功能无机材料课件-材料的表征.ppt

1、1第三章第三章材料的表征材料的表征讲授：赵宏滨2 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3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410/27/2022 9:01 AM什么是材料测试方法？什么是材

2、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5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

3、能(TGA,DSC)610/27/2022 9:01 AM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710/27/2022 9:01 AM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

4、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810/27/2022 9:01 AM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；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

5、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910/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术绪论材料微观分析技术绪论o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o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o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o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

6、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1010/27/2022 9:01 AM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1110/27/2022 9:01 AM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

7、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1210/27/2022 9:01 AM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

8、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。1310/27/2022 9:01 AM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

9、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1410/27/2022 9:01 AM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1510/27/2022 9:01 AM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

10、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1610/27/2022 9:01 AM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1710/27/2022 9:01 AM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

11、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）1810/27/2022 9:01 AM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）1910/27/2022 9:01 AM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

12、，(c)呈辫子结构呈辫子结构2010/27/2022 9:01 AM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带轴的硅纳米线的单晶结构，它的生长方向为晶结构，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2110/27/2022 9:01 AM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2210/27/2022 9:01 AM

13、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2310/27/2022 9:01 AM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）2410/27/2022 9:01 AM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2510/27/2022 9:

14、01 AM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2610/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择2710/27/2022 9:01 AM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择2810/27/2022 9:01 AM3.3.材料微观分析技术的选择材料微观分析技术的选择2910/27/2022 9:01

15、 AM3.3.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子束电子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3010/27/2022 9:01 AM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？3110/27/2022 9:01 AM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

16、大法机械臂上的四大法宝宝1.岩石磨损工具岩石磨损工具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3210/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3310/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3410/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3510/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3610/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3710/27/20

17、22 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3810/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用3910/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用4010/27/2022 9:01 AM材料微观分析技术的应用材料微观分析技术的应用41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。42下面就较常用的几种材料表征方法向大家

18、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43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

19、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。44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

20、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45o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）46一、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

21、列两种类型：热重法通常有下列两种类型：47 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。48 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

22、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。49 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/dtdm/dt对温度对温度T T作图，所得的曲线。作图，所得的曲线。50 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

23、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。51参比物：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

24、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。521.1.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。53当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量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上得到放热或吸热峰。曲线上得到放热或吸热峰。吸热峰向下，放热峰

25、向上。吸热峰向下，放热峰向上。54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55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

26、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56三、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

27、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(-175-725-725)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。57差示扫描量热仪差示扫描量热仪58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DSCDS

28、C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(mW)(mW)，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)。59 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曲线显示水平线段，称为基线。曲线显示水平线段，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

29、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。60下图是下图是CaC2O4H2O的的TG曲线，由图可以发现曲线，由图可以发现CaC2O4H2O的的热分解过程：热分解过程：CaC2O4H2O CaC2O4 CaCO3 CaOH2O 100226CCO 346420CCO2 660846CCaC2O4CaCO3CaOCaC2O4.

30、H2O61 差热分析差热分析(DTA)是在试样与参比物处于控制速率下进行加热是在试样与参比物处于控制速率下进行加热或冷却的环境中，在相同的温度条件时，记录两者之间的温度差或冷却的环境中，在相同的温度条件时，记录两者之间的温度差随时间或温度的变化，差示扫描量热分析随时间或温度的变化，差示扫描量热分析(DSC)记录的则是在二记录的则是在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6263100 200 300 400 500 600 700 .800 T/CaC2O4H2O 的的 TG、DTG 和和

31、DSC 曲曲线线 DSC TG DTG DSC/mW/m DTG/min exo 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0-2-4-6-8 -10 100 90 80 70 60 50 40 T/CaC2O4H2O 的的 TG、DTG 和和 DSC 曲曲线线 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)反映的是所测试样在不同的温度范围内发生的一系列伴随反映的是所测试样在不同的温度范围内发生的一系列伴随着热现象的物理或化学

32、变化。着热现象的物理或化学变化。64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

33、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。65一、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

34、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。66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671.1.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68（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

35、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。69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70二、扫描电子显微镜二、扫描电子显微镜（

36、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

37、。71 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（1.331.331010-2-2-1.33-1.331010-3-3PaPa）2.2.构造构造723.3.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73扫描电子显微镜可以进

38、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 74 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75 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76 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。

39、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77 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78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79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

40、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80一、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线的频率相同。并向四周各方向发射与入射射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

41、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。81 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82入射入射X X射线射线镜面反射方向镜面反射方向平面法线平面法线掠射角掠射角入射角入

42、射角任一平面上任一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83 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

43、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84X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两反射层间两反射光的光程差光的

44、光程差布喇格定律布喇格定律相长干涉得相长干涉得亮点的条件亮点的条件85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。86根据研究对象的不同可以分为

45、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。87二、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

46、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。88 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89 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

47、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).).903.3.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。3040506070Two-Theta(deg)x1035

48、.010.015.020.025.030.035.040.0Intensity(Counts)(1)E47.raw SCAN:15.0/80.0/0.02/0.15(sec),Cu(40kV,250mA),I(max)=12644,03-31-06 07:26(2)Si-070104-1s.raw SCAN:20.0/100.0/0.02/1(sec),Cu(40kV,250mA),I(max)=125199,01-05-07 00:22Pattern of AlPattern of Si91 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

49、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

50、在的量）于该组分存在的量）92（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 222lkhadd2sin 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：)(4sin222222lkha93 因为在立方晶系因为在立方晶系/(2a)/(2a)2 2为一个常数，任意两为一个常数，任意两条衍射线的