6、傅里葉一紅外光譜儀

全名為Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer，是基于對(duì)干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動(dòng)鏡、定鏡）、樣品室、檢測(cè)器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。

光源發(fā)出的光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)反射到達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器，動(dòng)鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng)，因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后通過(guò)樣品池，通過(guò)樣品后含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，然后通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過(guò)率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的紅外吸收光譜圖。

傅里葉紅外光譜儀不同于色散型紅外分光的原理，可以對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。

傅里葉一紅外光譜儀可檢驗(yàn)金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化

學(xué)環(huán)境情況及變化。

國(guó)產(chǎn)主流廠家：

天津港東生產(chǎn)的FTIR-650 傅里葉變換紅外光譜儀、FTIR-850 傅里葉變換紅外光譜儀；

北京瑞利生產(chǎn)的WQF-510 傅里葉變換紅外光譜儀、WQF-520 傅里葉變換紅外光譜儀。

進(jìn)口品牌廠家：

日本SHIMADZU 生產(chǎn)的IRAffinity-1,IRAffinity-21 傅里葉變換紅外光譜儀；

美國(guó)Thermo Fisher 生產(chǎn)的Nicolet 6700、IS10、IS5 傅里葉變換紅外光譜儀；

德國(guó)Bruker Optics 生產(chǎn)的Tensor 27、Tensor 37 傅立葉變換紅外光譜儀。

7、拉曼光譜

拉曼光譜是分子的非彈性光散射現(xiàn)象所產(chǎn)生，非彈性光散射現(xiàn)象是指光子與物質(zhì)分析發(fā)生相互碰撞后，在光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變的同時(shí)還發(fā)生能量的交換(非彈性碰撞)。拉曼光譜產(chǎn)生的條件是某一簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)應(yīng)于分子的感生極化率變化不為零時(shí)，拉曼頻移與物質(zhì)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)有關(guān)，不同物質(zhì)有不同的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，同時(shí)產(chǎn)生不同拉曼頻移‘拉曼光譜具有靈敏度高、不破壞樣品、方便快速等優(yōu)點(diǎn)。

拉曼光譜是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法，特別是對(duì)于研究低維納米材料，它

已經(jīng)成為首選方法之一。

實(shí)際做出的譜圖：丙酮的拉曼光譜圖

拉曼信號(hào)的選擇：入射激光的功率，樣品池厚度和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)也對(duì)拉曼信號(hào)強(qiáng)度有很大的影響，故多選用能產(chǎn)生較強(qiáng)拉曼信號(hào)并且其拉曼峰不與待測(cè)拉曼峰重疊的基質(zhì)或外加物質(zhì)的分子作內(nèi)標(biāo)加以校正。其內(nèi)標(biāo)的選擇原則和定量分析方法與其他光譜分析方法基本相同。

斯托克斯線能量減少，波長(zhǎng)變長(zhǎng)

反斯托克斯線能量增加，波長(zhǎng)變短

利用拉曼光譜可以對(duì)材料進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析、理化特性分析和定性鑒定等，可揭示材料中的空位、間隙原子、位錯(cuò)、晶界和相界等方面信息。

8、N2吸附脫附等溫線（BET）分析和孔徑分析

N2吸附平衡等溫線是以恒溫條件下吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附量為縱坐標(biāo)，以壓

力為橫坐標(biāo)的曲線。通常用相對(duì)壓力P/P0表示壓力;P為氣體的真實(shí)壓力P0為氣

體在測(cè)量溫度下的飽和蒸汽壓。吸附平衡等溫線分為吸附和脫附兩部分。平衡等

溫線的形狀與材料的孔組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。

我們慣用的是IUPAC的吸附等溫線6種分類，類型I表示在微孔吸附劑上的吸附情況;類型II表示在大孔吸附劑上的吸附情況，此處吸附質(zhì)與吸附劑間存在較強(qiáng)的相互作用;類型III表示為在大孔吸附劑上的吸附情況，但此處吸附質(zhì)分子與吸附劑表面存在較弱的相互作用，吸附質(zhì)分子之間相互作用對(duì)吸附等溫線有較大影響;類型W是有毛細(xì)凝結(jié)的單層吸附情況;類型V是有毛細(xì)凝結(jié)的多層吸附情況;類型VI是表面均勻非多孔吸附劑上的多層吸附情況。毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象，又稱吸附的滯留回環(huán)，亦稱作吸附的滯后現(xiàn)象。吸附等溫曲線與脫附等溫曲線的互不重合構(gòu)成了滯留回環(huán)。這種現(xiàn)象多發(fā)生在介孔結(jié)構(gòu)的吸附劑當(dāng)中。

吸附等溫曲線分類圖(IUPAC )

IUPAC將吸附等溫線滯留回環(huán)的現(xiàn)象分為4種情況。

第一種H1情況，滯留回環(huán)比較窄，吸附與脫附曲線幾乎是豎直方向且近乎平行。這種情況多出現(xiàn)在通過(guò)成團(tuán)或壓縮方式形成的多孔材料中，這種材料有著較窄的

孔徑分布;

第二種H2情況，滯留回環(huán)比較寬大，脫附曲線遠(yuǎn)比吸附曲線陡。這種情況多出現(xiàn)在具有較多樣的孔型和較寬的孔徑分布的多孔材料當(dāng)中;

第三種H3情況，滯留回環(huán)的吸附分支曲線在較高相對(duì)壓力作用下也不表現(xiàn)極限吸附量，吸附量隨著壓力的增加而單調(diào)遞增，這種情況多出現(xiàn)在具有狹長(zhǎng)裂口型孔狀結(jié)構(gòu)的片狀材料當(dāng)中;第四種H4情況，滯留回環(huán)也比較狹窄，吸附脫附曲線也近乎平行，但與H1不同的是兩分支曲線幾乎是水平的。

9、X射線光電子能譜（XPS）

X射線光電子能譜簡(jiǎn)稱XPS或ESCA，就是用X射線照射樣品表面，使其原子或分子的電子受激而發(fā)射出來(lái)，測(cè)量這些光電子的能量分布，從而獲得所需的信息。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷完善，目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行全掃描，在一次測(cè)定中即可檢測(cè)出全部或大部分元素。因此，XPS已發(fā)展成為具有表面元素分析、化學(xué)態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)分析以及微區(qū)化學(xué)態(tài)成像分析等功能強(qiáng)大的表面分析儀器。

X射線光電子能譜儀

X射線光電子能譜的理論依據(jù)就是愛因斯坦的光電子發(fā)散公式。根據(jù)Einstein的能量關(guān)系式有:

by=Eb+Ek

式中，入射光子能量by是已知的，借助光電子能譜儀可以測(cè)出光電過(guò)程中被入射光子所激發(fā)出的光電子能量Ek，從而可求出內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能Eb。由于各種原子都有一定結(jié)構(gòu)，所以知道Eb值后，即能夠?qū)悠愤M(jìn)行元素分析鑒定。

XPS作為研究材料表面和界面電子及原子結(jié)構(gòu)的最重要手段之一，原則上可以測(cè)定元素周期表上除氫、氦以外的所有元素。

其主要功能及應(yīng)用有三方面:第一，可提供物質(zhì)表面幾個(gè)原子層的元素定性、定量信息和化學(xué)狀態(tài)信息;第二，可對(duì)非均相覆蓋層進(jìn)行深度分布分析，了解元素隨深度分布的情況;第三，可對(duì)元素及其化學(xué)態(tài)進(jìn)行成像，給出不同化學(xué)態(tài)的不同元素在表面的分布圖像等。

10、掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope），簡(jiǎn)稱SEM，是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號(hào)成像來(lái)觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過(guò)電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個(gè)像是在樣品被掃描時(shí)按時(shí)序建立起來(lái)的，即使用逐點(diǎn)成像的方法獲得放大像。

掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器、具有很多優(yōu)越的性能、是用途最為廣泛的一種儀器．它可以進(jìn)行如下基本分析：

（1）三維形貌的觀察和分析；

（2）在觀察形貌的同時(shí)，進(jìn)行微區(qū)的成分分析。

① 觀察納米材料，所謂納米材料就是指組成材料的顆?；蛭⒕С叽缭?.1-100nm范圍內(nèi)，在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。

②材料斷口的分析：掃描電子顯微鏡的另一個(gè)重要特點(diǎn)是景深大，圖象富立體感。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學(xué)顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大，故所得掃描電子象富有立體感，具有三維形態(tài)，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)使用者很有價(jià)值。

③直接觀察大試樣的原始表面，它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對(duì)試樣的形狀沒有任何限制，粗糙表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩

④觀察厚試樣，其在觀察厚試樣時(shí)，能得到高的分辨率和最真實(shí)的形貌。

⑤觀察試樣的各個(gè)區(qū)域的細(xì)節(jié)。試樣在樣品室中可動(dòng)的范圍非常大，其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2-3cm，故實(shí)際上只許可試樣在兩度空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但在掃描電子顯微鏡中則不同。試樣在三度空間內(nèi)有6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)（即三度空間平移、三度空間旋轉(zhuǎn)）。且可動(dòng)范圍大，這對(duì)觀察不規(guī)則形狀試樣的各個(gè)區(qū)域帶來(lái)極大的方便。

掃描電鏡儀器外觀

掃描電鏡下的多種植物花粉

掃描電鏡下的靜電紡絲

11、材料表征的信號(hào)來(lái)源

當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子)、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。

（1）背散射電子（back scattered electron）

當(dāng)電子束照射樣品時(shí)，入射電子在樣品內(nèi)遭到衍射時(shí)，會(huì)改變方向，甚至損失一部分能量（在非彈性散射的情況下）。在這種彈性和非彈性散射的過(guò)程中，有些入射電子累積散射角超過(guò)90度，并將重新從樣品表面逸出。

那么背散射電子就是由樣品反射出來(lái)的初次電子，其主要特點(diǎn)是： 能量很高，有相當(dāng)部分接近入射電子能量 E 0 ，在試樣中產(chǎn)生的范圍大，像的分辨率低。 背散射電子發(fā)射系數(shù) η =I B /I 0 隨原子序數(shù)增大而增大。 作用體積隨入射束能量增加而增大，但發(fā)射系數(shù)變化不大。

（2）二次電子（second electron）

在入射電子束作用下被轟擊出來(lái)并離開樣品表面的樣品原子的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。由于原子核和外層價(jià)電子的結(jié)合力能很小，因此外層的電子比較容易和原子脫離，使原子電離。一個(gè)能量很高的入射電子射入樣品時(shí)，可以產(chǎn)生許多的自由電子，這些自由電子中90%是來(lái)自樣品原子外層的價(jià)電子。

二次電子一般都是在表層5~10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，它對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效的顯示樣品的表面形貌。但二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來(lái)進(jìn)行成分分析。

二次電子與背散射電子的區(qū)別

背散射電子是被樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子，包括彈性散射和非彈性散，彈性散射的電子遠(yuǎn)比非彈性散射的數(shù)量多。彈性散射電子來(lái)自樣品表層幾百納米的深度范圍,由于它的產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)增大而增多,所以不僅可以用來(lái)分析形貌，還可以用來(lái)分析成分。

二次電子在入射電子束的作用下，被轟擊出來(lái)并離開樣品表面的原子核外電子。它的能量比較小，一般只有在表層5-10納米的深度范圍才能發(fā)射出來(lái)，所以它對(duì)樣品的表面十分敏感，能有效的顯示樣品表面形貌，但二次電子的產(chǎn)額與原子序數(shù)無(wú)關(guān)，就不能用于成分分析。

二次電子象要腐蝕，背散射就不用，主要是看原子序數(shù)差別是不是比較大。

（3）俄歇電子（Auger electron）

俄歇電子 是由于原子中的電子被激發(fā)而產(chǎn)生的 次級(jí)電子。當(dāng)原子內(nèi)殼層的電子被激發(fā)形成一個(gè)空洞時(shí)，電子從外殼層躍遷到內(nèi)殼層的空洞并釋放出能量；雖然能量有時(shí)以光子的形式被釋放出來(lái)；這種能量可以被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電子，導(dǎo)致其從原子激發(fā)出來(lái)。這個(gè)被激發(fā)的電子就是俄歇電子。這個(gè)過(guò)程被稱為 俄歇效應(yīng)，以發(fā)現(xiàn)此過(guò)程的法國(guó)物理學(xué)家P.V.俄歇命名。

原子內(nèi)層電子被激發(fā)電離形成空位，較高能級(jí)電子躍遷至該空位，多余能量使原子外層電子激發(fā)發(fā)射，形成無(wú)輻射躍遷，被激發(fā)的電子即為俄歇電子。它一般源于樣品表面以下幾個(gè)nm，多用于表面化學(xué)成分分析，原子最少要含三個(gè)以上電子才能產(chǎn)生俄歇電子。

（4）特征X射線

特征x射線：當(dāng)原子內(nèi)層電子打到外層或者使原子電離，外層電子落到內(nèi)層發(fā)生躍遷，使原子多余能量作為x射線發(fā)射出來(lái)的叫做特征x射線。

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今日編輯：九雅