材料学中的照妖镜——说说材料表征那些事儿

小伙伴们对《西游记》中孙悟空那句“妖怪，还不快快现出原形”经典台词肯定不陌生，大圣用他的火眼金睛辨出世间妖魔鬼怪，一路化险为夷，求取真经，那小伙伴们有木有想过在我们材料学研究中，科学家以及工程师是靠什么来让材料现出原形，求得真经呢，下面，我们就揭开材料表征的面纱，看看我们材料学中的照妖镜。

我们材料学中的照妖镜可不比孙悟空的火眼金睛，瞬间让材料现出原形，在实际科研过程中我们要根据不同需要来实验不同的手段来表征材料。

比如说，我们制出来了一种材料，想看看它表面是怎样的，有稍许基础的小伙伴肯定晓得表面对材料的意义，这时我们就需要对材料的形貌进行分析。

再者，我们想知道材料中有哪些官能团，毕竟它决定了我们材料的一些特殊性能，这时我们就要用到结构分析的知识了。

再或者我就是好奇自己手里的材料到底组成成分是哪些，我们这时就要用到材料成分分析。小伙伴是不是感觉我们的照妖镜神奇的不要不要的却听得晕晕的，下边我们就来一一细数这些材料学的照妖镜。

材料的形貌分析（Morphology analysis）

小伙伴千万不要被形貌分析这个看起来高大上名词吓坏，还记得初中生物课上用显微镜观察细胞结构吗，相信你通过观察也对植物细胞动物细胞的大致了解，其实呀，这个过程我们就可以近似理解为形貌观察，那时我们的水平当然只是观察观察，分析它们是研究人员的事情（哈哈）。

最初我们对形貌的观察就是借助于光学显微镜（Optical microscope，OM)【小插曲，小伙伴在写论文的时候一定要注意microscope与microscopy的区别，不要在小细节上犯错】，后来呀，科学家逐渐对光有了深刻的理解认识，显微镜使用的光源就不仅仅是可见光了，所以就出现了后来的电子显微镜，有扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM)，透射电子显微镜（Transmisson electron microscope,TEM），扫描隧道显微镜（Scanning tunneling microscope ,STM），原子力显微镜（Atomic force microscope,AFM），这些显微镜最小可以看到多小呢，小伙伴猜猜看，没错，你甚至可以在某些显微镜下看到排列整齐的原子哟，有木有很神奇的感觉，那就赶快入坑我大材料，走向人生巅峰（坏笑）。

材料的结构分析（Structural analysis）

娶老婆一定不要娶学材料的女孩子，不然想买个假钻戒糊弄一下都不可以，分分钟识破你的小伎俩，当然只是开个玩笑啦，我们材料女还是很值得拥有的，别问我怎么知道的，好啦，回归正题，我们就来说说宝石鉴定，哦哦，不是，是材料结构那些事儿（我才不会告诉你，材料学院是可以兼职做珠宝鉴定的）。

想想上文中我们提到的形貌分析都可以帮助我们看到原子级别的像了，难道小伙伴们就不好奇它们的结构又是什么样子吗，想get到珠宝鉴定的技能吗，好了，现在请以你虔诚的内心接受我大材料学的指点——学习学习XRD吧。

XRD（X-ray diffraction,X射线衍射）是利用X射线衍射现象分析晶体结构以及探索影响晶体结构的各种因素。路是指明了，要想取得真经还需泡泡图书馆，蹭蹭实验室，增加理论实践经验才可以出师（嘿嘿），除此自外，还有其他振动光谱分析方法就不一一列举了。

材料的成分分析（Chemical analysis）

我们既知道了材料的微观形貌又知道了材料的结构特点，难道就不好奇这家伙到底是什么，好歹我照妖镜不得把它是人是鬼照出来，这里就用到了我们材料的成分分析技术，其实小伙伴中学背过的那么多检验离子的方法也是在做成分分析，只不过那些与我们现在提到的方法不同，中学检验离子的方法是属于化学分析法，而我们要讲的方法是物理方法，化学方法对我们的样品有一定的破坏性，我们只能得到整体样本的平均值，与化学方法相比，物理方法的优点就显而易见了。

总体来讲呢，物理方法大多是利用微细高能粒子束或光子束入射到物理表变，或者探针针尖的力学作用，激发出各种不同物理信号，分析检测这些信号来测定出试样的元素组成或者化合物组分。常用的物理分析方法有特征X射线分析术，X射线光电子能谱（XPS)，俄歇电子谱术（AES），背散射电子术，电子能量损失谱术（EELS)以及二次离子质谱术（SIMS）。近代迅速发展的激光拉曼光谱术和原子力显微术也可用于材料的成分分析，尤其是化合物的鉴定。

现在,我们对材料学中的照妖镜也有了大概认识，算是知其然了，然而想要知其所以然除了需要继续阅读材料表征方面的书籍外，还是要深入学习固体物理，对材料有更深层次的认识，对于刚刚入门材料的小伙伴来说《元素的故事》倒是一本不错的光与物质之间关系的科普故事书，有兴趣的话可以一读（主要我怕大家直接学习固体物理会怀疑自己的智商，哈哈）。

本文由材料牛新锐作者Landy供稿，材料牛编辑整理。