1、,材料近代分析测试技术,内容总结,现代材料分析技术主要涉及到对材料的组成、结构及微观形貌的测试和分析。 本课程重点讲述八章，其余作为参考阅读内容。 1-4章为X射线衍射技术， 7-10章为电子显微技术。,总结,讲述八个不同的现代材料分析技术，对应八个不同的精密分析仪器。即XRD、 TEM 、SEM 、EPMA(WDS EDS)、 AES、 XPS 、SPM、 STM、 AFM 本课程讲述的八个不同的精密分析仪器即分别涉及到材料的组成、结构及微观形貌的测试和分析这三大部分。,材料结构表征的基本方法,分为：成分分析、结构测定和形貌观察。 1）成分分析：除了传统的化学分析技术（原子发射、原子吸收谱）
2、外，还包括质谱、紫外及可见光、红外谱、色谱、核磁共振、X射线荧光谱、俄歇与X射线光电子谱、电子探针、原子探针、激光探针等。 2）结构测定：以衍射法为主，如X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱、射线衍射等。 3）形貌观察：主要依靠显微镜。光镜（LM）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）。,其中，原子发射光谱、原子吸收光谱法主要是对材料的组成进行分析；紫外及可见分光光度法、红外光谱法、激光拉曼光谱法、质谱分析主要是对材料的组成、结构进行分析；透射电子显微术、扫描电子显微术则是对材料的微观形貌进行显微测试和分析。,对每一个仪器，我将大致按五个部分介绍： 一、基本原理 二、仪器简介 三、试样要
3、求 四、结果分析五、应用,要求掌握的概念,1.尺度 2.显微术语 3.分辨本领 4.原子的大小 5.波粒二象性,一、 尺度,肉眼可见（大于0.2mm）宏观形态 光镜（LM/OM）可见（小于0.2mm，大于200nm）微观形态 光镜不可见（小于200nm ）超微观 形态: a)透射电镜（TEM）b)扫描电镜（SEM）,二、显微技术的相关术语,放大倍数：M=成像大小/实物大小 分辨本领：显微镜能分辨的物体上两条线（或两点）之间的最小距离（最小分辨距离）的倒数（线数/mm）。习惯上，多用最小分辨距离来表示分辨本领。 放大倍数和分辨本领的关系：Me=肉眼分辨本领/仪器分辨本领 光镜的最高有效放大倍数约
4、为：Me=0.2mm/200nm=1000（倍）,三、光镜的分辨本领的限制,为什么光镜的分辨本领只能达到200nm ？这是由于光波的衍射现象所限制的。 根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分辨本领；由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式）为：d=0.61/(Nsin)，其中， Nsin是透镜的孔径数（简写为N A ），常于镜头上标明，其最大值为1.3。因此，上式可近似化简为：d=0.5 光镜采用的可见光的波长为400760nm。,四、原子的大小,原子不是刚球。通常所讲的原子的大小是指原子的有效作用范围。最轻与最重的原子的半径差异并不
5、大。让我们来估算一下原子的大小： 已知，石墨的密度=3.5g/cm3 ，1mol石墨的体积V=12/3.5(cm3 /mol)， 1mol石墨所含的C原子数为N0=6.021023 所以，单个 C原子的体积=V/ N0=5.7 10-24cm3, C原子的半径约为1.17=11.7nm=1.17 10-10m,五、波粒二象性,1924年，德布洛依提出了微观粒子具有二象性的假设，后来由汤姆生父子用电子做实验证实。 德布洛依的假设认为质量为m,速度为的微粒的德布洛依波的波长是： =h/m 相关公式：E=h (波动性)，E=mc2(粒子性),要求掌握的基本原理,1.几何理论：BRAGG定律2.强度理
6、论：五大因子、消光规律3.TEM、 SEM 工作原理 4 TEM与光镜LM的对比 5.X衍射与电子衍射的对比,BRAGG定律,立方晶系,总的强度公式,透射电镜（TEM）与光镜（LM）的对比,照明光源：LM是用可见光，TEM是用由电子枪发出的电子束做光源。 镜筒：LM的镜筒内部可以是大气，TEM的镜筒内部必须是真空状态。 透镜：LM所用的透镜一般是用固体介质（如玻璃）制成，TEM的电子透镜是由特殊形状的电场或磁场构成。 观察：LM的图像可以直接用肉眼观察，图像的结构层次可以是彩色显示，而TEM的电子图像的结构层次只能以灰度（黑白）对比显示，不能直接以是彩色显示。,X衍射与电子衍射的相同之处,电子
7、衍射的原理和X-ray衍射原理相似，都以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件。两种衍射技术得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。,X衍射与电子衍射的不同,第一：电子波的波长比X-ray短得多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角很小，约10-2rad。而X-ray产生衍射时，其衍射角最大可接近/2。 第二：在进行电子衍射操作时作用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能放生衍射。,第三：因为电子波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球的半径很大，在衍射角较小的范围内反射球的球面可近似看成一
8、个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分在一个二维倒易截面内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反映，晶体内各晶面的位向，更方便于分析。 第四：原子对电子的散射能力远高于X-ray的散射能力（约高出四个数量级），故电子衍射束的强度更强，摄取衍射花样时暴光时间仅需数秒。,各自的领域,电子衍射应用的领域：物相分析和结构分析；确定晶体位向；确定晶体缺陷的结构及其晶体学特征。 X-ray衍射应用的领域： 物相分析，应力测定，单晶体位向，测定多晶体的结构，最主要是物相定性分析,课堂练习,一、名词解释： 相干散射（汤姆逊散射）、不相干散射（康普顿散射）、荧光辐射、俄歇效应、吸收限、倒易、晶
9、面指数与晶向指数、干涉面、衍射与反射、结构因子、多重因子、PDF卡、衬度、景深 等等,二、选择题,1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是 A.X射线透射学；B.X射线衍射学C.X射线光谱学；D.其它 2. M层电子回迁到K层后，多余的能量放出的特征X射线称 A K；B. K；C. K；D. L。 3.一束X射线照射到晶体上能否产生衍射取决于（ ）。 A是否满足布拉格条件B是否衍射强度I0；CA+B；D晶体形状。 4.面心立方晶体（111）晶面族的多重性因素是（ ）。 A4；B8；C6；D12。 5.最常用的X射线衍射方法是（ ）。 A. 劳厄法；B. 粉末多晶法；C. 周转晶体法；D. 德拜
10、法。 6.测定钢中的奥氏体含量，若采用定量X射线物相分析，常用方法是 A. 外标法；B. 内标法；C. 直接比较法；D. K值法。,7.若某电镜的最高分辨率是0.5nm，那么这台电镜的有效放大倍数是（ A. 1000；B. 10000；C. 400000；D.600000。 8.如果单晶体衍射花样是正六边形，那么晶体结构是（ ）。 A. 六方结构；B. 立方结构；C. 四方结构；D. A或B。 9.将某一衍射斑点移到荧光屏中心并用物镜光阑套住该衍射斑点成像，这是（ ）。 A. 明场像；B. 暗场像；C. 中心暗场像；D.弱束暗场像。 10.波谱仪与能谱仪相比，能谱仪最大的优点是（ ）。 A.
11、快速高效；B. 精度高；C. 没有机械传动部件；D. 价格便宜。,问答题,1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？ 2.射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？3.叙述如何用X射线进行物相分析及注意事项。4.电子衍射与X射线衍射有那些区别？可否认为有了电子衍射分析手段，X射线衍射方法就可有可无了？,计算题,1.已知钼的K0.71，铁的K1.93及钴的K1.79，试求光子的频率和能量。试计算钼的K激发电压，已知钼的K0.619。已知钴的K激发电压VK7.71kv，试求其K。2.计算0.071 nm（MoK）和0.154 nm（CuK）的X射线的振动频率和能量。3.铝为
12、面心立方点阵，a=0.409nm。今用CrKa（=0.209nm）摄照周转晶体相，X射线垂直于001。试判断下列晶面有无可能参与衍射：（111），（200），（220），（311），（331），（420）。,一、名词解释（5*4） 1.结构因子 2.分辨率 3.光电效应 4.选区衍射,二、选择题（10*4）,1. 扫描电子显微镜配备的成分分析附件中最常见的仪器是：A. 波谱仪；B. 能谱仪；C. 俄歇电子谱仪；D. 特征电子能量损失谱。 2. 研究含铁试样时最好选（ ）靶，研究非铁试样时，一般选（ ）靶 A. Cu. 、 Cu；B. Fe 、 Fe ；C. Ni 、 Fe ；D. Co 、 C
13、u 3.有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm，用铁靶K（K=0.194nm）照射该晶体能产生（ ）衍射线。 A. 三条； B .四条； C. 五条；D. 六条。 4. 正方晶体（110）晶面族的多重性因素是（ ）。 A4；B8；C6；D12。5.衍射仪法中的试样形状是（ ）。A. 丝状粉末多晶；B. 块状粉末多晶；C. 块状单晶；D. 任意形状。,6. X射线物相定性分析时，若已知材料的物相可以查（ ）进行核对。 A. Hanawalt索引；B. Fenk索引；C. Davey索引；D. A或B。 7.电子衍射成像时是将（ ）。 A. 中间镜的物平面与与物镜的背焦面重合；B. 中间镜的物
14、平面与与物镜的像平面重合；C. 关闭中间镜；D. 关闭物镜。 8.单晶体电子衍射花样是（ ）。 A. 平行四边形斑点B. 同心圆环；C. 晕环；D.不规则斑点。 9 . 薄片状晶体的倒易点形状是（ ）。 A. 尺寸很小的倒易点；B. 尺寸很大的球；C. 有一定长度的倒易杆；D. 倒易圆盘。 10.可以探测表面1nm层厚的样品成分信息的物理信号是： A. 背散射电子；B. 吸收电子；C. 特征X射线；D. 俄歇电子。,三、综合题（10*4）,1.图为某样品德拜相（示意图），摄照时未经滤波。已知1、2为同一晶面衍射线，3、4为另一晶面衍射线试对此现象作出解释,2.在不考虑能量损失的情况下，分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKX射线激发CuK荧光辐射； （2）用CuKX射线激发CuK荧光辐射； （3）用CuKX射线激发CuL荧光辐射。,3.特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等于它的K系特征X射线波长？,4. CuK辐射（=0.154 nm）照射Ag（f.c.c）样品，测得第一衍射峰位置2=38，试求Ag的点阵常数。,
