第1章-材料现代微观分析技术概论

1、材料现代微观分析技术 基本原理及应用,任课教师：李 炎,河 南 科 技 大 学 材料科学与工程学院 材料分析实验中心,本课程的主要内容,电子显微学 透射电子显微分析 扫描电子显微分析 X射线谱仪成分分析 X射线衍射学 X射线物相（晶体结构）分析 三维表面分析 扫描隧道显微镜 原子力显微镜,本课程的教学试验环节,课时安排,第 1 章 概 论,一. 材料工程与显微分析,二. 显微技术发展历史,三. 现代微观测试仪器,一. 材料工程与显微分析,材料的种类,非晶体： 晶 体：多晶体、单晶体 (七大晶系，14种布拉菲点阵） 准晶体： 20面，10面，32面,材 料 工 程,成分设计：元素的种类及含量 工

2、艺流程： 块状材料:冶炼浇注锻打轧制各种冷热处理。 薄膜材料:沉积法，溅射法，冷热处理。 机械性能：韧性，塑性，强度，硬度等。 物理性能：熔点，密度，导电性，导热性，磁性等 微观检测：晶体结构（晶体，非晶体，准晶体） 显微组织（晶粒大小，晶体缺陷，晶面等） 元素分布（均匀程度，有无偏析） 性能是由材料自身微观结构决定的。材料的化学成分，元素分布，组成相的晶体结构，大小，形态，界面状况以及晶体缺陷等，都直接影响到宏观性能。因此，微观检测能更深刻地揭示材料特性的本质，对已有材料潜力的开发，研制新材料，新工艺提供理论上的指导。,传统的淬火工艺,古代铁匠在打造锋利工具时，一停锤就迅速淬入水中，而不是丢

3、在地上自然冷却，当时只知道好使。,为什么马氏体比铁素体或珠光体坚硬？,现在，也用淬火工艺，是为了得到强度好，硬度高的马氏体组织。若自然冷却得到铁素体或珠光体。,珠光体和马氏体组织,珠光体是铁素体和渗碳体的两相混合物,马氏体是碳元素在铁素体中的过饱和固溶体,碳元素的同素异构结构,铅笔芯,金刚石,碳纤维,碳的第一和第二种结构,立方结构,六方结构,碳的第三和第四种结构,C60结构 85年发现60个碳原子以六角和五角形排列组成32面体，像足球一样中空。,C管结构 91年发现6个碳原子组成的六角形排列成管，有单层和多层。,碳的三种相结构,金刚石,C60,石墨,X射线衍射谱,多层纳米碳管的透射电镜像,纳米

4、碳管的用途,纳米碳管结构完美无缺，强度接近自然界材料理论上的最高强度。 比重是钢的1/10，强度是钢的几百倍，人们设想用它做登月球的梯子。 纳米碳管的最小直径可达0.4nm，此时呈金属导电性。,形状记忆合金,1951年首次在Au-Cd合金中发现形状记忆效应 1963年美国海军武器实验室发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，引起各国的重视。 Ti系： Ni-Ti，TiNbSn，TiNbZr 有色系： Co-Ni, Ti-No, Au-Cu-Zn, Au-Cd, Ag-Cd, In-Ti Cu-Zn系, Cu-Zn-X (X=Si, Al, Sn) Cu-Al-Ni系 Fe系,形状记忆弹簧,室温,加

5、热恢复,恢复完成,变形,随温度变化的鱼,自由自在的轮椅靠背,常规的靠背,形状记忆合金靠背,形状记忆合金,冷却,加热,形状记忆合金原理图,冷却,变形,加热,应变量,Pt中孪晶 Al-Mn准晶相,(a)=0.028 (b)=0.090 (c)=0.120 (d)=0.150,AFM应用例孪晶对滑移的影响,范围3535，高度方向1.3,STM应用例世界上最小的广告,1990年1月，IBM公司的科学家在金属镍表面用35个惰性气体氙原子写出“IBM”三个英文字母。试验发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子吸住，搬运到另一个地方放下。,Ni,Xe,5nm/个,从MoS2表面除去S原子写成原子文

6、字“和平91”,2nm/个，50万个字1mm，1990年11月,STM应用例世界上最小的文字,STM应用例纳米绘画艺术,利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。把这幅地图放大到一米见方,就相当于把中国地图放大到实际领土的面积。,中科院化学所,在已经过去了的20世纪，人类材料科学史上发生了空前的变化，准晶体的发现，纳米材料的兴起，仿生材料，自组装，自修复材料的研究，人们对分子、原子的直接观察和操纵，所有这些都依赖于测试技术的发展和进步。可以毫不夸张地说，没有分析科学、分析方法和分析仪器就没有现代工业，没有现代科学技术。,显微分析是利用现代微观测试仪器揭示材料内部结

7、构的方法。,显微分析技术是联系和沟通材料性能和内在结构的桥梁。,显微分析技术的产生与发展有赖于微观测试仪器的诞生和进步。,二. 显微技术发展历史,人眼分辨本领： 1/60度视角的物体 明视距离下能分辨 0.1mm,光学显微镜,16世纪，虎克发明了光学显微镜，并在改进方面进行了不懈的努力。 光镜经几百年完善，达到极限分辨本领 0.2 m（2000） 主要的二大贡献:发现細胞，弹性定律（虎克定律）,Robert Hooke 英国人 1635年1703年,阿贝(Abbe)理论,1872年德国科学家阿贝(Abbe)在物镜和载物台之间滴上油制成油沁透镜，提高放大倍数。 1876年阿贝从理论上证明了显微镜

8、的分辨本领极限取决于照明光源的半波长（）。 d极限=/2 光学显微镜用可见光照明，可见光的波长39007600 ，所以 2000 是极限。,X射线 的发现,1895年伦琴(Rntgen)在研究阴极荧光时发现了一种未知射线，取名为X射线 波长1000.5。 1901年伦琴获第1届诺贝尔物理学奖。,Wilhelm Conrad Rntgen 1845年1923年 德国人,要探索更微观的世界，就要寻找波长更短的光源。,电子的发现,1897年汤姆森（Joseph John Thomson）发现了比原子更小的粒子一电子。这一发现打开了20世纪原子物理学的大门。 1906年获诺贝尔物理学奖。,Joseph

9、 John Thomson1859年1940年英国人,X射线衍射仪,1912年劳埃发现X射线在晶体中的衍射现象，布拉格父子用X射线衍射方法测定了NaCl晶体的结构，开创了晶体结构分析的历史。 使微观测试技术从m nm。 光学显微镜，X射线衍射在微观研究中发挥了重要的作用。但是光学显微镜分辨率低；X射线衍射衍射信息弱，聚焦成像困难，只能给出总体和平均的结果，因此限制了它们的应用。,电子显微镜诞生前夜,1924年德布罗意（De Broglie）发现高速运动的电子波长很短， 0 05。 1926年布施（Busch）提出用轴对称的电场，轴对称的磁场来聚焦电子线。 1927年戴维森（C.J.Daviss

10、on）,汤姆森（G.P.Thomson）证实了电子的波动性。 从而为电子显微镜的电子光学设计提供了理论基础。,电子显微镜诞生,19311933年鲁斯卡（E.Ruska）设计制造了第一台电子显微镜，开创了探讨微观世界的新篇章。 1986年获诺贝尔物理学奖。,Ernst Ruska 德国人1906年1988年,扫描探针显微镜,1982年宾尼格（G.binnig），罗勒（H.Rothrer）发明了扫描隧道显微镜（STM），主要用于观察原子（三维）和操纵原子。 1986年宾尼格（G.binnig）研究组又发明了原子力显微镜（AFM）。用于观察原子和三维表面形态。,1986年获诺贝尔物理学奖,下面讲第三

11、个问题，现代微观测试仪器,以上讲的是第二个问题, 微观检测技术的发展历史。,1. 光学显微镜 2. X射线衍射仪 3. 电子显微镜 4. 扫描探针显微镜,透射电子显微镜扫描电子显微镜 电子探针显微分析仪 俄歇电子能谱仪,X射线衍射仪,扫描探针显微镜,扫描隧道显微镜 原子力显微镜,三. 现代微观测试仪器,X射线衍射学,电子显微学,三维表面形貌学,现代测试仪器分别检测的信号,现代测试仪器的性能及用途,入射电子与固体样品作用时产生的信号,入射电子,背散射电子,二次电子,透射电子,弹性散射电子,非弹性散射电子,俄歇电子,特征X射线,试样,吸收电子,1.入射电子与固体样品作用时产生的信号,2. 现代测试

12、仪器种类,.透射电子显微镜(TEM) .扫描电子显微镜(SEM) .电子探针X射线显微分析仪（EPMA） .俄歇电子能谱仪 .扫描隧道显微镜(STM) .原子力显微镜(AFM) . X射线衍射仪,3. 现代测试仪器的性能及用途,透射电子显微镜(TEM),检测透射电子。 高分辨率：点分辨率0.12nm，晶格分辨率约0.1nm。 高放大倍数：直接放大150万倍，能看到原子或原子团。 主要用于HREM分析，显微组织观察（各组成相的形态.大小.分布，晶体缺陷位错.层错.孪晶.界面等）确定相结构及取向关系等。 样品：薄片（ 3mm，厚度 500nm），粉末。,日本大阪大学3000kV超高压透射电镜，高1

13、1m，重70T,超高压透射电子显微镜操纵室,H800型200KV透射电子显微镜,JEOL-2100TEM,JEOL-2100TEM,JEOL-3010TEM,原子识別电子显微镜,扫描电子显微镜(SEM),检测二次电子或者背散射电子。 分辨率： 较高分辨率1 5nm。 放大倍数：20 20万倍，连续可调。 景深大： 能清晰显示粗糙表面。 主要用于观察断口，进行失效分析，显微组织分析。 样品：断口，块状试样，粉末样品。,场发射扫描电镜,JSM5600型扫描电子显微镜,电子探针X射线显微分析仪(EPMA）,检测特征X射线的能量或者波长。 定性，定量地分析样品微区的化学组成，元素分布 分析精度高：万分

14、之1 万分之5。 分析区域小：微米数量级。 主要用于成分分析。 EPMA通常配有2次电子探头和背散射电子探头，可以同时给出微区显微组织和微区成分。,电子探针X射线显微分析仪,俄歇电子能谱仪,检测俄歇电子。 表面化学成分分析。 分析精度与EPMA相当。 分析区域小：纳米数量级。 主要用于样品表层成分分析。,俄歇电子能谱仪,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜的特点,1.分辨率极高。水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。 2.能真正看到原子。不用通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。 3. 使用环境宽松。真空中，大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。 样品必须是导体或半导体。对非导电材料无能为力.,原子力显微镜(AFM),AFM的特点和使用范围,1. 具有极高的分辨率。水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.01纳米。 2. 可以在大气，高真空，液体等环境中检测导体，半导体，绝缘体以及生物样品的三维形貌，尺寸等。 3. 可以在纳米尺度测量材