各种材料分析仪器原理与比较

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1、材料分析的方法及原理一般材料的分析技術可以概分為結構分析(物性)與成份分析(化性)兩大類。其分析方法多利用一入射粒子束（Source）如電子束、離子束、光束（含可見光及X光射線）及微探針（Probe）等，與試片作用產生各種二次粒子後，偵測其作用後產生的訊號，來分析材料各項材料特性。一般常見的材料分析技術，不外乎想要得知試片的（1）表面或材料內部的顯微結構影像，此類的代表儀器包括掃描式電子顯微鏡（SEM）、穿透式電子顯微鏡（TEM）及原子力顯微鏡（AFM）等；（2）材料成份分析，此類的代表儀器包括X光能量散佈分析儀（EDS）、表面化

2、學分析儀（ESCA）、歐傑電子顯微鏡（AES）及二次離子質譜儀（SIMS）等；（3）材料結晶結構鑑定與分析，此類的代表儀器包括X光繞射分析儀（XRD）及穿透式電子顯微鏡（TEM）等。常見的儀器有(1)光學顯微鏡(OpticalMicroscope,OM)；(2)掃描式電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)；(3)X光能譜分析儀(X-raySpectrometry)；(4)穿透式電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,TEM)；(5)聚焦式離子束顯微鏡(Focus

3、edIonbeam,FIB)；(6)X光繞射分析儀(X-rayDiffractometer,XRD)；(7)掃描式歐傑電子顯微鏡(ScanningAugerMicroscope,SAM)；(8)二次離子質譜儀(SecondaryionMassSpectrometry,SIMS)；(9)拉塞福背向散射質譜儀(RutherfordBackscatteringSpectrometry,RBS)；(10)全反射式X-光螢光分析儀(TotalReflectionX-rayFluorescence,TXRF)；(11)掃描穿隧顯微鏡(Scan

4、ningTunnelingMicroscope,STM)；(12)原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)等。各種分析儀器的基本原理一般顯微鏡的系統，大多利用光學鏡片或電磁透靜（電磁場）來偏折或聚焦帶能量的粒子束（例如：可見光、電子、離子、X光）。再藉著粒子束與試片物質的作用，激發出各類二次粒子（例如：可見光、二次電子、背向散射電子、穿透式電子、繞射電子、二次離子、特性X光、繞射X光、歐傑電子、光電子、背向散射離子、螢光等），偵測其二次粒子的能譜、質譜、光譜、或成像，即可分析材料的結構和各種特性。XRD-

5、工作原理X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=λ应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。

6、光學顯微鏡(OM)原理：利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的對比，因為可見光的波長高達4000-7000埃，在解析度(或謂鑑別率、解像能，係指兩點能被分辨的最近距離)的考量上，自然是最差的。STM原理：TEM原理：AFM（原子力显微镜）原理：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，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极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧

7、道电流检测法，可测得微悬臂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。SIMS原理：利用帶電粒子束撞擊物質表面，利用離子束之動能與能量轉移至物質裡面之原子與分子，經由多次於固態晶格裡面之原子碰撞，原子與分子如果獲得充分之能量,脫離固態表面之束縛能（bindingenergy），離開物質表面進入真空，再被引入質譜儀進行質量分離，分辨出不同元素，最後經電場引至偵測器做計量。RBS原理：