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1、,由于固体表面的复杂性，对其表面结构、形态的表征受到限制。近20年来，由于高真空技术和电子技术的快速发展，使得对表面的形貌、组织结构、表面成分等的研究取得长足的进步。 本章对表面谱、表面形貌显微技术等常用的表面分析的方法作简单介绍。,第16章 现代表面分析常用 技术简介,1.光电子能谱 （photoelectron spectroscopy,PES) 具有足够能量的光子入射到样品，经相互作用后，使样品中原子或分子中的电子克服其结合能，而产生光电子e- ，反应表示为： S+h S+*+e-,光电子能谱图 出射的光电子具有一定的动能，若利用监测器检测其动能，经放大器就可以记录样品中被 击出具有动能
2、Ek的光电子数n(Ek)，这就是光电子能谱。 以Ek为横坐标， n(Ek)为纵坐标作图，就得到光电子能谱图。,若入射光的能量为hv，原子、分子中的电子结合能为Eb，光电子动能为Ek，根据能量守恒原理有,若入射光用紫外线时，激发原子的外层电子，称为紫外光电子能谱（ultraviolet photoelectron spectroscopy,UPS）。 若用X射线作为入射光，主要是激发原子的内层电子，称为X射线光电子能谱,X射线光电子能谱,X射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy,XPS) X射线光电子能谱常采用的靶主要是铝靶和镁靶。 用15KeV的电子
3、轰击铝靶，其产生的特征X射线的能量为1486.6eV,线宽0.85eV， 镁靶的特征X射线的能量是1253.6eV，线宽0.70eV。,X射线光电子能谱,如果再使用石英晶体单色器，可将X射线单色化，线宽降低到0.3eV，这样可使分辨率较好。 它们的能量可以击出各种元素的内层电子，所击出的光电子的能量为102-103eV。,X射线光电子能谱,元素的特征峰 X射线光电子能谱中可以观察到元素的特征峰，与样品的物理化学性质有关。 元素的特征峰反应了内层电子的性质，由于内层电子能级间隔较大，容易在X射线光电子能谱中分辨开来，故XPS适宜于进行元素的定性分析。,X射线光电子能谱,化学位移 原子所处的化学和
4、物理环境改变，会使特征峰移动，这称为化学位移。 一般来说，原子外层电子密度减少时（如氧化数增大或与电负性较大的原子相连），内层电子受到的有效核电荷将略微增大，结合能增大，反之，结合能减小。 利用化学位移，可以分析原子的成键情况和价态的变化。,X射线光电子能谱,使用XPS测试样品，一般是利用特征峰的峰面积，用相对灵敏度因子法进行半定量分析，一般测量误差10%-20%，检测灵敏度为0.1%左右。 样品用量少（约10-8g)，不需要进行样品前处理，可以给出元素化学态信息，进而可以分析出化合物的组成。,显微镜发展迅速，种类很多，可在宽广的范围内 来观察表面的形貌和显微组织。,2.观察表面形态显微镜,透
5、射电子显微镜 (Transmission electron microscope,TEM) 扫描电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM) 扫描隧道显微镜 (scanning transmission electron microscope,STM) 原子力显微镜 (atomic force microscope,AFM),常用的显微镜,扫描电子显微镜原理,扫描电子显微镜,以电子探针对试样进行扫描轰击， 将被轰击微区发出的二次电子信息（包括二次电子、特征X射线、阳极荧光等） 用探测器逐个加以收集，经过适当处理并放大， 依此放大信号来调制同步扫描的显像管的亮
6、度，在显像管的荧光屏上得到该信息提供的样品图像。,扫描电子显微镜,电子枪，由1-30KV高压电通过钨丝产生热电子流并给予加 速，经一系列电磁聚光镜等使电子束缩小到直径为5-10nm 后轰击到试样上进行扫描,样品室和样品台，四周壁上开有许多窗口以放置各种探测器 及置换样品的进出口，样品台有5个自由度，可以调节样品 达到要求的位置,探测器，二次电子从试样表面发射出来，闪烁体把电子的动 能转化为光能，光信号通过光电倍增管阴极转化成电信号， 经多极放大输入显像管调制成像,SEM的组成部分,扫描电子显微镜,SEM是常用的材料表面的测试仪器，其放大倍数达几十万倍。 SEM要求试样为导电体，非导体试样应事先
7、镀上导电层，如金、银或碳等。 SEM可以研究所有材料的表面结构，如,共混物、共聚物的分布形态， 聚合物网络、交联程度 二相聚合物微区结构 膜表面 非对称膜的断面结构 纳米粒子的形貌 粒径的测量,3.红外光谱,傅里叶交换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometer,FTIR） 是基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计，不同于色散型红外分光光度计，被称为第三代红外光谱仪。 第一代是棱镜作为色散元件，依据光的折射原理 第二代是光栅作为色散元件，依据光的衍射原理,FT-IR的部件构成 目前所用的干涉仪大多数都是麦克尔逊（Michelson）干涉仪。,红
8、外光源,干涉仪,检测器,计算机,记录仪,样品室,傅里叶变换红外光谱的基本方程是 I(x) 表示干涉图的强度，是光程差x的函数， 表示光源（被测对象）的强度，是光源波长的函数， 表示频率。 由它记录干涉图并做出傳里叶余弦变换，就可得到任何波数的光强,4.激光拉曼光谱,激光拉曼光谱 laser Raman spectrometer 是研究被样品散射的光，而不是吸收和发散的光。 若入射光和Raman散射光的频率分别为 、 ，分子散射前后的能量分别是Ea，Eb，则有 这样测得Raman光谱频率位移 ，便可得到分子能级。,激光拉曼光谱仪示意图,Raman光谱可通过鉴定基团的特征频率进行分子结构分析，用于定性、定量分析等。它可观察到非极性双原子分子如N2、O2等光谱，是红外光谱所不及的。 Raman光谱与红外光谱两者可互相补充,