凝聚態物質性能測試與數據分析（簡體書）

《凝聚態物質性能測試與數據分析》以通俗易懂的方式系統闡述了凝聚態物質性能測試原理和材料性能影響因素，重點以前沿熱點材料的相關性能測試數據作為研究物件，通過實例講述如何借助傳統和新興測試技術得到材料的相關信息，以及如何通過設計實驗來驗證材料的性能機制。本書幾乎涉及材料性能測試的所有方面，包括材料微結構、成分、相結構、微觀化學環境、化學變化時的動態監測、晶格振動、宏觀輸運性能、載流子壽命、氧缺位等，培養讀者分析數據和設計實驗的能力。本書可以作為高等院校凝聚態物理、材料物理等相關專業本科生（部分內容）、研究生的教材，也可供相關領域研究人員參閱。

（1）本書內容將同一類的測試安排在一起，便於讀者可以根據自己的需求和各種同類測試的優缺點對比選擇合適自己的測試技術。（2）實例具有新穎性，包括新材料、新應用、新的測試實驗設計。（3）實例豐富，讓讀者領會如何通過設計測試實驗內容，將目前的測試技術拓展到未來的研究領域。

隨著科學技術的發展，凝聚態物質（材料），尤其是先進半導體功能材料的各種性能測試與分析在如下幾個方面起關鍵作用：了解材料性能與相應的機制，改進材料性能，設計材料新性能以滿足工業發展需要等。

目前有關材料性能測試技術的書籍大都是詳細講解測試設備的結構與測試原理，但沒有深入介紹如何從測試數據中得到關於材料的有用信息，也沒有介紹如何通過測試設計來印證對某些機制的猜測等。另外，近年來隨著材料的迅猛發展，需要測試材料的很多新性能。故需要介紹現有儀器開發的新應用以及新儀器。本書嘗試以通俗易懂的方式介紹測試原理和影響材料性能的相關因素；並以前沿熱點材料的相關性能測試數據作為研究物件，利用實例闡述如何通過傳統和新興測試技術得到材料的相關信息，引導讀者通過分析測試實例，學會設計測試實驗來驗證對材料相關性能機制的猜測。書中數據分析例子需要很多知識的綜合，包括專業基礎知識和前沿專業知識。在此過程中，讀者能夠溫習已學知識，查找資料學習新知識，從而培養綜合運用已學專業知識的能力。

本書內容涵蓋當前熱點研究領域涉及的絕大多數性能測試，包括材料微結構、成分、相結構、微觀化學環境及變化、能帶結構、晶格振動、宏觀輸運性能、載流子壽命、氧缺位等相關性能與相關物理量的測試。

本書的特色有如下幾點：

（1）本書內容是針對培養讀者分析數據和設計測試實驗的綜合能力而設計的，包括專業基礎知識和前沿專業知識、知識的綜合運用能力、各種測試技術的比較和取舍能力。

（2）本書兼具工具書的功能。本書在介紹數據分析方法時，給出了數據分析需要的相關資料或者其相關資料索引，比如紅外圖譜庫等。同時本書將同一類的測試安排在一起，便於讀者根據自己的需求和各種同類測試的優缺點選擇合適的測試技術。

（3）書中的數據實例具有新穎性，包含新材料、新應用，或者新的測試實驗設計等。

本書適合作為高等院校本科生和研究生的教材，也可供相關專業技術人員和科研人員參閱。書中還為讀者提供了相關測試技術需要的數據處理軟件名稱。

由於編著者的水平有限以及研究領域的局限，書中不足之處在所難免，更希望讀者能提出寶貴意見。

在本書的編寫過程中，何琴玉教授負責了第1 章（除1.1.4、1.3 節外）、第2 章（除2.1.3、2.1.4 外）、第3 章、第4 章、第5 章、第8 章的編著以及本書的統稿和核校；葉飛教授完成了1.1.4、2.1.3、2.1.4 節的編寫；曾敏教授完成了第7 章的編著工作；侯志鵬副教授完成了第6 章的編著工作；陳福明研究員完成了1.3 節的編寫；王韶峰博士完成了熱重內容的初稿，高進偉老師撰寫了掃描電鏡部分內容的初稿；章建高老師撰寫了一節內容的初稿；何琴玉教授的研究生何俊峰、矯達一、胡舒停、倫永坤、劉紹瑩、梁煜珩、翟旺健、劉彬和範智利撰寫了部分節的初稿。另外，廣東省材料科學與工程教學指導委員會、華南師範大學物理與電信工程學院、化學工業出版社對本書的編著與出版給予了大力支持。

感謝以上老師、機構和學生的辛勤付出和支持！



編著者

第1章 材料結構測試與數據分析 1

1.1 電子顯微鏡技術 1

1.1.1 電子顯微鏡技術簡介1

1.1.2 電子顯微鏡技術的測試原理1

1.1.3 掃描電子顯微鏡 3

1.1.4 透射電子顯微鏡 12

1.1.5 高分辨掃描透射電子顯微鏡 19

1.2 掃描探針顯微鏡技術26

1.2.1 掃描隧道顯微鏡28

1.2.2 原子力顯微鏡35

1.3 比表面積的測試與數據分析 41

1.3.1 比表面積的概念和相關影響因素 41

1.3.2 比表面積的測試原理與數據分析 41

習題53

參考文獻54



第2章 材料的相結構與化學環境測試以及數據分析 58

2.1 相結構測試與數據分析59

2.1.1 相結構影響因素59

2.1.2 X 射線衍射59

2.1.3 選區電子衍射67

2.1.4 快速傅裡葉變換76

2.2 材料的成分和含量測試及數據分析82

2.2.1 能量色散X 射線光譜儀83

2.2.2 電子能量損失譜87

2.2.3 能量散射譜95

2.3 綜合化學態測試與數據分析98

2.3.1 X 射線光電子能譜 98

2.3.2 X 射線吸收譜 103

2.3.3 俄歇電子能譜 118

習題 124

參考文獻 126



第3章 材料能帶結構測試與數據分析 130

3.1 能帶結構的影響因素及測試技術 130

3.1.1 能帶結構及其影響因素 130

3.1.2 能帶結構的常用測試技術 132

3.2 材料能帶結構的測試與數據分析 132

3.2.1 紫外可見漫反射光譜 132

3.2.2 X 射線光電子價帶譜 137

3.2.3 紫外光電子能譜 141

3.2.4 莫特-肖特基曲線 145

3.2.5 利用電負性和能隙計算能帶位置 150

習題 151

參考文獻 152



第4章 晶格振動與相關輸運性能測試以及數據分析 154

4.1 晶格振動影響因素及相關輸運性能測試 154

4.2 晶格振動測試與數據分析[1-3] 155

4.2.1 紅外光譜 155

4.2.2 拉曼光譜 165

4.3 材料輸運性能測試與數據分析 170

4.3.1 影響熱導率與電導率的因素 170

4.3.2 電導率 172

4.3.3 熱導率 177

4.4 材料中載流子壽命測試與數據分析 184

4.4.1 載流子壽命的影響因素 184

4.4.2 瞬態吸收光譜 185

4.4.3 光電導衰減法 192

4.4.4 時間分辨光致發光譜 202

習題 206

參考文獻 210



第5章 材料中氧缺位與非配位氧的測試以及數據分析 213

5.1 氧缺位的定義和形成 213

5.2 氧缺位的檢測 214

5.2.1 X 射線光電子能譜 214

5.2.2 X 射線吸收譜 216

5.2.3 電子順磁譜 219

5.2.4 拉曼譜 220

5.2.5 正電子湮沒壽命譜 222

5.2.6 XRD 精修 225

5.3 表面吸附氧和體內富余氧測試與數據分析 235

5.3.1 O2-TDP 和H2-TPR 的測試原理 235

5.3.2 O2-TDP 和H2-TPR 測試數據分析 235

習題 237

參考文獻 238



第6章 磁性能測試原理與數據分析 241

6.1 直流磁性測量原理與數據分析 241

6.1.1 衝擊法 242

6.1.2 熱磁儀 249

6.1.3 磁天平 255

6.1.4 振動樣品磁強計 260

6.2 交流磁性測量原理與數據分析 279

6.2.1 伏安法 280

6.2.2 示波法 284

6.2.3 電橋法 290

習題 295

參考文獻 295



第7章 電介質材料性能測試與數據分析 298

7.1 介電性能測試原理與數據分析 298

7.1.1 介電性能的影響因素與測試原理 299

7.1.2 介電常數測試數據分析 302

7.2 壓電材料的壓電參數測試原理與數據分析 308

7.2.1 壓電參數的影響因素 309

7.2.2 壓電參數測量方法和原理 311

7.2.3 壓電常數測試數據分析 311

7.3 鐵電材料性能測試原理與數據分析 315

7.3.1 鐵電性能的影響因素 316

7.3.2 電滯回線測試方法和原理 317

7.3.3 電滯回線測試數據分析 320

7.4 熱釋電性能測試原理與數據分析 325

7.4.1 熱釋電性能的影響因素 325

7.4.2 熱釋電系數測量方法和原理 326

7.4.3 熱釋電性能測試數據分析 327

習題 330

參考文獻 331



第8章 材料變化的熱力學與動力學過程監測以及數據分析 333

8.1 熱重分析原理與數據分析 334

8.1.1 熱重分析原理 334

8.1.2 熱重分析的影響因素 336

8.1.3 測試數據分析 338

8.2 差熱分析原理與數據分析 341

8.2.1 差熱分析原理 342

8.2.2 影響DTA 測試結果的外在因素 344

8.2.3 DTA 測試數據分析 346

8.3 差示掃描量熱測試原理與數據分析 350

8.3.1 DSC 分析基本原理 350

8.3.2 DSC 測試數據分析 351

8.4 變溫物理量獲得材料相變信息 356

8.4.1 變溫物理量獲得材料相變信息原理 356

8.4.2 變溫物理量獲得材料相變信息數據分析 357

習題 360

參考文獻 362