技能培训 材料表面工程学 表面分析和表面性能的检测

技能培训 材料表面工程学 表面分析和表面性能的检测

10.1 表面分析第十章 表面分析测试 对固体表面或界面上只有几个原子层厚的薄 层进行化学成分、表面形貌、组织结构、原子排 列、电子能态等分析的材料物理试验。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 表面分析内容 1）表面形貌和显微组织分析 2）表面成分分析 3）表面原子排列结构分析 4）表面电子结构分析 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 1）表面形貌和显微组织分析 常用有光学显微镜、透射电子显微镜、扫描 电子显微镜。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 2）表面成分分析 表面分析方法有数十种，其基本原理大多是 以一定能量的电子、离子、光子等与固体表面相 互作用，然后分析固体表面所放射出的电子、离 子、光子等，从而得到有关的各种信息。 常用的有离子探针、俄歇电子能谱分析和X 射线光电子能谱分析，其次还有离子中和谱、离 子散射谱、低能电子衍射、电子能量损失谱、紫 外线电子能谱等技术，以及场离子显微镜分析等。 常采用的表面成分分析手段有：俄歇电子能谱 （AES）、二次离子质谱（SIMS）。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 3）表面原子排列结构分析 1）直接进行原子排列结构分析，包括高压电子显 微镜、场离子显微镜和扫描隧道显微镜等。 2）采用衍射法间接分析原子排列结构，包括所有 的衍射实验：低能电子衍射、反射型高能电子衍射。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 4）表面电子结构分析 最常用的是 X射线光电子能 和紫外线光电子能谱 。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大 后所产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进 行观察。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍 数为几万～几十万倍。由于电子易散射或被物体吸 收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片(通常为 50～100nm)。 电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密 度不同而发生相应的电子发射，如电子束投射到质 量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光 屏上的电子少而呈暗像，电子照片上则呈黑色。称 电子密度高。反之，则称为电子密度低。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 　 与光镜相比电镜用 电子束代替了可见光， 用电磁透镜代替了光 学透镜并使用荧光屏 将肉眼不可见电子束 成像。经物镜、中间 镜、投影镜三级放大。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 1.透射电镜技术 　 SiC样品的透射电镜 照片 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 2.扫描电镜 　　扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫 描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形 成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 2.扫描电镜 　　 放大倍数数千倍，分辨率10～7nm。景 深长，可直接采用金相试样进行观察。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 2.扫描电镜 　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 2.扫描电镜 　谱图处理 : 没有被忽略的峰 处理选项 : 所有经过分析的元素 (已归一化) 重复次数 = 2 标准样品 : C CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM Cr 304不锈钢 28-Nov-2007 04:14 PM Fe Fe 1-Jun-1999 12:00 AM Ni 304不锈钢 28-Nov-2007 04:15 PM W W 1-Jun-1999 12:00 AM 元素 重量 原子 百分比 百分比 C K 8.02 36.97 Cr K 18.48 19.69 Fe K 9.63 9.55 Ni K 22.65 21.36 W M 41.22 12.42 总量 100.00 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 2.扫描电镜 　 微硅粉　 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 X射线衍射仪 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 X射线衍射仪 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 2 4 5 3 4 3 3 2 3 4 4 4 1 1 In te ns ity 2 1 -（Ni,Fe） 4 Cr23C6 1 3 Cr7C3 5 Fe3B 2 5 3 1 2 CrB 图3 多道搭接激光熔覆Ni60B涂层X射线衍射分析 图谱 Fig.3 X-ray diffraction spectrum of multi-track laser cladding coating of Ni60B alloy 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 3.场离子显微镜 　　 针尖样品， 图象中每 一个亮点都 是单个原子 的像。 　　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 4.扫描隧道显微镜 　　 扫描隧道显微镜 使用电子学的方法， 用一个金属针尖在 在样品表面扫描。　　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 4.扫描隧道显微镜 　　 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 3 离子探针分析 又称离子探针显微分析。它是利用电子光学 方法将某些惰性气体或氧的离子加速并聚焦成细 小的高能离子束来轰击试样表面，使之激发和溅 射出二次离子，用质谱仪对具有不同质荷比(质量 ／电荷)的离子进行分离，以检测在几个原子深度、 数微米范围内的微区的全部元素，并可确定同位 素。它的检测灵敏度高于电子探针(见电子探针分 析)，对超轻元素特别灵敏，可检测 10(克的痕量 元素,其相对灵敏度达 10(～10(。分析速度快，可 方便地获得元素的平面分布图像。还可利用离子 溅射效应分析表面下数微米深度内的元素分布。 但离子探针定量分析方法尚不成熟。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 俄歇电子能谱分析 用电子束 （或X射线）轰击 试样表面，使其表面原子内层能级上的电子被击 出而形成空穴，较高能级上的电子填补空穴并释 放出能量，这一能量再传递给另一电子，使之逸 出，最后这个电子称为俄歇电子。通过能量分析 器和检测系统来检测俄歇电子能量和强度，可获 得有关表面层化学成分的定性和定量信息，以及 化学状态、电子态等情况。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 在适当的实验条件下，该方法对试样无破坏作 用，可分析试样表面内几个原子层深度、数微米 区域内除氢和氦以外的所有元素，对轻元素和超 轻元素很灵敏。检测的相对灵敏度因元素而异， 一般为万分之一到千分之一。绝对灵敏度达10(单 层（1个单层相当于每平方厘米约有10(个原子）, 相当于约10(～10(克。可方便而快速地进行点、 线、面元素分析以及部分元素的化学状态分析。 结合离子溅射技术，可得到元素沿深度方向的分 布。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 俄歇电子能谱仪器的结构主要包括真空系统、 激发源和电子光学系统、能量分析器和检测记录 系统、试验室和样品台、离子枪等。 俄歇电子能谱分析在机械工业中主要用于金属 材料的氧化、腐蚀、摩擦、磨损和润滑特性等的 研究和合金元素及杂质元素的扩散或偏析、表面 处理工艺及复合材料的粘结性等问题的研究。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 X射线光电子能谱分析 以一定能量的X射线辐 照气体分子或固体表面，发射出的光电子的动能 与该电子原来所在的能级有关，记录并分析这些 光电子能量可得到元素种类、化学状态和电荷分 布等方面的信息。这种非破坏性分析方法，不仅 可以分析导体、半导体，还可分析绝缘体。除氢 以外所有元素都能检测。虽然检测灵敏度不高， 仅达千分之一左右，但绝对灵敏度可达2×10(单 层。 10.2 表面分析仪器和测试 技术简介第十章 表面分析测试 这种分析技术是由瑞典的K.瑟巴教授及其合作 者建立起来的。1954年便开始了研究，起初称为 化学分析用电子能谱(简称ESCA),后普遍称为X射 线光电子能谱（简称XPS）。主要包括：真空系 统、X射线源、能量分析器和检测记录系统、试 验室和样品台等。这种分析方法已广泛用于鉴定 材料表面吸附元素种类，腐蚀初期和腐蚀进行状 态时的腐蚀产物、表面沉积等；研究摩擦副之间 的物质转移、粘着、磨损和润滑特性；探讨复合 材料表面和界面特征；鉴定工程塑料制品等。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 傅立叶变换红外光谱仪 见深圳市表面测试中心,网页收藏 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 傅立叶变换红外光谱仪 制造商及仪器型号：美国尼高力公司Nicolet 5700型 • 仪器规格：光谱范围：7800cm-1—350cm-1 • 光谱分辨率：0.09cm-1 • 快速扫描：优于每秒65次 • 附 件：ATR智能附件、漫反射附件 测试范围：利用特征吸收谱带，对化合物的红 外光谱进行功能基的定性，以确定有关化合物的 类别，再与已知结构的化合物的光谱进行比较， 肯定或鉴定所提出可能结构的化合物。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 傅立叶变换红外光谱仪 应用实例：测试样品为棕色透明液体。采用 ATR智能附件对样品进行测试，得到谱图如图1， 并与标准谱库进行对照，如图2，可以确定该物质 为甘油。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 傅立叶变换红外光谱仪 应用实例：测试样品为棕色透明液体。采用 ATR智能附件对样品进行测试，得到谱图如图1， 并与标准谱库进行对照，如图2，可以确定该物质 为甘油。 二次离子质谱仪 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 X射线能谱仪 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪 制造商及仪器型号：日本ULVAC-PHI公司1800型光电子能谱仪 仪器主要部件及测试范围： 　　X射线光电子能谱（简称XPS）包括Mg、Al双阳极光源、 Al单色化光源、半球形能量分析器、电子中和枪、溅射离子枪 等。可以定性定量无损分析材料表面除了H和He的所有元素， 并可以进行元素的化学态分析，最小分析面积30微米，分析的 信息深度小于5nm。元素含量的检测下限是0.1%（原子百分比 ）。可以对样品表面进行成像扫描和线扫描。可以结合离子溅 射测量元素的深度分布。俄歇电子能谱（简称AES）包括静态 电子枪、电子能量分析器等。可以对导体表面几个原子层进行 元素的定量以及化学态分析，最小分析面积30微米，分析的信 息深度小于5nm。元素含量的检测下限是0.1%（原子百分比） 。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 这是一个ITO玻璃样品的XPS全谱图，从图上可以 看到各个元素对应的谱峰，对各元素的谱峰进行积 分计算可以得到元素的原子百分比含量，如图中所 示。 应用实例： 1．典型的XPS全谱图。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 这是一个类金刚石镀层表面的C1s峰谱图，经高斯 拟合得到两个峰（如图所示），一个峰位为285.2eV， 对应代表金刚石成分sp3，另一个峰位为284.4eV， 对应代表石墨成分sp2。说明样品表面镀层中含有金 刚石和石墨两种结构。 应用实例： 2．化学态分析 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 应用实例： 3．元素的深度剖析 10.1 表面分析第十章 表面分析测试 这是一个类金刚石镀层样品的深度剖析结果，表示的是元 素的百分比含量随着深度的变化，溅射速率大约是 8nm/min。可以看出，表层除极少量的N和O外，主要是C。 溅射刻蚀480nm后，C含量逐渐降低至50%~60%之间并维 持不变，Ti出现并且含量逐渐升至30%左右然后略有下降， N和O的含量逐渐上升。在溅射刻蚀880nm~1000nm区间 内，各元素含量变化比较复杂，主要表现为以下几点： （1）Cr出现，含量有明显先上增加后降低的趋势； （2）Ti含量先上增加后减少； （3）C、O、N含量逐渐减少； （4）基体元素Si含量逐渐增加。 继续溅射至1200nm，已经完全是衬底Si的信号。 　　从以上分析可以看出，膜层结构为多层，表面层为掺N 的C膜，中间为富C的TiNC，底层为富Ti和富Cr的TiNC， 各层之间元素含量呈梯度变化，可有效避免成分陡变带来 的膜层内应力大、膜基结合力差的缺点。 10.1 表面分析第十章 表面分析测试