化学成分分析.ppt

材料分析测试方法 屈树新 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室 材料科学与工程学院 分析测试中心 元素分析 化学分析： 化学滴定、电化学…… 紫外－可见分光光度计（UV-S）、原子吸收（AAS）、等离子体发射光谱（ICP） ESCA：Electron Spectroscopy for Chemical Analysis 化学分析用电子能谱 EDS: Energy Dispersive Spectra(特征X-射线能谱分析) XPS: X光电子能谱 AES：俄歇电子能谱 SIMS:次级离子质谱分析 …… 物质的结构分析 测定物质结构的本质 电子与物质的相互作用 感应电动势 电子束照射试样，试样中电子电离和电荷积累； 荧光（阴极发光） 入射电子与试样作用时，电子被电离，电子发生跃迁，并发出可见光，可用作光谱分析； 特征X射线 （EDS） 入射电子与试样作用，产生特征X射线； 二次电子（SEM） 试样表面物质被电离，被激发的电子离开试样表面形成二次电子，能量较低，试样表面凹凸的各个部分成像； 电子与物质的相互作用 背散射电子（BSEM） 产生弹性或非弹性闪射后离开试样表面的电子，电子的能量较高，背散射电子的强度与试样表面形貌和组成元素有关； 俄歇电子 吸收电子 透射电子（TEM） 当试样很薄时，入射电子与试样作用引起弹性或非弹性散射透过试样的电子； 电子与物质的作用 电子与物质的作用 以X射线形式释放称为荧光X射线; 以激发次外层的电子发射，称为俄歇发射。 俄歇效应和荧光效应是互补的，俄歇产率与荧光产率之和为1。 对于轻元素，其俄歇效应的几率较大，对于重元素X射线荧光发射的几率较大 特征X-射线能谱分析 原理 聚焦很细的电子束轰击试样表面，将表面原子内层电子激发，留下一个空位， 一个原子趋于最低能量状态， 外层电子跃迁至内层，并释放一定的能量， ΔE=hc/ λ 产生波长为λ的X射线； λ决定于ΔE——特征X射线 特征X-射线能谱分析 仪器装置 电子光学系统（电子枪和聚焦透镜） 样品室（超高真空） 电子图像系统（扫描图像） 检测系统（X射线能量分析） 数据记录和分析系统 特征X-射线能谱分析 特征X-射线能谱分析 早期 11Na －92U 现在 4Be 特征X-射线能谱分析 材料微区化学成份分析的重要手段 利用样品受电子束轰击时发出的X射线的波长和强度，来分析微区（1-30μm3）中的化学组成 样品的无损性 多元素同时检测性 可以进行选区分析 电子探针分析对轻元素很不利 特征X-射线能谱分析 样品仅限于固体材料 不应该放出气体 ，能保证真空度 需要样品有良好的接地 可以蒸镀Al和碳，厚度在20～40nm 作为导电层 特征X-射线能谱分析 定性分析 理论依据Bragg定律 计算机自动标识 人工标识主要针对干扰线 谱线干扰，化学环境影响等 布拉格方程的应用 已知波长的X射线，测量未知的晶体的面间距，进而算出其晶胞参数 结构分析（XRD） 已知面间距的晶体来反射从样品发射出来的X射线，求得X射线的波长，确定试样的组成元素 X射线能量色散谱仪(EDS, EDAX) 特征X射线能谱仪 特征X-射线能谱分析 对试样的要求 定性分析 定量分析 清洁表面 平整 表面凹凸将影响谱仪的聚焦条件，导致所产生的X射线强度减弱； 带来一些虚假的X射线强度，凸起处受到背反射电子或X射线的激发而产生附加的X射线； 特征X-射线能谱分析 特征X射线能谱仪的应用 扫描电镜或透射电镜的一个附件 试样的元素分析 点分析 线分析 面分析 特征X-射线能谱分析——点分析 透射电镜形貌观察及微区成分分析 特征X-射线能谱分析 点分析 测定样品上某个点的化学成分 特征X-射线能谱分析——线分析 线分析 测定某种元素沿给定直线分布的情况 将电子束沿指定的方向作直线扫描 特征X-射线能谱分析——面分析 面分析 测定某种元素的面分布情况 将电子束在样品表面作扫描 XPS ?? 引言 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一 能探测表面的化学组成， 可确定各元素的化学状态 化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA” 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。 XPS ??光电效应 光电效应 XPS ??光电效应 光电效应 根据Einstein的能量关系式有： h? = EB + EK 其中? 为光子的频率，E