第三章第三章材料的表征材料的表征讲授：赵宏滨1 材料的结构表征材料的结构表征热分析的分类与应用热分析的分类与应用形貌分析形貌分析表面分析表面分析 复习内容复习内容结构分析结构分析2制备制备表征表征设计设计材料研究材料研究因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于对材料结构分析表征的水平。因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于对材料结构分析表征的水平。热分析热分析材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的检验材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的检验材料设计的重要依据材料设计的重要依据成分分析成分分析结构测定结构测定形貌观察形貌观察39/20/2024 11:46 PM什么是材料测试方法？什么是材料测试方法？获取有关材料的组成，结构获取有关材料的组成，结构和性能等相关信息和性能等相关信息材料结构与材料性能的关系材料结构与材料性能的关系材料测试材料测试材料分析材料分析材料表征材料表征 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解料性能和其成分结构及微观组织关系的理解4分子结构与聚集态结构分子结构与聚集态结构(XRD、 IR、XPS、ASS)材料测试材料测试与表征与表征表面与界面表面与界面(SEM、TEM、AFMSPM)力学、流变性能力学、流变性能 万能材料试验机万能材料试验机冲击试验机，流变仪冲击试验机，流变仪热性能热性能(TGA,DSC)59/20/2024 11:46 PM材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类材料测试方法如何分类？材料测试方法如何分类？从功能上讲，可分为组成测试，结从功能上讲，可分为组成测试，结构测试和性能测试三种方法构测试和性能测试三种方法从技术上讲，材料测试方法可以分从技术上讲，材料测试方法可以分成两类：主动式和被动式成两类：主动式和被动式69/20/2024 11:46 PM激发源激发源（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）（电磁波，粒子束，电场，磁场，热，力等）主动式（含激发源式材料测试方法）主动式（含激发源式材料测试方法）材料材料响应的传感与变换响应的传感与变换数据采数据采集处理集处理与组成，结构，性能与组成，结构，性能等相关的某种响应等相关的某种响应材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类79/20/2024 11:46 PMA.直接获得有关材料物理、化学性能等固直接获得有关材料物理、化学性能等固有信息，如尺寸大小、状态、重（质）有信息，如尺寸大小、状态、重（质）量、颜色、形状、运动情况等等；量、颜色、形状、运动情况等等；B.亦可根据材料物理、化学性能的差异间亦可根据材料物理、化学性能的差异间接推断材料的组成和结构信息，如色谱接推断材料的组成和结构信息，如色谱分析法、原子力显微分析等。分析法、原子力显微分析等。被动式（无激发源式材料测试方法）被动式（无激发源式材料测试方法）材料测试方法的概念与分类材料测试方法的概念与分类89/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术绪论材料微观分析技术绪论宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这宏观上的性能测试和微观上的组成与结构表征，这两个方面构成了材料的检测评价技术两个方面构成了材料的检测评价技术材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结材料设计的重要依据来源于对材料的微观组成和结构分析构分析材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验材料制备的实际效果必须通过材料微观分析的检验材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微观分析材料科学的进展极大地依赖于对材料进行微观分析表征的技术水平表征的技术水平材料研究与微观分析技术材料研究与微观分析技术99/20/2024 11:46 PM回顾材料研究的四大要素回顾材料研究的四大要素？ 现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材料性能和其成分结构及微观组织关系的理解能和其成分结构及微观组织关系的理解合成与加工合成与加工固固有有性性质质使用性能使用性能结结构构和和成成分分109/20/2024 11:46 PM材料的性质材料的性质物物理理性性质质力力学学性性质质化化学学性性质质化学组成化学组成微观结构微观结构相结构相结构晶粒尺寸晶粒尺寸及分布及分布耐腐蚀性耐腐蚀性杂质含量杂质含量结晶度分结晶度分子量及分子量及分布布立体结构立体结构晶体结构晶体结构空隙度空隙度熔点熔点热性质热性质磁性质磁性质光学性质光学性质电学性质电学性质重力性质重力性质拉伸性拉伸性韧性韧性延展性延展性疲劳度疲劳度硬度硬度蠕变性蠕变性延伸性延伸性抗冲击性抗冲击性压缩性压缩性动态力学性质动态力学性质模量模量119/20/2024 11:46 PM结构与性能的关系结构与性能的关系传统的传统的“炒菜炒菜”法法电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质新材料新材料开发方法开发方法材料设计材料设计发展方向发展方向所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系的认识的认识（“炒菜炒菜”经验材料微观分析）经验材料微观分析），按指定性能，按指定性能“定定做做”新材料，按生产要求新材料，按生产要求“设计设计”最佳的制备和加工方法最佳的制备和加工方法。129/20/2024 11:46 PM材料结构表征的基本方法材料结构表征的基本方法材料结构的表征目的材料结构的表征目的:成分分析成分分析, 结构测定和形貌观察结构测定和形貌观察材料组成分析（材料组成分析（化学成分分析化学成分分析） 1. 元素组成元素组成 2. 化合物组成化合物组成材料亚微观结构分析（材料亚微观结构分析（形貌分析形貌分析） 微米或亚微米尺度，相层次结构微米或亚微米尺度，相层次结构材料微观材料微观结构分析结构分析 0.1nm尺度，原子及原子组合层次结构尺度，原子及原子组合层次结构139/20/2024 11:46 PM材料化学成分分析材料化学成分分析1元素组成分析方法元素组成分析方法传统的化学分析技术传统的化学分析技术电子探针电子探针X射线能谱显微分析射线能谱显微分析原子光谱（吸收、发射、荧光）原子光谱（吸收、发射、荧光）质谱与二次离子质谱质谱与二次离子质谱核磁共振核磁共振电子自旋共振电子自旋共振光电子与俄歇电子能谱光电子与俄歇电子能谱149/20/2024 11:46 PM材料化学成分分析材料化学成分分析2化合物组成分析方法化合物组成分析方法传统的化学分析技术传统的化学分析技术分子吸收光谱（紫外分子吸收光谱（紫外可见吸收光谱）可见吸收光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分子振动光谱（红外、拉曼光谱）分子发射光谱（荧光光谱）分子发射光谱（荧光光谱）气相、液相、凝胶色谱气相、液相、凝胶色谱159/20/2024 11:46 PM材料形貌分析材料形貌分析光学显微镜光学显微镜光学干涉仪光学干涉仪激光散射谱激光散射谱扫描电子显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜169/20/2024 11:46 PM形貌分析的图例形貌分析的图例昆虫标本（昆虫标本（500倍）倍）螺旋形碳管（螺旋形碳管（9，157倍）倍）化学方法生长的化学方法生长的ZnO纳米阵列纳米阵列（100，000倍）倍）担载担载Pt金属颗粒的纳米碳粒金属颗粒的纳米碳粒子（子（400，000倍）倍）179/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析高分辨透射电子显微镜高分辨透射电子显微镜（HTEM）场离子显微镜（场离子显微镜（FIM） 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（原子力显微镜（SFM）X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD）小角小角X射线衍射分析（射线衍射分析（SAXS）189/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析结果结果硅纳米线的不同形貌硅纳米线的不同形貌(a)呈直线或弯曲状态，呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，呈螺旋结构，(c)呈辫子结构呈辫子结构199/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法硅纳米线的显微结构硅纳米线的显微结构高分辨电子显微像高分辨电子显微像（HTEM）(a)111带轴的硅纳米线的单晶带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为结构，它的生长方向为112(b)存在高阶孪晶的硅纳米线存在高阶孪晶的硅纳米线(c)具有堆垛层错和孪晶等缺陷的具有堆垛层错和孪晶等缺陷的硅纳米线硅纳米线209/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像219/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -直接法直接法扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像扫描隧道显微分析拍摄的硅片上的单个原子图像229/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -间接法间接法材料结构分析材料结构分析X射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射中子衍射中子衍射射线衍射射线衍射穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱扩展扩展X射线吸收谱（射线吸收谱（EXAFS）热分析（热分析（TG、TA、DSC）239/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -间接法间接法五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点五次对称性镍钛准晶的高分辨电子显微像与电子衍射斑点249/20/2024 11:46 PM材料结构分析材料结构分析- -间接法间接法CVDCVD方法制备的氧化镓纳米带（方法制备的氧化镓纳米带（A A）与纳米片（）与纳米片（B B）的透射电镜）的透射电镜与选区电子衍射分析与选区电子衍射分析 电子衍射证实了这些纳米相为电子衍射证实了这些纳米相为单斜晶系单斜晶系 的的Ga2O3单晶单晶259/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择269/20/2024 11:46 PM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择279/20/2024 11:46 PM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择289/20/2024 11:46 PM3.3.材料结构分析材料结构分析- -电子显微电子显微固体试样固体试样电电子子束束透射电子透射电子相干散射电子相干散射电子背散射电子（成份）背散射电子（成份）二次电子二次电子（SEM）俄歇电子俄歇电子阴极荧光阴极荧光特征特征X射线射线nA吸收电子吸收电子299/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用水晶水晶 or 水晶玻璃？水晶玻璃？真，假钻石？真，假钻石？可口可乐配方？可口可乐配方？“勇气勇气”号探测车的火星岩石分析号探测车的火星岩石分析？309/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用“勇气勇气”号号机械臂上的四大法宝机械臂上的四大法宝1.岩石磨岩石磨损工具工具2. 显微成像仪显微成像仪3. 穆斯堡尔分光光度计穆斯堡尔分光光度计4. 阿尔法粒子射线分光计阿尔法粒子射线分光计319/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用329/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用339/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用349/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用359/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用369/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用379/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用389/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用399/20/2024 11:46 PM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用40整理o如何对材料进行表征？o表征要有目的性，不是全部的表征都要做o要有选择的去表征，以节省资源和时间o表征要分顺序，有急缓之分o表征要跟合成和性能测试相结合o基本顺序是：先定物相、再定组成、然后是形貌和结构分析。当然性能测试也可能放在前面。41下面就较常用的几种材料表征方法向大家介绍o同步辐射光源o热分析o透射电子显微镜o扫描电子显微镜oX射线衍射仪oX射线光电子能谱o衰减全反射衰减全反射红外光谱42第一节第一节 热分析技术热分析技术什么是热分析技术？什么是热分析技术？ 热分析：热分析：在在程序控制温度程序控制温度条件下，测量材料物理性条件下，测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。断材料结构的方法。热分析的重要意义热分析的重要意义： 通过热分析技术，了解合成过程中的材料及前驱体通过热分析技术，了解合成过程中的材料及前驱体的物理性质与温度之间的关系。从而为材料合成提供必的物理性质与温度之间的关系。从而为材料合成提供必要的要的温度和时间参数温度和时间参数。 例如：高温固相法合成磷酸铁锂电极材料，温度对例如：高温固相法合成磷酸铁锂电极材料，温度对材料的结构和形貌有重要的影响。材料的结构和形貌有重要的影响。43凡是与热现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热凡是与热现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析方法进行研究。分析方法进行研究。 如材料的如材料的固相转变、固相转变、熔融熔融、分解分解甚至甚至材料的制备材料的制备等。等。 直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的能量，直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的能量，如如熔融热熔融热、结晶热结晶热、反应热反应热、分解热分解热、吸附或解吸热吸附或解吸热、比热容比热容、活化能、活化能、转变熵转变熵、固态转变能固态转变能等。等。热分析技术的应用热分析技术的应用44o热重法热重法(TG)o差热分析（差热分析（DTA）o差示扫描量热法（差示扫描量热法（DSC）45一、一、热重法热重法(TG)(TG) 在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。的一种热分析方法。 等温热重法？等温热重法？ 在恒温下测量物质质量变化与时间的关系在恒温下测量物质质量变化与时间的关系 非等温热重法？非等温热重法？ 在程序升温下测量质量变化与温度的关系在程序升温下测量质量变化与温度的关系热重法通常有下列两种类型：热重法通常有下列两种类型：46 进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。47 由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称为热热重曲线重曲线( (TGTG曲线曲线) )。11热重曲线热重曲线TGTG22微分热重曲线微分热重曲线DTGDTG 表征了试样在不同的温度表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组分的挥范围内发生的挥发性组分的挥发以及发生的分解产物的挥发发以及发生的分解产物的挥发 从而可以得到从而可以得到试样的组成、试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学解产物和热分解动力学等有关等有关数据。数据。48 同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线，即微分热重曲线微分热重曲线(DTG(DTG曲线曲线) )，它是，它是TGTG曲线对温度的一阶导数。曲线对温度的一阶导数。以物质的质量变化速率以物质的质量变化速率dm/dm/dtdt对温度对温度T T作图，所得的曲线。作图，所得的曲线。 49 DTG DTG曲线的曲线的峰顶即失重速率的最大值峰顶即失重速率的最大值，它与，它与TGTG曲线的拐曲线的拐点相对应，即样品失重在点相对应，即样品失重在TGTG曲线形成的每一个拐点，在曲线形成的每一个拐点，在DTGDTG曲线上都有对应的峰。并且曲线上都有对应的峰。并且DTGDTG曲线上的峰数目和曲线上的峰数目和TGTG曲线的曲线的台阶数目相等。由于台阶数目相等。由于DTGDTG曲线上的峰面积与样品的失重成正曲线上的峰面积与样品的失重成正比，因此可以从比，因此可以从DTGDTG的峰面积计算出样品的失重量的峰面积计算出样品的失重量。50参比物：参比物： 在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如-Al-Al2 2O O3 3、石英、硅油、石英、硅油等。等。二、差热分析二、差热分析（DTADTA） 在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种热分析技术。度差和温度关系的一种热分析技术。511. 1. 加热炉，加热炉，2. 2. 试样，试样，3. 3. 参比物，参比物，4. 4. 测温热电偶，测温热电偶，5. 5. 温差热电偶，温差热电偶，6. 6. 测温元件，测温元件，7. 7. 温控元件。温控元件。52当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于参比物的温度，从而在相应的差热曲线样品温度高于或低于参比物的温度，从而在相应的差热曲线上得到放热或吸热峰。上得到放热或吸热峰。吸热峰向下，放热峰向上。吸热峰向下，放热峰向上。53应用：应用： 材料的鉴别和成分分析材料的鉴别和成分分析 材料相态结构的变化材料相态结构的变化 材料的筛选材料的筛选 玻璃微晶化热处理玻璃微晶化热处理 玻璃的析晶活化能的测定玻璃的析晶活化能的测定 聚合物热降解分析聚合物热降解分析54应用应用DTADTA对材料进行鉴别对材料进行鉴别: : 根据物质的相变（包括熔融、升华和晶型转变）根据物质的相变（包括熔融、升华和晶型转变）和化学反应（包括脱水、分解和氧化还原等）所产生和化学反应（包括脱水、分解和氧化还原等）所产生的特征吸热和放热峰。有些材料常具有比较复杂的的特征吸热和放热峰。有些材料常具有比较复杂的DTADTA曲线，虽然有时不能对曲线，虽然有时不能对DTADTA曲线上所有的峰作出解曲线上所有的峰作出解释，但是它们像释，但是它们像“指纹指纹”一样表征着材料的种类。一样表征着材料的种类。 例如：根据石英的相态转变的例如：根据石英的相态转变的DTADTA峰温可用于检峰温可用于检测天然石英和人造石英之间的差异测天然石英和人造石英之间的差异55三、差示扫描量热法三、差示扫描量热法（DSCDSC） 在程序控制温度下，测量输给试样与参比在程序控制温度下，测量输给试样与参比物的功率差与温度之间关系的一种技术。物的功率差与温度之间关系的一种技术。 根据测量方法的不同，又分为根据测量方法的不同，又分为功率补偿型功率补偿型DSCDSC和和热流型热流型DSCDSC两种类型。两种类型。 DSC DSC主要特点：使用的温度范围主要特点：使用的温度范围 (-175(-175- -725725) )比较宽，分辨能力高，灵敏度高。比较宽，分辨能力高，灵敏度高。 应用范围：除不能测量腐蚀性材料外，应用范围：除不能测量腐蚀性材料外，DSCDSC不仅不仅可以涵盖可以涵盖DTADTA的一般功能，而且还可定量测定各种热的一般功能，而且还可定量测定各种热力学参数，如热焓、熵和比热等。力学参数，如热焓、熵和比热等。56差示扫描量热仪差示扫描量热仪57典型的典型的DSCDSC曲线曲线 差示扫描量热测定时记录的谱图称之为差示扫描量热测定时记录的谱图称之为DSCDSC曲线，曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dtdH/dt，也称作热也称作热流率，单位为毫瓦流率，单位为毫瓦( (mWmW) )，代表试样放热或吸热的速度。代表试样放热或吸热的速度。横坐标为温度横坐标为温度(T)(T)或时间或时间(t)(t)。58 当样品无变化时，它与参比物之间的温差为零，当样品无变化时，它与参比物之间的温差为零，DSCDSC曲曲线显示水平线段，称为基线。线显示水平线段，称为基线。 曲线离开基线的位移，代表样品吸热或放热的速率，曲线离开基线的位移，代表样品吸热或放热的速率，正峰为放热，负峰为吸热正峰为放热，负峰为吸热。 DSC DSC曲线上的曲线上的峰数目：发生相变或化学变化的次数峰数目：发生相变或化学变化的次数。 峰的位置对应着样品发生变化的温度，曲线中的峰的位置对应着样品发生变化的温度，曲线中的峰或峰或谷所包围的面积，代表热量的变化谷所包围的面积，代表热量的变化。 DSC DSC可以可以直接可以测量直接可以测量试样在发生变化时的试样在发生变化时的热效应热效应。59下下图图是是CaC2O4H2O的的TG曲曲线线，由由图图可可以以发发现现CaC2O4H2O的的热分解过程：热分解过程：CaC2O4H2O CaC2O4 CaCO3 CaOH2O 100226CCO 346420CCO2 660846CCaC2O4CaCO3CaOCaC2O4.H2O60 差差热热分分析析(DTA)是是在在试试样样与与参参比比物物处处于于控控制制速速率率下下进进行行加加热热或或冷冷却却的的环环境境中中，在在相相同同的的温温度度条条件件时时，记记录录两两者者之之间间的的温温度度差差随随时时间间或或温温度度的的变变化化，差差示示扫扫描描量量热热分分析析(DSC)记记录录的的则则是是在在二二者之间建立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。者之间建立零温度差所需的能量随时间或温度的变化。典型的典型的DTA曲线和曲线和DSC曲线曲线6162 CaC2O4H2O热分解时发生了三个吸热反应。热分解时发生了三个吸热反应。 其中，其中，TG曲线显示的是试样的质量随温度的升高而发生的变化。曲线显示的是试样的质量随温度的升高而发生的变化。 DSC(或或DTA)反反映映的的是是所所测测试试样样在在不不同同的的温温度度范范围围内内发发生生的的一一系系列列伴伴随随着热现象的物理或化学变化。着热现象的物理或化学变化。 63第二节、显微技术第二节、显微技术 显微技术是一种直观表征材料微观外貌的方法，显微镜是主要的显微技术是一种直观表征材料微观外貌的方法，显微镜是主要的材料分析手段之一。材料分析手段之一。 最常用的显微镜有：最常用的显微镜有： 光学显微镜光学显微镜 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 显微镜可以观察某一材料的表面或断面，有时也可以是专门的制显微镜可以观察某一材料的表面或断面，有时也可以是专门的制样，如切片等。样，如切片等。 光学显微镜分辨率大于光学显微镜分辨率大于200nm200nm，可观察到材料的裂纹、裂缝、气泡、，可观察到材料的裂纹、裂缝、气泡、生物组织等。生物组织等。 电子显微镜具有更高的分辨率，能得到材料的立体表面形态图像、电子显微镜具有更高的分辨率，能得到材料的立体表面形态图像、结晶现象。结晶现象。64一、透射电子显微镜一、透射电子显微镜(TEM) 透射电子显微镜是由电子枪发射电子束，透射电子显微镜是由电子枪发射电子束，穿过穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的电子光显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的电子光学仪器。学仪器。 TEM它它是材料科学研究的重要手段，能提供极微是材料科学研究的重要手段，能提供极微细材料的组织结构、晶体结构和化学成分等方面信息。细材料的组织结构、晶体结构和化学成分等方面信息。 透射电镜的透射电镜的分辨率为分辨率为0.10.10.2nm0.2nm，放大倍数，放大倍数为几万几十万倍。为几万几十万倍。 65电子光学系统电子光学系统真空系统真空系统电器系统电器系统661. 1. 电子照明部分电子照明部分2. 2. 试样室试样室3. 3. 成像放大部分成像放大部分4. 4. 图象记录装置图象记录装置电子光学系统是电子显微镜的核心部分电子光学系统是电子显微镜的核心部分（一）电子光学系统（一）电子光学系统67（二）真空系统（二）真空系统 空气会使电子强烈的散射，因此，整个电子通空气会使电子强烈的散射，因此，整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为一般真空度为1010-4-4-10-10-7-7毫米汞柱。毫米汞柱。（三）电器系统（三）电器系统 透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。68介孔碳介孔碳 Pt/MWCNTs催化剂的催化剂的TEM照片照片TEM的应用：的应用：透射电子显微镜主要用于透射电子显微镜主要用于材料材料形貌观察，晶体结构分析。形貌观察，晶体结构分析。 请通过视频进行直观了解69二、扫描电子显微镜二、扫描电子显微镜（SEMSEM）1.1.原理：原理：SEMSEM的工作原理是用一束极细的电子束在样的工作原理是用一束极细的电子束在样品表面按顺序逐行扫描，在样品表面激发出二级电品表面按顺序逐行扫描，在样品表面激发出二级电子、背散射电子、特征子、背散射电子、特征x x射线射线和连续谱和连续谱X X射线、俄歇射线、俄歇电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。产生的电磁辐射。二次电子二次电子：用于观察：用于观察物质物质表面表面微观微观形貌。形貌。背散射电子背散射电子：可以：可以反映成份反映成份信信息。息。EDSEDS：进行：进行元素成份元素成份分析。分析。 70 电子光学系统电子光学系统（电子枪、（电子枪、 电磁透镜、扫描线圈和电磁透镜、扫描线圈和 样品室）样品室） 信号收集处理、图像显示信号收集处理、图像显示和记录系统和记录系统 （二次电子采用闪烁计（二次电子采用闪烁计 数器）数器） 真空系统真空系统（1.33101.3310-2-2 -1.3310 -1.3310-3-3PaPa）2.2.构造构造713.3.特点特点分辨率比较高，二次电子成像分辨率比较高，二次电子成像5-10nm5-10nm放大倍数连续可调，几十倍到二十万倍放大倍数连续可调，几十倍到二十万倍景深大，立体感强景深大，立体感强试样制备简单试样制备简单一机多用一机多用72扫描电子显微镜可以进行如下基本分析：扫描电子显微镜可以进行如下基本分析： （1 1）三维形貌的观察和分析；）三维形貌的观察和分析； （2 2）在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。）在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。 4.4.应用应用 观察纳米材料观察纳米材料 具有纳米孔阵列结构的氧化铝薄膜具有纳米孔阵列结构的氧化铝薄膜 73 材料断口的分析材料断口的分析 注射针头的扫描电镜照片注射针头的扫描电镜照片74 直接观察大试样的原始表面直接观察大试样的原始表面 （a a）陶瓷烧结体的表面图像（）陶瓷烧结体的表面图像（b b）多孔硅的剖面图）多孔硅的剖面图75 观察厚试样并能得到最真实的形貌。观察厚试样并能得到最真实的形貌。 多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a a）低倍像（）低倍像（b b）高倍像）高倍像76 观察生物试样观察生物试样 果蝇： 不同倍率的扫描电镜照片77巨噬细胞吞噬细菌的电子显微镜图像巨噬细胞吞噬细菌的电子显微镜图像 人体寄生虫78第三节第三节 X-X-射线衍射技术射线衍射技术 X X射线衍射分析射线衍射分析(X-ray diffraction(X-ray diffraction，简称，简称XRDXRD) )，是利用是利用X X射线在晶体中所产生的射线在晶体中所产生的衍射衍射现象来分析材料的现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷、不同结构相的含量及晶体结构、晶格参数、晶体缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法。内应力的方法。X X射线衍射分析分为：射线衍射分析分为：粉末法粉末法X X射线衍射分析射线衍射分析 单晶法单晶法X X射线衍射分析射线衍射分析79一、原理一、原理 当一束当一束X X射线照到晶体上时，射线照到晶体上时，原子或离子中的电子受迫振动，原子或离子中的电子受迫振动，振动频率与入射振动频率与入射X X射线的频率相同。并向四周各方向发射与入射射线的频率相同。并向四周各方向发射与入射X X射线相同频率的电磁波，称为射线相同频率的电磁波，称为X X射线射线散射波散射波。 在一个原子系统中所有电子的散射波都可以近似地看作是在一个原子系统中所有电子的散射波都可以近似地看作是由原子中心发出的，因此，可以把晶体中每个原子都看成是一由原子中心发出的，因此，可以把晶体中每个原子都看成是一个新波源。个新波源。80 这些散射波之间可以相互干涉，并在空间某些这些散射波之间可以相互干涉，并在空间某些方向上波的相位相同，始终保持相互叠加，于是在方向上波的相位相同，始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观察到这个方向上可以观察到散射波干涉散射波干涉产生的衍射线。产生的衍射线。 面中点阵散射波干涉面中点阵散射波干涉散射波干涉散射波干涉包括包括 面间点阵散射波干涉面间点阵散射波干涉81入射入射X X射线射线镜面镜面反射方向反射方向平面法线平面法线掠射角掠射角入射角入射角任一任一平面上平面上的点阵的点阵 在在X X射线照射到的原子面中，所有原子的散射波在原射线照射到的原子面中，所有原子的散射波在原子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加强的方向。子面的反射方向的相位是相同的，是干涉加强的方向。1.1.面中点阵散射波干涉面中点阵散射波干涉82 由于由于X X射线的波长短，穿透能力强，所以它不仅可射线的波长短，穿透能力强，所以它不仅可以使晶体表面的原子成为散射波源，而且还能使晶体以使晶体表面的原子成为散射波源，而且还能使晶体内部的原子成为散射波源。在这种情况下，衍射线应内部的原子成为散射波源。在这种情况下，衍射线应被看成是许多平行原子面散射波振幅叠加的结果。原被看成是许多平行原子面散射波振幅叠加的结果。原子面间干涉加强的条件是必须满足子面间干涉加强的条件是必须满足布喇格定律：布喇格定律：2dsin2dsin=n=ndd相邻晶面的垂直距离相邻晶面的垂直距离入射入射X X射线与晶面的夹角射线与晶面的夹角（布喇格角）（布喇格角）nn正整数正整数波长波长只有只有满足此方程时，才能在相应的反射角方向上产生衍射。满足此方程时，才能在相应的反射角方向上产生衍射。2.2.面面间点阵散射波的干涉间点阵散射波的干涉83X射线入射角入射角掠射角掠射角求出相邻晶面距求出相邻晶面距离为离为 d d 的两反的两反射光相长干涉条射光相长干涉条件件层间层间两反射两反射光的光程差光的光程差布喇格定律布喇格定律相长相长干涉得干涉得亮点的条件亮点的条件84第一组晶面族，晶格常数为第一组晶面族，晶格常数为d d1 1第二组晶面族，晶格常数为第二组晶面族，晶格常数为d d2 2第三组晶面族，晶格常数为第三组晶面族，晶格常数为d d3 3 在一种晶体内有多组晶面族，即在一种晶体内有多组晶面族，即沿不同的方向，沿不同的方向，可划分出不同间距可划分出不同间距 d d 的晶面。的晶面。 对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式，对任何一种方向的晶面，只要满足布喇格公式，则在该晶面的反射方向上，将会发生散射光的衍射。则在该晶面的反射方向上，将会发生散射光的衍射。85根据研究对象的不同可以分为粉末法和单晶法。根据研究对象的不同可以分为粉末法和单晶法。 粉末法：粉末法：可以用来确定立方晶的晶体结构的可以用来确定立方晶的晶体结构的点阵形点阵形式式、晶胞参数晶胞参数等。等。 单晶法单晶法可以精确给出可以精确给出晶胞参数晶胞参数，晶体中成键原子的，晶体中成键原子的键长、键角键长、键角等重要的结构化学数据。等重要的结构化学数据。 86二、粉末法二、粉末法X X射线衍射分析射线衍射分析1.1.实验条件实验条件: : 单色的单色的X X射线、粉末样品或多晶样品射线、粉末样品或多晶样品2.2.粉末衍射图的获得粉末衍射图的获得 照相法照相法 照相法以德拜法应用最为普遍，以一束准直的照相法以德拜法应用最为普遍，以一束准直的特征特征X X射线照射到小块粉末样品上，用卷成圆柱状射线照射到小块粉末样品上，用卷成圆柱状并与样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息。并与样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息。87 照相法获得的衍射图是一些衍射弧，照相法是比照相法获得的衍射图是一些衍射弧，照相法是比较原始的方法。较原始的方法。NaCl 单晶的单晶的X 射线衍射斑点射线衍射斑点石英石英 (SiO2)的的X 射线衍射斑点射线衍射斑点88 衍射仪法衍射仪法 衍射仪法得到的衍射图谱给出一系列峰，如图所示，衍射仪法得到的衍射图谱给出一系列峰，如图所示，横坐标是横坐标是2 2，纵坐标是衍射强度。，纵坐标是衍射强度。衍射图谱衍射图谱可可以提供三种晶体结构信息：衍射线位置以提供三种晶体结构信息：衍射线位置( (角度角度) )、强度、强度和形状和形状( (宽度宽度).). 893.3.粉末衍射的应用粉末衍射的应用（1 1）物相分析）物相分析即固体由哪几种物质构成即固体由哪几种物质构成 XRDXRD是晶体的是晶体的“指纹指纹”，不同的物质具有不同的，不同的物质具有不同的XRDXRD特特征峰值（峰位置、相对强度和征峰值（峰位置、相对强度和扫描范围内的扫描范围内的峰数）。峰数）。样品样品中如果存在多个相，样品的衍射谱是各相衍射谱的简单叠中如果存在多个相，样品的衍射谱是各相衍射谱的简单叠加。加。90 目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联粉末衍射标准联合会合会(JCPDS)(JCPDS)”负责编辑出版的负责编辑出版的“粉末衍射卡片（粉末衍射卡片（PDFPDF卡片）卡片）”进行物相分析。进行物相分析。 其特点是：其特点是： 能确定能确定元素所处的化学状态元素所处的化学状态 例如：（例如：（FeO,FeFeO,Fe2 2O O3 3,Fe,Fe3 3O O4 4） 能区别同分异构体能区别同分异构体：C60C60、石墨、碳管、石墨、碳管 能区别是混合物还是固溶体能区别是混合物还是固溶体：混合物衍射峰叠加；固：混合物衍射峰叠加；固溶体是新相形成溶体是新相形成 对各种组分进行定量分析对各种组分进行定量分析（根据各相衍射的强度正比（根据各相衍射的强度正比于该组分存在的量）于该组分存在的量）91（2 2）衍射图的指标化衍射图的指标化 利用粉末样品衍射图确定相应晶面的米勒指数就称利用粉末样品衍射图确定相应晶面的米勒指数就称为指标化。当晶胞参数未知时，指标化只有对立方晶系为指标化。当晶胞参数未知时，指标化只有对立方晶系是可能的。是可能的。立方晶系立方晶系a = b = c , a = b = c , = = = = = 90 = 90 由立方晶系中晶面间距公式和布拉格方程可容由立方晶系中晶面间距公式和布拉格方程可容易推得下式：易推得下式：92 因为在立方晶系因为在立方晶系 /(2a)/(2a)2 2为一个常数，为一个常数，任意两任意两条衍射线的条衍射线的sinsin2 2之比等于之比等于h h2 2+k+k2 2+l+l2 2之比。之比。因此有：因此有：sinsin2 21 1: :sinsin2 22 2: :sinsin2 23 3: :.sinsin2 2k k= = h h1 12 2+k+k1 12 2+l+l1 12 2: :h h2 22 2+k+k2 22 2+l+l2 22 2: :h h3 32 2+k+k3 32 2+l+l3 32 2: :.h hk k2 2+k+kk k2 2+l+lk k2 2 只要求出每条衍射线的只要求出每条衍射线的sinsin2 2值，就可得出这些值，就可得出这些衍射线的平方和的比值，并求出这些比值的简单整数衍射线的平方和的比值，并求出这些比值的简单整数比，从而就可以将每条衍射线指标化。比，从而就可以将每条衍射线指标化。93 依照粉末线依照粉末线(由小到大由小到大) )的顺序的顺序, sin, sin2 2值的比值的比例例( (即即h h2 2+k+k2 2+l+l2 2) )必有如下规律必有如下规律: :P: 1:2:3:4:5:6:8:9P: 1:2:3:4:5:6:8:9（缺（缺7 7，1515，2323等）等）I: 1:2:3:4:5:6:7:8:9I: 1:2:3:4:5:6:7:8:9（不缺）（不缺）F: 3:4:8:11:12:16:19:20F: 3:4:8:11:12:16:19:20 ( (出现二密一稀的规律出现二密一稀的规律) ) 94（3 3）点阵常数的精确测定）点阵常数的精确测定 点阵常数是晶体物质的基本结构参数，点阵常数是晶体物质的基本结构参数，点阵常数点阵常数的精确测定，可用于晶体缺陷及固溶体的研究、测量的精确测定，可用于晶体缺陷及固溶体的研究、测量膨胀系数及物质的真实密度。膨胀系数及物质的真实密度。步骤：步骤： 根据衍射线的角位置计算根据衍射线的角位置计算晶面间距晶面间距d d 标定个衍射线条的指数标定个衍射线条的指数hklhkl（指标化）（指标化） 由由d d和相应的和相应的hklhkl计算点阵常数计算点阵常数(a(a、b b、c c等等) ) 消除误差得到精确的点阵常数消除误差得到精确的点阵常数95（4 4）晶粒尺寸和点阵畸变的测定）晶粒尺寸和点阵畸变的测定 19181918年谢乐（年谢乐（ScherrerScherrer ）首先提出的小晶粒平均）首先提出的小晶粒平均尺寸（尺寸（D D）与衍射线真实宽度之间的数学关系）与衍射线真实宽度之间的数学关系: : ScherrerScherrer方程：方程： D = KD = K/B/B1/21/2coscos 式中，式中，D D为晶粒为晶粒的平均尺寸的平均尺寸，K K为常数为常数( (约等于约等于0.89)0.89)，B B1/21/2为衍射线剖面的半高宽。为衍射线剖面的半高宽。96物质状态的鉴别物质状态的鉴别o不同的物质状态对X射线的衍射作用是不相同的，因此可以利用X射线衍射谱来区别晶态和非晶态。不同材料状态以及相应的XRD谱示意图 97三、单晶法三、单晶法X X射线衍射分析射线衍射分析 单晶单晶X X射线衍射分析的对象是单晶样品，一般为直射线衍射分析的对象是单晶样品，一般为直径径0.1-1mm0.1-1mm的完整晶粒。的完整晶粒。 单晶法单晶法X X射线衍射分析能提供晶体内部三维空间的射线衍射分析能提供晶体内部三维空间的电子云密布，晶体中分子的立体构型、构象、化学键电子云密布，晶体中分子的立体构型、构象、化学键类型、键长、键角、分子间距离和配合物配位等。类型、键长、键角、分子间距离和配合物配位等。98分子结构透视图分子结构透视图 晶胞图晶胞图 99小角X射线衍射分析-SAXSo小角度的X射线衍射峰可以用来研究纳米介孔材料的介孔结构。这是目前测定纳米介孔材料结构最有效的方法之一o由于介孔材料可以形成很规整的孔，所以可以把它看做周期性结构，样品在小角区的衍射峰反映了孔洞周期的大小o对于孔排列不规整的介孔材料，此方法不能获得其孔经周期的信息 100介孔结构测定介孔结构测定-SAXS六方孔形MCM-41密堆积排列示意图 合成产物的XRD图谱 101 表面分析是对固体表面或界面上只有几个原子表面分析是对固体表面或界面上只有几个原子层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物理试验。也是一种利用分析手段，揭示材料及其制理试验。也是一种利用分析手段，揭示材料及其制品的表面形貌、成分、结构或状态的技术。品的表面形貌、成分、结构或状态的技术。 第三节第三节 材料的表面分析技术材料的表面分析技术102一、衰减全反射红外光谱一、衰减全反射红外光谱 红外光谱是化合物结构定性分析的主要手段之一红外光谱是化合物结构定性分析的主要手段之一, , 典型的典型的红外光谱是通过材料样品对透射红外光的特征吸收来得到所要红外光谱是通过材料样品对透射红外光的特征吸收来得到所要求的信息。求的信息。 然而，相当多的材料对红外光是不透明的，无法采用然而，相当多的材料对红外光是不透明的，无法采用典型典型的方法进行红外分析检测。的方法进行红外分析检测。采用衰减全反射红外光谱法采用衰减全反射红外光谱法(ATR)(ATR)分析就可以方便地克服这些困难。该方法应用范围广泛、制样分析就可以方便地克服这些困难。该方法应用范围广泛、制样简单、无需前处理、不破坏样品就可以简单、无需前处理、不破坏样品就可以 直接进行红外分析直接进行红外分析, , 所测得的红外光谱与透射光谱的谱带所测得的红外光谱与透射光谱的谱带位置、形状完全一致。位置、形状完全一致。103衰减全反射原理衰减全反射原理: : 当一束红外光经过棱镜照射到样品上时，棱镜的当一束红外光经过棱镜照射到样品上时，棱镜的折光率是折光率是n n1 1，样品的折射率是，样品的折射率是n n2 2，n n1 1nn2 2，当入射角大，当入射角大于临界角时于临界角时, , 即即sinsinn n2 2/n/n1 1，产生全反射现象。，产生全反射现象。 全反射并非在样品的表面上直接反射，而是入射全反射并非在样品的表面上直接反射，而是入射光进入到样品的一定深度之后再返回表面反射。光进入到样品的一定深度之后再返回表面反射。104 进入样品的光进入样品的光, , 同样带有特征吸收的信息，在样同样带有特征吸收的信息，在样品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减, , 在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射，产生象在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射，产生象透射光谱一样的效果。透射光谱一样的效果。样品样品样品样品多次反射多次反射ATR ATR 元件元件105无机化合物的基团振动频率无机化合物的基团振动频率o无机化合物在中红外区的吸收，主要是由阴离子（团）的晶格振动引起的，与阳离子关系较小，通常当阳离子的原子序数增大时，阴离子团的吸收位置将向低波数方向作微小的位移。着重于阴离子团的振动频率。o氢氧化物中无水碱性氢氧化物中OH-的伸缩振动频率都在3550-3720 cm-1范围内.o碳酸盐离子CO32-和SO42-、PO43-或OH-都具有强的共价键，力常数较高未受微扰的碳酸根离子是平面三角形对称型（D3h）,它的简正振动模式有对称伸缩振动 1064 cm-1,非对称伸缩振动 1415 cm-1, 面内弯曲振动 680 cm-1, 面外弯曲振动 879 cm-1. 106oMO化合物 这类氧化物大部分具有NaCl结构，所以它只有一个三重简并的红外活性振动模式，如MgO、NiO、CoO分别在400、465、400 cm-1有吸收谱带。oM2O3 化合物 有Al2O3、Cr2O3、Fe2O3等，它们的振动频率低且谱带宽，在700-200 cm-1。其中Fe2O3的振动频率低于相应的Cr2O3。oAB2O4尖晶石结构化合物,在700-400 cm-1有两个大而宽的吸收谱带，是B3+-O的振动引起107二、二、 激光拉曼物相分析激光拉曼物相分析o当一束激发光的光子与作为散射中心的分子发生相互作用时，大部分光子仅是改变了方向，发生散射，而光的频率仍与激发光源一致，称为瑞利散射o但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射光的强度约占总散射光强度的1061010。o拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。 108Raman光谱可获得的信息光谱可获得的信息Raman 特征频率特征频率材料的组成材料的组成Raman 谱峰的改变谱峰的改变加压加压/ /拉伸状态拉伸状态Raman 偏振峰偏振峰晶体的对称性和取向晶体的对称性和取向Raman 峰宽峰宽晶体的质量晶体的质量109三、三、X射线光电子能谱分析射线光电子能谱分析1.1.原理原理 将一定能量的将一定能量的X X光照射到样品表面，与待测物质光照射到样品表面，与待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示为自由电子。该过程可用下式表示: : hvhv= =E Ek k+E+Eb b+ + 式中式中: : hvhv：X X光子的能量；光子的能量； E Ek k：光电子的能量；：光电子的能量； E Eb b：电子的结合能；：电子的结合能； ：功函数。：功函数。110 各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的过对样品产生的光子能量的测定测定，就可以了解样品中元素的，就可以了解样品中元素的组成。确定元素所处的状态。组成。确定元素所处的状态。 X X光电子能谱法是一种表面分析方法，提供的是样品表面光电子能谱法是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为为3-5nm3-5nm。 仪器材料的功函数仪器材料的功函数是一个定值，约为是一个定值，约为4eV4eV，入，入射射X X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能光子能量已知，这样，如果测出电子的动能E Ek k，便可得到固体样品电子的结合能。便可得到固体样品电子的结合能。 E Eb b = = hvhv - - E Ek k- - 111 X X光电子能谱仪通常由光电子能谱仪通常由X X射线枪、样品室、电子能射线枪、样品室、电子能量分析器、检测器和真空系统组成。量分析器、检测器和真空系统组成。1122.2.应用应用 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定谱图中的位置来鉴定固体表面固体表面元素元素( (除氢、氦以外除氢、氦以外) ) 。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。全部或大部分元素。 （1 1）元素定性分析）元素定性分析（2 2）元素定量分析）元素定量分析 X X 射线光电子能谱定量分析的依据是射线光电子能谱定量分析的依据是谱峰强度与谱峰强度与其含量成正比其含量成正比。在实际分析中，采用与在实际分析中，采用与标准标准样品相比样品相比较的方法来对元素进行定量分析，较的方法来对元素进行定量分析，精确度可达精确度可达1%-2%1%-2%。 XPS XPS提供的定量结果是表面提供的定量结果是表面3-5nm3-5nm的成份，而不是样品的成份，而不是样品整体的成份。整体的成份。113 当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电子能结合能有一些小的变化，称为化学位移，表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移，可以谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移，可以了解原子的状态和化学键的情况。了解原子的状态和化学键的情况。（3 3）元素化合价的分析）元素化合价的分析114（3 3）结构分析）结构分析1 1，2 2，4 4，5-5-苯四甲酸苯四甲酸；1 1，2-2-苯二甲苯二甲酸酸和和苯甲酸钠苯甲酸钠的的C1sC1s光电子谱图光电子谱图o这些化合物中的碳原子分别处这些化合物中的碳原子分别处于两种不同的化学环境中（一于两种不同的化学环境中（一种是苯环上的碳，一种是羧基种是苯环上的碳，一种是羧基碳碳) )，因而它们的，因而它们的C1sC1s谱是两条谱是两条分开的峰。分开的峰。o谱图中两峰的强度比谱图中两峰的强度比4:64:6、2:62:6和和1:61:6恰好符合恰好符合3 3种化合物中羧种化合物中羧基碳和苯环碳的比例。由此种基碳和苯环碳的比例。由此种比例可以估计苯环上取代基的比例可以估计苯环上取代基的数目，从而确定其结构。数目，从而确定其结构。115PtCo/C催化剂的XPS光谱图116扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）o扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜（STM)及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称 117STM基本原理基本原理o基本原理是量子的隧道效应(将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应)o隧道电流随导体间的距离呈指数式地变化,它对探针与样品的间距变化极其灵敏,因而STM在Z方向的空间分辨率极高oSTM通常被认为是测量表面原子结构的工具，具有直接测量原子间距的分辨率。 STM还可以操纵单个原子和分子118119Suspended carbon nanotube being probed by STM 120STM像像121量子围栏量子围栏STM图像图像122the “corral畜栏 STM images from the IBM Almaden Research Center Visualisation Lab123高序石墨表面上碳原子的规则排列的高序石墨表面上碳原子的规则排列的STMSTM图图 124原子操纵原子操纵125原子力显微镜原子力显微镜AFMo原子力显微镜(AFM)，或者扫描力显微镜（SFM）o跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个极细的探针在样品表面进行光栅扫描，探针是位于一悬臂的末端顶部，该悬臂可对针尖和样品间的作用力作出反应 126AFM的像的像127复习题o如何系统地对材料进行表征？o一个只知道是无机材料构成的样品，如何对其结构、组成、形貌进行合理的分析？o被动式分析方法有哪些？o扫描电镜与透射电镜的区别？o元素分析的主要方法有哪些？128