材料分析理论与方法1-绪论

办公室：微电楼314电话：83206669,13880660992e-mail：[e-mail]办公室：办公室：微电楼微电楼314314电电话：话：83206669,1388066099283206669,13880660992ee--mailmail：：[e-mail]@uestc.edu.cn讲授：包生祥讲授：包生祥材料分析理论与方法材料分析理论与方法电子薄膜与集成器件国家重点实验室电子薄膜与集成器件国家重点实验室绪论扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜镜(TEM)电子探针（EPMA）扫描探针显微镜（SPM）俄歇电子能谱（AES）X-射线光电子能谱（XPS）X-射线衍射(XRD)绪论绪论扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)(SEM)透射电子显微镜镜透射电子显微镜镜(TEM)(TEM)电子探针（电子探针（EPMAEPMA））扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPMSPM））俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AESAES））XX--射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPSXPS））XX--射线衍射射线衍射(XRD)(XRD)本课程主要讲授内容：绪论1材料分析技术在材料科学中的作用2材料分析技术的基本特点3材料分析技术的基本原理4材料分析技术的分类5材料分析技术的学术作用66现代材料分析技术简介‰现代分析技术为人们认识材料微区微观结构、研究微观机理、促进新材料发现和材料优化设计方面发挥着重要作用.开展前瞻性、先导性、深入系统的基础研究更是离不开更精密更灵敏更先进的分析检测手段。‰材料的宏观性能是由材料的组成、表面界面特性和微观结构所决定的。新材料研制、微区结构和性能研究,新现象、新效应和新机理发现和新模型建立,都是建立在大量微观检测数据基础上的,都需要分析表征技术作为支撑。‰‰现代分析技术为人们认识材料微区微观结构、研究微现代分析技术为人们认识材料微区微观结构、研究微观机理、促进新材料发现和材料优化设计方面发挥着观机理、促进新材料发现和材料优化设计方面发挥着重要作用重要作用..开展前瞻性、先导性、深入系统的基础研究开展前瞻性、先导性、深入系统的基础研究更是离不开更精密更灵敏更先进的分析检测手段。更是离不开更精密更灵敏更先进的分析检测手段。‰‰材料的宏观性能是由材料的组成、表面界面特性和微材料的宏观性能是由材料的组成、表面界面特性和微观结构所决定的。新材料研制、微区结构和性能研究观结构所决定的。新材料研制、微区结构和性能研究,,新现象、新效应和新机理发现和新模型建立新现象、新效应和新机理发现和新模型建立,,都是建立都是建立在大量微观检测数据基础上的在大量微观检测数据基础上的,,都需要分析表征技术作都需要分析表征技术作为支撑。为支撑。1材料微观分析技术的作用—没它你能看见吗？‰忽视现代微观分析技术的作用的后果——对材料的介观特性和微观机理认识不深，致使我国信息材料研究长期以来处于落后状态发达国家用于新一代电子装备的关键电子材料研究无论是广度或深度都很高，其电子信息材料从基础研究到装备应用都集成了多学科、多门类材料技术的成果，并得到了“技术群”的支持。现代分析方法是其中重要技术之一。我国电子信息功能材料“基础薄弱，创新不足”，已经成为制约民族信息产业发展的“瓶颈”环节。除了投入不足外，“机理不清，瞎子摸象”，忽视微观分析技术的作用是造成我国与先进国家存在较大差距的主要原因之一。。‰‰忽视现代微观分析技术的作用的后果忽视现代微观分析技术的作用的后果————对材料的对材料的介观特性和微观机理认识不深，致使我国信息材料介观特性和微观机理认识不深，致使我国信息材料研究长期以来处于落后状态研究长期以来处于落后状态发达国家用于新一代电子装备的关键电子材料研究无论发达国家用于新一代电子装备的关键电子材料研究无论是广度或深度都很高，其电子信息材料从基础研究到装备应是广度或深度都很高，其电子信息材料从基础研究到装备应用都集成了多学科、多门类材料技术的成果，并得到了用都集成了多学科、多门类材料技术的成果，并得到了““技术技术群群””的支持。现代分析方法是其中重要技术之一。的支持。现代分析方法是其中重要技术之一。我国电子信息功能材料我国电子信息功能材料““基础薄弱，创新不足基础薄弱，创新不足””，已经成，已经成为制约民族信息产业发展的为制约民族信息产业发展的““瓶颈瓶颈””环节。除了投入不足外，环节。除了投入不足外，““机理不清，瞎子摸象机理不清，瞎子摸象””，忽视微观分析技术的作用是造成我，忽视微观分析技术的作用是造成我国与先进国家存在较大差距的主要原因之一。国与先进国家存在较大差距的主要原因之一。。。1材料微观分析技术的作用—避免瞎子摸象！例例1:1:美国美国FerroFerro公司公司X7RX7R电容器陶瓷材料成份配方解剖电容器陶瓷材料成份配方解剖‰‰按专利说明书所述配方和工艺不能成功按专利说明书所述配方和工艺不能成功‰‰日本京都陶瓷等进行的配方分析研制不成功日本京都陶瓷等进行的配方分析研制不成功‰‰本中心分析出准确配方，促进了电容器瓷料的研制。本中心分析出准确配方，促进了电容器瓷料的研制。1材料微观分析技术的作用—让实践告诉你学习分析技术的必要性前已述及，这里列举分析技术在材料的研制和生产中的几个应用实例。例2：铌镁酸铅独石电容器不稳定性原因分析失效现象：放在大气下(因吸潮),绝缘电阻下降.SEM显微分析：材料结构疏松、空隙多（如炭花状）例例22：铌镁酸铅独石电容器不稳定性原因分析：铌镁酸铅独石电容器不稳定性原因分析失效现象：放在大气下失效现象：放在大气下((因吸潮因吸潮),),绝缘电阻下降绝缘电阻下降..SEMSEM显微分析：材料结构疏松、空隙多（如炭花状显微分析：材料结构疏松、空隙多（如炭花状））结合工艺，找出原因为:因温控系统失灵,致使烧结温度过高,造成铌镁酸铅材料的铅挥发,形成疏松结构和空隙,容易吸潮。解决措施：更换温控系统、严格控制烧结温度，产品质量恢复正常。例3．焊料附着力差的原因分析‰在金属电极和引线焊接中焊料、喷金料与其二者之间的附着力是影响薄膜电容器可靠性的关键因素。‰根据工厂的要求，对“贯国军标线”所用的焊接质量好和差的焊料焊料、喷金料进行了X-射线荧光成分分析，并与技术标准进行了对比。‰分析结果表明(见下表)：焊接效果好的样品符合技术标准，而附着力差的样品则不符。例例33．焊料附着力差的原因分析．焊料附着力差的原因分析‰‰在金属电极和引线焊接中焊料、喷金料与其二者在金属电极和引线焊接中焊料、喷金料与其二者之间的附着力是影响薄膜电容器可靠性的关键因之间的附着力是影响薄膜电容器可靠性的关键因素。素。‰‰根据工厂的要求，对根据工厂的要求，对““贯国军标线贯国军标线””所用的焊接质所用的焊接质量好和差的焊料焊料、喷金料进行了量好和差的焊料焊料、喷金料进行了XX--射线荧光射线荧光成分分析，并与技术标准进行了对比。成分分析，并与技术标准进行了对比。‰‰分析结果表明分析结果表明((见下表见下表))：焊接效果好的样品符合：焊接效果好的样品符合技术标准，而附着力差的样品则不符。技术标准，而附着力差的样品则不符。电子科技大学材料分析中心X-射线荧光定量分析报告送样单位：715厂三分厂分析者：包生祥锡锌丝分析结果（%）⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯No.产地SnZnPbSbCu316-2云锡37.14.8156.60.900.1316-3川冶所39.32.9855.30.910.71技术标准40±12.5±0.8余量0.8+0.40.6±0.3⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯锡铅焊料分析结果（%）⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯No.产地SnPb316-4云锡36.91.92技术标准40±11.5—2⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯电子科技大学材料分析中心X-射线荧光定量分析报告送样单位：715厂三分厂分析者：包生祥锡锌丝分析结果（%）⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯No.产地SnZnPbSbCu316-2云锡37.14.8156.60.900.1316-3川冶所39.32.9855.30.910.71技术标准40±12.5±0.8余量0.8+0.40.6±0.3⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯锡铅焊料分析结果（%）⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯No.产地SnPb316-4云锡36.91.92技术标准40±11.5—2⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯磁参量ABCBr10900102009700HcJ≥25000≥2500012000HcB1020094007500(BH)max2824.519.2从表列性能可见：A最好，B次之，C最差。编号为A、B和C的三个样品均为Sm/Co永磁材料，采用同种工艺制备而得，但是其磁性能却存在很大差异例4．造成Sm/Co永磁材料性能差异的原因分析1）断面显微结构观察:A较平整,孔洞比较少;C孔洞大且多,B介于A和C之间.孔洞局部放大，可见到孔洞中晶粒析出。CBA2)正常部位和析出颗粒的成分样品编号ABC氧含量0.180.220.523)三样品氧含量测定(体成分)113.23.215.815.87.27.24949.0.024.224.2正常区正常区0033--4415.015.066--7750.050.025.025.0配配方方25.625.62.82.80.20.20.20.24.44.464.564.5颗颗粒粒OOZrZrFeFeCuCuCoCoSmSm区域区域以上分析表明：正常部位成分接近配方，颗粒成分以Sm的氧化物为主（非磁性相）。4)样品中的成分分布（均匀性）分析结论：‰三样品断面形貌中，孔洞密度C最高，B次之，A最少；‰孔洞中析出晶粒为富Sm和O，贫Cu和Fe的非磁性相;‰Sm的氧化析出，是导致材料的磁性能下降的主要原因。1材料微观分析技术的作用—总而言之…宏观性能组成与微结构工艺研究分析眼睛表征技术现代材料分析技术是：材料与元器件研究必不可少的手段梁桥‰微区性：采用聚焦电子束等,可分析nm~μm的微区随着器件的微型化和集成化，器件的工作单元进入亚微米级甚至纳米级。因此了解微区缺陷，形貌，成分以及各种电磁光、声、热等特性，成为材料研究的重要课题。‰表面(界面)性：表面分析技术可达到一到几个原子层的表面信息。①器件表面或界面往往与整体特征存在很大区别。例如：单晶硅片表面与空气接触，可以在最表面生成氧化物，用表面分析技术（XPS、AES等）可以分析出表层氧化物的存在状态等信息。②多层膜材料及其器件中存在大量界面。‰‰微区性：采用聚焦电子束等微区性：采用聚焦电子束等,,可分析可分析nmnm~~μμmm的微区的微区随着器件的微型化和集成化，器件的工作单元进入亚随着器件的微型化和集成化，器件的工作单元进入亚微米级甚至纳米级。因此了解微区缺陷，形貌，成分以及微米级甚至纳米级。因此了解微区缺陷，形貌，成分以及各种电磁光、声、热等特性，成为材料研究的重要课题。各种电磁光、声、热等特性，成为材料研究的重要课题。‰‰表面表面((界面界面))性：表面分析技术可达到一到几个原子性：表面分析技术可达到一到几个原子层的表面信息。层的表面信息。①器件表面或界面往往与整体特征存在很大区别。①器件表面或界面往往与整体特征存在很大区别。例如：单晶硅片表面与空气接触，可以在最表面生成氧例如：单晶硅片表面与空气接触，可以在最表面生成氧化物，用表面分析技术（化物，用表面分析技术（XPSXPS、、AESAES等）可以分析出表层氧等）可以分析出表层氧化物的存在状态等信息。化物的存在状态等信息。②多层膜材料及其器件中存在大量界面。②多层膜材料及其器件中存在大量界面。2现代分析技术的特点2现代分析技术的特点‰无损：试样经过分析后，不被破坏其外观和性能，仍可继续做其它分析,这对于产品检测或贵重不易获得的样品很重要。显微镜类分析技术如SEM,TEM，SPM等，和X