表面分析方法
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。
材料表面与界面性质分析技术
材料表面与界面性质分析技术材料是人类社会发展的基础，它们蕴含着各种性质和特征，比如热学、力学、化学等等。
材料的性质往往由其内部构成及表面和界面特性所决定。
因此，对材料的表面和界面进行深入分析是非常必要和重要的。
那么，如何对材料的表面和界面进行分析呢？一、扫描电子显微镜技术扫描电子显微镜技术是一种常见的表面形貌观测和分析手段。
这种技术通过扫描电子束照射样品表面，并通过检测样品表面反射、散射和辐射等信号来获得样品表面的形貌和组成信息。
这种技术具有分辨率高、非接触、多功能等优点，可以被广泛应用于样品形貌、尺寸、表面化学成分等方面的探测和分析。
二、原子力显微镜技术原子力显微镜技术是一种高分辨、非接触表面显微镜技术。
它通过量子力学的原理来探测样品表面微观特征。
具体来说，是利用在极近距离下样品表面和探针之间的作用力进行采样。
原子力显微镜技术可用于表面拓扑、力学、电学、热学特性的表征，如原子尺度上的精确距离测量、接触区域的模拟和力学性质的量化等。
三、拉曼光谱技术拉曼光谱技术是一种照射样品后测量样品化学组成和分子结构的手段。
这种技术通过使用一束激光束引起样品内分子振动，以探测样品的分子成分和化学结构。
利用拉曼光谱技术可以非常精确地探测到许多有机和无机分子的结构，如聚合物中官能团的结构和亚表面结构等。
这种技术具有非常高的分辨率和精度，被广泛应用于材料科学和化学分析。
四、电化学阻抗谱技术电化学阻抗谱技术是一种通过分析材料接触面上的电化学反应来获得材料界面性质信息的技术。
该技术是基于对微小电压交流信号下材料粗糙表面的阻抗响应进行分析的，可揭示材料的化学反应、传输速率和电子传输特性等。
电化学阻抗谱技术可以用于生物医学、电池、阳极保护和光伏等领域的研究。
总之，对材料表面和界面特性进行精确分析可以检测到材料特性的微小变化，进而为各种材料科学应用提供基础数据和指导。
以上介绍的技术是常见的材料表面和界面性质分析技术，它们各自具有独特的优点和适用范围。
《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
材料表面改性测试与分析方法介绍
材料表面改性测试与分析方法介绍材料表面改性是一种常见的工艺技术，它可以改善材料的性能和功能。
为了确保改性效果的准确评估和分析，需要使用一系列适用的测试和分析方法。
本文将介绍几种常见的材料表面改性测试与分析方法。
一、扫描电子显微镜（SEM）分析扫描电子显微镜（SEM）是一种常用的表面形貌分析方法，它可以通过高分辨率的图像展示材料表面的细微结构和形貌。
SEM分析可以帮助评估材料表面改性的效果，比较改性前后的表面形貌差异。
通过SEM分析，可以观察到材料的表面粗糙度、颗粒分布、裂纹情况等，从而判断改性效果的好坏。
二、接触角测试接触角测试是一种用来评估材料表面亲水性或疏水性的方法。
通过测量液滴在材料表面的接触角大小，可以得出材料表面的润湿性质。
一般来说，当液滴在材料表面接触角较小时，表明材料表面具有较好的润湿性；而当接触角较大时，表明材料表面具有较好的疏水性。
通过接触角测试，可以评估改性对材料表面润湿性的影响，进而判断改性效果。
三、拉伸试验拉伸试验是一种常用的机械性能测试方法，用于评估材料的拉伸强度、断裂伸长率等性能指标。
在材料表面改性过程中，拉伸试验可以用来分析改性对材料的强度和韧性的影响。
比较改性前后的拉伸性能指标，可以评估改性效果的优劣。
此外，拉伸试验还可以帮助分析改性对材料的断裂模式和失效机制的影响，为改性工艺的优化提供依据。
四、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种用来分析材料化学组成和化学键信息的技术。
通过FTIR分析，可以观察到材料表面的功能基团情况，从而评估改性效果。
比较改性前后材料表面的红外光谱图谱，可以检测到新的峰位或峰强的出现，进而判断表面功能基团的变化。
FTIR分析还可以揭示表面化学变化对材料性能的影响，为改性工艺的优化提供依据和指导。
五、电子能谱（XPS）分析电子能谱（XPS）是一种用来分析材料表面化学元素、化学键状态和成分比例的方法。
通过XPS分析，可以获得材料表面的元素组成、化学键能级和化学状态信息。
材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途
一、材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途表面分析与测试是以获得固体表面（包括薄膜、涂层）成分、组织、结构及表面电子态等信息为目的的试验技术与方法。
基于电磁辐射和运动粒子束（或场）与物质相互作用的各种性质而建立起来的分析方法构成了现代表面分析方法的主要部分，大致可分为衍射分析、电子显微分析、扫描探针分析、电子能谱分析、光谱分析及粒子质谱分析等几类。
1 分类表面分析方法是用一个探束(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。
（1）表面“形貌”分析指“宏观”几何外形分析。
主要应用电子、离子显微镜进行观察分析，当显微镜的分辨率达到原子级时，可观察到原子排列，这时“形貌”分析和结构分析之间就没有明确的分界。
有扫描电子显微镜、离子诱导扫描电子显微镜、场离子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。
（2）表面成分分析包括表面元素组成及元素在表面与沿纵向深度分布、表面元素的化学态。
用于表面成分分析的方法主要：有电子探针X射线显微分析、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、二次离子质谱、离子散射谱等。
（3）表面结构分析研究表面晶体原子排列、晶体大小、晶体取向、结晶对称性以及原子在晶胞中位置等晶体结构信息。
主要采用的衍射方法有X射线衍射、电子衍射、中子衍射等。
（4）表面电子态分析主要是对表面原子或吸附粒子的吸附能、振动状态以及他们在表面的扩散运动等能量或势态的分析。
主要有紫外光电子谱、X射线光电子能谱等。
2 主要几种分析方法的用途分析方法名称主要用途透射电子显微镜TEM 形貌分析、晶格结构分析、成分分析X射线光电子能谱表面组分分析、化学态分析原子力显微镜AFM 表面形貌与结构分析、表面原子间力和表面力学性质的测定扫描电子显微镜SEM 表面形貌与结构二、扫描电子显微镜SEM工作原理、适用范围及特点1扫描电子显微镜SEM的基本原理：扫描电子显微镜的成像原理是利用聚焦的电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号调制成像。
二十、表面分析法
二十、表面分析法教学目的：介绍表面分析基本原理和特点；教学内容：1．表面的概念；2．表面的基本原理；3．表面的分类；4．质谱分析；5．质谱仪；6．表面的基本应用教学重点：1．掌握表面产生的条件及基本原理；2．掌握某些常见的表面仪器；教学难点：1．表面产生的条件及基本原理、表达式的意义；2．图谱解析及结构分析表面分析surface analysis对固体表面或界面上只有几个原子层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物理试验。
表面分析方法有数十种，常用的有离子探针、俄歇电子能谱分析和X射线光电子能谱分析,其次还有离子中和谱、离子散射谱、低能电子衍射、电子能量损失谱、紫外线电子能谱等技术，以及场离子显微镜分析等。
这些表面分析方法的基本原理，大多是以一定能量的电子、离子、光子等与固体表面相互作用，然后分析固体表面所放射出的电子、离子、光子等，从而得到有关的各种信息。
测定和分析固体表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程的各种实验技术的总称。
表面分析技术多种多样，目的不一，大都是以外来能量（带电粒子束、射线束、强电场或加热等）作用于固体表面，然后收集、测量和分析作用后的产物（光子、电子、离子、原子或分子），从而获得有关表面的各方面的信息。
各种分析手段的目的和灵敏度不同，常把几种分析手段配合使用。
离子探针分析又称离子探针显微分析。
它是利用电子光学方法将某些惰性气体或氧的离子加速并聚焦成细小的高能离子束来轰击试样表面，使之激发和溅射出二次离子，用质谱仪对具有不同质荷比(质量／电荷)的离子进行分离，以检测在几个原子深度、数微米范围内的微区的全部元素，并可确定同位素。
它的检测灵敏度高于电子探针(见电子探针分析)，对超轻元素特别灵敏，可检测10(克的痕量元素,其相对灵敏度达10～1010分析速度快，可方便地获得元素的平面分布图像。
还可利用离子溅射效应分析表面下数微米深度内的元素分布。
但离子探针定量分析方法尚不成熟。
第六章 表面分析技术
Binding Energy (eV)
(3)固体化合物表面分析
钯催化剂在含氮有机化 合物体系中失活前后谱图变 化对比。 取样深度 d = 3 ； 金属0.5~2nm； 氧化物1.5~4nm；
有机和高分子4~10nm；
表面无损分析技术。
第六章 表面分析方法
表面分析方法
7.4.4. 原子力显微镜
原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是利 用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用 力来实现表面成像。
7.5. 近场光学显微镜
7.6. 激光共焦扫描显微镜
电荷转移、价电子 谱、等离子激发。
7.2.5. 电子能谱仪
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。由于各能谱仪之间除激发源不 同外，其他部分基本相同，因此，配备不同激发源， 可使一台能谱仪具有多种功能。
7.2.5.1. 激发源
7.2.5.2．单色器—电子能量分析器
电子能量分析器的分辨率定义为：( E/EK) 100%, 表示分析器能够区分两种相近能量电子的能力。 电子能量分析器可分为磁场型和静电型两类。
1. 半球形电子能量分析器
7.2.5.2．单色器—电子能量分析器
2. 筒镜电子能量分析器
7.2.5.2．单色器—电子能量分析器
3. 检测器
由于原子和分子的光电子截面都较小，因此从原 子或分子产生并经能量分析器出来的光电子流仅10-13 10-19A，要接受这样弱的信号，必须采用电子倍增器， 如单通道电子倍增器或多通道电子倍增器。
7.4.3. 应用
STM实验可以在大气、真空、溶液、惰性气体甚至 反应性气体等各种环境中子级空间分辨的表 面结构观测，用于各种表面物理化学过程和生物体系研 究；STM还是纳米结构加工的有力工具，可用于制备纳 米尺度的超微结构；还可用于操纵原子和分子等。
电子能谱的取样深度一般很浅，在30 nm以内， 是一种表面分析技术。
7.2.2. X 射线光电子能谱法
表面工程-10 表面分析技术
TiC颗粒TEM形貌
透射电镜下观察到的双相钢中的位错线
三、物理及力学性能检测
1.厚度的测定
局部厚度和平均厚度检测 非破坏性检测（无损检测）：厚度测试仪 破坏性检测方法：金相显微镜
厚度测试仪
金相显微镜法
过程：制备涂层断面试样，用带有测微目镜的金相显
微镜观察
特点：准确度高，判别直观
样逐一对比，从而判断其相组成。
X射线衍射分析的应用 物相定性分析 物相定量分析 点阵常数测定 应力测定 晶体取向测定
XRD物相定性分析的过程
获得衍射花样 计算面间距d 值和测定相对强度Ⅰ/Ⅰ1
检索PDF卡片和核对PDF卡片
分析判定
XRD定量分析 常用的物相定量分析分析方法有三种：
涂层表面缺陷（surface defects ）检测
表面缺陷的种类及特点： 不平整、针孔、氧化、脱皮、飞溅、表面裂纹、 剥落、麻点、鼓泡、缩孔、疏松、斑点、毛刺、擦 伤等
二、表面结构的表征
表面成分分析
X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子衍射谱仪
表面结构测定
X射线衍射、电子衍射、中子衍射等
射吸式喷砂枪，喷砂角 及距离固定 刚玉砂，喷砂速度恒定 时间1min 用试样失重评价涂层的 耐磨性
1
外标法（单线条法）
它是用分析相的纯样品的某一衍射线为标准
2
内标法
用掺入试样内的某已知物相的衍射线为标准
3
直接对比法
用试样中另一相的衍射线为标准
TiC涂层的XRD的谱线
俄歇电子能谱分析（AES, Auger Electron Spectrum）
俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量 的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通 过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得 有关材料表面化学成分和结构的信息的方 法。
表面分析-其他表征方法
三 质谱/二次离子质谱
通过荷质比检测原子/原子团。 质谱：电离样品，电离原子/分子加速后进入磁场，路径半
径跟荷质比有关。 分析元素或者原子团（特别适用于有机物分析）
二次离子质谱：SIMS
离子轰击样品使之电离为离子（所以叫“二次离子”) 检测极限高：10-6 一般 电子能谱只有10-3 XPS：10-3 能进行断面剖析
五 热分析
在程序温度控制下，测量物质的某一物理性质与温度变化函 数关系。 温度－差热分析法（DTA） 热量－差示扫描量热法（DSC） 质量－热重分析法（TGA）
差热分析
程序温度变化（热作用）＋固态或液态物质
温度变化（试样与参比物的温度差） 伴随一定的热效应物理或化学变化
＋ －－ ＋
－ ＋＋ －
特点
具有原子级高分辨率：横向、纵向分辨率分别为≤0.1 nm、≤0.01nm， 可以分辨出单个原子； 可实时得到样品表面三维（结构）图像； 可在真空、大气，常温、高温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在 水或其它溶液中； 相对于透射电子显微镜，扫描隧道显微镜结构简单、成本低廉。 对操作者要求高
二 原子力显微镜
四 X射线光电子能谱
X射线照射样品产生外光电效应产生光电子，根据光电子能 量进行元素检测。
光电过程示意图
••
外壳层
••
••
h
e-
••
•
内壳层
Ek = h－Eb－
h ――入射光子能 量（已知值）
Ek ――光电过程中 发射的光电子的动 能（测定值）
Eb ――内壳层束 缚电子的结合能 （计算值）
――谱仪的功函 数（已知值）
利用原子之间的力进行表面分析。
光电 A 探测器 B
常用表面分析方法名称及用途
结构及成分
e
场电子发射能量分布Field Emission Energy Distribution
FEED
电子态
e
扫描隧道显微镜Scanning Tunnel Microscope
STM
形貌
T
n
热脱附谱Thermal Desorption Spectroscopy
TDS
原子态
n
γ
中性粒子碰撞诱导辐射
AEAPS
成分
γ
软X射线出现电势谱Soft X-ray Appearance Spectroscopy
SXAPS
成分
e
消隐电势谱Disappearance Potential Spectroscopy
DAPS
成分
e
电子量损失谱Electron Energy Loss Spectroscopy
EELS
常用表面分析方法名称及用途
探测粒子
发射粒子
分析方法名称
简称
主要用途
e
e
低能电子衍射Low Energy Electron Diffraction
LEED
结构
e
反射式高能电子衍射Reflection High Energy Electron Diffraction
RHEED
结构
e
俄歇电子能谱Auger Electron Spectroscopy
光子诱导脱附Photon Induced Desorption
PID
原子态
ε
e
场电子显微镜Field Electron Microscope
FEM
结构
I
场离子显微镜Field Ion Microscope
表面分析
性能完善的表面分析仪器至少由6部分构成。
样 激 分 品 发 析 架 源 室 与 器 器 析 测 分 检
(
)
常用的表面分析仪器
探测粒子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 电子 离子 离子 离子 发射粒子 电子 电子 电子 电子 光子 电子 电子 电子 电子 离子 离子 离子 分析方法名称 低能电子衍射 反射高能电子衍射 俄歇电子能谱 扫描俄歇电子能谱 能量色散X射线谱 电子能量损失谱 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 扫描透射电子显微镜 离子探针质量分析 二次离子质谱 离子散射谱 简称 LEED RHEED AES SAM EDS EELS TEM SEM STEM IMMA SIMS ISS 用途 结构 结构 成分 成分、微区 成分、微区 原子、电子态 形貌 形貌 形貌 成分、微区 成分 成分、结构
三、微区分析
通过对样品选定的微小区域获取信息的技术。 1. 微区分析与微量分析的区别： 微区分析与微量分析的区别： 微量分析从被分析的样品量来讲是在1~10ml范围，应该说是很小的。 另一个意思是指要探测对象在被分析对象中所占的量为微量（0.01～1 ％）。例如色谱取样可以小到是1 µ l 。而电子探针微区分析分析的对象 可以是10－4 X 10－4 X 10－6 m=10-5 µ l . 微量分析结果是指被分析对象的平均结果；而微区分析是定位的。 微区分析可以成像: 成分像 . 2. 表面分析与微区分析的关系 微区分析方法的基本要点是：用一种“探针”去激发样品的微区，然 后获取要分析的信息（包括结构、成分、电子态等） 大多数表面分析方法都是将被分析表面暴露在一个粒子流（光子、电 子、离子－－－）下，同时检测这一激发下的响应。而这种技术的基本 方式是收集较大区域（～mm2）所发出的信息。这不能算微区。 在多数情况下，这些技术可以加以改革，既可以做到表面分析，又 可以做到微区分析。
常用的表面分析技术有哪些？请选择两种说明分析技术的工作原理和应用范围
6、（20分）常用的表面分析技术有哪些？请选择两种说明分析技术的工作原理和应用范围。
答： 常用的表面分析技术有X 射线光电子能谱（XPS ）、俄歇电子能谱（AES ）、次级离子质谱（SIMS ）和离子散射谱（ISS ）等。
应用范围：（1）X 射线光电子能谱法工作原理：利用光电效应，基本方程为K B E hv E φ=--，式中，K E 为光电子动能，hv 为激发光能量，B E 是固体中电子结合能，φ为逸出功。
用X 射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。
被光子激发出来的电子称为光电子。
可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能为横坐标，相对强度（脉冲/s ）为纵坐标可做出光电子能谱图。
从而获得试样有关信息。
应用范围：a 元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除 H 和 He 以外的所有元素。
通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。
b 元素定量分折 X 射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。
在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达 1 ％～ 2 ％。
c 固体表面分析 固体表面是指最外层的 1 ～ 10 个原子层，其厚度大概是 (0.1~1) n nm 。
人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。
表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。
测定表面原子的电子云分布和能级结构等。
X 射线 光电子能谱是最常用的工具。
在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。
d 化合物结构签定 X 射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。
(2)次级离子质谱（SIMS ）工作原理：以离子轰击固体表面，再将从表面溅射出来的次级离子引入质量分析器,经过质量分离后从检测-记录系统得出被分析表面的元素或化合物的组分。
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：
表面分析方法
EKL1L2 (Z ) EK (Z ) EL1(Z ) EL2 (Z ) A
(Z )值介于Z和（Z＋1）之间，实测值在 1 ～ 3 之间 24
为仪器的功函数
A
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HNU-ZLP
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• 俄歇电子的逸出深度：1～10Å
• 俄歇电子峰的宽度：取决于自然宽度和 跃迁时所涉及到的能级本身的宽度，一 般从几个电子伏特到10电子伏特以上。
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AES与XPS的比较
XPS
鉴别种类与灵敏度
强
空间分辨率
弱
表面无损度
强
定量分析
强
化学位移
强
分析速度
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弱 HNU-ZLP
AES 强 强 弱 弱 弱 强
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6.4 扫描隧道显微镜 （STM）和原子力显微
镜（AFM）
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分析深度
1m
1000 Å (样品厚 度） 1个原子 层 1~2个原 子层
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二、扫描隧道显微镜（STM)
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基本原理
• STM的理论基础是隧道效应。对于一种 金属－绝缘体－金属（MIM)结构，当绝 缘层足够薄时，就可以发生隧道效应。 隧道电流I是电极距离和所包含的电子态 的函数。
SEM（二 横向：6nm 高真空 次电子） 纵向：较低
低温、室 轻微 温、高温 损伤
TEM FIM
横向：点3~5 高真空 Å，线1~2 Å
纵向：很差
低温、室 中等 温、高温 程度
16表面分析方法
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• 恒高度模式（CHI）：针尖在表面扫描， 直接探测隧道电流，再将其转化为表面 形状的图象。它仅适用于表面非常平滑 的材料。
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STM 恒流模式
点击“ZOOM”查看细节
右键点2击019视/7/频15 外选择退出
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STM 恒高模式
点击“ZOOM”查看细节
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HPU-LQ
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AES与XPS的比较
XPS
鉴别种类与灵敏度
强
空间分辨率
弱
表面无损度
强
定量分析
强
化学位移
强
分析速度
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弱 HPU-LQ
AES 强 强 弱 弱 弱 强
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14.4 扫描隧道显微镜 （STM）和原子力显微
镜（AFM）
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一、引言
• 扫描探针显微镜简称SPM，它不采用物镜来成 象，而是利用尖锐的传感器探针在表面上方扫 描来检测样品表面的一些性质；
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• 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)
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14.3 俄歇电子能谱（AES)
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– LEED所用的LaB6灯丝，STM中用来防振荡的氟化 橡胶（Viton)，AFM所用的探针等都是材料科学发 展的新产物。
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表面分析方法
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“表面”的概念
• 过去，人们认为固体的表面和体内是完 全相同的，以为研究它的整体性质就可 以知道它的表面性质，但是，许多实验 证明这种看法是错误的；
• 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。表列出了光电子能谱中常用的标准谱 线。
• X射线光电子能谱的有效探测深度，对于金属 和金属氧化物是0.5～2.5nm,对有机物和聚合材 料一般是4～10nm。
SXAPS
消隐电势谱
DAPS
电子能量损失谱
EELS
电子诱导脱附
ESD
透射电子显微镜
TEM
扫描电子显微镜
SEM
扫描透射电子显表微镜面分析方ST法EM
主要用途
结构
结构
成份
微区成份
成份
成份
成份
成份
成份
原子有电子态
吸收原子态及成份
形貌
形貌
形貌
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探测 粒子
发射 粒子
e e e
I
分析方法名称
X射线光电子谱 紫外线光电子谱 同步辐射光电子谱 红外吸收谱 拉曼散射谱 表面灵敏扩展X射 线吸收谱细致结构 角分辨光电子谱 光子诱导脱附
– 自由电子的动能Ek 。
则 h＝ Eb＋ Ek ＋
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表面分析方法
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• 当样品置于仪器中的样品架上时，样品与仪器 样品架材料之间将产生接触电势V，这是由于 二者的功函数不同所致，若>'，则：V
• 此电势将加速电子的运动，使自由电子的动能
从Ek增加到Ek'
Ek ＋ ＝ Ek' ＋ '
h＝ Eb＋ Ek' ＋ '
Eb ＝ h －Ek' － '
式中‘是仪器的功函数，是一定值，约为4eV，
h为实验时选用的X射线能量为已知，通过精
确测量光电子的动能Ek’ ，即能计算出Eb 。
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表面分析方法
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表面分析方法
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• 各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的， 据此可鉴别各种原子和分子，即可进行定性分 析。
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表面分析方法
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表面分析方法
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• 化学位移上的应用
– 不同的化学环境导致核外层电子结合能的不 同，这在XPS中表现为谱峰的变化，通过测 量谱峰位置的移动多少及结合半峰宽，可以 估计其氧化态及配位原子数；
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探测 发射 粒子 粒子
e e e e e e e e e I e e 2021/3e/5
分析方法名称
简称
低能电子衍射
LEED
反射式高能电子衍射
RHEED
俄歇电子能谱
AES
扫描俄歇探针
SAM
电离损失谱
ILS
能量弥散X射线谱
EDXS
俄歇电子出现电势谱
AEAPS
软X射线出现电势谱
• 关于“表面”的概念也有一个发展过程， 过去将1厚度看成“表面”，而现在已把 1 个或几个原子层厚度称为“表面”，更 厚一点则称为“表层”。
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表面分析方法
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表面分析方法的特点
• 用一束“粒子”或某种手段作为探针来探测样 品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、热或声波（机械力），在 探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波， 它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电 场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能 量、动量、荷质比、束流强度等特征，或波的 频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有 关表面的信息。
第十六章 表面分析方法概论
•概述 •X光电子能谱 •俄歇电子能谱 •扫描隧道显微镜(STM) 与原子力显微镜(AFM)
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表面分析方法
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14.1 概述
• 表面科学的主要发展始于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
– 各种表面灵敏的分析技术不断出现
• 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：
– 一部分转移至光电子使其具有一定的动能Ek；
– 一部分成为原子的反冲能EΒιβλιοθήκη 。则2021/3/5
h＝ E表b＋面E分k析＋方E法r
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表面分析方法
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• 对于固体样品，X射线能量用于：
– 内层电子跃迁到费米能级，即克服该电子的 结合能Eb；
– 电子由费米能级进入真空成为静止电子，即 克服功函数 ；
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• 表面污染分析
– 由于对各个元素在XPS中都会有各自的特征 光谱，如果表面存在C、O或其它污染物质， 会在所分析的物质XPS光谱中显示出来，加 上XPS表面灵敏性，就可以对表面清洁程度 有个大致的了解；
– 如图是Zr样品的XPS图谱，可以看出表面存 在C、O、Ar等杂质污染。
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14.2 X射线光电子能谱（XPS）
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一、基本原理
• X射线与物质相互作用时，物质吸收了X 射线的能量并使原子中内层电子脱离原子 成为自由电子，即X光电子，如图1－1。
• 对于气体分子，X射线能量h用于三部分：
– 一部分用于克服电子的结合能Eb，使其激发 为自由的光电子；
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二、XPS的应用
• 化学分析
– 元素成份分析：可测定除氢以外的全部元素， 对物质的状态没有选择，样品需要量很少， 可少至10-8 g，而灵敏度可高达10-18 g，相对 精度有1％，因此特别适于作痕量元素的分 析；
– 元素的定量分析：从光电子能谱测得的信号 是该物质含量或相应浓度的函数，在谱图上 它表示为光电子峰的面积。目前虽有几种 XPS定量分析的模型，但影响定量分析的因 素相当复杂。
简称
XPS UPS SRPES IR RAMAN SEXAFS
ARPES PSD
主要用途
成份 分子及固体的电子态 成份、原子及电子态 原子态 原子态 结构
原子及电子态、结构 原子态
e－电子 －光子 I－离子
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• 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。