辉光放电发射光谱法在材料分析中的应用

量结果 ;镀层的厚度和重量 ;镀层的均匀性 ;镀层间 染 ,影响了涂层的结合力 。所以在电沉积工艺过程
的界面信息 ;表面或界面的玷污情况等 。
中 ,应该避免电解液受到污染 [ 19 ] 。
张翔辉等通过辉光光谱仪预溅射参数和积分时 间等因素对钢中微量元素砷 、铅 、锑 、锡进行辉光光 谱行为的影响试验 ,建立了辉光放电发射光谱法同 时测定钢中砷 、铅 、锑 、锡的方法 [ 13 ] 。韩永平建立了 直流辉光放电光谱法测定不锈钢中 C、Si、M n、P、S、 C r、N i、Cu、Ti、Co、A l的方法 [ 14 ] 。向国强等自行设计 组装了射频供能辉光放电原子发射光谱仪器 ( rf2 GD 2OES) ,并对其分析导体试样的基本特性 (包括 光源的稳定性 、电学特性和光谱特性 )进行了研究 。 在此基础上建立了 rf2GD 2OES分析导电试样的方 法 ,并用于铜合金标准样品中的 A l和 M n的分析 , 其测定结果与标准值吻合得很好 [ 15 ] 。
和放电气压对元素谱线发射强度及相对强度稳定性 的影响 ;测定了中低合金钢标准样品中 C、Si、M n、
参考文献
P、S、Cr、N i、W、Ti、Cu、Co、B、A l、V、Mo、Nb 16 种元
[ 1 ] S. O swald, S. Baunack. Comparison of dep th p rofiling tech2
论文 15余篇 。联系电话 : 021267792192
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《热处理 》 2008 年第 24 卷 第 1 期
元素的特征光谱 。
光光谱分析 。
不同波长的光经分光系统分光并检测各单色光 光强 ,经过计算机的信号处理 ,获得了各元素的强 度 。通过已经建立的各元素的标准曲线 (浓度和强 度的关系 ) ,计算机自动计算出各元素浓度 。
表 1 钢样的检出限 /μg· g- 1 [ 8 ] Table 1 D etection lim its of steel specimens/μg· g- 1 [ 8 ]
元素 火花放电光谱仪 辉光放电光谱仪
Al
0. 5
0. 1
B
1
0. 3
Cr
30
0. 5
CuLeabharlann 0. 50. 3Mg
2
0. 9
Mn
3
辉光放电光谱仪深度成分分析可用于金属涂层 材料 、硬镀层 、表面氧化层 、腐蚀 、表面渗透 、高分子
生物有机物和高分子聚合物 、粉末压制样品等的辉 镀层 、薄镀层等方面 (见图 2) 。辉光光谱分析可以
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得到镀层中主量 、微量和痕量元素随深度变化的定 的 CdS薄膜的界面 ,发现界面受到了 Na和 Si的污
1968年 , Grimm[ 7 ]提出了一种结构特殊的辉光 放电光源 ,这种光源的结构特点是阳极离阴极非常
近 (阴阳极距离小于阴极暗区的长度 ) ,因此能够有 效地限制放电面积 ,使放电处于异常辉光放电状态 , 大大增强了阴极溅射作用 。 Grimm 辉光放电光源的 主要特点是除了能进行固体样品的直接分析 ,还能 稳定地逐层剥离样品 ,进行表面和逐层分析 。
2 辉光放电光谱仪的应用
辉光光谱的应用主要分为两个方面 ,一是均匀 样品的成分分析 ,二是样品元素成分的深度分布分 析。 2. 1 均匀样品成分分析
均匀块状样品的成分分析包括金属固体样品 、
M ichael等使用白口铸铁作标准曲线测量灰口 铸铁未知样品 ,共测量了 C、P、S、Si、M n、Cu、N i、Mo、 Cr、Ti、Sn、V、A l、Co、A s等 15 种元素 。使用长时间 较强烈的预溅射可以消除白口铸铁与灰口铸铁基体 效应的不同 。D. G. Jones等人使用射频辉光光谱对 负载无机染料 (金红石和氧化铁 )的高分子化合物的 负载量进行了分析 , Ti和 Fe 分析的 RSD 为 3% ～ 6% ,工作曲线的 r值都大于 0. 98,说明射频辉光光谱 可以对非导电高分子聚合物进行定量分析 。 Robe rto M artinez等人使用射频辉光光谱分析了骨头中的 Ca、Na、M g、P、C等元素的含量 ,证明了辉光光谱具 有直接分析固体生物有机物的元素成分及成分分布 的能力 [ 9 ] 。
在辉光放电发射光谱仪中 ,被电场加速的氩离 子使样品产生均匀的溅射 ,样品作为阴极 ,放在阳极 的前面 (见图 1) 。溅射出来的样品原子离开样品表 面 ,在阳极区与氩离子碰撞而被激发 ,产生样品组成
收稿日期 : 2007212228
作者简介 :杨 明 ( 19782) ,男 ,湖北人 ,助研 ,主要从事元素分析及 ICP2AES实验室的管理和测试工作 ,发表
滕璇等考察了射频辉光放电发射光谱法中功率
3 应用前景
辉光放电发射光谱分析技术不仅适合材料的成 分分析 ,而且也是表面分析的一个重要的研究手段 。 随着对材料表面质量的要求越来越高 ,辉光光谱技 术不但可进行一些常规的镀层厚度检测和镀层成分 的定性分析 ,还可从检测结果中看到不同镀层间的 结合情况 ,元素的渗透情况以及一些微量元素的分 布情况 。由于其具备检测速度快 、测量范围广 、检出 限低和精度高等特点 ,必将在钢铁冶金 、金属材料加 工等领域内发挥重要作用 。辉光放电发射光谱技术 将被广泛地应用于镀层产品的开发研究 、产品生产 工艺参数的优化以及钢板的表面质量检验等方面 。
目前 ,辉光放电主要有两种供能方式 :一种是直 流方式 ,一种是射频方式 。直流方式只能分析导电 样品 ,如果阴极样品为非导体 ,等离子体会在瞬间熄 灭 。射频辉光放电既可以分析导体 ,也可以分析非 导体 ,与直流辉光放电相比具有不可替代的优势 。 将一定频率的射频电流加到辉光光源上 ,由于高频 作用及正离子和电子的运动能力 、运动速度不同 ,一 定时间后 ,会产生一个负直流自偏电压 。这个直流 自偏电压的存在使得非导体可进行几乎连续的溅 射 ,从而实现对非导体的连续检测 。 1. 2 基本原理
(2) 直接检测固体样品 ,不需要对样品进行稀 释 、溶解等处理 。
(3) 检测浓度范围广 ,从 1026到 100%。 (4) 检出限低 (见表 1) 。 (5) 全谱覆盖 。 (6) 对样品表面进行逐层检测 ,从几纳米到二 百微米 ,有极高的深度分辨率 。 (7) 给出的信息量大 ,一次检测可得到十几个 元素的含量 (依仪器配置而定 ) 。
张理扬等使用辉光放电光谱仪测量了两种合金 化热镀锌高强 IF钢的镀层厚度 、镀层铁含量和镀层 铝含量 ,来研究合金化热镀锌产品镀层的抗粉化性 能 [ 10 ] 。何晓蕾等利用辉光放电光谱法分析金属材 料表面的纳米级薄膜 。通过优化辉光光源的放电参 数 ,计算标准样品的溅射率 ,形成了纳米级薄膜的定 量表面分析方法 。该方法可用于铝基复合氧化膜的 分析 ,以及冷板表面易锈蚀的原因分析 [ 11 ] 。张毅等 利用辉光放电光谱法分析掺杂纳米硅薄膜 ,通过优 化辉光光源激发参数 、计算标准样品的溅射率 ,建立 了掺杂纳米硅薄膜的定量表面分析方法 [ 12 ] 。 2. 2 深度成分分析
0. 2
Mo
1
0. 8
Nb
2
0. 6
Ni
3
0. 1
Si
3
0. 4
Ti
1
0. 6
V
1
1. 0
Zr
2
1. 5
图 1 辉光放电阴极溅射光源示意图 Fig. 1 Scheme of glow discharge cathodic sputtering
1. 3 应用特点 由于辉光放电属于低气压放电 ,具有高度的稳
型及镀层表观厚度的概念 [ 17 ] 。 Zdenek W eiss等人用辉光放电光谱法对硬涂层
近年来 ,科学家发现在许多情况下 ,材料表层组 成及结构对材料的性质有特殊的作用 ,因此表层分 析和逐层分析的重要性日益为分析家所关注 。通常 用于表面分析的手段有俄歇电子能谱 (AES) 、X 射 线光电子能谱 (XPS) 、二次离子质谱 ( SIM S)和辉光 放电发射光谱 ( GD 2OES) 等 [ 1 ] 。由于设备价格 、分 析准确度和精密度等不同 ,在日常分析中的应用也 不一定相同 。辉光放电发射光谱分析技术 ,近几年 来正在被广泛应用于新材料的研究开发和产品的质 量控制中 [ 2～6 ] 。
～测试与分析 ～
辉光放电发射光谱法在材料分析中的应用
杨 明 ,狄 平
(东华大学分析测试中心 ,上海 201620)
摘 要 : 介绍了辉光放电发射光谱法的原理及特点 ,综述了近年来国内外该方法在材料分析中的应用 ,并对 未来发展予以展望 。
关键词 :辉光放电 ;发射光谱法 ;基体分析 ;深度剖面分析 中图分类号 : TG115. 3 + 3 文献标识码 : A 文章编号 : 100821690 (2009) 01200602004
1 辉光放电发射光谱分析的基本原 理和特点
辉光放电发射光谱法 ( Glow D ischarge2Op tical Em ission Spectrometry, GD 2OES)是一种依据惰性气 体在低气压下放电的原理而发展起来的光谱分析技 术 。辉光放电发射光谱仪主要由辉光放电光源 、分 光系统 、检测系统和计算机控制系统 4部分组成 。 1. 1 辉光光源
定性 ,受基体和共存元素的干扰小 ,谱线锐 ,自吸收 小 ,背景低 ,校准曲线范围宽 ,分析精密度高 ,取样时 能从外到里一层一层均匀剥离等突出的特性 ,以及 设备简单 、成本低等优点 。与其他光谱类仪器相比 , GD 2OES辉光放电光谱仪具有下述一些特性 :
(1) 检测结果快速 、准确 、可靠 ,做一个样品只 需几分钟 。
Applica tion of Glow D ischarge O ptica l Em ission Spectrom eter