材料分析方法提綱

1、材料分析方法復(fù)習(xí)提綱電子束與物質(zhì)的相互作用以及電子光學(xué)基礎(chǔ)1、電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信號(hào)及特點(diǎn)1) 背散射電子:能量高；來(lái)自樣品表面幾百nm深度范圍；其產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及結(jié)構(gòu)分析。2) 二次電子:能量較低；來(lái)自表層510nm深度范圍；對(duì)樣品表面化狀態(tài)十分敏感。不能進(jìn)行成分分析.主要用于分析樣品表面形貌。3) 吸收電子:其襯度恰好和SE或BE信號(hào)調(diào)制圖像襯度相反;與背散射電子的襯度互補(bǔ)。吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，即可用來(lái)進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析.4) 透射電子：透射電子信號(hào)由微區(qū)的厚度、成分和晶體結(jié)構(gòu)決定.可進(jìn)行微區(qū)成分分析。5) 特征X射線: 用特征值

2、進(jìn)行成分分析，來(lái)自樣品較深的區(qū)域6) 俄歇電子:各元素的俄歇電子能量值很低；來(lái)自樣品表面12nm范圍。它適合做表面分析。2、輕元素的滴狀作用體積、重元素的半球狀作用體積的形成原理3、電磁透鏡的聚焦原理1) 電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到磁場(chǎng)的作用力，即洛侖磁力。2) 透射電子顯微鏡中用磁場(chǎng)來(lái)使電子波聚焦成像的裝置是電磁透鏡。3) 電磁透鏡實(shí)質(zhì)是一個(gè)通電的短線圈，它能造成一種軸對(duì)稱不均勻分布的磁場(chǎng)。4、電磁透鏡的基本特點(diǎn)1) 景深（透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深）大，對(duì)于圖像的聚焦操作（尤其是在高放大倍率下）是非常有利的；2) 焦長(zhǎng)（透鏡像平面允許的軸向偏差定義為透鏡的焦長(zhǎng)）長(zhǎng)，對(duì)于圖像的照

3、相記錄帶來(lái)了極大方便。材料組織形貌分析：掃描電鏡、透射電鏡1、掃描電鏡的成像原理掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope-SEM）是以類似電視攝影顯像的方式，通過(guò)細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描激發(fā)出的各種物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像的顯微分析技術(shù)。2、背散射電子的原子序數(shù)襯度原理在原子序數(shù)小于40的范圍內(nèi)，背散射電子的產(chǎn)額對(duì)原子序數(shù)十分敏感。樣品上原子序數(shù)較高的區(qū)域中由于收集到的背散射電子數(shù)量較多，故熒光屏上的圖像較亮，原子序數(shù)較低的地方則相應(yīng)較暗。3、二次電子像的襯度原理二次電子產(chǎn)額對(duì)微區(qū)表面的幾何形狀十分敏感。隨入射束與試樣表面法線夾角增大，二次電子產(chǎn)額增大，相應(yīng)的亮度也

4、增加。凸出的尖棱、小粒子以及比較陡的斜面處二次電子產(chǎn)額較多，在熒光屏上這些部位的亮度較大；平面上二次電子的產(chǎn)額較小，亮度較低；在深的凹槽底部雖然也能產(chǎn)生較多的二次電子，但是這些二次電子不易被檢測(cè)器收集到，因此槽底襯度也會(huì)顯得較暗。4、質(zhì)厚襯度成像原理入射電子透過(guò)樣品時(shí)碰到的原子數(shù)目越多（樣品越厚或原子密度越大），樣品原子核庫(kù)侖電場(chǎng)越強(qiáng)，被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而通過(guò)物鏡光闌參與成像的電子強(qiáng)度也就越低，因此，樣品中相鄰區(qū)域不同的厚度或密度就會(huì)導(dǎo)致成像電子強(qiáng)度的差異，這就產(chǎn)生了襯度。5、透射電鏡的樣品制備方法樣品的基本要求：1）薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過(guò)程中，組織結(jié)構(gòu)不

5、變化；2）樣品相對(duì)于電子束必須有足夠的透明度3）薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在制備、夾持和操作過(guò)程中不會(huì)引起變形和損壞；4）在樣品制備過(guò)程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。樣品制備的工藝過(guò)程：1) 切薄片樣品，采用電火花切割法是最廣泛的方法；2) 預(yù)減薄，采用的方法有機(jī)械法和化學(xué)法；3) 終減薄，效率最高和操作最簡(jiǎn)便的方法是雙噴電解拋光法，對(duì)于不導(dǎo)電的樣品可以采用離子減薄法。6、薄晶體樣品的衍襯成像原理（明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像的襯度原理）設(shè)薄膜有A、B兩晶粒B內(nèi)的某(hkl)晶面嚴(yán)格滿足Bragg條件，或B晶粒內(nèi)滿足“雙光束條件”，則通過(guò)(hkl)衍射使入射強(qiáng)度I0分解為Ihkl和IO-Ihkl兩部分，A晶

6、粒內(nèi)所有晶面與Bragg角相差較大，不能產(chǎn)生衍射。在物鏡背焦面上的物鏡光闌，將衍射束擋掉，只讓透射束通過(guò)光闌孔進(jìn)行成像（明場(chǎng)），此時(shí)，像平面上A和B晶粒的光強(qiáng)度或亮度不同，分別為IA I0，IB I0 - IhklB晶粒相對(duì)A晶粒的像襯度為明場(chǎng)成像： 只讓中心透射束穿過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為明場(chǎng)鏡。暗場(chǎng)成像：只讓某一衍射束通過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為暗場(chǎng)像。材料結(jié)構(gòu)分析：X射線衍射學(xué)、透射電鏡下材料相結(jié)構(gòu)分析X射線的本質(zhì)：連續(xù)X射線、特征X射線的特點(diǎn)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜；X射線的衍射幾何：布拉格方程、衍射矢量方程及愛(ài)瓦爾德圖解法的等同性X射線的衍射強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)因素公式的應(yīng)用、

7、產(chǎn)生衍射的充分必要條件產(chǎn)生衍射的充分必要條件：滿足布拉格方程，F(xiàn)0多晶體粉末法的衍射條件與衍射幾何勞厄法的衍射幾何及衍射花樣的幾何解釋勞埃法成像原理和衍射花樣分布規(guī)律可用厄瓦爾德圖解法解釋連續(xù)X射線：對(duì)應(yīng)厄瓦爾德球半徑：令：所有位于A、B兩個(gè)反射球之間的倒易陣點(diǎn)都能滿足衍射條件。對(duì)于任一波長(zhǎng) ，其衍射矢量方程為：定性物相分析的方法及應(yīng)用X-射線物相分析： 獲得衍射花樣，計(jì)算d和I/I1值（2dsin=） 用三強(qiáng)先去查索引，若兩條相等則不斷組合去嘗試，最后定出一相；然后對(duì)剩余衍射峰進(jìn)行歸一化處理，在按照上述方法進(jìn)行查對(duì)； 最后判定：與實(shí)際聯(lián)系定出物相。未知樣品檢測(cè)點(diǎn)陣常數(shù)精確測(cè)定的原理1測(cè)定點(diǎn)陣

8、常數(shù)的依據(jù) 2衍射線的位置即2q角 3以衍射花樣指數(shù)化為基礎(chǔ) 4通過(guò)布拉格方程和晶面間距公式計(jì)算點(diǎn)陣常數(shù)宏觀應(yīng)力測(cè)量的基本原理單軸應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力狀態(tài);織構(gòu)的定義及分類，絲織構(gòu)的衍射幾何多晶體的擇尤取向稱為織構(gòu)。分類：鑄造織構(gòu)、形變織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu)、絲織構(gòu)、板織構(gòu)。絲織構(gòu)的衍射幾何：織構(gòu)軸的概念:形成絲織構(gòu)時(shí),各晶粒取向聚集的方向.如果通過(guò)某個(gè)與織構(gòu)軸成一定角度的(HKL)反射面來(lái)描述絲織構(gòu),則該反射面的倒易矢量r*HKL與織構(gòu)軸成固定取向關(guān)系,其夾角為.電子衍射結(jié)構(gòu)分析1)電子波的波長(zhǎng)比X射線短的多,在同樣滿足布拉格定律時(shí),它的衍射角非常小,約為10-2rad, 而X射線衍射時(shí), 最大角可

9、接近/2.2)電子衍射操作時(shí)采用薄膜樣品,薄膜樣品的倒易陣點(diǎn)會(huì)沿樣品的厚度方向延伸成桿狀,于是,增加了倒易陣點(diǎn)和厄瓦爾德球相交的機(jī)會(huì),結(jié)果使略微偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射. 3)由于電子波的波長(zhǎng)短,采用厄瓦爾德圖解時(shí),反射球的半徑很大,在衍射角較小的范圍內(nèi),反射球面可以近似看成一個(gè)平面. 可以認(rèn)為,電子衍射產(chǎn)生的衍射斑點(diǎn)大致分布在一個(gè)二維倒易截面內(nèi).這個(gè)結(jié)果使晶體產(chǎn)生的衍射花樣能比較直觀地反映各晶面的位向,便于實(shí)際結(jié)構(gòu)分析.4)原子對(duì)電子的散射能力遠(yuǎn)高于它對(duì)X射線的散射能力(約高出4個(gè)數(shù)量級(jí)),故電子衍射束的強(qiáng)度較大,攝取衍射花樣時(shí)曝光時(shí)間僅需數(shù)秒鐘透射電鏡的成像原理成像：中間鏡的物平

10、面與物鏡的像平面重合衍射：中間鏡的物平面與物鏡的焦平面重合電子衍射的基本原理：偏離矢量的物理意義 2很小，一般為120 （）由 代入上式即 ， L為相機(jī)常數(shù)這就是電子衍射的基本公式。SAD及單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定特點(diǎn)：根據(jù)物鏡的放大倍數(shù),選取特定尺寸的選區(qū)光闌,分析特定微區(qū)的相結(jié)構(gòu).利于在多晶體樣品中選取單個(gè)晶粒進(jìn)行分析.單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定1. 已知相機(jī)常數(shù)和樣品晶體結(jié)構(gòu) 1) 測(cè)量靠近中心斑點(diǎn)的幾個(gè)衍射斑點(diǎn)至中心斑點(diǎn)的距離R1，R2，R3，R4，2) 根據(jù)衍射基本公式R=L/d，計(jì)算相應(yīng)面間距di3) 由于晶體結(jié)構(gòu)已知，di相應(yīng)晶面族的面間距相應(yīng)晶面族指數(shù)hkli4) 測(cè)量各衍射斑點(diǎn)

11、之間的夾角j5) 確定離開(kāi)中心斑點(diǎn)最近衍射點(diǎn)的指數(shù)6) 確定第二個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)。第二個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)不能任選，必須和第一個(gè)斑點(diǎn)間符合夾角公式因此，可通過(guò)嘗試法獲得7) 確定其它斑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)衍射面指數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單矢量運(yùn)算即可求得8) 根據(jù)晶帶定律求零層倒易面法線的方向即晶帶軸指數(shù)2. 相機(jī)常數(shù)未知、晶體結(jié)構(gòu)已知時(shí)衍射花樣的標(biāo)定1) 測(cè)量靠近中心斑點(diǎn)的幾個(gè)衍射斑點(diǎn)至中心斑點(diǎn)的距離R1，R2，R3，R4，2) 根據(jù)R2j的順序比,結(jié)合點(diǎn)陣消光規(guī)律判斷晶體的點(diǎn)陣類型。根據(jù)與某一R對(duì)應(yīng)的N值判定衍射面指數(shù)3) 其它同第一種情況中（48）步3. 相機(jī)常數(shù)已知，晶體結(jié)構(gòu)未知時(shí)衍射花樣的標(biāo)定1) 測(cè)量低指數(shù)斑點(diǎn)的R值。

12、應(yīng)在幾個(gè)不同方位攝取電子衍射花樣，保證能測(cè)出最前面的8個(gè)R值2) 根據(jù)R，計(jì)算出各個(gè)d值3) 查PDF卡片，和各d值都相符的物象即為待測(cè)晶體4. 標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照法將實(shí)際觀察、記錄到的衍射花樣直接與標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)比，寫出斑點(diǎn)指數(shù)并確定晶帶軸的方向5. 查表法根據(jù)“衍射矢量”R2/R1及R1和R2之間的夾角查相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表。要求R1 R2。聚光鏡光闌、物鏡光闌、選區(qū)光闌的作用聚光鏡光闌。在雙聚光鏡系統(tǒng)中,該光闌裝在第二聚光鏡下方。作用:限制照明孔徑角。物鏡光闌。安裝在物鏡后焦面。作用: 提高像襯度；減小孔徑角，從而減小像差；進(jìn)行暗場(chǎng)成像。選區(qū)光闌:放在物鏡的像平面位置。作用: 對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)衍射分

13、析。電子探針成分分析（1）電子探針定點(diǎn)分析：將電子束固定在要分析的微區(qū)上用波譜儀分析時(shí)，改變分光晶體和探測(cè)器的位置，即可得到分析點(diǎn)的X射線譜線；用能譜儀分析時(shí)，幾分鐘內(nèi)即可直接從熒光屏（或計(jì)算機(jī)）上得到微區(qū)內(nèi)全部元素的譜線（2）電子探針線分析：將譜儀（波、能）固定在所要測(cè)量的某一元素特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置把電子束沿著指定的方向作直線軌跡掃描，便可得到這一元素沿直線的濃度分布情況。改變位置可得到另一元素的濃度分布情況。（3）電子探針面分析：電子束在樣品表面作光柵掃描，將譜儀（波、能）固定在所要測(cè)量的某一元素特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置，此時(shí)，在熒光屏上得到該元素的面分布圖像。改變位置可得到另一元素的濃度分布情況。也是用X射線調(diào)制圖像的方法能譜儀： 用來(lái)檢測(cè)X射線的特征能量的儀器波譜儀：用來(lái)檢測(cè)X射線的特征波長(zhǎng)的儀器優(yōu)點(diǎn):1）能譜儀探測(cè)X射線的效率高。2）在同一時(shí)間對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)所有元素X射線光子的能量進(jìn)行測(cè)定和計(jì)數(shù)，