王培亮 康瑶 李一鸣
[摘 要]材料分析技术是一种分析技术，针对材料间性质的不同，应用物理方法进行分析，从而判定出材料的种类。随着科学技术的发展，越来越多的材料分析仪涌现。针对种类繁多的材料分析技术，本文主要讲述现代材料分析技术的一般类型和分类，以及几种常用的材料分析技术的原理和应用。
[关键词]材料分析 原理 应用
中图分类号：S512 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）01-0351-01
1.背景
纵观人类的社会，是一个探索的过程，从开始的氢氦元素，一直到如今的100多种元素，包含人造元素；从开始单一的树叶蔽体，到如今花样繁多的各种材料制成的衣服，尼龙、丝绸、布料等等；从最开始被发掘的青铜、铁器到现在各种各样的合金。如此多的材料的出现，也给鉴别带了很大的难度。为了使鉴别变得准确、高效，所以开始出现了很多的材料分析仪。不管是什么样的分析仪，都是基于不同物质间的不同性质特点，通过物理方法进行分析，达到辨别物质种类的目的。
2.种类
现代材料分析技术的种类很多，大多有以下几种：多晶体分析方法、物相的定性与定量分析、晶体点阵参数的精确确定、透射电镜结构及其成像原理、电子衍射、图像衬度、衍射运动学分析、高分辨透射电子显微技术、扫描电镜结构与原理、电子探针显微分析、低能电子衍射。分析仪器有X射线衍射分析仪、俄歇电子能谱仪、场离子显微镜与原子探针、扫描隧道与原子力显微镜以及X射线光电子能谱仪等。
3.几种常用的分析技术
3.1 拉曼光谱分析仪
3.1.1原理
作为光谱仪，均是光子和分子之间的变化来判定物质种类。不同分子之间，在有光照射的情况下，能级会发生变化，或跃迁、或改变入射光强度。
拉曼光谱仪的原理主要是基于拉曼散射。如果频率为v0的单色光照射到某种样品，光便会在接触分子后发生散射。其中大部分光只是改变传播方向，从而发生散射，而穿过分子则发生瑞利散射；还有一种占总散射光强度很小的，约为10-6～10-10的散射光，其传播方向和频率均发生了改变，这部分散射光被称为拉曼散射。拉曼光谱仪便是测量这部分的反射。
在测量时，拉曼光谱仪是测量拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的（电子云发生变化）。拉曼位移只取决于分子振动能级的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，ΔE反映了指定能级的变化，因此与之对应的拉曼位移也是特征的[1]。因此拉曼光谱可以定性分析分子的结构。
拉曼谱线的频率随着入射光的频率的改变而改变，但是频率之差却是不变的。在激光的入射的垂直方向上，能收集的光通量为：
Φ=4πALKNsin2（α）Φl
Φl为照射到样品上的光通量，A为拉曼散射系数，约等于10-28～10-29mol/sr，N为单位体积内的分子数，L为样品有效体积，K为内场效应和折射率影响，α为透射角度[2]。
3.1.2应用
拉曼光谱分析仪能提供快速、简单、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需大量样品，样品可直接被光纤探头探测或者穿过玻璃、石英来测量。拉曼又具备以下优点：水分子对拉曼检测的影响较小；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；拉曼光谱谱峰突出，更适合定量研究、和运用误差分析进行定性研究；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；
由于拉曼光谱仪的性能优势明显，应用领域和作用如下：检测石油产品质量、定性分析石油产品组成或种类；用于食品成分的“证实”，以及有毒物的分析；化合物检测，药品质量检测成分鉴定、药物鉴别、疾病诊断；农牧产品的分类及鉴定；毒品检测；珠宝鉴定；水质污染监测、表面污染检测和其他有机污染物；光学器件和半导体元件研究；古物古玩鉴定、公安刑事鉴定等其他领域；现场探矿、矿石成分的定量定性分析和包裹体的研究。
3.2 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜是基于电子与物质的相互作用制成的。
3.2.1原理
扫描电镜利用很细的高能电子束进行扫描，得到各种物理信息。通过对这些信息进行处理，比如放大和显示成像，从而可以得到清楚的表面图像，进行观察。
当高能入射电子轰击扫描样品表面时，将会产生二次电子、特征x射线背散射电子、和连续谱X射线、俄歇电子、透射电子，并且将会伴随着红外和紫外区域的电磁辐射。电子-空穴对、声子振动、电子振荡等也会随之产生。
弹性背反射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。 背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度。背反射电子数目受原子序数影响，所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。（1）
二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。在表面5-10nm的区域有大量的二次电子，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，反射次数少，所以二次电子的分辨率较高。
特征X射线试原子的内层电子受到激发以后在跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。
3.2.2结构
扫描电子显微镜的电光源是直径为50mm左右的，经过静电聚焦后的电子束。
在230KV的加速电压下，经过多个电磁透镜所组成的光学系统，电子束会聚成孔径角较小的电子束，并在试样表面聚焦。产生的二次电子，背反射电子，X射线等信号将分别被不同的接收器接收，经放大后显示在荧光屏上。即电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。
真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。必须为真空状态的原因主要有以下几点：
电子束系统中的灯丝会迅速氧化，所以平时还需要用惰性氣体充满整个真空柱。另外，增大电子的平均自由程，能够得到更多符合要求的电子。
电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室仪器构成电子光学系统。其作用是用来获得扫描电子束，用来激发信号。电子枪其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。电磁透镜其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50m m的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。扫描线圈其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。[3]
4.总结
因为材料分析技术的多样性，我们不能随便判定哪种方法是最好、最精确、效率最高的。因为每种方法都有自己的适用范围，都有要求的条件，忽略这些而随便使用仪器不仅得不到准确的数据，有时还会出现更大的偏差，导致结论的错误。怎么样判定材料种类的不同？就是看两者的差别在哪，或者说区别在哪里。结合物理规律，将我们看不到的东西呈现在眼前，再通过转化过的这些图像，来帮助我们判断材料的种类。人类用已经证实的理论制造仪器，而仪器反过来帮助人类探索更多未知的事情。
参考文献：
[1] 百度百科.
[2] 马娜，《激光显微拉曼光谱仪的研究》，电子科技大学，2007年1月，3-4页.
[3] 卢姀，《电子枪设计的关键技术研究》，电子科技大学，2015年4月14日，5-8页.
[3] 卢姀，《电子枪设计的关键技术研究》，电子科技大学，2015年4月14日，5-8页.
