现代表面分析技术-界面化学

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,P,o,w,e,r,B,a,r,中国专业,PPT,设计交流论坛,由于固体表面的复杂性，对其表面结构、形态的表征受到限制。近,20,年来，由于高真空技术和电子技术的快速发展，使得对表面的形貌、组织结构、表面成分等的研究取得长足的进步。,本章对表面谱、表面形貌显微技术等常用的表面分析的方法作简单介绍。,第,16,章 现代表面分析常用 技术简介,1.,光电子能谱,（,photoelectron spectroscopy,PES),具有足够能量的光子入射到样品，经相互作用后，使样品中原子或分子中的电子克服其结合能，而产生光电子,e,-,，反应表示为：,S+h S,+,*,+e,-,光电子能谱图,出射的光电子具有一定的动能，若利用监测器检测其动能，经放大器就可以记录样品中被 击出具有动能,E,k,的光电子数,n(E,k,),，这就是,光电子能谱。,以,E,k,为横坐标，,n(E,k,),为纵坐标作图，就得到,光电子能谱图。,若入射光的能量为,hv,，原子、分子中的电子结合能为,E,b,，光电子动能为,E,k,，根据能量守恒原理有,若入射光用紫外线时，激发原子的外层电子，称为,紫外光电子能谱,（,ultraviolet photoelectron spectroscopy,UPS,）。,若用,X,射线作为入射光，主要是激发原子的内层电子，称为,X,射线光电子能谱,X,射线光电子能谱,X,射线光电子能谱,(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS),X,射线光电子能谱常采用的靶主要是,铝靶和镁靶。,用,15KeV,的电子轰击铝靶，其产生的特征,X,射线的能量为,1486.6eV,线宽,0.85eV,，,镁靶的特征,X,射线的能量是,1253.6eV,，线宽,0.70eV,。,X,射线光电子能谱,如果再使用石英晶体单色器，可将,X,射线单色化，线宽降低到,0.3eV,，这样可使分辨率较好。,它们的能量可以击出各种元素的内层电子，所击出的光电子的能量为,10,2,-10,3,eV,。,X,射线光电子能谱,元素的特征峰,X,射线光电子能谱中可以观察到,元素的特征峰,，与样品的物理化学性质有关。,元素的特征峰反应了内层电子的性质，由于内层电子能级间隔较大，容易在,X,射线光电子能谱中分辨开来，故,XPS,适宜于进行元素的定性分析。,X,射线光电子能谱,化学位移,原子所处的化学和物理环境改变，会使特征峰移动，这称为,化学位移,。,一般来说，原子外层电子密度减少时（如氧化数增大或与电负性较大的原子相连），内层电子受到的有效核电荷将略微增大，结合能增大，反之，结合能减小。,利用化学位移，可以分析原子的成键情况和价态的变化。,X,射线光电子能谱,使用,XPS,测试样品，一般是利用特征峰的峰面积，用相对灵敏度因子法进行半定量分析，一般测量误差,10%-20%,，检测灵敏度为,0.1%,左右。,样品用量少（约,10,-8,g),，不需要进行样品前处理，可以给出元素化学态信息，进而可以分析出化合物的组成。,显微镜发展迅速，种类很多，可在宽广的范围内,来观察表面的形貌和显微组织。,2.观察表面形态显微镜,透射电子显微镜,(Transmission electron microscope,TEM,),扫描电子显微镜,(scanning electron microscope,SEM),扫描隧道显微镜,(scanning transmission electron microscope,STM,),原子力显微镜,(atomic force microscope,AFM,),常用的显微镜,扫描电子显微镜原理,扫描电子显微镜,以电子探针对试样进行扫描轰击，,将被轰击微区发出的二次电子信息（包括二次电子、特征,X,射线、阳极荧光等）,用探测器逐个加以收集，经过适当处理并放大，,依此放大信号来调制同步扫描的显像管的亮度，在显像管的荧光屏上得到该信息提供的样品图像。,扫描电子显微镜,电子枪，由,1-30KV,高压电通过钨丝产生热电子流并给予加,速，经一系列电磁聚光镜等使电子束缩小到直径为,5-10nm,后轰击到试样上进行扫描,样品室和样品台，四周壁上开有许多窗口以放置各种探测器,及置换样品的进出口，样品台有,5,个自由度，可以调节样品,达到要求的位置,探测器，二次电子从试样表面发射出来，闪烁体把电子的动,能转化为光能，光信号通过光电倍增管阴极转化成电信号，,经多极放大输入显像管调制成像,SEM的组成部分,扫描电子显微镜,SEM,是常用的材料表面的测试仪器，其放大倍数达几十万倍。,SEM,要求试样为导电体，非导体试样应事先镀上导电层，如金、银或碳等。,SEM,可以研究所有材料的表面结构，如,共混物、共聚物的分布形态，,聚合物网络、交联程度,二相聚合物微区结构,膜表面,非对称膜的断面结构,纳米粒子的形貌,粒径的测量,3.红外光谱,傅里叶交换红外光谱（,Fourier transform infrared spectrometer,FTIR,）,是基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计，不同于色散型红外分光光度计，被称为第三代红外光谱仪。,第一代是棱镜作为色散元件，依据光的折射原理,第二代是光栅作为色散元件，依据光的衍射原理,FT-IR,的部件构成,目前所用的干涉仪大多数都是,麦克尔逊（,Michelson,）干涉仪。,红外光源,干涉仪,检测器,计算机,记录仪,样品室,傅里叶变换红外光谱的基本方程是,I(x),表示干涉图的强度，是光程差,x,的函数，,表示光源（被测对象）的强度，是光源波长的函数，,表示频率。,由它记录干涉图并做出傳里叶余弦变换，就可得到任何波数的光强,4.激光拉曼光谱,激光拉曼光谱,laser Raman spectrometer,是研究被样品散射的光，而不是吸收和发散的光。,若入射光和,Raman,散射光的频率分别为 、,，分子散射前后的能量分别是,E,a,，,E,b,，,则有,这样测得,Raman,光谱频率位移 ，便可得到分子能级。,激光拉曼光谱仪示意图,样品,单色仪,检测器,计算机,激光光源,外光路系统,Raman,光谱可通过鉴定基团的特征频率进行分子结构分析，用于定性、定量分析等。它可观察到非极性双原子分子如,N,2,、,O,2,等光谱，是红外光谱所不及的。,Raman,光谱与红外光谱两者可互相补充,