材料结构的表征技术(微观、显微、宏观).
合集下载
相关主题
- 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)。
2006年11月 2
固体化学 第七讲
固体种类鉴定与测试技术选择
分子型物质与非分子型物质
分子型物质（主要采用光谱和化学分析法） 非分子型物质（主要采用X射线衍射技术）
晶体与非晶体
晶体（主要采用X射线衍射技术） 非晶体（主要采用光谱和化学分析法）
2006年11月
3
固体化学 第七讲
鉴定固体的主要技术
衍射技术(电子衍射、中子衍射和X射线衍 射） 显微技术（电子显微镜和光学显微镜） 光谱技术（振动光谱（红外光谱、拉曼谱） 电子能谱、原子发射光谱、原子吸收光谱、 穆斯堡尔谱、核磁共振谱、色谱） 热分析技术（差热分析、热重分析、扫描 量热分析） 物性测试技术（密度、硬度、导电、强度、 孔结构……)
15
固体化学 第七讲
X射线光谱1
• 分类：发射谱和吸收谱 • 发射谱：高能电子与样品的作用产生的发 射谱，主要用途为成分分析和局部结构、 配位数等结构信息的测定，主要手段为： X射线荧光分析XRF和电子探针微区分析； • 吸收谱：连续X射线与样品的作用产生的 吸收谱，主要通过吸收边分析样品的局部 结构。
2006年11月 13
固体化学 第七讲
可见和紫外光谱应用举例
玻璃结构的研究
在玻璃制备时加入具有紫外吸收峰的示综原 子替代被研究的原子，进而研究该类原子玻 璃中的环境和配位状况等信息；
激光材料的研究
研究红宝石中铬、钕的配位和环境与材料性 质的关系。
紫外光 激发电子处于高能级状态 电子聚集 集居数逆转 发射激光
• X射线衍射（XRD）
X射线粉末衍射（第八讲），高温X射线粉末衍射（第八讲） ， 单晶X射线衍射。
2006年11月 5
固体化学 第七讲
单晶X射线衍射
测试结果为衍射花样谱，为倒易格子结构花样， 与晶体晶胞的大小和性状存在互逆关系 相关信息 晶胞和空间群的测定
缺失斑点特征决定格子类型 斑点对称特点决定对称要素种类
晶体形貌和对称性 晶粒大小、自形程度、折射率值、多色性、吸收性、解理 及解理角、双折射率、消光特征、延性、双晶特征、光性、 轴性、2V角、主折射率值 所属晶族，可能晶系（消光类型和光性方位） 致密度方向 单晶品质与应力特征 物相鉴定、纯度、均相性和结构特征 晶界和位错（反光镜下通过浸蚀、染色处理） 均质体与非均质体（四次消光现象）
2006年11月 4
固体化学 第七讲
衍射技术
• 电子衍射
对样品要求：量少而小（尺寸<0.05mm)，单晶样品，可做微区组 分分析，可能发生次级衍射，伴随额外衍射光斑、降低衍射强度。 测试结果：衍射花样光斑 用途：晶胞常数测定、空间群测定、物相鉴定
• 中子衍射
中子原昂贵，连续谱，强度不受原子序数影响。 用途：晶胞常数测定、空间群测定、物相鉴定等，此外可用于晶 体中的超晶格结构分析（中子与未成对电子作用产生一个附加 散射效，电子自旋与结构排列关系得以响应）
2006年11月 7
固体化学 第七讲
透射电子显微镜TEM
制样复杂（厚 度<200nm）， 当采用形貌复 制制样技术时， 只能观察样品 的形貌特征 分辨率高（约 1nm)
2006年11月
8
固体化学 第七讲
扫描电子显微镜SEM
制样简单（真空 与镀膜） 景深大 可进行局部组成 分析（点、线、 面扫描） 分辨率（约10nm)
2006年11月
记录形式：强度～能量关系
11
固体化学 第七讲
振动光谱
IR活性为非对称中心振动 模式，振动发生对应产生 偶极距变化； Raman活性涉及振动发生 对应极化率的变化； 振动光谱对应固体中共价 键连接或官能团，峰的位 置正比于化学键的强度， 反比于正负离子的质量； 可用于：指纹物相鉴定、 原子环境鉴别
固体化学 第七讲
固体结构的表征技术
微观 显微 宏观
2006年11月
固体化学 第七讲
材料结构的层次
微观结构：原子尺度，质点的排列方式，包括 晶胞，阴阳离子配位数、配位多面体及其连接 方式，晶体常数，化学键强度等信息； 显微结构：晶粒尺寸、形态、排列方式、接触 特征，微孔和裂隙、物相种类； 宏观结构：肉眼可视结构特征。包括：单晶和 集合体形态、解理、断口、颜色、光泽、密度、 硬度、致密度、透明度、硬度等
2006年11月
14
固体化学 第七讲
核磁共振谱
峰的位置和强度与结构中被测元素的 环境（配位数和核磁共振谱次邻近原 子种类、数目等结构参数）相关联； 非零核自旋元素（Al27、Si29等）与外 加强磁场的作用； 通过与标准物质的类比，即化学位移 大小确定未知样品中原子的环境特征
2006年11月
晶体结构的测定
晶体组成与斑点强度信息分析
电子分布、原子大小和成键
电子密度图和交叠特征分析原子大小和键型
晶体一维和二维无序特征
一维无序呈现斑点成直线状 二维无序呈现斑点成盘状
2006年11月
单晶X射线旋晶照相示意图
6
固体化学 第七讲
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光学显微镜
样品：透光与不透光样品，最小粒径几微米（几千纳 米） 显微镜类型：偏光显微镜、反光显微镜 可观测信息
2006年11月
9
固体化学 第七讲
扫描电镜成分分析
2006年11月
10
固体化学 第七讲
光谱技术
振动光谱 红外光谱IR 拉曼谱Raman 电子能谱 穆斯堡尔谱 核磁共振谱
光谱给出 局部有序的信息 基本原理：一定条件下，固体具有吸收和发射 能量的能力 能量形式：电磁波、声波、微粒；
2006年11月
组成为SiO2的方石英与石英的 拉曼谱存在较大的差异
12
固体化学 第七讲
可见和紫外光谱
电子在最外层能级间的跃迁，其能级差落在远红外到 紫外光区域； 这类光谱除了与原子结构有关外（如过渡族金属元素）， 还与电子在原子间的迁移（固体结构）、材料性能（光 电导性）、缺陷结构（色心），前者与吸收峰和吸收 带相关联，后者与吸收边相关联； 吸收带的位置是配位环境与键强相关联的；
三种不同含铝材料的AlKβ 发射谱
图中Al的峰位与Al的配位数 和Al－O键矩相关联
2006年11月
电子探针微区分 析往往与电子显微镜相 结合，同时测定图象和 组成特征。
固体化学 第七讲
固体种类鉴定与测试技术选择
分子型物质与非分子型物质
分子型物质（主要采用光谱和化学分析法） 非分子型物质（主要采用X射线衍射技术）
晶体与非晶体
晶体（主要采用X射线衍射技术） 非晶体（主要采用光谱和化学分析法）
2006年11月
3
固体化学 第七讲
鉴定固体的主要技术
衍射技术(电子衍射、中子衍射和X射线衍 射） 显微技术（电子显微镜和光学显微镜） 光谱技术（振动光谱（红外光谱、拉曼谱） 电子能谱、原子发射光谱、原子吸收光谱、 穆斯堡尔谱、核磁共振谱、色谱） 热分析技术（差热分析、热重分析、扫描 量热分析） 物性测试技术（密度、硬度、导电、强度、 孔结构……)
15
固体化学 第七讲
X射线光谱1
• 分类：发射谱和吸收谱 • 发射谱：高能电子与样品的作用产生的发 射谱，主要用途为成分分析和局部结构、 配位数等结构信息的测定，主要手段为： X射线荧光分析XRF和电子探针微区分析； • 吸收谱：连续X射线与样品的作用产生的 吸收谱，主要通过吸收边分析样品的局部 结构。
2006年11月 13
固体化学 第七讲
可见和紫外光谱应用举例
玻璃结构的研究
在玻璃制备时加入具有紫外吸收峰的示综原 子替代被研究的原子，进而研究该类原子玻 璃中的环境和配位状况等信息；
激光材料的研究
研究红宝石中铬、钕的配位和环境与材料性 质的关系。
紫外光 激发电子处于高能级状态 电子聚集 集居数逆转 发射激光
• X射线衍射（XRD）
X射线粉末衍射（第八讲），高温X射线粉末衍射（第八讲） ， 单晶X射线衍射。
2006年11月 5
固体化学 第七讲
单晶X射线衍射
测试结果为衍射花样谱，为倒易格子结构花样， 与晶体晶胞的大小和性状存在互逆关系 相关信息 晶胞和空间群的测定
缺失斑点特征决定格子类型 斑点对称特点决定对称要素种类
晶体形貌和对称性 晶粒大小、自形程度、折射率值、多色性、吸收性、解理 及解理角、双折射率、消光特征、延性、双晶特征、光性、 轴性、2V角、主折射率值 所属晶族，可能晶系（消光类型和光性方位） 致密度方向 单晶品质与应力特征 物相鉴定、纯度、均相性和结构特征 晶界和位错（反光镜下通过浸蚀、染色处理） 均质体与非均质体（四次消光现象）
2006年11月 4
固体化学 第七讲
衍射技术
• 电子衍射
对样品要求：量少而小（尺寸<0.05mm)，单晶样品，可做微区组 分分析，可能发生次级衍射，伴随额外衍射光斑、降低衍射强度。 测试结果：衍射花样光斑 用途：晶胞常数测定、空间群测定、物相鉴定
• 中子衍射
中子原昂贵，连续谱，强度不受原子序数影响。 用途：晶胞常数测定、空间群测定、物相鉴定等，此外可用于晶 体中的超晶格结构分析（中子与未成对电子作用产生一个附加 散射效，电子自旋与结构排列关系得以响应）
2006年11月 7
固体化学 第七讲
透射电子显微镜TEM
制样复杂（厚 度<200nm）， 当采用形貌复 制制样技术时， 只能观察样品 的形貌特征 分辨率高（约 1nm)
2006年11月
8
固体化学 第七讲
扫描电子显微镜SEM
制样简单（真空 与镀膜） 景深大 可进行局部组成 分析（点、线、 面扫描） 分辨率（约10nm)
2006年11月
记录形式：强度～能量关系
11
固体化学 第七讲
振动光谱
IR活性为非对称中心振动 模式，振动发生对应产生 偶极距变化； Raman活性涉及振动发生 对应极化率的变化； 振动光谱对应固体中共价 键连接或官能团，峰的位 置正比于化学键的强度， 反比于正负离子的质量； 可用于：指纹物相鉴定、 原子环境鉴别
固体化学 第七讲
固体结构的表征技术
微观 显微 宏观
2006年11月
固体化学 第七讲
材料结构的层次
微观结构：原子尺度，质点的排列方式，包括 晶胞，阴阳离子配位数、配位多面体及其连接 方式，晶体常数，化学键强度等信息； 显微结构：晶粒尺寸、形态、排列方式、接触 特征，微孔和裂隙、物相种类； 宏观结构：肉眼可视结构特征。包括：单晶和 集合体形态、解理、断口、颜色、光泽、密度、 硬度、致密度、透明度、硬度等
2006年11月
14
固体化学 第七讲
核磁共振谱
峰的位置和强度与结构中被测元素的 环境（配位数和核磁共振谱次邻近原 子种类、数目等结构参数）相关联； 非零核自旋元素（Al27、Si29等）与外 加强磁场的作用； 通过与标准物质的类比，即化学位移 大小确定未知样品中原子的环境特征
2006年11月
晶体结构的测定
晶体组成与斑点强度信息分析
电子分布、原子大小和成键
电子密度图和交叠特征分析原子大小和键型
晶体一维和二维无序特征
一维无序呈现斑点成直线状 二维无序呈现斑点成盘状
2006年11月
单晶X射线旋晶照相示意图
6
固体化学 第七讲
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光学显微镜
样品：透光与不透光样品，最小粒径几微米（几千纳 米） 显微镜类型：偏光显微镜、反光显微镜 可观测信息
2006年11月
9
固体化学 第七讲
扫描电镜成分分析
2006年11月
10
固体化学 第七讲
光谱技术
振动光谱 红外光谱IR 拉曼谱Raman 电子能谱 穆斯堡尔谱 核磁共振谱
光谱给出 局部有序的信息 基本原理：一定条件下，固体具有吸收和发射 能量的能力 能量形式：电磁波、声波、微粒；
2006年11月
组成为SiO2的方石英与石英的 拉曼谱存在较大的差异
12
固体化学 第七讲
可见和紫外光谱
电子在最外层能级间的跃迁，其能级差落在远红外到 紫外光区域； 这类光谱除了与原子结构有关外（如过渡族金属元素）， 还与电子在原子间的迁移（固体结构）、材料性能（光 电导性）、缺陷结构（色心），前者与吸收峰和吸收 带相关联，后者与吸收边相关联； 吸收带的位置是配位环境与键强相关联的；
三种不同含铝材料的AlKβ 发射谱
图中Al的峰位与Al的配位数 和Al－O键矩相关联
2006年11月
电子探针微区分 析往往与电子显微镜相 结合，同时测定图象和 组成特征。