表面分析技术
表面分析技术在材料研究中的应用
表面分析技术在材料研究中的应用在材料研究领域中，表面分析技术是不可缺少的一项工具。
它可以揭示材料的表面形貌、化学成分、结构等相关信息，对于研究材料的性质、品质、功能等方面都有很大的帮助。
本文将从材料表面的性质入手，探讨表面分析技术在材料研究中的应用。
一、材料表面的性质材料表面是材料与外界交互的界面，通常是它与大气、水或其他材料接触的地方。
由于表面的物理、化学和结构特性不同于体积内部，表面会对材料的性质产生重要影响。
例如，材料的表面能会影响它们的接触、润湿和涂覆性，而化学成分和结构则决定了其吸附、反应和催化性能等。
二、表面分析技术的种类为了研究材料表面的性质，我们需要使用一系列表面分析技术。
根据不同的目的和研究对象，表面分析技术可以分为多种类型。
以下是其中几种主要的表面分析技术：1. 扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种利用电子束扫描样品表面以获取图像的技术。
SEM对样品表面形貌的分析具有很高的分辨率，能够观察到微米和亚微米级别的表面结构。
此外，SEM还可用于分析样品的化学成分，通过扫描样品表面，能够发射出与物质本身成分相关的特征X射线，在能谱仪器上通过分析这些X射线，可以得到样品表面化学成分信息。
2. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种利用X射线衍射来研究材料内部结构和晶体结构的技术。
在表面分析中，XRD通常用于分析样品的晶体结构和晶体质量。
由于X射线是高频电磁波，具有很高的穿透力，能够透过很薄的材料层，对于表面分析来说具有很好的应用前景。
通过观察衍射光谱和图案，可以揭示出样品的晶体结构、晶格常数、应力及颗粒尺寸等信息。
3. X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是利用X射线照射样品，激发材料表面中的电子，从而获得材料表面的化学成分、价态、电子态等信息。
通过测量电子能谱和发射电子的数量和能量分布，可以分析材料的表面化学组成情况，得到物质内部、表面和界面的相关信息。
4. 表面等离子体共振（SPR）表面等离子体共振是一种用于表面分析的实时检测技术，可以检测材料表面的结构和化学成分。
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。
表面分析技术讲义
表面分析技术讲义绪论一、表面与表面科学1. 表面与界面的定义2.表面科学的三个组成部分表面科学主要由表面物理、表面化学和表面分析技术三个方面所组成，是当前材料科学的前沿。
3.表面科学发展的三个阶段（1）1947年以后(点接触二极管于1946年发明),人们开始认识到半导体表面的重要性，研究了干燥空气、湿空气、含臭氧空气等对锗表面的影响。
此阶段证实了表面态的存在，但对它的来源仍不清楚。
（2）1957年前后，超高真空技术发展起来，已可以获得10-9Torr （1Torr=133.332 Pa）的真空度。
通过解理、离子轰击、场致蒸发等方法可以获得一个清洁表面。
人们注意力集中在清洁表面的原子排列，发现在表面原子存在重构或驰豫，并通过物理方法测量了表面的光、机、磁等特性，发现与体性质有明显的区别。
此阶段仍处于唯象阶段。
（3）1968年Harris发现Auger电子能谱（AES）可以用来确定表面原子的化学态和成分。
随后光电子能谱（XPS）、二次离子质谱（SIMS）等表面分析技术的相继出现，使人们可以了解表面几十个原子范围内和微区（1 m或更小）的成分和它们的化学态。
60年代末期以来，随着计算机技术、电子测量技术和超高真空技术的发展，表面科学也以极其迅猛的速度发展。
二、表面科学研究领域1．表面科学研究的领域表面科学研究表面和与表面有关的过程，包括宏观的和微观的。
近几十年来表面科学从原子水平来认识和说明表面原子的化学、几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性质的联系，推动了基础研究和新技术的发展。
表面科学是近代研究的重要领域，它有许多技术应用。
例如：①小于1 m的薄膜（半导体、绝缘体和金属膜等），具有复杂的图案和结构，要求高纯和精确掺杂。
②膜的内部和界面问题。
通过离子溅射逐层剥离变成表面问题，或在薄膜和界面形成过程中作为表面问题加以研究。
③器件小型化带来的表面问题。
④新型微波器件和集成光学器件中的超晶格技术的超晶格量子现象及表面问题。
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：
检测检验的表面分析技术
检测检验的表面分析技术表面分析技术是一种对固体表面进行分析、检测、确定其化学成分、结构和形貌的方法。
随着科技的发展和产业的不断发展，表面分析技术逐渐得到了广泛的应用，成为解决工业生产过程中表面质量问题的重要手段之一。
在工业生产中，表面质量是非常重要的。
各种产品在生产流程中，都需要经过各种表面加工工艺，比如精加工、镀层处理、喷涂、硬化等等。
这些加工工艺的质量，直接影响着产品外观的美观度、功能性能的稳定性和产品寿命的长短。
因此，选择一种准确可靠的表面分析技术来确保产品表面质量，对于提高产品质量和市场竞争力至关重要。
其中，检测检验的表面分析技术成为重要的质量保障标准之一。
它利用各种化学、物理、光学等技术手段，对产品表面进行实时分析，以便及时发现产品表面缺陷、异物、污染物等问题，从而及时采取相应措施，保证产品的表面质量。
常见的表面分析技术有哪些呢？首先是电子显微镜技术。
电子显微镜技术以其高分辨率、高灵敏度和非常适合分析微小颗粒的优点，被广泛应用于表面分析领域。
它可以分析表面的形貌、微观结构，同时还可以准确定位污染物，进行表面成分分析等工作。
其次是X射线衍射技术。
X射线衍射技术被广泛应用于材料检测和分析领域。
由于不同材料具有不同的晶格结构，所以X射线通过物质后可以得到不同的衍射图谱，通过对衍射图谱的分析可以确定材料的成分、晶体结构等信息。
还有光学显微镜技术。
光学显微镜技术可以对样品进行光学图像的收集和分析，并生成具有高分辨率、高灵敏度的图像。
同时，还可以透过镜头对表面进行更为深入的观察和分析，以便更加准确地确定表面问题的位置和范围。
此外，还有拉曼光谱技术、原子力显微镜技术等等。
这些表面分析技术不仅具有广泛的应用领域，而且在实时性、准确性、可靠性等方面也有很大优势。
为什么检测检验的表面分析技术如此重要呢？首先，表面分析技术可以及时发现问题。
当出现产品表面问题的时候，通过表面分析技术的手段可以及时发现问题并找到问题的位置和范围，从而及时采取相应措施，避免问题扩大化。
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。
xps分析原理
xps分析原理
XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 是一种表面分析技术，通过测量材料表面的电子能谱来分析材料的组成和化学状态。
这种技术利用X射线照射样品表面，使样品表面的原子发生光电子发射现象。
XPS的原理是基于电子的波粒二象性和能量守恒定律。
当X 射线照射样品表面时，X射线会与样品表面的原子发生作用，使得原子的内层电子被激发出来。
这些被激发出的电子称为光电子。
光电子的能量与原子的电离能之间存在着特定的关系。
根据能量守恒定律，光电子的能量等于入射X射线的能量减去电子的束缚能。
通过测量光电子的能谱，即不同能量的光电子的强度分布，可以确定样品中不同元素的化学状态和含量。
XPS设备通常由X射线源、分析室和能量分辨器组成。
X射线源产生高能量的X射线，以激发样品表面的原子。
分析室内设置一个光学系统，将光电子引导入能量分辨器。
能量分辨器根据光电子的能量进行分辨和测量。
最终，根据光电子能谱的特征，可以得到样品表面组成的信息。
XPS技术广泛应用于材料科学、化学、表面物理等领域。
它可以分析材料表面化学组成、测量原子间的化学键合、检测元素的氧化态等。
同时，XPS还具备高分辨率、非破坏性等特点，可以对微小尺寸、薄膜等样品进行准确分析。
第六章 表面分析技术
第六章表面分析技术表/界面在化学、物理学以及材料科学等领域的研究意义已经十分明确，所谓界面是指被研究体系中存在的某种特性随空间距离发生突变的区域，这种突变性包括密度、晶体结构以及化学组成等，表面是界面的一种特例，即界面的一侧为空间，也就是说表面是物质本体和空间之间的过渡区域，它在一般意义上包含了物体最外层的数层原子和一些外来的原子或分子，涉及从埃到几个纳米的空间范围。
固体表面的性质有其特殊性，因为在表面的一侧不存在原子，导致表面两侧不具有对称性，所以往往表面原子的排列结构和其本体不同，同样表面区的化学组成、电子结构和运动等也都和本体表现出显著的差异，从而导致表面的电荷分布不均，形成表面偶极层，这种表面偶极层对粒子在表面的运动、外来原子（分子）和表面的键合以及外来粒子和表面的电子互作用等都会产生重要的影响。
人们对表/界面研究产生浓厚兴趣的原因正是因为发现了物体的某些性质其实并非完全决定于其本体的性质，而是在很大程度上取决于表面的性质。
譬如当前作为材料研究热点的纳米材料，之所以具有巨大的诱惑力，就是因为在纳米尺度上表面所展现的性质占据了主要部分，可以获得较本体材料更为显著的性能，所以对表面开展研究是现代科学技术中一个十分重要的领域。
表面分析的基本原理都可以看作是由一次束（电子束、离子束、光子束等）辐照于固体样品使之产生二次束（电子、离子、X射线等），通过对含有样品信息的二次束的检测，实现对样品的分析。
由于样品本身的吸收作用，在样品深处产生的二次粒子不能射出固体表面，只有在表面或表面浅层的“表层”样品中产生的粒子才可能被检测到，因此这类分析方法都称为表面分析方法。
图6-1表明了表面分析的基本技术特征，在表面分析技术领域已经较为广泛采用的一次束的类型可由表6-1说明。
图6-1 表面分析示意图表6-1所列为常用一次束、二次束类型及可以获得的分析信号，目前最为常见的表面分析方法包括X光电子能谱法（X-Ray photoelectron spectroscopy，XPS, 或称Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA）、紫外光电子能谱法（Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS）、俄歇电子能谱法（Auger Electron spectroscopy, AES）、二次离子质谱法（Secondary Ion Mass spectrometry, SIMS）、离子散射光谱（Ion Scattering Spectrometry，ISS）、激光微探针质谱法（Laser Microprobe Mass spectrometry, LMMS）以及电子探针（Electron Microprobe, EM）等。
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
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
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
常见表面分析测试技术有哪些
将能量在10～500电子伏范围内的低能电子束入射到待研究表面，这种低能电子的德布罗意波长（见波粒二象性）与表面原子的间距有相似数量级，表面的点阵结构对入射电子束能产生衍射作用。由于入射电子能量低，只有表面层内的原子才对入射电子起散射作用，而且散射截面很大。用荧光屏观察背向衍射束斑的分布，可得有关表面原胞的几何信息。另一方面，对任一衍射束，其束斑强度随电子束的能量（或电子波长）而变，这种变化关系可用I-V曲线表示出来（I为表征衍射束强度的电流，V为入射电子束的加速电压），该曲线称为低能电子衍射谱。LEED谱与表面原子的种类及其空间结构有关。LEED一直是最为有效的表面结构分析手段。
常见表面分析测试技术有哪些
表面分析技术是一种统称，指利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从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，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术。
在20世纪60年代超高真空和高分辨高灵敏电子测量技术建立和发展的基础上，已开发了数十种表面分析技术，各种技术的表面灵敏度并不相同，单一技术只得到表面某一方面的信息。为了对固体表面进行较全面的分析，常采用同时配置几种表面分析技术的多功能装置。目前，各种表面分析技术的定量化尚待逐步完善。
二次离子谱（SINS）
以能量为103电子伏的惰性气体离子轰击表面，再用质谱仪分析从表面溅射出来的二次离子，就可确定表面成分，SINS具有极高的分析灵敏度。
扫，固体中的电子借助于隧道效应克服表面势垒到达探针，从而形成隧道电流。隧道电流的大小取决于针尖至表面原子的距离，距离近时电流大，距离远时电流小。令探针在固体表面上扫描，扫描时针尖与表面间保持一极小的距离，根据隧道电流的变化就可显示出表面层中的原子排列情况。STM的最大优点是不需任何外来粒子束或射线束，因而不会破坏样品表面，也不存在由于入射线的波动性而造成的对分辨率的限制。STM是新发展起来的能直接观察表面结构的新技术。
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。
表面分析和形貌的分析技术研究
表面分析和形貌的分析技术研究表面分析和形貌的研究是材料科学和工程领域中非常重要的一部分。
因为大多数材料和器件的性能都与其表面形貌有关，所以理解和控制表面形貌是优化材料和器件性能的关键。
本文将介绍一些常见的表面分析和形貌的分析技术。
扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种利用电子束扫描样品表面并探测其信号来得到高分辨率图像的仪器。
因为电子波长比光波长小很多，所以SEM具有很高的分辨率。
它可以用于分析材料表面的形貌、结构和成分，并且还可以用于纳米结构的表面分析和制造。
SEM有很广泛的应用，包括纳米科学、材料科学、生物学、地质学等领域。
原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种高分辨率、非接触式测量技术。
它可以用于测量材料表面形貌、力学性质和电学性质等。
AFM的探针是末端有尖锐针头的压电陶瓷棒，利用针头和样品之间的非接触力调整针头的高度，以获取样品表面形貌信息。
AFM可以实现纳米级别的表面分析和形貌测量。
X射线光电子能谱分析（XPS）X射线光电子能谱分析是一种用于分析材料表面成分和化学状态的技术。
在X射线的激发下，材料表面发射出各个元素的光电子。
通过测量这些光电子的能量和强度，可以确定材料表面的成分和化学状态。
XPS可以分析元素化学状态和表面污染等问题，在工业、材料科学和环境科学等领域有广泛的应用。
拉曼光谱分析拉曼光谱分析是一种用于分析材料分子结构和化学键性质的非侵入式技术。
它通过激光束对样品进行激发，测量样品发射出的散射光的频率和强度来获取样品的信息。
从拉曼光谱中可以得到相对于样品中的原子振动的信息，以及材料分子结构、键强度和晶格振动态信息，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。
扫描探针显微镜（SPM）扫描探针显微镜是一种高分辨率图像量测和表面形貌观察的技术。
它使用一个小探头在样品表面扫描取得表面信息。
SPM可以高精度地定量检测材料表面的物理性质（如电性、磁性等）和化学性质（如物质溶液中的化学反应及其机理细节等），并且还可以用来研究纳米尺度下的材料性质和反应动力学。
材料研究方法
材料研究方法材料研究方法主要是指针对不同材料进行研究的具体操作方法和技术手段。
以下是常见的几种材料研究方法：1. 表面分析技术：表面分析技术可以用来研究材料表面的组成、结构和形貌等性质。
其中包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等。
这些技术可以提供高分辨率的表面形貌图像，并且可以进行元素分析和晶体学表征等。
2. X射线衍射：X射线衍射是一种常用的材料研究方法，可以通过反射、散射和透射等现象来研究材料的晶体结构和晶体相。
X射线衍射可以确定材料的晶体结构、晶体定向、晶体缺陷等。
常用的X射线衍射仪器有粉末衍射仪、单晶衍射仪等。
3. 热分析技术：热分析技术可以用来研究材料的热性质和热行为。
常见的热分析技术包括差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TGA）和热膨胀仪（TMA）等。
通过测量材料的质量、热流和尺寸等参数的变化，可以得到材料的热性能和热稳定性等信息。
4. 光谱分析技术：光谱分析技术可以用来研究材料的光学性质和电子结构等。
常见的光谱分析技术包括紫外可见光谱（UV-Vis）、红外光谱（IR）和拉曼光谱等。
这些技术可以提供材料的吸收、发射和散射等光谱信息，从而研究材料的电子结构、能带结构和分子结构等。
5.力学性能测试：力学性能测试可以用来研究材料的力学性质和力学行为。
常见的力学性能测试方法有拉伸测试、硬度测试和冲击测试等。
通过测量材料在力的作用下的变形、应力和断裂等参数，可以得到材料的力学性能和力学行为等信息。
综上所述，材料研究方法包括表面分析技术、X射线衍射、热分析技术、光谱分析技术和力学性能测试等。
这些方法可以从不同角度和层面上研究材料的性质和行为，为材料设计和应用提供重要的实验数据和理论依据。
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：
- 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)。
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Ag
538 2 0.41 aE E 5A
o
Fig. 3.4
2018/12/4
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
离子与固体表面作用
1. 弹性散射，离子本身不损失能量，前散射和背散射； 2. 非弹性散射，离子损失能量，前散射和背散射； 3. 离子注入，钻入样品内； 4. 轰击样品，产生表面剥离； 5. 俘获、再释和溅射脱附。
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
Source：华中一
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
电子自由程：电子与晶体中的原子核产生两次连续碰撞之间所走过的 平均路程称为电子自由程，。 电子自由程与电子的本身能量有很大关系，如图 3.4 。在 30 ～ 100 eV 以内，其值达到最小，约为0.1 ～ 0.8 nm = 1 ～ 8 Å，即大约三个原子 层左右。LEED就是利用这个能量段来工作的。对于实际的电子平均自由程 ，不但与电子自身能量有关，还与材料有关，Seah等人总结了大量的数据 ，得到经验计算公式如下：
发射；
3. 表面电离：当气体分子撞击灼热表面时，一部分以分
子或原子状态飞离表面，另一部分以正负离子的形式 飞离，这叫表面电离。
3. 光衍射；
4. 光激发，产生光电子； 5. 光诱导表面分子脱附和反应。
2018/12/4 北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
中性粒子与固体表面作用
1. 粒子弹性碰撞； 2. 粒子非弹性碰撞； 3. 粒子表面吸附； 4. 粒子18/12/4
2. D. Briggs and M. P. Seah, Practical Surface Analysis,
John Wiley and Sons, Inc., 1983.
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
表面检测的技术要求
灵敏的检测技术，因为一般表面原子占整个晶体的比例为 10 － 7 左右，几乎所有的检测技术要用到信号放大器及倍增 管，以及光子或电子计数器； 检测的技术是表面灵敏的，因为要研究表面的理化性能； 要检测信号，必须要有信号载体，我们称这种信号载体为 探针； 样品表面可控制的，即结构和化学组成等可以控制。
6. 断裂表面键，诱导脱附。
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
Fig. 3. 2
Fig. 3. 3
I.
弹性散射，电子本身不损失能量；
II. 非弹性散射，振动吸收；价带跃迁； III. 非弹性散射，Auger电子； IV. 二次电子和特征X－射线。
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
场与固体表面作用
探针诱导表面电子发射，主要是以不同的形式给固体内的电子以能 量，使电子克服表面的能垒而逸出。根据肖特基理论，外加电场可以降 低能垒，有助电子发射。 在强电场作用下，因存在量子力学的隧道效应，在固体不加热的情 况下也能出现显著的电子冷发射，这称为“场致电子发射”。
固体表面物理化学
表面分析技术概况
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
主要参考书
1. D. P. Woodruff and T. A. Delchar, Modern Techniques of Surface Science, Cambridge, 1986.
1. 任何温度下都能产生场致发射电子的各能级，电子可以“透过”
能垒发射； 2. 在温度不为零的情况下产生场致发射电子的能级，称为热场致发
射。发射随温度增高而增强；
3. 热发射按肖特基效应增长的能级，即电场使能垒降低； 4. E＝0时产生热发射的各能级。该能级的电子在高温弱电场下“爬
越”能垒发射。
2018/12/4 北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
光子与固体表面作用
当光子能量小于1兆电子伏特的情况下，光对物质的 作用主要是光电效应和康普顿效应：当光子将能量全部交 给一个电子，使其脱离原子而运动，这是光电效应；光子 与电子产生碰撞，将一部分能量交给电子而散射，碰撞射 出的电子称为康普顿电子，这就是康普顿效应。 光子与表面作用，有如下过程： 1. 光反射； 2. 光吸收；
固体表面物理化学
电场与电子能级
Fig. 3.5
2018/12/4
Source：高本辉，崔素言
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
热与固体表面作用
高温度的表面，会发射正负离子：
1. 金属本身原子的发射：当接近熔点时，不但有原子蒸
发，还有离子蒸发；
2. 金属表面杂质：如碱金属等，在高温下会以离子形式
场
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
电子与表面相互作用
1. 弹性散射，电子本身不损失能量； 2. 非弹性散射，电子传递或吸收样品能量； 3. 注入，钻入样品内； 4. 衍射，由于其波长与样品晶格常数接近，从而满足布 拉格方程或劳埃关系，产生衍射花样；
5. 轰击样品，产生新的二次电子和X－射线；
538 2 0.41 aE 对于纯元素： E 2170 对于无机化合物： 0.72 aE 2 E 49 对于有机化合物： 0.11 E 2 E
。的单位为nm。
2018/12/4
其中，a为单原子层厚度（nm），E为以费米能级为零点的电子能量（eV）
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
2018/12/4
北京大学化学与分子工程学院 － 表面与材料小组
固体表面物理化学
表面分子技术概况
作为信号载体的探针，基本包括：电子，离子，光子和中性粒子，此外还 有热和场，参见图3.1。
以探针接触表面时，必然会发生探针与表面的相互作用。
电子
离子
中性粒子
固体材料
光子
热
Fig. 3. 1 2018/12/4