研究生规划教材·材料表面现代分析方法
研究生规划教材·材料表面现代分析方法首先在绪论部分介绍了材料表面及其特性以及材料表面分析的主要内容，然后在其他章节介绍了电子与固体样品的相互作用、电子光学基础和研究材料表面常用的现代分析方法，包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、二次离子质谱、场离子显微镜与原子探针、扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、掠入射X射线衍射等。对这些表面分析方法的基本原理、仪器结构、技术特点和应用范围等精华进行了较为系统的论述。该书不仅可作为材料科学与工程专业研究生教材，以及该专业本科生教学参考书，而且对直接从事表面科学的研究人员、分析测试人员和涉及表面现象的工程技术人员均有较大的参考价值。[1]
目录
序言
材料是人类历史和发展的标志，其研发和应用水平是一个国家科技进步和综合国力的重要体现。人们把材料、信息和能源誉为当代文明的三大支柱，材料科学、信息科学和生命科学是当代新技术革命中的三大前沿科学。可见,材料科学是当代高新技术的重要组成部分，而材料表面在材料科学中占有重要地位，随着材料科学的迅速发展，材料表面的研究也越来越受到重视。材料表面与其内部本体，无论是在结构上还是在化学组成上都有明显的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的，而处在材料表面的原子受到的力场是不平衡的。因此，材料表面的结构、形貌、成分等因素直接影响材料的整体性能，对材料腐蚀、摩擦、磨损、粘接、吸附、解吸、催化作用等问题都具有重要意义。表面科学对工业、农业、生物、医学、环境保护等国民经济的各个领域都有重要作用，得到了蓬勃的发展。 表面分析方法是研究这些表面问题的重要手段。例如，金属材料由于氧化每年造成的损失是相当可观的，而金属的氧化腐蚀与其表面的成分和结构密切相关，所以腐蚀问题的研究离不开表面分析技术；金属材料的脆性断裂往往会使构件突然破坏造成严重事故，这种脆性断裂常常与晶界的成分、结构有关，而晶界实质上就是固相之间的界面，也要用表面分析技术加以研究；在半导体集成电路方面，通过对表面的分析不仅可以为提高器件的性能指明方向，而且还可以作为生产过程中质量控制的手段；在化工中使用催化剂可以加速反应的进行，提高产物的回收率，通过表面分析可以了解催化机理、分析催化剂失效的原因、寻找新的有效催化剂。 总之，要深入研究材料表面的形貌、成分和结构等物理、化学性质，促进表面科学的发展，就必须有能够满足要求的材料表面分析方法。随着科学技术的发展，特别是超高真空技术、电子技术和计算机应用的发展，出现了一些新型的表面分析仪器和分析方法，能够分析材料表面几个原子层乃至单个原子层的成分和结构，能够观察到材料表面原子的排列状态，从而使表面的研究工作取得了巨大的进展，逐渐形成了一门新兴的学科——表面科学。 表面科学的发展和许多相关工程问题的解决要以精确的分析试验为依据，而对材料表面的分析研究要通过必要的材料表面分析方法来完成。因此，各国对材料科学与工程专业的研究生和本科生的教育正在逐步加强这方面知识和技能的培养，但是目前中国尚缺乏材料表面分析方面的教材。本书首先在绪论部分介绍了材料表面及其特性以及材料表面分析的主要内容，然后在其他章节介绍了电子与固体样品的相互作用、电子光学基础和研究材料表面常用的现代分析方法，包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、二次离子质谱、场离子显微镜与原子探针、扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、掠入射X射线衍射等。对这些表面分析方法的基本原理、仪器结构、技术特点和应用范围等精华进行了较为系统的论述。该书不仅可作为材料科学与工程专业研究生教材，以及该专业本科生教学参考书，而且对直接从事表面科学的研究人员、分析测试人员和涉及表面现象的工程技术人员均有较大的参考价值。
内容简介
《材料表面现代分析方法》：研究生规划教材
图书目录
第1章 绪论1 1.1 表面科学及其发展1 1.2 表面科学的应用2 1.3 表面的种类4 1.4 表面的特性5 1.5 表面分析的内容6 1.6 表面分析的基本原理及仪器基本组成7 1.7 表面分析的发展9 1.8 表面分析的应用领域10 第2章 电子与固体样品的相互作用12 2.1 电子与固体样品的相互作用区域12 2.2 固体原子对入射电子的散射作用13 2.3 入射电子与样品相互作用产生的信号16 2.3.1 背散射电子16 2.3.2 二次电子17 2.3.3 吸收电子19 2.3.4 透射电子19 2.3.5 特征X射线20 2.3.6 俄歇电子21 2.3.7 阴极荧光与电子感生电导21 2.4 由电子与材料相互作用产生的分析方法22 第3章 电子光学基础23 3.1 光学显微镜的分辨率23 3.2 电子波的波长25 3.3 电子透镜26 3.3.1 静电透镜26 3.3.2 电磁透镜26 3.4 电磁透镜的像差及分辨率29 3.4.1 球差30 3.4.2 像散30 3.4.3 色差31 3.4.4 分辨率31 3.5 电磁透镜的景深和焦长32 3.5.1 景深32 3.5.2 焦长33 第4章 透射电子显微镜35 4.1 透射电镜的工作原理和结构35 4.1.1 工作原理35 4.1.2 照明系统36 4.1.3 成像系统38 4.1.4 观察与记录系统41 4.1.5 真空系统41 4.1.6 供电控制系统41 4.2 选区电子衍射41 4.2.1 电子衍射原理41 4.2.2 电子衍射特点45 4.2.3 选区电子衍射操作46 4.2.4 电子衍射谱的基本特征与指数标定47 4.3 电子显微图像56 4.3.1 成像操作56 4.3.2 像衬度57 4.4 试样制备62 4.4.1 薄膜法62 4.4.2 复型法64 4.4.3 粉末样品制备64 4.4.4 薄膜材料样品的制备64 4.5 透射电镜在表面分析中的应用65 4.5.1 薄膜的平面分析65 4.5.2 薄膜的横截面分析66 第5章 扫描电子显微镜71 5.1 扫描电镜的结构和工作原理71 5.1.1 扫描电镜的结构71 5.1.2 扫描电镜的工作原理75 5.2 扫描电镜的特点75 5.3 扫描电镜的几种电子图像分析77 5.3.1 二次电子像的衬度77 5.3.2 背散射电子像的衬度79 5.3.3 吸收电子像81 5.4 扫描电镜样品的制备82 5.5 扫描电镜在表面分析中的应用83 5.5.1 材料表面组织形态的观察研究83 5.5.2 断口形貌的观察研究84 5.5.3 显示微区成分差别和鉴别物相87 5.5.4 纳米结构材料形态的观察研究87 第6章 电子探针89 6.1 电子探针的工作原理与结构89 6.2 波谱仪的工作原理及结构90 6.2.1 工作原理90 6.2.2 分光系统91 6.2.3 检测系统93 6.2.4 波谱仪的特点94 6.3 能谱仪的工作原理与结构95 6.3.1 工作原理95 6.3.2 X射线探测器95 6.3.3 多道脉冲高度分析器96 6.3.4 能谱仪的特点96 6.3.5 WDS与EDS工作特性比较97 6.4 电子探针的分析方法及应用98 6.4.1 定点分析98 6.4.2 线扫描分析100 6.4.3 面扫描分析101 第7章 X射线光电子能谱105 7.1 X射线光电子能谱仪的基本原理105 7.2 X射线光电子能谱仪的结构107 7.2.1 超高真空系统108 7.2.2 快速进样室及样品分析室108 7.2.3 离子源108 7.2.4 X射线激发源109 7.2.5 能量分析器109 7.2.6 探测器110 7.2.7 计算机系统110 7.3 样品的制备110 7.4 X射线光电子能谱分析的特点111 7.5 X射线光电子能谱分析的应用112 7.5.1 元素及其化学状态的定性分析112 7.5.2 定量分析120 7.5.3 元素沿深度方向分布的分析121 7.5.4 成像技术面分析123 第8章 俄歇电子能谱124 8.1 俄歇电子能谱的基本原理124 8.1.1 俄歇电子的产生124 8.1.2 俄歇电子的能量125 8.1.3 俄歇跃迁概率126 8.1.4 平均自由程与平均逃逸深度126 8.1.5 俄歇电子能谱127 8.2 俄歇电子能谱仪128 8.3 分析样品的制备129 8.4 俄歇电子能谱法的特点131 8.5 俄歇电子能谱分析的应用131 8.5.1 表面元素定性鉴定132 8.5.2 表面元素的半定量分析133 8.5.3 表面元素的化学价态分析135 8.5.4 元素沿深度方向分布的分析135 8.5.5 微区分析136 第9章 二次离子质谱140 9.1 仪器构成与基本原理140 9.2 入射离子与样品的相互作用141 9.2.1 溅射产额141 9.2.2 二次离子产额142 9.3 一次离子源143 9.4 质量分析器145 9.5 离子检测器148 9.6 真空系统149 9.7 二次离子质谱仪150 9.7.1 二次离子质谱仪分类150 9.7.2 离子探针151 9.7.3 飞行时间质谱仪152 9.7.4 质谱图的形式153 9.8 二次离子质谱仪的主要性能154 9.9 二次离子质谱仪的主要特点155 9.10 二次离子质谱的应用156 9.10.1 微量元素分析156 9.10.2 表面成分点分析157 9.10.3 元素面分布分析158 9.10.4 深度方向成分分析158 9.10.5 三维成分分析159 9.10.6 同位素分析160 第10章 场离子显微镜与原子探针161 10.1 场离子显微镜161 10.1.1 场离子显微镜的结构和原理161 10.1.2 场离子显微镜的应用164 10.2 原子探针167 10.2.1 原子探针的结构和原理167 10.2.2 三维原子探针169 10.2.3 原子探针的应用169 10.3 样品的制备177 10.3.1 由丝状材料制备样品的方法177 10.3.2 由薄膜材料制备样品的方法178 第11章 扫描隧道电子显微镜182 11.1 扫描隧道电镜的结构及工作原理182 11.1.1 隧道电流182 11.1.2 基本结构及工作原理182 11.1.3 工作模式184 11.2 扫描隧道电镜的特点185 11.3 扫描隧道电镜的应用186 11.3.1 材料表面结构特征研究186 11.3.2 材料表面结构相变研究186 11.3.3 液固界面的电化学研究187 11.3.4 表面吸附研究187 11.3.5 表面化学研究188 11.3.6 表面原子分子加工操纵及纳米结构构筑188 第12章 原子力显微镜190 12.1 原子力显微镜的结构及工作原理190 12.2 原子力显微镜的成像模式192 12.2.1 接触模式193 12.2.2 非接触模式193 12.2.3 轻敲模式193 12.3 原子力显微镜的特点194 12.4 原子力显微镜的应用194 12.4.1 薄膜材料的研究194 12.4.2 材料失效机理的研究195 12.4.3 纳米摩擦学的研究197 12.4.4 现场电化学研究202 12.4.5 生物医学研究203 12.4.6 高聚物表面研究204 12.4.7 测量针尖样品间的相互作用力曲线206 12.4.8 测量薄膜材料和纳米结构机械性能209 12.4.9 纳米结构加工211 12.4.10 研究金属和半导体表面212 第13章 掠入射X射线衍射分析213 13.1 掠入射X射线衍射基本原理213 13.2 掠入射X射线衍射几何214 13.3 掠入射X射线衍射的应用215 13.3.1 薄膜的相分析215 13.3.2 表面层或薄膜的结构分析216 13.3.3 表面层或薄膜的应力分析219 13.3.4 薄膜厚度的测定220