【收藏】常用表征方法（二）
6、傅里叶一红外光谱仪
全名为Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。
光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。
傅里叶红外光谱仪不同于色散型红外分光的原理，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。
傅里叶一红外光谱仪可检验金属离子与非金属离子成键、金属离子的配位等化
学环境情况及变化。
国产主流厂家：
天津港东生产的FTIR-650 傅里叶变换红外光谱仪、FTIR-850 傅里叶变换红外光谱仪；
北京瑞利生产的WQF-510 傅里叶变换红外光谱仪、WQF-520 傅里叶变换红外光谱仪。
进口品牌厂家：
日本SHIMADZU 生产的IRAffinity-1,IRAffinity-21 傅里叶变换红外光谱仪；
美国Thermo Fisher 生产的Nicolet 6700、IS10、IS5 傅里叶变换红外光谱仪；
德国Bruker Optics 生产的Tensor 27、Tensor 37 傅立叶变换红外光谱仪。
7、拉曼光谱
拉曼光谱是分子的非弹性光散射现象所产生，非弹性光散射现象是指光子与物质分析发生相互碰撞后，在光子运动方向发生改变的同时还发生能量的交换(非弹性碰撞)。拉曼光谱产生的条件是某一简谐振动对应于分子的感生极化率变化不为零时，拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，不同物质有不同的振动和转动能级，同时产生不同拉曼频移‘拉曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点。
拉曼光谱是一种研究物质结构的重要方法，特别是对于研究低维纳米材料，它
已经成为首选方法之一。
实际做出的谱图：丙酮的拉曼光谱图
拉曼信号的选择：入射激光的功率，样品池厚度和光学系统的参数也对拉曼信号强度有很大的影响，故多选用能产生较强拉曼信号并且其拉曼峰不与待测拉曼峰重叠的基质或外加物质的分子作内标加以校正。其内标的选择原则和定量分析方法与其他光谱分析方法基本相同。
斯托克斯线能量减少，波长变长
反斯托克斯线能量增加，波长变短
利用拉曼光谱可以对材料进行分子结构分析、理化特性分析和定性鉴定等，可揭示材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面信息。
8、N2吸附脱附等温线（BET）分析和孔径分析
N2吸附平衡等温线是以恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标，以压
力为横坐标的曲线。通常用相对压力P/P0表示压力;P为气体的真实压力P0为气
体在测量温度下的饱和蒸汽压。吸附平衡等温线分为吸附和脱附两部分。平衡等
温线的形状与材料的孔组织结构有着密切的关系。
我们惯用的是IUPAC的吸附等温线6种分类，类型I表示在微孔吸附剂上的吸附情况;类型II表示在大孔吸附剂上的吸附情况，此处吸附质与吸附剂间存在较强的相互作用;类型III表示为在大孔吸附剂上的吸附情况，但此处吸附质分子与吸附剂表面存在较弱的相互作用，吸附质分子之间相互作用对吸附等温线有较大影响;类型W是有毛细凝结的单层吸附情况;类型V是有毛细凝结的多层吸附情况;类型VI是表面均匀非多孔吸附剂上的多层吸附情况。毛细凝结现象，又称吸附的滞留回环，亦称作吸附的滞后现象。吸附等温曲线与脱附等温曲线的互不重合构成了滞留回环。这种现象多发生在介孔结构的吸附剂当中。
IUPAC将吸附等温线滞留回环的现象分为4种情况。
第一种H1情况，滞留回环比较窄，吸附与脱附曲线几乎是竖直方向且近乎平行。这种情况多出现在通过成团或压缩方式形成的多孔材料中，这种材料有着较窄的
孔径分布;
第二种H2情况，滞留回环比较宽大，脱附曲线远比吸附曲线陡。这种情况多出现在具有较多样的孔型和较宽的孔径分布的多孔材料当中;
第三种H3情况，滞留回环的吸附分支曲线在较高相对压力作用下也不表现极限吸附量，吸附量随着压力的增加而单调递增，这种情况多出现在具有狭长裂口型孔状结构的片状材料当中;第四种H4情况，滞留回环也比较狭窄，吸附脱附曲线也近乎平行，但与H1不同的是两分支曲线几乎是水平的。
9、X射线光电子能谱（XPS）
X射线光电子能谱简称XPS或ESCA，就是用X射线照射样品表面，使其原子或分子的电子受激而发射出来，测量这些光电子的能量分布，从而获得所需的信息。随着微电子技术的发展，XPS也在不断完善，目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。通过对样品进行全扫描，在一次测定中即可检测出全部或大部分元素。因此，XPS已发展成为具有表面元素分析、化学态和能带结构分析以及微区化学态成像分析等功能强大的表面分析仪器。
X射线光电子能谱仪
X射线光电子能谱的理论依据就是爱因斯坦的光电子发散公式。根据Einstein的能量关系式有:
by=Eb+Ek
式中，入射光子能量by是已知的，借助光电子能谱仪可以测出光电过程中被入射光子所激发出的光电子能量Ek，从而可求出内层电子的轨道结合能Eb。由于各种原子都有一定结构，所以知道Eb值后，即能够对样品进行元素分析鉴定。
XPS作为研究材料表面和界面电子及原子结构的最重要手段之一，原则上可以测定元素周期表上除氢、氦以外的所有元素。
其主要功能及应用有三方面:第一，可提供物质表面几个原子层的元素定性、定量信息和化学状态信息;第二，可对非均相覆盖层进行深度分布分析，了解元素随深度分布的情况;第三，可对元素及其化学态进行成像，给出不同化学态的不同元素在表面的分布图像等。
10、扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜（scanning electron microscope），简称SEM，是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器．它可以进行如下基本分析：
（1）三维形貌的观察和分析；
（2）在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。
① 观察纳米材料，所谓纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内，在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。
②材料断口的分析：扫描电子显微镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电子显微镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。
③直接观察大试样的原始表面，它能够直接观察直径100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦
④观察厚试样，其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。
⑤观察试样的各个区域的细节。试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电子显微镜中则不同。试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。
扫描电镜仪器外观
扫描电镜下的静电纺丝
11、材料表征的信号来源
当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、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。
（1）背散射电子（back scattered electron）
当电子束照射样品时，入射电子在样品内遭到衍射时，会改变方向，甚至损失一部分能量（在非弹性散射的情况下）。在这种弹性和非弹性散射的过程中，有些入射电子累积散射角超过90度，并将重新从样品表面逸出。
那么背散射电子就是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是： 能量很高，有相当部分接近入射电子能量 E 0 ，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。 背散射电子发射系数 η =I B /I 0 随原子序数增大而增大。 作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大。
（2）二次电子（second electron）
在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子。这是一种真空中的自由电子。由于原子核和外层价电子的结合力能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多的自由电子，这些自由电子中90%是来自样品原子外层的价电子。
二次电子一般都是在表层5~10nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效的显示样品的表面形貌。但二次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。
二次电子与背散射电子的区别
背散射电子是被样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，包括弹性散射和非弹性散，弹性散射的电子远比非弹性散射的数量多。弹性散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围,由于它的产额随样品原子序数增大而增多,所以不仅可以用来分析形貌，还可以用来分析成分。
二次电子在入射电子束的作用下，被轰击出来并离开样品表面的原子核外电子。它的能量比较小，一般只有在表层5-10纳米的深度范围才能发射出来，所以它对样品的表面十分敏感，能有效的显示样品表面形貌，但二次电子的产额与原子序数无关，就不能用于成分分析。
二次电子象要腐蚀，背散射就不用，主要是看原子序数差别是不是比较大。
（3）俄歇电子（Auger electron）
俄歇电子 是由于原子中的电子被激发而产生的 次级电子。当原子内壳层的电子被激发形成一个空洞时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空洞并释放出能量；虽然能量有时以光子的形式被释放出来；这种能量可以被转移到另一个电子，导致其从原子激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为 俄歇效应，以发现此过程的法国物理学家P.V.俄歇命名。
原子内层电子被激发电离形成空位，较高能级电子跃迁至该空位，多余能量使原子外层电子激发发射，形成无辐射跃迁，被激发的电子即为俄歇电子。它一般源于样品表面以下几个nm，多用于表面化学成分分析，原子最少要含三个以上电子才能产生俄歇电子。
（4）特征X射线
特征x射线：当原子内层电子打到外层或者使原子电离，外层电子落到内层发生跃迁，使原子多余能量作为x射线发射出来的叫做特征x射线。
原创文章，转载请注明出处（图片来源：搜狗百科）
今日编辑：九雅
戳原文链接阅读：常用表征方法（一）