材料近代分析測(cè)試方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1、材料近代分析測(cè)試方法課程期末大作業(yè)題 目：材料現(xiàn)代測(cè)試分析方法的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)學(xué)生姓名：奎敏院 （系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí):材料1005學(xué) 號(hào):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(cè)試方法期末大作業(yè)目錄1 X射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢(shì) 21.1 X射線衍射分析方法的應(yīng)用21.1.1 物相分析 21.1.2 應(yīng)力的測(cè)定31.1.3 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定 31.1.5單晶取向測(cè)定 41.2 X射線衍射法的發(fā)展趨勢(shì)42材料電子顯微分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 52.1 透射電子顯微鏡5.2.1.1 透射電子顯微（TEM ）分析的應(yīng)用現(xiàn)狀

2、 52.1.1.1 表面形貌觀察 52.1.1.2 納米材料分析 62.1.1.3 晶體缺陷分析 62.1.1.5 萃取復(fù)型的應(yīng)用62.1.2 透射電子顯微分析的發(fā)展趨勢(shì)62.2 掃描電子顯微（SEM）分析 7.2.2.1掃描電子顯微分析的應(yīng)用現(xiàn)狀 72.2.1.1 表面形貌襯度 72.2.1.2 原子序數(shù)襯度及應(yīng)用 82.2.2 掃描電子顯微分析的發(fā)展趨勢(shì)83電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 93.1俄歇電子能譜分析 9.3.1.1 俄歇電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀93.1.1.1 定性分析 93.1.1.2 微區(qū)分析 93.1.1.3 狀態(tài)分析 93.1.1.4 深度剖面分析 93.1.1.5

3、 界面分析 103.1.1.6 定量分析 103.1.2 俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 103.2 X射線光電子能譜的分析 1.03.2.1 X射線光電子能譜分析的應(yīng)用現(xiàn)狀 113.2.1.1 元素的定性分析 113.2.1.2 元素的定量分析 113.2.1.3 固體的表面分析 113.2.1.4 化合物的結(jié)構(gòu) 113.2.1.5 分子生物學(xué)中的應(yīng)用 114光譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 124.1紅外光譜分析技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 34.1.1 紅外技術(shù)的發(fā)展及主要應(yīng)用領(lǐng)域 134.1.2 紅外技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要領(lǐng)域方向 134.2拉曼光譜分析技術(shù)的應(yīng)用方向及發(fā)展前景 1 3參考文獻(xiàn) 13

4、1 X射線衍射分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)張趨勢(shì)1.1 X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(wú)損的優(yōu)點(diǎn)贏 得了眾多科研、生產(chǎn)人員的宵睞；X射線衍射儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用丁科研部門和實(shí)驗(yàn) 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。'”物相定性分析的任務(wù)是鑒別待測(cè)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

5、卻不能說(shuō)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(diǎn)陣類型、晶胞大小、晶胞中原子數(shù)及其位置等由丁這些參數(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(qiáng)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(jiǎn)單迭加。根據(jù)這一原理可從混合

6、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(cè)樣圖樣和標(biāo)準(zhǔn)圖樣進(jìn)行對(duì)照的過(guò)程(實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的就是這一過(guò)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(shí)衍射線條譜多譜線 可能發(fā)生重疊，這時(shí)就需要根據(jù)強(qiáng)度分解組合衍射圖譜來(lái)確定。1969年起，由ASTM和英、法、加拿大等國(guó)家的有關(guān)協(xié)會(huì)組成國(guó)際機(jī)構(gòu)的粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)”，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 Diffractio

7、n File),簡(jiǎn)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(qiáng)度法等。物相定量分析的依據(jù)是：待測(cè)相的X射線衍射強(qiáng)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(cè)定X射線殘余應(yīng)力測(cè)定方法也是一種間接方法，它是根據(jù)衍射線條的9角變化或衍射條形狀或強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)定材料表層微小區(qū)域的應(yīng)力。X射線測(cè)定應(yīng)力以衍射花樣特征的變化作為應(yīng)變

8、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(cè)量宏觀應(yīng)力的基 礎(chǔ)；微觀應(yīng)力在各晶粒問(wèn)甚至一個(gè)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(cè)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(qiáng)度減弱，故可以通過(guò)X射線強(qiáng)度的 變化測(cè)定超微觀應(yīng)力。測(cè)定應(yīng)力一般用衍射儀法。X射線法也有許多不足之處：測(cè)試設(shè)備費(fèi)用昂貴；受穿透深度所限，只能無(wú) 破壞地測(cè)表面應(yīng)力，若測(cè)深層應(yīng)力，也

9、需破壞試樣；當(dāng)被測(cè)工件不能給出明確的 衍射線時(shí)，測(cè)量精確度不高。能給出明確衍射峰的試樣，其測(cè)量誤差約為 坦xi07Pa(2kgf/mm2)；試樣晶粒尺寸太大或太小時(shí)，測(cè)量精度不高；大型零件 不能測(cè)試；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的瞬時(shí)應(yīng)力測(cè)試也有困難。1.1.3點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定 固溶體類型、測(cè)定固溶體溶解度曲線、測(cè)定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點(diǎn) 陣常數(shù)的測(cè)定是通過(guò)X射線衍射線的位置(9)的測(cè)定而獲得的，通過(guò)測(cè)定衍射 樣中每一條衍射線的位置均可得出一個(gè)點(diǎn)陣常數(shù)值。應(yīng)用高分辨X射線衍射(HRXRD+TAXRD )技術(shù)對(duì)外延生長(zhǎng)的 SrTiO3膜

10、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(diǎn)陣常數(shù)等信息。1.1.4晶粒尺寸的測(cè)定若多晶材料的晶粒無(wú)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(shí)際實(shí)驗(yàn)中，這種譜線無(wú)法看到。這是因?yàn)閮x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(diǎn)陣中的主要缺陷決定，故對(duì)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(cuò)等微觀結(jié)構(gòu)信息。

11、1.1.5 單晶取向測(cè)定晶體取向的測(cè)定是指測(cè)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，乂稱為單晶定向。單晶取向的測(cè)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 。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(shí)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(diǎn)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(diǎn)的分布，且需要借助吳氏網(wǎng)來(lái)測(cè)量晶體的空間取向，沖洗底片麻煩，周期長(zhǎng)， 對(duì)大量測(cè)量取向不太適用。四圓衍射儀法需逐點(diǎn)收集衍射數(shù)據(jù)，速度慢且靈敏度 低。

12、電子背散射衍射可進(jìn)行不同晶粒取向的測(cè)量，對(duì)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(guó)內(nèi)大專院校和研究院所應(yīng)用的還不是很 多，且使用費(fèi)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(cè)量精確等特點(diǎn)，能精確測(cè)定單晶高溫合金的取向。1.2 X射線衍射法的發(fā)展趨勢(shì)X射線法的新發(fā)展，金屆X射線衍射分析法由丁設(shè)備和技術(shù)的普及，已逐步 變成金屆研究、有機(jī)材料和納米材料測(cè)試的常規(guī)方法，且還用丁動(dòng)態(tài)測(cè)量。早期 多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問(wèn)世的計(jì)數(shù)器衍射儀法具有快速、強(qiáng)度測(cè)量準(zhǔn)確，并可配備計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣 泛的應(yīng)用。但使用單色器的

13、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(lái)，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)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(cè)器的出現(xiàn)以 及電子計(jì)算機(jī)分析的應(yīng)用，使金屆X射線學(xué)獲得新的推動(dòng)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(shí)的動(dòng)態(tài)觀察以及對(duì)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(cè)普通碳鋼材料的殘余應(yīng)力已非常成熟 ，但對(duì)丁像 鋁合金、不銹鋼、鈦合金等存在大晶?；蚩棙?gòu)組織的材料檢測(cè)方法還不成熟 ，有 待丁進(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(shì)材料的組織形貌觀察，主要是依靠顯微鏡技

14、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(chǎng)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(diǎn)，可以在三維空間達(dá)到原子分辨率。近年來(lái)一種以 X寸線光電子能譜、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、高分子材料到金屆材料的廣闊范 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(zhǎng)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

15、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(xiàng)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 。電鏡主要性能指標(biāo)的分辨率現(xiàn)已由當(dāng)初的約 50n砒高到今天的0.10. 2nm 的水平，它的應(yīng)用幾乎已擴(kuò)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(qiáng) 有力的手段?，F(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表面形貌觀察由丁電子束穿透樣品的能力低，因此要求所觀察

16、的樣品非常薄，對(duì)丁透射電 鏡常用75200kS口速電壓來(lái)說(shuō)，樣品厚度控制在100200nm復(fù)型技術(shù)是制備 這種薄樣品的方法之一，而用來(lái)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(duì)樣品表面形貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭小晶體內(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(duì)萃取物相作結(jié)構(gòu)分析，但對(duì)基體組織仍然是表面形貌的復(fù)制。而由金屆材料本身制成的金屆薄膜樣品則可以最有效地發(fā)揮電鏡的極限 分辨本領(lǐng)；能夠觀察和研究金屆及其合金的內(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(lái)； 能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，研究

17、在溫度改變的情 況下相變的形核長(zhǎng)大過(guò)程，以及位錯(cuò)等晶體缺陷在應(yīng)力下的運(yùn)動(dòng)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、金屆及有機(jī)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(cè)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(chǎng)發(fā)射TEM2.1.1.3晶體缺陷分析A1、O、SiC陶瓷中納米SiC對(duì)基體A1、O的強(qiáng)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(qiáng)度增加；（2）釘扎位錯(cuò)強(qiáng)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

18、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, No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(cè)量其層深是十分有效的。但由丁復(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(shí)將表層緊緊貼夾銅片， 銳片或環(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(shí)只要找到銅或銳的復(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(cè)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(guò)

19、衍射研究它們的點(diǎn)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 一些非金屆夾雜物。在外力作用下由丁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(wú)法查出小尺寸火雜物。 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(shí)就可以利用電子衍射技術(shù)對(duì)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(huì)很容易地把造成斷裂的火雜物大小、 分布和結(jié)構(gòu)查出來(lái)。如果在透 射電鏡上再配合能譜儀還可查出火雜物的成分。2.1.2透射電子顯微分析的發(fā)展趨勢(shì)今后TEM的發(fā)展趨勢(shì)有三個(gè)方面：第一，TEM本體硬件的進(jìn)一步發(fā)展。從

20、TEM的發(fā)展歷史來(lái)看，隨著技術(shù)的 進(jìn)步，各種新技術(shù)被應(yīng)用丁 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)丁 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(lái) 越好，使用越來(lái)越方便，對(duì)丁操作人員的要求越來(lái)越簡(jiǎn)單。第二,TEM所屆附件的進(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(gè)技術(shù)延伸。 但隨著電子顯微學(xué)理論和實(shí)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

21、，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(lái)。比如，圖 像過(guò)濾器就是近十年來(lái)開發(fā)出來(lái)的新附件。 在未來(lái)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(lái)，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(cè)試精度。第三，隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)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(lái)越依賴丁計(jì)算機(jī)的使用。事實(shí)上， TEM硬件的進(jìn)步是與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的不斷進(jìn)步無(wú)法斷然分開的。但是，即使今天我們對(duì)丁 TEM的實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)

22、軟件開發(fā)的成功，未來(lái)對(duì)丁 TEM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 的自動(dòng)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丁試樣表面形貌差別而形成的襯度。利用對(duì)試樣表面形貌 變化敏感的物理信號(hào)作為顯像管的調(diào)制信號(hào)，可以得到形貌襯度圖像。形貌襯度的形成是由丁某些信號(hào)，如二次電子、背散射電子等，其強(qiáng)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(shí)際上就是各微區(qū)表面相對(duì)丁入射 電子束的傾角不同，因此電子束在試樣上掃描時(shí)任何兩點(diǎn)的形貌差別，表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度的差別，從而在圖像中形成顯示形貌的襯度。

23、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(lái)源有三個(gè)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(hào)本身性質(zhì)（二次電子、背散射電子、 吸收電子）;c）對(duì)信號(hào)的人工處理。斷口分析斷口分析包括宏觀和微觀分析，通過(guò)斷口分析可以揭示斷裂機(jī)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(lái)物或火渣物。由丁掃描電鏡的特點(diǎn)，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)觀察由丁可以借助掃描電鏡景深大的特點(diǎn)， 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(guò)程缺陷（3）磨損表面形貌觀察(4) 納米結(jié)構(gòu)材料形態(tài)觀察(5

24、) 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)襯度是由丁試樣表面物質(zhì)原子序數(shù) (或化學(xué)成分)差別而形成的襯 度。利用對(duì)試樣表面原子序數(shù)(或化學(xué)成分)變化敏感的物理信號(hào)作為顯像管的 調(diào)制信號(hào)，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XW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(yùn)動(dòng)。故檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng) 度遠(yuǎn)低丁二次電子，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(duì)丁顯示原子序數(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(hào)強(qiáng)度較高，而吸收電子信號(hào)強(qiáng)度較低，因

25、此, 背散射電子像與吸收電子像的襯度正好相反。 可以根據(jù)背散射電子像的亮暗襯度 來(lái)判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對(duì)高低，對(duì)金屆及其合金進(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(shì)隨著科學(xué)的發(fā)展，掃描電鏡被廣泛的應(yīng)用丁生活的各個(gè)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(shí)際問(wèn)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)

26、用。如果把電子顯微鏡和共聚顯微鏡有機(jī)結(jié)合應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)研究中，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，一定會(huì)取得很好的效果。143電子能譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)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)，許多金屆和合金晶界脆斷、蠕變、腐蝕、粉末冶 金、金屆和陶瓷的燒結(jié)、焊接和擴(kuò)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(guò)正確測(cè)定和解釋AES的特征能量、強(qiáng)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(bào)。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(lái)確定固體表

27、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(duì)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(cè).因此由測(cè)得的俄歇譜來(lái)鑒定探測(cè)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(jiǎn)單。下排是較 重元素的LM"。可見，隨著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(shí)存在時(shí)，這種重疊現(xiàn)象會(huì)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(cè)試條件下純?cè)氐淖V

28、線）。在與標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)照時(shí)，除重疊現(xiàn)象外還需注意如下情況： 由丁化學(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； 由丁與大氣接觸或在測(cè)量過(guò)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(duì)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(qiáng)度變化等信息。 根據(jù)這些變化可以推知被測(cè)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(shí)踐中往往需要對(duì)多種測(cè)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

29、.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。由丁濺射速率取決丁被分析的元素，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(shí)間表小深度變化。3.1.1.5界面分析用AESW究元素的界面偏聚時(shí)，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，得到新鮮的活潔斷口，然后以盡量短的時(shí)間間隔，對(duì)該斷口進(jìn)行俄歇分析。對(duì) 丁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

30、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AESt量分析的依據(jù)是俄歇譜線強(qiáng)度。表示強(qiáng)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(qiáng) 度。3.1.2 俄歇電子能譜的分析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)三十多年的來(lái)，俄歇電子能譜無(wú)論在理論上和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都已獲得了長(zhǎng)足的 發(fā)展。俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域已不再局限丁傳統(tǒng)的金屆和合金，而擴(kuò)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(dòng)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(huì)產(chǎn)

31、生油污染的油擴(kuò)散泵 系統(tǒng)，而采用基本無(wú)有機(jī)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(jí)。在電子束激發(fā)源方面，已完全淘汰了鴇燈絲，發(fā)展 到使用六硼化竦燈絲和肖特基場(chǎng)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(cè)極限約為 10-3原子單層，其采樣深度 為12nm,比XPS還要淺。更適合丁表面元素定性和定量分析，同樣也可以應(yīng) 用丁表面元素化學(xué)價(jià)態(tài)的研究。配合離子束剝離技術(shù)，AES還具有很強(qiáng)的深度分析和界

32、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(lái)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(lái)進(jìn)行微區(qū)分析，且由丁電子束束斑非常小，具有彳艮 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(diǎn)分析，線掃描分析和面分布分析。因此，AES方法在材料，機(jī)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。3.2 X射線光電子能譜的分析3.2.1 X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(shí)際樣品的

33、光電子譜圖是樣品所含元素的譜圖的組合。根據(jù)對(duì)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(cè)提供的純?cè)氐臉?biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對(duì) 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(shí)別最強(qiáng)譜線，然后，找出被識(shí)別出的元素的其它次強(qiáng)譜線， 并將識(shí)別出的譜線 標(biāo)示出來(lái)。與俄歇電子能譜儀的定性分析過(guò)程基本相同，光電子譜的定性分析也可由能譜儀中的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)自動(dòng)完成。 但對(duì)某些重疊峰和微量元素弱峰需通過(guò) 人工分析來(lái)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(hào)強(qiáng)度與樣品表面單位體積的原子數(shù)成正比，通過(guò)測(cè)得的光電子信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)確定產(chǎn)生光電子的元素在樣品表面的濃度

34、。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(duì)靈 敏度因子法。但是，元素的相對(duì)靈敏度因子通常是以F1s譜線強(qiáng)度為基準(zhǔn)，其它 元素的最強(qiáng)譜線或次強(qiáng)線與之相比而得。相對(duì)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(qiáng)因子這個(gè) 復(fù)雜因素，也沒有微分譜造成的峰形誤差問(wèn)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(guò) 20%。3.2.1.3固體的表面分析固體的表面是指最外層的110個(gè)原子層，其厚度大概在 0.11nm,固體的 表面存在一個(gè)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(jià)態(tài)，表面能態(tài)分布，測(cè)定表面電子的電子云分

35、布和能級(jí)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)。它是基丁元素形成不同化 合物時(shí)，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(duì)元素進(jìn)行化學(xué)態(tài)分析，即確定元素形成哪種化合物。1813.2.1.5 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(lái)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(shì)隨著電子能譜儀器制造技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)分析技術(shù)的要求，近年來(lái)迅速發(fā)展 起來(lái)的高靈敏度單色化 XPS、小面

36、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(wú)法比擬的，是常規(guī)分析的擴(kuò)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15叩)內(nèi)XPS信號(hào)。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(jí)別， 遠(yuǎn)不及顯微AES的分辨率，但由丁 XPS分析的突出的優(yōu)點(diǎn)以及性能的不斷改善。 這些功能已廣泛應(yīng)用丁材料、薄膜、催化劑、微電子等領(lǐng)域的微分析中，擴(kuò)充了 XPS的應(yīng)用。這三個(gè)新功能被認(rèn)為是 X光電子能譜儀未來(lái)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(diǎn)分析、線性掃描分析，具 有較高的空間分辨率(1 mm- 7 pm)。加中和器可測(cè)定絕緣體材料，對(duì)樣品損傷 小。成像XPS速度快，信噪比高，目前空間分辨率可達(dá)1回。4光譜分析方法應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)4.1紅外光譜分析技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)4.1.1 紅外技術(shù)的發(fā)展及主要應(yīng)用領(lǐng)域軍用領(lǐng)域在美、英、法、德、日、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家的軍隊(duì)中，紅外熱 像儀已配置在陸、空、海