材料現(xiàn)代分析與測(cè)試技術(shù)復(fù)習(xí)資料

1、X射線衍射分析（基礎(chǔ)與應(yīng)用）一.X射線的特性 人的肉眼看不見(jiàn)X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過(guò)不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。§ X射線呈直線傳播，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過(guò)物體時(shí)僅部分被散射。§ X射線對(duì)動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對(duì)人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。二.X射線具有波粒二相性1.X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此其同樣具有波粒二象性。波動(dòng)性:§ 硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。 § 軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較

2、低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。 § 三.X光與可見(jiàn)光的區(qū)別§ 1) X光不折射，因?yàn)樗形镔|(zhì)對(duì)X光的折光指數(shù)都接近1。因此無(wú)X光透鏡或X光顯微鏡。§ 2) X光無(wú)反射§ 3) X光可為重元素所吸收，故可用于醫(yī)學(xué)造影。1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子（一般用電子）與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。產(chǎn)生原理X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子（一般用電子）與某種物質(zhì)（陽(yáng)極靶）相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中

3、一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生X射線條件§ 1.產(chǎn)生自由電子； § 2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)（陰極陽(yáng)極間加高電壓）; § 3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物（陽(yáng)極靶）使電子突然減速或停止。 § 陰極發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。§ 陽(yáng)極靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。窗口X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對(duì)出射X射線的阻礙。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極高速電子轉(zhuǎn)換成X射線

4、的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極。3000r/min 因陽(yáng)極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會(huì)燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。思考：1、為何X光管應(yīng)抽真空？1-4 X射線譜X射線譜指的是X射線的強(qiáng)度（I）隨波長(zhǎng)（）變化的關(guān)系曲線。X射線強(qiáng)度大小由單位面積上的光量子數(shù)決定。 § 由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類(lèi)型：§ (1)連續(xù)（白色）X射線 § (2)特征（標(biāo)識(shí)）X射線 § 連續(xù)

5、輻射，特征輻射(1) 連續(xù)X射線由具有從某個(gè)最短波長(zhǎng)（短波極限0）開(kāi)始的連續(xù)的各種波長(zhǎng)的X射線的集合（即：波長(zhǎng)范圍為0 ）短波限§ 連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱(chēng)為短波限0。它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線，此光子能量最大波長(zhǎng)最短。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。§ 光子能量為： § 式中 e 電子電荷，等于 （庫(kù)侖）§ V管電壓h普朗克常數(shù)，等于X射線的強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于X射線傳播方向的單位面積上光子數(shù)目（能量）的總和。 常用單位是J/cm2.s. 隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶

6、，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?1、當(dāng)增加X(jué)射線管壓時(shí)，各波長(zhǎng)射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，最大強(qiáng)度波長(zhǎng)m和短波限0變小。2、當(dāng)管壓保持不變，增加管流時(shí)，各種波長(zhǎng)的X射線相對(duì)強(qiáng)度一致增高， 但0數(shù)值大小不變。3、當(dāng)改變陽(yáng)極靶元素時(shí)，各種波長(zhǎng)的相對(duì)強(qiáng)度隨元素的原子序數(shù)的增加而增加?？偨Y(jié)：連續(xù)射線的總強(qiáng)度與管電壓、管電流及陽(yáng)極材料（一般為鎢靶）的原子序數(shù)有關(guān)標(biāo)識(shí)X射線的特征§ 當(dāng)電壓低于臨界電壓時(shí)，只產(chǎn)生連續(xù)X射線。當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，在連續(xù)X射線的基礎(chǔ)上產(chǎn)生波長(zhǎng)一定的譜線，構(gòu)成標(biāo)識(shí)X射線譜。當(dāng)電壓、電流繼續(xù)增加時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，

7、強(qiáng)度隨電壓增加。這種譜線的波長(zhǎng)只決定于陽(yáng)極材料，不同元素的陽(yáng)極材料發(fā)出不同波長(zhǎng)的X射線。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為Ka和K，波長(zhǎng)分別為0.71 Å和0.63 Å.產(chǎn)生機(jī)理§ 在電子轟擊陽(yáng)極的過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。此時(shí)較外層較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜：hnn2®n1=En2En1，射線波長(zhǎng)§ h/E必然是個(gè)僅僅取決于原子外層電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的常數(shù)，或者說(shuō)是個(gè)僅僅取決于原子序數(shù)的常數(shù).莫塞萊定律§ 同系（

8、例如Ka1、La1等）特征X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系： 莫塞萊定律：同系特征X射線譜的波長(zhǎng)或頻率n與原子序數(shù)Z關(guān)系為：或者l ：波長(zhǎng); C：與主量子數(shù)、電子質(zhì)量和電子電荷有關(guān)的常數(shù); Z ：靶材原子序數(shù); s ：屏蔽常數(shù)根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長(zhǎng)，與已知的元素波長(zhǎng)相比較，可以確定它是何元素。特征X射線波長(zhǎng)與靶材料原子序數(shù)有關(guān)原子序數(shù)越大，核對(duì)內(nèi)層電子引力上升，l下降§ X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：§ 相干散射；§ 非相干散射。 1. 相干散射當(dāng)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在

9、入射電場(chǎng)作用下，物質(zhì)原子中的電子將被迫圍繞其平衡位置振動(dòng)，同時(shí)向四周輻射出與入射X射線波長(zhǎng)相同的散射X射線，稱(chēng)為經(jīng)典散射。由于散射波與入射波的頻率或波長(zhǎng)相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波發(fā)生的相互加強(qiáng)的干涉現(xiàn)象，又稱(chēng)為相干散射。又稱(chēng)為彈性散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)2. 非相干散射X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，且能量減小，波長(zhǎng)增加稱(chēng)為非相干散射.。§ 非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來(lái)描述，亦稱(chēng)量子散射。這種散射分布在各方向上，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，相位與入射線之間也沒(méi)有固定

10、的關(guān)系，故不產(chǎn)生相互干涉，不能產(chǎn)生衍射，只會(huì)稱(chēng)為衍射譜的背底，給衍射分析工作帶來(lái)干擾和不利的影響。§X射線的吸收§ X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收過(guò)程。§ 光電效應(yīng)1 -光電子和熒光X射線§ 當(dāng)入射X光子的能量足夠大時(shí)，還可以將原子內(nèi)層電子擊出使其成為光電子，同時(shí)輻射出波長(zhǎng)嚴(yán)格一定的特征X射線。為區(qū)別于電子擊靶時(shí)產(chǎn)生的特征輻射，由X射線發(fā)出的特征輻射稱(chēng)為二次特征輻射，也稱(chēng)為熒光輻射。(熒光光譜分析原理是光電效應(yīng))§ 光電效應(yīng)2- 俄歇

11、效應(yīng) § 從L層跳出原子的電子稱(chēng)KLL俄歇電子。每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測(cè)定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類(lèi)，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。不過(guò)，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測(cè)到的只是表面兩三個(gè)原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。 § 光電效應(yīng)小結(jié)§ 1.光電子：被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量,所以可用來(lái)進(jìn)行成分分析(XPS)§ 2. 俄歇電子：高能級(jí)的電子回跳,多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子帶

12、有殼層的特征能量(AES)§ 3. 二次熒光：高能級(jí)的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱(chēng)熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量質(zhì)量衰減系數(shù)m§ 表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。§ 質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系： K為常數(shù)§ m對(duì)于一定波長(zhǎng)和一定物質(zhì)來(lái)說(shuō)，是與物質(zhì)密度無(wú)關(guān)的常數(shù)。其物理意義為每克物質(zhì)引起的相對(duì)衰減量。它不隨物質(zhì)的物理狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、粉末或塊狀的固態(tài)、機(jī)械混合態(tài)、化合物或固液體等）而改變。 § 吸收限的應(yīng)用 -X射線濾波片的選擇 § 獲得單色光的方法之一是在X射線出射的路

13、徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡(jiǎn)便地將K和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。 § § 濾波片的選擇: § (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K ，強(qiáng)烈吸收K， 而對(duì)K吸收很?。?#167; (2)濾波片的選擇以將K強(qiáng)度降低一半為最佳。 § Z靶<40時(shí) Z濾片=Z靶-1； § Z靶³40時(shí) Z濾片=Z靶-2。 § 吸收限的應(yīng)用 -陽(yáng)極靶材料的選擇 § 避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射X射線的波長(zhǎng)，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽(yáng)極靶材料，讓靶材產(chǎn)生的特征X射線波長(zhǎng)偏離樣品的吸收限。

14、7; Z靶Z樣+1；或Z靶>>Z樣。§ 對(duì)于多元素的樣品，原則上是以含量較多的幾種元素中最輕的元素為基準(zhǔn)來(lái)選擇靶材。§ 根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是§ （1）陽(yáng)極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；§ （2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。 § Z靶Z試樣+1。§ 1912年勞厄?qū)射線用于CuSO4晶體衍射同時(shí)證明了這兩個(gè)問(wèn)題,從此誕生了X射線晶體衍射學(xué)§ 1.6.2 X射線衍射方向§ 晶體學(xué)基礎(chǔ)§ 一. 晶體結(jié)構(gòu)的特征：周期性§ 晶體具有如下共同性質(zhì)：§ （1）均勻性§ （

15、2）各向異性§ （3）自范性§ （4）固定的熔點(diǎn)§ 二. 晶體結(jié)構(gòu)的特征：點(diǎn)陣性§ 點(diǎn)陣是重復(fù)圖形中環(huán)境相同點(diǎn)的排列陣式，它僅是圖形或物質(zhì)排列規(guī)律的一種數(shù)學(xué)抽象，并沒(méi)有具體的物質(zhì)內(nèi)容。 § 布拉維點(diǎn)陣：十四種 § 面間距越大的晶面其指數(shù)越低，節(jié)點(diǎn)的密度越大§ 一般是晶面指數(shù)數(shù)值越小，其面間距較大，并且其陣點(diǎn)密度較大，而晶面指數(shù)數(shù)值較大的則相反。§ 例1 某斜方晶體的a=7.417Å, b=4.945Å, c=2.547Å, 計(jì)算d110和d200。§ d110 =4.11&#

16、197;, d200=3.71Å1.6.3衍射的概念與布拉格方程一、X射線衍射原理衍射的概念：衍射是由于存在某種位相關(guān)系的兩個(gè)或兩個(gè)以上的波相互疊加所引起的一種物理現(xiàn)象。 這些波必須是相干波源(同方向、同頻率、位相差恒定)相干散射是衍射的基礎(chǔ)，而衍射則是晶體對(duì)X射線相干散射的一種特殊表現(xiàn)形式。二、衍射的概念與布拉格方程用勞厄方程描述x射線被晶體的衍射現(xiàn)象時(shí)，入射線、衍射線與晶軸的六個(gè)夾角確定，用該方程組求點(diǎn)陣常數(shù)比較困難。所以，勞厄方程雖能解釋衍射現(xiàn)象，但使用不便。1912年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子（Bragg，W.H.Bragg，W.L.）從x射線被原子面“反射”的觀點(diǎn)出發(fā)，推出了非

17、常重要和實(shí)用的布拉格定律?？梢哉f(shuō)，勞厄方程是從原子列散射波的干涉出發(fā)，去求射線照射晶體時(shí)衍射線束的方向，而布拉格定律則是從原子面散射波的干涉出發(fā)，去求x射線照射晶體時(shí)衍射線束的方向，兩者的物理本質(zhì)相同。x射線有強(qiáng)的穿透能力.計(jì)算相鄰鏡面反射的波程差是多少，相鄰鏡面波程差為： BC+BD= 2dSin當(dāng)波程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍（n），就會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉 n= 2dSin n稱(chēng)為反射級(jí),可為1，2，3Bragg定律是反映衍射幾何規(guī)律的一種表達(dá)方式其中：d 是面間距（晶格常數(shù)） 是入射X射線的波長(zhǎng) 是入射線或反射線與反射面的夾角， 稱(chēng)為掠射角，由于它等于入射線與衍射線夾角的一半，故又稱(chēng)為半衍射角，實(shí)際工作

18、中所測(cè)的角度不是q角，而是2q 。把2 稱(chēng)為衍射角。（2）布拉格方程的討論1：選擇反射§ 射線在晶體中的衍射，實(shí)質(zhì)上是晶體中各原子相干散射波之間互相干涉的結(jié)果。但因衍射線的方向恰好相當(dāng)于原子面對(duì)入射線的反射，故可用布拉格定律代表反射規(guī)律來(lái)描述衍射線束的方向（ ）。§ 但應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，x射線從原子面的反射和可見(jiàn)光的鏡面反射不同，前者是有選擇地反射，其選擇條件為布拉格定律；而一束可見(jiàn)光以任意角度投射到鏡面上時(shí)都可以產(chǎn)生反射，即反射不受條件限制。§ 2：衍射級(jí)數(shù)及衍射極限條件 § 2 d（hkl）sin=n n=1、2、3 n為衍射級(jí)數(shù) § 將Brag

19、g方程改寫(xiě)為 § 因sin<1，故n/2d <1或者 ，對(duì)衍射而言，n的最小值為1時(shí)§ 此時(shí)/2<d， 這就是能產(chǎn)生衍射的限制條件§ Bragg方程的極限條件說(shuō)明：用波長(zhǎng)為的x射線照射晶體時(shí)，晶體中只有晶面間距d>/2的晶面才能產(chǎn)生衍射。§ 這規(guī)定了X衍射分析的下限：§ 對(duì)于一定波長(zhǎng)的X射線而言，晶體中能產(chǎn)生衍射的晶面數(shù)是有限的。§ 對(duì)于一定晶體而言，在不同波長(zhǎng)的X射線下，能產(chǎn)生衍射的晶面數(shù)是不同的。§ 布拉格方程是X射線在晶體產(chǎn)生衍射的必要條件而非充分條件。有些情況下晶體雖然滿足布拉格方程，但不一定

20、出現(xiàn)衍射線，即所謂系統(tǒng)消光§ 思考：§ 1 、是hkl值大的還是小的面網(wǎng)容易出現(xiàn)衍射？§ 2、要使某個(gè)晶體的衍射數(shù)量增加， 你選長(zhǎng)波的X射線還是短波的？§ 4： 衍射線方向§ 因此，研究衍射線束的方向，可以確定晶胞的形狀大小。另外，從上述三式還能看出，衍射線束的方向與原子在晶胞中的位置和原子種類(lèi)無(wú)關(guān)，只有通過(guò)衍射線束強(qiáng)度的研究，才能解決這類(lèi)問(wèn)題§ 二、布拉格方程應(yīng)用§ 一方面是用已知波長(zhǎng)的X射線去照射晶體，通過(guò)衍射角的測(cè)量求得晶體中各晶面的面間距d，這就是結(jié)構(gòu)分析- X射線衍射學(xué)；§ 另一方面是用一種已知面間距的晶

21、體來(lái)反射從試樣發(fā)射出來(lái)的X射線，通過(guò)衍射角的測(cè)量求得X射線的波長(zhǎng)，這就是X射線光譜學(xué)。§ 16.4 衍射線的強(qiáng)度§ X射線衍射理論能將晶體結(jié)構(gòu)與衍射花樣有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，它包括衍射線束的方向、強(qiáng)度和形狀。§ 衍射方向，反映晶胞的大小和形狀因素，可以用Bragg方程描述。§ 衍射強(qiáng)度， 反映晶體的原子種類(lèi)以及原子在晶胞中的位置不同。§ 一個(gè)電子對(duì)X射線的散射§ 當(dāng)入射線與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子相遇，光量子能量不足以使原子電離，但電子可在X射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，這樣電子就成為一個(gè)電磁波的發(fā)射源，向周?chē)椛渑c入射X射線波長(zhǎng)相同的輻

22、射-稱(chēng)相干散射.§ X射線射到電子e后，在空間一點(diǎn)P處的相干散射強(qiáng)度為 § R: 電場(chǎng)中任意一點(diǎn)到發(fā)生散射電子的距離(觀測(cè)距離)。§ 2 ：電場(chǎng)中任意一點(diǎn)到原點(diǎn)連線與入射X射線方向的夾角。§ e:電子電荷，m:電子質(zhì)量，§ 0：真空介電常數(shù)c:光速§ 電子對(duì)X射線散射特點(diǎn)§ Ie=I0 a   散射線強(qiáng)度很弱約為入射強(qiáng)度的幾十分之一b   散射線強(qiáng)度與到觀測(cè)點(diǎn)距離的平方成反比c 在2=0處，散射強(qiáng)度最強(qiáng)，也只有這些波才符合相干散射的條件。 在20時(shí)，散射強(qiáng)度減弱.在2=90&

23、#176;時(shí)，散射強(qiáng)度為2=0方向上一半結(jié)論： =0，Ie=I0 =/2、3/2，Ie=1/2I0 這說(shuō)明，一束非偏振的X射線經(jīng)過(guò)電子散射后其散射強(qiáng)度在空間的各方向上變的不相同了，被偏振化了。偏振化程度取決與2角。 偏振因子X(jué)射線散射強(qiáng)度的單位，其單位為J/(m2.s)原子中的電子在其周?chē)纬呻娮釉?，?dāng)散射角2=0時(shí)，各電子在這個(gè)方向的散射波之間沒(méi)有光程差，它們的合成振幅為Aa=ZAe；如果X射線的波長(zhǎng)比原子直徑大得多時(shí)，可以做這種假設(shè)。 這時(shí)一個(gè)原子衍射強(qiáng)度 Ia=Z2Ie 經(jīng)過(guò)修正：一個(gè)電子對(duì)X射線散射后空間某點(diǎn)強(qiáng)度可用Ie表示，那么一個(gè)原子對(duì)X射線散射后該點(diǎn)的強(qiáng)度Ia：f 是原子散射因子

24、，它反映了各個(gè)電子散射波的位相差之后，原子中所有電子散射波合成的結(jié)果。由于電子波合成時(shí)要有損耗，所以， fZ。晶胞對(duì)X光的散射為晶胞內(nèi)每個(gè)原子散射的加和稱(chēng)為結(jié)構(gòu)因子F 。(結(jié)合課本28頁(yè))結(jié)構(gòu)振幅的計(jì)算1、 簡(jiǎn)單點(diǎn)陣該種點(diǎn)陣其結(jié)構(gòu)因數(shù)與HKL無(wú)關(guān)，即HKL為任意整數(shù)時(shí)均能產(chǎn)生衍射2、體心立方點(diǎn)陣 體心點(diǎn)陣中，只有當(dāng)H+K + L為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射。面心立方點(diǎn)陣只有指數(shù)為全奇或全偶的晶面才能產(chǎn)生衍射。3、面心點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣只有指數(shù)為全奇或全偶的晶面才能產(chǎn)生衍射由上可見(jiàn)滿足布拉格方程只是必要條件,衍射強(qiáng)度不為0是充分條件,即F不為0各種點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)因子F 2hkl粉末多晶體的衍射強(qiáng)度勞厄法的波長(zhǎng)

25、是變化的所以強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變§ 在粉末法中影響衍射強(qiáng)度的因子有如下五項(xiàng)§ （1） 結(jié)構(gòu)因子 （2）角因子（包括極化因子和羅侖茲因子） § （3） 多重性因子 （4） 吸收因子 （5） 溫度因子§ 2.角因子（羅侖茲因子）:X射線衍射強(qiáng)度將受到X射線入射角、參與衍射的晶粒數(shù)、衍射角的大小等因素的影響。以上三種幾何因子影響均于布拉格角有關(guān)，稱(chēng)為：羅侖茲因子()§ 原子本身是在振動(dòng)的，當(dāng)溫度升高，原子振動(dòng)加劇，必然給衍射帶來(lái)影響：1.晶胞膨脹；2.衍射線強(qiáng)度減?。?.產(chǎn)生非相干散射。§ 綜合考慮，得：溫

26、度因子為：e-2M§ 綜合X射線衍射強(qiáng)度影響的諸因素，可得：§§2.5 X射線衍射方法目前勞埃法用于單晶體取向測(cè)定及晶體對(duì)稱(chēng)性的研究。三、粉末法§ 單色x-ray照射多晶體或粉末試樣的方法。（d變）§ 衍射花樣采用照相底片記錄，稱(chēng)粉末照相法（粉末法、粉晶法）。§ 衍射花樣采用I曲線記錄，稱(chēng)衍射儀法?？偨Y(jié)§ 關(guān)于X射線衍射方向§ 1.布拉格方程的討論(講了哪些問(wèn)題?) 2.真正理解布拉格方程的幾何解!3. X射線衍射方向反應(yīng)的是晶體的晶胞大小與形狀,換句話說(shuō),就是可以通過(guò)衍射方向來(lái)了解晶體的晶胞大小與形狀§

27、 X射線衍射強(qiáng)度§ 1.X射線衍射強(qiáng)度是被照射區(qū)所有物質(zhì)原子核外電子散射波在衍射方向的干涉加強(qiáng).是一種集合效應(yīng).§ 2.X射線衍射強(qiáng)度反應(yīng)的是晶體原子位置與種類(lèi).§ 3.著重掌握結(jié)構(gòu)振幅,干涉函數(shù),粉末衍射強(qiáng)度和相對(duì)強(qiáng)度概念.§ 為什么X射線衍射可以用來(lái)分析表征晶體的結(jié)構(gòu)問(wèn)題2.4X射線衍射分析方法總結(jié) 衍射儀法的特點(diǎn):試樣是平板狀 存在兩個(gè)圓(測(cè)角儀圓,聚焦圓) 衍射是那些平行于試樣表面的平面提供的 相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算公式不同 接收射線是輻射探測(cè)器(正比計(jì)數(shù)器) 測(cè)角儀圓的工作特點(diǎn):試樣與探測(cè)器以1:2的角速度轉(zhuǎn)動(dòng);射線源,試樣和探測(cè)器三者應(yīng)始終位于聚焦圓上

28、一.勞厄法: 在衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，單晶體不動(dòng)，采用連續(xù)X光作入射光束。方法范圍l q Laue法單晶 變化 固定 轉(zhuǎn)晶法單晶 固定變化粉晶法多晶 固定變化重點(diǎn)學(xué)習(xí)粉晶法 一、多晶體分析方法粉末法所有衍射法中應(yīng)用最廣的一種方法。它是以單色X射線照射粉末試樣(真正的粉末或多晶試樣)。 粉末法主要可以分為：􀂾 德拜謝樂(lè)(Debye-Scherre)照相法 特點(diǎn)：圓絲狀試樣，用乳膠片記錄衍射據(jù)􀂾 粉末衍射儀法 特點(diǎn)：用電子探測(cè)器記錄衍射數(shù)據(jù)德拜相機(jī) 德拜相機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由相機(jī)圓筒、光欄、承光管和位于圓筒中心的試樣架構(gòu)成。相機(jī)圓筒上下有結(jié)合緊密的底蓋密封，與圓筒內(nèi)壁周長(zhǎng)相

29、等的底片，圈成圓圈緊貼圓筒內(nèi)壁安裝，并有卡環(huán)保證底片緊貼圓筒 相機(jī)圓筒常常設(shè)計(jì)為內(nèi)圓周長(zhǎng)為180mm和360mm，對(duì)應(yīng)的圓直徑為57.3mm和114.6mm。 這樣的設(shè)計(jì)目的是使底片在長(zhǎng)度方向上每毫米對(duì)應(yīng)圓心角2°和1°，為將底片上測(cè)量的弧形線對(duì)距離2L折算成2角提供方便。 德拜法的試樣制備 首先，試樣必須具有代表性；其次試樣粉末尺寸大小要適中，第三是試樣粉末不能存在應(yīng)力 德拜法中的試樣尺寸為0.4-0.8×5-10mm的圓柱樣品。制備方法有：（1）用細(xì)玻璃絲涂上膠水后，捻動(dòng)玻璃絲粘結(jié)粉末。（2）采用石英毛細(xì)管、玻璃毛細(xì)管來(lái)制備試樣。將粉末填入石英毛細(xì)管或玻璃毛細(xì)

30、管中即制成試樣。（3）用膠水將粉末調(diào)成糊狀注入毛細(xì)管中，從一端擠出2-3mm長(zhǎng)作為試樣。 德拜法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇 根據(jù)吸收規(guī)律，所選擇的陽(yáng)極靶產(chǎn)生的X射線不會(huì)被試樣強(qiáng)烈地吸收，即Z靶 Z樣+1 在確定了靶材后，選擇濾波片的原則是： 當(dāng)Z靶 40時(shí)，Z濾 = Z靶 - 1； 當(dāng)Z靶 >40時(shí)，Z濾 = Z靶 2， X射線衍射儀 X射線衍射儀的主要組成部分有X射線衍射發(fā)生裝置、測(cè)角儀、輻射探測(cè)器和測(cè)量系統(tǒng)，除主要組成部分外，還有計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等。 測(cè)角儀 測(cè)角儀圓中心是樣品臺(tái)H。樣品臺(tái)可以繞中心O軸轉(zhuǎn)動(dòng)。平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺(tái)H上，并保證試樣被照射的表面與O軸線嚴(yán)格重合。 測(cè)角儀圓周上

31、安裝有X射線輻射探測(cè)器D，探測(cè)器亦可以繞O軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。 工作時(shí)，探測(cè)器與試樣同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為2：1的比例關(guān)系。 設(shè)計(jì)2:1的角速度比，樣品轉(zhuǎn)過(guò)角，其某組晶面滿足Bragg條件，探測(cè)器必須轉(zhuǎn)動(dòng)2才能感受到衍射線.目的是確保探測(cè)的衍射線與入射線始終保持2的關(guān)系，即入射線與衍射線以試樣表示法線為對(duì)稱(chēng)軸，在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。 這樣輻射探測(cè)器接收到的衍射是那些與試樣表示平行的晶面產(chǎn)生的衍射。當(dāng)然，同樣的晶面若不平行與試樣表面，盡管也產(chǎn)生衍射，但衍射線進(jìn)不了探測(cè)器，不能被接受。衍射儀中的光路布置 X射線經(jīng)線狀焦點(diǎn)S發(fā)出，為了限制X射線的發(fā)散，在照射路徑中加入S1梭拉光欄限制X射線在垂直方向的發(fā)散，加入

32、DS發(fā)散狹縫光欄限制X射線的水平方向的發(fā)散度。 試樣產(chǎn)生的衍射線也會(huì)發(fā)散，同樣在試樣到探測(cè)器的光路中也設(shè)置防散射光欄SS、梭拉光欄S2和接收狹縫光欄RS，這樣限制后僅讓聚焦照向探測(cè)器的衍射線進(jìn)入探測(cè)器，其余雜散射線均被光欄遮擋。 經(jīng)過(guò)二道光欄限制，入射X射線僅照射到試樣區(qū)域，試樣以外均被光欄遮擋。 聚焦圓 當(dāng)一束X射線從S照射到試樣上的A、O、B三點(diǎn)，它們的同一HKL的衍射線都聚焦到探測(cè)器F。若S為光源、F為聚焦點(diǎn)（光接收光闌）、 A、O、B為反射點(diǎn)（樣品表面），則各點(diǎn)應(yīng)在一個(gè)圓上，這個(gè)圓為聚焦圓。圓周角SAF=SOF=SBF=-2。設(shè)測(cè)角儀圓的半徑為R，聚焦圓半徑為r，根據(jù)圖3-10的衍射幾

33、何關(guān)系，可以求得聚焦圓半徑r與測(cè)角儀圓的半徑R的關(guān)系。 在 中，測(cè)角儀圓的半徑R是固定不變的，聚焦圓半徑r則是隨的改變而變化的。當(dāng) 0º，r ； 90º，r rmin = R/2。 這說(shuō)明衍射儀在工作過(guò)程中，聚焦圓半徑r是隨的增加而逐漸減小到R/2，是時(shí)刻在變化的。 第三章 電子顯微分析電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種物理信號(hào)，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。§ 方法： 1、透射電鏡（TEM） 2、掃描電鏡（SEM） 3、電子探針（EMPA）§ 光學(xué)顯微鏡 : 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，直觀。 局限性：分辨本領(lǐng)低（0.2微米）；只能

34、觀察表面形貌；不能做微區(qū)成分分析。§ 化學(xué)分析 : 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，方便。局限性：只能給出試樣的平均成分，不能給出所含元素隨位置的分布；不能觀察象 。 § X射線衍射:優(yōu)點(diǎn)：精度高；分析樣品的最小區(qū)域mm數(shù)量級(jí)；局限性：平均效應(yīng)；無(wú)法把形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái) 。 § 電子顯微分析特點(diǎn)：§ 1、不破壞樣品，直接用陶瓷等多晶材料。2、是一種微區(qū)分析方法，了解成分-結(jié)構(gòu)的微區(qū)變化。§ 3、靈敏度高，成像分辨率高，為0.2-0.3nm，能進(jìn)行nm尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成分析。§ 4、各種電子顯微分析儀器日益向多功能、綜合性發(fā)展，可以進(jìn)行

35、形貌、物相、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等的綜合分析。§ 第一節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ)§ 一、光學(xué)顯微鏡的分辨力§ 阿貝原理 r分辨本領(lǐng)（nm） 照明源的波長(zhǎng)（nm） n透鏡上下方介質(zhì)的折射率透鏡孔徑半角（度） nsin數(shù)值孔徑，用N·A表示§ 由上式可知，減小r值的途徑有： 1、增加介質(zhì)的折射率； 2、增大物鏡孔徑半角； 3、采用短波長(zhǎng)的照明源。§ 對(duì)于光學(xué)透鏡，當(dāng)nsin做到最大時(shí)（n1.5，70-75°）分辨本領(lǐng)極限為§ 除了電磁波譜外，在物質(zhì)波中，電子波不僅具有短波長(zhǎng)，而且存在使之發(fā)生折射聚焦的物質(zhì)。所以電子波可以作為照明光

36、源，由此形成電子顯微鏡。§ 二、電子波的波長(zhǎng)§ 根據(jù)德布羅意的觀點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)的電子除了具有粒子性外，還具有波動(dòng)性。這一點(diǎn)上和可見(jiàn)光相似。電子波的波長(zhǎng)取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，電子波長(zhǎng)的表達(dá)式§ m - 電子質(zhì)量 v - 電子速度 h - 普朗克常數(shù) § 電子的質(zhì)量在較低的運(yùn)動(dòng)速度下近似等于電子靜止質(zhì)量 。電子運(yùn)動(dòng)速度，它和加速電壓V之間存在如下關(guān)系：§§§ 式中e為電子所帶電荷，e=1.6×10-19C h -普朗克常數(shù)= 6.626×10-34J.s m - 電子質(zhì)量=9.11×10-31Kg&

37、#167; 三、電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)與電子透鏡 § 在電子顯微分析中使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、聚焦的裝置電子透鏡。§ 按工作原理分：（1）靜電透鏡 （2）電磁透鏡（3）TEM、SEM：多個(gè)電磁透鏡的組合。§ 電磁透鏡成像§ 光學(xué)透鏡成像時(shí)，物距L1、像距L2和焦距f三者之間滿足如下關(guān)系：§ （3-7）§ 電磁透鏡成像時(shí)也可以應(yīng)用式（3-7）。所不同的是，光學(xué)透鏡的焦距是固定不變的，而電磁透鏡的焦距是可變的。電磁透鏡焦距f常用的近似公式為：§ （3-8）§ 式中是K常數(shù)，V電子加速電壓，D極靴孔徑、（IN）是電磁透鏡的激磁安匝

38、數(shù)。F透鏡的結(jié)構(gòu)系數(shù)§ 由式（3-8）可以發(fā)現(xiàn)，改變激磁電流可以方便地改變電磁透鏡的焦距。而且電磁透鏡的焦距總是正值，這意味著電磁透鏡不存在凹透鏡，只是可變焦的凸透鏡（會(huì)聚透鏡）。§ 四、電磁透鏡的像差及其對(duì)分辨率的影響§ 按式（3-2）最佳的光學(xué)透鏡分辨率是波長(zhǎng)的一半。對(duì)于電磁透鏡來(lái)說(shuō)，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到分辨率是波長(zhǎng)的一半。以日立H-800透射電鏡為例，其加速電壓達(dá)是200KV，若分辨率是波長(zhǎng)的一半，那么它的分辨率應(yīng)該是0.00125nm；實(shí)際上H-800透射電鏡的點(diǎn)分辨率是0.45nm，與理論分辨率相差約360倍。§ 什么原因?qū)е逻@樣的結(jié)果呢？原來(lái)電

39、磁透鏡也和光學(xué)透鏡一樣，除了衍射效應(yīng)對(duì)分辨率的影響外，還有像差對(duì)分辨率的影響。由于像差的存在，使得電磁透鏡的分辨率低于理論值。電磁透鏡的像差包括球差、像散和色差。§ 1、球差§ 球差是因?yàn)殡姶磐哥R近軸區(qū)域磁場(chǎng)和遠(yuǎn)軸區(qū)域磁場(chǎng)對(duì)電子束的折射能力不同而產(chǎn)生的。 原來(lái)的物點(diǎn)是一個(gè)幾何點(diǎn)，由于球差的影響現(xiàn)在變成了半徑為rS的漫散圓斑。我們用rS表示球差大小，計(jì)算公式為：§§球差是像差影響電磁透鏡分辨率的主要因素，它還不能象光學(xué)透鏡那樣通過(guò)凸透鏡、凹透鏡的組合設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償或矯正。 2、色差v 普通光學(xué)中不同波長(zhǎng)的光線經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)，因折射率不同，將在不同點(diǎn)上聚焦，由此引起

40、的像差稱(chēng)為色差。電鏡色差是由于成像電子的能量不同或變化，從而在透鏡磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡不同以致不能聚焦在一點(diǎn)而形成的像差。v 引起電子能量波動(dòng)的原因有兩個(gè)，一是電子加速電壓不穩(wěn)，致使入射電子能量不同；二是電子束照射試樣時(shí)和試樣相互作用，部分電子產(chǎn)生非彈性散射，致使能量變化。v 3、軸上像散v 像散是可以消除的像差。像散是由透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)引起的像差。v 五、電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)v 景深（場(chǎng)深）： 透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離。換言之，在景深范圍內(nèi)，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。 電磁透鏡的特點(diǎn)：分辨好、景深大v 焦長(zhǎng)是指物點(diǎn)固定不變（物距不變），在

41、保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線可移動(dòng)的距離。v 1、背散射電子back scattering electrons, BE）v 彈性背散射電子是指被樣品中原子核反彈回來(lái)的散射角大于90°的那些入射電子，其能量基本上沒(méi)有變化。v 非彈性背散射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射而造成的，不僅能量變化，方向也發(fā)生變化。v 背散射電子特點(diǎn)v 特點(diǎn)：1）能量高，大于50ev； 2）分辨率較低； 3）產(chǎn)生與Z有關(guān)，與形貌有關(guān)。v 由于背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背散射電子作為成像信號(hào)不僅能分析形貌特征，也可用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，定性地進(jìn)行成分分析。2、 二次

42、電子：（secondary electrons, SE）二次電子是指被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子。 由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，因此外層的電子比較容易和原子脫離。當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可離開(kāi)原子而變成自由電子。§ 如果這種散射過(guò)程發(fā)生在比較接近樣品表層，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。§ 一個(gè)能量很高的入射電子射入樣品時(shí)，可以產(chǎn)生許多自由電子，而在樣品表面上方檢測(cè)到的二次電子絕大部分來(lái)自?xún)r(jià)電子。3、 吸收電子（absorption electrons, AE）入射電子進(jìn)入樣品后

43、，經(jīng)多次非彈性散射，能量損失殆盡（假定樣品有足夠厚度，沒(méi)有透射電子產(chǎn)生），最后被樣品吸收，這種電子稱(chēng)為吸收電子。§ 入射電子束與樣品發(fā)生作用，若逸出表面的背散射電子或二次電子數(shù)量任一項(xiàng)增加，將會(huì)引起吸收電子相應(yīng)減少，若把吸收電子信號(hào)作為調(diào)制圖像的信號(hào)，則其襯度與二次電子像和背散射電子像的反差是互補(bǔ)的。§ 4、俄歇電子（Auger electrons, AuE）§ 如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出來(lái)的能量不是以X射線的形式釋放，而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種被電子激發(fā)的二次電子叫做俄歇電子。§ 俄歇電子僅在表面1nm層內(nèi)產(chǎn)生

44、，適用于表面分析。§ 顯然，一個(gè)原子中至少要有三個(gè)以上的電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，鈹是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。§ 5、透射電子（transmisive electrons, TE) § 透射電子的主要組成部分是彈性散射電子，成像比較清晰，電子衍射斑點(diǎn)也比較明銳。§ 電子束于物質(zhì)作用產(chǎn)生的三類(lèi)信號(hào)§ 電子訊號(hào)，又可細(xì)分為： 未散射電子（透射電子） 散射電子(包括彈性、非彈性反射和穿透電子及被吸收電子) 激發(fā)電子(包括二次電子及俄歇電子(Auger electron) ) § 電磁波訊號(hào)，又可分為：1.X光射線(包括特性及制動(dòng)輻射) 2. 可

45、見(jiàn)光(陰極發(fā)光)§ 電動(dòng)勢(shì)：由半導(dǎo)體中電子一空穴對(duì)的產(chǎn)生而引起。§ 小節(jié)§§ X射線§ 與物質(zhì)相互作用§ 1.散射(相干,非相干)§ 2.光電效應(yīng)(俄歇,二次熒光,光電子)§ 3.透射§ 4.熱§ 電子束§ 與物質(zhì)相互作用§ 1.背散射; 2.二次電子§ 3.透射電子; 4.吸收電子§ 5.俄歇; 6.特征X射線§ 7.陰極熒光 § 第三節(jié) 透射電鏡（TEM）§ 透射電鏡結(jié)構(gòu) § 一、儀器結(jié)構(gòu) 透射電子顯微鏡由三大部

46、分組成：§ 電子光學(xué)系統(tǒng)，電子光學(xué)系統(tǒng)是電鏡的主要組成部分。 真空系統(tǒng) 供電控制系統(tǒng)。§ 電子光學(xué)系統(tǒng)的組成部分示意圖。由圖可見(jiàn)透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)是一種積木式結(jié)構(gòu)，上面是照明系統(tǒng)、中間是成像系統(tǒng)、下面是觀察與記錄系統(tǒng)。§ 照明系統(tǒng)§ 照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。 電子槍是發(fā)射電子的照明光源（熱陰極三級(jí)電子槍?zhuān)?#167; 聚光鏡是把電子槍發(fā)射出來(lái)的電子會(huì)聚而成的交叉點(diǎn)進(jìn)一步會(huì)聚后照射到樣品上。§ 照明系統(tǒng)的作用就是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。 § 成像系統(tǒng)§ 成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡

47、和投影鏡組成。§ （一）物鏡 物鏡是用來(lái)形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡。因?yàn)槲镧R的任何缺陷都被成像系統(tǒng)中其它透鏡進(jìn)一步放大。欲獲得物鏡的高分辨率，必須盡可能降低像差。通常采用強(qiáng)激磁，短焦距的物鏡。§ 中間鏡是一個(gè)弱激磁的長(zhǎng)焦距變倍透鏡. 投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮?。┑南瘢娮友苌浠樱┻M(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個(gè)短焦距的強(qiáng)磁透鏡。§ 高性能的透射電鏡大都采用5級(jí)透鏡放大，即中間鏡和投影鏡有兩級(jí)，分第一中間鏡和第二中間鏡，第一投影鏡和第二投影鏡。投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放

48、大（或縮?。┑南瘢娮友苌浠樱┻M(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個(gè)短焦距的強(qiáng)磁透鏡。§ 觀察和記錄裝置包括熒光屏和照相機(jī)構(gòu)§ 二、透射電鏡的主要部件-樣品臺(tái) 樣品臺(tái)的作用是承載樣品，并使樣品能作平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進(jìn)行觀察分析。透射電鏡的樣品是放置在物鏡的上下極靴之間，由于這里的空間很小，所以透射電鏡的樣品也很小，通常是直徑3mm的薄片。§ 透射電鏡的主要部件-消像散器 消像散器可以是機(jī)械式的，可以是電磁式的。機(jī)械式的是在電磁透鏡的磁場(chǎng)周?chē)胖脦讐K位置可以調(diào)節(jié)的導(dǎo)磁體，用它們來(lái)吸引一部分磁場(chǎng)，把固有的橢圓形磁場(chǎng)校正成接近旋

49、轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的磁場(chǎng)。電磁式的是通過(guò)電磁極間的吸引和排斥來(lái)校正橢圓形磁場(chǎng)的 § 透射電鏡的主要部件-光闌 在透射電子顯微鏡中有許多固定光闌和可動(dòng)光闌，它們的作用主要是擋掉發(fā)散的電子，保證電子束的相干性和照射區(qū)域。其中三種主要的可動(dòng)光闌是第二聚光鏡光闌，物鏡光闌和選區(qū)光闌。§ 第二聚光鏡光闌 聚光鏡光闌的作用是限制照明孔徑角。§ （二）物鏡光闌 物鏡光闌又稱(chēng)為襯度光闌，通常它被放在物鏡的后焦面上。§ 常用物鏡光闌孔的直徑是20120m范圍。§ 電子束通過(guò)薄膜樣品后產(chǎn)生散射和衍射。散射角(或衍射角)較大的電子被光闌擋住，不能繼續(xù)進(jìn)入鏡筒成像，從而就會(huì)在像平

50、面上形成具有一定襯度的圖像。光闌孔越小，被擋去的電子越多，圖像的襯度就越大，這就是物鏡光闌又叫做襯度光闌的原因。加入物鏡光闌使物鏡孔徑角減小，能減小像差，得到質(zhì)量較高的顯微圖像。§ 物鏡光闌的另一個(gè)主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑點(diǎn)（即副焦點(diǎn)）成像，這就是所謂暗場(chǎng)像。利用明暗場(chǎng)顯微照片的對(duì)照分析，可以方便地進(jìn)行物相鑒定和缺陷分析。§ （三）選區(qū)光闌§ 三、透射電鏡的主要指標(biāo) 分辨力、放大倍數(shù)、加速電壓§ 電子衍射作為一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)分析方法，在材料科學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，主要有以下三個(gè)方面：§ （1）物相分析和結(jié)構(gòu)分析 （2）確定晶體位向； （3）

51、確定晶體缺陷的結(jié)構(gòu)及其晶體學(xué)特征。§ 電子衍射和X射線衍射共同點(diǎn)§ 電子衍射的原理和X射線衍射相似，是以滿足（或基本滿足）布拉格方程§ 作為產(chǎn)生衍射的必要條件。§ 兩種衍射技術(shù)得到的衍射花樣在幾何特征上也大致相似：多晶體的電子衍射花樣是一系列不同半徑的同心圓環(huán)，單晶衍射花樣由排列得十分整齊的許多斑點(diǎn)所組成，而非晶體物質(zhì)的衍射花樣只有一個(gè)漫散的中心斑點(diǎn) § 一、電子衍射原理§ 電子衍射的2q角很小（一般為幾度），即入射電子束和衍射電子束都近乎平行于衍射晶面。§ 衍射花樣與晶體的幾何關(guān)系 Bragg定律：2d sin= d =

52、晶面間距 電子波長(zhǎng) q = Bragg 衍射角 § 衍射花樣投影距離： 當(dāng)很小 tan2 sin2 2sin 2 sin 故可近似寫(xiě)為 2sinq=R/L§§ 將此式代入布拉格方程(2dsinq= l )，得 § l/d=R/L Rd=lL 此即為電子衍射（幾何分析）基本公式（式中R與L以mm計(jì)）。當(dāng)加速電壓一定時(shí)，電子波長(zhǎng)l值恒定，則lLK（K為常數(shù)，稱(chēng)為相機(jī)常數(shù)）。 那么Rd=K 如果相機(jī)常數(shù)已知只要測(cè)定出衍射斑點(diǎn)與入射束之間的距離就能知道晶面間距 § 單晶電子衍射花樣的標(biāo)定 標(biāo)定前的預(yù)先縮小范圍 根據(jù)斑點(diǎn)的規(guī)律性判斷：§ 1.平

53、行四邊形-7大晶系都有可能 2.矩形-不可能是三斜晶系 3.有心矩形-不可能是三斜晶系§ 4.正方形-只可能是四方或立方晶系 5.正六角-只可能是六角、三角或立方晶系§ 一、透射電子顯微鏡樣品制備 1、粉末樣品制備§ 需透射電鏡分析的粉末顆粒（超聲分散）一般都小于銅網(wǎng)小孔，應(yīng)此要先制備對(duì)電子束透明的支持膜。§ 常用支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。§ 粉末或顆粒樣品制備的關(guān)鍵取決于能否使其均勻分散到支持膜上。§ 第六節(jié) 掃描電子顯微鏡 § 掃描電子顯微鏡的成像原理和光學(xué)顯微鏡或透射電子

54、顯微鏡不同，它是以電子束作為照明源，把聚焦得很細(xì)的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)有關(guān)的信息，然后加以收集和處理從而獲得微觀形貌放大像。§ 特 點(diǎn) § 儀器分辨本領(lǐng)較高。二次電子像分辨本領(lǐng)可達(dá)1.0nm(場(chǎng)發(fā)射),3.0nm(鎢燈絲)；§ 儀器放大倍數(shù)變化范圍大（從幾倍到幾十萬(wàn)倍），且連續(xù)可調(diào)；§ 圖像景深大，富有立體感?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面（如金屬和陶瓷的斷口等）；§ 試樣制備簡(jiǎn)單。只要將塊狀或粉末的、導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的試樣不加處理或稍加處理，就可直接放到SEM中進(jìn)行觀察。一般來(lái)說(shuō)，比透射電子顯微鏡（TEM）的制樣

55、簡(jiǎn)單，且可使圖像更近于試樣的真實(shí)狀態(tài)；§ 可做綜合分析。§ SEM裝上波長(zhǎng)色散X射線譜儀（WDX）（簡(jiǎn)稱(chēng)波譜儀）或能量色散X射線譜儀（EDX）（簡(jiǎn)稱(chēng)能譜儀）后，在觀察掃描形貌圖像的同時(shí)，可對(duì)試樣微區(qū)進(jìn)行元素分析。§ 裝上半導(dǎo)體樣品座附件，可以直接觀察晶體管或集成電路的p-n結(jié)及器件失效部位的情況。§ 裝上不同類(lèi)型的試樣臺(tái)和檢測(cè)器可以直接觀察處于不同環(huán)境（加熱、冷卻、拉伸等）中的試樣顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程（動(dòng)態(tài)觀察）。§ 一、掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理§ 掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。

56、§ 1電子光學(xué)系統(tǒng)§ 電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。§ 其作用是用來(lái)獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)的激發(fā)源。§ 為獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。§ 掃描電子顯微鏡一般由三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)聚光鏡是強(qiáng)透鏡，用來(lái)縮小電子束光斑尺寸。§ 第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距，該透鏡下方放置祥品，為避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾，該透鏡采用上下極靴不同且孔徑不對(duì)稱(chēng)的特殊結(jié)構(gòu)，這樣可以大大減小下極靴的圓孔直徑，從而減小了試樣表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度§ 二、掃

57、描電鏡工作原理§§ 三、掃描電子顯微鏡的主要性能§ 1放大倍數(shù)（magnification）2分辨率（resolution）3景深（depth of field / depth of focus）§ 1放大倍數(shù) 當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為l，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為L(zhǎng)，則掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為：M=L/l§ 2、 分辨率 分辨率是掃描電鏡的主要性能指標(biāo)。分辨率是掃描電鏡的主要性能指標(biāo)。§ 分辨率大小由入射電子束直徑和調(diào)制信號(hào)類(lèi)型共同決定：電子束直徑越小，分辨率越高。§ 用于成像的物理信號(hào)不同，分辨率不同。§ 掃描電子顯微鏡的分辨率除受電子束直徑和調(diào)制信號(hào)的類(lèi)型影響外，還受樣品原于序數(shù)、信噪比、雜散磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)等因素影響。§ 3景深§ 景深是指透鏡對(duì)高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍，這個(gè)范圍用一段距離來(lái)表示。§ b為電子束孔徑角?？梢?jiàn)，電子束孔徑角是控制掃描電子顯微鏡景深的主要因素，它取決于末級(jí)透鏡的光闌直徑和工作距離