第八章表面分析第8章表面分析和表面性能的檢測(cè)

表面分析表面性能檢測(cè)

表面分析儀器8.1表面分析8.1.18.1.2表面分析分類概述8.1.1概述表面分析與表征研究，包括對(duì)各種表面形貌、表面層顯微組織、表面層的晶體結(jié)構(gòu)、表面層的化學(xué)成分與成分分布、表面原子態(tài)與表面電子態(tài)等的分析。這些分析對(duì)表面工程的設(shè)計(jì)、制造、研究和使用都是極為重要的。表面分析測(cè)試是以獲得固體表面(包括薄膜、涂層)成分、組織、結(jié)構(gòu)及表面電子態(tài)等信息為目的的試驗(yàn)技術(shù)和方法。

基于電磁輻射和運(yùn)動(dòng)粒子束(或場(chǎng))與物質(zhì)相互作用的各種性質(zhì)對(duì)現(xiàn)代表面分析方法分類：電子顯微分析

衍射分析

掃描探針?lè)治鲭娮幽茏V分析

光譜分析

離子質(zhì)譜分析

分析方法8.1.2表面分析分類

依據(jù)表面性能的特征和所要獲取的表面信息的類別，表面分析可分為：表面形貌分析、表面成分分析、表面結(jié)構(gòu)分析、表面電子態(tài)分析和表面原子態(tài)分析等幾方面。同一分析目的可能有幾種方法可采用，而各種分析方法又具有自己的特性(長(zhǎng)處和不足)。因此，必須根據(jù)被測(cè)樣品的要求來(lái)正確選擇分析方法。

1．表面形貌分析

材料及表面層形貌分析，主要由各種微細(xì)物相放大成像的顯微鏡來(lái)完成。高分辨率電子顯微鏡(HRTEM)掃描隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡(AFM)場(chǎng)離子顯微鏡等(FIM)

它們已達(dá)到原子分辨能力，可直接在顯微鏡下觀察到表面原子的排列。這樣不但能獲得表面形貌的信息，而且可進(jìn)行真實(shí)晶格的分析。

幾種常用表面成分分析方法的特點(diǎn)與比較2．表面成分分析表面成分分析包括測(cè)定表面元素組成及元素在表面與沿縱向深度分布、表面元素的化學(xué)態(tài)等。名稱原理、方法用途俄歇電子能譜儀（AES）測(cè)定俄歇電子的動(dòng)能來(lái)鑒別元素測(cè)定除H、He以外的Li~U元素電子探針儀（EPMA）由特征X射線能量測(cè)定元素及分布（微區(qū)）微區(qū)元素鑒定B-U離子探針（SIMA或IMA）濺射離子的能量分布，質(zhì)荷比鑒定元素及同位素表面形貌全元素（包括H，He）定性分析X射線熒光譜儀XRFS由特征X射線能量鑒定宏觀元素宏觀元素鑒定一般Na-UX射線光電子譜儀XPS基于愛(ài)因斯坦的光電理論，測(cè)定原子內(nèi)殼逸出的光電子動(dòng)能及位移，鑒定元素及價(jià)態(tài)>He元素，表面吸附和電子結(jié)構(gòu)，測(cè)定化學(xué)價(jià)態(tài)電子能量損失譜儀（EELS）測(cè)定電子能量損失譜進(jìn)行元素分析測(cè)定Li-U元素，化學(xué)狀態(tài)和原子排列結(jié)構(gòu)3．表面結(jié)構(gòu)分析固體表面結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)是探知表面晶體的原子排列、晶體大小、晶體取向、結(jié)晶對(duì)稱性以及原子在晶胞中的位置等晶體結(jié)構(gòu)信息。此外，外來(lái)原子在表面的吸附、表面化學(xué)反應(yīng)、偏析和擴(kuò)散等也會(huì)引起表面結(jié)構(gòu)的變化，諸如吸附原子的位置、吸附模式等也是表面結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容。表面結(jié)構(gòu)分析主要采用衍射方法有X射線衍射、電子衍射、中子衍射等。其中的電子衍射特別是低能電子衍射(LEED），入射電子能量低和反射式高能電子衍射(RHEED)，入射電子束以掠射的方式照射試樣表面，使電子彈性散射發(fā)生在近表面層，給出的是表層或近表層的結(jié)構(gòu)信息，是表面結(jié)構(gòu)分析的重要方法。

4．表面電子態(tài)分析

固體表面由于原子的周期排列在垂直于表面方向上中斷以及表面缺陷和外來(lái)雜質(zhì)的影響，造成表面電子能級(jí)分布和空間分布與固體體內(nèi)不同。表面的這種不同于體內(nèi)的電子態(tài)(附加能級(jí))對(duì)材料表面的性能和發(fā)生在表面的一些反應(yīng)都有著重要的影響。研究表面電子態(tài)的儀器主要有X射線光電子能譜(XPS)和紫外光光電子能譜(UPS)。X射線光電子能譜測(cè)定的是被光輻射激發(fā)出的軌道電子，是現(xiàn)有表面分析方法中能直接提供軌道電子結(jié)合能的惟一方法；紫外線光電子能譜通過(guò)對(duì)光電子動(dòng)能分布的測(cè)定，獲得表面有關(guān)價(jià)電子的信息。XPS和UPS已廣泛用于研究各種氣體在金屬、半導(dǎo)體及其他固體材料表面上的吸附現(xiàn)象，還用于表面成分分析。5．表面原子態(tài)分析

表面原子態(tài)分析主要是對(duì)表面原子或吸附粒子的吸附能、振動(dòng)狀態(tài)以及它們?cè)诒砻娴臄U(kuò)散運(yùn)動(dòng)等能量或勢(shì)態(tài)。通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)獲得材料表面許多諸如吸附狀態(tài)、吸附熱、脫附動(dòng)力學(xué)、表面原子化學(xué)鍵的性質(zhì)以及成鍵方向等信息。表面原子態(tài)分析使用的主要有熱脫附譜(TDS)、光子和電子誘導(dǎo)脫附譜(EDS和PSD)、紅外吸收光譜(IR)和拉曼散射光譜(RAMAN)等。

8.2表面分析儀器

通常把一個(gè)或幾個(gè)原子厚度的表面稱為“表面”，而厚一些表面稱為“表層”。許多實(shí)用表面技術(shù)所涉及的表面厚度常為微米級(jí)，因此本節(jié)介紹的某些表面分析儀器和測(cè)試技術(shù)是包括表面和表層兩部分的分析和測(cè)試。

8.2.1顯微分析儀器

由于受到波長(zhǎng)的限制，光學(xué)顯微鏡的分辨率和最大放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求。隨著科技的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一系列高分辨本領(lǐng)的顯微分析儀器，其中有以電子束特性為技術(shù)基礎(chǔ)的電子顯微鏡(透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等)；以電子隧道效應(yīng)為技術(shù)基礎(chǔ)的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等；以場(chǎng)離子發(fā)射為技術(shù)基礎(chǔ)的場(chǎng)離子顯微鏡和以場(chǎng)電子發(fā)射為技術(shù)基礎(chǔ)的場(chǎng)發(fā)射顯微鏡等。這些新型的顯微鏡不但其分辨本領(lǐng)大大提高，可以達(dá)到原子尺度水平(約0.1nm)，更值得一提的是，它們?cè)讷@得高分辨圖像的同時(shí)還可獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他信息，即當(dāng)附加其他信息探測(cè)、分析器后，便可兼?zhèn)涠喾N分析功能(如圖像顯示、結(jié)構(gòu)分析和成分分析等)。電子被加速到100keV時(shí)，其波長(zhǎng)僅為0.37nm，為可見(jiàn)光的十萬(wàn)分之一左右，因此用電子束來(lái)成像，分辨本領(lǐng)大大提高?，F(xiàn)在電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)可高達(dá)0.2nm左右。

在高真空密封體內(nèi)裝有電子槍、電磁透鏡（雙聚光鏡、物鏡、中間鏡及投影鏡）、樣品室和觀察屏（底片盒）等。電子槍由陰極（燈絲）、柵極和陽(yáng)極組成，電子槍發(fā)出的高速電子經(jīng)聚光鏡后平行射到試樣上。穿過(guò)試樣而被散射的電子束、經(jīng)物鏡、中間鏡和投影鏡三級(jí)放大，在熒光屏上成像。圖8-1TEM構(gòu)造原理和光學(xué)系統(tǒng)實(shí)線：中間鏡物平面與物鏡像平面重合時(shí)觀察到顯微圖像虛線：中間鏡物平面與物鏡背焦面重合時(shí)觀察到電子衍射譜

1．透射式電子顯微鏡（TEM）

圖8-2為掃描電鏡的原理圖，由電子槍發(fā)出的電子束，依次經(jīng)兩個(gè)或三個(gè)電磁透鏡的聚焦，最后投射到試樣表面的一小點(diǎn)上。末級(jí)透鏡上面的掃描線圈使電子束掃描變成光柵式掃描。在電子束的轟擊下，試樣表面被激發(fā)而產(chǎn)生各種信號(hào)：反射電子、二次電子、陰極發(fā)光光子、導(dǎo)電試樣電流、吸收試樣電流、X射線光子、俄歇電子、透射電子。這些信號(hào)是分析研究試樣表面狀態(tài)及其性能的重要依據(jù)。利用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器接受信號(hào)，經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，再經(jīng)放大，用調(diào)制同步掃描的陰極射線管的光束亮度，于是在陰極射線管的熒光屏上構(gòu)成了一幅經(jīng)放大的試樣表面特征圖像，以此來(lái)研究試樣的形貌、成分及其他電子效應(yīng)。2．掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電子顯微鏡的成像原理是利用聚焦的電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)調(diào)制成像。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是景深長(zhǎng)，視場(chǎng)調(diào)節(jié)范圍寬，制備樣品簡(jiǎn)單，可直接觀察試樣，對(duì)各種信息檢測(cè)的適應(yīng)性強(qiáng)，分辨率可達(dá)3~4nm，放大倍數(shù)從數(shù)倍到20~80萬(wàn)倍。

圖8-2掃描電鏡原理圖圖8-3STM原理圖3、掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）

STM是1981年由Gerd.Binnig等發(fā)明的一種新型表面分析儀器。STM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高，可在真空、大氣或液體環(huán)境下應(yīng)用。用來(lái)研究各種金屬、半導(dǎo)體、生物樣品的形貌，也可研究表面沉積、表面擴(kuò)散，表面粒子成核和生長(zhǎng)、吸附和脫附等物理或化學(xué)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。圖8-3所示為STM工作原理，是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)具有原子尺寸的導(dǎo)體尖針接近樣品表面（間距小于1nm），使尖針上的電子波函數(shù)與樣品表面的電子波函數(shù)產(chǎn)生交疊時(shí)，夾在針尖和樣品間的偏壓，將使電子穿過(guò)他們之間的勢(shì)壘形成隧道電流。如保持隧道電流恒定，使針尖在樣品表面作為光柵式掃描，同步地采集針尖的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后在屏幕上顯示出來(lái)，即可獲得樣品表面的三維圖像。STM與其他表面分析儀比較，具有以下特點(diǎn)：①能在原子級(jí)分辨率水平上觀察樣品的三維表面結(jié)構(gòu)。②可適用于多種探測(cè)環(huán)境，可在真空、大氣、溶液及常溫、低溫條件下獲得分辨率很高的圖像。③體積小，成本低。但是STM也存在局限性：①只能用于觀察表面，不能探測(cè)樣品的滲層信息；②要求觀察的樣品必須具有一定的導(dǎo)電性。為了克服STM的缺點(diǎn)，1986年Gerd.Binnig發(fā)明了原子力顯微鏡（AFM）。AFM不需要加偏壓，故適用于所有材料，應(yīng)用更為廣泛。圖8-4AFM結(jié)構(gòu)原理圖

A-AFM樣品；B-AFM針尖；C-STM針尖（Au）；D-微杠桿，同時(shí)又是STM樣品；E-調(diào)制用壓電晶體；F-氟橡膠圖8-4是Binnig提出的AFM原理圖。指針輪廓儀利用針尖，通過(guò)杠桿（或彈性元件）把針尖輕輕壓在待測(cè)樣品表面上，使其作光柵掃描。針尖隨著面的凹凸作起伏運(yùn)動(dòng)，用光學(xué)或電學(xué)方法測(cè)量起伏位移隨位置的變化，獲得表面三維輪廓圖。圖8-5掃描透射電子顯微鏡的原理圖

（帶有電子能量損失譜裝置）

4．掃描透射電鏡（STEM）和分析電子顯微鏡（AEM）

將掃描電子技術(shù)應(yīng)用到透射電子顯微鏡，形成了掃描透射電子顯微鏡（STEM），在此基礎(chǔ)上結(jié)合能量分析和各種能譜儀就構(gòu)成了分析電子顯微（AEM）。

STEM可以觀察較厚樣品和低襯度樣品。在樣品以下設(shè)有成像透鏡，電子經(jīng)過(guò)較厚樣品所引起的能量損失不會(huì)形成色差，而得到較高的圖像分辨率。當(dāng)分辨率相仿時(shí)，STEM觀察的厚度可以是TEM的2~3倍。利用樣品后接能量分析器，樣品厚度可以分別收集和處理彈性散射和非彈性散射電子，從而形成一種新的襯度源（原子序數(shù)）襯度，用這種方法可以觀察到單個(gè)原子。還因?yàn)镾TEM中單位時(shí)間內(nèi)打到樣品上的總電流很小，通常為10-10~10-12A(常規(guī)透射電鏡中約為10-5~10-7A)，所以電子束引起的輻射損傷也較小。利用場(chǎng)發(fā)射電子槍的較高亮度（比發(fā)卡形鎢絲的高3~4個(gè)數(shù)量級(jí)），照射到樣品上的電子束直徑可減少到0.3~0.5nm，因此分到辨率可達(dá)0.~0.5nm。

5．場(chǎng)離子顯微鏡（FIM）

場(chǎng)離子顯微鏡的技術(shù)基礎(chǔ)是場(chǎng)電離．在強(qiáng)電場(chǎng)作用下僅靠金屬表面的氣體原子通過(guò)量子力學(xué)隧道效應(yīng)，失去電子變?yōu)檎x子的現(xiàn)象稱為場(chǎng)電離。場(chǎng)離子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)如圖8-6所示，由超高真空室、冷卻試樣液氦致冷頭、穩(wěn)壓高壓電源、像增強(qiáng)系統(tǒng)、成像氣體供給系統(tǒng)等組成。試樣為極細(xì)針尖（例如用單晶細(xì)絲，通過(guò)電解拋光等方法得到），尖端曲率半徑約為20~50nm，并用液氮、液氫或液氦冷卻至深低溫，以減少原子的熱振動(dòng)，使原子的圖像穩(wěn)定可辨。試樣上施加數(shù)千伏正電壓時(shí)，尖端局部電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)30~50V/nm。此時(shí)靠近樣品的成像氣體原子（例如隋性氣體氖和氦）由于隧道效應(yīng)而被離化為正離子，沿表面法線成像原理向熒光屏產(chǎn)生場(chǎng)離子像。圖8-7為FIM成像原理示意圖，平行排列的原子面在近似為半球形的試樣尖端表面形成許多臺(tái)階，此處場(chǎng)強(qiáng)最大，成像氣體電離幾率也最大，因而形成亮點(diǎn)。圖中畫影線的原子將成像，它們?cè)谄辽纤傻南衩枥L了臺(tái)階處原子的行為。退火純金屬的場(chǎng)離子像由許多形成同心圓的亮點(diǎn)構(gòu)成，每組同心圓即為某晶面族的像。FIM放大倍數(shù)約為一百萬(wàn)倍，能分辨單個(gè)原子，觀察到表面原子排列。應(yīng)用場(chǎng)蒸發(fā)逐層剝離原子可得到顯微組織的三維圖像。局限性是視野太小，要求被觀察對(duì)象的密度足夠高。圖8-6場(chǎng)離子顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖圖8-7場(chǎng)離子顯微鏡成像原理在FIM后配置飛行時(shí)間質(zhì)譜儀就構(gòu)成原子探針，即組成所謂的原子探針場(chǎng)離子顯微鏡（AP-FIM），用它可以分析樣品表面單個(gè)原子的化學(xué)成分。因此用FIM以及APFIM可以研究樣品表面原子結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)行為。

8.2.2衍射分析方法

衍射分析是以結(jié)構(gòu)分析為目的的分析方法。當(dāng)具有波動(dòng)性質(zhì)的電磁輻射(X射線)或粒子(電子、中子)流與一原子里周期性排列的晶體相互作用時(shí)，由于電子的受迫振動(dòng)而產(chǎn)生相干散射。散射波干涉的結(jié)果，在某些方向上的波相互疊加形成可以觀察到的衍射波。衍射波具有兩個(gè)基本特征，即衍射線(束)在空間分布的方位(衍射方向)和衍射線的強(qiáng)度。二者都與晶體的結(jié)構(gòu)(原子分布規(guī)律)密切相關(guān)。常用的衍射方法有X射線衍射(XD)、電子衍射(ED)。1．x射線衍射(XD)X射線在晶體中的衍射條件可用勞厄方程、布拉格方程或厄瓦爾德圖解表示。其中的布拉格方程是應(yīng)用起來(lái)非常方便的衍射幾何規(guī)律的表達(dá)式，它是由英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子于1912年首先推導(dǎo)出來(lái)的，其表達(dá)式和推導(dǎo)示意圖分別為別為式8.1和圖8-8。

（8.1）式中，為晶面間距；λ為入射光波長(zhǎng)；為掠射角(入射線或反射線與反射面的夾角，為半衍射角)；為任意整數(shù)，稱反射級(jí)數(shù)。X射線分析已知化學(xué)組成物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可用X射線衍射峰的值，求出晶面間距，對(duì)照PDF卡，分析出被測(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。

圖8-8布拉格方程的推導(dǎo)2．電子衍射（ED）

該方法使X射線射入固體較深，一般用于三維晶體和表層結(jié)構(gòu)分析。電子與表面物質(zhì)相互作用強(qiáng)，而穿入固體的能力較弱，并可用電磁場(chǎng)進(jìn)行聚焦，因此早在本世紀(jì)20年代已經(jīng)提出低能電子衍射法，但當(dāng)時(shí)在一般真空條件下較難得到穩(wěn)定的結(jié)果，直到60年代由于電子技術(shù)、超高真空技術(shù)和電子衍射加速技術(shù)的成熟，使低能電子衍射法在表面二維結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步提高。①低能電子衍射（LEDD）。是用能量很低的入射電子束（通常是10~500eV，波長(zhǎng)為0.05~0.4nm），通過(guò)彈性散射，電子波間的相互干涉產(chǎn)生衍射圖樣。由于樣品物質(zhì)與電子的強(qiáng)烈相互作用，常使參與衍射的樣品體積只是表面一個(gè)原子層，即使稍高能量（100eV）的電子，也限于2~3層原子，所以LEED是目前研究固體表面晶體結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)之一。LEED實(shí)際上是一種二維衍射，如果由散射質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成單位矢量為的一維周期性點(diǎn)列，波長(zhǎng)為的電子波垂直入射，如圖8-9所示，那么在與入射反方向交成角的背散射方向上，將得到相互加強(qiáng)的散射波：（h為整數(shù)）若考慮二維情況，平移矢量分別為和（見(jiàn)圖8-10），則衍射條件還需滿足另一條件：(K為整數(shù))此時(shí)衍射方向即為以入射方向?yàn)檩S，半頂角為和的兩個(gè)圓錐面的交線。這是二維勞厄條件。LEED圖樣是與二維晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的二維倒易點(diǎn)陣的直接投影，故其特別適用于清潔晶體表面和有序吸附層等的結(jié)構(gòu)分析。圖8-9垂直入射的一維點(diǎn)陣的衍射圖8-10二維點(diǎn)陣示意低能電子衍射儀如圖8-11所示，主要由超真空室、電子槍、樣品架、柵極和熒光屏組成。整個(gè)裝置保持在1.33×10-8Pa的超高真空水平，電子束經(jīng)三級(jí)聚焦和準(zhǔn)直(束斑直徑0.4-1mm)發(fā)散度約為10)照射到樣品表面，形成衍射束的電子在柵極G1和熒光屏前被加速，并以很高的能量作用在接收極(熒光屏)上，從窗口可以觀察到衍射熒光亮點(diǎn)并可攝取照片。均為網(wǎng)狀的G2、G3極用來(lái)排除試樣中產(chǎn)生非彈性散射電子。8.2.3X射線光譜儀和電子探針1．X射線光譜儀

所謂X射線熒光分析，就是用X射線作為一種外來(lái)的能量去打擊樣品，使試樣產(chǎn)生波長(zhǎng)大于入射X射線的特征X射線，而后經(jīng)分光作定性和定量分析。X射線熒光光譜儀的特點(diǎn)是分析速度快、準(zhǔn)確、對(duì)樣品沒(méi)有破壞性等，用途甚廣。X射線管射出的X射線射打在試樣上，由試樣產(chǎn)生所含元素的二次X射線（即X射線熒光）向不同方向發(fā)射，只有通過(guò)準(zhǔn)直管的一部分形成一束平行的光投射到分光晶體。分光晶體用LiF或NaCl等制成，它相當(dāng)于光柵或棱鏡的分光作用，把一束混雜各種波長(zhǎng)的二次X射線按波長(zhǎng)不同的順序排列起來(lái)。改變分光晶體的旋轉(zhuǎn)角，則檢測(cè)器相應(yīng)地回轉(zhuǎn)，投射到檢測(cè)器上的X射線只能為某一種（或幾種）波長(zhǎng)。由于分光晶體的旋轉(zhuǎn)角在一定條件下對(duì)應(yīng)于某一定波長(zhǎng)，故角就是定性分析的依據(jù)。從檢測(cè)器接收到的X射線強(qiáng)度就對(duì)應(yīng)于某一波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度，它表示樣品中含有該原子的數(shù)量，因此是定量分析的依據(jù)。圖8-12X射線熒光光譜儀的原理圖2．電子探針

電子探針又稱微區(qū)X射線光譜分析儀，它實(shí)質(zhì)上是由X射線光譜儀和電子顯微鏡這兩種設(shè)備組合而成的。圖8-13是電子探針的原理圖，主要由五部分組成：①電子光學(xué)系統(tǒng)；②X射線光譜儀部分；③光學(xué)顯微鏡目測(cè)系統(tǒng)；④背散射電子圖像顯示系統(tǒng)。⑤吸收電子圖像顯示系統(tǒng)。

圖8-13電子探針原理圖

電子探針具有分析區(qū)域小（一般為幾個(gè)立方微米），靈敏度較高，可直接觀察選區(qū)，制樣方便，不損壞試樣以及可作多種分析等特點(diǎn)，是一種有力的分析工具。電子探針可與掃描電鏡結(jié)合起來(lái)，即在獲得高分辨率圖像的同時(shí)進(jìn)行微區(qū)成分分析。8.2.4電子能譜分析方法1．俄歇電子能譜分析儀（AES）俄歇電子能譜儀主要用于固體表面幾個(gè)原子層內(nèi)的成分、幾何結(jié)構(gòu)和價(jià)態(tài)的分析。分析靈敏度高，數(shù)據(jù)收集速度快，能測(cè)出周期表上氦（He）后所有元素，目前已成為表面分析領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的工具之一。高速電子打到材料表面上，除產(chǎn)生X射線外，還激發(fā)出俄歇電子等。俄歇電子是一種可以表征元素種類及其化學(xué)價(jià)態(tài)的二次電子。由于俄歇電子穿透能力很差，故可用來(lái)分析距表面1nm深處，即幾個(gè)原子層的成分。再配上濺射離子槍，可對(duì)試樣進(jìn)行逐層分析，獲得成分沿深度的分布圖，其深度分辨率為5~10nm。

圖8-14俄歇電子能譜儀示意圖圖8-14為俄歇電子能譜儀示意圖。最簡(jiǎn)單的俄歇電子能譜儀包括真空系統(tǒng)、激發(fā)用電子槍和對(duì)發(fā)射的二次電子(俄歇電子)進(jìn)行能量分析的電子能譜儀。因?yàn)槎硇娮幽茏V法對(duì)表面非常敏感，所以最基本的條件是要求有一個(gè)超高真空系統(tǒng)（10-8Pa）。除了上述這些基本條件外，現(xiàn)在使用的俄歇電子能譜裝置大都附帶有離子槍，離子槍用來(lái)對(duì)表面進(jìn)行剝蝕，這樣，通過(guò)離子濺射對(duì)樣品逐層剝蝕，可獲得元素濃度沿樣品成分分布圖。其深度分辨率為5~10nm。餓歇電子能譜儀的這一功能是研究多層膜和界面的有力手段。2．光電子能譜以一定能量的X射線和光(如紫外光)照射固體表面時(shí)，被束縛于原子各種深度的量子化能級(jí)上的電子被激發(fā)而產(chǎn)生光電子發(fā)射。所發(fā)射電子的動(dòng)能隨電子原所在能級(jí)的不同而異，形成所謂光電子能譜，采用光電子能譜可以探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的各種電子能級(jí)，獲得關(guān)于電子束縛能、原子的結(jié)合狀態(tài)和電荷分布等電子狀態(tài)信息。依據(jù)激發(fā)源的不同，光電子能譜分為X射線光電子能譜和紫外光電子能譜。光電子能譜與物質(zhì)的狀態(tài)、能級(jí)或能帶結(jié)構(gòu)以及電子來(lái)自內(nèi)層軌道或外層軌道等因素有關(guān)，因此，光電子能譜也是帶有物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等信息的特征譜。圖8-15固體中電子結(jié)合能測(cè)量

若已知，并由譜儀測(cè)得光電子動(dòng)能，便可求得光電子的束縛能。由于每種元素的電子層結(jié)構(gòu)都是獨(dú)特的，因此通過(guò)測(cè)定光電子能量分布便可鑒別出元素的種類。XPS還可以作定量分析，其依據(jù)是測(cè)量光電子譜線的強(qiáng)度（在譜線圖中譜線峰的面積），即由記錄到的譜線強(qiáng)度反映原子的含量或相對(duì)強(qiáng)度。（1）光電子能譜（XPS）

光電子發(fā)射過(guò)程及其能量關(guān)系：當(dāng)激發(fā)光源與固體物質(zhì)作用時(shí)，若入射X光量子的能量超過(guò)原子內(nèi)層電子的束縛能(結(jié)合能)時(shí)，便會(huì)引起光電子發(fā)射。發(fā)射過(guò)程的能量關(guān)系如圖8-15所示。由圖可知式中，為光子動(dòng)能；hv為入射光子能量（h為普朗克常量，v為光波頻率）；為光子束縛（結(jié)合）能，指電子由原子能級(jí)躍遷到費(fèi)米能級(jí)所需的能量（）；為譜儀的功函數(shù)，在實(shí)際能譜儀中常用電子學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)償。圖8-16紫外光電子譜中典型的譜帶形狀

a-非鍵或弱鍵軌道b,c-成鍵或反鍵軌道d-非常強(qiáng)的成鍵或反鍵軌道e-振動(dòng)疊加在例子的連續(xù)譜上f-組合譜帶（2）紫外線電子能譜（UPS）紫外光電子能譜是使用紫外能量范圍(小于100eV)的光子激發(fā)樣品外層價(jià)電子或固體的價(jià)帶電子而獲得的電子能譜。紫外光電子能譜通常以惰性氣體的共振線，如HeI線(21.2eV)或HeII線(40.8eV)作為激發(fā)光源由于光量子能量較低，它只能激發(fā)原子外層的價(jià)電子。紫外光電子能譜的位置和形狀與分子軌道結(jié)構(gòu)及成鍵情況密切相關(guān)，紫外光電子能譜中一些典型的譜帶形狀如圖8-16所示。在固體樣品中，紫外光電子有最小逸出深度，因而紫外光電子能譜特別適合固體表面狀態(tài)分析，可應(yīng)用于表面能帶結(jié)構(gòu)分析、表面原子排列與電子結(jié)構(gòu)分析及表面化學(xué)研究(如表面吸附性質(zhì)、表面催化機(jī)理研究)等。8.2.5二次離子質(zhì)譜分析（SIMS）

當(dāng)一束加速的離子束轟擊真空中的待分析樣品表面時(shí)，會(huì)引起表面的原子或分子濺射，其中的帶電離子稱為二次離子。將二次離子按質(zhì)荷比分開(kāi)并采用探測(cè)器將其記錄，便得到二次離子強(qiáng)度(豐度)按質(zhì)量(質(zhì)荷比)分布的二次離子質(zhì)譜。二次離子質(zhì)譜可以鑒別包括氫及其同位素在內(nèi)的所有元素。并且二次離子來(lái)自樣品表層（≤2nm），所以是一種用于表面和微區(qū)的成分分析。1．二次離子質(zhì)譜儀的基本組成和數(shù)據(jù)顯示模式二次離子質(zhì)譜儀由四部分組成：①一次離子束源及光學(xué)系統(tǒng)；②樣品臺(tái)；③二次離子的收集、能量分析、質(zhì)譜分析及探測(cè)器；④電子學(xué)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。二次離子質(zhì)譜分析數(shù)據(jù)顯示模式有三種：①二次離子質(zhì)譜，即二次離子數(shù)對(duì)質(zhì)荷比的函數(shù)；②成分-深度圖，即二次離于數(shù)對(duì)濺射時(shí)間的函數(shù)；③二次離子成像，即二次離子數(shù)在表面的微觀橫向分布。表8-4靜態(tài)和動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜比較

2．二次離子質(zhì)譜分析方法為了達(dá)到不同的分析目的分析時(shí)采用不同的儀器參數(shù)，二次離子質(zhì)譜可以分為以下幾種方法：(1)靜態(tài)二次離子質(zhì)譜。采用較低的離子能量和離子束流，使濺射率降低到表面單原子層，即分析時(shí)深度的變化可以忽略不計(jì)。因而它是真正意義上的表面分析（5nm以內(nèi)）。靜態(tài)二次離子質(zhì)譜的表面靈敏度很高，可探測(cè)面密度為0.1%單原子層的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(2)動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜。采用較高離子能量和較大離子束流對(duì)表面進(jìn)行快速剝蝕，不斷地對(duì)新鮮表面進(jìn)行分析，從而檢測(cè)到的是體內(nèi)的成分。動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜可以探測(cè)到百萬(wàn)分之幾甚至十億分之幾(體積質(zhì)量分?jǐn)?shù))的微量。二次離子質(zhì)譜分析也被稱為痕量元素的體分析；靜態(tài)和動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜的特點(diǎn)比較如表8-4。SIMS模式真空度/Pa束流強(qiáng)度/A束斑直徑離子能量/keV研究對(duì)象或用途靜態(tài)<10-6<10-10~10-8毫米0.3~5痕量分析動(dòng)態(tài)<10?1>10-7微米至亞微米5表面吸附物、有機(jī)物表8-5離子探針和離子顯微鏡的比較

(3)成分-深度分析。選取二次離子質(zhì)譜上的一個(gè)峰或幾個(gè)峰，在較高的濺射速率下連續(xù)記錄其強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，得到近表面層的成分-深度圖。也是一種動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜分析。(4)二次離子成像。二次離子質(zhì)譜的二次離子成像功能是利用專用的二次離子質(zhì)譜儀—離子微探針(掃描離子顯微鏡)和離子顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。離子微探針和離子顯微鏡的特點(diǎn)列于表8-5。特征束流強(qiáng)度束斑直徑/m分析區(qū)/m橫向分辨本領(lǐng)探測(cè)極限/%離子探針0.1~100pA<110約100nm約0.1離子顯微鏡1Na~100150約1m約10-4小結(jié)二次離子質(zhì)譜探測(cè)儀靈敏度高，在適當(dāng)?shù)臈l件下（靈敏度強(qiáng)烈地依賴于樣品的組成和試驗(yàn)條件），探測(cè)極限可達(dá)到百萬(wàn)甚至十億分之幾的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，加上可以分析所有元素（包括所有同位素），構(gòu)成了二次離子質(zhì)譜分析方法的優(yōu)勢(shì)。二次離子質(zhì)譜也有其缺點(diǎn)，其分析對(duì)樣品是破壞件的，而且進(jìn)行定量分析也十分復(fù)雜。8.2.6紅外吸收光譜和拉曼光譜

紅外吸收光譜（IR）和拉曼（Raman）光譜的測(cè)定是基于分子振動(dòng)的振動(dòng)譜。1．紅外吸收光譜（IR）（1）原理和吸收條件

①原理。分子由原子組成，分子的運(yùn)動(dòng)及能態(tài)遠(yuǎn)比原子復(fù)雜。一般認(rèn)為分子總能量(E)由分子中各原子核外電子軌道運(yùn)動(dòng)能量()、原子或原子團(tuán)相對(duì)振動(dòng)能量()及整個(gè)分子繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的能量()組成。即由于、、都是量子化的，故分子能級(jí)由電子（運(yùn)動(dòng)）能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)構(gòu)成。同一電子能級(jí)因振動(dòng)能量不同又分為若干振動(dòng)能級(jí)；而同一振動(dòng)能級(jí)又因轉(zhuǎn)動(dòng)能量不同分為若干轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。分子振動(dòng)能級(jí)間隔為0.05~1.0eV，它躍遷所吸收的輻射主要在中紅外區(qū)。當(dāng)分子的某一基本振動(dòng)頻率與紅外光譜段的某一頻率相等時(shí)，便吸收了這一頻率的光，形成紅外吸收光譜。②條件。分子吸收紅外輻射產(chǎn)生振動(dòng)能級(jí)躍遷，這種能量的轉(zhuǎn)移是通過(guò)偶極矩的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此能發(fā)生偶極矩變化的分子振動(dòng)才能引起可觀測(cè)到的紅外吸收光譜帶。發(fā)生偶極矩變化的分子振動(dòng)稱為紅外活性的，反之，如非極性分子振動(dòng)或極性分子的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，其偶極矩變化為零則不會(huì)產(chǎn)生紅外吸收，這種偶極矩變化為零的分于振動(dòng)稱非紅外活性的。（2）紅外光譜的特征物質(zhì)的紅外光譜的譜帶數(shù)目、譜帶位置、譜帶形狀和譜帶強(qiáng)度都是隨物質(zhì)分子間鏈力的變化、基團(tuán)內(nèi)甚至基團(tuán)外環(huán)境的改變而改變的。紅外光譜的應(yīng)用主要在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，用于測(cè)定分子的鏈長(zhǎng)、鍵角大小，并可推斷分子的立體構(gòu)型，根據(jù)所得的力常數(shù)間接獲得化學(xué)鍵的強(qiáng)弱，也可從正則振動(dòng)頻率來(lái)計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)等。不過(guò)紅外吸收光譜用于對(duì)物質(zhì)作定性和定量分析較多。2．拉曼光譜（RAMAN）當(dāng)頻率為的入射光與物質(zhì)分子相碰時(shí)會(huì)產(chǎn)生光的散射。其中大部分散射光具有與入射光相同的頻率，這種彈性散射稱為瑞利散射。另外還有部分散射光為非彈性散射光，由于光子從分子中得到或失去能量，所以其頻率會(huì)與入射光的頻率不一樣。這一效應(yīng)首先由印度物理學(xué)家拉曼于1928年在液體中發(fā)現(xiàn)，因而被稱為拉曼效應(yīng)，也稱聯(lián)合散射效應(yīng)。（1）非彈性散射中能量交換可能的兩種情形①光子與處于基態(tài)振動(dòng)能級(jí)的分子相互作用時(shí)，將部分能量轉(zhuǎn)移給分子。以激發(fā)其振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，因而散射光子的能量降低為。②處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)的分子由高的振動(dòng)能緩和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷到低能級(jí)過(guò)程中，使光子獲得能量，而散射光的能量上升為。光子得到或失去的能量相當(dāng)于分子的振動(dòng)能量，具有確定的值，稱為拉曼位移。通常把頻率低于入射光頻率的散射線稱為斯托克斯線；把頻率高于入射光頻率的散射稱為反斯托克斯線。由破耳茲曼能量分布定律可知，處于振動(dòng)基態(tài)的分子數(shù)目比處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)目多，所以斯托克斯線的強(qiáng)度較反斯托克斯線的強(qiáng)度高，通常拉曼光譜記錄的是斯托克斯線。（2）產(chǎn)生拉曼光譜的條件與紅外吸收要求偶極矩的變化不同，拉曼散射產(chǎn)生的條件是分子極化率的變化。按照極化原理，在靜電場(chǎng)中的分子由于感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電子云和原子核的位移，形成誘導(dǎo)偶極矩，

正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E，有的關(guān)系，比例常數(shù)稱為分子的極化率。拉曼散射的產(chǎn)生必須存在極化率的變化時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)，這和紅外光譜有所不同，因而在紅外吸收譜中測(cè)不到的譜線可以用拉星光譜測(cè)到。這兩種方法都提供分子振動(dòng)的信息，起到相互補(bǔ)充的作用。采用這兩種方法可以獲得振動(dòng)光譜的全貌。（3）退偏比當(dāng)一束平面偏振光照射物質(zhì)時(shí)，由于光子與分子作用，散射光的偏振方向可能會(huì)發(fā)生改變，偏振光的改變和分子振動(dòng)時(shí)電子云的形狀的變化有關(guān)，即與分子構(gòu)型及分子振動(dòng)的對(duì)稱性有關(guān)。為此引入用于研究分子結(jié)構(gòu)的參數(shù)退偏比（又稱退偏度），它是拉曼光譜的一個(gè)重要參數(shù)，它可提供有關(guān)分子振動(dòng)的對(duì)稱性及分子構(gòu)型的信息。8.3表面性能檢測(cè)

為了評(píng)價(jià)表面層的質(zhì)量，除了對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行檢測(cè)外，還必須對(duì)表面層的外觀質(zhì)量、表面層與基體的結(jié)合狀態(tài)、表面層厚度、表面層的力學(xué)性能以及表面層的物理性能、化學(xué)性能等進(jìn)行檢查和測(cè)試。但是表面技術(shù)種類繁多，材料表面功能除了裝飾、耐磨、耐蝕等外，還有光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)以及功能轉(zhuǎn)換（光-電、電-光、磁-光、光-磁、熱-電、電-熱等）等方面。本節(jié)內(nèi)容只他們之間的一些常規(guī)的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方法，主要包括表面外觀、覆蓋層厚度、結(jié)合力或附著力、硬度、孔隙度等的檢測(cè)。8.3.1表面外觀質(zhì)量檢測(cè)表面外觀質(zhì)量是最基本和最常用的檢驗(yàn)指標(biāo)。表面外觀檢測(cè)包括：表面缺陷、表面粗糙度、表面光澤度、色澤等項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容。1．表面缺陷檢測(cè)由不同工藝制備的改性表面和表面覆蓋層各有其缺陷表現(xiàn)形式，其對(duì)質(zhì)量的要求也有不同。表面缺陷主要指裂紋、針孔、麻點(diǎn)、氣泡、毛刺、起瘤、斑點(diǎn)、脫皮、漏涂、粘結(jié)、擦傷及色差等。表面缺陷的檢測(cè)方法主要為目測(cè)法，有時(shí)也用低倍放大鏡進(jìn)行檢測(cè)。2．粗糙度的檢測(cè)表面粗糙度是指表面微觀不平整高度的算術(shù)平均值。表面粗糙度的大小，不僅決定著產(chǎn)品表面的外觀和產(chǎn)品精度，還影響產(chǎn)品表面的摩擦、磨損性能，甚至影響到設(shè)備的工作精度、動(dòng)力消耗等。在表面技術(shù)中，基片的表面粗糙度還在薄膜的制備過(guò)程中起著重要的作用，是影響薄膜結(jié)構(gòu)和性能的重要因素。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表面粗糙度的表征參數(shù)有多種，但經(jīng)常用的有2種。①輪廓算術(shù)平均偏差，其定義為在取樣長(zhǎng)度(l)內(nèi)輪廓偏距y(x)絕對(duì)值的算術(shù)平均值:或近似為式中，為第i點(diǎn)的輪廓偏距，是評(píng)定表面粗超度時(shí)用的比較普遍的特征參數(shù)。②微觀不平度十點(diǎn)高度，其定義為取樣長(zhǎng)度()從平行于輪廓中線任意一條線算起到被測(cè)輪廓的五個(gè)最高點(diǎn)（峰）和五個(gè)最低點(diǎn)（谷）之間的平均距離

式中為最大峰的高度，為最大谷的深度。通常采用表面粗糙度檢測(cè)的方法有，比較法、針描法和光學(xué)法(光切法、顯微干涉法、激光光斑法)及光反射法等。表8-6列出了各種粗糙度測(cè)量方法的應(yīng)用范圍。3．光亮度檢測(cè)表面光亮度是裝飾性要求較高的產(chǎn)品必須測(cè)量的指標(biāo)，是指在一定照度和角度的入射光的作用下，表面反射光的比率或強(qiáng)度。反射光的比率或強(qiáng)度越大，表面的光亮度越高。表面光亮度的檢驗(yàn)方法主要有以下幾種：(1)目測(cè)經(jīng)驗(yàn)評(píng)定法。是檢驗(yàn)人員根據(jù)在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)，觀察表面的反光性強(qiáng)弱以及表面映照出的影像的清晰程度，來(lái)評(píng)判表面光亮程度的方法。一般分為1-4級(jí)，1級(jí)光亮度最高，為鏡面光亮度。(2)樣板對(duì)照法。它是目測(cè)法的改進(jìn)方法，屬于目測(cè)法中的比較測(cè)量法。是與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光亮度樣板進(jìn)行比較，樣板對(duì)照法一般分為4個(gè)級(jí)別。1級(jí)光亮度最高，4級(jí)最低。(3)光度計(jì)測(cè)量方法。光度計(jì)測(cè)量是以一塊光亮度極高的標(biāo)準(zhǔn)樣板的反光強(qiáng)度（在儀器中是轉(zhuǎn)化為光電流進(jìn)行測(cè)量的）定為100％，被測(cè)表面在相同的條件下測(cè)得的反光強(qiáng)度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣板表面反光強(qiáng)度的比率，即為被測(cè)試表面的光亮度。值得注意的是，表面顏色對(duì)光亮度測(cè)定有直接影響，對(duì)同一光亮度的表面，由于其顏色的差異將會(huì)得到不同的光亮度值，測(cè)試時(shí)要選用適當(dāng)?shù)臑V波器以消除顏色帶來(lái)的影響。此外，試樣表面的曲率也會(huì)干擾反光性，因而采用光度計(jì)測(cè)量表面光亮度時(shí)，以平板狀試樣為宜。8.3.2覆蓋層厚度的測(cè)量覆蓋層厚度對(duì)產(chǎn)品的使用性能和使用壽命影響極大，因而對(duì)覆蓋層厚度的控制對(duì)所有經(jīng)表面技術(shù)制備的產(chǎn)品都是需要的。更為重要的是覆蓋層的厚度還是覆蓋層內(nèi)在質(zhì)量的保證，它直接影響產(chǎn)品的耐腐蝕性、應(yīng)力、導(dǎo)電性以及使用壽命等。此外在對(duì)一些工藝進(jìn)行研究和評(píng)估時(shí)，如探明工藝過(guò)程的沉積速率等，也往往通過(guò)厚度測(cè)量來(lái)評(píng)定的。因此，覆蓋層的厚度無(wú)論在產(chǎn)品質(zhì)量控制還是在工藝研究中都是被廣泛采用的指標(biāo)。覆蓋層厚度的測(cè)量方法，根據(jù)其原理可分為機(jī)械法(如千分尺測(cè)量法、球磨法)，物理法（如電磁法、渦流法）、化學(xué)法（如溶解法、稱重法、分析法）、電化學(xué)法（如庫(kù)侖法）、射線法（如X射線法、β射線反向散射法)）光學(xué)法（如金相法、干涉法、光切法）以及觸針式輪廓儀法等。按照被測(cè)覆層是否損壞又可分為有損測(cè)厚和無(wú)損測(cè)厚法。有損測(cè)厚法有：陽(yáng)極溶解庫(kù)倫法、光學(xué)法（如顯微鏡測(cè)量、干涉法測(cè)量、偏振光測(cè)量、掃描電鏡測(cè)量）、化學(xué)溶解法（如點(diǎn)滴法、液流法、稱重法）、輪廓儀法等；無(wú)損測(cè)厚有：磁性法、渦流法、射線法（如β射線反向散射法、熒光X射線法等）電容法、微波法、熱電勢(shì)法、光學(xué)法（如光電法、光切法及雙光束干涉法）等。各種測(cè)量?jī)x器可測(cè)厚度范圍如表8-7，其中以磁性法、渦流法、庫(kù)倫法、顯微鏡法、X射線熒光測(cè)厚法等應(yīng)用最為普遍，其他方法視具體條件和要求選用。1．庫(kù)倫法測(cè)量覆蓋層厚度測(cè)量的陽(yáng)極庫(kù)侖法簡(jiǎn)稱庫(kù)倫法，主要利用電解裝置將作為陽(yáng)極的覆蓋層從基體上溶解出來(lái)，測(cè)量溶解過(guò)程所消耗的電量。根據(jù)法拉第定律來(lái)求得覆蓋層的局部平均厚度d。式中，k為溶解過(guò)程的電流效率，當(dāng)電流效率為100％時(shí)k＝1；E為測(cè)試條件下覆蓋層金屬的電化學(xué)當(dāng)量，g/C，A為覆蓋層被溶解的面積，為覆蓋層的密度，，Q為溶解覆蓋層耗用的電量，C。庫(kù)倫法不僅可測(cè)量單層和多層金屬覆層的厚度，還可測(cè)三層及三層以上覆層（如多層鎳）的分層厚度和一些合金覆層（如鉛錫合金）的厚度。庫(kù)倫法測(cè)厚儀操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快與范圍廣，人為操作影響小、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。測(cè)量范圍為為0.1-100μm，在1-30μm的誤差為10%以內(nèi)，可作為8μm覆層厚度測(cè)量的仲裁方法，應(yīng)用廣泛。2．磁性法測(cè)厚磁性法主要用于測(cè)量磁性基體上的各種非磁性覆蓋層的厚度（包括釉瓷和搪瓷層），也可測(cè)定非磁性基體上的磁性覆蓋層厚度。夾在磁性測(cè)厚儀的磁體和磁性基體之間的非磁性覆蓋層，會(huì)造成測(cè)厚儀磁體和磁性基體相互磁引力的變化或磁路磁場(chǎng)的變化，這種變化與夾在其間的非磁性覆蓋層的厚度存在一定的函數(shù)關(guān)系，由此設(shè)計(jì)出直接指示覆蓋層厚度的磁性厚度測(cè)量?jī)x。測(cè)定方法的精確度受許多因素的影響，其中包括覆蓋層及基體的厚度、磁性及剩磁，表面粗糙度，表面附著物及邊緣效應(yīng)等。因此，要求在儀器校準(zhǔn)和測(cè)量操作過(guò)程中盡量避免或減少這些因素的影響。3．渦流法測(cè)厚渦流法也叫電渦流法，屬于電磁法。它是利用交流磁場(chǎng)在被測(cè)導(dǎo)電物體中感應(yīng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)進(jìn)行厚度測(cè)量的一種方法。測(cè)量時(shí)，渦流測(cè)厚儀的測(cè)頭裝置所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)使置于測(cè)頭下面的導(dǎo)體產(chǎn)生渦流，其振幅和相位是導(dǎo)體與測(cè)頭之間的非導(dǎo)電覆蓋層厚度的函數(shù)。本方法主要用于非磁性金屬上非導(dǎo)電覆蓋層，以及非導(dǎo)體上單層金屬覆蓋層的厚度測(cè)定。本法普遍用于鋁陽(yáng)極氧化膜厚度的測(cè)定，鋁、銅及其合金上的有機(jī)涂層或其他導(dǎo)電覆蓋層厚度的測(cè)定，以及非導(dǎo)電基體上的銅箔厚度的測(cè)定。渦流法測(cè)厚儀輕巧便于攜帶，操作簡(jiǎn)單容易掌握，測(cè)量快而準(zhǔn)確，價(jià)格也較低廉，因而它是非磁性基體上覆層厚度測(cè)量較為普遍的方法。4．X射線光譜法當(dāng)一束高能X射線束與固體物質(zhì)作用時(shí)，若其能量超過(guò)了該物質(zhì)的激發(fā)限，便會(huì)激發(fā)出該物質(zhì)的特征X射線(又稱熒光X射線或二次X射線)。特征X射線的波長(zhǎng)與該物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而其強(qiáng)度則與被激發(fā)的物質(zhì)量有關(guān)。此外，當(dāng)X射線照射固體物質(zhì)時(shí)會(huì)被該物質(zhì)吸收，導(dǎo)致其強(qiáng)度的衰減，強(qiáng)度衰減的程度與X射線在固體內(nèi)通過(guò)的路程（厚度）有關(guān)。利用X射線的上述特性便構(gòu)成了X射線測(cè)量覆蓋層厚度的各種方法。如通過(guò)測(cè)定覆蓋層物質(zhì)特征X射線輻射強(qiáng)度來(lái)確定覆蓋層厚度的發(fā)射方法；通過(guò)測(cè)量基體物質(zhì)的特征X射線穿過(guò)覆蓋層后輻射強(qiáng)度減弱的程度確定覆蓋層厚度的吸收方法等。5．β射線反向散射法由放射件同位素釋放出來(lái)的β射線照射被測(cè)覆蓋層時(shí)，被覆蓋層物質(zhì)散射的反向散射線的強(qiáng)度是被測(cè)覆蓋層物質(zhì)的種類和厚度的函數(shù)。當(dāng)被測(cè)覆蓋層和基體材料的原子序數(shù)差足夠大時(shí)（一般兩者原子序數(shù)差應(yīng)大于5），便可從測(cè)得的β射線強(qiáng)度測(cè)得單位面積上覆蓋層的質(zhì)量，進(jìn)而求得被測(cè)覆蓋層的平均厚度。該法特別適用于對(duì)各種貴金屬覆層厚度的測(cè)量；可測(cè)量金屬或非金屬基體上的非金屬薄層（2.5μm以下）厚度。也可用于連續(xù)涂覆生產(chǎn)自動(dòng)線涂層厚度的自動(dòng)監(jiān)控。但是該法只有在覆層材料與基體材料的原子序數(shù)明顯不同時(shí)才能使用。測(cè)厚時(shí)需要利用相應(yīng)的放射源，它對(duì)人的健康有害，故必須嚴(yán)格按規(guī)定操作，需要采取防護(hù)措施。6．輪廓儀測(cè)量法輪廓儀長(zhǎng)期以來(lái)是作為測(cè)量表面粗糙度用的儀器，但也可用作覆蓋層厚度測(cè)量。前提是必須露出基體表面，造成覆蓋層表面與基體表面的高度差。通常輪廓儀測(cè)厚度的范圍為0.01~1000μm，當(dāng)厚度小于0.01μm時(shí)，對(duì)工件表面平直度和平滑度要求很高，厚度測(cè)量較困難。輪廓儀測(cè)量厚度的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行直接測(cè)量，操作簡(jiǎn)便迅速。由于本法屬于觸針式測(cè)量方法，故在測(cè)定中要注意避免觸針對(duì)覆蓋層的劃傷。7．光切顯微鏡法光切顯微鏡法又稱分光束顯微法，采用光切顯微鏡測(cè)定覆蓋層厚度時(shí)，對(duì)于不透明的覆蓋層必須露出基體表面，制造出覆蓋層表面與基體表面的高度差，其測(cè)量方法與測(cè)量表面粗糙度相同。而對(duì)于透明的覆蓋層，則要求覆蓋層表面和某體表面都具有一定反射光的能力，可以在顯微鏡中觀察到由覆蓋層表面和基體表面反射的兩條平行的光帶。而且由于覆蓋層的折射率與空氣的不同，其厚度計(jì)算也有所不同。光切法測(cè)量透明膜厚度的原理圖如圖8-17所示。圖8-17光切法測(cè)量覆蓋層厚度的原理圖覆蓋層厚度按下式計(jì)算8.3.3覆蓋層結(jié)合力測(cè)量覆蓋層的結(jié)合力是指層與基體（或中間層）之間的粘結(jié)強(qiáng)度，即單位表面積的覆層從基體（或中間層）上剝離下來(lái)所需要的力，單位面積上的結(jié)合力稱為結(jié)合強(qiáng)度。該覆蓋層與基體材料表面附著（結(jié)合）的強(qiáng)弱，是評(píng)價(jià)覆蓋層質(zhì)量的重要指標(biāo)。覆蓋層附著（結(jié)合）力的評(píng)價(jià)有定性和定量?jī)煞N方法，定性方法是以覆蓋層受力后是否起泡或從基體表面剝離來(lái)判定其質(zhì)量合格與否；定量法或是測(cè)量使覆蓋層從基體上連續(xù)剝離所需的最小載荷（如劃痕法）；或是測(cè)得單位面積程蓋層從基體表面剝離所需的力，并稱該數(shù)值為覆蓋層的結(jié)合強(qiáng)度（如拉伸法）。依據(jù)剝離覆蓋層方式的不同，測(cè)量覆蓋層附著（結(jié)合）力的試驗(yàn)方法可分為機(jī)械方法和非機(jī)械方法兩類。機(jī)械測(cè)量方法是生產(chǎn)上用得十分普遍的方法。其中有使覆蓋層變形的方法，加摩擦法、劃痕法、劃格法、壓陷法、變形法(拉伸、杯突)等；有使用粘結(jié)劑粘接的方法如牽引法、拉伸法、壓帶法、剝離法等。非機(jī)械測(cè)量方法是利用非機(jī)械力如電磁力、超聲波、激光脈沖等使覆蓋層剝離，以獲得覆蓋層結(jié)合力強(qiáng)弱的信息。由于覆蓋層類別不同（薄膜、鍍層或涂層等），其制備工藝各異、附著（結(jié)合）機(jī)理不同、厚度差異也很大。在對(duì)其進(jìn)行附著（結(jié)合）力測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試方法的原理和待測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行合理的選擇測(cè)試方法，以求獲得能真實(shí)反映該被測(cè)對(duì)象附著（結(jié)合）情況的信息。1．覆蓋層附著力的定性測(cè)試方法（1）摩擦拋光檢測(cè)。在工件表面約6cm2的面積上，用光滑的摩擦拋光工具(如鏟刃倒圓的瑪瑙刮刀)迅速而平穩(wěn)地摩擦15s，施加的壓力應(yīng)在每一進(jìn)程中足以擦光金屬覆蓋層而又不削掉覆蓋層。在放大8倍或4倍并具有照明的觀察器下檢查覆蓋層是否起泡、剝離。本法適合于厚度小于40μm、結(jié)合強(qiáng)度又非常差的鍍層的檢測(cè)。（2）劃線、劃格檢測(cè)。用一刃口磨成30o的硬質(zhì)鋼劃刀，劃兩條相距2mm的平行線（或邊長(zhǎng)為1mm的正方格）。劃線時(shí)應(yīng)施以足夠的壓力，使劃刀一次能劃破覆蓋層達(dá)到基體。如果兩條劃線之間（或格子內(nèi)）的覆蓋層有任何部分脫離基體，則認(rèn)為覆蓋層附著強(qiáng)度不好。（3）彎曲、纏繞、深引(杯突)檢測(cè)。這類方法主要是使覆蓋層產(chǎn)生變形，然后觀察覆蓋層在基體上碎裂或剝離的情況來(lái)判斷覆蓋層附著的程度。（4）銼、磨、鋸檢測(cè)。采用這類工具，從基體至覆蓋層的方向銼、磨、鋸覆蓋層，力圖使覆蓋層與基體剝離，并觀察覆蓋層從基體剝離的情況。（5）剝離檢測(cè)。剝離檢測(cè)又稱膠帶檢測(cè)。它是將一種纖維膠帶的粘膠面粘附在覆蓋層上，用—個(gè)固定重量的滾筒在上面仔細(xì)滾動(dòng)，以除去所有的空氣泡。10s后以一穩(wěn)定的垂直于覆蓋層表面的拉力將膠帶剝?nèi)ァＨ舾采w層沒(méi)有剝離現(xiàn)象，則表明附著強(qiáng)度好。檢測(cè)面積應(yīng)不少于30mm2。（6）熱震法。利用覆蓋層和基體材料熱膨脹系數(shù)的差別，將帶有覆蓋層的試樣放在爐中于規(guī)定溫度下加熱（對(duì)某些易氧化的材料應(yīng)在惰性氣氛或還原氣氛中加熱）。然后將試樣放入主溫水小驟冷。覆蓋層不應(yīng)出現(xiàn)起泡、片狀剝落等現(xiàn)象。（7）陰極試驗(yàn)。將覆層的試件在溶液中作為陰極，在陰極上僅有氫析出，由于氫氣通過(guò)一定覆蓋層進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，在覆層與基體之間的任何不連續(xù)處積累產(chǎn)生壓力，致使覆層發(fā)生鼓泡。2．覆蓋層附著力的定量測(cè)試方法（1）拉伸檢測(cè)法。拉伸法是測(cè)量熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定的常用方法，拉伸試樣粘結(jié)及連接如圖8-18所示，在規(guī)定尺寸(按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)分別為直徑25.4mm和直徑40mm)的圓柱形試樣A的端面上制備涂層，在涂層表面和相同尺寸的對(duì)偶試樣B的端面上也涂上薄薄的一層粘膠。將A、B兩試樣涂膠面粘合并加上一定的壓力使其充分粘結(jié)。待粘膠固化后，將試樣在可滿足靜態(tài)拉伸的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至涂層從基體界面全部剝離。此時(shí)涂層單位面積上所承受的載荷即為涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度，單位為N/mm2。圖8-19劃痕法試樣結(jié)果示意圖（2）劃痕檢測(cè)法。劃痕法是最常用的測(cè)硬質(zhì)薄膜的附著力的標(biāo)準(zhǔn)方法，它是以具有小曲率半徑端頭的硬質(zhì)針狀壓頭(如金剛石壓頭)，以—定速度劃過(guò)被測(cè)試樣表面，其間并在壓頭上自動(dòng)連續(xù)地加上垂直載荷(L)，直至壓頭劃透薄膜并使之與基體連續(xù)剝離。能劃透薄膜并使之與基體連續(xù)剝離的最小載荷稱為薄膜-基體界面粘附失效的臨界載荷。試驗(yàn)過(guò)程中薄膜與基體是否剝離，采用聲發(fā)射技術(shù)和摩擦力測(cè)定進(jìn)行判斷，同時(shí)自動(dòng)記錄的聲發(fā)射強(qiáng)度(K)與摩擦力(F)隨垂直載荷(L)的變化曲線分別示于圖8-19中。圖8-19中A點(diǎn)和C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的垂直載荷和為薄膜內(nèi)聚失效的臨界載荷；B點(diǎn)和D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的垂直載荷和為界面失效的臨界載荷。3．剪切試驗(yàn)法。當(dāng)從涂層截面加力使涂層以剪切變形的方式與基體從界面上剝離時(shí)，涂層單位面積上所受的力即為涂層的剪切強(qiáng)度，單位為N/mm2。它反映了涂層在受到剪切應(yīng)力時(shí)的抗力。8.3.4覆蓋層硬度測(cè)試硬度是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最常用的—種性能指標(biāo)，同時(shí)也是衡量覆蓋層重要的性能指標(biāo)之一，是表征材料（或覆蓋層）在表面局部體積內(nèi)抵抗變形或破壞的能力。

“硬度”本身不是一個(gè)物理常數(shù)，而是一種不僅決定于被測(cè)材料本身微觀與宏觀條件（如晶體結(jié)構(gòu)類型、原子間鍵合類型、晶體缺陷以及變形程度和存在應(yīng)力等），而且也決定于測(cè)量條件的量。因此可以說(shuō)，硬度是被測(cè)材料在一定的壓頭和力的作用下的彈性、塑性、塑性變形強(qiáng)化率、強(qiáng)度、韌性以及抗摩擦性能等的綜合性能的體現(xiàn)。硬度測(cè)試方法有很多種，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度及肖氏硬度等，測(cè)試方法不同其硬度值的物理含義也不同。對(duì)于表面覆蓋層而言，由于其厚度的限制，采用極淺壓痕的維氏和努氏顯微硬度試驗(yàn)方法、納米壓痕硬度測(cè)試法以及表面洛氏硬度試驗(yàn)方法。1．顯微硬度測(cè)試（1）顯微硬度測(cè)試原理。顯微硬度測(cè)試是在顯微鏡下進(jìn)行的低