现代分析测试技术复习版ppt培训课件

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1、电子显微分析,四川大学分析测试中心王 辉2008年9月,联 系 方 式办公室：85412850 手 机：13982005852 E_mail：scu_,参考资料:,电子显微镜图象分析原理与应用，黄孝瑛著，宇航 出版社 1989 79.871/14 电子显微镜的原理和设计，西门纪业，葛肇生编著，科学出版社 1979 79.871/2 电子显微镜的原理和应用，朱宜，张存编著，北京大学出版社 1983 79.871/4 电子显微镜，朱祖福等编，机械工业出版社 1984 79.871/6 电子显微镜与超微结构，郭仁强编著，人民卫生出版社 1985 79.871/9 其它仪器分析相关书籍,1.电镜的诞生

2、与发展,1923 Louis De Broglie指出：光、电子、质子均有波、粒二象性，电子束可以代替光波成像 1926 H. Busch 提出“轴对称磁场对电子束起透镜作用” 1932 德国Knollhe和Ruska制成第一台12 透射式电镜 1940 英国剑桥大学制成第一台扫描式电镜 50年代末期起，我国也开始研制并生产电镜 80年代中期，我国开始引进生产国外高性能电镜,2.电镜的应用,微观形貌和结构 成分分析,3.电子光学,3.1光的折射和光学透镜成像 （1）光的折射 （2）凸透镜的成像原理 （3）光学显微镜的原理,3.2光的衍射和光学显微镜分辨本领理论极限 （1）光的衍射,结论： 埃利

3、斑半径与照明光源波长成正。,（2）光学显微镜分辨本领理论极限 分辨率的定义设某成像装置所能区分开两点（或两条线）之间的最小距离为，则这一成像装置的最佳分辨率d 即为。 分辨率d 是衡量成像仪器的重要指标，也是各种因素的综合参数指征。 人眼睛的分辨率一般不高于0.2 mm ( d 0.2mm ) 。理论极限：照明光源的半波长。,（3）放大倍率M 与分辨率d 的关系 放大倍率M = 像长/ 物长但必须保证在一定成像质量的前提下才有意义 有效放大倍率M= d（人眼）/ d（仪器）即，相对于人眼睛的分辨率，仪器所能提高分辨率的倍率 光镜M= d（人眼）/ d（光镜）= 0.2 mm / 0.2 m=

4、1000 电镜M= d（人眼）/ d（电镜）= 0.2 mm / 0.2 nm = 100万,结论：突破光学显微镜分辨本领和有效放大倍数的极限，必须寻找一种即要波长短，又能使之聚焦成像的新型照明源。,3.3电子的波动性及其波长,电子的波长与其加速电压平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。,3.4电子透镜静电透镜磁透镜,3.5电磁透镜的像差（1）几何像差：由于透镜磁场几何缺陷引起 的，包括球差、像散和像畸变。 球差产生机理；影响；像散,（2）色差由于成像电子波长（或能量）变化引起电磁透镜焦距变化而产生的一种像差。,可以用消像散器适当地进行补偿。像畸变,3.6电磁透镜的分辨本领 不同电磁波的波

5、长对成像分辨率的限制 可见光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫波长大约在0.78 0.39 m，因此，光镜的最佳分辨率d = 0.39 m/ 2 0.2 m 使用紫外光的荧光显微镜的分辨率可以更高一点 电子束的波长极短（ 1 nm ），考虑到其他制造技术和工艺的限制，电镜的分辨率也可以达到d = 0.2 nm 以上,3.7电子束与固体样品的相互作用,结论：,二次电子：SEM；表面形貌；图像分辨率好，能量低。 背散射电子：SEM；成分形貌；图像分辨率低，能量分布广。 透射电子：TEM。 特征X射线：EDS，WDS；成分分析。 俄歇电子：电子能谱；表面成分分析。,4.电子显微镜的基础知识,4.1电子显微

6、镜的分类 透射电子显微镜（TEM） 以电子束照射样品，利用透过样品的电子束穿越电磁场透镜，形成放大影像。 扫描电子显微镜（SEM）以电子探针（极细的电子束）在样品上做不停的轰击扫描运动，将反射回来的“二次电子”收集成像。 分析型电子显微镜 将具有波谱（WDS）、能谱（EDS）等分析功能分析仪器与透射或扫描电镜结合起来，进行形态和成分分析的电子显微镜。,扫描隧道式电子显微镜（STM）用纳米级直径的金属探针、以极其接近的距离在样品表面上，做连续扫描运动，将隧道效应产生的微弱电流检测出来，并处理成影像信息以供显示。 原子力显微镜（AFM） 针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在

7、极微弱的排斥力，通过光学检测法或隧道电流检测法，可测得针尖对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。 环境扫描电镜（ESEM）,4.2电子束的产生电子束由电子枪产生（灯丝） 热电子发射： 场发射：,4.3电子束的特点 具有一定的指向和速度、自身带有负电荷的电子流具有波、粒二象性 受“洛仑兹”力作用，穿越磁场时会偏转前进方向即折射，透镜成像的基础 电子束轰击生物样品，会在不同深度激发出不同信息的电子信号，只有样品很薄时，才能穿透样品另一侧 波长极短，不能被人眼直接观察；但可使某种胶片感光或荧光屏发光，从而转化为可供观察的信息形式 波长与加速电压V 相关，电压恒定则波长也单纯（有利

8、于成像质量和分辨率的提高），故电镜的影像无颜色可言，为单色图像,4.4 图像的质量 视场选择正确，图像清晰。 衬度黑与白的对比程度，也称反差。 层次黑与白之间的过渡级数。 缩小光阑可以明显提高图像的反差。 一般而言，反差与层次两者相互矛盾，以适中为宜。,4.5电镜的工作条件稳压稳流减少色差、降低各种像散、提高成像质量。 供水散热给大功率元器件、真空扩散泵降温。 防磁、防震、防尘、恒温、恒湿等。,成像系统1）物镜（O） 紧贴在样品台下方，第一级成像元件，精度要求极高 强磁透镜，焦距很短 改变物镜电流，可以调整焦点，用以聚焦 以其重要性，常被谓之为电镜的“心脏”2）中间镜（I）和投影镜（P） 在物

9、镜之下，常设有中间镜、第一、第二投影镜 共同配合完成放大作用，改变各级透镜的工作电流，可实现放大倍率的变换M= MOMI MP1MP2 工作台面板上有对应的旋钮，供使用者调整 电镜的工作放大倍率M= 各级中间镜和投影镜放大倍率之积,真空系统保持镜体真空的意义： 维持灯丝工作的必要条件避免氧化、延缓老化、延长灯丝寿命 保证电子束正常传输不与气体分子碰撞发生电离 避免电子枪中高压放电 样品处于高真空中减少污染,5.2透射电镜样品制备,超薄切片：通常以锇酸和戊二醛固定样品，以环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式推进样品切片，切片厚度2050nm，切片采用重金属盐染色，以增大反差,6.3扫描电镜的特

10、点,适用于粗糙表面和断口的分析观察,6.4 扫描电镜的样品处理,1.要求试样可以是块状或粉末颗粒的固体。2.镀膜的方法有两种 真空镀膜。 离子溅射镀膜。,7.环境扫描电镜（ESEM）,7.1 与SEM的区别：7.2 原理气体放大原理,7.3 应用 含水的样品及非导体 动态观察原位观察,9.原子力显微镜(AFM),9.1原理及结构 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于1986年所发明的，其目的是为了使非导电样品的表面结构也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。,10.电子探针X射线显微分析,10.1

11、 X射线的基础知识X射线的产生 1）自由电子 2）电子定向高速运动 3）电子运动途中遇到障碍物突然减速X射线谱 1）连续X射线谱 2）特征X射线谱,10.2波谱分析（WDX） 应用：成分分析 原理,特征X射线的波长决定原子序数Z,布拉格定律：,限制条件：,10.3 能谱分析（EDX、EDS）,特征X射线的波长决定原子序数Z,波长与光子能量的关系：,10.4波谱分析与能谱分析的比较： 分辨率 灵敏度 检测速度,X衍射,1.1x射线物理学基础 1.1.2 1.1.3 1.1.4,1.3 x射线衍射理论,1、 x射线衍射概念,2、 布拉格定律,3、 布拉格方程的讨论,1）选择反射,2）产生衍射的极限

12、条件,3）衍射花样与晶体结构的关系,2,2,sin d=,4a,2,（h + k + l ）,2,2,2,立方晶系：,一、衍射的产生及衍射方向,1.4.3粉末X射线衍射仪,热分析及其应用,热分析（thermal analysis），顾名思义，可以解释为以热进行分析的一种方法。1977年在日本京都召开的国际热分析协会（ICTA）第七次会议上，给热分析下了如下定义：即热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度的关系的一类技术。,第一节 热分析的定义及发展概况,包括三个方面： 程序控制温度；一般是指线性升温或线性降温，当然也包括恒温、循环或非线性升温、降温。 选择物质的一种被测物理量P； 被

13、测物理量P随温度T的变化。,其中，P是物质的一种物理量；T是物质的温度。 程序控制温度也就是把温度看作是时间的函数：T（t） 其中t是时间。,其数学表达式为：Pf（T）,则 Pf（T或t）,第二章 热重法（TG）,第一节 热重法定义及失重量的计算方法,热重法（Thermogravimetry）简称TG，是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种技术。数学表达式为： W=f (T或t),一、热重法定义,通常有以下两种类型：,等温（或静态）热重法：非等温（或动态）热重法：,上图是一条典型的TG曲线，纵坐标是重量（mg），从上向下表示重量减少，横坐标是温度（ 或K），有时也可用时间（t），从

14、左向右表示T或t增加。,二、热重曲线,三、失重量的计算,CuSO45H2O 的TG曲线,平台AB表示试样在此温度区间是稳定的，其组成即原试样CuSO45H2O，其重量W010.8mg；BC表示第一次失重，失重量W0W11.55mg（下降小格数0.2mg小格即得），对应失重率W0W1W0 100（）14.35；平台CD代表另一个稳定组成，相应重量为W1；同样，DE和FG分别代表第二、三次失重，失重量分别为16mg与08mg，失重率分别为14.8和7.4；总失重率W0W3W0 100（）36.6，即失水百分数；固体余重是136.663.4。平台EF和GH分别代表一个稳定的组成。,结晶硫酸铜分三阶段

15、脱水：,CuSO45H2O CuSO43H2O 2H2O （1） CuSO43H2O CuSO4H2O 2H2O （2） CuSO4 H2O CuSO4H2O （3）,第一次理论失重率为 2H2OCuSO45H2O = 14.4； 第二次失重率也是144； 第三次为72； 理论固体余重639， 总水量361。 与TG测定位基本一致。 说明TG曲线第一、二次失重分别失去2个H2O，第三次失去1个H2O。,第二节 影响热重曲线的因素,一、仪器的影响,1. 浮力的影响 （1）热天平在热区中，其部件在升温过程中排开空气的重量在不断减小，即浮力在减小，也就是试样的表观增重。 （2）热天平试样周围气氛受热变轻会向上升，形成向上的热气流，作用在热天平上相当于减重，这叫对流影响。,2. 坩埚的影响,热分析用的坩埚(或称试样杯、试样皿)材质，要求对试样、中间产物、最终产物和气氛都是惰性的，即不能有反应活性，也不能有催化活性。坩埚的大小、重量和几何形状对热分析也有影响。,3. 挥发物再冷凝的影响,试样热分析过程逸出的挥发物有可能在热天平其它部分再冷凝，这不但污染了仪器，而且还使测得的失重量偏低，待温度进一步上升后，这些冷凝物可能再次挥发产生假失重，使TG曲线变形，使测定不准，也不能重复。为解决这个问题可适当向热天平通适量气体。,二、操作条件的影响,1. 升温速率的影响,