材料特性分析的表征技術(shù)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u31572材料特性分析的表征技術(shù)綜述 1303811.1X射線衍射儀(XRD) 1297661.2X射線光電子能譜(XPS) 2188761.3場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM) 3181881.4透射電子顯微鏡(TEM) 4237351.5掃描透射電子顯微鏡（STEM） 478951.6能譜儀(EDS) 528811.7能量色散X射線光譜儀(EDX) 6對于一種未知的材料而言，肉眼觀察是無法判斷其結(jié)構(gòu)以及一些特性的，因此需要借助一些工具來對其進行分析，通常采用一些物理和化學(xué)方法，對材料的結(jié)構(gòu)和特性進行確定，這些物理和化學(xué)方法就稱為表征技術(shù)。材料經(jīng)過表征過后都會得到一些數(shù)據(jù)或圖譜，根據(jù)這些圖譜、數(shù)據(jù)判定材料結(jié)構(gòu)，分析材料性質(zhì)就變得輕松多了。在材料領(lǐng)域的研究中，表征起到了非常重要的作用，如果離開了表征，不僅材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)無法被揭示，研究也將停滯不前。常用的表征方法有：X射線衍射儀、X射線光電子能譜、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡、能譜儀和能量色散X射線光譜儀，本文對于材料的研究中，選用了其中的幾種。下面對這些常用的表征方法進行一一介紹。1.1X射線衍射儀(XRD)X射線衍射儀即XRD，全稱是X-raydiffraction。X射線衍射儀的表征原理是通過衍射儀發(fā)射出一定波長的單色X射線光，照射到被測樣品上，對被測樣品進行一定范圍內(nèi)的掃描。被測樣品的內(nèi)層電子會與該X射線光發(fā)生彈性碰撞，產(chǎn)生相干衍射現(xiàn)象，再發(fā)射出對應(yīng)的晶體衍射射線。掃描出的射線會在觀測視野內(nèi)表現(xiàn)出一個特別的衍射圖像，從中可以得到晶體結(jié)構(gòu)和一些其他的重要信息。每一種晶體都有其獨一無二的晶體結(jié)構(gòu)，反映出獨特的電子排布方式，所以由X射線衍射儀衍射得到的衍射圖像也具有唯一性。X射線衍射儀就是利用X射線光的衍射來確定被測材料物理結(jié)構(gòu)的表征手段，在各種材料的表征中得到了普遍應(yīng)用。圖1.1(a)X射線衍射儀；(b)X射線衍射儀的原理圖。1.2X射線光電子能譜(XPS)X射線光電子能譜，即XPS，全稱是X-ray

photoelectron

energy

spectrometerray，也是一種重要的材料表征工具。被測材料原子中的內(nèi)層電子的結(jié)合能較高，若想將它們激發(fā)出來進行觀察，就需要為它們提供很高的能量。X射線光電子能譜的表征原理是從能譜儀中發(fā)射高能量的X射線光，發(fā)射到被測材料上，對被測材料進行轟擊，使被測材料中的內(nèi)層電子獲得能量，受到激發(fā)，發(fā)生電離，然后能譜儀再對發(fā)射出的光子進行采集和測量，得到這些光電子的能量強度。通過觀察可以得出光電子的相對強度與內(nèi)層電子結(jié)合能之間的關(guān)系，繼而得到相應(yīng)的光電子能圖譜。由于已知元素的結(jié)合能是確定的，將已知元素的結(jié)合能歸為一個XPS數(shù)據(jù)庫。再有觀察到的光電子能譜與XPS數(shù)據(jù)庫進行比對，就能夠準(zhǔn)確地判斷出被測材料的元素和電子的成鍵狀態(tài)，為被測材料得到定性的結(jié)論。實際上，還可以由XPS數(shù)據(jù)庫對被測元素進行定量分析，從而得出定量的結(jié)論。圖1.2(a)X射線光電子能譜儀；(b)X射線光電子能譜儀的原理圖。1.3場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)場發(fā)射掃描電子顯微鏡，即FE-SEM，全稱是Fieldemissionscanningelectronmicroscope，是電子材料的顯微分析中一項先進實用的表征技術(shù)。它的表征原理是利用電子的二次成像原理對被測樣品進行高分辨率的圖像觀察。首先，從場發(fā)射掃描電子顯微鏡的電子槍中發(fā)射出高能量的電子束，在電子發(fā)射的路徑中利用聚光鏡對其聚焦，使其變細，以在物鏡中得到極細的高能電子束。然后再施加一定的高壓加速此電子束。電子束發(fā)射進掃描圈以后，在掃描圈中對被測樣品進行有序的掃描，掃描過程中，由于電子的二次成像原理，會產(chǎn)生一些二次電子、背反射電子和X射線信號等，這些電子信號會被接收、處理，最后在顯像管上進行對比成像，形成二次電子像、背反射電子像等。對這些圖像進行圖像處理，就能基本清晰地得到被測樣品大致的表面形貌。場發(fā)射掃描電子顯微鏡的顯微圖像直觀而全面，能夠把在掃描范圍內(nèi)的被測樣品的形貌進行高分辨率的掃描成像和圖像還原，是微觀固體表面分析中必不可少的綜合分析工具。但場發(fā)射掃描電子顯微鏡對于一些電荷分布不均勻、導(dǎo)電能力較差的樣品，難以得到清晰的圖像，這是因為電子束破壞了樣品的電荷分布而導(dǎo)致了失真。因此，在測試前在被測樣品表面濺射少量的金或鉑來提高樣品的導(dǎo)電，避免發(fā)生圖像失真是導(dǎo)電性較差的材料表征中常用的手段。圖1.3(a)場發(fā)射掃描電子顯微鏡；(b)場發(fā)射掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖。1.4透射電子顯微鏡(TEM)透射電子顯微鏡，即TEM，全稱是Transmissionelectronmicroscope，在觀察被測樣品微觀形貌時能夠發(fā)揮出光學(xué)顯微鏡無法比擬的顯微成像能力。由于光學(xué)顯微鏡能夠觀察到的放大倍數(shù)是有限的，無法滿足更高的顯微要求，因此發(fā)明了透射電子顯微鏡。不同于光學(xué)顯微鏡利用光的折射原理成像的，透射電子顯微鏡是利用電子束成像的。投射電子顯微鏡發(fā)射出電子束，經(jīng)過電磁場的聚焦，并加速以后，再投射到被測樣品中。當(dāng)電子束與被測樣品發(fā)生內(nèi)部原子的碰撞以后，會聚焦并發(fā)生電子散射，由此再將散射出的電子轉(zhuǎn)化為可見光的圖像，以便人眼對其進行觀察。在此過程中，可以將電子束視為光源，將電磁場視為透鏡。圖1.4(a)透射電子顯微鏡；(b)透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖。1.5掃描透射電子顯微鏡（STEM）掃描透射電子顯微鏡，即STEM，全稱是Scanning

Transmission

Electron

Microscopy，是在透射電子顯微鏡的功能基礎(chǔ)上再增添一個掃描的功能，使發(fā)射出的電子束在有效范圍內(nèi)對被測樣品的表面進行一定的掃描，再經(jīng)歷投射電子顯微鏡的成像過程的一種材料表征工具。它能夠以更大的放大倍數(shù)來放大被測樣品的表面圖像，比起掃描電子顯微鏡更加精密。但相對的，價格上也更加昂貴，操作上更加繁雜，再加上掃描透射電子顯微鏡通常工作在及其嚴(yán)格的真空環(huán)境中，因此對實驗室的真空條件也提出了更高的要求。圖1.5(a)掃描透射電子顯微鏡；(b)掃描透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖。1.6能譜儀(EDS)能譜儀，即EDS，全稱是Energy

Dispersive

Spectrometer，一般是在其他的表征工具的配合共同使用。由于不同元素原子中的電子在發(fā)生躍遷時所放出的能量大小是不同的，波長的長度也隨之不同，所以每一個元素都可以定義出一個特征能量△E，由△E的值就可以對元素進行一定的定性和定量的分析。能譜儀就是以特征能量△E為基礎(chǔ)的一種材料表征工具。它的表征原理是將能譜儀中發(fā)射出的X射線投射進放有被測材料的檢測器內(nèi)，使得被測材料在光子的作用下發(fā)生電離，激發(fā)出許多的電子-空穴對。由于一個電子-空穴對的平均最低能量基是已知溫度下的確定的值，記為ε，在常溫ε為3.8eV，所以一個特征能量為△E的X射線光子碰撞下材料晶體所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目為N=△E/ε，可以看出N與△E呈正相關(guān)。能譜儀再晶體兩端施加了一定的偏壓，在電壓作用下可以將這些電子-空穴對收集起來，組成一個電流大小與N呈正相關(guān)的電流脈沖信號。最后利用主放大器將這個電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，便于進行測量，對這個電壓脈沖進行分類計數(shù)，就可以得到一張EDS圖譜，其X射線按照能量高低來分布。這就是能譜儀的基本工作過程。圖1.7(a)能譜儀；(b)能譜儀的原理圖。1.7能量色散X射線光譜儀(EDX)能量色散X射線光譜儀(EnergyDispersiveX-RaySpectroscopy,EDX)，通過分析試樣發(fā)出的元素特征X射線特征