异来获取材料的化学成分和物理性质信息。
通过拉曼光谱可以研究材料的晶体结构、官能团成分以及分子结构的变化等。
应用于纳米材料、生物医学和化学合成等领域的研究中。
五、表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种通过将材料置于金属纳米颗粒表面，使得拉曼信号得到大幅增强的技术。
化学实验中的常见表面分析方法
化学实验中的常见表面分析方法在化学实验中，为了研究和分析物质的性质和组成，常常需要进行表面分析。
表面分析是指通过对物质表面的性质和组分进行研究，以了解其物理和化学特性。
本文将介绍一些在化学实验中常见的表面分析方法。
1. X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是一种常见的表面分析技术，它可以用来研究材料的元素组成、化学状态以及电子能级结构。
该方法通过利用高能X射线照射样品，并测量样品表面发射的光电子的能谱来分析。
通过分析光电子能谱，可以确定元素的种类、含量以及氧化态等信息。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌分析工具，它能够通过电子束在样品表面的扫描来观察和记录样品的形貌和微观结构。
SEM可以提供高分辨率的显微镜图像，帮助研究者观察样品的微观形貌和表面结构，从而了解样品的表面形貌特征。
3. 傅里叶红外光谱（FTIR）傅里叶红外光谱是一种用来研究物质分子振动和化学键结构的技术。
该方法通过使用红外辐射照射样品，测量样品在红外区域的吸收光谱来进行分析。
通过不同波数处的峰值和谱带，可以确定样品中的化学基团和化学键类型，从而了解分子的结构和组成。
4. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种用来研究样品表面形貌和微观结构的高分辨率显微镜。
它通过在样品表面扫描探针，测量探针与样品之间的相互作用力来生成和记录样品表面的形貌和结构图像。
AFM的分辨率可以达到亚纳米级别，能够观察到样品表面的原子和分子级别的细节。
5. 表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种用来研究分子振动和化学键信息的技术。
它利用金属纳米颗粒或表面纳米结构的电磁增强效应，使样品的拉曼散射信号被放大，从而提高了拉曼光谱的灵敏度。
SERS可以用于检测极低浓度的分子，并提供有关分子结构和组成的信息。
6. 电化学阻抗谱（EIS）电化学阻抗谱是一种研究电极和界面电化学特性的技术。
通过在电位或频率范围内测量电极上的电荷传递和电荷分布的变化，可以获得电化学阻抗谱图像。
表面分析方法
显微镜类 型
分辨本领
工作条件
工作温度
样品损伤
分析深度
人眼
0.2mm
光学显微镜
0.2m
SEM（二次电子）
横向：6nm
高真空
低温、室温、高温
轻微损伤
1m
纵向：较低
TEM
横向：点3~5 Å，线1~2 Å
高真空
低温、室温、高温
中等程度损伤
1000 Å (样品厚度）
纵向：很差
FIM
不同类型的SPM主要是针尖特性及其相应针尖－样品间相互作用的不同，包括：
扫描探针显微镜（STM)
原子力显微镜（AFM)
摩擦力显微镜（LFM)
磁力显微镜（MFM)
扫描近场光学显微镜（SNOM)
弹道电子发射显微镜（BEEM)
SPM对样品表面各类微观起伏特别敏感，即具有优异的纵向分辨本领，其横向分辨率也优于透射电镜及场离子显微镜。各种显微镜的主要性能指标如下表：
成份、原子及电子态
红外吸收谱
IR
原子态
拉曼散射谱
RAMAN
原子态
表面灵敏扩展X射线吸收谱细致结构
SEXAFS
结构
角分辨光电子谱
ARPES
原子及电子态、结构
I
光子诱导脱附
PSD
原子态
e－电子 －光子 I－离子
表中仅列出了探测粒子为电子和光子的常用表面分析方法，此外还有离子、中性粒子、电场、热、声波等各种探测手段。这些方法各有其特点，而没有万能的方法，针对具体情况，我们可以选择其中一种或综合多种方法来分析。
STM就是根据上述原理而设计的。工作时，首先在被观察样品和针尖之间施加一个电压，调整二者之间的距离使之产生隧道电流，隧道电流表征样品表面和针尖处原子的电子波重叠程度，在一定程度上反映样品表面的高低起伏轮廓。
表界面分析(XPS)
2
与电负性的关系： 随着取代基电负性增大，其化学位移正向增大。 三氟乙酸乙酯 电负性：F>O>C>H 4个碳元素所处化学环境不同
化学位移规律： 与元素价态的关系：当元素的价态增加，电子受原子核的库伦作用增加，结合能增加；当外层电子密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之则结合能将减少。
电子能谱常用激发源
激发源 电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X射线源、真空紫外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。
Ｘ射线激发源 XPS中最常用的X射线源主要由灯丝、栅极和阳极靶构成。
X射线源的主要指标是强度和线宽，一般采用K线，因为它是X射线发射谱中强度最大的。在X射线光电子能谱中最重要的两个X射线源是Mg和Al的特征K射线.
光电过程中，双电子跃迁过程属于禁阻跃迁，其几率远小于单电子跃迁几率。XPS是单电子跃迁过程，因此可准确测量其结合能。
XPS电子的结合能:
结合能是指在某一元素的原子结构中某一轨道电子和原子核结合的能量。结合能与元素种类以及所处的原子轨道有关，能量是量子化的。结合能反映了原子结构中轨道电子的信息。
对于气态分子，结合能就等于某个轨道的电离能，而对于固态中的元素，结合能还需要进行仪器功函的修正。
仪器的主要性能指标 信号强度S：以扣除背底后谱峰所包围的面积计算，是定量分析的基础； 结合能坐标的线性关系：通常用Au4f7/2、Cu 2p3/2、Ag 3d5/2三个轨道的结合能进行标定，建立能量坐标上谱峰位置和一定元素特定轨道结合能Eb的对应，定性分析基础； 能量分辨率：以扣除本底后全峰最大半高宽定义，直接影响元素化学态的准确测定。
干扰小，定性分析标示性强；
五、XPS优点：
《表面分析法》课件
借助XPS分析表面化学组成，优化纳米材料的性能和稳定性。
测量表面力、形貌、 电荷分布等。
X射线光电子 能谱(XPS)
分析表面化学组成 和元素状态。
表面等离子 共振(SPR)
探测分子相互作用 和表面膜层厚度。
实验步骤
1
样品制备
选择合适的基片，并进行样品表面处
仪器设置
2
理。
根据实验要求，调整仪器参数和探针。
3
扫描与检测
将样品放置到仪器中，进行扫描和信 号检测。
3 纳米技术
纳米材料表面形貌与性 能研究等
工作原理
1. 样品与探针间产生相互作用，并生成信号。 2. 通过对信号的检测和分析，得到表面特征及相关信息。 3. 根据信号处理结果，对样品的表面性质进行解析和评估。
主要技术
扫描电子显 微镜(SEM)
观察表面形貌，了 解微结构特征。
原子力显微 镜(AFM)
仪器设备
扫描电子显微镜(SEM)
观察和分析样品表面形貌。
原子力显微镜(AFM)
检测样品表面力、形貌、电荷 等。
X射线光电子能谱(XPS)
研究样品表面化学组成和元素 状态。
案例分析
材料科学
通过SEM分析，发现材料表面存在微观缺陷，进一步改善制备工艺。
生物医学
利用AFM观察细胞表面形貌和力学特性，研究细胞行为和药物传递。
《表面分析法》PPT课件
欢迎来到《表面分析法》PPT课件！通过本课件，我们将深入了解表面分析 法的应用领域、工作原理、主要技术、实验步骤以及所需仪器设备，同时结 合案例分析，帮助您更好地理解和应用该方法。
应用领域
1 材料科学
表面薄膜质量评价、材 料表面改性等
酵母菌表面展示操作步骤之表面展示与分析
酵母菌表面展示操作步骤之表面展示与分析表面展示与分析在酵母菌表面展示操作步骤中扮演着重要的角色。
通过表面展示与分析的步骤，我们可以确定酵母菌表面展示的蛋白质、酸性糖和其他小分子的存在与浓度，并进一步研究它们在酵母菌表面的功能以及与其他生物体的相互作用。
下面将介绍酵母菌表面展示与分析的详细操作步骤。
步骤一：酵母菌培养和收获首先，我们需要培养酵母菌株。
将所需酵母菌株接种到含有适宜培养基的培养皿中，在恒温摇床上以适宜的温度和速度培养酵母菌。
随着时间的推移，我们可以看到酵母菌的增殖。
当培养时间达到一定程度时，需要收获酵母菌。
通过离心将培养基与酵母菌分离，然后去除上清液，保留酵母菌沉淀。
步骤二：酵母菌预处理将酵母菌沉淀洗涤数次，去除杂质和培养基残留物。
洗涤过程通常使用PBS等缓冲液进行多次离心。
这步骤的目的是为了准确检测酵母菌表面的分子，去除可能干扰的物质。
步骤三：标记酵母菌表面分子标记是表面展示与分析过程中的关键步骤。
可以使用生物素化学方法，将生物素（biotin）与酵母菌表面的分子结合。
这样，酵母菌表面的分子就被标记为生物素化的形式。
步骤四：生物素-亲和素标记在进行生物素-亲和素标记之前，需要进行一次阻断。
将酵母菌与一定浓度的牛血清白蛋白（BSA）或其他蛋白质混合，以防止非特异性吸附的发生。
然后，将生物素-亲和素与酵母菌混合，让其发生特异性结合。
亲和素以及其他特异性结合剂可以根据实际需求进行选择。
步骤五：洗涤和检测洗涤是为了去除非特异性结合的物质。
可以使用PBS等缓冲液进行多次洗涤，确保只有特异性结合的生物素-亲和素留在酵母菌表面。
最后，使用适宜的检测方法来分析酵母菌表面的生物素-亲和素。
常用的方法包括酶联免疫吸附试验（ELISA）、荧光染色、免疫共沉淀等。
这些方法可以定量检测酵母菌表面特定分子的存在以及其浓度。
此外，还可以使用其他分析方法，如质谱分析和核磁共振等，进一步鉴定和分析酵母菌表面的分子。
总结起来，酵母菌表面展示与分析的操作步骤主要包括酵母菌培养和收获、酵母菌预处理、标记酵母菌表面分子、生物素-亲和素标记、洗涤和检测。
表面分析方法-XPS 材料研究方法与实验
AlK(1486.6eV) 或MgK(1254.6eV)
X射线光电子能谱仪主要由三部分组成:
(l)激发光源: 用于X射线光电子能谱的激发源是特征 X射线。常用MgK靶和AlK靶，它们的能量和线宽 分别为1253.6eV和1486.6eV与0.68eV和0.83eV，是较 为理想的光电子能谱激发源。
仪器
TEM
SEM EPMA (电子探针) IMA (离子探针) 或SIMS
XPS
ESCA UPS
AES
IRRS
EPM
表面研究方法特性
激发源
电子束 100keV~1MeV
电子束
信息
透射 电子
二次电子
测试深度
100 nm
1.5 m
测试研究内容
微观结构、组织形貌
表面形态、断面特征
电子束 10~30 keV
表面分析方法
前言 X－射线光电子能谱（XPS） 俄歇能谱（AES） 二次离子质谱仪（SIMS） 扫描电镜（SEM）等
物质的表面分析包括如下内容
1. 物质表面层元素的化学组成和浓度深度分 布 的定性、定量分析；
2. 物质表面层元素间的结合状况和结构分析； 3. 物质表面层的状态，表面和吸附分子的状态，
• 1954年研制成世界上第一台双聚焦磁场式光电子能谱仪。 • XPS是一种对固体表面进行定性、定量分析和结构鉴定
的实用性很强的表面分析方法。 • 现今世界上关于XPS的刊物主要有：
Journal of Electron Spectroscopy. Related Phenomena.
材料检测方法
材料检测方法材料检测方法材料检测是一个广泛应用于各个领域的重要工作。
通过对材料进行检测，可以确保产品的质量，保障工程的安全，以及满足法规和标准的要求。
本文将深入探讨材料检测方法，包括表面分析、力学测试和非破坏性测试等多个方面。
一、表面分析表面分析是一种常见的材料检测方法，它可以揭示材料外部表面的特性和组成。
常用的表面分析技术包括扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜和能谱分析等。
1. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种通过扫描材料表面并获取高分辨率图像的技术。
它可以观察材料的形貌、表面形态和结构，还可以检测表面缺陷、氧化层和污染等。
SEM结合能谱分析技术，还可以确定材料的化学成分和元素分布情况。
2. 光学显微镜光学显微镜是利用可见光对材料进行观察和分析的一种方法。
它可以观察材料的表面形态、颗粒大小和晶体结构等。
相比于SEM，光学显微镜具有低成本、易操作和迅速获取结果的优势，适用于一些简单的表面分析。
3. 能谱分析能谱分析是一种通过测量材料中电子或光子的能量来确定其化学成分和结构的方法。
常见的能谱分析技术包括X射线能谱分析（EDX）和电子能量损失谱分析（EELS）。
这些技术可以用于表面元素定量分析和表面化学状态分析。
二、力学测试力学测试是一种通过施加力或加载材料来评估其力学性能和脆性程度的方法。
常见的力学测试包括拉伸测试、硬度测试和冲击测试等。
1. 拉伸测试拉伸测试是一种通过施加力来测量材料的延展性和抗拉强度的方法。
通过这个测试，可以了解材料在拉伸过程中的应力-应变关系，以及其材料的断裂点和延展性。
拉伸测试广泛应用于金属材料、塑料材料和纤维材料等的力学性能评估。
2. 硬度测试硬度测试是一种通过施加固定加载方式来测量材料硬度的方法。
常见的硬度测试方法包括布氏硬度测试、维氏硬度测试和洛氏硬度测试等。
硬度测试可以评估材料的抗压性能和抗刮伤性能，常用于金属材料和陶瓷材料的质量控制。
3. 冲击测试冲击测试是一种通过施加高能量冲击来评估材料的韧性和脆性的方法。
材料表面性质的表征方法分析
材料表面性质的表征方法分析随着现代工业的不断发展，材料科学成为了备受瞩目的研究领域之一。
在材料科学中，表面性质的表征方法是一个十分重要的研究方向。
材料的表面性质直接影响着材料的使用寿命、性能和质量。
因此，如何准确地评估材料的表面性质是当前材料研究领域的重点之一。
本文将对表面性质的常用表征方法进行分析。
一、光学显微镜光学显微镜，也称光学显微镜，是一种可以通过放大观察材料表面特征的仪器。
通过光学显微镜，可以观察到材料表面的显著特征，例如颗粒分布、表面缺陷等。
然而，光学显微镜也有缺点，例如它只能观察到材料表面的外部形态，而无法观测到内部结构。
二、扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）是一种广泛使用于材料研究领域的表征方法。
SEM利用电子束扫描材料表面，可以得到高分辨率的表面图像。
通过SEM可以观察到材料表面的形貌、纹理、晶体结构和表面缺陷等特征。
电子束的直径和材料表面结构的尺度可以达到亚纳米级别。
在SEM观测中，还可以进行显微分析，例如能谱分析和透射电子显微镜等。
三、原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是一种非接触式测量表面形貌和结构的表征方法。
AFM利用自发振荡的延伸石英晶体悬挂探针在材料表面扫描，将悬挂探针与材料表面之间的相互作用转化为电信号输出。
通过对这些信号的处理，就可以获取到高分辨率的表面图像。
AFM的分辨率可以达到亚纳米级别，并且可以定性和定量地分析材料的物理性质和力的作用。
四、拉曼光谱拉曼光谱是一种用于研究材料化学成分和结构的方法。
材料吸收不同波长的激光，激活分子振动，能被拉曼散射。
当被检测样品经过激光照射后，将产生拉曼散射光，达到光谱分析的目的。
能够提供振动、转动以及振转混合的信息，可以提供化学官能团的信息，以及样品中的晶格结构等信息。
拉曼光谱具有以下特点：非接触式测量，不涉及样品制备、无需使用标记，因此可以广泛应用在表面性质表征中。
五、X射线衍射X射线衍射（XRD）是一种用于研究材料结晶性质的表征方法。
现代材料分析方法第八章_表面分析技术
• 目前，测量几KeV以下光电子动能的主要手段是 利用静电场。
• 其中同心半球型能量分析器（(CHA）同时装有入 射电磁透镜和孔径选择板，可以进行超高能量分 解光电子测定，高分解能角度分解测定。
24
Monochromator 25
半球型光电子能量分析器
只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
41
化合态识别
➢ 在XPS的应用中，化合态的识别是最主要的用 途之一。识别化合态的主要方法就是测量X射 线光电子谱的峰位位移。
➢ 对于半导体、绝缘体，在测量化学位移前应首 先决定荷电效应对峰位位移的影响。
42
化合态识别-光电子峰
➢ 由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子 的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。
• 随着科技发展，XPS在不断完善。目前，已开 发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了 XPS的空间分辨能力。
5
1. 光电效应
二、XPS原理
在光的照射下，
LIII
电子从金属表面逸
LII
出的现象，称为光
LI
电效应。
h
K
Photoelektron (1s) 2p3/2 2p1/2 2s
1s
6
2、光电子的能量
• 根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK
其中 —— 光子的频率，h ——入射光子能量
EB ——内层电子的轨道结合能或电离能； EK ——被入射光子所激发出的光电子的动能。
7
实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系为
h EB EK s A
其中ФS——谱仪的功函数，光电子逸出表面所
高分子材料分析技术
◢一旦进入分析室，样品就被稳稳地传送到精确 操作台上。这种操作台至少具有X、Y、Z和倾斜 几个自由度。
◢对聚合物研究特别有用的一个装置是分析时的 样品冷却。除非在仪器的原始设计指标内包括这 一要求，否则这常常是很难达到的。
XPS谱图形式 XPS谱图形式
XPS中采用的软X射线能穿透数微米材料。固体中 的原子吸收X射线后导致其中的电子出射，这个现象又 称之为光电离 光电离。 光电离 出射的电子可能来自紧束缚的内能级，也可能来自 弱成控价能级或分子轨道。只有部分光电离的电子能从 表面逃逸后进入真空。 总的来讲，这就称之为光电效应 光电效应。对光电子发射作 光电效应 如上所述的能量分析，就可以产生以电子强度作为能量 函数的谱。
表面分析技术的特点
是用一个探束(光子或原子、电子、离子等) 或探针(机械加电场)去探测样品表面并在两者相 互作用时，从样品表面发射及散射电子、离子、 中性粒子(原子或分子)与光子等，检测这些微粒 (电子、离子、光子或中性粒子等)的能量、质荷 比、束流强度等，就可以得到样品表面的形貌、 原子结构(即排列)、化学组成、价态和电子态(即 电子结构)等信息。
表面原子 组成的定 量分析
对于聚合物表面分析，最方便的是用 对于聚合物表面分析，最方便的是用C ls＝1 ＝ (而不是 ls＝1)以建立内部相对灵敏度因子。 而不是F ＝ 以建立内部相对灵敏度因子。 而不是 以建立内部相对灵敏度因子
有了这些相对灵敏度因子(Sn)，任一所选元素 ， 有了这些相对灵敏度因子 A的相对原子浓度可从下式简单地获得： 的相对原子浓度可从下式简单地获得： 的相对原子浓度可从下式简单地获得
样品处理
◢将样品在大气压强下插入自锁装置的轨道传送器 件上，抽到基压只要几分钟，然后打开气锁室与第 二制备室之间闸阀，使用一个旋转驱动装置将样品 移向制备室。第二制备室连续抽气达到超高真空基 压．然后经过另一闸阀，用一个可摆动的叉子将样 品送到与分析系统相联接的第二个轨道上。
喷塑机作业中的涂层表面形貌与光泽度分析
喷塑机作业中的涂层表面形貌与光泽度分析喷塑机作业是一种常见的涂装工艺，广泛应用于各个行业，如汽车制造、建筑装饰和家具制造等。
在喷塑机作业过程中，涂层的表面形貌和光泽度是评估其质量的重要指标。
本文将对喷塑机作业中的涂层表面形貌和光泽度进行详细分析。
一、涂层表面形貌分析涂层的表面形貌是指涂层表面的凹凸不平程度和表面纹理。
合适的表面形貌可以提高涂层的附着力和耐候性。
1. 表面平整度分析表面平整度是指涂层表面的平坦程度。
可以通过光学显微镜或激光扫描仪等设备对涂层表面进行观测和分析。
观察涂层表面是否存在明显的凹凸不平或者划痕，评估其表面平整度。
2. 表面粗糙度分析表面粗糙度是指涂层表面的粗糙程度。
可以通过表面粗糙度测量仪器，如仪器表面粗糙度仪，对涂层表面的粗糙度进行测量和分析。
观察涂层表面的峰谷高度和波纹状况，评估其表面粗糙度。
3. 表面缺陷分析表面缺陷是指涂层表面的瑕疵，如气泡、鱼眼、划痕等。
可以通过肉眼观察或显微镜观察涂层表面的缺陷情况，并进行分类和数量统计。
评估涂层表面的缺陷程度，从而改进涂装工艺，提高涂层质量。
二、涂层光泽度分析涂层的光泽度是指涂层表面的反射能力和光线传播情况。
光泽度的好坏直接影响涂层的外观和质感。
1. 光泽度测量分析可以使用光泽测量仪器，如光泽度计，对涂层的光泽度进行测量和分析。
根据测量结果，评估涂层的光泽度，以及光泽度的均匀性和一致性。
2. 光线反射分析通过观察涂层表面对光线的反射情况，评估涂层的光泽度。
如果涂层表面的反射光线均匀，并且具有良好的反射效果，则说明涂层光泽度较好。
三、提高涂层表面形貌与光泽度的方法针对涂层表面形貌和光泽度的问题，可以采取以下方法来提高其质量。
1. 改善喷涂工艺通过调整喷涂参数，如喷涂压力、喷涂速度和喷涂距离等，优化涂层的形貌和光泽度。
合理控制涂料的喷洒，避免过量或不足，从而减少涂层的缺陷和不均匀性。
2. 提高涂料质量选择高质量的涂料，如具有良好流动性和自流平性的涂料，可以降低涂层的表面粗糙度和缺陷。
工件表面粗糙度的测量与分析
工件表面粗糙度的测量与分析在制造业中，工件表面粗糙度的测量与分析是一个至关重要的环节。
粗糙度的高低会直接影响工件的质量和性能，因此必须进行严格的测量和分析。
本文将从测量原理、方法和分析等方面对工件表面粗糙度进行探讨。
一、测量原理工件表面粗糙度的测量原理是利用测量仪器对表面进行扫描，并根据扫描结果得出表面粗糙度。
其中，扫描仪、显微镜、高度计等通常用来做表面粗糙度测量的技术手段。
扫描仪是最常用的表面粗糙度测量仪器。
它通常包括一个触探头、一个基座、一个控制器和一台计算机。
当触探头接触到工件表面时，通过控制器和计算机对其进行扫描，从而获得表面粗糙度指标。
二、测量方法根据测量原理，表面粗糙度的测量方法也有不同的实现方式。
因此，不同的测量方法需要不同的工具和技术。
以下是目前比较常见的一些测量方法：1.比较法：将被测表面与标准样品进行比较，得出表面粗糙度。
这种方法适用于需要进行快速、简单、准确的小量批量生产。
2.干涉法：利用激光干涉条纹的变化来精确定量测量物表面粗糙度。
此方法可以测量一大批表面线性的特征参数，能达到微米级的精度。
3.重物法：利用定重物的自由落体高度，来确定物体表面的粗糙度，并将其数学表达。
4.光学法：主要利用显微镜、望远镜和干涉仪等光学仪器，来获取表面粗糙度信息。
此方法适用于在大型机械领域测量。
5.机械测量法：如电容式、电磁式和液位计等能检测不同表面高度位置。
6.三维测量仪：使用高精度的旋转内部激光或摄影测量技术，可以同步记录并处理少至几百个点位数，多至几千万个点位数的表面信息，可实现高精度和大尺寸表面粗糙度测试。
三、分析方法通过上述测量方法得到表面粗糙度的指标后，还需要进行数据分析。
主要包括以下两个方面：1. 表面粗糙度参数的计算现代工程粗糙度，通过数学函数解释，用精确的数学计算方法得出一系列的表面“特征数值“。
常见的表面粗糙度参数包括如下三项：（1）粗糙度平均值Ra：平均粗糙度高度。
（2）最大高度Rz：表面高度的最大值，代表表面粗糙度最大的凸起和凹下。
表面分析技术
能量色散X射线谱仪
（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）
特征X射线信号的产生
当样品中原子的内层电子被入射电子束激发或 电离后，内层电子被撞出电子壳层，形成空位，此 时外层电子向内层跃迁，在跃迁过程中体系多余的 能量以特征X射线光量子的形式释放。
能谱分析正是利用此特征X射线。
2
表面
表 面 分 析
真空或气体
物体与真空或气体构成的界面
严格
表面分析
1~几个原子层
一般
表层分析
几个nm~几个μm
表面外侧原子部分化学键伸向外部空间，因而具有
与体相不同的较活泼的化学性质
3
超高真空技术 高分辨、高灵敏 同步辐射技术 电子测量技术
真正意义上的表面分析技术
场
电
电
离
电
离
发
子
子
子
子
子
射
衍
能
表 面 分析技术
1
表面分析技术 （Surface Analysis Techniques）
通过电子、光子、离子、原子、强电场、 热能等外部能量（信号载体探针）与固体材 料表面的相互作用，收集、测量和分析从固 体表面散射或发射的电子、光子、离子、原 子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或 衍射图像，得到材料表面形貌、表面结构、 表面成分、表面电子态及表面物理化学过程 等信息的各种实验技术的总称。
13
（1）二次电子产率δ与入射角α的关系
设α为入射电子束 与试样表面法线之间的 夹角，实验证明：对于
入射电子束 法线
光滑试样表面，当入射
电子束能量大于1 kV且 固定不变时，二次电子
产率δ与α的关系为：
现代材料分析技术及应用
现代材料分析技术及应用现代材料分析技术是指利用现代科学技术手段对材料进行全面、准确、细致的研究和分析的方法。
它是材料科学领域研究的基础和支撑，广泛应用于材料的研发、生产和质量控制等方面。
现代材料分析技术包括物理性质测试、化学分析、显微成像、表面分析、光谱分析、电子显微镜等多个方面。
下面将介绍几种常见的现代材料分析技术及其应用。
一、物理性质测试技术物理性质测试技术是对材料的物理性能进行测试和分析的方法。
常见的测试技术有强度测试、硬度测试、韧性测试、热膨胀系数测量等。
这些测试技术可以用于评估材料的强度、硬度、韧性、热稳定性等性能。
例如，在金属材料的研发过程中，可以通过硬度测试来评估其抗拉强度和延展性，进而确定最佳的工艺参数。
二、化学分析技术化学分析技术是对材料中化学成分进行定性和定量分析的方法。
常见的化学分析技术包括光谱分析、质谱分析、原子吸收光谱分析等。
这些技术可以确定材料中元素的种类、含量以及化学结构。
化学分析技术在材料研发过程中起到了重要作用，可以选择最佳的原材料组合，提高材料的性能。
三、显微成像技术显微成像技术是观察和研究材料的微观形貌和结构的方法。
常见的显微成像技术有光学显微镜、电子显微镜和原子力显微镜等。
这些技术可以提供高分辨率的图像，揭示材料的表面形貌、内部结构和缺陷等信息。
显微成像技术广泛应用于材料的质量检测、缺陷分析和外观评估等方面。
四、表面分析技术表面分析技术是研究材料表面性质和表面结构的方法。
常见的表面分析技术有扫描电子显微镜、表面拉曼光谱、X射线光电子能谱等。
这些技术可以提供材料表面的化学组成、成分分布、晶体结构等信息。
表面分析技术对于材料的表面改性、涂层质量控制等有重要意义。
五、光谱分析技术光谱分析技术是研究物质的光学特性和结构的方法。
常见的光谱分析技术有红外光谱、紫外-可见吸收光谱、核磁共振光谱等。
这些技术可以通过分析物质与光的相互作用来判断其分子结构、化学键信息等。
光谱分析技术广泛应用于材料的组分分析、质量控制和性能评估等方面。
表面物理与表面分析教学设计
表面物理与表面分析教学设计本文将介绍在大学物理课程中如何设计表面物理和表面分析实验的教学内容。
在这些实验中，学生需要了解表面物理的基本原理和手段，以及如何通过实验将这些手段应用到实际问题中。
本教学设计将以学生为中心，通过模拟实验和实际实验的方式，帮助学生掌握这些概念和技能。
教学目标在完成本教学设计后，学生应该能够：1.理解表面物理和表面分析领域的基本概念和术语。
2.理解表面物理和表面分析工具的操作方法和原理。
3.分析和解决表面物理和表面分析领域中的实际问题。
4.在实验中应用表面物理和表面分析技术来处理样品，并进行数据分析和解释。
5.学习如何合理地设计和执行实验以验证假设和解决问题。
教学内容和安排第一步：课堂讲授在第一步中，将对以下内容进行课堂讲授：1.表面物理和表面分析的基本概念和术语。
2.表面物理和表面分析工具的操作方法和原理。
3.几种表面处理方法以及应用场景。
4.常见实验设计和数据分析方法。
本步骤的目标是让学生了解表面物理和表面分析领域的知识体系，并为后续的实验做好铺垫。
第二步：模拟实验在模拟实验中，学生将尝试使用虚拟实验平台来确认所学知识。
模拟实验涉及以下内容：1.使用虚拟实验平台进行基础实验操作（如元素的金属杂质测试）。
2.根据实验需要使用不同的表面物理和表面分析工具。
3.对实验进行数据分析和解释以验证观测结果，并与预期结果进行比较。
这个步骤的目标是让学生熟悉表面物理和表面分析实验的基本流程，了解如何应用不同的工具和技术来解决不同的实验问题。
第三步：实际实验在实际实验中，学生将从选择样品、实验装备使用和数据处理等方面，参与实验的全部过程。
实际实验分为以下几步：1.学习实验设计原则。
设计实验操作流程、考虑实验中应注意的安全问题、制定实验完成的时间。
2.样品的准备。
例如：一系列磨削、清洗操作，以便于实验进行。
3.实验执行。
例如：将激光束采用于样品表面，让窄光束成为样品表面最小的细线，把光谱仪读出来的光信号与频率相联系，最终形成样品表面的谱线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表面分析仪器框图
激 发 源
a
分 样 析与品 室 架
分 析 器
b
检 测 器
c
数 处据控 理记制 系录系 统与统
超高真空系统
a: X射线（铝和镁的Kα，XPS）, 真空UV（HeI/HeII，UPS）, 电子枪（微区，LEED、EELS）, 重粒子枪（SI-MS、ISS） b：能量分析器，质量分析器 C：电子或离子倍增器
• 对体内的扰动，使表面的化学组成、原子排列、 原子振动等与体内不同
特性
– 容易污染：原子“清洁”！
• 探测损伤也是污染：动量越大则越严重：离子>……>光子
– 与体相环境不同， 化学性质活跃 – 表面层薄，<5nm （单原子层或近表面几层），原子密 度为体相的2/3，表面粒子数占体相的1/1010 信号很弱， 不能用体相分析方法
1.2.2 表面分析：表面结构分析
• 表面原子排列，如衬底表面原子及其上 吸附单层原子的相对位置 • LEED（单晶）、LEISS、XPD、SEELFS、 SEXAFS、STM、AP-FIM、 AFM
• 表面原子排列等表面几何结构。从原子尺度上对表 面的电学和化学现象进行机理研究，包括确定样品 （单晶或多晶、无定形）表面或其上吸附层的原/分 子键长、键角和配位数等
• UPS、EELS、AR-XPS、HREELS、STM、AFM
1.2.2 表面分析：表面原子态分析
• 表面原子振动，表面原子化学键的性质与吸 附位置、吸附原子态，吸附原子的成键方向 和与吸附质成键的基底原子的情况
– 表面原子或吸附离子的吸附能、振动状态和它们在表 面的扩散运动。通过对清洁表面和吸附外来原子时的 不同情况下测定的几种可能振动模式频率，决定原/ 分子在所吸附位置上的键合结构、键的强度以及相对 基底原子的位置直至确切位置。扩散运动的研究又区 分为横向聚集和纵向（向内向外）扩散
表面分析技术的特征（自己完成！）
方法 探 / 检 粒 子 hv e 测 量 类 型 采 样 深 度 /nm 1-3 检测信息 主要 辅助 纵/横 向分辨 率 nm/μm 灵敏 度( 单层 )/% 不能 检测 元素 定量 不准 确度 主要 应用范围 损 伤 程 度
XPS
E
元素与化 深度剖析 学价态 、价带、 成像
2014-1-6 14
• 表面科学：表面和与表面有关的过程 – 微观和宏观的 – 从原子水平认识和说明表面原子的化学、几何结构、运 动状态、电子态等性质极其与宏观性质的联系
• 表面驰豫 • 表面再构 • 表面缺陷
– 空位、吸附原子、位错、台阶、弯折、凸沿、 小岛、凸沿吸附原子等
表面分析技术及仪器组成
1.2.2 表面分析：表面形貌分析
• “宏观”几何外形分析，如不平整度或 粗糙度 • SEM、IISEM 、FIM、STM、AFM等电子显 微镜或离子显微镜
1.2.2 表面分析：表面组分分析
• 表面元素组成，化学态及其在表面层的 （三维）分布等，后者涉及元素在表面 的横向（二维）和纵向（深度）的分布， 给出表面化学的细节，如催化和腐蚀等 • XPS、AES、EMP、SI-MS、ISS
≤1； 10-103
0.1% H He
10%固体表面及 界面 Nhomakorabea弱
XPD AES
UPS EEL ES ISS SIMS STM
AFM
FIM
返回
聚集态结构
• 气、液、固（晶态、非晶态、准晶态）；等离子； 液晶 • 更多涉及固态的多晶态和非晶态 – 物相结构：物相改变可以影响很多谱，如IR， Ramann，XRD，ESR等 – 晶粒尺寸和微结构 • 晶粒大小、晶格特点和取向 • XRD，电子显微分析 – 空间分布 • 尤其多相材料的空间位置和分布 • 光谱学方法（成分和结构）、显微分析和探 针技术（成分与形貌）
1.2.2 表面分析：表面电子态分析
• 表面能级性质，表面态密度分布，表面电荷分布 及能量分布等，以及因吸附引发的可能的电子结 构的改变
– 空间电子密度：单位体积内电子数，表征电子在空间的分布
– 电子能态的能量密度：即能态密度，指在一定空间 （表面）内一定的能量区间内，单位能量间隔内存在 的电子数各种表面态密度分布，表面电荷分布及能量 分布等
• 构型与构象：同分异构
– 原子或基团在空间的相对排列或相对位置关系 – NMR，XRD，圆二色谱，IR
• 晶体结构：不同晶型，同分异构
– 分子在三维空间周期排列的聚集体，或模块的规则堆积； 模块类型、大小和堆积方式 – X射线分析，尤其XRD 返回
电子结构
• 分子或原子之间的结合与分解主要是通过 价层电子的相互作用实现的，了解其内部 各电子状态（如能量）和相互作用有助于 对其性能等的认识 • UV，ESR，XRA，XPS，UPS，Auger，以及量 子力学等理论方法
1.2 仪器分析的主要任务
• 物质组成与含量：定量
• 物质结构特征：定性与结构特 点
– 分子结构 – 聚集态结构 – 表面分析
1.2.1 物质结构信息
• 分子结构
– 分子几何结构：原子或基团的空间排列方 式 – 电子结构：原子或分子间的相互作用
• 聚集态结构
分子几何结构
• 基团、模块和分子结构
– 不同基团：IR，UV，Laman，NMR，ESR，MS，XRA – 不同模块和多级空间结构（配合物、高分子、蛋白质 等）：XRD，NMR等
• HREELS、 TDS、 ESD、PSD
表面
• 表面:物质与周围环境(气液固真空)的边界 • 固体表面 – 固体最外层原子或分子
– 到固体内部成分不断变化的非均一的 过渡层
2014-1-6
11
• 固体表面：从选定的原子面平行切割固体所形成 （与周围环境的界面）
– 最外层化学键为悬挂键，物体相不连续 – 固体内部三维周期势场在表面中断，表面附近原子的电 子状态与体内不同
2014-1-6 13
• 表面分析：利用某中粒子束或探针手段研究 处于超高真空的原子级清洁表面的
– 形貌：宏观外形 – 化学组成和结合形态：表面元素组成和化学态， 其横纵向分布，表面化学细节如催化与腐蚀等 – 表面结构：表面原子排列，原子尺度的表面电学 和化学机理，如晶态或无定形表面，及其吸附层 的键和配位数等 – 表面原子态：表面原子或吸附颗粒的吸附能、振 动和扩散状态、键合结构、强度和位置等 – 表面电子态：表面能级的性质和电子在空间和能 量方面的分布情况，即空间电子密度和能态密度
• 用一个探束（光子、原子、电子、离子等）或 探针（机械+电场）去探测样品表面并在两者 相互作用时，从样品表面发射及散射电子、离 子、中性粒子（原子、分子）与光子等，检测 这些微粒的能量、质荷比、束流强度等，就可 以得到样品表面的形貌、原子结构（即排列）、 化学组成、价态和电子态（即电子结构）等信 息 • 按发射粒子或探测的粒子划分 – 如电子能谱：探测和发射的都是电子