材料表征技術(shù)

材料表征技術(shù)第1頁/共58頁寶石學(xué)鑒定與研究：

解決傳統(tǒng)的珠寶檢測儀所無法解決的疑難問題近二十年來寶石學(xué)上的重要進(jìn)展幾乎都體現(xiàn)在先進(jìn)技術(shù)手段的使用上。如何快速、無損、準(zhǔn)確地鑒定寶石將是未來寶石學(xué)家面臨的重要研究課題。第2頁/共57頁第2頁/共58頁本專業(yè)所使用的主要大型儀器X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法第3頁/共57頁第3頁/共58頁材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識。材料成分與結(jié)構(gòu)、合成與生產(chǎn)過程、性質(zhì)及使用效能稱之為材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素。第4頁/共57頁第4頁/共58頁成分和結(jié)構(gòu)從根本上決定了材料的性能?？偟膩碚f一種材料或一種物質(zhì)其性能取決于它本身的兩個(gè)屬性。一個(gè)是它的化學(xué)成分，另一個(gè)是它內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。第5頁/共57頁第5頁/共58頁第6頁/共57頁第6頁/共58頁對材料的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確表征是材料研究的基本要求，也是實(shí)現(xiàn)性能控制的前提。

材料現(xiàn)代分析方法是一門關(guān)于材料成分及結(jié)構(gòu)表征的技術(shù)性實(shí)驗(yàn)方法性的課程。第7頁/共57頁第7頁/共58頁8材料信號輸入信號輸出材料與輸入信號相互作用，產(chǎn)生輸出信號。比較輸入和輸出信號，獲取材料的相關(guān)信息。1、輸入什么信號；2、獲取什么信號；3、輸入信號與材料的相互作用，以及輸出信號的產(chǎn)生過程。材料分析方法的理論依據(jù)（重點(diǎn)）第8頁/共57頁第8頁/共58頁9信號輸入信號輸出X-射線、光子、電子、離子束、中子材料掌握和靈活運(yùn)用常見的表征手段。X-射線、光子、電子、離子束、中子第9頁/共57頁第9頁/共58頁第10頁/共57頁第10頁/共58頁第11頁/共57頁第11頁/共58頁組織形貌分析物相分析成份和價(jià)健分析分子結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)代材料分析的主要內(nèi)容第12頁/共57頁第12頁/共58頁1.組織形貌分析微觀結(jié)構(gòu)的分析對于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要光學(xué)顯微鏡(OM)電子顯微鏡(SEM)掃描探針顯微鏡(SPM)第13頁/共57頁第13頁/共58頁第14頁/共57頁第14頁/共58頁2.物相分析是指利用衍射的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。

X-射線衍射(XRD)

電子衍射(ED)

中子衍射(ND)利用電磁波或運(yùn)動電子束、中子束，與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得攜帶材料內(nèi)部原子排列信息的衍射斑點(diǎn)，重組處物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第15頁/共57頁第15頁/共58頁第16頁/共57頁第16頁/共58頁

大部分手段都是基于核外電子的能級分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷，在此過程中產(chǎn)生元素的特征信息。3.成分和價(jià)鍵分析

按照出射信號的不同，成分分析手段可以分為兩類：X光譜和電子能譜，出射信號分別是X射線和電子。

X射線熒光光譜(XFS)，電子探針X射線顯微分析(EPMA)X射線光電子能譜(XPS)，俄歇電子能譜(AES)第17頁/共57頁第17頁/共58頁4.分子結(jié)構(gòu)分析利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分子結(jié)構(gòu)信息。如：紅外(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時(shí)的發(fā)射效應(yīng)；核磁共振(NMR)是利用原子核與電磁波的作用獲得分子結(jié)構(gòu)信息。第18頁/共57頁第18頁/共58頁

X射線熒光分析電子顯微分析紅外光譜分析紫外紫外-可見吸收光譜分析激光拉曼光譜陰極發(fā)光儀X射線衍射分析其它一些分析方法主要的材料分析技術(shù)第19頁/共57頁第19頁/共58頁掌握所介紹儀器的基本概念和原理、熟悉儀器結(jié)構(gòu)、性能、實(shí)驗(yàn)操作的方法，并了解和基本掌握它們在材料微觀組織結(jié)構(gòu)和成分分析中的應(yīng)用。了解現(xiàn)代分析技術(shù)領(lǐng)域里的新技術(shù)及其發(fā)展動態(tài)。掌握各種現(xiàn)代分析技術(shù)手段在寶石學(xué)中的應(yīng)用。第20頁/共57頁第20頁/共58頁X－射線的發(fā)現(xiàn)：

1895年，德國物理學(xué)家倫琴在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，也叫倫琴射線。因此，1901年成為世界上第一位諾貝爾獎獲得者。第21頁/共57頁第21頁/共58頁底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎獲得者？FrauR?ntgen'shand第22頁/共57頁第22頁/共58頁第23頁/共57頁第23頁/共58頁用初級X射線照射樣品，試樣激發(fā)出了不同波長的熒光X射線。對熒光X射線的分析檢測有兩種方式：一是將他們按波長分開，通過檢測不同波長的X射線強(qiáng)度來進(jìn)行定性、定量分析，采用波長色散X射線熒光光譜儀；另一類是將熒光X射線按電子能量分開，測量光子能量來進(jìn)行定量定性分析，則采用能量色散型X熒光光譜儀。X射線熒光光譜儀第24頁/共57頁第24頁/共58頁WDX1000波長色散X射線熒光光譜儀第25頁/共57頁第25頁/共58頁能量色散X射線熒光光譜儀第26頁/共57頁第26頁/共58頁在寶石研究中的應(yīng)用X射線熒光光譜儀適用于各種寶石的無損測試。具有分析的元素范圍廣；譜線簡單，相互干擾少，分析方法簡單；分析濃度范圍較廣，從常量到微量；分析快速、準(zhǔn)確、無損。

近年來受到世界各大寶石研究所和寶石檢測機(jī)構(gòu)重視并加以應(yīng)用。第27頁/共57頁第27頁/共58頁眼睛是人類認(rèn)識客觀世界的第一架“光學(xué)儀器”。但它能力有限，若兩個(gè)細(xì)小物體間的距離小于0.1mm時(shí)，眼睛就無法把他們分開。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類認(rèn)識微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。

上世界30年代后，電子顯微鏡的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級，同時(shí)也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴(kuò)展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類認(rèn)識微觀世界的能力從此有了長足的發(fā)展。電子顯微分析第28頁/共57頁第28頁/共58頁研究對象微結(jié)構(gòu)與顯微成分微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系微結(jié)構(gòu)形成的條件與過程機(jī)理材料的性能由微結(jié)構(gòu)所決定，人們可通過控制材料的微結(jié)構(gòu)，使其形成預(yù)定的結(jié)構(gòu)，從而具有所希望的性能。電子顯微分析是利用聚焦電子束與式樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種物理信號，分析式樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。方法：1、透射電鏡（TEM）

2、掃描電鏡（SEM）

3、電子探針（EMPA）第29頁/共57頁第29頁/共58頁電子顯微分析在材料學(xué)中的應(yīng)用①晶相、玻璃相、氣相的存在與分布；②晶粒大小、形狀、位置；③氣孔的尺寸、形式、位置；④顯微缺陷、微裂紋、晶體缺陷；⑤晶界及其所在處的雜質(zhì)；⑥微區(qū)的成分分析。第30頁/共57頁第30頁/共58頁放大200倍的斜紋藻

放大30倍碳納米管

光學(xué)顯微鏡照片第31頁/共57頁第31頁/共58頁放大40倍的新月藻、硅藻和水棉放大200倍的昆蟲后腿光學(xué)顯微鏡照片第32頁/共57頁第32頁/共58頁納米InVO4粉體TEM照片第33頁/共57頁第33頁/共58頁ZnO納米帶高分辨TEM照片第34頁/共57頁第34頁/共58頁第35頁/共57頁第35頁/共58頁光學(xué)顯微鏡的局限性一個(gè)世紀(jì)以來人們一直用光學(xué)顯微鏡來揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)，但光學(xué)顯微鏡的分辨能力是有限的。最小分辨距離計(jì)算公式：

d指物鏡能夠分開兩個(gè)點(diǎn)之間的最短距離，稱為物鏡的分辨本領(lǐng)或分辨能力；λ為入射光的波長；n為透鏡周圍介質(zhì)的折射率α為物鏡的半孔徑角第36頁/共57頁第36頁/共58頁由上式可以得出：對于可見光的波長在390～770nm之間N、α值均小于1，最大只能達(dá)到1.5～1.6光學(xué)顯微鏡使其最大的分辨能力為0.2μ增大n、a值是有限的，解決的辦法就是減小波長λ。而可見光的波長有限，因此，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能再次提高，唯有尋找比可見光波長更短的光線才能解決這個(gè)問題。第37頁/共57頁第37頁/共58頁

高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級躍遷

χ射線來自內(nèi)層電子能級的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來自原子和分子外層電子能級的躍遷可見光紅外光來自分子振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷波譜區(qū)微波來自分子轉(zhuǎn)動能級及電子自旋能級躍遷無線電波來自原子核自旋能級的躍遷電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列，稱~。γ射線→

X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波波長長第38頁/共57頁第38頁/共58頁電子的波性及波長比可見光波長更短的有：1）紫外線----會被物體強(qiáng)烈的吸收；2）X射線----無法使其會聚；3）電子波

根據(jù)德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)，即電子具有微粒性也具有波動性。電子波的波長第39頁/共57頁第39頁/共58頁

h——Plank常數(shù)，6.63×10-34J﹒S

m——9.1×10-28gv——電子速度顯然，v越大，越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)即而則埃即若被150伏的電壓加速的電子，波長為1埃。若加速電壓很高，就應(yīng)進(jìn)行相對論修正。第40頁/共57頁第40頁/共58頁41紅外吸收光譜分析InfraredAbsorptionSpectroscopy,IR第41頁/共57頁第41頁/共58頁42當(dāng)紅外光照射時(shí)，物質(zhì)的分子將吸收紅外輻射，引起分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷所產(chǎn)生的分子吸收光譜，稱為紅外吸收光譜或振動-轉(zhuǎn)動光譜。第42頁/共57頁第42頁/共58頁43分子振動能級間躍遷需要的能量小，一般在0.025～1eV間。波長范圍：0.75～1000μm。紅外光譜區(qū)在可見光區(qū)與微波區(qū)之間

近紅外區(qū)：0.75~2.5μm（13333～

4000cm-1）

—OH、—NH、—

CH倍頻吸收區(qū)中紅外區(qū)：2.5~25μm（4000～

400cm-1

）

基團(tuán)的基頻振動、伴隨轉(zhuǎn)動光譜遠(yuǎn)紅外區(qū)：25~1000μm（400～

10cm-1

）轉(zhuǎn)動光譜、晶格振動紅外光區(qū)的劃分

第43頁/共57頁第43頁/共58頁

當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長關(guān)系曲線，就得到紅外吸收光譜。44紅外光譜圖表示形式第44頁/共57頁第44頁/共58頁紅外光譜儀45一、儀器類型與結(jié)構(gòu)兩種類型：色散型干涉型（傅里葉變換紅外光譜儀）美國Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR第45頁/共57頁第45頁/共58頁紫外可見吸收光譜UltravioletandvisiblespectrophotometryUV—Vis第46頁/共57頁第46頁/共58頁定義：紫外可見吸收光譜:利用物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光的吸收所產(chǎn)生的紫外可見光譜及吸收程度對物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、測定、推斷的分析方法。第47頁/共57頁第47頁/共58頁紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。第48頁/共57頁第48頁/共58頁紫外可見吸收光譜示意圖末端吸收最強(qiáng)峰肩峰峰谷次強(qiáng)峰maxmin

A第49頁/共57頁第49頁/共58頁第50頁/共57頁第50頁/共58頁拉曼光譜的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

1928年，印度科學(xué)家C.VRamanin首先在CCL4光譜中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)光與分子相互作用后，一部分光的波長會發(fā)生改