材料分析方法概述

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,材料分析测试方法,1,第一章,材料分析测试方法,概述,必要性,：,1、加深理解以前所学课程的内容。,2、为以后进一步的研究打下一个好的基础。,3、目前材料发展日新月异的需要。,2,目的和要求：,1、了解本课程中基本概念的来源。,2、了解一些检测分析手段。,3、能对一些检测结果进行一般性分析。,3,主要内容,第一节 一般原理,第二节 衍射分析方法概述,第三节 光谱分析方法概述,第四节 电子能谱分析方法概述,第五节 电子显微分析方法概述,第六节 色谱、质谱及电化学分析方法概述,4,第一节 一般原理,定义：,材料分析测试方法是关于材料,成分、结构、微观形貌与缺陷,等的分析、测试技术及其有关理论基础的科学,材料现代分析、测试技术的发展，使得材料分析不仅包括材料,(整体的),成分、结构分析，也包括材料,表面与界面,分析、微区分析、形貌分析等许多内容,5,材料的元素成份分析,材料的物相结构分析,材料的表观形貌分析,材料的价态分析,材料的表面与界面分析,材料的热分析,材料的力学性能分析,6,材料分析原理：,材料分析是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征信息)的检测实现的材料分析的基本原理(或称技术基础)是指,测量信号与材料成分、结构等的特征关系,采用各种不同的测量信号(相应地具有与材料的不同持征关系)形成了各种不同的材料分析方法。,7,基于,电磁辐射,及,运动粒子束,与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法巳成为材料现代分析方法的重要组成部分，大体分为,光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析,等四大类方法此外，基于共它物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的,色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析,等方法也是材料现代分析的重要方法,8,尽管不同方法的分析原理(检测信号及其与材料的特征关系)不同及具体的检测操作过程和相应的检测分析仪器不同，但各种方法的分析、检测过程均可大体分为,信号发生、信号检测、信号处理及信号读出,等几个步骤相应的分析仪器则由,信号发生器、检测器、信号处理器与读出装置,等几部分组成,9,信号发生器,使样品产生(原始)分析信号，,检测器,则将原始分析信号转换为更易于测量的信号(如光电管将光信号转换为电信号)并加以检测，被检测信号经信号处理器放大、运算、比较等后由读出装置转变为被人读出的信号被记录或显示出来依据检测信号与材料的特征关系，分析、处理读出信号，即可实现材料分析的目的。,10,第二节 衍射分析方法概述,衍射分析方法是以,材料结构分析,为基本目的的现代分析方法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)，相干散射相干涉的结果衍射是材料衍射分析方法的技术基础。,衍射分析包括,x射线衍射分析、电子衍射分析及中子衍射分析,等方法。,11,一、x射线衍射分析,来源：,x射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干散射，同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉在某些方向上一致加强，即形成了品体的衍射波(线),衍射方向和衍射强度,是据以实现材料结构分析等工作的两个基本特征衍射方向以衍射角即入射线与衍射线的角2,表达，其与产生衍射晶面之晶面间距d，及入射线波长,的关系。即衍射产生的必要条件遵从布拉格方程,2dsin,12,多晶体的衍射方法：,多晶体x射线衍射分析基本方法为,衍射仪法与照相法,。照相法以光源(x射线管)发出的单色光(特征x射线)照射多晶体(圆柱形)样品，用底片记录产生的衍射线，用其轴线与样品轴线重合的圆柱形底片记录称为,德拜法,；用平板底片记录者称为,针孔法,较早的x射线分析多采用照相法，而德拜法是常用的照相法，一般称照相法即指德拜法，德拜法照相装置称德拜相机。,13,衍射仪法分析装置称衍射仪，由,光源、测角计、检测器(计数管)、辐射测量电路(信号处理器)及读出部分,组成。衍射仪法以单色光照射多晶体(平板)样品，检测器与样品台同步转动，扫描接收衍射线并转换为电脉冲信号，再经信号处理并记录或显示，得到(衍射强度)一2,曲线近年来衍射仪法己在绝大多数场合下取代了照相法，成为衍射分析的主要方法,14,粉磨不同时间的,-Al,2,O,3,的,XRD,图谱,15,单晶体的衍射方法：,单晶体X射线衍射分析的基本方法为,劳埃法与周转晶体法,劳埃法以光源发出的复合光即连续X射线照射置于样品台上不动的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线底片置于样品前方者称为,透射劳埃法,，底片处于光源与样品之间者称为,背射劳埃法,劳埃法照相装置称劳埃相机,周转晶体法以光源发出的单色光照射转动的单晶体样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线周转晶体法应用较少。,16,四圆衍射仪是近年来在综合衍射仪法与周转晶体法基础上发展起来的单晶体衍射方法，己成为单晶体结构分析的最有效方法四圆衍射仪由光源、样品台、检测器等部件构成，其特点是实现样品在空间3个方向的圆运动(转动)以及检测器的圆运动(转动)，前3个圆运动共同调节晶体样品的取向，后者保证衍射线进入检测器,17,x射线衍射分析方法的应用,18,二、电子衍射分析,电子衍射分析立足于运动电子束的波动性,入射电子被样品中各个原子弹性散射，被各原子弹性散射的电子(束)相互干涉，在某些方向上一致加强,，即形成了样品的电子衍射波,依据入射电子的能量大小，电子衍射可分为,高能电子衍射和低能电子衍射,，依据电子束是否穿透样品电子衍射可分为,透射式电子衍射与反射式电子衍射,19,高能电子衍射分析：,入射电子能量为,10200 kev,高能电子衍射方向和晶体样品中产生衍射晶面之晶面间距及电子入射波长(A)的关系即电子衍射产生的必要条件也由,布拉格方程,描述,由于原子对电子的散射能力远高于其对x射线的散射能力(约高10000倍以上)，电子穿透能力差，因而透射式高能电子衍射只适用于对,薄层样品(薄膜)的分析。,高能电子衍射的专用设备为电子衍射仪，但随着透射电子显微镜的发展，电子衍射分析多在透射电子显微镜上进行与x射线衍射分析相比，透射电子显微镜亡具有可实现样品选定,区域电子衍射,(选区电子衍射)并可实现,微区样品结构(衍射)分析与形貌观察相对应,的特点。,20,反射式高能电子衍射分析：,以高能电子照射,较厚固体样品,来研究分析其表面结构为获得表面信息，入射电子采用,掠射方式,即电子束以与样品表面夹角很小的方式照射样品表面，使弹性散射(衍射)发生在样品的近表面层反射式高能电子衍射仪由电子枪(信号源)、样品架及荧光屏等部分组成，在超高真空环境下工作,21,低能电子衍射:,以能量为,10一1000,(一般为10500)ev的电子(束)照射样品表面，产生电子衍射由于入射电子能量低，因而低能电子衍射给出的是,样品表面15个原子层的(结构)信息，,故低能电子衍射是分析晶体表面结构的重要方法，应用于,表面吸附,、,腐蚀、催化、外延生长、表面处理,等材料表面科学与工程领域。低能电子衍射来自样品表面原子的相干散射，故可将样品表面视为二维点阵。,22,x射线衍射与电子衍射分析方法的比较,23,电于衍射分析方法的应用,24,第三节 光谱分析方法概述,光谱分析方法是基于电磁辐射与材料相互作用产生的,特征光谱,波长与强度进行材料分析的方法光谱分析方法包括各种,吸收光谱,分析和,发射光谱,分析法以及,散射光谱分析,法,25,原子发射光谱分析(AES)：,以,直流电弧、交流电弧或高压火花,等为信号激发源，其能量使样品蒸发成气态原子，并将气态原子外层电子激发至高能态，处于,激发态的原子向低能级跃迁产生辐射,(发射光谱)，产生的辐射经过分光仪器分光，按波长顺序记录在感光板上，从而获得了按谱线形式表达的样品发射光谱图,26,定性分析：,由于每种元素均有各自的,特征谱线,，故依据获得的样品光谱因即可实现样品化学成分定性分析，即确定样品中有何种元素或由哪些元素组成定性分析经常采用样品光谱图和事先制备的“标准光谱图”进行比较的方法进行。,定量分析：,由于谱线,强度与样品中元素含量存在着一定的函数关系,，因而通过(采用测光仪)对各种特征谱线强度的测量即可确定样品中各元素的含量，从而实现样品化学组成的定量分析,27,原子吸收光谱分析(AAS),其分析仪器称为原子吸收分光光度计，由,信号源(光源)、原子化器、分光系统和检测系统,组成,信号源发射出含有待测元素特征谱线的光辐射；火焰或无火焰原子化器使样品待测元素离解转变为原子蒸气，气态原子选择性地吸收由信号源发出的,入射光辐射,，使入射光减弱；分光系统由被减弱的光辐射中分离出待测元素单色光即将检测元素的吸收分析线与其它辐射线分开；经检测器接收、转换、放大后记录或显示，即可获得样品中待测元素原子蒸气对入射光的吸光度。由于待,测元素吸光度与其含量成正比,故根据测得的吸光度可确定样品中持测元素的含量，即实现元素含量的,定量分析,28,原子荧光光谱分析(AFS),其分析仪器称为原子荧光光谱计。通过原子化器产生的样品原子蒸气被强光源发射的光辐射照射，原子外层电子产生荧光辐射；由分光系统(小光栅单色器或寸；涉滤光片)分离荧光经检测器接收、转换为电信号，再经放大并读出按分析原理，AFS属于,原子发射光谱法,。,29,紫外、可见(分子)吸收光谱分析：,其分析仪器称为紫外、可见分光光度计光源辐射的复合光经单色器色散(即使不同波长光分散开)成纯度很高的单色光作为样品的入射光，入射光通过置于样品池(或称吸收池，样品池应能透过有关辐射线，即对入射光“透明”)中的样品溶液，被选择性吸收而减弱后再被检测器(光电管或光电倍增管)检测，最后被显示或记录。按获得的吸收光谱(吸光度对波长的分布)实现样品定性或定量分析,30,红外(分子)吸收光谱分析(IR)：,其分析仪器称为红外分光光度计或红外光谱仪，红外分光光度计与紫外、可见分光光度计相似，也是由,光源、单色器、样品池、检测器和记录装置,等组成。,31,核磁共振波谱分析(NMR),其分析仪器称为核磁共振(波)谱仪，由,磁铁、探头、射频发生器、扫描发生器、接收器与记录仪,等部件组成磁铁提供稳定、均匀的强外磁场，射频发生器产生的射频源信号向样品辐射；扫描发生器以,扫场方式,(保持频率恒定，线性地改变磁场，相当于在强外磁场上叠加线性变化的小磁场)或,扫频方式,(保持磁场恒定，线性地改变频率)扫描，当满足一定关系时，样品发生核磁共振,32,拉曼光谱分析：,是一种散射光谱分析法由于激光具有,单色性好、方向性好、亮度高,等特点，因而以激光为光源的激光拉曼光谱分析已成为材料分析的重要方法。激光拉曼光谱仪由,激光光源、样品池、单色器、检测器、信号处理与读出系统,等部分组成，。光源发出的激光束(单色光)经反射镜和透镜照射到样品上，样品产生的拉曼散射经单色器分光后由检测器接收、转换为电信号，再经信号处理后由记录仪记录，得到样品拉曼光谱图激光光源多采用连续式气体激光器，如HeNe激光器、Ar离子激光器等,33,光谱分析方法的应用,34,35,第四节 电子能谱分析方法概述,电子能谱分析法是基于光子(电磁辐射)或运动实物粒子(电子、离子、原子等)照射或轰击材料(原子、分了或固体)产生的电子能谱(电子产额对能量的分布)进行材料分析的方法。,电子能谱分析方法主要类型光电子能谱(x射线光电子能谱与紫外光电子能谱)分析与俄歇电子能谱分析是已经得到广泛应用是重要电子能谱分析方法,36,光电子能谱分析仪：,由,光源、样品室、能量分析器及信号处理与记录系统,组成.,样品室保持在超高真空，光源发射的x射线或紫外线照射安装在样品架上的样品致其光电离，发射的光电子进入能量分析器按能量分类后由检测器接收，再经放大、甄别、整形并由记录仪记录，获得光电子能谱,现代光电子能谱仪的运行、数据采集和信息处理均由计算机控制完成,37,俄歇电子能谱仪,由,光源、样品室、能量分析器、信号处理与记录系统,组成。,电子激发俄歇能谱仪以电子枪发射,电子为激发源,，多采用镜简分析