材料结构表征大全

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目录一XRD衍射分析2二红外光谱3三紫外光谱4四光电子能谱分析(xps)5五热重分析6六差热分析7七TEM8八SEM9九核磁共振9十质谱分析10十一拉曼光谱11十二EXAFS12十三热滞回线13十四iv曲线测量14十五DSC差示扫描量热法15十六流阻抗谱16 十七磁力显微术16十八AFM分析18十九STM(扫描隧道显微镜)20 XRD衍射分析XRD即X-niydiffraction的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。工作原理X射线是一种波长很短（约为20〜0.06埃）的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶屮各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。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，这些很大数冃的原了或离了/分了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人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：2dsinO=nX表征内容应用已知波长的X射线来测量0角，从而计算出晶血间距d,这是用于X射线结构分析；另一个是应用己知d的晶体來测量8角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在己有资料查出试样中所含的元素。用途廿前X射线衍射（包括散射）已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。主要应用有以下方而：I物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料屮存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各和的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。2取向分析包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如李生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。3晶粒（诙镶块）大小和微观应力的测定由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的人小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。4宏观应力的测定宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。5结构分析对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。 二红外光谱红外光谱（InfraredSpectroscopy,1R）,红外光谱图通常用波长（九）或波数（。）为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率（T%）或者吸光度（A）为纵坐标，表示吸收强度。原理当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振（转）动能级跃迁到能量较高的振（转）动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下來，就得到红外光谱图。产生红外光谱的两个条件：红外吸收光谱产生的第一个条件是当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分了的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分了吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极护•必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。表征内容其频率和同的红外光，在红外光谱图对应的位置上出现一•个吸收峰。实际上有一些振动分子没有偶极矩变化是红外非活性的；另外有一些振动的频率相同，发生简并；还有一些振动频率超出了仪器可以检测的范I韦I,这些都使得实际红外谱图中的吸收峰数H大大低于理论值。分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式，例如，伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动，分别用Vs和Vas表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动（§）和面外弯曲振动3）。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操 作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。另外，在化学反应的机理研究上，红外光谱也发挥了一定的作用。但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。下面从定性分析和定量分析两方面來说明：1定，性分析.红外光谱是物质定性的垂要的方法之一。它的解析能够提供许多关于官能团的信息，可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构。其定性分析有特征性高、分析吋间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便等优点。2定量分析红外光谱定量分析法的依据是朗伯——比尔定律。红外光谱定量分析法与其它定量分析方法相比，存在一些缺点，因此只在特殊的情况下使用。它要求所选择的定量分析峰应有足够的强度，即摩尔吸光系数大的峰，且不与其它峰相重叠。红外光谱的定量方法主要有直接计算法、工作曲线法、吸收度比法和内标法等，常常用于异构体的分析。三紫外光谱紫外和可见光谱（ultravioletandvisiblespectrum）简写为UV。紫外光谱的基本原理在紫外光谱中，波长单位用nm（纳米）表示。紫外光的波长范围是100〜400nm,它分为两个区段。波长在100〜200mn称为远紫外区，这种波长能够被空气屮的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行研究工作，故这个区域的吸收光谱称真空紫外，由于技术要求很高，H前在有机化学中用途不大。波长在200〜400run称为近紫外区，一般的紫外光谱是指这一区域的吸收光谱。波长在400〜800nm范|韦|的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200〜800nm（或200〜1000nm）<>分子内部的运动有转动、振动和电了运动，相应状态的能量（状态的本征值）是量了化的，因此分了具有转动能级、振动能级和电子能级。通常，分子处于低能量的基态，从外界吸收能量后，能引起分子能级的跃迁。许多有机分子中的价电子跃迁，须吸收波长在200〜1000nm范围内的光，恰好落在紫外-可见光区域。因此,紫外吸收光谱是曲于分了中价电了的跃迁而产生的，也可以称它为电了光谱。 表征内容与应用有机化合物分子中主要有三种电子：形成单键的。电子、形成双键的31电子、未成键的孤对电子，也称n电子。基态时。电子和兀电子分别处在成键轨道和兀成键轨道上，n电子处于非键轨道上。仅从能量的角度看，处于低能态的电子吸收合适的能量后，都可以跃迁到任一个较高能级的反键轨道上。跃迁时吸收能量的大小顺序可以表示为：n—n*〈nn*〈nfo*〈n—o*〈o—►ji*〈0—0*即n-兀*的跃迁吸收能量最小。实际上，对于一个非共轨体系來讲，所有这些可能的跃迁中，只有"f兀*的跃迁的能量足够小，相应的吸收光波氏在200〜800nm范围内，即落在近紫外-可见光区。其它的跃迁能量都太大，它们的吸收光波长均在200run以下，无法观察到紫外光谱。但对于共轨体系的跃迁，它们的吸收光可以落在近紫外区。可以认为：烷姪只有。键，只能发生o〜o*的跃迁。含有重键如C=C,C=C,C二0,ON等的化合物有。键和兀键，有可能发生。o*,。兀*,兀一兀*,o*的跃迁。分了中含有氧、卤素等原了时，因为它们含有n电子，还可能发生nn*、ji—o*的跃迁。电子的跃迁可以分成三种类型：基态成键轨道上的电子跃迁到激发态的反键轨道称为N—V跃迁，如o->o*,Ji->兀*的跃迁。杂原了的孤对电了向反键轨道的跃迁称为N—Q跃迁，如n—o*,n—n*的跃迁。还有一种N—R跃迁，这是。键电子逐步激发到各个高能级轨道上，最后变成分子离子的跃迁，发生在高真空紫外的远端。紫外光谱图提供两个重要的数据：吸收峰的位置和吸收光谱的吸收强度。从图中可以看出，化合物对电磁佈射的吸收性质是通过一条吸收曲线來描述的。图中以波长(单位nm)为横朋标，它指示了吸收峰的位置在260nm处。纵坐标指示了该吸收峰的吸收强度。四光电子能谱分析(XPS)X射线光电子能谱分析(X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis):XPS(X射线光电子能谱)的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。X射线光电子能谱因对化学分析最有用，因此被称为化学分析用电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)。1,元索的定性分析。可以根据能谱图屮出现的特征谱线的位置鉴定除 H、He以外的所有元素。1,元素的定量分析。根据能谱图中光屯子谱线强度(光电子峰的面积)反应原子的含量或相对浓度。2,固体表面分析。包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。3,化合物的结构。可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。五热重分析热重分析(ThermogravimetricAnalysis,TG或TGA),是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用來研究材料的热稳定性和组份。TGA在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析屮经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。原理热重分析指的是在温度程序控制卜•，测量物质质量与温度之间的关系的技术。这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，强磁性材料当达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。而热重分析则指观测试样在受热过程中实质上的质量变化。热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质。TGA可以得到样品的热变化所产生的热物性方面的信息。表征内容热重分析通常可分为两类：动态法和静态法。1、静态法：包括等压质量变化测定和等温质屋变化测定。等压质量变化测定是指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种方法。这种方法准确度高，费时。2、动态法：就是我们常说的热重分析和微商热重分析。微商热重分析又称导数热重分析(DerivativeThermogravimetry,简称DTG),它是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率(dm/dt)对温度T(或时间t)作图，即得DTG曲线。 应用热重分析法可以研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。热重法的重要特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率，可以说，只要物质受热时发生重量的变化，就可以用热重法来研究其变化过程。目前，热重法已在下述诸方面得到应用：(1)无机物、有机物及聚合物的热分解；(2)液体的蒸馆和汽化；(3)煤、石油和木材的热解过程；(4)含湿量、挥发物及灰分含量的测定；(5)脱水和吸湿；六差热分析差热分析(DifferentialThermalAnalysis,DTA),是一种重要的热分析方法，是指在程序控温F,测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。该法广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。广泛应用于无机、硅酸盐等领域。原理差热分析(DifferentialThermalAnalysis—DTA)法是一种重要的热分析方法，是指在程序控温下，测量物质利参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种测试技术。该法广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出的热最，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随有焙的改变，因而产生热效应，其表现为样品与参比物之间有温度差。记录两者温度差与温度或者时间Z间的关系曲线就是差热曲线(DTA曲线)。表征内容和应用从差热图上可淸晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰血积。峰的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小和止负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性。因此,可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类。理论上讲，可通过峰而积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分析的因素较多，定量难以准确。应用凡是在加热(或冷却)过程中，因物理-化学变化而产生吸热或者放热效应的物质，均可以用差热分析法加以鉴定。其主要应用范围如下：(1)含水化合物对于含吸附水、结晶水或者结构水的物质，在加热过程中失水时，发生吸热作用，在差热曲 线上形成吸热峰。(1)高温下有气体放出的物质-•些化学物质，如碳酸盐、硫酸盐及硫化物等，在加热过程中由于C02、S02等气体的放出，而产牛吸热效应，在差热曲线上表现为吸热谷。不同类物质放出气体的温度不同，差热曲线的形态也不同，利用这种特征就可以对不同类物质进行区分鉴定。(2)矿物中含有变价元索矿物中含有变价元索，在高温下发生氧化，由低价元索变为高价元索而放出热量，在差热曲线上表现为放热峰。变价元素不同，以及在晶格结构中的情况不同，则因氧化而产生放热效应的温度也不同。如Fe2+在340~450°C变成Fe3+。(3)非晶态物质的重结晶有些非晶态物质在加热过程中伴随有重结晶的现象发生，放出热量，在差热曲线上形成放热峰。此外，如果物质在加热过程中晶格结构被破坏，变为非晶态物质后发生晶格重构，则也形成放热峰。七TEMTEM透射电子显微镜(Transmissionelectronmicroscope,缩写TEM),简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样晶中的原子碰撞而改变方向，从而产牛立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0」〜0.2nm,放大倍数为儿万〜百万倍，用于观察微结构，即小于光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。工作原理透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像來口于相位的变化。应用透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于屯子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50〜100nn)o所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。 八SEMSEM是scanningelectronmicroscope的缩写，中文即打描电子显微镜。M询扫描电镜的分辨力为6〜lOrnn,人眼能够区别荧光屏上两个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X原理从电子枪阴极发出的直径20cm〜30cni的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电了探针。在物镜上部的扫描线圈的作用下，电了探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电了束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。扫描电镜样品制备的主要要求是：尽可能使样品的表面结构保存好，没有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性能。另外，扫描屯镜生物样品制备技术大多数生物样品都含有水分，而且比较柔软，因此，在进行扫描电镜观察前，要对样品作相应的处理。应用原则上讲，利用电子和物质的相互作川，可以获取被测样品木身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采川不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对X射线的采集，可得到物质化学成分的信息。九核磁共振核磁共振具有磁距的原子核在高强度磁场作用卞，可吸收适宜频率的电磁辐射,由低能态跃迁到高能态的现象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零口旋而有磁距，能显示此现象。由核磁共振提供的信息，可以分析各种有机和无机物的分子结构。核磁其振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一•定频率的射频辐射的物理过程。原理核磁共振主要是山原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的口旋量子数I来表示。原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一•种能量状态，7■值为1/2的核在外磁场作用下只有两种取向，各相当于沪1/2和沪-1/2,这两种状态之间的能量差力尸值为 △E=YhBO/2n一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收△/的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于口旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收屯磁辐射能跃迁到高能态。当频率为V射的射频照射白旋体系时，由于该射频的能量0射二力K射,因此核磁共振要求的条件为hK聊AE应用口前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振(ProtonMagneticResonance),简称PMR,也表示为1H-NMR。13C核磁共振(Carbon-13NuclearMagneticResonance)简称CMR，也表示为13C-NMR。氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信息，可以推测质子在碳胳上的位置。十质谱分析质谱法(massspectrometry;MS)用电场和磁场将运动的离子(带电荷的原子、分子或分子碎片)按它们的质荷比分离后进行检测的方法。即用电场和磁场将运动的离子(带电荷的原子、分子或分子碎片)按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出了离子的准确质量，就可以确定离子的化合物组成。这是由丁•核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。使试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散一一离子束屮速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场屮离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。应用质谱屮出现的离子有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子一分子相互作用产生的离子。综合分析这些离子，可以获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子分解形成的某些离子间存在的某种相互关系等信息。质谱法特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化 学、生化、药物代谢、临床、毒物学、农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域。近年的仪器都具有单离子和多离子检测的功能，提高了灵敏度及专一性，灵敏度可提高到10(克水平。用质谱计作多离了检测，可用于定性分析，例如，在药理生物学研究小能以药物及其代谢产物在气和色谱图上的保留时间和相应质量碎片图为基础，确定药物和代谢产物的存在；也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素界构物作为内标，以取得更准确的结果。十一拉曼光谱拉曼光谱(Ramanspectra),是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V•拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一•种分析方法。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长和同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。拉曼效应是光子与光学支声子和互作用的结果原理拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说明了拉曼效应：设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态(Virtualstate),虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光,即为散射光。设仍冋到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线,后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线,而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移，与同一振动能级内的转动能级有关的称作小拉曼位移。应用通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级悄况，从而可以鉴别物质，分析物质的性质•提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外1由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液屮的生物样品和化学化合物的理想工具。2拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器3拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。 4因为激光朿的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。5共振拉曼效应可以用來有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。十二EXAFS原理XAFS（X-RayAbsorptionFineStructure,X光吸收精细结构谱）包括EXAFS（Extendedx-rayabsorptionfinestructure）和XANES（X-rayabsorptionnearedgestructure）两种技术EXAFS是元素的X射线吸收系数在吸收边高能侧30-1000eV范围出现的振荡。XANES是元素吸收边位置50eV范|韦|内的精细结构。（精细结构：吸收边附近及其广延段存在一些分立的峰或波状起伏，称精细结构）XAFSZ所以能成为研究非晶（包括液体）结构的有力工具，原因在于它是以散射现象近邻原子对屮心吸收原子岀射光屯子的散射为基础，反映的仅仅是物质内部吸收原子周围短程有序的结构状态。晶体学的理论和结构研究方法不适用于非晶体，而XAFS的理论和方法却能同时适用丁•晶体和非晶体，其原因即在于此。吸收边产生的原因如下：产生原因是，当入射X光子的能量等于被照射样品某内层电子的电离能时，会被大量吸收从而形成吸收边。表征内容EXAFS的理论表达式,式中改蛮测的吸收系数，(k)“为自由原子的吸收系数,换紆-为世邻原子的散射造成的干涉对(艮)的洞制，即叠加在佩k)上的波动，再用加归一化就成为QO,k为光电子波欠，其与光电子能量的关系为EXAFS的数据处理:⑴求口-E曲线u (2)背景扣除⑶卩0拟合(4)E->k转换(5)求%(k)(6)获得结构参数EXAFS的用途：1、不依赖品体结构，因此可用于大量的非晶态材料的研究2、不受其他元素的干扰，对不同的元素的原了，可由吸收边位置不同，而得以分别研究3、可测配位原子的种类、个数、间距等4、浓度很低的样品，百万分之几的元素也能分析5、样品制备比较简单，数据收集时间短十三热滞回线磁滞冋线反映磁性材料在外磁场中的磁化特性。磁场可以把铁块变成磁铁，此后即使磁场减弱或消失，铁块的磁力并不会冋到原来的起点或零点，部分磁力将永久性地滞留在铁块之中，这就是“磁滞效应”。而闭合铁芯(或一•大块导体)处于交变磁场中，交变的磁通量使闭合铁芯(或一大块导体)中产生感应电流，形成涡电流。原理测量动态冋线的方法很多，经常使用的有示波器法、铁磁仪法和采样法等。这里介绍示波器法。此方法就是利用一般阴极射线示波器直接显示交流冋线，出于简单可靠，在工业测量中有着广泛的应用。这些方法的测量原理都是相同的,N和2分别为样品的磁化线圈和测量线圈的匝数;乩为串入样品初级线圈回路的小电阻;e2为样品测量线圈上的感应电压;g为小电阻心上因磁化电流通过而产生的电压。S为标准磁环的面积。，1为平均磁路长度，对于环行样品，为磁环的平均直径。线路里R、C和运放构成了R-C积分器，当R、C取值适当，即时，可得枳分器的输出值为：因为电路为反和积分器,所以为了反映正和的B,在积分器前加了反相器。电压山和比分别正比于H和B。这样就会在示波器屏幕上显示出B=f(H)回线。磁滞回线测量的原理如上所述，而实验屮得到的曲线存在两大不足：一是回线不清楚,B曲线和H曲线均有失真，原因是反相器和积分器不理想，如漂移、自激等都会影响曲线的质量;二是由于信号发生器输出信号功率小,激励电流小,小磁环很难达到饱和，几乎得不到高频磁滞回线。为此需进行以下改进得到高频磁滞回线。表征内容：测定表征磁性的各种参数(如磁化强度，磁化率，磁导率，矫顽力和磁感应强度等)以分析金属组织的方法。应用：磁滞回线包含了体现磁材料性能的参数，如矫顽力、剩磁等，有了这些参数才能进行最佳的设计。通过磁滞回线可以判断各种铁磁性材料磁导率的高低，矫顽力的大小。看看哪些属于软磁材料，哪些属于硬磁材料。 十四IV曲线测量太阳电池的研究与生产中，I-V曲线的测试是其中重耍的环节。通过I-V特性曲线测量，可获得开路电压(Voc)、短路电流(lsc)、填充因子(FF)、效率(几)、串联电阻(Rs)、并联电阻(Rsh)等参数，并及时准确地反应太阳电池性能的好坏,为制备高性能电池提供指导。I-V曲线模拟怎么测试1、IV曲线有两种策略，即改变电流测试电压法和改变电压测试电流法。对于固定的负载，给一个屯流的方法是，把电流表与负载串联，再调整屯源电压;或者电源固定，调节与负载串联的电阻。当电流表读数与要求一致时，测量负载两端电压。同一个器件，用两种方法得到的IV曲线是一致的。2、IV曲线分模拟测试和“数字”测试两类，模拟一般是传统的，用特性曲线测试仪来完成，可以直接得到1山线(显示在屏幕上)。数字的其实就是现代一些的，一般用DAC输出一个变化的模拟信号，然后采集另一路信号得到，有的也可以直接显示曲线，但也有的是可以输出数据、自己处理后再显示。3、很多高级的电源，是可编程的，可以自己输出一系列变化的信号(比如电压)，然后回读电流，这些数据就可以用计算机采集下来，处理后作出曲线。这种电源我手里就有几个,比如HP6632B.Adv6143、Adv6246,具有很宽的测试范围和很高的测试精度。4、也可以DTY。包括一个DAC和相应的程控电压电流，用万用表（IIP3401A）的测试完成脉冲信号驱动，采样一次驱动信号就增人一步，而且是循环的，可以多测几个周期，驱动可以是电流也可以是电压，档位和步进可调，电路板现在还在。5、最简单的，就是手动测试，用一个可调屯源（改变电压）和一个万用表（测试电流），人肉采集、画图。十五DSC差示扫描量热法差示扫描量热法（differentialscanningcalorimetry）这项技术被广泛应用于一系列应用，它既是一种例行的质量测试和作为一个研究工具。该设备易于校准，使用熔点低，是一种快速和可靠的热分析方法。差示扫描量热法（DSC）是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。基本原理热流型（HeatFlux）在给予样品和参比品相同的功率下，测定样品和参比品两端的温差T,然后根据热流方程，将T（温差）换算成Q（热量差）作为信号的输出。物质在温度变化过程屮，往往伴随着微观结构和宏观物理，化学等性质的变化。宏观上的物理，化学性质的变化通常与物质的组成和微观结构相关联。通过测量和分析物质在加热或冷却过程中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行定性，定量分析，以帮助我们进行物质的鉴定，为新材料的研究和开发提供热性能数据和结构信息。 在差热分析屮当试样发生热效应时，试样木身的升温速度是非线性的。以吸热反应为例，试样开始反应后的升温速度会大幅度落后于程序控制的升温速度，甚至发生不升温或降温的现彖;待反应结束时，试样升温速度又会高于程序控制的升温速度，逐渐跟上程序控制温度，升温速度始终处于变化屮。而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周I韦I的环境有较大的温差，它们Z间会进行热传递,降低了热效应测量的灵敏度和精确度。因此，到FI前为止的人部分差热分析技术还不能进行定量分析工作，只能进行定性或半定量的分析T作，难以获得变化过程中的试样温度和反应动力学的数据。DSC分析与差热分析相比，可以对热量作出更为准确的定量测量测试，具有比较敏感和需耍样品量少等特点。主要用途DSC分析主要用丁•研究金属玻璃的显微结构中亚稳相的转变温度以及转变动力学的特征分析。差示扫描量热仪在程序温度控制下测量加载样品和参比物之间的单位时间的能量差（功率差）随温度的变化，记录所得的曲线为DSC曲线。非晶合金中原子是混乱排列的，样品处在亚稳态。当温度升高时，在热激活的作用下，非晶样品结构将发生变化，并伴随着放热和吸热现象。差示扫描量热曲线（DSC曲线）是在差示扫描量热测量中记录的以热流率dll/dt为纵坐标、以温度或时间为横坐标的关系加线。曲非晶合金的DSC曲线可以得到下列的一些信息：（1）玻璃转变温度Tg;（2）晶化温度Tx;（3）结构弛豫峰,并由结构弛豫峰可获得低温结构弛豫和高温结构弛豫，以及它们的弛豫激活能的值；（4）晶化过程以及结晶焙变AHx;（5）晶化过程中齐种亚稳相的信息。在操作屮，通过单独的加热器补偿样品在加热过程中发生的热量变化，以保持样品和参比物的温羌为零。这种补偿能量（即样品吸收或放出的热量）所得的曲线称DSC曲线。是以样品吸热或放热的速率，即热流量dQ/dt（单位町/s）为纵坐标，以时间I或温度T为横坐标。曲线离开基线的位移，代表样品吸热或放热的速率；曲线中的峰或谷所包围的面积，代表热量的变化。可测定多种热力学和动力学参数，如比热容、恰变、反应热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品线度等。使用温度范用I为一175〜725°C,适用于无机及有机化合物和药物分析。并可用做定性分析的指纹技术。十六流阻抗谱原理：交流阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法。给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正眩电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正弦波频率3的变化，或者是阻抗的相位角0随3的变化。应用：主要用于研究电极过程动力学、电极表面现象以及测眾固体电解质电导率。测试步骤： 第一步：实验测定交流阻抗谱。第二步：根据电化学体系的特征，利用电化学知识，佔计这个系统中可能有哪些个等效电路元件，它们之间有可能怎样纟n.合，然后提出一个可能的等效电路。第三步：利用专业的EJLS分析软件，对E1S进行曲线拟合。如果拟合的很好，则说明这个等效电路有可能是该系统的等效电路十七磁力显微术磁力显微术（MagneticForceMicroscopy,MFM）是将磁性与探针技术和结合的技术。用MFM可以同时得到磁性材料的表面形貌图和磁力图，且不破坏样品,一般情况下，样品不需要特别制备，这使得MFM已成为磁学和磁性材料研究的一个有力工具。原理：磁探针在样品上方扫描，探测出样品的寄生磁场施加在探针上的极其微弱的作用力。MFM中的力感应元件（forcesensor）是一条町弯曲的悬臂，在其末端装有尖锐的磁探针。如果探针离样品表面足够近，比如几十到几百纳米，这时磁探针和样品间的磁相互作用力会使悬臂的状态发生变化。在静态模式（DC模式）下，悬臂只发生静态的偏转；而在动态模式下（AC模式），悬臂的共振频率、振幅和相位都会发生改变。当磁探针在样品表而进行光栅式扫描（rasterscan）时，这种悬臂状态的化就可以用来形成二维的MFM图像。在磁力显微镜（MFM）中，探测的物理量是MFM针尖与磁性样品Z间的磁力或磁力梯度，而并不是样品中的磁化强度。内容：在MFM中，振动中的针尖在一个固定的针尖-样品间距下，在平行于样品表面的平面内进行扫描。这时，由磁针尖与样品间的磁相互作用力所引起的频移信号就能被探测到。振幅可以通过另外一个独立的振幅反馈回路保持为常数。这种模式被称为：等高的动态模式（constantheightdynamicalmode）,即高度反馈是关闭的。除了"等高动态模式"的MFM之外，还有DigitalInstruments公司率先发展的“轻敲/抬举动态模式”的MFM,它可以很容易地同时获得形貌信息和磁性信息。检测时，对样品表面的每一行都进行两次扫描：第一次扫描采用轻敲模式，得到样品在这一行的高低起伏并记录下来；然后采用抬起模式，让磁性探针抬起一定的髙度（通常为10〜200nm）,并按样品表面起伏轨迹进行第二次扫描，由于探针被抬起并且按照样品表面起伏轨迹扌描，故第二次扫描过程小针尖不接触样品表面（不存在针尖与样品间原子的短程斥力）且与其保持恒定距离（消除了样品表面形貌的影响），磁性探针因受到的长程磁力的作用而引起的振幅和相位变化，因此，将第二次扫描中探针的振幅和相位变化记录下来，就能得到样品表面漏磁场的精细梯度，从而得到样品的磁畴结构。一般而言，和对于磁性探针的振幅，其振动相位对样品表面磁场变化更敏感，因此，相移成像技术是磁力显 微镜的重要方法，其结果的分辨率更高、细节也更丰富。用途：与其他磁成像技术比较，磁力显微镜（MFM）具有分辨率高、可在人气中工作、不破坏样品而且不需要特殊的样品制备等优点。MFM在1992年以后逐渐实现商用化，目前已成为磁学和磁性材料研究的一个有力工具。MFM之所以能得到广泛使用，主更是因为它具有很高的空间分辨率，并且几乎不需要复杂的样品制备。很重要的一点是，MFM甚至可以对表面镀有覆盖层的磁性样品进行成像，比如，人们现在使用的电脑硬盘屮的磁盘。在MFM发明的最初几年，研究的主要对象是磁记录介质，后来人们渐渐地在多种磁性材料表面如LaO.7CaO.3Mn03-5.Co纳米点阵、Co/Pt多层膜和水平磁记录介质（图l・9f）,甚至是超导体如YBCO、BSCCO表面都获得的磁畴图像。十八AFM分析AFM全称AtomicForceMicroscope,即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包扌舌形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化丁、食品、医药研究和科研院所齐种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。原理它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息.如图下所示，当针尖接近样晶时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变.悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程屮一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像。原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式(Contactmode).非接触式(non-contactmode)、敲击式(tappingmode)和升降式(1辻tmode).1.接触成像模式在接触式AFM屮，探针与样品表面进行“软接触”・当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子云开始相互静电排斥。这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原子间的吸引力.当原子间距离小Tlnm,约为化学键长时，范德华力为0.当合力为正值(排斥)时，原子相互接触.由于在接触区域范德华力曲线斜率很高，范德华斥力儿乎抵消了使探针进一步靠近样品表面原子的推力.当探针弹性系数很小吋，悬臂发生弯曲.通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌观察。假如设计很人弹性系数的硬探针给样晶表面施加很人的作用力，探针就会使样品表面产生形变或破坏样品表面.这时就可以得到样品力学信息或对样品表面进行修饰。2.非接触成像模式 非接触式AFM中，探针以特定的频率在样品表附近振动.探针和样品表[ft]距离在几纳米到数十纳米之间.这一距离范围在范德华力曲线上位于非接触区域.在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在10-12N左右。在非接触式AFM中，探针以接近于其口身共振频率(一般为100kHz到400kHz)及儿纳米到数十纳米的振幅振动.当探针接近样品表而时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制凹路通过移动扫描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定，计算机通过记录扌T描器的移动获得样品表面形貌图。1.敲击成像模式敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比非接触式AFM有更近的样品与针尖距离.和非接触式AFM—样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫).振动的振幅可以通过检测系统检测.当针尖刚接触到样甜时，悬臂振幅会减少到某一数值.在打描样品的过程中，反馈冋路维持悬臂振幅在这一数值恒定.当针尖扫描到样品突出区域时.悬臂共振受到阻碍变人，振幅随之减小.相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随Z增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保持恒定.反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面形貌图。敲击式AFM有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的损坏。应用1.形貌观察：AFM可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。2・AFM在高分子科学方面的应用(1)高分子表面形貌和纳米结构的研究图为所示为常规的AFM在高分子方面的应用.高分子的形貌可以通过接触式AFM、敲击式AFM来研究。接触式AFM研究形貌的分辨率与针尖和样品接触面积有关。一般来说，针尖与样品的接触尺寸为儿纳米，接触面积可以通过调节针尖与样品接触力来改变，接触力越小，接触面积就越小；同时也减少了针尖对样品的破坏.为了获得高分辨高分子图像，人们用各种方法来对样品进行微力检测。(2)AFM对高分子材料纳米机械性能的研究扫描探针技术是研究高分了材料纳米范围机械性能的强有力工具。在接触式AFM中.以不同的力扫描样品可以得到样品机械性能的信息.高分子材料弹性模量的变化范围从儿MPa到儿GPa,这就需要根据样品的不同性质来选样低力或高力对样品成像.在水屮拉伸PE条带施加不同力时获得的样品变形图像.在强力扫描样品时，可以看到沿纤维走向有以25nm为周期的明喑变化。(3)高分子组分分布研究许多高分子材料由不均一相组成，因此研究相的分布可以给岀高分子材料许多重要的信息。如图增韧塑料是出两种不同高分子材料和橡胶颗粒共混而成的，其高度图和相图有明显的不同相图中不仅可以分辨出两种不同高分子组分，而且 可以见到约lnm尺寸的橡胶颗粒。3.AFM在生物大分子中的应用AFM是研究生物大分子强有力的工具。生物大分子不同于一般高分子聚合物.它在生物体屮多以单个分子存在，因此容易得到单个分子的形貌图像，单个生物分子的三维形貌及动力学性质研究对解释生命现象有不可估量的作用•如今人们用AFM研究各种生物分子，如DNA、蛋白质、抗原抗体分子及其他一些重要分子。十九STM（扫描隧道显微镜）扫描隧道显微镜scanningtunnelingmicroscope缩写为STM,利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原了水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。工作原理扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论屮的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于lnm）,在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极Z间的势垒流向另一电极，在探针和试件间会产生一微弱电流，通常称为隧道电流。隧道电流Z是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品Z间距离S和平均功函数0有关：（1>/ocVJ,exp-A（f）2S•“是加在针尖和样品之间虑偏置电隹，平均功函数•/为常数，在真空条件下约等于1。•①为物质表面的平均功函数•S是针尖和样品之I可距离•I是隧道电流扫描隧道显微镜的工作原理就如同一根唱针打过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下來。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的图片。3、扫描隧道显微镜的工作模式扫描隧道显微镜的工作模式分为恒电流模式和恒高度模式：a）恒电流模式：x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出來，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。b）恒高度模式：在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。 应用从观测对象看，STM以观测层状晶体、半导体、金属、超导体为主，对电化学现象、生物细胞、高分子材料的研究等都是十分理想的工具。尤其对包括轻元素在内的原子排列的研究报告己不乏其例。应用STM装置，最容易观测的对象是空气中化学稳定性好、劈开面光滑的层状品体。对金属表面的观测，现以原了级平滑度的金属表面为主要研究对象。