材料分析测试技术8

•目前最常用的能谱仪是Si(Li)X射线能谱仪。其关键部件是Si(Li)检测器即锂漂移硅固态检测器（结构示意图见P162图2-94）。•Si(Li)探测器要始终处在真空中，探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷指内，日常保养麻烦费用较高。能谱仪（EDS）Si(Li)能谱仪的优点▲分析速度快，几分钟内即可分析和确定样品中含有的所有元素。分析范围为11Na～92U的所有元素。▲灵敏度高。▲谱线重复性好，适于粗糙表面的分析工作。Si(Li)能谱仪的缺点•能量分辨率低，峰背比低。•工作条件要求严格。Si(Li)探头始终保持在液氮中，即使不工作也不能中断，否则将导致探头功能下降甚至完全破坏。不过现代能谱仪已对此作了很大改进，无需使探头一直处在液氮中，只是使用时加液氮保护探头即可。工作原理：在电子探针中，X射线由样品表面下微米数量级的作用体积中激发出来，若该体积中的样品由多种元素组成，则可激发各元素的特征X射线。被激发的X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光（即色散），不同波长的X射线在各自满足Bragg方程的2θ方向上被检测器接收。波谱仪（WDS）■WDS的结构:由分光晶体、X射线探测器和相应的机械转动装置组成。■分光晶体：是专门用来对X射线起分光作用的晶体，它具有高的衍射效率、强的反射能力和好的分辨率。每种晶体只能色散一段范围波长的X射线，只适用于一定原子序数的元素分析。常见的分光晶体及其应用范围见P160表2-7。■X射线探测器：WDS中使用的探测器和XRD中使用的一样。WDS和EDS的比较操作特性WDSEDS分析元素范围Z≥4Z≥11分辨率高低分析精度±1～5%≤±5%对表面要求平整,光滑粗糙表面也适用分析速度慢快谱失真少多最小束斑直径～200nm～5nm探测极限0.01～0.1％0.1～0.5％使用范围精确的定量分析适合于与SEM配合使用WDS和EDS的比较EPMA分析方法定点定性分析定点定量分析EPMA有四种分析方法线扫描分析面扫描分析＊定性分析：利用WDS将样品发出的X射线展成谱,记下其波长,根据波长表确定样品中所含元素。＊定量分析：既记录样品发射的X射线的波长，还记录其强度，将强度与标样对比确定元素的含量。＊定点分析：对样品表面选定微区作定点全谱扫描，进行定性或定量分析。＊线扫描分析：电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行定性或定量分析。＊面扫描分析：电子束在样品表面作光栅式面扫描，获得元素分布的扫描图像。♣线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫化是十分有效的。在有关扩散现象的研究中，电子探针比剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更有效。♣在一幅X射线扫描像中，亮区代表元素含量高，灰区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量很低或不存在。作业1、EPMA和普通化学分析方法均能分析样品中的化学成分，请问二者所分析的化学成分表示的意义是否相同？为什么？2、EDS和WDS的全名称分别叫什么？二者分析的化学元素的范围分别是什么？3、EPMA常用的四种基本分析方法各是什么？在面扫描分析图象中，亮区、灰区、黑区分别代表什么意义？•分析电子显微镜简称AFM，是一种能对材料微区形貌、晶体结构和化学成分进行综合分析的电子显微镜。•AFM可按TEM、SEM、STEM三种方式成像。•AFM可像TEM一样进行电子衍射来进行晶体结构分析，可像SEM一样进行图像处理，还可与能谱仪一起进行微区成分分析。•AFM集SEM、TEM的功能于一身，有其优点，但结构复杂、价格昂贵，其发展仍受到限制。2.7分析电子显微镜（简介）•扫描隧道显微镜简称STM，是新型的表面分析仪器，是1982年，由G.Binnig和H.Rhrer等人发明的，该发明于1986年获诺贝尔奖。•STM的原理：STM以原子尺度的极细探针及样品作为电极，当针尖与样品非常接近时（约1nm），就产生隧道电流。通过记录扫描过程中，针尖位移的变化，可得到样品表面三维显微形貌图。2.8扫描隧道显微镜（简介）•STM的特点：1、具有原子级高分辨率，可分辨出单个原子，分辨率可以达到横向≤0.1nm，纵向≤0.01nm；2、可实时得到样品表面三维图像；3、可在真空、大气、高温、常温等不同环境下工作；4、不仅可作为表面分析的手段用来研究表面性质，还可作为一种表面加工手段在纳米尺度上对各种表面进行刻蚀与修饰，实现纳米加工；5、相对于TEM其结构简单，成本低廉。STM的应用：STM对样品的尺寸形状无任何限制，不破坏样品的表面结构。广泛应用于材料、物理、化学、生物等学科领域，用以研究固体表面结构及其在物理、化学过程中的变化，揭示材料表面原子尺度的结构及变化规律。主要用于金属、半导体和超导体的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析。可以原位观察材料表面发生吸附的过程、外延生长的过程、催化反应的过程和相变的过程，以促进深入认识化学反应的原理和物理相互作用的本质。还可在观察分析表面结构的同时，对表面进行刻蚀、诱导沉积或搬动原子或分子，进行纳米加工，由此产生的一种新技术——原子技术或原子工艺，以实现人为地改变材料表面结构或制造人工分子。其缺点主要是不能直接分析陶瓷等绝缘体样品。•原子力显微镜简称AFM，它是以STM为基础，也由G.Binnig发明，主要是针对STM不能用于绝缘体的检测和分析的缺点于1986年发明的。•1988年初，中国科学院化学所白春礼等人成功地研制了国内第一台STM，同年又研制出了我国第一台AFM。•AFM也是一种表面分析仪器，它不仅可以获得导体、半导体以及绝缘体表面的原子级分辨率图像，还可以测量、分析样品表面纳米级力学性质如表面原子间力、表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等。2.9原子力显微镜（简介）AFM的应用非常广泛。已经获得了导体和绝缘体在内的许多不同材料的原子级分辨率图象；在摩擦学中的应用将进一步促进纳米摩擦学的发展，在纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳米摩擦化学反应和机电纳米表面加工等方面得到应用，可以实现纳米级尺寸和纳米级微弱力的测量，可以获得相界、分形结构和横向力等信息的空间三维图象；AFM已成功应用于现场电化学研究，可在电化学环境下，在AFM的作用下，可在材料表面均匀地产生大量金属纳米颗粒，诱导硅的局部刻蚀、增强导电聚合物的局域聚合等。AFM的工作环境可以多样化。既可在真空中，也可在大气中；既可在气体氛围中，也可进行湿度控制；既可加热样品，也可冷却样品；既可对样品进行气体喷雾，也可在溶液中观察样品。AFM适用于所有材料。和STM一样，能观察分析表面结构，可进行表面微硬度、黏着力、磁力、静电力等的测量，可进行原子和分子的操纵、修饰和加工，设计和创造新的结构和物质。材料学院原子力显微镜简介1.显微镜概况•（1）型号：SPI3800N/SPA400•（2）厂家：日本精工(SIINanoTechnologyInc.)设备平面图SPM简介SPM（ScanningProbeMicroscope）是扫描探针显微镜的缩写，是一个大的种类。目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜。例如STM（ScanningTunnelingMicroscope）、AFM（AtomicForceMicroscope）、MFM（MagneticForceMicroscope）、EFM（ElectrostaticForceMicroscope）等等。原子力显微镜工作原理•AFM是SPM最重要的发展。•它的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖（常为氮化硅制成），针尖与样品表面轻轻接触，通过尖锐针尖与样品的作用力来检测样品表面的形貌。利用光学检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。原子力显微镜工作原理示意图本设备测试模式：•1.接触式测量（AFM）主要用于表面相对比较光滑和硬度相对大的物体，在测试物体表面形貌的同时，可兼测物体表面的摩擦系数分布情况。•2.敲击式测量（DFM）主要用于表面相对比较粗糙的物体，尤其适用于粘弹性大的物体。•3.磁性敲击式（MFM）在测样品表面形貌的同时，还可以测出表面磁道或磁畴分布状况。云母扫描图片光栅扫描图片镀膜层扫描图片SiO2粉体分散在云母片上的扫描图片SiO2/TiO2分散在玻片上的扫描图片