表面结构分析
表面结构(表面粗糙度)
Jiangsusheng jiangyan zhongdeng zhuanye xuexiao
江苏省姜堰中等专业学校
传输带“0.008-0.8”中的前后数值
（λs-λc），以示波长范围λs。此 时取样长度等于 ，则lr=0.8mm
带0.008-0.8mm，R轮廓，算术平均偏 分别为短波和长波滤波器的截止波长
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Rz 12.5
必要时，表面结构符号也可用带箭头或黑点的指引线引出标注。
铣 Rz 3.2 车 Rz 3.2
Φ28
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3）在不致引起误解时，表面结构要求可以标注在给定的尺寸线上。
Rz 12.5
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表面结构的图样表示法 加工零件时，由于刀具在零件表面上留下刀痕和切削分裂时表面金属的塑性变 形等影响，使零件表面存在着间距较小的轮廓峰谷。这种表面上具有较小间距的峰 谷所组成的微观几何形状特性，称为表面粗糙度。机器设备对零件各个表面的要求 不一样，如配合性质、耐磨性、抗腐蚀性、密封性、外观要求等，因此，对零件表
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5.表面结构表示法在图样中的注法 表面结构要求对每一表面一般只注一次，并尽可能注在相应的尺寸及其公差的 同一视图上。除非另有说明，所标注的表面结构要求是对完工零件表面的要求。 1）表面结构要求的书写和读取方向与尺寸的注协和读取方向一致。
金属材料的表面结构分析
金属材料的表面结构分析金属材料作为人类使用最广泛的材料之一，其表面结构的分析对于制造工业、科研领域以及日常使用中都有重要意义。
近年来，随着技术的发展和实验手段的不断改进，金属材料表面结构的分析方法也愈加精确和丰富。
本文将从金属表面结构的重要性、表面结构分析的方法和技术，以及表面结构分析在实际应用中的意义等方面进行探讨。
一、金属表面结构的重要性金属表面结构的重要性在于，它对金属材料的性能和应用有着至关重要的影响。
通常来说，金属表面的物理、化学特性是与内部结构不一样的。
对于很多应用来说，金属的表面结构中的缺陷和不均匀性会影响到金属的使用寿命。
而在其他应用中，金属表面的特性则直接影响到金属的加工和制造技术。
在制造领域，金属表面结构的分析可以帮助生产商了解金属材料的优缺点，以及如何调整制造过程中的温度、压力和化学环境等因素。
在科学研究领域，金属表面结构的分析则可以为新型金属材料的研发和应用提供可靠的基础数据。
此外，在现代化工、地质勘探、航空航天等高科技领域中，金属表面结构的分析也被广泛应用。
二、表面结构分析的方法和技术金属材料表面结构的分析方法和技术是多种多样的。
其中，最常用的是扫描电镜和透射电镜等显微镜技术。
扫描电镜用于研究金属表面的微细形态和形貌；透射电镜用于研究金属材料内部结构的微细变化。
这两种显微镜技术对于金属表面结构的研究都至关重要。
除了显微镜技术之外，金属表面结构的分析还可以采用X射线衍射、拉曼光谱和离子束刻蚀等物理技术，以及电化学技术、光电化学技术和电子探针微区分析等化学技术。
这些技术可以提供有关金属表面化学成分、晶体结构等信息。
三、表面结构分析在实际应用中的意义金属表面结构分析的实际应用范围非常广泛。
下面，将结合实例具体阐述一下表面结构分析在不同领域的应用。
1.制造业金属材料的表面结构分析在制造业中应用较为广泛。
例如，在汽车组装中，要求汽车表面光滑无瑕疵。
通过表面结构分析，可以发现汽车表面缺陷，及时进行修整和修补，从而提高汽车的品质和舒适度。
表面结构
Ts = n1’as1+n2’as2
表面结构 表面结构符号
在最简单的情况下，可有 as1=p a1, as2=q a2 (p,q为整数)
即表面网格的基矢和衬底的基矢平行。在这种情 况下，习惯上用下面的缩写符号表示：
R(hkl)pq-D 其中， R表示衬底材料的符号， (hkl) 表示表面平 面的密勒指数， D是覆盖层或淀积层物质的化学 元素符号。
正方格子(P)
1 h h 2 2 d a
2 1
2 2
六角格子
1 4 h h h1h2 ( ) 2 2 d 3 a
2 1 2 2
表面结构 二维晶体学
二维倒格子：和三维情况一样，为了讨论二维周期结 构中波的运动，可以引进“倒格子”的概念。 二维倒格子的基矢 b1 和 b2 与二维布喇菲格子的基矢 a1, a2间的关系为：
表面结构 二维晶体学
相邻晶列间的距离 斜方格子(P)
2 1 h12 h2 2h1h2 cos 2 2 2 2 2 2 d a1 sin a2 sin a1a2 sin
长方格子(P,C)
1 h1 2 h2 2 ( ) ( ) 2 d a1 a2
表面结构 二维晶体学
表面结构 二维晶体学
旋转：二维的完整对称性，只允许有限的几种旋 转。旋转2/2n角度(n = 1, 2, 3, 4, 6)。 镜面反映。 将五个许可的旋转操作和镜象反映组合起来就得 到十个二维点群：1, 2, 1m, 2mm, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm。 这里的数字1, 2, 3, 4, 6表示围绕点的旋转操作和第 一组等价的镜象线结合起来而产生的其他镜像线。
的三维结构，因此比单一迭层的情况要复杂的多。
零件的表面结构
数字与字母高度 符号的线宽 高度H1 高度H2
2.5 3.5 5
7 10
0.25 0.35 0.5 015 21 30
《机械制图》
⑵ 表面粗糙度参数:
表面粗糙度参数的单位是m。
注写Ra时，只写数值; 注写Rz时，应同时注出Rz和
数值。
只注一个值时，表示为上限值；注两个值时，表示 为上限值和下限值。
确定表面粗糙度的参数时，应考虑下列原则：
⒈ 在满足表面性能要求的前提下，应尽量选用 较大的粗糙度参数值。
⒉ 工作表面的粗糙度参数值应小于非工作表面 的粗糙度参数值。
⒊ 配合表面的粗糙度参数值应小于非配合表面 的粗糙度参数值。
⒋ 运动速度高、单位压力大的摩擦表面的粗糙 度参数值应小于运动速度低、单位压力小的 摩擦表面的粗糙度参数值。
例如： 其余
《机械制图》
★ 在不同方向的表面上标注时，代号中的数 字及符号的方向必须按下图规定标注。
3.2
30° 3.2
3.2
3.2
3.2
30°
3.2 代号中的数字方向应与尺寸数字的方向一致。
3.2 6.3
⒊ 标注示例
3.2 1.6
标注实例一
《机械制图》
6.3 ×6.3
6.3
2×45° 3×.2 3.2
② 当不允许任何实测值超差时，应在参数 值的右侧加注max或同时标注max和min。
例如：
3.2max 用去除材料方法获得的表面粗糙度, Ra的最 1.6min 大值为3.2m，最小值为1.6m。
铣 用去除材料方法获得的表面, Ra的 3.2 上限值为3.2m，加工方法为铣制。
《机械制图》
⒉ 表面粗糙度代(符号)在图样上的注法
《工程表面结构》课件
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目 录
• 工程表面结构概述 • 表面粗糙度 • 表面纹理 • 表面化学与物理特性 • 工程表面结构的未来发展
01
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工程表面结构概述
表面结构定义
表面结构是指物体表面材料的微观形 貌、粗糙度、纹理等特征，是物体表 面物理和化学性质的微观表现。
持。
表面结构在生物医学领域的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
表面结构在生物医学领域的应用是工程表面结构领域的重 要发展方向之一，旨在通过表面结构的调控和优化，实现 生物材料和医疗器械的生物相容性和功能性。
生物医学领域对于材料表面的生物相容性和功能性要求越 来越高，表面结构的调控和优化成为研究的重点。通过表 面结构的调控，可以实现生物材料的抗凝血性能、抗菌性 能等，提高医疗器械的可靠性和安全性。同时，表面结构 还可以用于药物传递和基因治疗等领域，为生物医学领域 的发展提供新的思路和方法。
表面结构的应用领域
机械零件
航空航天器
医疗器械
表面结构可以改变机械零件的摩擦、 磨损和接触行为，从而提高其耐磨性 和寿命。例如，在轴承、齿轮和刀具 等领域，通过优化表面结构可以显著 提高其性能和使用寿命。
航空航天器的表面需要承受极端的温 度和压力，表面结构的优化和控制对 于提高其可靠性和寿命具有重要意义 。例如，在飞机发动机的涡轮叶片和 火箭发动机的燃烧室内壁上，通过改 变表面结构可以增强其耐热性和抗疲 劳性。
工程表面结构的未来发展
新材料表面结构的研究
总结词
新材料表面结构的研究是工程表面结构领域的重要发展方向，旨在探索新型材料表面结构的特性、制备方法和应 用前景。
第5章-表面结构参数及其检测总结
用于判别被评定轮廓的X轴方向的长度。 评定长度包含一个或几个取样长度。 在测量时，一般取评定长度等于5个取样长度，此时 不需说明，否则应在有关技术文件中注明。
7
2.几何参数术语及定义
（1）轮廓峰(profile peak) 轮廓峰是连接（轮廓和X轴）两相邻交点向外（从材 料到周围介质）的轮廓部分。轮廓峰高Zp为轮廓峰 最高点距X轴的距离。
过盈配合，它们的孔、轴表面粗糙度参数值应小。
• 要求防腐蚀、密封性能好或外表美观的表面，表面粗糙度参数
值应小。
• 凡有关标准业已对表面粗糙度要求作出具体规定，则应按该标
准的规定确定表面粗糙度参数值的大小。
28
• 在评定参数中，幅度特性参数Ra和 Rz 是主参数，间距
参数Rsm和相关参数Rmr(c)为附加参数
3
5.1 表面结构的术语、定义及参数
5.1.1 用轮廓法确定表面结构参数
1.一般术语及定义 （1）轮廓滤波器(profile filter)
•轮廓滤波器是把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。
实际表面轮廓是由粗糙度轮廓 （roughness profile）、波纹度 轮廓（waviness profile）以及 原始轮廓（或称形状轮廓）（ primary profile）叠加而成。以 后这三种轮廓的相关参数分别称 为R参数、W参数和P参数。
在一个取样长度内纵坐标值Z(x)的均方根值
Rq、Wq、Pq 1 l Z 2 (x)dx
l0
（3）轮廓的偏斜度(skewness of profile) 偏斜度用来表征轮廓分布的对称性，是指在一个取样
长度内纵坐标值Z(x)的三次方的平均值与Rq、Wq 或Pq的三次方的比值。
金属材料表面的微观结构及其性能影响研究
金属材料表面的微观结构及其性能影响研究一、引言金属材料是现代工业中广泛应用的材料之一。
为了应对各种不同的使用条件和环境，金属材料的性能和结构也需要进行不断的改进和优化。
其中，微观结构对金属材料的性能影响较为显著。
本文旨在探究金属材料表面微观结构的特点及其对金属材料性能的影响。
二、金属材料表面的微观结构金属材料表面的微观结构主要包括晶粒尺寸、晶界、缺陷等。
晶粒尺寸是指晶体中由相同的原子或离子构成的小晶体。
晶界是相邻晶粒界面。
缺陷是指晶体中缺失原子或离子的位置。
这些微观结构与金属材料的性能密切相关。
1. 晶粒尺寸金属材料的晶粒尺寸会影响其塑性、硬度、强度等性能。
晶粒尺寸越小，晶粒间的晶界相对增多，这意味着晶界对应力的分散和金属材料的形变具有重要的影响。
此外，晶粒越小，晶格畸变和晶体缺陷也可能相对增多，从而对材料的强度和耐腐蚀性产生负面影响。
2. 晶界金属材料中的晶界是高度活跃的活动界面，其在强度、塑性、腐蚀等方面发挥作用。
晶界提高了金属材料的抗拉强度和硬度，但也可能影响材料的延展性。
此外，由于晶界是金属材料中的集中缺陷，因此，晶界也可能在腐蚀等方面加速材料的老化作用。
3. 缺陷金属材料中的缺陷包括位错、晶格畸变、空位等。
这些缺陷会影响金属材料的塑性、强度等基本性能，也可能在腐蚀等方面起到负面作用。
由于缺陷往往与金属材料的制备和加工有关，因此，对缺陷的研究可以指导金属材料的制备和加工工艺。
三、金属材料表面微观结构对性能的影响金属材料表面结构的微小变化，如晶粒尺寸、晶界及缺陷的变化，均会对其力学性能产生影响。
因此，微观结构是金属材料工程设计和制备过程中必须要考虑的因素。
1. 晶粒尺寸对性能的影响在金属材料的塑性变形过程中，晶界处的应力是沿晶内的。
所以，晶粒尺寸越小，晶界的数量和分布越均匀，其吸收能量的能力也越强，从而增加了金属材料的塑性变形能力和韧性。
另一方面，金属材料的强度和耐腐蚀性则会随着晶粒尺寸的减小而降低。
材料表面的电子结构分析
材料表面的电子结构分析随着物理、材料科学的不断发展，表面电子结构分析技术在材料科学研究中的作用日益凸显。
表面电子结构分析能够深入揭示材料表面的结构和性质，探索材料光学、电子、热学性质等的规律，为新材料的合成、生产、应用提供重要的参考。
一、表面电子结构分析技术1. XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy）XPS是研究表面电子结构的有力工具，也是现代表面材料分析技术的前沿。
XPS是一种基于X光子促使材料表面电子发射而获得信息的新型表面分析技术，它可以用来研究材料表面的化学状态和电子结构等信息。
由于它具有优秀的表征表面化学组成与性质的性能，因此在国际上的研究领域和工业应用上已经得到了广泛的应用。
2. UPS（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy）UPS是一种高分辨率的电子能级谱法，能够研究样品表面的电子结构、化学键和禁带结构等特性。
该技术通过将波长为1至200纳米的紫外线辐照到材料表面上，获得材料表面电子能谱分布和能级结构的信息。
3. AES（Auger Electron Spectroscopy）AES是一种基于材料表面电子的离子组合的表面化学分析技术。
它通过测量材料表面被激发出的能量，获得材料表面的化学成分和结构信息。
4. LEED（Low Energy Electron Diffraction）LEED是用于研究晶体表面结构的表面分析技术。
它是通过测量总能量为几电子伏的电子经过样品表面后的散射方向和强度来研究晶体表面结构。
LEED既可以表征杂质在晶体表面上的分布，还可以帮助研究晶体表面各种被扭曲的表面衍射图样的特性。
二、表面电子结构分析的实际应用材料的表面性质与表面的电子结构密切相关。
表面电子结构分析技术已被广泛应用于材料的制备、研究和应用。
以下是几个实际应用的案例：1. 金属薄膜的表面修饰目前，金属表面修饰是金属表面化学的重要研究领域。
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
材料表面的结构和性质研究
材料表面的结构和性质研究随着科学技术的发展，材料领域的研究越来越深入。
在材料的使用和制备过程中，表面性质的重要性不言而喻。
然而，材料表面的结构和性质研究依然是一个充满挑战的领域。
这篇文章将介绍材料表面的结构和性质研究的基本概念和最新研究成果。
一、材料表面材料表面是指材料在与外界接触的界面。
通常情况下，材料表面的结构和性质与材料内部的结构和性质存在差异。
受到外部环境因素的影响，材料表面的性质对材料在生产、加工、使用和维护过程中的性能有重要影响。
例如，一些金属材料易受腐蚀、氧化和磨损等影响，表面受到损坏后可能会影响材料的强度和使用寿命。
二、表面结构和性质研究方法研究材料表面结构和性质最常用的方法是表面分析技术。
这些技术主要是通过实验手段分析和表征材料表面的物理、化学和结构特征，以此了解和控制材料表面性质的变化。
表面分析技术通常被分为非接触和接触两类。
非接触技术主要包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等；接触技术主要包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光电子能谱（XPS）等。
这些技术可以从不同角度、不同尺度和不同深度了解和表征材料表面的结构和性质。
三、表面结构和性质对材料性能的影响材料表面的结构和性质对材料的性能有很大的影响。
例如，表面粗糙度和化学成分的变化可能会影响材料的摩擦系数、磨损率、粘附性和润湿性等性质。
表面硬度和塑性也是影响材料性能的重要因素。
更深入的研究表明，材料表面还涉及到材料的动力学行为，例如晶体的生长和断裂等。
四、表面改性技术通过改变材料表面的化学成分、结构和形貌，可以改变材料的表面性质。
因此，表面改性技术成为了一种重要的技术手段，可以用于优化材料的性能。
表面改性技术可以分为物理法、化学法和生物法等。
其中，物理法主要使用物理手段改变材料表面的形貌、结构和结晶等特征，例如热处理、机械加工和等离子体处理等；化学法则是主要利用化学反应改变材料表面的化学成分和结构，例如氧化、还原、金属离子的浸渍和表面修饰等。
表面界面与多层膜的结构分析-谭伟石
晶体截断杆扫描
反射率测量几何
漫散射测量几何
四、薄膜微结构的X射线 散射表征方法
1 薄膜厚度的确定
T 2 cos B
单层膜
Al0.32Ga0.68As/GaAs(001), MBE生长
镜面反射率测量
d 2sin 2 sin 1
式中1，2是反射率曲线上相邻两振荡 峰的角度，是入射X射线的波长。
横向相关长度ξ
分形指数h
分形维数D=3-h
[Si(500Å)/Ge (38Å)]6/Si(500Å)/Si (001) 超晶格
横向漫散射曲线
3）X射线异常衍射精细结构(DAFS)
[Cu(10Å)/Ni0.8Fe0.2(12.6Å)]50/Si(100)的DAFS
[Cu(10Å)/Ni0.8Fe0.2(12.6Å)]50/Si(100)的DAFS
µ GISAXS ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015,7,13547
[GaAlAs/GaAs]n/GaAs(001)的衍射谱
±2, ±4,±6,±8缺级
[InGaAs/GaAs]15/GaAs(001)应变超晶格 Appl. Phys. Lett. 63,3327 (1993)
[Ge0.25Si0.75(50Å)/Si(70Å)]15/Si(001) 超晶格 J. Appl. Phys. 76, 1320 (1994)
上层ZnSe:
2.786 10
C // 3 3
9.506 10
C
ZnSe(40nm)/ZnS1-xTex(10nm)/ZnSe(40nm) /GaAs(001) A1BA2结构的（004）X射线双轴 晶衍射摇摆曲线(动力学拟合)
表面结构表示方法
纹理特征表示法主要关注物体的表面细节、颜色和纹理等属性，通过提取物体的颜色分 布、纹理结构和方向等特征，来描述物体的表面结构。这种方法在图像处理、计算机视
觉和机器学习等领域有广泛应用，如图像分类、物体识别和场景理解等。
06
表面结构表示方法的比较与选择
几何表示方法的比较与选择
总结词
缺点
几何表示方法主要关注表面几何信息， 如点、线、面等，适用于形状建模和 表面重建。
VS
详细描述
三角形网格的层次表示法通过将表面分割 成一系列三角形，能够精确地表示复杂的 表面结构。每个三角形可以进一步细分， 以提供更高的精度。这种表示方法在计算 机图形学、虚拟现实和可视化等领域广泛 应用。
05
表面结构的特征表示方法
几何特征表示法
总结词
几何特征表示法是一种基于物体表面几何形 状的方法，通过提取表面的点、线、面等几 何元素来描述物体的表面结构。
表面结构表示方法的准确性和精度直 接影响到材料性能的模拟和预测，对 于新材料的研发、表面改性、催化剂 设计等领域具有重要意义。
表面结构表示方法的定义和分类
表面结构表示方法是指一种描述物质 表面原子排列和几何结构的模型或方 法。
简单模型包括平面模型、立方模型等， 适用于描述简单表面的几何结构。
根据原子排列的复杂程度，表面结构 表示方法可以分为简单模型和复杂模 型。
对于复杂形状或大规模数据，几何表 示方法可能会占用大量存储空间和计 算资源，且对噪声和数据误差敏感。
优点
几何表示方法能够精确描述物体的形 状和表面细节，适用于需要高精度建 模的场景，如工业设计和制造。
拓扑表示方法的比较与选择
总结词
拓扑表示方法关注表面上的顶点和边的连接关系， 适用于网络和图结构的表示。
表面结构与性质
表面电导
01
表面电导
表面电导是指材料表面导电的性能，它与表面的电子传输 有关。表面电导的大小会影响材料的导电性能、电磁屏蔽 性能等。
02 03
影响因素
表面电导的大小受到多种因素的影响，如表面的化学组成 、晶体结构、表面态密度等。此外，表面的氧化程度、吸 附物质等也会影响表面的电导性能。
实际应用
在电子器件、集成电路、传感器等领域中，了解表面电导 对优化材料的导电性能、提高器件的稳定性等方面具有重 要意义。例如，在制备高性能的电子器件和集成电路时， 需要控制表面的化学组成和晶体结构，以提高表面的电导 性能。
表面张力
表面张力
表面张力是指液体表面分子之间的引力，它使得液体表面尽可能地缩小。表面张力的大小与液体的性质有关，如液体 的种类、温度、压力等。
影响因素
表面张力的大小受到分子间相互作用力的影响，如范德华力、氢键等。此外，液体的温度也会影响表面张力，一般来 说，温度升高会使表面张力降低。
实际应用
在工业生产和科学研究中，了解表面张力对优化液体表面的润湿性、提高液体的稳定性等方面具有重要 意义。例如，在制备微纳米材料、表面涂层、化学反应等领域中，都需要考虑表面张力对实验结果的影 响。
总结词
表面性质在跨学科领域的应用拓展是表 面科学领域的重要发展方向，旨在将表 面科学的研究成果应用于其他领域，实
现跨学科的创新和应用。
详细描述
表面科学在能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用前景。 例如，在能源领域，可以利用表面科学的方法制备高效的光电 材料和催化剂；在环境领域，可以利用表面科学的方法制备具 有优异性能的吸附剂和过滤材料；在生物医学领域，可以利用 表面科学的方法设计和制备具有生物相容性和功能性的医用材 料。因此，需要加强表面性质在跨学科领域的应用拓展研究， 推动表面科学的创新发展。
物理实验技术的表面分析方法
物理实验技术的表面分析方法随着科学技术的发展，物理实验技术扮演着不可或缺的角色，它对于我们深入了解物质性质和提高实验精确度具有重要意义。
而物理实验技术中的表面分析方法则是解析物质表面结构和性质的重要手段之一。
本文将介绍一些常见的表面分析方法，包括扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及X射线光电子能谱(XPS)等，这些方法可以帮助我们从微观、宏观的角度深入了解物质的表面特性。
第一种表面分析方法是扫描电子显微镜(SEM)。
SEM利用高能电子束扫描样品表面，通过探测样品表面散射出的次级电子或背散射电子的强度分布来获得样品的表面形貌信息。
SEM具有高分辨率、高深度放大倍率和高精确度的特点，可以对各种材料的表面形貌进行观察和分析。
在材料科学、纳米技术等领域中，SEM被广泛应用于表面结构的观察和分析，以及纳米材料的制备和性能研究。
第二种表面分析方法是原子力显微镜(AFM)。
AFM是一种通过探针感测样品表面的微小力的技术，通过测量探针的弯曲变形来获得样品表面的形貌信息。
与SEM相比，AFM具有更高的分辨率和更灵敏的力探测能力。
AFM可用于研究各种材料的表面形态、表面性质以及表面相互作用力的量化研究。
在生物医学领域，AFM可以用于观察细胞、蛋白质等生物分子的表面形态、力学性质和相互作用力，对于研究生物分子的功能和相互作用机制具有重要价值。
第三种表面分析方法是X射线光电子能谱(XPS)。
XPS利用X射线照射样品表面，通过测量样品表面散射出的光电子的能量分布来获得样品的元素组成、价态以及电荷态信息。
XPS具有高分辨率、非接触性和化学定量分析的特点，可以用于研究表面物种的元素组成、原子比例、元素化学价态和电荷态，以及表面化学反应、吸附和催化等表面过程。
XPS在材料科学、催化化学、界面科学等领域中得到广泛应用，并在表面催化、电子器件、薄膜材料等方面发挥了重要作用。
除了上述三种表面分析方法外，还有许多其他的表面分析方法，如透射电子显微镜(TEM)、埋地电子能谱(UPS)、近场光学显微镜(NSOM)等。
材料表面微结构的研究
材料表面微结构的研究材料的表面微结构一直以来都是材料科学研究的热点之一。
表面微结构可以影响材料的性能和特性，因此对于包括金属、塑料、陶瓷等各类材料在内的材料研究中都具有重要的意义。
本文将从表面微结构的定义、测量方式、影响因素以及应用等方面进行探讨。
一、表面微结构的定义表面微结构是指材料表面在纳米、微米尺度上的形貌特征。
这些特征包括表面的几何形状、表面粗糙度、坡度、平整度、孔隙度、晶体结构等。
表面微结构通常是通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、光学显微镜等方法观测测定。
通过观测表面微结构，可以了解材料的表面形态，从而分析材料的物性。
二、测量表面微结构的方法1、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是通过扫描物体表面，激发物体表面元素发生的逸出电子，从而形成显微图像。
SEM技术具有高分辨率、高真实性能、低成本等优点，已经成为表面形貌测量技术中的重要手段。
2、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜也是一种高分辨率的表面测量技术，常用于测量材料表面的精细结构。
其基本原理是通过探针顶端对物体表面进行扫描，通过测量探针与物体表面的相互作用力，从而得出表面的信息。
AFM技术具有分辨率高、测量范围广等优点。
三、影响表面微结构的因素1、材料的制备工艺材料制备的工艺对表面微结构的形成有很大的影响。
如电镀、溅射等工艺对金属材料表面的微结构形成会有影响。
2、材料的组成及结构材料的组分和结构也是影响表面微结构的因素。
例如含有不同数量的晶格缺陷的材料其表面微结构也会不同。
3、加工工艺加工工艺是影响材料表面形态的重要因素。
加工过程中，切削、磨削等过程会对材料的表面形态产生影响。
四、应用1、材料加工表面微结构的研究对传统的材料加工有着重要的指导意义。
可以通过改变材料表面微结构来改善材料的加工性能。
2、材料的改性材料表面微结构也是影响其性质和特性的重要因素。
通过控制材料表面微结构，可以改变材料的光学、导电、磁性等性质。
材料表面结构分析技术研究及应用
材料表面结构分析技术研究及应用材料表面的结构特征是决定材料性能的重要因素，因此，表面结构分析技术的研究和应用对于材料科学和工程领域具有重要的意义。
不同的表面结构分析技术可以提供不同的表面形貌和化学成分的信息，包括扫描电镜技术、原子力显微镜技术、X射线光电子能谱分析技术等。
这些技术的优缺点和适用范围都有所不同，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的技术。
扫描电镜技术是一种常用的表面结构分析技术。
扫描电镜是一种通过对样品表面进行扫描和收集电子信号的技术，可以获得不同精度的表面形貌信息。
其工作原理是利用电子束与样品表面产生相互作用，形成不同的信号，经过对这些信号进行处理可以获得关于表面形貌的信息。
扫描电镜技术可以提供高分辨率的表面形貌图像，同时也可以对样品的化学成分进行分析。
由于扫描电镜的成像分辨率很高，因此可以观察到样品表面的微观结构特征，这对于研究材料表面的结构性质和表面反应过程有重要的意义。
扫描电镜技术在材料科学和工程领域广泛应用，包括材料制备、表面工程、电子材料等。
原子力显微镜技术是一种利用原子力测量样品表面形貌和力学特征的技术。
与扫描电镜相比，原子力显微镜可以在原子尺度下对表面形貌进行观察，在材料领域具有重要的应用价值。
原子力显微镜技术基于材料表面形貌与探针之间的相互作用，通过对探针所受力的测量可以构建出样品表面的形貌和力学特性。
原子力显微镜可以同时获取表面形貌和物理力学特性，如表面硬度、粘附力等。
这种技术已经广泛应用于材料科学、物理学、生物和医学等领域。
X射线光电子能谱分析技术是一种用于分析表面化学成分的技术。
它基于样品表面吸收X射线的能量，然后通过测量样品表面发射的光电子能谱来确定表面元素的种类和含量。
这种技术可以提供材料表面化学成分信息，对于材料表面反应过程、标记和纳米材料等领域有着广泛的应用。
材料表面结构分析技术的研究和发展对于材料领域的进步具有重要的意义。
通过对表面结构的分析和理解，可以为材料设计、表面工程、薄膜制备和电子器件等领域的发展提供更精准的指导。
表面结构PPT课件
随着新型表面结构和纳米材料的不断涌现，表面结构在能源 、环境、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。未来研究 将更加注重表面结构的调控和优化，以实现更加高效、稳定 和环保的纳米科技应用。
CHAPTER 06
表面结构的模拟与计算
表面结构的分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于物理的模拟 方法，用于研究表面结构的动态行为和
这些变化会影响表面的物理、化学和 生物学性质，进而影响材料的性能和 应用。
演化过程包括表面形貌的变化、表面 成分的改变、表面粗糙度的增加等。
影响表面结构演化的因素
影响表面结构演化的因素包括环 境因素和人为因素。
环境因素包括温度、湿度、光照 、氧气等，这些因素会影响表面
结构的化学和生物学性质。
人为因素包括加工方法、涂层技 术、表面处理等，这些因素会影
表面结构在材料制备中的作用
控制晶体取向和晶体结构
通过表面结构调控晶体生长过程，实现特定晶体取向和晶体结构 的制备。
优化薄膜制备
通过调整表面结构，提高薄膜的均匀性、致密性和附着力，降低缺 陷和应力。
促进纳米材料合成
利用表面结构调控纳米材料的形貌、尺寸和分布，实现高性能纳米 材料的制备。
表面结构在材料改性中的应用
蒙特卡洛模拟的计算效率较高，适用于研究大规模表面结构和复杂表面 的性质。
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CHAPTER 05
表面结构在纳米科技中的应 用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表面结构在纳米材料制备中的应用
总结词
表面结构在纳米材料制备中具有重要作用，可以影响材料的物理和化学性质。
详细描述
表面结构决定了纳米材料的形貌、晶体结构和化学稳定性，从而影响其光学、 电学、磁学和催化性能。通过控制表面结构，可以制备出具有特定性能的纳米 材料，如半导体材料、金属氧化物、碳纳米管等。
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---第四 组
X-射线衍射 （X-ray diffraction ）
Contents
原理与装置
分析范例
特点、优缺点
XRD
样品要求
适用范围
3➢X射线的本质来自X射线➢X射线的产生
X射线管示意图
• 整个X射线光管处于真空状态 • 阴极与阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极钨灯丝产生电子 • 电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，从阳极靶产生X射线 • X射线通过铍窗口（厚度约为0.2mm）射出，即可提供给实验所用。
Ti（010） TiN（200）
TiN（220）
Ti(002)晶面和TiN(111)晶面择优 倾斜于试样表面
TiN(220)和Ti(010)晶面择优平 行于试样表面
TiN(200)呈现紊乱分布状态
Ti（002） TiN（111） TiN（200）
0=5 0=2
0=0.6
(a)CBD方法 (b、c、d)STD方法
在小角度2θ＝1.2°(d＝7.2nm)显示出一个较强的衍射峰．它是由于介孔结构的高 规整性而产生的（100）晶面布拉格反射。 相应的大角度粉末衍射图显示合成的介孔二氧化钛具有半晶化介孔孔壁.
分析范例——薄膜材料
➢利用CBD和STD技术对有取向的TiN+Ti薄膜进行纵向分析
TiN膜富集于表面层，而Ti是介于衬 底和TiN膜之间的过渡层
2c
多原子分子的振动
多原子分子由于原子数目增多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其振动光谱比双原子 分子要复杂。但是可以把它们的振动分解成许多简单的基本振动，即简正振动。其基本类型有伸 缩振动和变形振动。
红外光谱 （infrared spectroscopy）
红外光谱：当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收 某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化， 产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子 吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。
近红外区 14000-4000cm-1
控制驱动装置
显示器
送水装置 水冷
X线管 高压电缆
高压 发生器 X线发生器(XG)
测角仪
样品 角度扫描
数据输出
计数管 ＨＶ
计数存储装置(ECP)
粉末衍射仪
XRD特点
X射线衍射分析法具有如下优点：
1．对某一特定相，就给出特定的衍射相。直观、准确度高、 灵敏度高；
2．速度快，适合做大量的分析工作； 3．样品无须进入真空系统，设备简单； 4．属非破坏性分析； 5. 对试样无特殊要求，无须特别加工，制样方便。
避免颗粒发生取向
避免物理\化学因素影响
适用范围
➢ 绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生X射线衍
射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。
XRD应用
物相鉴定
纳米材料粒径表征
点阵参数测定 微观应力测定
XRD 应用
结晶度测定
晶体取向及织构测定
分析范例——介孔材料
➢介孔TiO2经不同温度焙烧后的低角度和相应高角度的粉末衍射
中红外区 4000-400cm-1
远红外区 400-10cm-1 由于绝大多数有机物和无机 物的基频吸收带都出现在中红 外区，因此中红外区是研究和 应用最多的区域。
红外光谱的特点和应用
A）红外光谱的高度特征性 红外光谱最突出的特点是具有高度的特征性，除光学异构外每种化合物都有自己特征的红外
光谱。它作为“分子指纹”被广泛的用于分子结构的基础研究和化学组成的分析上。红外吸收谱 带的波数位置、波峰数目及强度，反应了分子结构的特点，可以用来鉴定未知的分子结构组成或 确定其化学基团；谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，可用于定量分析或纯度 鉴定。
检测限： 〜3％中的两相混合物;
〜0.1 ％，同步辐射。
横向分辨率： 通常没有
试样要求
块状试样
表面平整和清洁 无法避免晶面择优取向即织构，必要时可对其相互垂直的三个表面分别 进行分析，以得到比较全面的实验结果。
粉末状试样
粒度
一般定性分析时粒度应小于40 µm(350目)，定量分析时粒度应 小于10µm
多晶体是极多个小晶粒的聚集体。如果其各个晶粒的取向 随机分布, 则相当于上图的晶面绕入射X射线束转动任意 的情况都存在, 则X射线照射到此多晶体上时, 如下图的一 个圆锥面上都有衍射线产生.
XRD装置
XRD衍射仪：常用粉末衍射仪主要由X射线发生系统、测角及探测控
制系统、记数据处理系统三大部分组成 。核心部件是测角仪。
B）红外光谱的测试优点及发展方向 红外光谱对气体、液体、固体样品都可以测定，具有样品用量少、分析速度块、不破坏样品
等特点。自20世纪70年代以来，随着计算机的高速发展以及傅立叶变换红外光谱和各种联用 技术的出现，大大拓宽了红外光谱的应用范围。例如红外与色谱联用可以进行多组分样品 的分离和定性；与拉曼光谱联用可以得到红外光谱弱吸收的信息等。因此，红外光谱成 为现代分析化学和结构化学必不可少的工具。
第一部分 原理概述
红外光谱的产生
红外光谱是由分子振动能级的跃迁而产生的，因此红外光谱的吸收峰是具有一定宽度的吸收 带。物质吸收红外光应满足两个条件：一是辐射光子的能量与发生振动和转动能级间的跃迁所需 能量相等；二是分子振动必须伴随有偶极矩的变化，辐射与物质间必须有相互作用。
值得注意的是：不是所有的振动都能引起红外吸收，只有偶极矩(μ)发生变化的，才能有红 外吸收。
X射线衍射原理
➢Bragg的衍射条件
晶体的原子点阵排列，当波长与原子间距满足布拉格方程条件下，光 线之间相互干涉，出现衍射现象，衍射图谱可以反映出晶体的结构和 性能。
入射X射线（ ）
衍射X射线
布拉格方程：
＝衍射角
晶 体
晶面间距 d hkl
点
阵
h k l晶面
X射线衍射原理
一个晶粒的某 (h k l ) 晶面所处方位正好符合布拉格公式, 产生衍射.
对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如： N2、 O2、 Cl2等。 非对称分子：有偶极矩，红外活性。
分子中基团的基本振动形式
双原子分子的振动 简谐振动及其频率，化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。
分子振动方程式
任意两个相邻的能级间的能量差为：
E h h k 2
1 1 k 1307 k