凝聚态物质性能测试与数据分析

随着科学技术的发展，凝聚态物质（材料），尤其是先进半导体功能材料的各种性能测试与分析在如下几个方面起关键作用：了解材料性能与相应的机制，改进材料性能，设计材料新性能以满足工业发展需要等。

目前有关材料性能测试技术的书籍大都是详细讲解测试设备的结构与测试原理，但没有深入介绍如何从测试数据中得到关于材料的有用信息，也没有介绍如何通过测试设计来印证对某些机制的猜测等。另外，近年来随着材料的迅猛发展，需要测试材料的很多新性能。故需要介绍现有仪器开发的新应用以及新仪器。本书尝试以通俗易懂的方式介绍测试原理和影响材料性能的相关因素；并以前沿热点材料的相关性能测试数据作为研究对象，利用实例阐述如何通过传统和新兴测试技术得到材料的相关信息，引导读者通过分析测试实例，学会设计测试实验来验证对材料相关性能机制的猜测。书中数据分析例子需要很多知识的综合，包括专业基础知识和前沿专业知识。在此过程中，读者能够温习已学知识，查找资料学习新知识，从而培养综合运用已学专业知识的能力。

本书内容涵盖当前热点研究领域涉及的绝大多数性能测试，包括材料微结构、成分、相结构、微观化学环境及变化、能带结构、晶格振动、宏观输运性能、载流子寿命、氧缺位等相关性能与相关物理量的测试。

本书的特色有如下几点：

（1）本书内容是针对培养读者分析数据和设计测试实验的综合能力而设计的，包括专业基础知识和前沿专业知识、知识的综合运用能力、各种测试技术的比较和取舍能力。

（2）本书兼具工具书的功能。本书在介绍数据分析方法时，给出了数据分析需要的相关资料或者其相关资料索引，比如红外图谱库等。同时本书将同一类的测试安排在一起，便于读者根据自己的需求和各种同类测试的优缺点选择合适的测试技术。

（3）书中的数据实例具有新颖性，包含新材料、新应用，或者新的测试实验设计等。

本书适合作为高等院校本科生和研究生的教材，也可供相关专业技术人员和科研人员参阅。书中还为读者提供了相关测试技术需要的数据处理软件名称。

由于编著者的水平有限以及研究领域的局限，书中不足之处在所难免，更希望读者能提出宝贵意见。

在本书的编写过程中，何琴玉教授负责了第1 章（除1.1.4、1.3 节外）、第2 章（除2.1.3、2.1.4 外）、第3 章、第4 章、第5 章、第8 章的编著以及本书的统稿和核校；叶飞教授完成了1.1.4、2.1.3、2.1.4 节的编写；曾敏教授完成了第7 章的编著工作；侯志鹏副教授完成了第6 章的编著工作；陈福明研究员完成了1.3 节的编写；王韶峰博士完成了热重内容的初稿，高进伟老师撰写了扫描电镜部分内容的初稿；章建高老师撰写了一节内容的初稿；何琴玉教授的研究生何俊峰、矫达一、胡舒停、伦永坤、刘绍莹、梁煜珩、翟旺健、刘彬和范智利撰写了部分节的初稿。另外，广东省材料科学与工程教学指导委员会、华南师范大学物理与电信工程学院、化学工业出版社对本书的编著与出版给予了大力支持。

感谢以上老师、机构和学生的辛勤付出和支持！

编著者

《凝聚态物质性能测试与数据分析》以通俗易懂的方式系统阐述了凝聚态物质性能测试原理和材料性能影响因素，重点以前沿热点材料的相关性能测试数据作为研究对象，通过实例讲述如何借助传统和新兴测试技术得到材料的相关信息，以及如何通过设计实验来验证材料的性能机制。本书几乎涉及材料性能测试的所有方面，包括材料微结构、成分、相结构、微观化学环境、化学变化时的动态监测、晶格振动、宏观输运性能、载流子寿命、氧缺位等，培养读者分析数据和设计实验的能力。本书可以作为高等院校凝聚态物理、材料物理等相关专业本科生（部分内容）、研究生的教材，也可供相关领域研究人员参阅。

第1章 材料结构测试与数据分析 1

1.1 电子显微镜技术 1

1.1.1 电子显微镜技术简介1

1.1.2 电子显微镜技术的测试原理1

1.1.3 扫描电子显微镜 3

1.1.4 透射电子显微镜 12

1.1.5 高分辨扫描透射电子显微镜 19

1.2 扫描探针显微镜技术26

1.2.1 扫描隧道显微镜28

1.2.2 原子力显微镜35

1.3 比表面积的测试与数据分析 41

1.3.1 比表面积的概念和相关影响因素 41

1.3.2 比表面积的测试原理与数据分析 41

习题53

参考文献54

第2章 材料的相结构与化学环境测试以及数据分析 58

2.1 相结构测试与数据分析59

2.1.1 相结构影响因素59

2.1.2 X 射线衍射59

2.1.3 选区电子衍射67

2.1.4 快速傅里叶变换76

2.2 材料的成分和含量测试及数据分析82

2.2.1 能量色散X 射线光谱仪83

2.2.2 电子能量损失谱87

2.2.3 能量散射谱95

2.3 综合化学态测试与数据分析98

2.3.1 X 射线光电子能谱 98

2.3.2 X 射线吸收谱 103

2.3.3 俄歇电子能谱 118

习题 124

参考文献 126

第3章 材料能带结构测试与数据分析 130

3.1 能带结构的影响因素及测试技术 130

3.1.1 能带结构及其影响因素 130

3.1.2 能带结构的常用测试技术 132

3.2 材料能带结构的测试与数据分析 132

3.2.1 紫外可见漫反射光谱 132

3.2.2 X 射线光电子价带谱 137

3.2.3 紫外光电子能谱 141

3.2.4 莫特-肖特基曲线 145

3.2.5 利用电负性和能隙计算能带位置 150

习题 151

参考文献 152

第4章 晶格振动与相关输运性能测试以及数据分析 154

4.1 晶格振动影响因素及相关输运性能测试 154

4.2 晶格振动测试与数据分析[1-3] 155

4.2.1 红外光谱 155

4.2.2 拉曼光谱 165

4.3 材料输运性能测试与数据分析 170

4.3.1 影响热导率与电导率的因素 170

4.3.2 电导率 172

4.3.3 热导率 177

4.4 材料中载流子寿命测试与数据分析 184

4.4.1 载流子寿命的影响因素 184

4.4.2 瞬态吸收光谱 185

4.4.3 光电导衰减法 192

4.4.4 时间分辨光致发光谱 202

习题 206

参考文献 210

第5章 材料中氧缺位与非配位氧的测试以及数据分析 213

5.1 氧缺位的定义和形成 213

5.2 氧缺位的检测 214

5.2.1 X 射线光电子能谱 214

5.2.2 X 射线吸收谱 216

5.2.3 电子顺磁谱 219

5.2.4 拉曼谱 220

5.2.5 正电子湮没寿命谱 222

5.2.6 XRD 精修 225

5.3 表面吸附氧和体内富余氧测试与数据分析 235

5.3.1 O2-TDP 和H2-TPR 的测试原理 235

5.3.2 O2-TDP 和H2-TPR 测试数据分析 235

习题 237

参考文献 238

第6章 磁性能测试原理与数据分析 241

6.1 直流磁性测量原理与数据分析 241

6.1.1 冲击法 242

6.1.2 热磁仪 249

6.1.3 磁天平 255

6.1.4 振动样品磁强计 260

6.2 交流磁性测量原理与数据分析 279

6.2.1 伏安法 280

6.2.2 示波法 284

6.2.3 电桥法 290

习题 295

参考文献 295

第7章 电介质材料性能测试与数据分析 298

7.1 介电性能测试原理与数据分析 298

7.1.1 介电性能的影响因素与测试原理 299

7.1.2 介电常数测试数据分析 302

7.2 压电材料的压电参数测试原理与数据分析 308

7.2.1 压电参数的影响因素 309

7.2.2 压电参数测量方法和原理 311

7.2.3 压电常数测试数据分析 311

7.3 铁电材料性能测试原理与数据分析 315

7.3.1 铁电性能的影响因素 316

7.3.2 电滞回线测试方法和原理 317

7.3.3 电滞回线测试数据分析 320

7.4 热释电性能测试原理与数据分析 325

7.4.1 热释电性能的影响因素 325

7.4.2 热释电系数测量方法和原理 326

7.4.3 热释电性能测试数据分析 327

习题 330

参考文献 331

第8章 材料变化的热力学与动力学过程监测以及数据分析 333

8.1 热重分析原理与数据分析 334

8.1.1 热重分析原理 334

8.1.2 热重分析的影响因素 336

8.1.3 测试数据分析 338

8.2 差热分析原理与数据分析 341

8.2.1 差热分析原理 342

8.2.2 影响DTA 测试结果的外在因素 344

8.2.3 DTA 测试数据分析 346

8.3 差示扫描量热测试原理与数据分析 350

8.3.1 DSC 分析基本原理 350

8.3.2 DSC 测试数据分析 351

8.4 变温物理量获得材料相变信息 356

8.4.1 变温物理量获得材料相变信息原理 356

8.4.2 变温物理量获得材料相变信息数据分析 357

习题 360

参考文献 362

（1）本书内容将同一类的测试安排在一起，便于读者可以根据自己的需求和各种同类测试的优缺点对比选择合适自己的测试技术。（2）实例具有新颖性，包括新材料、新应用、新的测试实验设计。（3）实例丰富，让读者领会如何通过设计测试实验内容，将目前的测试技术拓展到未来的研究领域。