現(xiàn)代分析測試方法基本特點現(xiàn)代分析測試方法分類現(xiàn)代分析測試方法發(fā)展狀況

《現(xiàn)代分析測試方法》簡介1是“物質(zhì)性質(zhì)、物理化學性質(zhì)”分析的工具晶體結(jié)構(gòu);微觀形態(tài);化學成分;化合物結(jié)構(gòu);表面原子動態(tài)和受激態(tài)分析;表面電子結(jié)構(gòu)分析等；以“基本物理思想及公式”為儀器設計思想

布拉格定律；莫賽來定律；愛因斯坦公式；電磁場理論等；以“大型分析測試儀器實驗”為基礎高靈敏度；高分辨率；高解析度；高度適應空間；獨立實驗室；按“大型分析測試儀器”分類命名

現(xiàn)代分析測試方法基本特點2現(xiàn)代分析測試儀器基本工作模式㈠利用物質(zhì)激發(fā)源為探束㈡激發(fā)樣品（氣、液、固態(tài)）㈢獲得樣品信息（圖像、譜圖等）探測粒子及檢測粒子電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱場和聲波；檢測物理量粒子能量、動量、質(zhì)荷比、束流強度等，出射波的頻率、方向、強度、偏振等；3電子束分析儀器-SEM、TEM、EPMA、AES、LEED、HREEDX射線分析儀器-XPS、XRF、XRD離子源儀器-SIMS、ISS特殊光源儀器-IR、LR、UPS、AAS、ICP-OES、ICP-MS等電子譜—探測粒子或發(fā)射粒子是電子光譜—探測粒子及發(fā)射粒子都是光子離子譜—探測粒子及發(fā)射粒子都是離子光電子譜—探測粒子是光子，發(fā)射粒子是電子按物理類型分類4微觀形貌分析晶體結(jié)構(gòu)分析成分分析化合物結(jié)構(gòu)分析表面原子動態(tài)和受激態(tài)分析表面電子結(jié)構(gòu)分析按檢測性能分類5儀器生產(chǎn)廠家原產(chǎn)國主要產(chǎn)品SHIMADZU島津日本光譜分析/X射線分析/電子光學JEOL日本電子日本電子光學/波譜分析/X射線分析HITACHI日立日本電子光學FEI美國電子光學/微電子產(chǎn)品BRUKER布魯克德國X射線分析/光譜分析/質(zhì)譜分析/波譜分析PNAalytical帕納克荷蘭X射線分析Thermo賽默飛世爾美國光譜分析/質(zhì)譜分析/X射線分析PerkinElmer珀金埃爾默美國光譜分析目前全球大型分析測試儀器重要生產(chǎn)廠家6

配置功能列表接觸式原子力模式（ContactAFM）輕敲模式（TappingMode）掃描隧道顯微鏡(STM)力曲線及力譜線高次諧波共振模式液體環(huán)境的接觸模式和輕敲模式相位成像（Phaseimaging）橫向力顯微鏡(LFM)磁力顯微鏡(MFM)靜電力顯微鏡(EFM)表面電勢顯微鏡(KFM)壓電相應模式（PFM）納米壓痕及納米劃痕（NanoIndentation）納米刻蝕及納米操縱功能

掃描探針顯微鏡系統(tǒng)DimensionICONScanningProbeMicroscope預計試運行日期：2012.4.107X射線光電子能譜儀（XPS）X-rayPhotoElectronSpectrometerConfigurationandQuotation：ESCALAB250XITHERMOFISHER,USA預計試運行日期：2012.5.20一、主要技術指標

能量范圍：0～5,000eV

AlKα單色化XPS

大束斑：Ag3d5/2（FWHM＝0.50eV）

強度≥400kcps；

20μm束斑：Ag3d5/2（FWHM＝0.45eV）

強度≥0.5kcps；

Mg/Al雙陽XPS

大束斑：Ag3d5/2（FWHM＝0.8eV）

強度大于650kcps；

快速平行成像

Ag3d5/2線掃描最佳空間分辨率3μm；二、主要功能配置

微聚焦單色化XPS

俄歇電子能譜AES

紫外光電子能譜UPS

離子散射譜ISS

反射電子能量損失譜REELS

樣品預處理，包括離子清潔、多層樣品臺8掃描電子顯微鏡（SEM）ScanningElectronMicroscope：QuantaTM250FEI,USA

運行日期：2011.5.10一、主要技術指標

高真空模式分辨率：≤3.0nm@30kV(SE)

≤4.0nm@30kV(BSE)

≤8nm@3kV(SE)

低真空模式分辨率：≤3.0nm@30kV(SE)

≤4.0nm@30kV(BSE)

≤10.0nm@3kV(SE)

環(huán)境真空模式分辨率：≤3.5nm@30kV(SE)

放大倍數(shù)：6x～1,000,000X

加速電壓：0.2kV－30KV

二、主要功能配置

SEI圖像模式

BEI圖像模式

X射線顯微分析模式

真空轉(zhuǎn)換：高真空／低真空／超低真空

電制冷冷臺系統(tǒng)：-20℃-60℃

熱臺系統(tǒng)：最高溫度1500℃三、主要適用學科礦業(yè)工程、安全技術及工程、礦物加工工程、礦產(chǎn)普查與勘探、巖土工程、土木工程、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、礦物材料工程、材料科學與工程、化學工程與技術、環(huán)境科學與工程等

9該章節(jié)講述的重點內(nèi)容：1、顯微鏡的成像方式：放大原理/變倍操作/主要技術指標2、主要工作模式：儀器基本結(jié)構(gòu)/儀器主要機型/主要工作模式3、主要應用技術：分析樣品類型/圖像的解讀/主要應用技術.第一章超顯微分析方法

(SEM/TEM/SPM)10光學顯微鏡與超顯微系統(tǒng)對比1、放大空間（分辨率）2、分析功能（圖像物理意義）透射電子顯微術：1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息（TEM/STEM)2、晶體結(jié)構(gòu)信息（SAD/BF/DF)；3、化學成分分布信息（EDX/STEM)

掃描電子顯微術：1、表層形態(tài)學信息(SEI/BEI)；

2、表層成分分布信息(BEI/EDX/WDX)掃描探針顯微術：1、表面原子級結(jié)構(gòu)信息（三維定量）；

2、納米加工及原子操縱技術；

11掃描電子顯微鏡成像方式掃描電子顯微鏡主要工作模式掃描電子顯微鏡主要應用技術掃描電子顯微分析方法特點第一節(jié)掃描電子顯微分析方法(SEM）12掃描電子顯微鏡成像方式一、掃描電子顯微鏡放大原理二、掃描電子顯微鏡主要技術指標13觀察照相陰極射線管聚光鏡放大控制掃描放大器掃描發(fā)生器樣品電子收集器光電倍增器視頻放大電子槍和高壓電源掃描電子顯微鏡成像方式鏡筒設計無需機械調(diào);電磁式對中的中間鏡系統(tǒng)多種掃描模式:高分辨率模式,景深模式,視野模式，大視野模式，搖擺電子束模式14電子槍試樣信號探測器（電子檢測器/X射線檢測器）信號放大處理系統(tǒng)熒光屏（觀察屏/記錄屏）同步掃描系統(tǒng)掃描電子顯微鏡放大原理15在樣品表面掃描振幅ASAC在陰極射線管上掃描振幅M=Ac/As放大倍數(shù)取決于入射電子束在樣品上的掃描振幅主要性能一：放大倍數(shù)16

D0=兩亮區(qū)之間的最小暗間隙寬度/放大倍數(shù)影響分辨率D0的主要因素：束斑直徑，電子束擴展體積，操作方式，信噪比，樣品；主要性能二：分辨率17目前SEM分辨率指標（低壓下優(yōu)異的性能）

高真空分辨率3nm@30kV二次電子像；8nm@3kV二次電子像；4nm@30kV背散射電子像；

低真空分辨率3nm@30kV二次電子像；10nm@3kV二次電子像4nm@30kV背散射電子像

環(huán)掃分辨率3nm@30kV二次電子像18掃描電鏡儀器基本結(jié)構(gòu)目前掃描電鏡主要機型掃描電鏡主要工作模式掃描電子顯微鏡主要工作模式真空系統(tǒng)：高真空/低真空/環(huán)境；電子光學系統(tǒng)：電子槍，會聚透鏡；掃描系統(tǒng)：掃描信號發(fā)生器，放大控制器，掃描線圈；信號檢測放大系統(tǒng)：電子檢測器—二次電子、背散射電子檢測，X射線檢測器；電源系統(tǒng)：穩(wěn)壓電路、控制電路、安全保護電路；圖像顯示記錄系統(tǒng)19熱發(fā)射和場發(fā)射陰極的性能比較熱發(fā)射場發(fā)射WLaB6W功函數(shù)φ（eV）4.52.74.5發(fā)射電流密度jc（Acm-2）1～325104～106A總發(fā)射電流I（μA）10～10010～1001～10工作溫度Tc（K）28001400～20001000槍亮度β（Acm-2sr-1）5×104（E=10keV）1～5×105（100keV）3×105（15keV）5×107～5×108（20keV）2×108～2×109（100keV）交叉斑直徑dc（μm）20～50（發(fā)叉式）10～30（點陰極）10～205×10-3～10×10-3能量分散△E（eV）1～20.5～20.2～0.4壽命（h）25150～200工作真空度（Pa）10-2～10-310-3～10-410-7～10-820(a)傳統(tǒng)型透鏡設計特點：試樣是放在物鏡外的下方位置，且處于物鏡磁場的作用范圍外→可觀察任何性質(zhì)試樣，試樣尺寸不受限制，圖像的分辨率較差；

(b)半浸沒型透鏡設計特點：試樣也是放在物鏡外的下方位置，試樣的尺寸不受限制，但試樣上半部浸沒在物鏡的磁場作用范圍內(nèi)，不宜觀察鐵磁性的試樣；

(c)浸沒型透鏡設計特點：試樣是放在物鏡內(nèi)部的內(nèi)焦平面上，可以獲得最佳的圖像分辨率。由于整個試樣是浸沒在物鏡的磁場作用范圍內(nèi)，不能觀察鐵磁性質(zhì)的試樣，試樣尺寸受物鏡內(nèi)腔空間限制；限制分辨率的關鍵部件—物鏡21大樣品導航－導航蒙太奇（FEI技術)可以確保在相當?shù)偷姆糯蟊稊?shù)下樣品導航以快速找到感興趣區(qū)域可以用任何探頭對整個樣品臺區(qū)域成像！

系統(tǒng)自動收集一系列圖像并拼接。這個拼接的圖像被置于一個窗口并用于導航221、背散射電子：被固體原子反射回來的一部分入射電子（初級背散射）；2、二次電子：單電子激發(fā)過程中轟擊出的核外電子（大部分來自價電子電離）3、吸收電子：入射電子與樣品中原子核等多次非彈性散射后被吸收的電子；4、透射電子：樣品的厚度小于全吸收厚度時穿透樣品的入射電子；5、陰極熒光：物質(zhì)的價電子受激態(tài)后直接釋放的可見光信號（絕緣體樣品）；6、特征X射線：原子的內(nèi)層電子受激后躍遷時直接釋放的具特征的電磁波輻射；7、俄歇電子：處于激發(fā)態(tài)的原子體系釋放能量時發(fā)射的具特征的俄歇電子；電子束激發(fā)→主要物理信號主要工作模式：1、二次電子像模式（SEI）

2、背散射電子像模式（BEI）

3、特征X射線分析模式（EDX/WDX)23二次電子來源區(qū)域（50-100A）背散射電子來源區(qū)域（50-1000A）俄歇電子來源區(qū)域（5-20A）電子漫散射深度電子有效作用深度電子作用深度E=0入射電子束初級X射線激發(fā)體積E=EC檢測信號來源空間24礦大ESEM探測器配置—FEI方案E-T二次電子探頭（高真空下使用）大視場低真空二次電子探頭（低真空下使用）氣體二次電子探頭（環(huán)境真空下使用）2個高靈敏低電壓固體背散射探頭（高低真空使用）EDS探測器（德國布魯克技術）紅外CCD探頭4軸馬達驅(qū)動系統(tǒng)（同時保留手動）無水電制冷冷臺（–5to60°C）25高真空二次電子檢測方法常規(guī)二次電子探頭結(jié)構(gòu)：收集柵→閃爍器→光導管→光電倍增管；原理與結(jié)構(gòu)缺陷：探頭含裸露的高壓元件→高真空環(huán)境；光電倍增管對光、熱信號敏感→限制照明器、發(fā)熱發(fā)光樣品；絕緣試樣荷電累積→特殊制樣；26掃描電子顯微鏡主要應用技術掃描電鏡分析樣品類型：導體、絕緣體、生物體；掃描電鏡圖像的解讀：SE/BE產(chǎn)額的影響因素；與實空間的對應;掃描電鏡主要實驗技術：蒙太奇導航技術；顯微定量技術；3D技術；冷熱臺模擬技術；動態(tài)分析技術；遠程控制技術；27目前掃描電鏡主要類型常規(guī)掃描電鏡（掃描）高分辨率肖特基場發(fā)射電子顯微鏡（FE-SEM))超大試樣室等應用型掃描電鏡低真空/高真空環(huán)境掃描電鏡LV-ESEM28主要規(guī)格及分辨率:保證0.6nm（加速電壓30kV）；保證1.0nm(加速電壓15kv)

；保證2.2nm(加速電壓1kv)；加速電壓:0.5～30kv；半浸沒物鏡

放大率:x100～650,000(SEM模態(tài))x25～19,000(LM模態(tài))試樣室:200mm試樣用大型試樣室場發(fā)射掃描高分辨掃描電鏡—JEOL技術29

MIRA/VEGAAMU超大樣品室加速電壓：0.3kV～20kV；分辨本領：4nm；被檢物最大尺寸：直徑700mm，高600mm，長1400mm；最大重量：300公斤；真空室：長1400，寬1100和高1200mm。應用：工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理，微機加工和工藝品的檢查、考古研究等。30高真空模式

—導電樣品：包括金屬和表面噴鍍處理后的樣品低真空模式

(10–130Pa)—不導電樣品：包括高分子，塑料，纖維，粉末，紙，陶瓷，木頭，油漆，頭發(fā)，昆蟲，玻璃，礦物等環(huán)境掃描模式

(130–2600Pa)：針對生物樣品，濕樣品，臟的和含油樣品，排氣強烈的材料，以及動態(tài)實驗如加熱，冷卻，拉伸等低真空—環(huán)境掃描電鏡311、在常規(guī)SEM的電子檢測器中，二次電子的運動軌跡是（曲線/拋物線）；背散射電子的運動軌跡是（直線）；（SE/二次電子）圖像的分辨率高于（BE/背散射電子圖像）。2、與常規(guī)SEM相比，ESEM的主要改進技術是（多重限壓光闌技術/變真空技術）和（環(huán)境二次電子探頭技術/二次電子檢測技術）；其分析試樣可在（低真空/環(huán)境真空/實空間下）保持（自然/原始/實時狀態(tài)）狀態(tài)觀察。3、評價TEM的主要性能指標是（加速電壓）、（放大倍率）、（晶格分辨率）和（點分辨率）。4、TEM中電子槍的（加速電壓、亮度）特性是圖像分辨率的重要保證；透射電子顯微鏡的心臟是（成像系統(tǒng)）；在TEM的成像系統(tǒng)中，第一中間鏡又被稱為（衍射透鏡）；調(diào)節(jié)第一中間鏡的（物平面）與物鏡的（像平面/后焦面）重合，在熒光屏上可以獲得晶體結(jié)構(gòu)的（形態(tài)學信息/衍射圖像信息）。5、在電子顯微分析儀器中，掃描電子顯微鏡的橫向分析空間一般是（nm～μm（毫米）），縱向分析空間一般是(5～100nm）；透射電子顯微鏡的橫向分析空間一般是（?～nm（微米）），縱向分析空間一般是(＜100nm）?！冬F(xiàn)代分析測試方法》隨堂作業(yè)一32掃描探針顯微鏡(SPM)的發(fā)展歷史掃描隧道顯微鏡(STM)1982年，由Binnig,Rohrer,Gerber

和Weibel在IBM發(fā)明。(Binnig和Rohrer為1986年諾貝爾物理獎獲得者)原子力顯微鏡(AFM)1986年，在IBM和斯坦福大學的一項合作項目中由Binnig,Quate

和Gerber發(fā)明。1987年Veeco/DI研制出世界上第一臺商用SPM。制造出世界上第一臺成功的商用STM制造出世界上第一臺成功的商用AFM制造出世界上第一臺達到原子分辨率的AFM制造出世界上第一臺可在液體中掃描的AFM制造出世界上第一臺MFM&EFM制造出世界上第一臺商用電化學AFM/STM制造出V第一臺TunnelingAFM制造出世界上第一臺SCMandSSRM……SPM領域共150多項專利技術33掃描探針顯微鏡(SPM)的主要測量功能二、計量及其它特殊測量功能摩擦力和其它表面力(LFM)

磁場力(MFM)

電場力(EFM)

表面電勢（電壓）溫度(SThM)

材料表面組成（ForceModulation和PhaseImaging）……硬度測試和微載荷壓痕粗糙度電化學反應(ECM)

兩維摻雜剖面(SCM和SSRM)力曲線三、其他功能納米尺度的刻蝕和操縱一、三維成象

樣品表面三維形貌結(jié)構(gòu)（納米至微米尺度的三維測量）34第三節(jié)掃描探針顯微分析方法（SPM）該節(jié)講述的重點內(nèi)容：一、顯微鏡的成像方式：放大（工作）原理二、主要工作模式：主要工作模式三、主要應用技術：主要應用技術.35

配置功能列表接觸式原子力模式（ContactAFM）輕敲模式（TappingMode）掃描隧道顯微鏡(STM)力曲線及力譜線高次諧波共振模式液體環(huán)境的接觸模式和輕敲模式相位成像（Phaseimaging）橫向力顯微鏡(LFM)磁力顯微鏡(MFM)靜電力顯微鏡(EFM)表面電勢顯微鏡(KFM)壓電相應模式（PFM）納米壓痕及納米劃痕（NanoIndentation）納米刻蝕及納米操縱功能掃描探針顯微鏡系統(tǒng)DimensionICONScanningProbeMicroscope預計試運行日期：2012.5.2036基于探針和樣品之間的隧道電流與其距離成指數(shù)關系變化（I~Ve-cd）當探針在樣品表面大約10A距離掃描時，樣品表面高度的變化而導致探針和樣品之間的隧道電流發(fā)生相應變化反饋電路通過控制掃描頭在垂直方向上的移動，使掃描過程中每一點(x,y)上探針和樣品之間的隧道電流保持恒定掃描頭在每一點(x,y)上的垂直位置被記錄，作為樣品表面形貌成象的原始數(shù)據(jù)可以觀察原子的臺階、平臺、原子陣列主要應用于導體和半導體樣品的研究控制器掃描頭探針樣品反饋電路保持隧道電流的恒定掃描隧道顯微鏡(STM)工作原理示意圖37恒流模式：利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。STM基本工作模式一：恒流模式38恒高模式：對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響。STM基本工作模式二：恒高模式39

在微懸臂背面加反射鏡及增加二元位置靈敏光電二極管—將激光束聚焦在微懸臂背面的鏡面上，當微懸臂的針尖在樣品表面掃描時由于表面各處的性質(zhì)不同，相互斥力也不同，導致反射光的偏轉(zhuǎn)量不同，用一個二元的位置靈敏光電二極管測出經(jīng)放大后的不同反射光偏轉(zhuǎn)量，即可得到對應的試樣表面形貌；微懸臂形變的檢測—激光束偏轉(zhuǎn)法反光鏡激光二極管光敏二極管懸臂樣品XYZ管狀壓電掃描器40接觸模式原子力顯微鏡(ContactMode)工作原理示意圖微懸臂及探針樣品光電檢測器激光掃描頭控制器掃描時，探針始終與樣品接觸并簡單地在樣品表面滑動，微懸臂發(fā)生形變，微懸臂形變隨樣品表面性質(zhì)的變化而改變；反饋電路通過控制掃描頭在垂直方向上的移動，使掃描過程中每一點(x,y)上微懸臂的形變保持恒定；掃描頭在每一點(x,y)上的垂直位置被記錄，作為樣品表面形貌成象的數(shù)據(jù)；可在空氣和液體中操作反饋電路保持懸臂梁形變的恒定411、低的力彈性常數(shù)；2、高的力學共振頻率；3、高的橫向剛性；4、短的懸臂長度；5、帶有一個盡可能尖銳的針尖；6、通過光學方法或隧道電流方法檢測傳感器動態(tài)位移；AFM對微懸臂的要求42輕敲模式原子力顯微鏡(TappingMode)工作原理示意圖掃描時，微懸臂在其共振頻率附近振蕩

振幅通常>20nm探針在微懸臂振蕩時間斷地與樣品接觸，微懸臂振蕩幅值隨樣品表面性質(zhì)的變化而改變反饋電路通過控制掃描頭在垂直方向上的移動使掃描過程中每一點(x,y)上微懸臂的振蕩幅值保持恒定掃描頭在每一點(x,y)上的垂直位置被記錄作為樣品表面形貌成象的原始數(shù)據(jù)。可在空氣和液體中操作反饋電路保持懸臂梁振蕩幅值的恒定控制器激光掃描頭微懸臂及探針樣品光電檢測器43表征表面物理特性SPM技術橫向力顯微鏡(LFM)相位成像技術(PhaseImaging)磁場力顯微鏡(MFM)電場力顯微鏡(EFM)表面電勢測試(SP-EFM)力調(diào)制技術(ForceModulation)納米刻蝕(Nano-Indentation/Nano-scratch)力曲線/力譜（ForceCurve/ForceVolume/ForceSpectrum)44橫向力顯微鏡(LFM)原理示意圖通過微懸臂橫向扭轉(zhuǎn)或彎曲來檢測樣品表面上不同組份區(qū)域摩擦特性的變化又稱“摩擦力”顯微鏡45相位成象技術(PhaseImaging)原理示意圖通過微懸臂振動的相角與壓電驅(qū)動信號之間的相位差來檢測材料的粘附力和黏彈性等表面性質(zhì)的不同；可同時觀察到高度形貌圖和相位圖象46力曲線（力譜）的測量

使用探針對樣品進行推/拉操作

探針微懸臂梁產(chǎn)生形變微懸臂梁形變

力:F=kz(Force=springconstantxdisplacement)47闡述定域化學和機械性質(zhì)：微懸臂形變量與微懸臂的彈性系數(shù)乘積得到AFM探測力—具有pN數(shù)量級上的力靈敏度；測量基本力：涉及物理、化學、材料科學和許多其他原理的表面間基本相互作用力—粘附力、彈力、摩擦力等；例如不同體系間的吸引范德華力和吸引/排斥靜電力的本質(zhì)（金屬探針—絕緣云母表面；絕緣探針—絕緣體；）生物體系應用：生物物質(zhì)上進行納米機械測量（如粘彈力）—鍵斷裂強度或長度；血細胞體系的結(jié)構(gòu)和動力性質(zhì)；細胞粘附分子的結(jié)合強度；藥物反應；材料科學應用：納米級機械性質(zhì)—薄膜和聚集體納米尺度機械性質(zhì)；納米刻壓和粘附性、彈性、摩擦性質(zhì)—高聚物和有機膜；壓痕和塑變—金屬、半導體表面的刻壓和微機械；力曲線分析技術的應用48磁力顯微鏡(MFM)使用磁性探針在樣品表面上方(20~100nm)進行掃描；針尖與樣品所產(chǎn)生的漏磁場相互作用而感受到磁力，使微懸臂的共振頻發(fā)生改變，從而改變其振幅和相位；通過記錄和分析微懸臂振幅，相位或共振頻率的變化獲得樣品表面的磁分布情況；a采用LiftMode

方式掃描，可同時獲得樣品表面的形貌圖和磁力圖。應用:數(shù)據(jù)存儲器(磁盤，磁頭……)磁性材料49納米微載荷壓痕測試通過微載荷壓痕和刮痕測試研究薄膜和其它材料的機械特性硬度測試磨損測試在測量過程中可獲得力曲線可立即對微載荷壓痕和刮痕進行成象和測量

(采用TappingMode)掃描探針顯微鏡在各個領域的應用半導體與數(shù)據(jù)存儲電學性能和電化學納米刻蝕與納米操縱聚合物生命科學材料和表面科學50分析“空間”：表面科學-十分之幾納米至數(shù)納米；表面技術-淺表層及表層（微米級）；表面分析技術研究內(nèi)容：表面形貌分析；表面原子結(jié)構(gòu)分析；表面組分分析；表面原子動態(tài)和受激態(tài)分析；表面電子結(jié)構(gòu)分析；表面分析技術特征51常用表面（層）形貌及結(jié)構(gòu)分析儀器用途分析方法名稱簡稱主要用途透射電子顯微鏡TEM形貌及結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡SEM形貌掃描透射電子顯微鏡STEM形貌場電子顯微鏡FEM結(jié)構(gòu)場離子顯微鏡FIM結(jié)構(gòu)場離子顯微鏡-原子探針AP-FIM結(jié)構(gòu)掃描隧道顯微鏡STM形貌掃描力顯微鏡SFM形貌聲顯微鏡AM形貌低能電子衍射LEED結(jié)構(gòu)反射式高能電子衍射RHEED結(jié)構(gòu)擴展x射線吸收譜精細結(jié)構(gòu)SEXAFS結(jié)構(gòu)52常用表面（層）成分分析譜儀用途分析方法名稱簡稱主要用途電子探針譜儀EPMA分析表層成分；研究各種元素在表層的分布；X射線熒光光譜儀XRF分析表層成分；研究各種元素在表層的分布俄歇電子能譜AES分析表面成分；研究各種元素在表面的分布X射線光電子能譜XPS分析表面成分；研究表面吸附和表面電子結(jié)構(gòu)離子散射譜ISS分析表面成分；尤其適合研究表面偏析和吸附次級離子質(zhì)譜SIMS分析表面成分；可研究化合物組分及分子結(jié)構(gòu)紅外吸收譜IR分析表面成分；研究表面原子振動拉曼散射譜RAMAN分析表面成分；研究表面原子振動紫外光電子譜UPS分析表面成分；更適合于研究價電子狀態(tài)角分解光電子譜ARPES分析表面成分；研究表面吸附原子的電子結(jié)構(gòu)激光探針（光譜及質(zhì)譜）分析表層成分；具有深度分析功能；53該章節(jié)講述的重點內(nèi)容：1、分析方法原理：儀器設計思想或儀器設計公式/主要技術指標2、儀器基本結(jié)構(gòu)：主要機型/基本結(jié)構(gòu)3、主要分析技術：分析樣品類型/定性分析/定量分析.第二章表面成分分析方法(EPMA/XRF/XPS/XRD/IR/LR/MS)54電子探針分析方法原理電子探針儀器基本結(jié)構(gòu)電子探針主要分析技術電子探針顯微分析方法特點第一節(jié)電子探針顯微分析方法（EPMA）EPMA儀器設計公式EPMA主要技術指標

（儀器分辨率；儀器檢出限；元素分析范圍）55EPMA設計公式（分析依據(jù)）莫塞萊定律：λ=P（Z-σ）-2∝Z–2特征X射線分析依據(jù)：在成分未知的樣品中，檢測激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線波長（或其光子能量），即可作為其中所含元素的可靠依據(jù)；發(fā)生躍遷的條件：Eo＞Ec（Eo為入射電子能量，Ec為某元素原子的內(nèi)層電子臨界電離激發(fā)能)；X射線光子能量E=hυ=Ei-Ef56元素符號ZKα1Eλ

λE222324252627282930313233343536373839TiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrY2.7492.5042.2902.1021.9361.7891.6581.5411.4351.3401.2541.1771.1061.041------------4.5114.9525.4155.899

6.4046.9307.4788.0488.6399.2529.88610.5311.2111.91------------27.4224.2521.6419.4517.5915.9714.5613.3412.2511.2910.449.6718.998.3757.8177.3186.8636.4490.4520.5110.5730.6370.7050.7760.8520.9301.0121.0981.1881.2821.3791.4801.5861.6941.8071.923Lα1特征X射線的波長和能量表571、利用能量足夠高的一束細聚焦電子束轟擊樣品表面；2、在一個有限的深度和側(cè)向擴展的微區(qū)體積內(nèi)，激發(fā)產(chǎn)生特征X射線訊號；3、X射線訊號的波長（或能量）和強度是表征該微區(qū)內(nèi)所含元素及濃度的重要信息。電子探針基本原理簡述5859EPMA主要機型

EDX基本結(jié)構(gòu)WDX基本結(jié)構(gòu)電子探針儀器基本結(jié)構(gòu)Si(Li)鋰漂移硅能譜與SDD硅漂移能譜的比較工作溫度----Si(Li)需要很低的工作溫度來降低噪音抑制鋰子的反漂移，

因此通常用液氮冷卻。SDD的工作溫度-30℃左右，因此可以通過二級帕爾貼制冷達到工作溫度，而無需液氮。計數(shù)率----SDD探測器由于設計獨特，

可以處理更高的輸入計數(shù)率(cps)，

因此在SEM能產(chǎn)生足夠束流的前提下，SDD的分析速度大大快于Si(Li)。面掃描和線掃描----由于面掃描和線掃描需要采集的數(shù)據(jù)量大，

Si(Li)的速度通常較慢，

而SDD是最適合進行面掃描和線掃描工作的。60常用X射線檢測器的適用波長范圍檢測器類型波長范圍（A）檢測器類型波長范圍（A）閃爍計數(shù)器0.1～5超薄窗計數(shù)管20～60封閉式正比計數(shù)管0.7～5Si(Li)固態(tài)檢測器0.3～5Ar-CH4氣流式正比管2～20SDD固態(tài)檢測器0.3～5電子探針主要分析技術EPMA分析樣品類型：優(yōu)勢領域-表面/表層/界面/薄膜EDX(EPMA)定性/定量分析技術61譜圖分析：對所選任意區(qū)域進行全譜分析（定性、相對定量、無標樣定量分析）微區(qū)分析：點掃描/線掃描/面掃描/陣列掃描分析定點分析：對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜掃描定性分析；線掃描分析：電子束沿樣品表面選定的直線軌跡作所含元素濃度的線掃描分析；面掃描分析：電子束在樣品表面選定的區(qū)域作面掃描，以特定元素的X射線訊號調(diào)制陰極射線管熒光屏亮度，給出該元素濃度分布的掃描圖像；定量分析：相對定量/無標樣定量/定量面分布分析EDX(EPMA)定性/定量分析技術6263定點分析—電子束擴展模擬技術電子束侵入?yún)^(qū)域顯示1、低加速電壓分析，縮小X射線發(fā)生區(qū)域；2、輸入加速電壓與基體元素及成分，分析元素與譜線線系—給出X射線發(fā)生的深度、水平方向的延伸、發(fā)生函數(shù)的概況；64陽極：發(fā)射X射線；端面陽極靶材料（鍍上的金屬）—Rh/Pd、Mg/Al、Cr/Fe/Co/Ni/Cu/Mo/W等；底座使用導熱性能好、熔點高材料（銅塊）；陰極：鎢絲（外加聚焦系統(tǒng)—使電子束集中）；窗口：X射線從陽極靶出射的通道（鈹片）；通常窗口有1個或2個；X射線管的命名：以靶上所鍍金屬命名—鉻靶X射線管；真空（封閉）X射線管的結(jié)構(gòu)接高壓X射線鈹窗口電子聚焦和加速極陽極陰極65l=

kZ-s21特征X射線光譜波長公式莫塞萊(Moseley)定律66X射線熒光光譜分析方法原理X射線熒光光譜儀器基本結(jié)構(gòu)X射線熒光光譜主要分析技術X射線熒光光譜分析方法特點第二節(jié)X射線熒光光譜分析方法（XRF）67XRF儀器設計公式XRF主要技術指標

（儀器分辨率；儀器檢出限；元素分析范圍）X射線熒光光譜分析方法原理68熒光（特征）X射線分析依據(jù)：在成分未知的樣品中，檢測激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線波長（或其光子能量），即可作為其中所含元素的可靠依據(jù)；XRF設計公式（分析依據(jù)）莫塞萊定律：λ=P（Z-σ）-2∝Z–269XRF主要機型EDX—XRF基本結(jié)構(gòu)WDX—XRF基本結(jié)構(gòu)X射線熒光光譜基本結(jié)構(gòu)70S8光路設計-保證優(yōu)異的分析性能準直器4位雙向轉(zhuǎn)動準直器保證了所有元素最佳的靈敏度和最佳的分辨率有6個準直器可選:默認準直器:0.46°,0.23°其他準直器:2°，1°用于高強度0.17°,0.12°用于高分辨率71準直器的示意圖

0.46°0.23°72配置了世界上最先進的窗膜，膜厚僅0.6um，還可以選擇世界上最薄的0.3um窗膜，透光率最高配置了P10氣體密度穩(wěn)定器、數(shù)字式壓力控制器，保證計數(shù)器里面的P10氣體密度、壓力恒定，從而保證測量數(shù)據(jù)精度最高。計數(shù)器的線性范圍達3×106cps以上(3500Kcps)

S8光路設計-保證優(yōu)異的分析性能探測器之一:流氣計數(shù)器73S8測角儀–

光學定位系統(tǒng)/高精度S4EXPLORERS4PIONEER4sec.4sec.4sec.4sec.conventionalgoniometers光學定位系統(tǒng)快速準確定位減少測角儀磨損機械定位系統(tǒng)定位速度慢加劇測角儀磨損74XRF分析樣品類型：固體/粉末/液體/多層薄膜XRF(EDX)定性/半定量分析技術XRF(WDX)定量分析技術X射線熒光光譜主要分析技術S8設計:一體化X-Y二維機器人進樣器1、最早推出X-Y二維機器人人進樣器，進樣速度快，可靠性好，技術更先進2、與光譜儀一體化完美結(jié)合3、樣品位置始終固定5、智能化的機械手6、可設置不同的優(yōu)先次序，處理大批量樣品7、固體、液體、粉末樣品任意次序放置75定性分析方法：主要用于未知樣品定性及微區(qū)分析；半定量分析方法：1、峰高比例系數(shù)法；2、峰面積量版法；

XRF(EDX)定性/半定量分析技術76XRF定量分析方法XRF定量分析影響精度主要因素1、顆粒效應；2、基體效應—吸收及增強效應；

3、標準樣品的使用—化學狀態(tài)/成分梯度/顆粒度定量分析方法

1、基本參數(shù)法2、無標樣近似定量3、校正曲線精確定量77

共存元素間的相互影響1.Ni:X光管輻射:NiKα2.Fe:X光管輻射:FeKα

NiKα輻射:FeKα3.Cr:X光管輻射:CrKα

NiKα輻射:CrKα

FeKα輻射:CrKα基體效應的校正(化學影響)78鉻鐵礦標樣化學成分標樣編號Al2O3%CaO%Cr2O3%TFe%MgO%S%SiO2%GSBD33001-949.291.0432.799.5321.490.01214.64GSBD33001.1-9410.970.8233.319.1720.590.01711.71GSBD33001.2-9412.760.7638.8017.5812.920.0109.63GSBD33001.3-9410.500.8445.2011.1917.280.0167.03GSBD33001.4-9413.120.1750.9512.569.870.0053.56GSBD33001.5-9410.300.1955.509.7316.840.0042.67主要元素組成:Fe\Al\Cr\Mg\Si;組成狀態(tài):化合物\氧化物79用純物質(zhì)或標樣測定儀器對元素的靈敏度系數(shù)并存入儀器放入未知樣品輸入儀器測定條件和待測元素參數(shù)給出測定值的初期值計算熒光X線強度計算理論強度將理論強度和元素靈敏度系數(shù)的乘積與測定強度比較修正定量值修正后與修正前的差＜0.1%N基本參數(shù)法（FP）分析流程801、根據(jù)待分析樣品的性質(zhì)建立應用程序—如合金/土壤/巖石等；2、根據(jù)元素分析要求建立分析通道—如要求分析Al/Si/Fe/Ca/Mn等；3、建立標準樣品文件庫及校正曲線—要考慮樣品狀態(tài)/成分梯度/線性空間等；4、利用校正曲線進行待分析樣品分析—給出初步定量分析結(jié)果；5、分析結(jié)果評估—給出置信空間和不確定度；校正曲線定量分析—標準分析程序81校正曲線定量—建立標準樣品文件庫標樣編號Al2O3%CaO%Fe2O3%K2O%P%TiO2%SiO2%GSS-114.189.4875.192.590.0730.48362.6GSS-213.87.2484.172.650.0500.42765.5GSS-313.145.5014.212.70.0480.39269.4GSS-413.278.5744.712.620.0710.39260.1GSS-511.767.5314.112.270.0830.38264.9GSS-614.436.7755.322.460.0730.40664.582接到一個樣品后測大致成分的傳統(tǒng)做法831、新材料成分剖析；2、工業(yè)廢棄物中有害元素的快速無標樣定量；3、為其他分析方法提供輔助分析；4、要求非破壞分析；5、無適合的標準樣品進行精確定量；無標樣定量分析的需求空間84組分鑒定值(%)QE(%)組分鑒定值(%)QE(%)Na2O0.100.14CaO44.3444.2MgO1.651.54TiO20.190.17Al2O33.513.48MnO0.044SiO210.8511.2Fe2O32.111.94P2O50.045SrO0.049SO30.040.16ZrO20.014K2O0.520.47LOI(fixed)36.5436.54熔觸制樣：1.0g樣品+6.2gLi2B4O7水泥生料國家標樣(GSB08-1353)分析結(jié)果85俄歇電子能譜AES電子能量損失譜EELS電子能譜分析方法分類86X射線光電子能譜分析方法原理X射線光電子能譜儀器基本結(jié)構(gòu)X射線光電子能譜主要分析技術X射線光電子能譜分析方法特點第三節(jié)X射線光電子能譜分析方法（XPS）87X射線光電子能譜分析方法原理XPS儀器設計公式XPS主要技術指標

（儀器分辨率；儀器檢出限；元素分析范圍）在光電離的過程中，出射的光電子的動能可以用下面的方程表示：

Ek=hυ-Eb–φs式中hυ是X射線光子的能量，

Eb

是特定原子軌道上的結(jié)合能；φs是譜儀的功函（與樣品無關）；一、光電子的特征性：對于特定的單色激發(fā)源和特定的原子軌道，其光電子的能量是特征的→出射的光電子能量僅與入射光子能量及原子軌道結(jié)合能有關：二、X射線光電子譜分析：測定軌道電子結(jié)合能；88光電效應當一束光子輻照到樣品表面時，光子可以被樣品中某一元素的原子軌道上的電子所吸收→電子脫離原子核的束縛，以一定的動能從原子內(nèi)部發(fā)射出來→自由的光電子；當固定激發(fā)源-光子能量時，其光電子的能量僅與元素的種類和所電離激發(fā)的原子軌道有關；譜線特征性由于X射線能量較高，不僅可以激發(fā)出原子價軌道中的價電子，還包括芯能級內(nèi)層軌道電子；光子的能量足夠促使除氫、氦以外的所有元素發(fā)生光電離作用，產(chǎn)生特征光電子—全元素分析—定性分析非常有效；89Bindingenergy(eV)4f4d4p4p4sAuXPSspectrum橫坐標為結(jié)合能，縱坐標為光電子的計數(shù)率；譜峰為光電子特征結(jié)合能；90一束具有特定波長的X射線束照射樣品表面，測量從樣品表面發(fā)射的光電子：1、根據(jù)光電子的能量，確定樣品表面存在的元素；2、根據(jù)光電子的數(shù)量，確定元素在表面的含量；3、X射線束在表面掃描，可以測得元素在表面的分布；4、采用離子槍濺射及變角技術，可以得到元素在深度方向的分布；5、根據(jù)不同化學環(huán)境下光電子峰位移動、峰型、峰間距變化，獲得化學信息；XPS基本工作原理簡述91X射線光電子能譜主要分析技術XPS分析樣品的制備XPS主要分析技術一、固體樣品：樣品尺寸的限制—真空隔離要求的傳遞桿技術；注意表面的成分的狀態(tài)的保護；二、粉體樣品：雙面膠帶固定；壓片法—加熱，表面反應、表面處理等動態(tài)分析要求；三、特殊樣品預處理：1、含揮發(fā)性物質(zhì)的樣品—加熱或溶劑清洗；2、表面有機污染的樣品：有機溶劑清洗—除有機溶劑；3、帶有微弱磁性的樣品：退磁處理；禁止帶有磁性樣品進入分析室；四、絕緣樣品和導電性不好的樣品：儀器必須進行樣品荷電校準；92XPS譜儀的基本結(jié)構(gòu)框圖12345影響儀器特性的最主要部件和因素一、儀器靈敏度：激發(fā)源強度；能量分析器的入口狹縫有效面積、立體接收角；電子傳輸率、電子檢測器類型；二、儀器分辨率：X射線源的自然線寬、能量分析器的線寬、受激樣品原子的能級線寬；93一、X射線激發(fā)源：要求強度大、單色性好—激發(fā)源做單色化處理；大面積源-Al/Mg雙陽極靶；微聚焦源—單色源Al靶；二、快速進樣室：氣體隔離室技術—預處理室：加熱、蒸鍍、刻蝕；三、能量分析器：電子傳輸率；能量分辨率；CMA

/SDA—在高分辨下有較高的靈敏度；減速—聚焦透鏡→加大多功能能譜儀空間；浸入式磁透鏡；四、檢測器：數(shù)據(jù)采集—脈沖計數(shù)方法→電子倍增器+單粒子計數(shù)器；位置靈敏檢測器（PSD）→在聚焦面上同時平行安裝—一組增加分析器—出口處電子檢測面積倍增，形成多元檢測系統(tǒng)；平行成像技術；五、超真空系統(tǒng)：防氣體覆蓋、能量損失—三級真空泵聯(lián)用：機械泵+分子泵+濺射離子泵—鈦升華泵；六、其他附件：荷電中和槍；離子槍；X射線光電子能譜儀關鍵部件94X射線源特征譜線的選擇—單色性要求95X射線單色化：X射線源通過石英晶體的(1010)面沿Bragg反射方向衍射-線寬降至0.2eV；并可消除射線源中雜線和韌致輻射；X射線單色性重要指標-半峰高寬961、改變X射線束斑直徑改變照射在陽極上的電子束斑大小(“微聚焦”)在X射線出射路徑上設置光闌2、收集樣品上不同直徑區(qū)域的光電子在光電子采集路徑上設置光闌3、在檢測器端采取特殊措施利用二維檢測器獲得微區(qū)XPS(“從圖得譜”)微區(qū)分析—應對不均勻材料的激發(fā)技術97

ESCALAB250Xi的微聚焦電子槍X射線源—XR6單色化X射線源1.兩塊大石英晶體2.束斑尺寸連續(xù)可調(diào)：900~200微米3.陽極靶可更換20個新鮮照射點4.照射區(qū)域即獲譜區(qū)域5.用戶實際可用的靈敏度指標實際的工作意義：1.寬范圍束斑面積連續(xù)可調(diào)：可滿足不同行業(yè)、多種類的樣品分析研究的需要；2.高靈敏度，實測值：可滿足從高含量到低含量的成分甄別；提供高精度的成分分析，滿足高水平科研工作需要。981、X射線光束掃描樣品表面在陽極上掃描電子束掃描方式移動樣品臺2、采集來自樣品不同區(qū)域的光電子施加電(磁)場采集不同區(qū)域的光電子(虛擬探針)3、在檢測器端采取特殊措施利用二維檢測器獲得光電子圖像(平行成像)微區(qū)分析—獲得光電子微區(qū)圖像的方法9927μm分析區(qū)域選區(qū)光闌設角iris分析器入口狹縫電子束掃描板,x&yxy固定掃描板的x/y電壓將分析位置偏轉(zhuǎn)到樣品上的設定位置掃描板上的x/y電壓掃描將分析位置偏轉(zhuǎn)掃描樣品上的設定區(qū)域生成一幅圖像樣品平面圖“虛擬探針”方式掃描成像100100（帶通）減速場型能量分析器飛行時間分析器色散型能量分析器球面偏轉(zhuǎn)分析器SDA柱面偏轉(zhuǎn)分析器CDA筒鏡分析器CMA平面鏡分析器PMA180°—SDAH—R分析器Staib分析器質(zhì)譜分析雙通CMA+減速柵網(wǎng)電子譜儀心臟—能量分析器101CMA結(jié)構(gòu)：由兩個同軸園筒組成；內(nèi)筒上刻有兩道環(huán)縫→環(huán)電阻及柵網(wǎng)；電場集中在內(nèi)、外筒之間；內(nèi)園筒里面是等位空間；電子軌跡：電子從S點出來，與軸成θ角，初始能量E，速度V0；如果Vd選擇適當，電子軌跡將如實線S-A-B-C-I所示；分析器特性：在一定的分析器尺寸和一定的Vd下，L是θ和E的函數(shù)；CMA基本要求：⑴分辨率→能量色散性能：從S點以與軸成θ方向發(fā)出的電子，如果能量E不同，經(jīng)過分析器后回到軸上的位置不同→L不同→收集范圍有一定寬度→保證分辨率；⑵靈敏度→聚焦性能：從S點發(fā)出能量E相同但θ角不同的電子，經(jīng)過分析器后重新會聚到I→△θI=0→CMA軸對稱，可以收集利用的部分大→傳輸率高；⑶掃描性能：E的展開—定性分析要求；SDA原理結(jié)構(gòu)：由兩個同心的半球組成；入口及出口處有膜片—開有狹縫或膜孔；內(nèi)球面的電位比外球面高→適合于源面積較大的情況下工作-XPS；1021能量掃描范圍0~5000eV：0~1500eV6meV——XPS/AES及UPS0~3200eV12meV——常規(guī)XPS/AES0~5000eV24meV——高能XPS/AES通過能1~400eV連續(xù)可調(diào)，步長為1eV減速比1~100連續(xù)可調(diào)，步長為1；AES最佳能量分辨率0.02%（減速比=100）實際的工作意義：寬能量掃描范圍：功能全面，多樣化樣品分析，滿足科研工作的多樣化需求；通過能寬范圍連續(xù)可調(diào)：滿足樣品測試的全面性需要；減速比寬范圍連續(xù)可調(diào)：滿足樣品測試的全面性需求；優(yōu)異的AES最佳能量分辨率：滿足俄歇高水平科研分析的需要；ESCALAB250Xi配備的半球分析器103雙探測器配置—單通道疊加128通道一、XPS/AES能譜：電子倍增探測器，滿足高計數(shù)率能譜需要：出色的有效范圍，計數(shù)率線性范圍最高到109cps；滿足高靈敏度XPS和AES的能譜以及痕量成分的甄別；電子倍增器可單個更換，潛在成本低；不足：位置分辨較低__適合能譜獲?。欢?、XPS/AES成像：微通道板探測器及DSP二維位置分辨探測器：數(shù)字化分辨，128通道；無記憶探測器，避免重影效應；GEN3DSP電路設計和位置連續(xù)解碼器;不足：無法長時間承載高靈敏度數(shù)據(jù)__適合高分辨成像；104

ESCALAB250Xi真空系統(tǒng)配置真空度為5.0x10-10mbar，無液氮冷阱輔助；5mm厚全μ金屬制造的分析室，有效磁屏蔽；各配一套260l/s磁懸浮渦輪分析泵+機械泵；單色化X射線源放置合理，各個功能部件無沖突；分析室外徑315mm；μ金屬屏蔽：降低外部電磁影響制備室提供多種樣品制備選項；快速進樣室可提供離子清潔、多層樣品停放等功能；105中性X射線入射→光電子(負電荷)發(fā)射→表面留下正電荷1)來自熱燈絲的低能熱電子被表面正電荷吸引補償荷電；2)低能量光電子過聚焦打擊荷電平衡板返回并補償荷電；3)高能量光電子欠聚焦打擊荷電平衡板產(chǎn)生二次電子補償荷電。專利的高效荷電中和系統(tǒng)106紫外光源UPSESCALAB250XiXPS紫外光源：1.能量分辨率最優(yōu)異，100meV；

2.HeII工作時，HeII強度/HeI強度可達1/2；

3.雙差分抽氣設計;優(yōu)異的能量分辨:87meV獲譜時間：40s聚乙烯PE/聚丙烯PPUPS主要應用于金屬/半導體等材料的價帶/導帶的研究以及快速鑒別高分子化合物107AES激發(fā)源ESCALAB250Xi的俄歇激發(fā)源，肖特基場發(fā)射電子槍：1.FEG-1000電子槍空間分辨率95nm,750:1,600kcps；2.垂直入射樣品表面，束斑為圓形；所得到微區(qū)信息為各向同性；3.20eV的離子中和_專業(yè)用于絕緣樣品的俄歇AES/SAM/SEM分析；實際的工作意義：圓形束斑：提供各向同性的微區(qū)成份分析，提高分析精度20eV離子中和：絕緣樣品的俄歇分析，滿足多類樣品的測試

科研需要。108ESCALAB250Xi主要功能

微聚焦單色化XPS微區(qū)XPS角分辨XPSXPS深度剖析XPS成像從圖得譜功能離子散射譜ISS反射電子能量損失譜REELS樣品觀察樣品預處理，包括離子清潔、多層樣品停放臺及樣品斷裂臺等—可選項雙陽極XPS—可選項紫外光譜UPS–可選項場發(fā)射俄歇AES/SAM/SEM—可選項原位蒸發(fā)源—可選項高壓反應室---可選項109X射線光電子能譜主要分析技術一、表面元素定性分析技術二、元素深度分布分析技術三、表面元素面分布分析技術四、表面元素化學價態(tài)分析技術110各原子軌道的光電子峰部分軌道的自旋裂分峰Kα2產(chǎn)生的衛(wèi)星峰X射線激發(fā)的俄歇峰XPS定性分析-譜線的類型111元素深度分布分析模式1、變角XPS深度分析：利用采樣深度的變化獲得元素濃度與深度的對應關系；非破壞性分析；適用于1—5nm表面層；2、Ar離子剝離深度分析：交替方式-循環(huán)數(shù)依據(jù)薄膜厚度及深度分辨率而定；破壞性分析；112ESCALAB250XiXPS微區(qū)取譜，三種技術可實現(xiàn)目前同類產(chǎn)品中最多的分析選擇：1.束斑面積可從900微米到200微米連續(xù)聚焦；

2.可根據(jù)需求調(diào)節(jié)束斑面積最小到20微米；3.可根據(jù)需求，通過成像再取譜，可實現(xiàn)最小取譜面積小于6微米；XPS微區(qū)分析主要應用于缺陷、腐蝕、氧化、褪色等材料領域的研究113表面元素化學價態(tài)分析模式化學位移分析：由于元素所處化學環(huán)境不同，內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能也不同；通過測得元素的結(jié)合能和化學位移，鑒定元素的化學價態(tài)；結(jié)合能校準：標準樣品測定化學位移——譜圖上測量峰位位移、測量雙峰間的距離變化、測量半峰高寬變化；114XPS基本原理—與化學狀態(tài)相關當外殼層獲得一個電子時，由于束縛變?nèi)?，各殼層均不同程度松弛，導致測量的內(nèi)殼層結(jié)合能變??；當外殼層失掉一個電子時，由于束縛變強，各殼層均不同程度緊縮，導致測量的內(nèi)殼層結(jié)合能變大；115

CF4C6H6COCH4半峰高寬(eV)0.520.570.650.72C1s在不同化學狀態(tài)下半峰高寬的變化116第四節(jié)X射線衍射分析方法（XRD）X射線衍射分析方法原理X射線衍射儀器基本結(jié)構(gòu)X射線衍射主要分析技術X射線衍射分析方法特點117XRD儀器設計公式XRD主要技術指標

（儀器分辨率；儀器檢出限）X射線衍射分析方法原理118d2θθθλ晶體1、X射線衍射分析依據(jù)：晶體對X射線的衍射（是結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)）；2、衍射分析特征性：對于特定的單色激發(fā)源和特定的晶體，其衍射峰所對應的2θ角為晶體d值的特征：3、XRD分析方法：利用X射線源λ→通過測量角θ，計算晶體面間距d→獲得晶體結(jié)構(gòu)信息；XRD分析公式：2dSinθ=nλ119一束具有特定波長的X射線束照射晶體樣品，測量樣品表面的衍射束：應用布拉格方程：利用λ，通過測量角θ，計算晶體面間距d；運用物相檢索工具，進行物相分析及確定；根據(jù)X射線衍射峰強度，衡量樣品中某晶體含量；X射線衍射儀基本工作原理120適合晶體的物相組成及結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析；檢測下限：＞0.1～0.3%（最優(yōu)儀器配置）；樣品要求：可非破壞，試樣是單晶或粉晶；X射線衍射分析方法特點121物相定性分析物相定量分析結(jié)晶度分析微晶尺寸測定晶體結(jié)構(gòu)解析晶體取向測定織構(gòu)和擇優(yōu)取向測定布魯克D8ADVANCE主要應用技術微觀應力測定殘余應力測定同素異構(gòu)篩選高溫原位分析低溫原位分析可變濕度原位分析相變分析122一、光源（X光管和發(fā)生器）：特征波長要求；強度要求；單色性能要求；平行性能要求；微區(qū)性能要求；二、測角儀（樣品臺、入射及衍射光學附件）：圓周半徑；最小步長（0.0001）；最大速率；測量2θ范圍；動態(tài)方式；樣品裝載臺；三、探測系統(tǒng)（探測器、探測電子電路）：Sol-X固體探測器；閃爍計數(shù)器；正比計數(shù)器；PSD位敏探測器；能量色散探測器；二維探測器；CCD面探測器；XRD（粉末衍射）儀器基本結(jié)構(gòu)多種陽極材料：

Cu,Mo,Cr,Co,Fe,W,Ti,Mo，Ag；123多毛細管光學系統(tǒng)通過效率35%?百萬個通道取出角約7°出射發(fā)散角約0.22°多毛細管光學系統(tǒng)原理由多引導X射線的玻璃微毛細管構(gòu)成，使X射線在每個毛細管內(nèi)經(jīng)過反復地全反射從出口射出；有效利用X射線束光源平行性能及微區(qū)要求—特殊光學系統(tǒng)1241、儀器靈敏度：X射線源，探測器；譜線采集方式；2、儀器分辨率：X射線源、測角儀；掃描方式儀器性能:★測量圓周半徑：435mm★最小步長：0.0001★最大速率：25/s★最大功率：2KW★測量2theta：0-160影響XRD儀器特性的最主要部件125θ/2θ測角儀：測量過程中，X光管不動，樣品θ動，探測器2θ動作——常規(guī)樣品；θ/θ測角儀：測量過程中，X光管和探測器繞著試樣轉(zhuǎn)動，樣品始終保持水平靜止不動——液體、松散粉末、大樣品、文物；步進馬達-光學編碼器；角度重現(xiàn)性±0.0001°；最小步長0.0001°；測角儀圓直徑改變—滿足高靈敏度或高分辨率要求；θ/2θ動作及θ/θ動作測角儀126LynxEye一維陣列探測器掃描積分技術！探測器陣列：192個子探測器強度提高:150倍核心技術：掃描積分技術，是布魯克AXS的專利技術，于96年左右專利開放。127XRD分析樣品的制備XRD物相定性分析方法粉晶XRD物相分析技術1、塊狀樣品制備：切割，待測面打磨、拋光；將樣品固定在樣品架上2、粉末樣品制備：破碎，研磨至200～325目；視樣品量分別裝入通孔或淺槽型樣品架；為避免擇優(yōu)取向可采用砂紙粗面背裝法；3、定向樣品制備：層片狀晶體定性或定量分析—特定晶面分析鑒定；樣品破碎、浸泡、超聲處理，靜置分離；取懸浮液滴在載玻片上晾干；XRD分析樣品的制備1281、陽極靶的選擇：測定金屬—通常采用Co、Fe、Cr靶；測定礦物、有機物—通常采用Cu、Mo、W；2、測試角度的選擇：定性測試—測定未知物在3～120°；金屬2θ角度在20～120°；礦物在3～70°；有機物通常在3～60°；定量分析—根據(jù)測試峰寬具體確定；3、掃描方式與速度：定性分析—通常采用連續(xù)掃描，掃描速度通常為1～4°/min；定量分析—通常采用步進掃描，掃描速度通常為0.25～1°/min；點陣常數(shù)測定—采用步進掃描，掃描速度通常為0.1～0.5°/min；XRD儀器測試條件選擇129獲得實測衍射圖原始衍射圖標準處理（取消雜散峰、平滑處理、扣除背底、Kα分離、峰檢索—計算d值）物相計算機檢索物相人工檢索確定未知樣品晶體物相X射線衍射物相定性分析框圖130XRD粉晶鑒定工具—標準衍射數(shù)據(jù)的建立粉末衍射聯(lián)合會國際數(shù)據(jù)中心（JCPDS-ICDD）搜集了世界各國所測定的各種純物質(zhì)的粉晶衍射圖譜、對應衍射數(shù)據(jù)及測試條件、樣品情況、背景資料等，整理成標準衍射卡片；該聯(lián)合會每年出版一組有機物質(zhì)和一組無機物質(zhì)的粉未射卡片，每張卡片上記錄一種物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)和結(jié)晶學據(jù)；到2003年初，已出版了65組，包括有機和無機物質(zhì)?，F(xiàn)在已可以通過光盤進行檢索。已建立了衍射數(shù)據(jù)國際中心（InternationalCenterforDiffractionData，ICDD），每年大約有2000個新的衍射圖分組發(fā)表在數(shù)據(jù)庫中。131JCPDS粉晶X射線衍射卡片信息組號和卡片號：5組第628號卡片三個最強的衍射線；具有最低衍射角的衍射線位置和強度；化學式和物質(zhì)名稱；所用衍射方法及相關資料；晶體學數(shù)據(jù)；光學及其他數(shù)據(jù)；與樣品有關的資料；衍射數(shù)據(jù)。衍射強度表示為I1的百分數(shù)，I1是衍射圖上最強衍射線的強度。★表示數(shù)據(jù)品質(zhì)的符號：★—五角星表示卡片數(shù)據(jù)高度可靠字母i—表示已指標化及估計強度字母O—表示該套數(shù)據(jù)可靠性較差字母C—表示表中衍射數(shù)據(jù)來自單晶X射線結(jié)構(gòu)分析計算；空白—表示品位未確定；1321、微量-毛細管技術：將微量樣品⑴及對空氣敏感的樣品⑵置于直徑為0.3mm等尺寸的玻璃毛細管中。當高強度的X光束照射到毛細管樣品上時，隨毛細管自轉(zhuǎn)的樣品的所有的晶粒均貢獻衍射信息。2、微區(qū)分析技術：全反射準直器及最小準直器技術；XYZ三軸自動樣品平臺和激光/視頻對光系統(tǒng)使樣品對光及定位；3、二維探測器技術：探測不均勻衍射斑或整個得拜環(huán)；沿得拜環(huán)對強度數(shù)據(jù)進行積分可獲得精確的衍射圖象；XRD微量/微區(qū)分析技術保證XRD薄膜相分析技術保證1、掠射入射(GID)技術：以很低的入射角度進行掠射分析，盡可能從薄膜層得到最大的信號，從而分析相組分沿深度的分布→具有表面敏感性；2、精確測角技術：X射線光學組件→要求入射角必須高度精確；3、弱信號探測技術：二維探測器→薄膜的衍射信息很弱；133原子光譜分析分子光譜分析質(zhì)譜分析核磁共振分析(波譜分析）色譜分離技術分析（化學）儀器主要類型134㈠試樣蒸發(fā)—原子化—激發(fā)電感耦合高頻等離子體電弧火焰火花直流等離子體微波誘導等離子體㈡分光衍射光柵棱鏡㈢光譜檢測固體檢測器照相干板光電倍增管原子發(fā)射光譜儀結(jié)構(gòu)框圖1351、電感耦合等離子體占主體；2、火花激發(fā)在鋼鐵—合金分析中難以替代；3、輝光放電激發(fā)—痕量及高純分析；4、激光探針技術（OES\MS）；5、應用領域：生命物質(zhì)分析—人體液、食品、藥物；材料分析—金屬合金、半導體、功能材料、難熔陶瓷、化學試劑、化工原材料；環(huán)境分析—環(huán)境水樣、植物葉莖、水系沉積物、土壤、空氣浮塵；原子發(fā)射光譜分析方法應用領域136I0：入射輻射的強度I：透射輻射的強度N：原子蒸氣濃度吸光度A=lgI0/I=KcLK：吸收系數(shù)；C：樣品溶液中被測元素的濃度；L：原子吸收層的厚度；原子吸收光譜——定量研究原子受激吸收躍遷過程137銳線光源激發(fā)空心陰極燈或無極放電燈測量光參比光原子化器分光器檢測器放大器+比率計原子吸收法分析儀器基本構(gòu)成138火焰原子吸收法測定香煙中鉀、鈣、錳、鉻和鎘的含量139具備兩個相固定相：不動的一相；流動相：攜帶樣品流過固定相的流動體

色譜法-分離技術

流動相：流動體攜帶樣品流過固定相固定相140流動相中樣品混合物通過固定相，與固定相發(fā)生作用；由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，導致與固定相相互作用的類型、強弱也有差異；在同一推動力作用下，不同組分在固定相滯留時間長短不同，從而按先后不同的次序從固定相中流出；

色譜法基本作用過程氣路系統(tǒng)進樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)檢測和放大記錄系統(tǒng)氣相色譜儀基本結(jié)構(gòu)與分析流程141高壓輸液系統(tǒng)進樣系統(tǒng)分離系統(tǒng)檢測系統(tǒng)高效液相色譜儀基本結(jié)構(gòu)與分析流程高效液相色譜儀與氣相色譜比較分析對象：GC—氣體及沸點較低的化合物（20%）；HPLC—高沸點、熱穩(wěn)定性差、摩爾質(zhì)量大的物質(zhì)（80%）；分離條件選擇：GC—流動相是惰性氣體，僅起運載作用；HPLC—流動相選擇余地大，參與固定相對組分作用—增加了控制和改進分離條件參數(shù)；溫度條件：GC—較高溫度；HPLC—室溫條件；142一、分析用色譜儀：實驗室用色譜儀和攜便式色譜儀—主要用于各種樣品的分析，其特點是色譜柱較細，分析的樣品量少。二、制備用色譜儀：實驗室用制備型色譜儀和工業(yè)用大型制造純物質(zhì)的制備色譜儀；制備型色譜儀可以完成一般分離方法難以完成的純物質(zhì)制備—如純化學試劑的制備，蛋白質(zhì)的純化；三、流程色譜儀：在工業(yè)生產(chǎn)流程中為在線連續(xù)使用的色譜儀。目前主要是工業(yè)氣相色譜儀，用于化肥、石油精練、石油化工及冶金工業(yè)；四、大型分析儀器進樣器：聯(lián)用技術：色譜法成為許多分析方法的先決條件和必需的步驟—分析鑒定混合物物質(zhì)組成和含量；色譜儀的分類—使用領域143一、樣品狀態(tài):氣/液/固二、分析依據(jù):實驗數(shù)據(jù)/純物質(zhì)三、儀器配置:多級聯(lián)用/混合聯(lián)用分析儀