电子能谱分析方法概述

X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy， XPS）是用单色的X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测 定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。
紫外光电子能谱(ultraviolet photoelectronspectroscopy, UPS)紫外光电谱的理论基础仍是光电效应，ups的谱仪设计 原理基本和xps一致，只是将X射线源改为紫外光源作为激 发器 俄歇电子能谱（ Auger Electron Spetroscopy, AES ）是一 种利用高能电子束为激发源的表面分析技术. AES分析区域 受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。
4.材料分析方法

材料分析方法分可以分为为形貌分析、物 相分析、成分与价键分析与分子结构分析 四大类方法。
4.1组织形貌分析


微观结构的观察和分析对于理解材料的本 质至关重要，组织形貌分析借助各种显微 技术，认识材料的微观结构。形貌观察和 分析主要采用扫描电子显微镜和透射电 子显微镜。 表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、 电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM) 的发展过程，现在已经可以直接观测到原 子的图像。
X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）


XRD ，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱， 获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态 等信息的研究手段。 XRD可以做定性，定量分析。即可以分析合金里面的相 成分和含量,可以测定晶格参数,可以测定结构方向、 含量，可以测定材料的内应力，材料晶体的大小等等。 一般主要是用来分析合金里面的相成分和含量。
三种组织分析手段的比较
扫描探针显微镜 观察倍率
扫描电子显微镜
×10000000
×1000000 ×100000
×10000
光学显微镜
×1000 ×100
×10
分辨率
1000 0 10
1000 1
100 0.1
10 0.01
1 0.001
0.1 0.0001
ｎｍ μｍ
光学和电子显微镜



光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分 辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结 构信息的光学仪器 电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流 对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后 在荧光屏上成像的大型仪器，而光学显微镜则 是利用可见光照明，将微小物体形成放大影像 的光学仪器。 由于电子流的波长远短于光波波长，故电镜的 放大及分辨率显著地高于光镜
SEM应用
1.材料表面形态观察
SEM应用
2.断口形貌观察
SEM应用
3.磨损表面形貌观察
SEM应用
4.纳米结构材料态观察
扫描电子显微镜
扫描探针显微镜（scanning probe microscopy，SPM）

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope， SPM）是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，是国际上近年发展起来的表面分析仪器， 它是利用带有超细针尖的探针逼近样品，并利 用反馈回路控制探针在距表面纳米量级位置扫 描，获得其原子以及纳米级的有关信息图像
透射电子显微镜是利用电子的波动性来 观察固体材料内部的各种缺陷和直观观 察原子结构的仪器。放大倍数在千倍至 一百万倍之间，有的可达数百万倍或千 万倍。
TEM的观测内容

1、表面起伏状态所反映的微观结构问题；
2、观测颗粒的形状、大小及粒度分布； 3、观测样品个各部分电子射散能力的差异； 4、晶体结构的鉴定及分析。
材料结构分析
内蒙古科技大学
第一章
绪论
材料研究的基本内容
材料的制备工艺研究 材料的各种处理工艺研究（热处理、表面处理……） 材料的各种性能分析方法及测试（力学、电学、磁学、光 学……） 材料的组成表征方法及分析研究（成分、微观结构、显微组 织……） 归纳——材料的制备与处理工艺、材料的组成（成分、结构） 及材料的性能。 材料研究工作，不管具体干什么，总离不开这几个方面内容。



俄歇电子：原子中一个K层电子被入射光 量子击出后，L层一个电子跃入K层填补 空位，此时多余的能量不以辐射X光量子 的方式放出，而是另一个L层电子获得能 量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两 个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃 出的L层电子称为俄歇电子。
电子能谱分析方法概述
分析方法 元素定性分析 元素定量分析 俄歇电子能谱分析 AES 适合与除H、He以外 的所有元素 一般用于Z小于33的 元素。准确度较XPS 差，相对灵敏度与 XPS相近，分析速度 较XPS快 结构定性分析[确定元 素的化学状态——元 素存在于何种化合物 中（常与XPS结合分 析） X射线光电子能谱XPS 紫外光电子能谱UPS 适合与除H、He以外 的所有元素 适于Z大、重元素。 相对灵敏度不高（大 于0.1%），绝对灵 敏度高 1结构定性分析 2固体能带结构测量 3电子轨道结构分析 4有机分子电荷转移 不适合元素定性分 析 难于准确定量
1.材料现代分析方法
材料的现代分析方法是关于材料的成分、 结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技 术及相关的理论基础的科学。 成分、结构、加工和性能是材料科学与工 程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定 了材料的性能，对材料的成分和结构的进行精 确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能 控制的前提。
X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）
Intensity
t-ZrO2 ZrSiO4
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
理学D/max 2000自动X射线仪
图2 锆英石为主晶相的X射线谱
4.2物相分析
在材料科学中的应用举例： （1）塑性形变的X射线分析：形变与再结晶织构测定、 应力分析等； （2）相变过程与产物的X射线研究：相变过程中产物 （相）结构的变化及最终产物、工艺参数对相变的影 响、新生相与母相的取向关系等； （3）固溶体的X射线分析：固溶极限测定、点阵有序化 （超点阵）参数、短程有序分析等； （4）高分子材料的X射线分析：高聚物鉴定、晶态与非 晶态及晶型的确定、结晶度测定、微晶尺寸测定等。
二次电子、背 散射电子和吸 收电子
4.2物相分析



利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数， 确定物质的相结构。 主要的物相分析的手段有三种：x射线衍射 (XRD)、电子衍射(ED)及中子衍射(ND)。 其共同的原理是： 利用电磁波或运动电子束、 中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生相 干散射，获得材料内部原子排列的信息，从而重 组出物质的结构。
结构分析与物质 分析研究
1结构定性分析 2固体能带结构测量 3电子轨道结构分析 4分子振-转结构分析 5原子蔟的UPS研究
电子能谱分析方法概述
分析方法
固体表面分 析
俄歇电子能谱分析 AES
1表面成分分析（微 区分析、点分析、线 分析、面分析，深度 剖析） 2表面结构定性分析 约0.4~2nm（俄歇电 子能量50~2000eV范 围内）（与电子能量 及样品材料有关）
X射线光电子能谱 XPS
1表面成分分析（可 作深度分析） 2表面能带结构分析 3表面结构定性分析 与表面化学研究
紫外光电子能谱 UPS
1表面能带结构分 析 2表面结构定性分 析与表面化学研究
固体样品探 测深度
约0.5~2.5nm(金属 约0.4~2.0nm(光电 及金属氧化物)；约 子能量10~100eV 4~10nm(有机化合 范围内)。 物和聚合物)。
4.3成分和价键分析


大部分成分和价键分析手段都是基于同 一个原理，即核外电子的能级分布反应 了原子的特征信息。利用不同的入射波 激发核外电子，使之发生层间跃迁、在 此过程中产生元素的特征信息。 按照出射信号的不同，成分分析手段可 以分为两类：X光谱和电子能谱，出射信 号分别是X射线和电子。
4.3成分和价键分析



TEM
SEM和TEM比较
方法或仪器 分析原理 检测信号 透射电子与衍 射电子 基本应用 1形貌分析（显微组织、晶体缺陷） 2晶体结构分析 3成分分析 1形貌分析（显微组织、断口形貌、 三维立体形态） 2成分分析 3断裂过程动态分析 4结构分析 透射电镜（TEM）透射与衍射
扫描电镜（SEM）电子激发二次 电子；电子吸 收和背散射
2.材料分析的内容


表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌 （如断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种 相的尺寸与形态、含量与分布、界面（表面、 相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪生 相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹 杂物、内应力。 晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类 型和晶体常数。
2.材料分析的内容


化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微 区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的 成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。 有机物的分子结构和官能团。
3.材料分析的理论依据


尽管材料分析手段纷繁复杂，但它们也具有共同 之处。 除了个别研究手段（如扫描探针显微镜，SPM） 以外，基本上是利用入射电磁波或物质波（X射 线、电子束、可见光、红外光）与材料作用，产 生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波（X 射线、电子束、可见光、红外光），探测这些出 射的信号，进行分析处理，即可获得材料的组织、 结构、成分、价键信息。
光学显微镜（Optical Microscope, OM)
Ni-Cr合金的铸造组织