《材料近代分析測試方法》期末大作業(yè)《材料近代分析測試方法》課程期末大作業(yè)題目：材料現(xiàn)代測試分析方法的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢學(xué)生姓名：李敏院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級：材料1005學(xué)號：201012010513任課教師：胥聰敏完成日期：2013年11月20日《材料近代分析測試方法》期末大作業(yè)目錄TOC\o"1-4"\h\z\u100051X射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢 2266101.1X射線衍射分析方法的應(yīng)用 2166251.1.1物相分析

2184701.1.2應(yīng)力的測定 333571.1.3點陣常數(shù)的精確測定 4150711.1.5單晶取向測定 4221021.2X射線衍射法的發(fā)展趨勢 514532材料電子顯微分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 5252462.1透射電子顯微鏡 5313232.1.1透射電子顯微（TEM）分析的應(yīng)用現(xiàn)狀 564342.1.1.1表面形貌觀察

6301482.1.1.2納米材料分析

6133572.1.1.3晶體缺陷分析

6159922.1.1.5萃取復(fù)型的應(yīng)用

7183542.1.2透射電子顯微分析的發(fā)展趨勢

724622.2掃描電子顯微（SEM）分析 8269422.2.1

掃描電子顯微分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

8244852.2.1.1

表面形貌襯度

8277202.2.1.2原子序數(shù)襯度及應(yīng)用

8101842.2.2掃描電子顯微分析的發(fā)展趨勢

9323173電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 962603.1

俄歇電子能譜分析 919793.1.1俄歇電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

9317563.1.1.1定性分析

994343.1.1.2微區(qū)分析

10298573.1.1.3狀態(tài)分析

10216133.1.1.4深度剖面分析

10324063.1.1.5界面分析

10160363.1.1.6定量分析

10126233.1.2

俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢

11136923.2X射線光電子能譜的分析 11302933.2.1X射線光電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

11260733.2.1.1元素的定性分析

11293323.2.1.2

元素的定量分析

1297893.2.1.3固體的表面分析

12313963.2.1.4

化合物的結(jié)構(gòu)

12308443.2.1.5

分子生物學(xué)中的應(yīng)用

12292404光譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 13158464.1紅外光譜分析技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

13143784.1.1

紅外技術(shù)的發(fā)展及主要應(yīng)用領(lǐng)域

13229534.1.2

紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要領(lǐng)域方向

1430024.2拉曼光譜分析技術(shù)的應(yīng)用方向及發(fā)展前景 147050參考文獻(xiàn) 141X射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢1.1X射線衍射分析方法的應(yīng)用

X射線衍射法以其方便、快捷、迅速、在結(jié)構(gòu)分析方面有無損的優(yōu)點贏得了眾多科研、生產(chǎn)人員的青睞；X射線衍射儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研部門和實驗室。成為進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析的主要設(shè)備。其應(yīng)用主要如下：1.1.1物相分析

物相分析是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量。物相是決定或影響材料性能的重要因素，因而物相分析在材料分析與科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用。物相分析主要包括定性分析和定量分析兩種。【1】物相定性分析的任務(wù)是鑒別待測樣由哪些物相組成。注意物相分析通常不是成分分析。一般化學(xué)分析可以得出試樣中所含的元素種類及其含量但卻不能說明其存在狀態(tài)。例如有兩種晶體物質(zhì)混在一起經(jīng)化學(xué)分析可知混合物中有Ca2+、Na+、Cl-及SO42-但不能確定究竟是哪兩種晶體。用X射線物相分析可以確定它們是CaSO4和NaCl還是Na2SO4和CaCl2。（1）定性分析

定性分析是根據(jù)每一種晶體物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)如點陣類型、晶胞大小、晶胞中原子數(shù)及其位置等由于這些參數(shù)的不同使其X射線衍射花樣有所差異。物質(zhì)的種類很多但卻找不到兩種衍射花樣完全相同的物質(zhì)。多晶體衍射線條的數(shù)目、位置及其強度就像人的指紋一樣是每種物質(zhì)的特征因而成為鑒別物相的標(biāo)志。若將幾種物相混合則所得衍射線是各物相衍射結(jié)果的簡單迭加。根據(jù)這一原理可從混合物的衍射花樣中將各物相一一確定。

若事先做出大量標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射圖樣則物相分析就變成了將待測樣圖樣和標(biāo)準(zhǔn)圖樣進(jìn)行對照的過程(實際工作中經(jīng)常遇到的就是這一過程)。物相定性分析的目的是確定材料中的物相組成采用未知材料衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)衍射圖譜相比較的辦法。如果二者衍射圖譜相同即可確定二者為同一物相。如果材料為多相混合試樣時衍射線條譜多譜線可能發(fā)生重疊，這時就需要根據(jù)強度分解組合衍射圖譜來確定。

1969年起，由ASTM和英、法、加拿大等國家的有關(guān)協(xié)會組成國際機構(gòu)的“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會”，負(fù)責(zé)卡片的搜集、校訂和編輯工作，所以，以后的卡片成為粉末衍射卡（the

Powder

Diffraction

File），簡稱PDF卡，或稱JCPDS卡（the

Joint

Committee

on

Powder

Diffraction

Standard）。常用的有兩種：數(shù)字索引和字母索引。（2）定量分析

物相定量分析就是確定材料中各組成相的相含量。常用的定量分析方法有外標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法、K值法及參比強度法等。物相定量分析的依據(jù)是：待測相的X射線衍射強度與該相在試樣中的含量成正比與多相混合試樣的質(zhì)量吸收系數(shù)成正比。1.1.2應(yīng)力的測定X射線殘余應(yīng)力測定方法也是一種間接方法，它是根據(jù)衍射線條的θ角變化或衍射條形狀或強度的變化來測定材料表層微小區(qū)域的應(yīng)力。X射線測定應(yīng)力以衍射花樣特征的變化作為應(yīng)變的量度。宏觀應(yīng)力均勻分布在物體中較大范圍內(nèi)，產(chǎn)生的均勻應(yīng)變表現(xiàn)為該范圍內(nèi)方向相同的各晶粒中同名晶面間距變化相同，導(dǎo)致衍射線向某方向位移，這就是X射線測量宏觀應(yīng)力的基礎(chǔ)；微觀應(yīng)力在各晶粒間甚至一個晶粒內(nèi)各部分間彼此不同，產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變表現(xiàn)為某些區(qū)域晶面間距增加、某些區(qū)域晶面間距減少，結(jié)果使衍射線向不同方向位移，使其衍射線漫散寬化，這是X射線測量微觀應(yīng)力的基礎(chǔ)。超微觀應(yīng)力在應(yīng)變區(qū)內(nèi)使原子偏離平衡位置，導(dǎo)致衍射線強度減弱，故可以通過X射線強度的變化測定超微觀應(yīng)力?！?】測定應(yīng)力一般用衍射儀法。X射線法也有許多不足之處：測試設(shè)備費用昂貴；受穿透深度所限，只能無破壞地測表面應(yīng)力，若測深層應(yīng)力，也需破壞試樣；當(dāng)被測工件不能給出明確的衍射線時，測量精確度不高。能給出明確衍射峰的試樣，其測量誤差約為±2×107Pa(±2kgf/mm2)；試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高；大型零件不能測試；運動狀態(tài)中的瞬時應(yīng)力測試也有困難。1.1.3點陣常數(shù)的精確測定點陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測定點陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點陣常數(shù)的測定是通過X射線衍射線的位置（θ）的測定而獲得的，通過測定衍射樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點陣常數(shù)值?！?】應(yīng)用高分辨X射線衍射（HRXRD+TAXRD）技術(shù)對外延生長的SrTiO3膜進(jìn)行了分析，獲得了有關(guān)該薄膜的晶體取向、襯底的結(jié)構(gòu)特性以及弛豫態(tài)的點陣常數(shù)等信息。1.1.4晶粒尺寸的測定若多晶材料的晶粒無畸變、足夠大，理論上其粉末衍射花樣的譜線應(yīng)特別鋒利，但在實際實驗中，這種譜線無法看到。這是因為儀器因素和物理因素等的綜合影響，使純衍射譜線增寬了。純譜線的形狀和寬度由試樣的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶體點陣中的主要缺陷決定，故對線形作適當(dāng)分析，原則上可以得到上述影響因素的性質(zhì)和尺度等方面的信息。X射線衍射線形與晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在晶粒尺寸衍射線形和微應(yīng)變衍射線形可由Voigt函數(shù)近似描述的前提下，由X射線衍射線形分析可獲取晶粒尺寸和位錯等微觀結(jié)構(gòu)信息【3】。1.1.5單晶取向測定晶體取向的測定是指測定晶體樣品中晶體取向與樣品外觀坐標(biāo)系的位相關(guān)系,又稱為單晶定向。單晶取向的測定就是找出晶體樣品中晶體學(xué)取向與樣品外坐標(biāo)系的位向關(guān)系【4】。雖然可以用光學(xué)方法等物理方法確定單晶取向，但X衍射法不僅可以精確地單晶定向，同時還能得到晶體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的信息。一般用勞埃法單晶定向，其根據(jù)是底片上勞埃斑點轉(zhuǎn)換的極射赤面投影與樣品外坐標(biāo)軸的極射赤面投影之間的位置關(guān)系。但如果試樣中存在殘余應(yīng)力，可能影響勞埃斑點的分布，且需要借助吳氏網(wǎng)來測量晶體的空間取向，沖洗底片麻煩，周期長，對大量測量取向不太適用。四圓衍射儀法需逐點收集衍射數(shù)據(jù)，速度慢且靈敏度低。電子背散射衍射可進(jìn)行不同晶粒取向的測量，對微區(qū)進(jìn)行織構(gòu)分析，并能得到取向在顯微組織中的分布,但是目前國內(nèi)大專院校和研究院所應(yīng)用的還不是很多，且使用費用昂貴。所以一種改進(jìn)的X射線衍射法出現(xiàn)了，它具有速度快、成本低、測量精確等特點，能精確測定單晶高溫合金的取向。1.2X射線衍射法的發(fā)展趨勢X射線法的新發(fā)展，金屬X射線衍射分析法由于設(shè)備和技術(shù)的普及,已逐步變成金屬研究、有機材料和納米材料測試的常規(guī)方法，且還用于動態(tài)測量。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數(shù)器衍射儀法具有快速、強度測量準(zhǔn)確，并可配備計算機控制等優(yōu)點，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉(zhuǎn)陽極X射線發(fā)生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測器的出現(xiàn)以及電子計算機分析的應(yīng)用，使金屬X射線學(xué)獲得新的推動力。這些新技術(shù)的結(jié)合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進(jìn)行瞬時的動態(tài)觀察以及對更為微弱或精細(xì)效應(yīng)的研究。

雖然目前X射線衍射法檢測普通碳鋼材料的殘余應(yīng)力已非常成熟,但對于像鋁合金、不銹鋼、鈦合金等存在大晶?；蚩棙?gòu)組織的材料檢測方法還不成熟,有待于進(jìn)一步的研究。2材料電子顯微分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢材料的組織形貌觀察,主要是依靠顯微鏡技術(shù),光學(xué)顯微鏡是在微米尺度上觀察材料的普及方法。掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡則把觀察的尺度推進(jìn)到納米的層次。場離子顯微鏡(FIM)、掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(SFM),克服了透射電子顯微鏡景深小、樣品制備復(fù)雜等缺點,可以在三維空間達(dá)到原子分辨率。近年來一種以X射線光電子能譜、俄歇電子能譜和低能離子散射譜儀為代表的分析系統(tǒng),已成為從生物材料、高分子材料到金屬材料的廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行表面分析的不可缺少的工具之一。2.1透射電子顯微鏡2.1.1透射電子顯微（TEM）分析的應(yīng)用現(xiàn)狀透射電子顯微鏡,是以波長極短的電子束作為照明源,用電磁透射聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。它由電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、電源和控制系統(tǒng)(包括電子槍高壓電源、透鏡電源、控制線路電源等)、真空系統(tǒng)3部分組成。分辨本領(lǐng)和放大倍數(shù)是透射電子顯微鏡的兩項主要性能指標(biāo),它體現(xiàn)了儀器顯示樣品顯微組織和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力【5】。電鏡主要性能指標(biāo)的分辨率現(xiàn)已由當(dāng)初的約50nm提高到今天的0.1～0．2nm的水平，它的應(yīng)用幾乎已擴展到包括材料科學(xué)、地質(zhì)礦物和其他固體科學(xué)以及生命科學(xué)在內(nèi)的所有科學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)成為人類探索客觀物質(zhì)世界微觀結(jié)構(gòu)奧秘的強有力的手段。現(xiàn)代自然科學(xué)領(lǐng)域的所有重大成就，幾乎都包含著電子顯微技術(shù)的貢獻(xiàn)。2.1.1.1表面形貌觀察

由于電子束穿透樣品的能力低，因此要求所觀察的樣品非常薄，對于透射電鏡常用75～200kV加速電壓來說，樣品厚度控制在100～200nm。復(fù)型技術(shù)是制備這種薄樣品的方法之一，而用來制備復(fù)型的材料常選用塑料和真空蒸發(fā)沉積碳膜，它們都是非晶體。復(fù)型技術(shù)只能對樣品表面形貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭示晶體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)等信息，受復(fù)型材料本身尺寸的限制，電鏡的高分辨本領(lǐng)不能得到充分發(fā)揮，萃取復(fù)型雖然能對萃取物相作結(jié)構(gòu)分析，但對基體組織仍然是表面形貌的復(fù)制。而由金屬材料本身制成的金屬薄膜樣品則可以最有效地發(fā)揮電鏡的極限分辨本領(lǐng)；

能夠觀察和研究金屬及其合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，成像及電子衍射的研究，把形貌信息與結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系起來；能夠進(jìn)行動態(tài)觀察，研究在溫度改變的情況下相變的形核長大過程，以及位錯等晶體缺陷在應(yīng)力下的運動與交互作用。復(fù)型技術(shù)和薄膜樣品的形貌觀察。2.1.1.2納米材料分析

現(xiàn)在納米材料(陶瓷、金屬及有機物)、納米粉體、納米涂層、碳納米管、薄膜材料、半導(dǎo)體芯片線寬測量等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。即使一般材料研究，要得到更多顯微結(jié)構(gòu)信息的高分辨率照片，也需要場發(fā)射TEM。

2.1.1.3晶體缺陷分析

A1、O、SiC陶瓷中納米SiC對基體A1、O的強化作用體現(xiàn)在：(1)固定晶界(A，B)，控制晶體異常增大，并使晶界中液相強度增加；(2)釘扎位錯強化基體(c，D)，復(fù)合陶瓷內(nèi)裂紋傳播的透射電子顯微像和高分辨透射電子顯微像，裂紋沿箭頭所示的晶界和界面行進(jìn)。在沿箭頭行進(jìn)的裂紋的前端的Si，N。晶粒內(nèi)有晶格變形，這些形變導(dǎo)致能量損失，使復(fù)合陶瓷增韌。

2.1.1.4化學(xué)熱處理滲層組織觀察

在電鏡下觀察化學(xué)熱處理零件的滲層組織與測量其層深是十分有效的。但由于復(fù)型樣品邊緣碳膜折迭、破碎、卷曲，往往不容易得到完整的表層復(fù)型。為了得到較為完整的滲層復(fù)型，在制備金相試樣時將表層緊緊貼夾銅片，鎳片或環(huán)氧樹脂，然后磨、拋光、腐蝕并將其制成復(fù)型樣品。在觀察時只要找到銅或鎳的復(fù)型就可找到滲層的最表層，因而能夠觀察從表面到心部組織變化和測量其層深。

2.1.1.5萃取復(fù)型的應(yīng)用

應(yīng)用萃取復(fù)型技術(shù)可觀察夾雜物或第二相粒子的大小、形態(tài)、分布以及通過衍射研究它們的點陣類型和晶體結(jié)構(gòu)。在任何一種合金鋼中都或多或少地存在著一些非金屬夾雜物。在外力作用下由于它們和基體之間性能上的差異，一般常在它們和基體的界面處產(chǎn)生很大應(yīng)變，隨之形成微裂紋，在材料斷裂后，它們一般還保留在斷口表面上，用光學(xué)顯微鏡無法查出小尺寸夾雜物。用萃取復(fù)型方法萃取到斷口復(fù)型上，在觀察形貌的同時就可以利用電子衍射技術(shù)對它們進(jìn)行物相鑒定，即定出它們的晶體結(jié)構(gòu)。

這樣就會很容易地把造成斷裂的夾雜物大小、分布和結(jié)構(gòu)查出來。如果在透射電鏡上再配合能譜儀還可查出夾雜物的成分。2.1.2透射電子顯微分析的發(fā)展趨勢

今后TEM的發(fā)展趨勢有三個方面：

第一，TEM本體硬件的進(jìn)一步發(fā)展。從TEM的發(fā)展歷史來看，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種新技術(shù)被應(yīng)用于TEM的制作工藝中，從而導(dǎo)致TEM硬件性能的不斷改善。20世紀(jì)30年代末期發(fā)明的第一代TEM的分辨率只有3nm，到了50年代達(dá)到優(yōu)于1nm，而在90年代一些特制的TEM更達(dá)到了0．1nm。我們有理由相信在制作TEM硬件方面的進(jìn)步將持續(xù)下去。這種進(jìn)步將表現(xiàn)為新一代TEM的性能越來越好，使用越來越方便，對于操作人員的要求越來越簡單。

第二，TEM所屬附件的進(jìn)一步發(fā)展。早期TEM作為一種高分辨率、高倍率的顯微鏡，只是光學(xué)顯微鏡的一個技術(shù)延伸。但隨著電子顯微學(xué)理論和實踐的不斷發(fā)展、積累，人們發(fā)現(xiàn)、開發(fā)了TEM的許多新功能，使TEM成為了一種綜合性分析儀器。直到最近，一些新的TEM附件還在不斷地被發(fā)明出來。比如，圖像過濾器就是近十年來開發(fā)出來的新附件。在未來的年代里，我們依然有理由期待一些更新、更好、更易操作的附件被發(fā)明出來，從而為TEM增加新功能，或進(jìn)一步提高TEM的現(xiàn)有功能和分析測試精度。

第三，隨著現(xiàn)在計算機科學(xué)的迅速進(jìn)步，作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)分析器的TEM也越來越依賴于計算機的使用。事實上，TEM硬件的進(jìn)步是與計算機控制系統(tǒng)的不斷進(jìn)步無法斷然分開的。但是，即使今天我們對于TEM的實驗結(jié)果也還需要使用大量的人力進(jìn)行分析。在這一方面我們完全有理由相信隨著新的電子顯微學(xué)理論的進(jìn)展以及新的計算機軟件開發(fā)的成功，未來對于TEM的實驗結(jié)果分析的自動化程度將進(jìn)一步提高，從而大大提高人們從事TEM的工作效率。2.2掃描電子顯微（SEM）分析2.2.1

掃描電子顯微分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1.1

表面形貌襯度

表面形貌襯度是由于試樣表面形貌差別而形成的襯度。利用對試樣表面形貌變化敏感的物理信號作為顯像管的調(diào)制信號，可以得到形貌襯度圖像【5】。

形貌襯度的形成是由于某些信號，如二次電子、背散射電子等，其強度是試樣表面傾角的函數(shù)，而試樣表面微區(qū)形貌差別實際上就是各微區(qū)表面相對于入射電子束的傾角不同，因此電子束在試樣上掃描時任何兩點的形貌差別，表現(xiàn)為信號強度的差別，從而在圖像中形成顯示形貌的襯度。二次電子像的襯度是最典型的形貌襯度。

掃描電鏡像的襯度來源有三個方面：a)由試樣本身性質(zhì)（表面凸凹不平、成分差別、位向差異表面電位分布）;

b)信號本身性質(zhì)（二次電子、背散射電子、吸收電子）；c)對信號的人工處理。

(1)

斷口分析

斷口分析包括宏觀和微觀分析，通過斷口分析可以揭示斷裂機理，判斷斷裂性質(zhì)及原因，裂紋源及走向；還可觀察斷口中的外來物或夾渣物。由于掃描電鏡的特點，使其在現(xiàn)有的斷裂分析方法中占有突出地位。(2)

材料表面組織形態(tài)觀察

由于可以借助掃描電鏡景深大的特點，可以觀察表面顯微組織、第二相的立體形態(tài)、元素的分布以及各種熱處理過程缺陷

磨損表面形貌觀察

納米結(jié)構(gòu)材料形態(tài)觀察

生物樣品的形貌觀察2.2.1.2原子序數(shù)襯度及應(yīng)用

原子序數(shù)襯度是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)（或化學(xué)成分）差別而形成的襯度。利用對試樣表面原子序數(shù)（或化學(xué)成分）變化敏感的物理信號作為顯像管的調(diào)制信號，可以得到原子序數(shù)襯度圖像。

背散射電子像、吸收電子像的襯度都含有原子序數(shù)襯度，而特征X射線像的襯度就是原子序數(shù)襯度。

背散射電子能量較高．離開樣品表面后沿直線軌跡運動。故檢測到的信號強度遠(yuǎn)低于二次電子，因而粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。為此，對于顯示原子序數(shù)襯度的樣品，應(yīng)進(jìn)行磨平和拋光，但不能浸蝕。樣品表面平均原子序數(shù)大的微區(qū)，背散射電子信號強度較高，而吸收電子信號強度較低，因此，背散射電子像與吸收電子像的襯度正好相反?？梢愿鶕?jù)背散射電子像的亮暗襯度來判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對高低，對金屬及其合金進(jìn)行顯微組織分析。2.2.2掃描電子顯微分析的發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)的發(fā)展，掃描電鏡被廣泛的應(yīng)用于生活的各個角落，但就目前的研究而言，單純以電鏡應(yīng)用為主的論文少了，以綜合應(yīng)用課題為中心的論文多了。另外，在應(yīng)用的研究技術(shù)方面，除了顯微學(xué)技術(shù)外，還包括細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和其他生命科學(xué)技術(shù)。目前，免疫細(xì)胞化學(xué)結(jié)合激光共焦顯微鏡和電鏡技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛。這種技術(shù)的結(jié)合在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用非常普遍，能解決很多實際問題。例如，光鏡和電鏡原位雜交技術(shù)已從技術(shù)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。如果把電子顯微鏡和共聚顯微鏡有機結(jié)合應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)研究中，相互取長補短，互為補充，一定會取得很好的效果【6】。3電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢3.1

俄歇電子能譜分析3.1.1俄歇電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，在材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，許多金屬和合金晶界脆斷、蠕變、腐蝕、粉末冶金、金屬和陶瓷的燒結(jié)、焊接和擴散連接工藝、復(fù)合材料以及半導(dǎo)體材料和器件的制造工藝等，都是俄歇譜儀應(yīng)用的十分活躍的方面。

通過正確測定和解釋AES的特征能量、強度、峰位移、譜線形狀和寬度等信息，能直接或間接地獲得固體表面的組成、濃度、化學(xué)狀態(tài)等多種情報。【7】

3.1.1.1定性分析

定性分析主要是利用俄歇電子的特征能量值來確定固體表面的元素組成。能量的確定在積分譜中是指扣除背底后譜峰的最大值，在微分譜中通常規(guī)定負(fù)峰對應(yīng)的能量值。習(xí)慣上用微分譜進(jìn)行定性分析。

元素周期表中由Li到U的絕大多數(shù)元素和一些典型化合物的俄歇積分譜和微分譜已匯編成標(biāo)準(zhǔn)AES手冊.因此由測得的俄歇譜來鑒定探測體積內(nèi)的元素組成是比較方便的。下圖為典型的輕元素俄歇微分譜線的能量標(biāo)度和線形。上排是輕元素的KLL譜，譜線較簡單。下排是較重元素的LMM譜?？梢姡S著Z的增加，俄歇譜線變得復(fù)雜并出現(xiàn)重疊。當(dāng)表面有較多元素同時存在時，這種重疊現(xiàn)象會增多。如Cr與O,

F、Fe和Mn，Cu和Ni等?？梢圆捎米V扣除技術(shù)進(jìn)行解決（扣除相同測試條件下純元素的譜線）。

在與標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對照時，除重疊現(xiàn)象外還需注意如下情況：

①由于化學(xué)效應(yīng)或物理因素引起峰位移或譜線形狀變化引起的差異；

②由于與大氣接觸或在測量過程中試樣表面被沾污而引起的沾污元素的峰。

3.1.1.2微區(qū)分析

上面利用俄歇能譜面分布或線分布進(jìn)行的分析就是微區(qū)分析。

3.1.1.3狀態(tài)分析

對元素的結(jié)合狀態(tài)的分析稱為狀態(tài)分析。AES的狀態(tài)分析是利用俄歇峰的化學(xué)位移，譜線變化（包括峰的出現(xiàn)或消失），譜線寬度和特征強度變化等信息。根據(jù)這些變化可以推知被測原子的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)。一般而言，由AES解釋元素的化學(xué)狀態(tài)比XPS更困難。實踐中往往需要對多種測試方法的結(jié)果進(jìn)行綜合分析后才能作出正確的判斷。

3.1.1.4深度剖面分析

利用AES可以得到元素在原子尺度上的深度方向的分布。為此通常采用惰性氣體離子濺射的深度剖面法。由于濺射速率取決于被分析的元素，離子束的種類、入射角、能量和束流密度等多種因素，濺射速率數(shù)值很難確定，一般經(jīng)常用濺射時間表示深度變化。

3.1.1.5界面分析

用AES研究元素的界面偏聚時，首先必須暴露界面（如晶界面，相界面，顆粒和基體界面等等。一般是利用樣品沖斷裝置，在超高真空中使試樣沿界面斷裂，得到新鮮的清潔斷口，然后以盡量短的時間間隔，對該斷口進(jìn)行俄歇分析。

對于在室溫不易沿界面斷裂的試樣，可以采用充氫、或液氮冷卻等措施。如果還不行，則只能采取金相法切取橫截面，磨平，拋光或適當(dāng)腐蝕顯示組織特征，然后再進(jìn)行俄歇圖像分析。

3.1.1.6定量分析

AES定量分析的依據(jù)是俄歇譜線強度。表示強度的方法有：在微分譜中一般指正、負(fù)兩峰間距離，稱峰到峰高度，也有人主張用負(fù)峰尖和背底間距離表示強度。

3.1.2

俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢

三十多年的來，俄歇電子能譜無論在理論上和實驗技術(shù)上都已獲得了長足的發(fā)展。俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域已不再局限于傳統(tǒng)的金屬和合金，而擴展到現(xiàn)代迅猛發(fā)展的納米薄膜技術(shù)和微電子技術(shù)，并大力推動了這些新興學(xué)科的發(fā)展。目前AES分析技術(shù)已發(fā)展成為一種最主要的表面分析工具。在俄歇電子能譜儀的技術(shù)方面也取得了巨大的進(jìn)展。在真空系統(tǒng)方面已淘汰了會產(chǎn)生油污染的油擴散泵系統(tǒng)，而采用基本無有機物污染的分子泵和離子泵系統(tǒng)，分析室的極限真空也從10-8Pa提高到10-9Pa量級。在電子束激發(fā)源方面，已完全淘汰了鎢燈絲，發(fā)展到使用六硼化錸燈絲和肖特基場發(fā)射電子源，使得電子束的亮度，能量分辨率和空間分辨率都有了大幅度的提高?，F(xiàn)在電子束的最小束斑直徑可以達(dá)到20nm，使得AES的微區(qū)分析能力和圖象分辨率都得到了很大的提高。

AES具有很高的表面靈敏度，其檢測極限約為10-3原子單層，其采樣深度為1～2nm，比XPS還要淺。更適合于表面元素定性和定量分析，同樣也可以應(yīng)用于表面元素化學(xué)價態(tài)的研究。配合離子束剝離技術(shù)，AES還具有很強的深度分析和界面分析能力。

其深度分析的速度比XPS的要快得多，深度分析的深度分辨率也比XPS的深度分析高得多。常用來進(jìn)行薄膜材料的深度剖析和界面分析。此外，AES還可以用來進(jìn)行微區(qū)分析，且由于電子束束斑非常小，具有很高的空間分別率?？梢赃M(jìn)行掃描和微區(qū)上進(jìn)行元素的選點分析，線掃描分析和面分布分析。因此，AES方法在材料，機械，微電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其是納米薄膜材料領(lǐng)域。3.2X射線光電子能譜的分析3.2.1X射線光電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前X射線光電子能譜分析主要用在元素的定性分析、元素的定量分析、固體的表面分析、化合物的結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)中的應(yīng)用。3.2.1.1元素的定性分析

實際樣品的光電子譜圖是樣品所含元素的譜圖的組合。根據(jù)對樣品進(jìn)行全掃描獲得的光電子譜圖中峰的位置和形狀，與手冊提供的純元素的標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對比，既可以分析樣品所包含的元素種類，及進(jìn)行定性分析。一般的分析是，首先識別最強譜線，然后，找出被識別出的元素的其它次強譜線，并將識別出的譜線標(biāo)示出來。與俄歇電子能譜儀的定性分析過程基本相同，光電子譜的定性分析也可由能譜儀中的計算機軟件來自動完成。但對某些重疊峰和微量元素弱峰需通過人工分析來進(jìn)一步確定。3.2.1.2

元素的定量分析

定量分析是根據(jù)光電子的信號強度與樣品表面單位體積的原子數(shù)成正比，通過測得的光電子信號的強度來確定產(chǎn)生光電子的元素在樣品表面的濃度。

XPS的定量分析與俄歇普的定量分析有不少共同之處。主要也是采用相對靈敏度因子法。但是，元素的相對靈敏度因子通常是以F1s譜線強度為基準(zhǔn)，其它元素的最強譜線或次強線與之相比而得。

相對靈敏度因子與俄歇定量相比，X射線光電子譜沒有背散射增強因子這個復(fù)雜因素，也沒有微分譜造成的峰形誤差問題，因此定量結(jié)果的準(zhǔn)確性比俄歇譜好，一放認(rèn)為，其誤差可以不超過20％。3.2.1.3固體的表面分析

固體的表面是指最外層的1~10個原子層，其厚度大概在0.1~1nm，固體的表面存在一個與固體內(nèi)部組織和性質(zhì)不同的相，固體表面分析包括表面的化學(xué)組成或元素組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布，測定表面電子的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等。3.2.1.4

化合物的結(jié)構(gòu)

化學(xué)態(tài)分析是XPS分析中最具特色的分析技術(shù)。它是基于元素形成不同化合物時，其化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，將導(dǎo)致內(nèi)層電子的結(jié)合能發(fā)生變化，在譜圖中產(chǎn)生峰的位移（這種位移稱為化學(xué)位移）和某些峰形的變化，而這種化學(xué)位移和峰形的變化與元素化學(xué)態(tài)的關(guān)系是確定的。據(jù)此，可對元素進(jìn)行化學(xué)態(tài)分析，即確定元素形成哪種化合物。【8】

3.2.1.5

分子生物學(xué)中的應(yīng)用

主要是利用X射線光電子能譜分析來確定維生素B2中的Co的含量。3.2.2

X射線光電子能譜分析的發(fā)展趨勢

隨著電子能譜儀器制造技術(shù)的發(fā)展以及對分析技術(shù)的要求，近年來迅速發(fā)展起來的高靈敏度單色化XPS、小面積XPS或小束斑XPS和成像XPS備受關(guān)注，這些新分析功能在制造水平、性能和功能上都是常規(guī)XPS無法比擬的，是常規(guī)分析的擴展。單色化XPS可提供高能量分辨率，高信背比，選定分析微區(qū)（目前可達(dá)約15μm）內(nèi)XPS信號。成像XPS提供指定分析區(qū)域內(nèi)元素及其化合態(tài)分布的信息圖像。雖然這些微區(qū)分析功能目前在空間分辨率僅能達(dá)到微米級別，遠(yuǎn)不及顯微AES的分辨率，但由于XPS分析的突出的優(yōu)點以及性能的不斷改善。這些功能已廣泛應(yīng)用于材料、薄膜、催化劑、微電子等領(lǐng)域的微分析中，擴充了XPS的應(yīng)用。這三個新功能被認(rèn)為是X光電子能譜儀未來發(fā)展的方向。其中單色化XPS你能準(zhǔn)確、有效地分析選定微區(qū)內(nèi)元素和化合態(tài)，具有很高的靈敏度和能量分辨率。配合離子刻蝕還能準(zhǔn)確、可靠、快速進(jìn)行XPS深度剖析。小面積XPS可分析小范圍內(nèi)的樣品，適合微區(qū)分析、選點分析、