材料近代研究方法.ppt

1、材料近代研究方法,材料科学与工程学院左禹,什么是“材料”？,材料人们用来制造机器、结构等具有某种特性的物质的实体。,材料人类文明的基石,石器时代25000年前陶器时代10000年前青铜时代4000年前铁器时代2000年前,人类文明的发展史，即人类学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。,材料科学与工程学科的核心内容：,研究材料成分、结构、制备方法与性能的关系材料的制造、使用和创新,性能,成分,结构,制备,材料的分类：,按材料种类分类：金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料,材料的分类：,按材料用途分类：结构材料:制造房屋,桥梁,机器等结构力学性能功能材料:具有某种特殊性质,材料的分类：,功能

2、材料：能源材料:电极材料，贮氢材料，光电转换材料信息材料：半导体，光纤，电缆、生物医用材料：人工关节，人造血管，人造器官磁性材料：电机定子、转子材料，磁性存贮材料环境材料：清除污染,可降解,环境友好材料光学材料：透镜，黑体材料催化材料、吸波材料、含能材料、智能材料,材料的分类：,天然材料：石材，木材，蚕丝，皮革传统材料：钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、通用高分子材料 、纺织材料先进材料：航空材料、航天材料、核材料、电子信息材料、能源材料非晶态材料、超导材料、纳米材料,材料科学与工程学科：,是当今科技领域发展最快的学科之一；是孕育着重大发现和突破的学科；是挑战性非常强的学科；是物理、化学、电子学、生物学

3、等多个学科汇聚的前沿领域；对21世纪的高新科技发展起着关键支撑作用： 航天、海洋、生命、环境、能源、信息-新材料 纳米科技只是材料科技的一个组成部分,我国是世界上的材料生产与消费大国.钢,水泥,建筑陶瓷,玻璃等产量稳居第一,有色金属, 高分子材料等居世界前列,绝大部分材料可立足国内.材料的发展基本上满足了我国经济,科技和国防建设的需求.,但我国还不是材料强国.能耗大;污染严重;资源消耗大;部分先进材料还要依赖进口:大规格铝合金,高强碳纤维,超大规模集成电路芯片,特种合金钢;品种,规格少;仿制多,自主研发少;,各种材料的分析、表征方法与手段有着显著的共性,1.1 材料近代研究方法的特征,材料研究

4、和表征的传统方法： 宏观研究（mm）-微观研究（m） 力学性能： 强度屈服强度、抗拉强度、抗压强度、弯曲与扭转强度、疲劳寿命、硬度、弹性模量、磨损抗力、高温持久强度、蠕变极限 塑性应变、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性、应力腐蚀断裂韧性,1.1 材料近代研究方法的特征,材料研究和表征的传统方法：材料结构与化学组成XRD、化学分析、仪器分析材料热学性能热分析、膨胀分析材料电学与磁学性能电阻测量、热电势分析、磁性测量材料光学性能光学测量、折光率、光发射行为、光谱分析材料其它物理性能内耗分析、同位素分析、超声波探测、 声发射、红外探测、流变性能测量主要特征：宏观区域，平均成分，综合性能，一般精确度,1

5、.1 材料近代研究方法的特征,（1）近代方法： 外在的性能测试 探索决定材料性能的深入的物理,化学,结构本质,1.1 材料近代研究方法的特征,（2）近代方法：微观（ m）亚微观（nm）原子原子核 A.人们对材料组成、结构、性质的认识进入更深层次 B.研究材料中某一微小的区域： 微区：微米至纳米尺寸区域的结构、原子排列、化学组成、性质 薄膜：厚度几m到几A，单原子层 表面与界面：几个原子层到单原子层 C.分辨率、精确度更高 穆斯堡尔谱：E的变化10-9 eV，1 eV=1.6x10-19 J,1.1 材料近代研究方法的特征,（3）综合应用了当代科技的最新手段 超高真空技术，电子隧道发射，穆斯堡尔

6、效应，超导，超高精度定位与形变测量，核磁共振效应 科学发现转化为应用技术的速度不断加快 1982年提出扫描隧道显微镜原理，1984年实现商品化,1.2 材料科学对研究方法和技术的需求,（1）材料组成原子的种类、成分、偏聚状态-元素分析（2）原子之间的结合方式：原子基团、化学键类型、键角、强度（3）原子的排列与结构：原子结构、分子结构、原子运动、缺陷（4）材料内部的电子状态：电子密度、分布、氧化态、价态、电子能级（5）材料表面微观形貌、缺陷种类与分布：位错、吸附分子与原子、台阶、色心、界面（6）原子核与核外电子的相互作用：力场、电场、磁场的分布与作用（7）表面吸附层的结构、成分、结合强度、性质（

7、8）薄膜、表面、界面与微区内的上述内容薄膜与微区分析,1.2 材料科学对研究方法和技术的需求,（9）高灵敏度、高分辨率、高定量精度（10）不影响材料的组成与结构非破坏分析（11）适用于各种样品非导体、粗糙表面、无须特殊处理（12）原位分析空气、水、溶液及其他介质（13）高低温，应力加载，断裂不存在能够满足上述所有要求的方法,1.3 材料近代研究方法的分类,按分析内容和目的分类：（1）材料微观形态分析技术 光学显微镜，扫描电镜SEM，透射电镜TEM，高分辨率透射电镜HRTEM， 扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，场离子显微镜FIM， 观察材料表面与内部形态、组织结构、晶体缺陷、夹杂物 原

8、子组态与原子排列、分子组态,1.3 材料近代研究方法的分类,（2）原子组成与原子状态分析技术 电子探针EPMA，俄歇电子能谱AES，X射线光电子能谱XPS，紫外光电子能谱UPS，二次离子质谱SIMS，离子散射谱ISS 卢瑟福背散射RBS，原子探针AP 材料组成元素与分布，偏析，价态，电子状态，化学键强度,1.3 材料近代研究方法的分类,（3）结构分析技术 X射线衍射XRD，电子衍射TED，低能电子衍射LEED，反射式高能电子衍射RHEED， 中子衍射ND，近吸收边X射线精细结构分析NEXAFS 晶体与非晶体结构，原子与分子排列,1.3 材料近代研究方法的分类,（4）分子结构、表面与薄膜特征分析

9、技术 红外光谱IRS，表面增强拉曼光谱SERS， 电子能量损失谱EELS，椭圆偏振光分析 表面原子结构与排列，分子结构，吸附结构，薄膜性质,1.3 材料近代研究方法的分类,（5）超精细物理化学结构分析技术 穆斯堡尔谱MS，核磁共振NMR， 正电子湮没分析PAT，核反应分析NRA 核物理效应电子结构、电子密度、超精细力场、 电场、磁场，空位型缺陷,本课程的主要内容：,扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，场离子显微镜FIM，俄歇电子能谱AES，X射线光电子能谱XPS，紫外光电子能谱UPS，二次离子质谱SIMS，离子散射谱ISS ，原子探针AP低能电子衍射LEED，反射式高能电子衍射RHEED

10、电子能量损失谱EELS,参考教材：,1.材料的特征检测，利弗森等，科学出版社，19982.现代分析技术，清华大学出版社，19953.电子能谱学，周清，南开大学出版社，19954.Surface Analysis, J.C.Vickerman, J.Wiley and Sons, 19975.原子物理学,2.原子物理学基础,2.1 原子能级2.1.1 原子核 Z个质子 原子核 原子质量数A=Z+N原子序数Z的原子 N个中子 Z个电子同位素原子核的质子数相等而中子数不等 Z值相同而A值不同的一组核素稳定同位素，不稳定同位素（放射性同位素） （He核），（电子），（光子）,2.1.2 原子能级完整地

11、描述一个电子的运动状态需要4个参数：（1）主量子数n，允许值1，2，3，n 每个能级最多电子数2n2 意义：电子轨道（2）角量子数（副量子数）l：0，1，2，3.（n-1） s，p，d，f， 意义：轨道角动量（电子云几何形状）,(3)磁量子数m：-l，0，+l，最大值（2l+1） 意义：轨道角动量的空间取向 （电子云的空间取向）无外磁场时各种取向的能量相同，有外磁场时由于磁相互作用，不同取向能量不同（4）自旋量子数s：+1/2，-1/2， 意义：电子自旋的两种方向无外加磁场时，电子能量主要决定于n和l有外磁场时，4个量子数共同起作用,核外电子的排布遵从三项规则：泡利不相容原理同一个原子中，不可

12、能有两个运 动状态完全相同的电子存在能量最低原理电子依次进入能量从低到高的轨道状态洪特规则在角量子数相同的轨道上，电子排布时尽可能自旋平行地进入轨道,2.1.3 不确定关系,经典力学中，可以用质点的位置和速度（动量）描述其运动状态，并建立其运动“轨道”微观粒子具有波动性，其位置与动量之间存在相互依存和制约的关系，两个量不可能同时被精确测定，任何一个量的测量精度与另一个量的精度有关。,2.1.3 不确定关系,量子力学可证明：,时间和能量之间存在类似关系：,2.1.4 波函数及其统计解释,实物粒子例如电子也具有波动性，或：微观离子具有波粒二象性。电子波的强度与空间某点处出现电子的几率成正比。量子力

13、学规定，用波函数的平方代表在时刻t，在r处单位体积内出现粒子的几率。,2.1.4 波函数及其统计解释,设在某r处取一个微小体积元dv，在该体积元中各点出现粒子的几率相同，则在该体积元中找到粒子的几率dw为,故为在时刻t，在r附近单位体积内找到粒子的几率，称几率密度。,2.1.4 波函数及其统计解释,对波函数的限制条件：单值、连续、有限、归一归一即,知道了粒子的波函数也就知道了其运动状态。在不同的环境（力场）中，波函数的形式不同，粒子的运动状态也不同。力场一般用势函数V（r，t）的形式给出。,2.1.4 波函数及其统计解释,量子力学的中心任务之一，就是： 找到处于不同力场中的粒子的波函数形式。薛

14、定谔提出的微分方程是波函数应满足的方程，已得到实验证实：,其中 为拉普拉斯算符。这是一个二阶偏微分方程，一般需要将其转变为常微分方程，并采用试探法才能得到解。,2.1.4 波函数及其统计解释,V（r，t）为粒子所处的力场，假如力场不随时间而变，即V（r，t）=V（r），则方程的解（r，t）可以写成时间和空间两部分的乘积,：,代入薛定谔方程，并两边除以（r）f（t），得,等式左边只是t的函数，右边只是r的函数，而t和r是两个相互独立的变量，只有当式两边都等于同一个常数时，此等式才可能满足。,2.1.4 波函数及其统计解释,设E为此常量，则左、右两边各等于： （1） （2）由（1）式可解出 f（t

15、）是一个平面正弦波函数。,2.1.4 波函数及其统计解释,而（2）式就是定态薛定谔方程：,将此结果代回前述 式中，就得到薛定谔方程的一个特解：,将V（r）的具体形式代入上式，可以解得E的各种可能值，也就是体系在各个定态时的能量。,2.1.4 波函数及其统计解释,应用举例：氢原子的电子能级氢原子由一个质子和一个电子构成，电子在质子的库仑场中运动，体系的势函数为：,质子位于坐标原点r=0处，当r为无穷大时势函数为零，V（r）与时间t无关，可用定态薛定谔方程求解，代入：,这是一个二阶常微分方程，采用球坐标系，适当简化后可求解。,2.1.4 波函数及其统计解释,求解过程中得到下述结果：（1）能量量子化

16、当E0时（对应着电子被电离），则E取任何值方程都有意义。,2.1.4 波函数及其统计解释,（2）角动量量子化和空间量子化为使波函数不发散，解方程时引入的参量必须取某些特定值： =l（l+1）l必须是小于n的正整数，对确定的n值，l可取L=0，1，2，3,（n-1）同时可以证明，电子的角动量值为：,即电子的角动量取值也是量子化的，l即角量子数。,2.1.4 波函数及其统计解释,（2）角动量量子化和空间量子化此外，解方程时引入的另一参量ml也必须满足：ml=0，1，2,L进一步研究得出， ml就是决定角动量矢量Pl在空间取向的磁量子数，即有,上式表明，角动量在空间某方向上的投影值也是量子化的。一个确定的l值，只有（2l+1）个可能的ml值，代表电子自旋角动量（轨道平面）在空间只能有（2l+1）个可能取向。,2.1.4 波函数及其统计解释,结论：根据薛定谔方程，从电子波函数出发计算得到的电子稳定状态（能级）的结果与玻尔的原子行星模型基本结果一致；某些不一致的地方，实验证明量子力学的结果更精确；可以使用“轨道”这一概念来形容电子运动状态，但它不表示确定的电子运动轨道状态，而只应理解为电子波的一种量子态，不同的量子态对应着体系的不同能量状态。,