材料表征技术

什么是材料表征?

材料表征使研究人员能够确定材料的结构、这种结构与其宏观特性的关系,以及材料在技术应用中的表现。

关于 "材料表征 "的定义各有不同。有些人将 "材料表征 "用于指任何材料分析过程,包括体热分析和密度测试,而本博文则侧重于研究材料微观特性的材料表征技术。

这些材料表征技术大多可归类为显微镜技术或光谱技术。

显微镜技术

显微镜,即使用显微镜对材料和表面进行的研究,是材料表征和一般科学研究的最基本方法之一。显微镜使用各种不同的方法生成材料和表面的放大图像。

光学显微镜

从高中科学教室到最先进的实验室,光学显微镜随处可见,是世界上最知名的科学设备之一。光学显微镜使用透镜和反射镜,利用可见光产生放大图像。虽然光学显微镜在大量应用中都非常有用,但它受到光子波长和能量之间关系的根本限制,其最大放大能力约为 1000 倍。

光学显微镜有许多变体,其中有几种利用荧光来提高成像能力(如......)、 荧光, 聚焦双光子 显微镜)。

电子显微镜

电子显微镜有多种类型,其中最主要的是 扫描电子显微镜 (SEM), 透射电子显微镜(TEM)、 扫描隧道显微镜(STM).这些显微镜使用电子束而不是光束来进行材料表征。电子显微镜是世界上功能最强大的显微镜,能够以高达 50,000,000 倍的放大率成像。

其他显微技术

其他几种显微镜可用于材料表征,包括

  • 原子力显微镜 (AFM)
  • X 射线显微镜
  • 紫外(UV)显微镜

光谱技术

光谱技术多种多样,但都涉及测量材料对不同频率电磁辐射的响应。根据所用技术的不同,材料表征可能基于样品对入射能量的吸收、发射、阻抗或反射。

光谱学是一个非常广泛的领域,存在大量的技术。其中最流行的包括 X 射线光谱、紫外/可见光谱、 红外光谱学, 拉曼光谱、 核磁共振光谱(NMR)。

其他材料表征技术

许多用于材料表征的技术都不属于显微镜和光谱学的范畴。其中最著名的例子有

  • 衍射技术,如 X 射线衍射 通常用于确定晶体结构。
  • 纳米压痕通过这种方法,可以根据材料对被称为纳米压头的非常小而精确的机械探针的纳米级响应来进行材料表征。
  • 电学和磁学技术,包括 阻抗光谱。

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