材料的测试、表征方法和技巧

材料的测试表征表征技术是指物质结构与性质及其应用的有关分析、测试方法，也包括测试、测量工具的研究与制造。表征的内容包括材料的组成、结构和性质组成：构成材料的化学元素及其相关关系结构：材料的几何学、相组成和相形态性质：指材料的力学、热学、磁学、化学性质表征手段1.形貌电子显微镜（TEM、SEM）,普通的是电子枪发射光电子，还有场发射的，分辨率和适应性更好；2.结构一般是需要光电电子显微镜，扫描电子显微镜不行3.晶形单晶衍射仪，XRD，判断纳米粒子的晶形及结晶度4.组成一般是红外，结合四大谱图，判断核壳组成5.性能光-紫外，荧光；电--原子力显微镜（AFM），拉曼；磁--原子力显微镜或者专用的仪器红外吸收光谱(InfraredSpectrometry)概述定义红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外照射时，分子吸收其中的一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T％对波数或波长的曲线，即为红外光谱。红外光谱图表示方法方法一：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长λ（m）和波数1/λ，单位：cm-1。可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。纵坐标是：吸光度A应用：有机化合物的结构解析定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度方法二：纵坐标是百分透过率T%。百分透过率的定义是辅射光透过样品物质的百分率，即T%=I/I0×100%，I是透过强度，Io为入射强度。横坐标：上方的横坐标是波长λ，单位μm下方的横坐标是波数，单位是cm-1波数即波长的倒数，表示单位(cm)长度光中所含光波的数目。红外光谱的特点1、红外吸收只有振-转跃迁，能量低2、应用范围广：除单原子分子及单核分子等对称分子外，几乎所有的有机物均有红外吸收3、通过红外光谱的波数为止、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构4、还可以进行定量分析5、固液气态样品均可测试，而且用量少、不破坏样品6、分析速度快、灵敏度高7、与色谱等联用具有强大的定性功能红外光谱产生的条件(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量(2)辐射与物质间有相互偶合作用对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性，如：N2、O2、Cl2等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。峰位、峰数与峰强峰位化学键的力常数K越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区(短波长区);反之,出现在低波数区(高波长区）峰数峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收峰强瞬间偶极矩大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰有机化合物基团的特征吸收化合物红外光谱是各种基团红外吸收的叠加各种基团在红外光谱的特定区域会出现对应的吸收带，其位置大致固定受化学结构和外部条件的影响，吸收带会发生位移，但综合吸收峰位置、谱带强度、谱带形状及相关峰的存在，可以从谱带信息中反映出各种基团的存在与否常见基团的红外吸收带官能团区(3700~1333cm-1)指纹区(1333~650cm-1)500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HCNC=NS-HP-HN-ON-NC-FC-XO-HO-H（氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HCCC=C红外光谱图的影响因素某一基团的特征吸收频率，同时还要受到分子结构和外界条件的影响同一种基团，由于其周围的化学环境不同，其特征吸收频率会有所位移，不是在同一个位置出峰基团的吸收不是固定在某一个频率上，而是在一个范围内波动拉曼（Raman）光谱拉曼光谱的优点和特点对样品无接触，无损伤样品无需制备快速分析，鉴别各种材料的特性与结构拉曼所须样品量少，且适用样品微区（1微米以下光斑）高空间分辨率(对包裹体,金刚石压砧中的样品等尤其有用)共聚焦方式，适于表面或层面分析，高信噪比能适合黑色和含水样品高、低温及高压条件下测量光谱成像快速、简便，分辨率高仪器稳固，体积适中，维护成本低，使用简单红外光谱拉曼光谱光谱范围400-4000cm-1光谱范围40-4000cm-1分子振动谱分子振动谱吸收，直接过程，发展较早散射，间接过程，自激光后发展平衡位置附近偶极矩变化不为零平衡位置附近极化率变化不为零与拉曼光谱互补与红外光谱互补实验仪器是以干涉仪为色散元件实验仪器以光栅为色散元件测试在中远红外进行，不收荧光干扰测试在可见波段进行，有时受样品荧光干扰，可采用近红外激发低波数（远红外）困难低波数没有问题微区测试较难，光斑尺寸约10微米，空间分辨率差共焦显微微趣测试，光斑尺寸可小到1微米，空间分辨率好红外探测器须噪声高，液氮冷却且灵敏度较低CCD探测器噪声低，热电冷却，灵敏度高多数需制备样品无需制备样品，且可远距离测试不能用玻璃仪器测定样品可在玻璃仪器中直接测定水对红外光的吸收,不可作为溶剂没有水对红外光的吸收，可作溶剂拉曼光谱的信息拉曼频率的确认物质的组成如MoS2,MoO3拉曼峰位的变化张力/应力例如，硅每10cm的位移的应变率拉曼偏振晶体对称性和取向例如，CVD金刚石晶粒取向拉曼峰宽晶体质量例如，塑性变形量拉曼峰强度物质总量例如透明涂层的厚度Raman光谱的应用不同的物质，其拉曼谱是不同的，就象人的指纹一样，因此拉曼光谱可用于物相的分析与表征，如非晶碳，微晶石墨，金刚石，单晶石墨的拉曼谱不同同位素分析年代估计显微拉曼光谱技术检测激光微加工质量艺术品修复催化上的应用紫外可见吸收光谱法定义紫外可见吸收光谱法根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法，包括比色分析法与分光光度法比色分析法比较有色溶液深浅来确定物质含量的方法，属于可见吸收光度法的的范畴分光光度法使用分光光度计进行吸收光谱分析的方法紫外可见波长范围紫外可见吸收光谱法特点远紫外光区：10-200nm近紫外光区：200-400nm可见光区：400-780nm仪器较简单，价格较便宜分析操作简单分析速度较快紫外可见吸收光谱的产生紫外可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁（伴随着振动能级和转动能级跃迁）由于O2、N2、CO2、H2O等在真空紫外区(60-200nm)均有吸收，测定这一范围光谱时须将光学系统抽真空并充充入惰性气体。所以真空紫外分光光度计非常昂贵，在实际应用中受到一定的限制通常所说的紫外-可见分光光度法，实际上是指近紫外-可见分光光度法(200-780nm)吸收曲线将不同波长的光透过某一固定浓度待测溶液，测量每一波长下溶液对光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，即可得到吸收曲线（吸收光谱）。描述了物质对不同波长光的吸收能力同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax不同关于吸收曲线吸收光谱的波长分布：由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同吸收谱线强度A与该物质分子吸收的光子数成正比，即与该物质的浓度C成正比，这是定量分析的依据cbA不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据紫外-可见分光吸收光谱法的应用1、定性分析有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，可作为定性依据，但不完全反映分子特性；计算吸收峰波长，可以确定共扼体系；标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图。紫外光谱相同，两种化合物有时不一定相同，只有当max、max都相同时，可认为两者是同一物质。2、定量分析定量依据：朗伯-比耳定律，吸光度A=εbc灵敏度高：εmax在104-105之间（比红外大）测量误差与吸光度读数有关：A=0.434时读数相对误差最小；吸光度在0.2-0.8之间，误差较小，测定较准确某些国家将数百种药物紫外吸收光谱的最大吸收波长和吸收系数载入药典，作为定性定量依据3、纯度检查如果一化合物在紫外区没有吸收，而其中的杂质有较强吸收，就可以方便地检出该化合物中的痕量杂质。甲醇或乙醇中杂质苯：可利用苯在256nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收；四氯化碳中二硫化碳杂质：可观察318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。4.有机化合物结构辅助解析可获得的结构信息：200-400nm无吸收峰：饱和化合物或单烯化合物220-280nm无吸收峰：化合物中不含苯环、共轭双键、醛基、酮基、溴和碘210-250nm有强吸收峰(ε≥104)：表明含有一个共轭体系(K带)。共轭二烯：K带230nm；-不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm250-300nm有中等强度的吸收峰(ε=200-2000)：芳环的特征吸收(具有精细解构的B带)，化合物含芳环270-300nm有随溶剂极性增大向短波方向移动的弱吸收带：化合物中有羟基基团270-350nm有弱吸收峰(ε=10-100)：醛酮n→π*跃迁产生的R带260nm,300nm,330nm有强吸收峰：有3、4、5个双键的共轭体系光谱解析注意事项确认max，并算出logε，初步估计属于何种吸收带；观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；须考虑pH值的影响。X射线分析法在高速运动的电子流的轰击下，原子内层电子产生跃迁而发射的电磁辐射，即为X射线。以X射线为辐射源的分析方法称为X射线分析方法。主要包括X射线荧光分析法、X射线衍射分析法和X射线吸收法。其中用于成分分析的X射线荧光分析法和用于结构分析的X射线衍射分析法应用较为广泛。X射线谱--------连续X射线谱X射线强度与波长的关系曲线，称之X射线谱。在管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X射线谱，即连续谱。X射线谱-------特征X射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系X射线荧光分析法利用物质的特征荧光X射线进行成分分析的方法，称为X射线荧光分析法。当用X射线管发射的X射线（初级X射线）为激发源照射固体物质时，除了一部分透过晶体，一部分发生散射、衍射、吸收之外，式样中的原子或分子分内层电子被初级X射线激发，次外层电子自发的从高能态跃迁到低能态并发射出次级（二级)X射线即它自己的特征荧光X射线。只要测得荧光X射线的波长，就可以确定物质所含的元素，根据射线强度就可以测定其含量。应用可用于原子序数5-92的元素成分分析，已广泛应用于各个领域的定性定量分析。绝大多数元素的特征荧光X射线已准确测出且汇编成表，供实际定性分析时核查。定量分析常常用标准曲线法、增量法、内标法三种。X射线衍射分析法以X射线衍射现象为基础的分析方法，称为X射线分析方法，它是测定晶体结构的重要手段，应用极为广泛。基本原理当X射线作用于晶体时，与晶体中的电子发生作用后，再向各个方向发射X射线的现象，称为散射。由于晶体中大量原子散射的电磁波互相干涉和互相叠加而在某一方向得到加强或抵消的现象，称为X射线衍射。其相应的方向，称为