现代分析技术

零

分析方法分类、各种分析技术功能、特点，

光谱分析、是基于电磁辐射与材料相互作用产生的特征光谱波长与强度进行分析的方法。包括吸收光谱分析、发射光谱分析和散射光谱分析。

电子能谱分析、是基于光子或运动离子(电子、离子、原子等)照射或轰击材料产生的电子能谱(电子产额随能量的分布)进行材料分析的方法

衍射分析，衍射分析的基本目的是分析材料结构。电磁辐射或运动电子束、中子束等与材料相互作用产生相干散射(弹性散射)，相干散射相互干涉的结果－衍射是材料衍射分析方法的技术基础。包括X射线衍射分析、电子衍射分析及中子衍射分析

电子显微分析，是基于电子束与材料的相互作用建立的各种材料现代分析方法色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法

表面分析技术是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。常用的表面分析技术有以下几种：低能电子衍射(LEED) 、反射高能电子衍射(RHEED)、俄歇电子谱能(AES)、X射线(紫外)

光电子能谱[XPS(UPS)]、X射线荧光光谱(XRF)、电子能量损失谱(EELS) 、离子中和谱(INS)、二次离子质谱(SIMS)、扫描隧道显微镜(STM)。原理都是以外来能量(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种信息。

一

X射线的性质1)穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质。2)折射率几乎等于1。X射线穿过不同媒质时几乎不折射、不反射，仍可视为直线传播。3)通过晶体时发生衍射。晶体起衍射光栅作用，因而可用它研究晶体内部结构。

X射线的产生1)产生自由电子的电子源，如加热钨丝或场发射阴极；2)设置阳极靶，用以产生X射线；3)在阴、阳极之间施加高压，用以加速自由电子轰击阳极靶；4)将阴阳极封闭在高真空中，保持两极纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。

光电效应(1)电子电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚

能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激发出的电子称为光电子，这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象是一种光电效应。(2)荧光效应是指当高能X射线光子激发出被照射物质原于的内层电子后，较外层电子填其空穴而产生了次生特征X射线(或称二次特征辐射)的现象。(3)俄歇效应当较外层电子填空穴时所释放的能量不产生次生X射线，而是转移给另一外层电子，并使之发射出来，这个次生电子叫俄歇电子，这个过程称俄歇效应

X射线衍射原理、当波长与衍射光栅宽度非常接近时，从每一狭缝发出的光波为同位相、同频率、同振幅或位相差恒定的相干波。结果得到一系列明暗相间的条纹，即产生衍射。衍射条纹亮带为干涉加强所致，暗带则由干涉相抵产生。当晶体被X射线照射时，各原子中的电子受激而同步振动。振动着的电子作为新的辐射源向四周发射波长与原入射线波长相同的次生X射线，这个过程就是相干散射的过程。用照相法收集衍射线，则可使胶片感光，留下相应的衍射花样，用衍射仪法探测衍射线，则所得到的衍射花样为一系列衍射峰

X射线衍射方法、最基本的有三种：劳厄法、利用连续X射线谱照射固定不动的单晶体的方法。能够反映单晶体的取向和对称性。

转晶法、用单色X射线作为入射光源，单晶体绕垂直于入射线方向一晶轴旋转，靠连续改变各衍射面与入射线的夹角来满足布拉格方程。利用此法可作单晶的结构和物相分析。

粉晶法。用单色X射线作为入射光源，入射线以固定方向射到多晶粉末或多晶块状样品上，靠粉晶中各晶粒取向不同的衍射面来满足布拉格方程。粉晶衍射谱图是无数微小晶粒各衍射面衍射叠加的结果。分为两种：粉晶照相法(德拜照相法)和粉晶衍射仪法。

衍射仪的构造及工作原理：衍射仪主要由X射线机、测角仪、探测器、检测记录装置、控制和数据处理系统几部分组成。X射线管发出单色X射线照射到片状试样上，所产生的衍射线光子用探测器接收，经放大处理后在显示或记录装置上给出精确的衍射数据和谱线。

X射线衍射数据、布拉格方程：2d(hkl) sinθn =nλ简化布拉格方程，即

2d(hkl) sinθ=λ

劳厄方程a(S－S0)=hλb(S－S0)=kλc(S－S0)=lλ

X射线衍射分析方法的应用主要有：

物相定性分析，是将由样品测得的d(面间距)-I(强度)数据组(即衍射花样)与已知物相的标准d-I数据组(即标准衍射花样)进行对比，一旦两者相符，则表明待测物相与已知物相是同一物相。常用的比较方法：(1)图谱直接对比法(2)数据对比法(3)计算机自动检索鉴定法

物相定量分析，使用X射线衍射方法测定样品中各物相的相对含量。原理：多相混合物中，每种物相的衍射线强度随其相含量的增加而提高，由强度值的计算可确定物相的含量。方法有：内标法、K值法、绝热法、任意内标法等，除此之外还有联立方程法、复相外标法、增值法、重叠峰K值法等。

单晶取向的测定、

点阵参数的精确测定，点阵常数是通过X射线衍射线的位置(2θ)的测定而获得的。根据某物相衍射线的位置2θ可以计算出衍射面(hkl)的面间距dhkl，再利用该物相所属晶系的间距d，点阵参数a，b，c和衍射面指数hkl之间的关系，就可以计算出该物相的点阵参数。

宏观应力分析，宏观应力在物体中较大范围内的均匀分布产生的均匀应变表现为该范围内方位相同的各晶粒中同名(HKL)晶面间距变化相同，从而导致衍射线向某方向位移，即2θ发生变化，这就是X射线衍射测量宏观应力的理论依据。

X射线衍射物相分析原理可表述为：晶体物质都具有特定的晶体结构(包括结构类型、晶胞的形状和大小，晶胞中原子、离子或分子的种类、数目和位置)。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射谱图。每一种晶体和它的衍射谱图都是一一对应的，不可能有两种晶体给出完全相同的衍射花样。如果在试样中存在两种以上不同结构的晶体时，每种物相所特有的衍射花样同时出现且不发生变化，多相试样的衍射花样只是由它所含物相衍射花样互不干扰地、机械地叠加而成。因此，我们可根据X射线衍射谱图来鉴定试样中所包含的物相。这就是X射线衍射物相分析的原理和依据。

十一

原子力显微镜AFM工作原理将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖在样品表面扫描时，测量针尖尖端原子与样品表面间的作用力随位置变化，将获得样品表面的信息。

微悬臂形变的检测方法AFM系统可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。①隧道电流检测法；②电容检测法；③光学检测法；④压敏电阻检测法。

AFM常用的操作模式：接触模式（随着针尖与样品逐渐靠在一起，它们之间先是相互吸引，距离近到一定程度以后相互排斥。恒力模式是在扫描过程中利用反馈系统的信息，精确控制探针随试样表面形貌在z方向上下移动，保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变。记录探针针头的z方向移动值得出试样表面形貌和恒高模式是在针尖的x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成试样形貌像。）、非接触模式、轻敲模式、插行扫描模式（常规模式(Normal Mode)和提升模式）和力曲线模式（是通过振荡微悬臂使得针尖轻轻地扎入样品中，通过调制针尖在样品上的作用力恒定，微悬臂的偏转就可以反映针尖的扎入量）。针尖效应不仅会将小的结构放，而且还会造成成像的不真实，特别是在比较陡峭的突起和沟处。比较典型的去卷积的理论模型硬球几何模型

纳米材料研究中的AFM, AFM的样品制备纳米材料的形貌测定纳米尺度

的物性测量纳米结构加工（原子分子操纵机械加工制备纳米结构）