材料现代研究方法（展晓元）

能源、信息和材料是当代文明的三大支柱，而材料又是另外两者的基础。当今世界已进入21世纪知识经济时代，现代高技术的出现更有赖于新材料的发展，加速发展高技术、新材料及其产业化、商品化是在国际高技术激烈竞争中夺取制高点的重要途径。传统产业的技术进步和产业结构调整离不开新材料技术的推动，各工业领域所采用的材料结构和比例也将发生很大的变化，新型材料的研究开发将促进新兴材料产业的形成，以及推动新型机械、电子等产品的设计、制造和传统产品的更新换代。 
当前高技术新材料的发展趋势是：多种材料（扬长避短）的复合化，结构材料和功能材料的整体化，材料多功能的集成化，功能材料和器件的一体化，材料制备加工的智能化、敏捷化，材料的制备和功能仿生化，材料产品的多元化、个性化，材料科技的微型化、纳米化，材料设计的优选化、创新化，材料研究开发的环境意识化、生态化，材料科学技术的多学科渗透化、大科学化。随着人们对材料本质认识的深化，发展新材料已逐步摆脱固有的认知，而要依赖材料的设计，各类材料的严格区分逐渐在减小、消失，各类材料相互取代、补充，相互竞争，借助先进的研究和表征手段更有利于新材料的发展。 
“材料现代研究方法”是一门理论性和实践性兼具的专业课程。成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素，成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结构进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控制的前提。为了深入理解材料的本质、提高材料研究水平，必须掌握先进的材料分析方法。本课程注重培养研究生的科学研究思维，以“分析表征技术原理—测试方法—实际应用”的课程教学设计思想，选择通用性强的材料表征技术，详细地讲解表征方法的基本原理、样品制备方法、实验数据分析等，同时结合科研实际对样品的分析检测，使学生体验样品测试表征的全过程；通过对教学案例的分析，强化实践能力，进一步巩固理论知识，使学生掌握和利用该表征技术解决材料科学研究过程的实际问题，做到理论与实践相结合。 
本书主要特色及创新性如下： 
① 突出基础技能特色。对于材料学科的研究生，实验技能是的科研素质，在实验过程中，对实验样品的分析和测试、对测试结果的分析总结、对下一步科研工作的规划更是实验技能的基础，加强材料现代研究方法的教学，就是加强研究生基础能力的培养，符合国家强基计划的指导思想。 
② 突出工程实践特色。材料科学是基础科学，不同行业企业的产品质量控制都需要材料检测技术的支持，新产品的开发也都需要研究方法的保驾护航。本书选取典型产品的分析测试技术设计成教学案例，引导学生在学习分析测试理论知识的同时，结合具体产品和工程应用课题主动研究、探索和分析，学会理论联系实际，强化工程实践能力的培养，更好地满足现代企业的用人要求。 
③ 突出授课内容的前沿性。材料科学技术的进步推动了人类社会各行各业的技术进步，材料科学的研究成果是目前国家科技竞争能力一个重要体现，是解决“卡脖子”问题的突破点。材料现代研究方法是材料科学发展的“引路人、保驾护航者”，更是科技进步的“鉴定者”，本书把社会科技发展的需求和世界前沿课题的表征方法包装设计成教学案例，不断更新和丰富教学内容，帮助学生认识和了解本专业领域的最新科研发展方向，提高学生的科研素养和创新能力。 
本书由山东科技大学多位教师合作编写。具体分工如下：第1章、第6章由孙海清编写；第3章、第13章由丁建旭编写；第4章由刘瑞编写；第8章、第11章由展晓元编写；第2章、第9章由朱慧灵编写；第5章、第7章由张伟伟编写；第10章、第12章由宋晓杰编写。全书由展晓元统稿，丁建旭主审。 
本书在编写过程中得到山东科技大学材料学院的支持，研究生朱晓洁、王仁栋也参与了部分工作。书的最后列出了主要参考文献，由于条件限制，可能未将所有参考文献一一列出，在此对所有参考文献的作者表示衷心的感谢！ 
本书的疏漏和不足在所难免，恳请读者批评指正。 

编者 
2023年1月

《材料现代研究方法》根据材料研究的思路，从点（成分）到面（形貌）将材料的分析和表征方法分为化学成分研究、分子结构研究、物相结构研究和微观形貌研究4篇。每篇起始，对每一类表征方法的共性进行分析和介绍，每一章的表征方法着重介绍该方法的基本理论和典型实例，以及应用方向，有利于学生在日常和科研工作中有针对性地学习和实际运用。本书为高等院校材料科学与工程专业研究生教材，也适用于从事材料科学研究、应用和生产的专业技术人员参考。

展晓元，山东大学无机非金属材料专业学士，北京科技大学材料物理与化学专业博士。2007年开始在山东科技大学材料科学与工程学院任教至今。主讲课程现代材料研究方法、纳米材料与纳米技术、计算机在材料科学中的应用、无机非金属材料工学。研究方向为固体废弃物综合利用、矿用工程材料、节能建筑与材料。现主持科研项目5项，参与项目10余项。

第1篇 化学成分研究 
第1章 原子光谱分析5 
1.1 原子发射光谱分析 5 
1.2 原子吸收光谱分析 11 

第2章 X 射线光谱分析16 
2.1 能谱仪 16 
2.2 波谱仪 18 
2.3 波谱仪和能谱仪的分析模式及应用 21 
2.4 波谱仪与能谱仪的比较 22 

第3章 X 射线光电子能谱分析24 
3.1 X射线光电子能谱分析的基本原理 24 
3.2 X射线光电子能谱实验技术 27 
3.3 X射线光电子能谱的应用 33 

第4章 俄歇电子能谱37 
4.1 基本原理 37 
4.2 实验方法 40 
4.3 应用实例 43 
4.4 AES方法的特点和局限性 47 

第2篇 分子结构研究 
第5章 紫外-可见吸收光谱52 
5.1 电子跃迁类型及吸收带 53 
5.2 朗伯-比尔定律 56 
5.3 紫外-可见吸收光谱在材料研究中的应用 57 

第6章 分子发光光谱62 
6.1 荧光和磷光的产生 62 
6.2 激发光谱和发射光谱 64 
6.3 影响荧光强度的因素 65 
6.4 分子荧光光谱应用 66 

第7章 振动光谱69 
7.1 红外光谱 69 
7.2 激光拉曼光谱 90 

第8章 核磁共振谱100 
8.1 核磁共振谱法基本原理 100 
8.2 1H核磁共振氢谱 104 
8.3 13C核磁共振谱 109 
8.4 核磁共振谱的解析 110 
8.5 核磁共振技术在材料研究中的应用 112 

第3篇 物相结构研究 
第9章 X 射线衍射122 
9.1 X射线衍射仪工作方式 122 
9.2 X射线衍射物相分析方法 123 
9.3 MDIJade6在材料物相分析中的应用 127 

第10章 电子衍射148 
10.1 衍射斑的形成理论 149 
10.2 各种结构的衍射花样 153 
10.3 衍射花样分析 154 

第4篇 微观形貌研究 
第11章 扫描电子显微镜167 
11.1 电子束与固体物质的相互作用 167 
11.2 各种信号的分辨率和作用区域 168 
11.3 扫描电子显微分析 169 

第12章 透射电子显微镜175 
12.1 衬度定义 176 
12.2 透射电镜的样品制备 180 
12.3 透射电镜高分辨显微图像 183 
12.4 透射电镜其他应用技术 186 

第13章 扫描探针188 
13.1 扫描隧道显微镜 188 
13.2 原子力显微镜 194 
13.3 其他扫描探针显微技术 197 

参考文献200 

《材料现代研究方法》根据材料研究的思路，从点（成分）到面（形貌）将材料的分析和表征方法分为化学成分研究、分子结构研究、物相结构研究和微观形貌研究4篇。每篇起始，对每一类表征方法的共性进行分析和介绍，每一章的表征方法着重介绍该方法的基本理论和典型实例，以及应用方向，有利于学生在日常和科研工作中有针对性地学习和实际运用。本书为高等院校材料科学与工程专业研究生教材，也适用于从事材料科学研究、应用和生产的专业技术人员参考。

展晓元，山东大学无机非金属材料专业学士，北京科技大学材料物理与化学专业博士。2007年开始在山东科技大学材料科学与工程学院任教至今。主讲课程现代材料研究方法、纳米材料与纳米技术、计算机在材料科学中的应用、无机非金属材料工学。研究方向为固体废弃物综合利用、矿用工程材料、节能建筑与材料。现主持科研项目5项，参与项目10余项。