材料表面現(xiàn)代分析方法

前言

　　材料是人類歷史和發(fā)展的標志，其研發(fā)和應(yīng)用水平是一個國家科技進步和綜合國力的重要體現(xiàn)。人們把材料、信息和能源譽為當代文明的三大支柱，材料科學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)是當代新技術(shù)革命中的三大前沿科學(xué)?？梢?，材料科學(xué)是當代高新技術(shù)的重要組成部分，而材料表面在材料科學(xué)中占有重要地位，隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展，材料表面的研究也越來越受到重視。材料表面與其內(nèi)部本體，無論是在結(jié)構(gòu)上還是在化學(xué)組成上都有明顯的差別，這是因為材料內(nèi)部原子受到周圍原子的相互作用是相同的，而處在材料表面的原子受到的力場是不平衡的。因此，材料表面的結(jié)構(gòu)、形貌、成分等因素直接影響材料的整體性能，對材料腐蝕、摩擦、磨損、粘接、吸附、解吸、催化作用等問題都具有重要意義。表面科學(xué)對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有重要作用，得到了蓬勃的發(fā)展?！　”砻娣治龇椒ㄊ茄芯窟@些表面問題的重要手段。例如，金屬材料由于氧化每年造成的損失是相當可觀的，而金屬的氧化腐蝕與其表面的成分和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以腐蝕問題的研究離不開表面分析技術(shù)；金屬材料的脆性斷裂往往會使構(gòu)件突然破壞造成嚴重事故，這種脆性斷裂常常與晶界的成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而晶界實質(zhì)上就是固相之間的界面，也要用表面分析技術(shù)加以研究；在半導(dǎo)體集成電路方面，通過對表面的分析不僅可以為提高器件的性能指明方向，而且還可以作為生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的手段；在化工中使用催化劑可以加速反應(yīng)的進行，提高產(chǎn)物的回收率，通過表面分析可以了解催化機理、分析催化劑失效的原因、尋找新的有效催化劑。　　總之，要深入研究材料表面的形貌、成分和結(jié)構(gòu)等物理、化學(xué)性質(zhì)，促進表面科學(xué)的發(fā)展，就必須有能夠滿足要求的材料表面分析方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是超高真空技術(shù)、電子技術(shù)和計算機應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的表面分析儀器和分析方法，能夠分析材料表面幾個原子層乃至單個原子層的成分和結(jié)構(gòu)，能夠觀察到材料表面原子的排列狀態(tài)，從而使表面的研究工作取得了巨大的進展，逐漸形成了一門新興的學(xué)科——表面科學(xué)。

內(nèi)容概要

本書首先在緒論部分介紹了材料表面及其特性以及材料表面分析的主要內(nèi)容，然后在其他章節(jié)介紹了電子與固體樣品的相互作用、電子光學(xué)基礎(chǔ)和研究材料表面常用的現(xiàn)代分析方法，包括透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針、X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、二次離子質(zhì)譜、場離子顯微鏡與原子探針、掃描隧道電子顯微鏡、原子力顯微鏡、掠入射X射線衍射等。對這些表面分析方法的基本原理、儀器結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點和應(yīng)用范圍等精華進行了較為系統(tǒng)的論述。該書不僅可作為材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生教材，以及該專業(yè)本科生教學(xué)參考書，而且對直接從事表面科學(xué)的研究人員、分析測試人員和涉及表面現(xiàn)象的工程技術(shù)人員均有較大的參考價值。

書籍目錄

第1章　緒論 　1.1　表面科學(xué)及其發(fā)展 　1.2　表面科學(xué)的應(yīng)用 　1.3　表面的種類 　1.4　表面的特性 　1.5　表面分析的內(nèi)容 　1.6　表面分析的基本原理及儀器基本組成 　1.7　表面分析的發(fā)展 　1.8　表面分析的應(yīng)用領(lǐng)域 第2章　電子與固體樣品的相互作用 　2.1　電子與固體樣品的相互作用區(qū)域 　2.2　固體原子對入射電子的散射作用 　2.3　入射電子與樣品相互作用產(chǎn)生的信號 　　2.3.1　背散射電子 　　2.3.2　二次電子 　　2.3.3　吸收電子 　　2.3.4　透射電子 　　2.3.5　特征X射線 　　2.3.6　俄歇電子 　　2.3.7　陰極熒光與電子感生電導(dǎo) 　2.4　由電子與材料相互作用產(chǎn)生的分析方法 第3章　電子光學(xué)基礎(chǔ) 　3.1　光學(xué)顯微鏡的分辨率 　3.2　電子波的波長 　3.3　電子透鏡 　　3.3.1　靜電透鏡 　　3.3.2　電磁透鏡 　3.4　電磁透鏡的像差及分辨率 　　3.4.1　球差 　　3.4.2　像散 　　3.4.3　色差 　　3.4.4　分辨率 　3.5　電磁透鏡的景深和焦長 　　3.5.1　景深 　　3.5.2　焦長第4章　透射電子顯微鏡 　4.1　透射電鏡的工作原理和結(jié)構(gòu) 　　4.1.1　工作原理 　　4.1.2　照明系統(tǒng)　　4.1.3　成像系統(tǒng)　　4.1.4　觀察與記錄系統(tǒng) 　　4.1.5　真空系統(tǒng) 　　4.1.6　供電控制系統(tǒng) 　4.2　選區(qū)電子衍射 　　4.2.1　電子衍射原理 　　4.2.2　電子衍射特點 　　4.2.3　選區(qū)電子衍射操作　　4.2.4　電子衍射譜的基本特征與指數(shù)標定 　4.3　電子顯微圖像　　4.3.1　成像操作　　4.3.2　像襯度 　4.4　試樣制備 　　4.4.1　薄膜法 　　4.4.2　復(fù)型法 　　4.4.3　粉末樣品制備 　　4.4.4　薄膜材料樣品的制備 　4.5　透射電鏡在表面分析中的應(yīng)用 　　4.5.1　薄膜的平面分析 　　4.5.2　薄膜的橫截面分析 第5章　掃描電子顯微鏡 　5.1　掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理 　　5.1.1　掃描電鏡的結(jié)構(gòu) 　　5.1.2　掃描電鏡的工作原理 　5.2　掃描電鏡的特點 　5.3　掃描電鏡的幾種電子圖像分析 　　5.3.1　二次電子像的襯度 　　5.3.2　背散射電子像的襯度 　　5.3.3　吸收電子像 　5.4　掃描電鏡樣品的制備 　5.5　掃描電鏡在表面分析中的應(yīng)用 　　5.5.1　材料表面組織形態(tài)的觀察研究 　　5.5.2　斷口形貌的觀察研究 　　　　　5.5.3　顯示微區(qū)成分差別和鑒別物相 　　5.5.4　納米結(jié)構(gòu)材料形態(tài)的觀察研究 第6章　電子探針 第7章　X射線光電子能譜 第8章　俄歇電子能譜 第9章　二次離子質(zhì)譜 第10章　場離子顯微鏡與原子探針 第11章　掃描隧道電子顯微鏡第12章　原子力顯微鏡第13章　掠入射X射線衍射分析 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　由于表面分析方法是通過微觀粒子或（電、磁、力等）場與表面的相互作用而獲取表面信息的，它又與超高真空、電子離子光學(xué)、微弱信號檢測、計算機等技術(shù)密不可分。因此，表面分析儀器一般要包括激發(fā)源，樣品架與分析室，分析器，探測器，計算機控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。以上部分一般都需要在真空環(huán)境下工作，所以還需要真空系統(tǒng)。　　因為只有在真空中，被研究的表面才不會被周圍氣氛污染，才有可能研究真正的表面，尤其是進行表面基礎(chǔ)研究時，必須設(shè)法徹底清除表面污染，得到“原子級清潔”的表面；實驗過程中，為使“出射”粒子攜帶的表面信息不至于在實驗過程中損失掉，一般都需要在一定程度的真空環(huán)境下進行，至少要求真空度優(yōu)于10-7Pa，往往把優(yōu)于101Pa的真空稱為超高真空（UHV）?！　”砻娣治龇椒砂刺綔y“粒子”或檢測“粒子”來分類。如探測粒子和檢測粒子之一是電子，則稱電子譜；如探測粒子和檢測粒子都是光子，則稱光譜；如探測粒子和檢測粒子都是離子，則稱離子譜；如探測粒子是光子，檢測粒子是電子，則稱光電子譜。當然，這種譜的劃分帶有習(xí)慣性，并且未包括所有的表面分析方法?！　”砻娣治黾夹g(shù)是表面科學(xué)中的一個非?；钴S的領(lǐng)域，迄今為止，表面分析方法有近一百種之多。目前較為常用的表面分析方法有：二次離子質(zhì)譜（SIMS）、俄歇電子譜（AES）、X射線光電子譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、電子探針（EPMA）等。每種分析方法都有其優(yōu)點和局限性，對于不同的物體表面和表征目的需要選擇不同的分析方法，才能達到預(yù)期的效果。選用分析方法時，要綜合考慮分析靈敏度下限，分析元素范圍，對樣品的破壞程度，空間分辨率等多項性能指標。

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