材料表面技术

1、材料表面分析技术材料表面分析技术外观检测外观检测成分及组织结构分析成分及组织结构分析物理及力学性能检测物理及力学性能检测一、外观检测（一、外观检测（visual examination ）含义：肉眼、样板或放大镜含义：肉眼、样板或放大镜 涂层外观检测要求：涂层外观检测要求： 涂层表面保持干净；涂层表面保持干净； 检测要全面、细致；检测要全面、细致； 依据相关标准（依据相关标准（QJ 990.2-1986 ）或技术要求。）或技术要求。不平整、不平整、针孔针孔、氧化、脱皮、氧化、脱皮、飞溅飞溅、表面裂纹、表面裂纹、剥落、剥落、麻点麻点、鼓泡鼓泡、缩孔缩孔、疏松疏松、斑点、斑点、毛刺毛刺、擦擦伤伤等

2、等 表面缺陷的种类及特点：表面缺陷的种类及特点： 涂层表面缺陷（涂层表面缺陷（surface defects ）检测）检测二、表面结构的表征二、表面结构的表征表面成分分析表面成分分析 X射线光电子能谱、俄歇电子能谱射线光电子能谱、俄歇电子能谱表面结构测定表面结构测定 X射线衍射射线衍射等等表面形貌观察表面形貌观察 光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等X射线衍射（射线衍射（XRD）n各相物质均具有其独具的各相物质均具有其独具的。n在给定波长的在给定波长的X X射线照射下，每种晶体物质都形成自己特射线照射下，每种晶体物质都形成自己特定的定的。n对

3、于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的对于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的。n将被测试样的衍射花样与一组将被测试样的衍射花样与一组的衍射花的衍射花样逐一对比，从而判断其相组成。样逐一对比，从而判断其相组成。X射线衍射分析的应用射线衍射分析的应用物相定性分析物相定量分析点阵常数测定应力测定晶体取向测定获得衍射花样获得衍射花样计算面间距计算面间距d d 值和测定相对强度值和测定相对强度/1 1检索检索PDFPDF卡片和核对卡片和核对PDFPDF卡片卡片分析判定分析判定常用的物相定量分析分析方法有三种：常用的物相定量分析分析方法有三种： 它是用分析相的纯样品的某一衍射线为标准它是用分析相

4、的纯样品的某一衍射线为标准 用掺入试样内的某已知物相的衍射线为标准用掺入试样内的某已知物相的衍射线为标准 用试样中另一相的衍射线为标准用试样中另一相的衍射线为标准俄歇电子能谱分析（俄歇电子能谱分析（AES） 俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量是用具有一定能量的电子束的电子束(或或X射线射线)激发样品激发样品俄歇效应俄歇效应，通，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。法。 主要组成部分：主要组成部分：电子枪电子枪、能量分析器能量分析器、二次电二次电子探测器子探测器、（

5、、（样品）分析室样品）分析室、溅射离子枪溅射离子枪和和信信号处理与记录系统号处理与记录系统等。等。俄歇谱仪示意图俄歇谱仪示意图直接谱与微分谱直接谱与微分谱 直接谱直接谱：俄歇电子强度：俄歇电子强度密度密度(电子数电子数)N(E)对其对其能量能量E的分布的分布N(E)E。 微分谱微分谱：由直接谱微分：由直接谱微分而来，是而来，是dN(E)/dE对对E的分布的分布dN(E)/dEE。俄歇电子能谱示例俄歇电子能谱示例(银原子的银原子的俄歇能谱俄歇能谱) AES定性分析定性分析 实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子谱的组合，定性分析的方法是将测得

6、的俄歇电子谱与谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来识别元素的种类。识别元素的种类。AES定量分析定量分析 俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。据此可以进行元素的半定量分析。成分深度分析成分深度分析 AES的深度分析功能是的深度分析功能是AES最有用的分析功能最有用的分析功能,主要分析元素及主要分析元素及含量随样品表面深度的变化。含量随样品表面深度的变化。镀铜钢深度分析曲线镀铜钢深度分析曲线 微区分析也是俄歇电

7、子能谱分析的一个重要功能，微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个三个方面。方面。X射线光电子能谱射线光电子能谱(XPS) X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）：）：激发源为激发源为X射射线线，用，用X射线作用于样品表面，产生光电射线作用于样品表面，产生光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子能谱。用于研究样品表面组成和结构。子能谱。用于研究样品表面组成和结构。 XPS图谱图谱 如图以如图以Mg 为激发源得到为激发源得到 的的Ag片的片的XPS 谱图。图中有谱图。

8、图中有 Ag3d3/2和和Ag 3d5/2光电子两光电子两 个强特征峰。个强特征峰。 用于鉴别银。用于鉴别银。X射线光电子能谱仪射线光电子能谱仪 XPS仪由仪由X射线激发源、样品台、电子能量分析器、射线激发源、样品台、电子能量分析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。检测器系统、超高真空系统等部分组成。X射线光电子能谱仪射线光电子能谱仪 定性分析定性分析 不同元素的原子不同元素的原子，其，其电子结合能不同电子结合能不同，电子结合能是，电子结合能是特征性特征性的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进行行定性分析定性分析。 半定量分

9、析半定量分析 经经X射线照射后，从样品表面某原子出射的射线照射后，从样品表面某原子出射的光电子的强度光电子的强度是是与样品中该与样品中该原子的浓度原子的浓度有线性关系，因此，可以利用它进行有线性关系，因此，可以利用它进行元素的元素的半定量分析半定量分析。X射线光电子能谱定性、定量分析射线光电子能谱定性、定量分析硅晶体表面薄膜的物相分析硅晶体表面薄膜的物相分析 对薄膜全扫描分析得下图，含有对薄膜全扫描分析得下图，含有Zn和和S元素但元素但化学态未知。化学态未知。为得知为得知Zn和和S的存在形态，对的存在形态，对Zn的最强峰进行窄扫描，其峰位的最强峰进行窄扫描，其峰位1022eV比纯比纯Zn峰峰1

10、021.4eV更高，说明更高，说明Zn内层电子的结合能增内层电子的结合能增加了，即加了，即Zn的价态变正，根据含有的价态变正，根据含有S元素并查文献中元素并查文献中Zn的标的标准谱图，确定薄膜中准谱图，确定薄膜中Zn是以是以ZnS的形式存在的。的形式存在的。 l 宏观形貌：宏观形貌：体视显微镜、（数码）照相机体视显微镜、（数码）照相机手段：手段：光学显微镜、电子显微镜（光学显微镜、电子显微镜（SEMSEM、TEMTEM）目的：目的：涂层微观涂层微观组织结构组织结构过程：过程：取样取样镶嵌镶嵌磨制磨制抛光抛光腐蚀腐蚀金相试样金相试样观察（观察（OMOM、SEMSEM或或TEMTEM）l 显微组织

11、结构分析显微组织结构分析SEM SEMSEM成像原理：成像原理： 利用扫描电子束从样品表面激发出各种利用扫描电子束从样品表面激发出各种物理信号物理信号来来调制成象调制成象的。的。 物理信号：二次电子、背散射电子物理信号：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征、俄歇电子、特征X射线等射线等 SEM的特点的特点 分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富有立体感、试样制备简单有立体感、试样制备简单扫描电镜的构造扫描电镜的构造电子光学系统电子光学系统信号的收集和图像显示系信号的收集和图像显示系统统真空系统真空系统SEM试样的制备一般固体

12、材料的试样制备都比较简单对于导电材料，只有几何尺寸和重量的要求，具体大小因扫描电镜的型号不同而有所差异对于导电性差的材料或绝缘材料，通常要蒸镀一层薄的导电材料，如金、银、碳等SEM的应用二次电子形貌衬度应用断口形貌分析背散射电子原子序数衬度应用背散射电子的信号即可以用来进行成分分析，也可以用于形貌分析，但是他进行形貌分析的分辨率远比二次电子低利用原子序数造成的衬度变化对金属和合金进行定性的成分分析，试样中重元素对应于图像上的亮区，轻元素对应暗区TEM TEM工作原理：工作原理： 在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。 成像原理