材料研究方法范文

材料研究方法范文材料研究方法范文 IRRS Infrared ReflectionSpectroscopy 红外反射光谱 XPS X ray PhotoelectronSpectroscopy X射线光电子能谱 ESCA AES Auger electronspectroscopy 俄歇电子谱 SIMS Secondary IonMass Spectroscopy 二次离子质谱 SEM Scanning ElectronMicrograph 扫描电子显微镜 EDS EDX Energy Dispersive X ray Analyzer 能量色散X X射线分析 EPMA Electron probemicro analysis 电子探针微区分析亦称EDAX Electron dispersionX ray analysis ELL EPM Ellipsometry 椭圆偏振术 ISS Ion scatteringspectroscopy 离子散射谱 LEED Low energyelectron diffraction 低能电子衍射 RBS Rutherford backscattering 卢瑟福背散射 STM Scanning tunnelingmicroscopy 扫描隧道显微镜 SNMS Sputtered neutralsmass spectroscopy 溅射中性粒子质谱 FEM field emission microscope 场发射显微镜 N2Analysis ofAdsorption Isotherms Surface Area 比表面积 沸石 500 800m2 g 介孔材料 1000m2 g 介孔碳1000 2000m2 g Pore Size 孔径 微孔50nm Pore Volume 孔容 0 3 0 5 2 0ml g Pore SizeDistribution 孔径分布 Fractal Dimension Texture ofPorous MaterialXRD X X射线分析法特点 11 非破坏性和大面积上的平均性 22 对结构和缺陷的灵敏性 33 对成分 组成 结构和缺陷等参量单一对应性和可定量测量 性 44 制样简单且代表实际使用材料的真实性 X X射线物相分析特点 鉴定可靠 因d d值精确 稳定 直接鉴定出物相 并确定物相的化合形式 需 要样品少 不受晶粒大小的限制 晶体结构相同 晶胞参数相近 的物相 有相似的衍射花样 不能直接测出化学成分 元素含量 对混合物相中含量较少的相 有一定的检测误差 参数选择 Cu靶 0 154nm 狭缝宽度增加发散狭缝宽度可增强入 射光 虽然这对提高灵敏度 减少测量时间和强度的统计误差有利 但同时也会降低分辨率 要想得到高的分辨率 就必须用小的接收狭缝 扫描速度是指接收狭缝和计数器转动的角速度 增大扫描速度可节约测试时间 但将导致强度和分辨率的下降 时间 常数表示电路对信号反映的快慢 时间常数越小 反映越快 增大 时间常数 可减少统计涨落 从而使衍射线及背底变得平滑 但同 时将降低峰高和分辨率 物相定性分析利用X X射线进行物相定性分析的步骤为 用某一种实验方法获得待测试 样的衍射花样 计算并列出衍射花样中各衍射线的d d值和相应的相对强度I I值 参考对比已知的资料鉴定出试样的物相 物相定性分析所应注意问题 1 对于数据d值 处理时精度要求高 一般只允许小数点后第二 位才能出现偏差 2 低角度区域的衍射实验数据较重要 因为在低角度区域 衍射所对应d值较大的晶面 不同晶体差别较大 衍射线相互重叠机会较小 3 对多物相混合试样检验时 应耐心细致进行检索 力求全部数 据能合理解释 4 d比I相对重要 5 强线比弱线重要 6 要重视特征线 7 做定性分析中 了解试样 化学成分 物理性质 8 不要过于迷信卡片上的数据 特别是早年的资料 注意资料的 可靠性 X X射线小角度散射 SAXS X X射线小角散射是发生在22 0 03 3 范围内的相干散射现象 物质 内部数十至千 尺度范围内电子密度的起伏是产生这种散射效应的 根本原因 SAXS主要是测量微颗粒形状 大小及分布和测量样品长周期 并通 过衍射强度分布 进行有关的结构分析 选择标样物相标样物相的理化性能稳定 与待测物相衍射线无干扰 在混合及制样时 不易引起晶体的择优取向 某晶相含量的定量分析 1 选择的标样物相与纯的待测物相按要求制成混合试样 选定标样 物相及待测物相的衍射 测定其强度Is和I Ij j 用I Ij j Is和纯相配比X Xj j s s获取定标曲线或K Kjjss 2 测定试样中标准物相j的强度或测定按要求制备试样中的特检 物相j及标样S物相指定衍射线的强度 3 用所测定的数据 按各自的方法计算出待检物相的质量分数Xj SEM各种信号成像的分辨率 nm 信号二次电子背散射电子吸收电子 特征X X射线俄歇电子分辨率11 550 xx00 1000100 100055 10图像分 析时二次电子信号的分辨率最高 因此所谓扫描电镜的分辨率即二次电子像的分辨率 扫描电镜具有如下特点11 制样简单 22 景深大 适用于粗糙表 面和断口的分析观察 图像富有立体感 真实感 易于识别和解释 33 放大倍数变化范围大 可15 80万倍 44 具有相当的分辨 率 一般为11 3nm 55 可进行多功能分析 如与X X射线能谱仪配接 可在观察形貌的同时进行微区成分分析 66 可使用加热 冷却和拉伸等样品台进行动态试验 观察各种条件下 的相变及形态等变化等 77 可通过电子学方法方便地控制和改善 图像的质量 参数影响1 加速电压2 电子束减速3 工作距离4 光阑5 扫描模式6 探测器7 制样微束分析 Microbeam Analysis 利用一束细电子束 离子束 光束或粒子束作用于试样产 生的各种信息 进行成分 形貌 结构及其他物理和化学特性的分析 主要功能成分分析 结构分析 图像分析 EPMA原理 用途电子探针英文缩写为EPMA或EMA Electron probeX ray microanalyser 一种电子束显微分析的仪器 是通过电子束激发试样微区产生的二 次电子 背散射电子 及X射线等信息 进行试样表面形貌观察及成 分分析 成分分析主要用波谱仪 WDS 也可以用能谱附件进行成分分析 EPMA SEM区别EPMA成分分析 形貌观察 以成分分析为主 主要用WDS进行元素成分分析 出射角大 有OM 电流大 有较成熟 的定量方法 所以定量结果准确度高 真空腔体大 成分分析束流大 所以电子光路 光阑等易污染 图 像质量下降速度快 EPMA二次电子像分辨率约为6nm SEM形貌观察 成分分析 图像分辨率高 FESEM1纳米 W灯丝3纳米 EPMA比SEM价格贵2 3倍 EPMA分析特点1 微区 1 m 5 m 显微结构分析2 元素分析范围 广硼 B 铀 3 定量准确度高4 检测极限WDS 0 01 左右 EDS0 1 左右5 不损坏试样 分析速度快6 微区离子迁移动力学研究SEM特点1 放大 倍率高 几十倍到几十万倍 连续可调 倍率选择要根据试样特点 2 分辨率高 W灯丝SEM分辨率3nm 6nm 场发射SEM分辨率可达到1nm 3 景深大 图像立体感强 可对粗糙不平的断口试样观察 4 保真度好 试样制备简单 保存试样原貌 冷场发射和热场发射场发射SEM分冷场发射和热场 肖特基 发射 冷场发射是阴极温度在室温 热场发射阴极要加热到约1500 热场W阴极单晶尖端为取向 表面有一层氧化锆 以降低电子 发射的功函数 冷场发射的W单晶是取向 取向的逸出功最小 4 2eV FESEM分辨率高的主要原因1 电子源 灯丝 亮度高 2 电磁透镜的像差 C S C C 小 SEM的分辨率 与入射到试样上的电子束直径密切相关 电子束直径 越小 分辨率越高 最小的电子束直径D由如下所示D2 C S2 6 CC2 2 V VACC 2 0 4 I B 2式中C S为球差 C C为色差 V V ACC为电子的能量扩展 I是电子束电流 B是电子光源亮度 是聚 焦的电子束张角 SEM灯丝为W W丝或者LaF66 环境扫描电镜电子与气体分子碰撞时 会产生正离子和电子 正离 子被试样表面吸引并中和试样表面积累的电荷 电子飞向探测器 试样室真空度大于2660Pa的SEM 称环境扫描电镜 Environmental SEMESEM 通常通气体或者喷水来保持低真空度 环境SEM更适合于 观察不稳定试样和含水试样 高加速电压对图像影响1 图像包括较深层信息2 损失图像表面细节 5kV比25kV表面细节明显清楚 3 增加边缘效应4 增加放电可能性5 可能损伤试样6 提高分辨率XPS XPS X X 射线光电子能谱X X ray PhotoelectronSpectroscopy 特点1 可能给出表面层原子价态与周 围元素键合等信息 2 入射束为XX射线光子束 因此可进行绝缘样 品分析 3 不损伤被分析样品 4 快速多元素分析 5 可进行有机 物基团分析 XPS的特点 可以分析除H和He以外的所有元素 相邻元素的同种能级的谱线相隔较远 相互干扰较少 元素定性的 标识性强 能够观测化学位移 化学位移同原子氧化态 原子电荷和官能团有 关 化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基础 可作定量分析 即可测定元素的相对浓度 又可测定相同元素的不 同氧化态的相对浓度 是一种高灵敏超微量表面分析技术 样品分析的深度约为20 信 号表面几个原子层 样品量可少至10 8g 绝对灵敏度高达10 18g XPS可进行痕量分析光电子能谱仪在元素的定性分析上有特殊优点 它可以测定除氢 氦以外的全部元素 对物质的状态没有选择 样 品需要量很少 可少至10 88g g 而灵敏度可高达10 18g g 相对精度有1 因此 特别适合做痕量元素分析 样品的要求1 非挥发性固体及粉末样品2 样品尺寸直径 38mm应用 简介 表面的成分与结构解析 1 金属膜 半导体膜 绝缘膜等材 料的组分分析表面沾污及器件失效分析等2 高分子聚合物的表面化 学结构判别及表面改性等3 金属表面氧化与偏析 表面防腐 抗磨 及热处理分析4 薄膜及涂层中组分与化学结构分析XPS的实验方法 样品的预处理 对固体样品 1 溶剂清洗 萃取 或长时间抽真空 除表面污染物 2 氩离子刻蚀除表面污物 注意刻蚀可能会引起表面化学性质的变化 如氧化还原反应 3 擦磨 刮剥和研磨 对表理成分相同的样品可用SiC 600 砂纸擦磨或小刀刮剥表面污层 对粉末样品可采用研磨的方法 4 真空加热 对于能耐高温的样品 可采用高真空下加热的办法除去样品表面吸 附物 样品的安装一般是把粉末样品粘在双面胶带上或压入铟箔 或金属 网 内 块状样品可直接夹在样品托上或用导电胶带粘在样品托上 进行测定 其它方法1 压片法对疏松软散的样品可用此法 2 溶解法将样品溶解于易挥发的有机溶剂中 然后将其滴在样品托 上让其晾干或吹干后再进行测量 3 研压法对不易溶于具有挥发性有机溶剂的样品 可将其少量研压 在金箔上 使其成一薄层 再进行测量 AES AES 俄歇电子能谱Auger ElectronSpectrometry 特点 1 极薄表面层的元素分析 可分析深度在2nm以内 2 分辨率高 有很高的微区分析灵敏度 3 也可进行化学结合状态的测定 4 易于其它方法结合 可进行三维扫描 成像 如AES XPS组合可了解原子的键合状态 AES LEED 低能电子衍射 不仅能测定元素种类 也能测定原子的排列 5 对样品表面要求不严格 6 利用离子枪的刻蚀功能可进行深度分析 7 谱线复杂 8 定量分析还有困难 9 样品表面易损伤二次电子过程会对样品表面损伤 使其信息量减 少 这种损伤对有机材料尤其严重 对有机材料最多的应用是采用AES与离子溅射并存的方法来分析纵深 的剖面图 10 存在电子束引起的干扰绝缘体样品表面易带电 特别是进入和 离开样品的为大功率电子通量 须快速将过甚电荷泄放 否则样品 电势的变化将使俄歇线的能量出现严重错误 样品要求非挥发性固体及粉末样品样品尺寸一般小于 30mm应用简 介各种薄膜材料分析 表面杂质和器件失效分析多层薄膜界面分析 元素的化学结构及化学价态分析薄膜组份深度分析SIMS 二次离子 质谱Secondary IonMass Spectrometry 的特点 1 信息深度为表面几个原子层甚至单层 2 能分析包括氢在内的全部元素 并可检测同位素 3 能分析化合物 得到其分子量以及分子结构信息 且特别适合于 检测不易挥发 热不稳定的有机大分子 4 检测灵敏度高 对杂质的检测限常可达p ppm甚至ppb量级 是所有表面分析方法中灵敏度最高的一种 5 可进行微区成分的成像分析和深度剖面分析 还可以得到一定程 度的晶格信息 TEM TEM特点透射电子显微镜具有高分辨率 高放大倍数等特点 是以聚 焦电子束作为照明源 用电磁透镜对极薄 从几至几十nm 试样的透 射电子源 并使之聚焦成像的电子光学仪器 TEM制样透射电镜所用的极薄试样有特定的制备方法 透射电镜研究用的样品要求具有很薄的厚度 将极薄的试样放在专 用的铜网上 并将铜网装在专用的样品架上 再送入电镜的样品室 内进行观察 透射电镜样品专用铜网是直径为3mm 并有数百个网孔构成的 透射电镜样品有多种制备方法 主要是根据试样的状态和试验要求 确定的 对高分子材料可进行以下研究1 确定晶区与非晶区量的关系 2 研 究结晶结构及形态 3 研究各种结构的形成 结晶速率等结晶过程 4 研究高分子结晶的聚集态 5 研究聚合物和共混物 AAS原子吸收光谱分析的特点 1 用火焰作原子化光源时 测量再现性较好 准确度好 2 对各元素的分析灵敏度较高 PPb级 3 操作较易 应用广泛 如生物环境试样等 测定快速 4 仪器装置小型 且组装也简单 5 分析试样的利用率较高 6 使用无火焰装置时 不须采取防止气体爆炸的措施 仪器操作条件的选择 一 空心阴极灯电流的选择提高灯电流 增大发射强度 有利于改 善信噪比 但是 另一方面 谱线宽度随之增大 自吸收显著 不利于测定灵 敏度 过高的灯电流还会使发射不稳定和缩短灯的使用寿命 当选用较小的灯电流时 谱线宽度小 输出稳定 测定灵敏度高 但是 如发射强度太弱 必须采用较宽的狭缝和较高的光电倍增管 高压及放大器增益 这就使噪音增强 信噪比变坏 在选择灯电流时须兼顾 二 吸收线的选择每个元素都有若干条吸收线 常选用最灵敏的 共振线进行分析 但有些元素 如镍 钴等 的最灵敏线并不是共振线 此外 当存在光谱干扰 待测元素浓度过高或最灵敏线位于远紫外 或红外区时 也可选用次灵敏线或其它线 三 火焰类型与状态的选择火焰类型的选择与测定灵敏度及干扰 情况有很大关系 目前应用广泛的火焰主要是以下两种空气 乙炔火焰 适用于玻陶材料中大多数常见元素的测定 是最为常见 的一种火焰 温度更高的氧化亚氮 乙炔火焰 用于一些易生成难熔氧化物的元素 如A 1 Si Ti B B Zr等 的测定 这些元素是玻陶材料中的重要组分 改变燃气和助燃气的流量比 可改变火焰的燃烧状态 不少元素用富燃性火焰测定时灵敏度较高 但碱金属的测定以贫燃 性火焰为宜 四 吸收高度的选择吸收高度是指光束通过火焰的高度 通常用改变燃烧器高度来使光束通过火焰的不同部位 又称为燃烧 器高度 改变燃气流量 火焰状态发生变化 火焰中最大吸收高度也随之变 化 此外 干扰元素存在与否 也会使吸收高度省些不同 所以 最好是通过条件试验得出在喷入一定浓度的标准溶液时 吸 光度随燃烧器高度变化的曲线 由此确定最合适的吸收高度 五 狭缝宽度的选择狭缝宽度直接决定单色器的光谱通带 因此 选择狭徑宽度的原则是在单色器能够避开最邻近的非共振线 时 尽可能选用较宽的狭缝 所以 对于共振线附近几乎没有其他谱线的元素 如钙 镁 锌等 狭缝宽度不要求那么严格 可以选用光谱通带11毫微米左右的狭 缝宽度 另一方面 对于谱线复杂的铁 钴 镍等元素 则须选用较狭的狭 缝宽度 以便使共振线与其他谱线分开 或者使其他谱线的影响减 至最小 但是狭缝宽度过小 光强度太弱 信噪比变坏 倒不如仍采用较宽 的狭缝 以提高光强 得到相对说来较好的信噪比 所以应当根据具体情况作出选择 ICP A AES分析法的优点1 灵敏度高 检测限低 0 0001mg L 2 精密度 高 RSD 1 3 干扰较小 Ar的光谱背景较干净4 同时多元素分析能 力 可测定70多种金属元素和部分非金属ICP测量条件的选择1 射频 RF 输出功率2 载气流量3 观察高度ICP是一种溶液光谱法 样品须是中 性或酸性的水溶液 一般不容许含有有机化合物 若有则要采取消 解法 DTA DTA曲线的影响因素1 加热速率的影响随着升温速率加快 温度滞后 现象严重 因而热分析曲线的峰温向高温方向移动2 气氛的影响1 可以被氧化的试样在含氧气的气氛中出现氧化放热峰 在氮气或其 它惰性气氛中就没有了氧化放热峰 2 当试样有气体产物时 要考虑到环境气氛对试样反应的影响 3 压力的影响在进行气氛差热分析时 对于放出气体或消耗气体的化 学反应或物理变化 气氛压力对平衡温度有明显的影响 对DTA的峰 温有较大变化 如热分解 升华 汽化 氧化 还原等 另外 峰温移动程度还与过程的热效应大小成正比 实验证明 气氛压力提高 起始温度 峰顶温度 终止温度都向高 温移动 反之 气氛压力越低分解出来的产物越容易离开样品表面 促使分解温度越来越低 同时DTA曲线的分辨率越低 4 流动气氛的影响