材料學中的照妖鏡——說說材料表征那些事兒

小伙伴們對《西游記》中孫悟空那句“妖怪，還不快快現出原形”經典臺詞肯定不陌生，大圣用他的火眼金睛辨出世間妖魔鬼怪，一路化險為夷，求取真經，那小伙伴們有木有想過在我們材料學研究中，科學家以及工程師是靠什么來讓材料現出原形，求得真經呢，下面，我們就揭開材料表征的面紗，看看我們材料學中的照妖鏡。

我們材料學中的照妖鏡可不比孫悟空的火眼金睛，瞬間讓材料現出原形，在實際科研過程中我們要根據不同需要來實驗不同的手段來表征材料。

比如說，我們制出來了一種材料，想看看它表面是怎樣的，有稍許基礎的小伙伴肯定曉得表面對材料的意義，這時我們就需要對材料的形貌進行分析。

再者，我們想知道材料中有哪些官能團，畢竟它決定了我們材料的一些特殊性能，這時我們就要用到結構分析的知識了。

再或者我就是好奇自己手里的材料到底組成成分是哪些，我們這時就要用到材料成分分析。小伙伴是不是感覺我們的照妖鏡神奇的不要不要的卻聽得暈暈的，下邊我們就來一一細數這些材料學的照妖鏡。

材料的形貌分析（Morphology analysis）

小伙伴千萬不要被形貌分析這個看起來高大上名詞嚇壞，還記得初中生物課上用顯微鏡觀察細胞結構嗎，相信你通過觀察也對植物細胞動物細胞的大致了解，其實呀，這個過程我們就可以近似理解為形貌觀察，那時我們的水平當然只是觀察觀察，分析它們是研究人員的事情（哈哈）。

最初我們對形貌的觀察就是借助于光學顯微鏡（Optical microscope，OM)【小插曲，小伙伴在寫論文的時候一定要注意microscope與microscopy的區別，不要在小細節上犯錯】，后來呀，科學家逐漸對光有了深刻的理解認識，顯微鏡使用的光源就不僅僅是可見光了，所以就出現了后來的電子顯微鏡，有掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope,SEM)，透射電子顯微鏡（Transmisson electron microscope,TEM），掃描隧道顯微鏡（Scanning tunneling microscope ,STM），原子力顯微鏡（Atomic force microscope,AFM），這些顯微鏡最小可以看到多小呢，小伙伴猜猜看，沒錯，你甚至可以在某些顯微鏡下看到排列整齊的原子喲，有木有很神奇的感覺，那就趕快入坑我大材料，走向人生巔峰（壞笑）。

材料的結構分析（Structural analysis）

娶老婆一定不要娶學材料的女孩子，不然想買個假鉆戒糊弄一下都不可以，分分鐘識破你的小伎倆，當然只是開個玩笑啦，我們材料女還是很值得擁有的，別問我怎么知道的，好啦，回歸正題，我們就來說說寶石鑒定，哦哦，不是，是材料結構那些事兒（我才不會告訴你，材料學院是可以兼職做珠寶鑒定的）。

想想上文中我們提到的形貌分析都可以幫助我們看到原子級別的像了，難道小伙伴們就不好奇它們的結構又是什么樣子嗎，想get到珠寶鑒定的技能嗎，好了，現在請以你虔誠的內心接受我大材料學的指點——學習學習XRD吧。

XRD（X-ray diffraction,X射線衍射）是利用X射線衍射現象分析晶體結構以及探索影響晶體結構的各種因素。路是指明了，要想取得真經還需泡泡圖書館，蹭蹭實驗室，增加理論實踐經驗才可以出師（嘿嘿），除此自外，還有其他振動光譜分析方法就不一一列舉了。

材料的成分分析（Chemical analysis）

我們既知道了材料的微觀形貌又知道了材料的結構特點，難道就不好奇這家伙到底是什么，好歹我照妖鏡不得把它是人是鬼照出來，這里就用到了我們材料的成分分析技術，其實小伙伴中學背過的那么多檢驗離子的方法也是在做成分分析，只不過那些與我們現在提到的方法不同，中學檢驗離子的方法是屬于化學分析法，而我們要講的方法是物理方法，化學方法對我們的樣品有一定的破壞性，我們只能得到整體樣本的平均值，與化學方法相比，物理方法的優點就顯而易見了。

總體來講呢，物理方法大多是利用微細高能粒子束或光子束入射到物理表變，或者探針針尖的力學作用，激發出各種不同物理信號，分析檢測這些信號來測定出試樣的元素組成或者化合物組分。常用的物理分析方法有特征X射線分析術，X射線光電子能譜（XPS)，俄歇電子譜術（AES），背散射電子術，電子能量損失譜術（EELS)以及二次離子質譜術（SIMS）。近代迅速發展的激光拉曼光譜術和原子力顯微術也可用于材料的成分分析，尤其是化合物的鑒定。

現在,我們對材料學中的照妖鏡也有了大概認識，算是知其然了，然而想要知其所以然除了需要繼續閱讀材料表征方面的書籍外，還是要深入學習固體物理，對材料有更深層次的認識，對于剛剛入門材料的小伙伴來說《元素的故事》倒是一本不錯的光與物質之間關系的科普故事書，有興趣的話可以一讀（主要我怕大家直接學習固體物理會懷疑自己的智商，哈哈）。

本文由材料牛新銳作者Landy供稿，材料牛編輯整理。