材料測試綜合實驗報告

1、XRD實驗 X射線衍射儀的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用一、實驗?zāi)康?.認(rèn)識西門子D5000型X射線衍射儀，了解其基本操作過程，掌握樣品制備方法。2. 掌握X射線衍射儀的用途，學(xué)會實驗數(shù)據(jù)的分析處理。 3.了解X射線衍射數(shù)據(jù)處理的程序與方法。4.掌握依據(jù)X射線衍射進(jìn)行物相鑒定的原理與方法。二、實驗原理1. X射線衍射儀的基本結(jié)構(gòu) D5000X射線衍射儀由X射線發(fā)生器(X光管)、測角儀、探測器、單色器以及計算機(jī)系統(tǒng)組成（圖1）。圖1 D5000型X射線衍射儀2. X射線衍射儀的工作原理X射線對晶體的衍射遵循布拉格方程：圖2 X衍射與布拉格方程其中d為晶面間距，為入射束與反射面的夾角，n為任何正整數(shù)，為

2、X射線的波長，如圖2所示。實驗采用的是西門子D5000型X射線衍射儀，其特點(diǎn)是采用樣品水平放置型測角儀。樣品臺位于測角儀中心，樣品臺的中心軸與測角儀的中心軸(垂直圖面) 垂直。在測試過程中樣品位置保持不變，X光管和探測器繞樣品相對轉(zhuǎn)動；樣品表面嚴(yán)格地與測角儀中心軸重合。在測量過程中，由X光管（X-ray tube）發(fā)射出的X射線，通過入射狹縫（Divergence Slit）、照射到試樣（Sample）上，產(chǎn)生的衍射射線，通過防散射狹縫（Scattering Slit）、索拉狹縫（Soller Slit）、接收狹縫（Receiving Slit），經(jīng)過彎晶單色器（monochromator）、

3、探測器狹縫（Detector Slit）過濾，到達(dá)輻射探測器（Detector），探測器接收衍射線的X射線光子，以數(shù)據(jù)的形式在計算機(jī)上自動保存（圖3）。通過軟件Pmgr控制衍射儀的運(yùn)行，并運(yùn)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出精確的衍射線位置、強(qiáng)度和線形等衍射數(shù)據(jù)，并進(jìn)行物相定性、定量分析。圖3 測角儀基本結(jié)構(gòu)示意圖在衍射測量時，X光管、探測器繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動，樣品位置保持不變，不斷地改變?nèi)肷渚€與樣品表面的夾角，與此同時計數(shù)器沿測角儀圓、以與X光管相同的角速度運(yùn)動，使探測器始終位于與入射線方向成2的位置，接收各衍射角2所對應(yīng)的衍射強(qiáng)度。也就是說，角和2角以12的角速度聯(lián)合驅(qū)動， X光管、探測器相對

4、于樣品，以同樣的角速度向樣品正上方運(yùn)動。3. X射線衍射儀的應(yīng)用X衍射儀廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、藥物學(xué)、冶金學(xué)、高分子材料、生命科學(xué)及材料科學(xué)?？梢苑治鲳ね恋V物、合金、陶瓷、食品、藥物，做生物材料、建筑材料、高分子材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、納米材料、超晶格材料和磁性材料的物相鑒定。材料可以是單晶體、多晶體、纖維、薄膜等，可以呈片狀、塊狀、粉末狀，甚至包括液體。X射線衍射儀可在大氣中無損分析樣品，樣品可回收、再利用。進(jìn)行物質(zhì)的定性分析、晶格常數(shù)確定，可通過峰面積計算進(jìn)行定量分析，通過半高寬、峰形等進(jìn)行粒徑、結(jié)晶度、結(jié)構(gòu)解析等各種分析。4.物相分析原理 任何一種結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)。在一定

5、波長的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都產(chǎn)生自己特有的衍射花樣。每一種物質(zhì)與它的衍射花樣都是一一對應(yīng)的，不可能有兩種物質(zhì)給出完全相同的衍射花樣。如果試樣中存在兩種以上不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)時，每種物質(zhì)所特有的衍射花樣不變，多相試樣的衍射花樣只是由它所含各物質(zhì)的衍射花樣機(jī)械疊加而成。在進(jìn)行相分析時，為了便于對比和存貯，通常用面間距d和相對強(qiáng)度I的數(shù)據(jù)組代表衍射花樣。這就是說，用dI數(shù)據(jù)組作為定性相分析的基本判據(jù)。其中又以d值為主要判據(jù)，I值為輔助判據(jù)。物相鑒定的方法，就是將由試樣測得的dI數(shù)據(jù)組(即衍射花樣)與已知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)dI數(shù)據(jù)庫(即標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣)進(jìn)行對比，從而鑒定出試樣中存在的物相。這種標(biāo)準(zhǔn)圖4 A

6、l2O3 的PDF卡片（10-173）dI數(shù)據(jù)組是由簡稱“ICDD”的國際性組織負(fù)責(zé)編輯出版。將每種物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)和它的晶體學(xué)參數(shù)一起制成一張卡片，稱為PDF卡片。每張PDF卡片代表一種物相，標(biāo)有自己的順序號?？ㄆ械膬?nèi)容包括兩個部分： 作為查尋依據(jù)的三強(qiáng)線d-I數(shù)值，以及衍射花樣中各衍射線的d-I數(shù)據(jù)； 物相名稱，化學(xué)式，晶體學(xué)參數(shù)，光學(xué)性質(zhì)和實驗條件等。2. 物相鑒定中應(yīng)注意的問題實驗所得出的衍射數(shù)據(jù)，往往與標(biāo)準(zhǔn)卡片或表中所列的衍射數(shù)據(jù)并不完全一致，通常只能是基本一致或相對地符合。盡管兩者所研究的樣品確實是同一種物相，也會是這樣。因此，在數(shù)據(jù)對比時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： d的數(shù)據(jù)比I/I1數(shù)據(jù)重

7、要，即實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)兩者的d值必須很接近，一般要求其相對誤差在±1 %以內(nèi)。I/I1值容許有較大的誤差。 強(qiáng)線比弱線重要，低角度的線比高角度的線重要，特別要重視d值大的強(qiáng)線。 若實測的衍射數(shù)據(jù)較卡片中少幾個弱線的衍射數(shù)據(jù)，不影響物相的鑒定。三、實驗設(shè)備 西門子D5000衍射儀四、實驗內(nèi)容1. X射線衍射儀的特點(diǎn)D5000具有高轉(zhuǎn)速及高精度角度重現(xiàn)性，樣品固定不動，X光管和探測器繞樣品轉(zhuǎn)動，能夠測定超大型樣品、液體樣品。具有獨(dú)立2軸驅(qū)動，可選擇-2聯(lián)動（X光管繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動，不斷地改變?nèi)肷渚€與試樣表面的夾角，與此同時計數(shù)器沿測角儀圓以2倍于試樣轉(zhuǎn)的速度運(yùn)動，使探測器始終位于與入

8、射線方向成2的位置，接收衍射角為所對應(yīng)的衍射強(qiáng)度，叫 - 2驅(qū)動。），或、2軸獨(dú)立驅(qū)動（X光管固定不動，探測器繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動；或探測器不動，X光管繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動），但X光管與樣品表面入射角不小于5°。2. X射線衍射儀的操作程序（1）開機(jī)程序：首先檢查儀器是否正常，然后打開電源總閘。依次打開循環(huán)冷凝水電源開關(guān)及面板開關(guān)，控制一定的循環(huán)水溫度。打開X-射線衍射儀主機(jī)電源開關(guān)，Power燈亮。打開計算機(jī)，進(jìn)入程序。鼠標(biāo)單擊，打開三個工作窗口(系統(tǒng)參數(shù)窗口“DisplaySetup”、測試條件設(shè)置窗口“Right Gonio Condition”、測試窗口“Right Gonio

9、Analysis” )。（2）測試程序：樣品制備：粉末狀樣品，直接倒入樣品架的中心凹槽，用玻璃片壓平，要求樣品表面應(yīng)平整，樣品槽外清潔。塊狀樣品，使用中空的樣品架，用橡皮泥固定于樣品架中心，要求待測面表面平整、與樣品架表面齊平。測試過程：打開主機(jī)門，將樣品片插入主機(jī)的樣品座中，關(guān)上機(jī)門。輸入樣品名稱、測試條件。點(diǎn)擊Start，開啟X-射線管高壓，機(jī)身左下面板中X-rays on指示燈亮，開始對樣品進(jìn)行掃描。測試完畢，X-射線管自動關(guān)閉、X-rays on指示燈滅。重復(fù)操作進(jìn)行下一個樣品的測試。（3）關(guān)機(jī)程序：所有測試結(jié)束，退出Pmgr程序。注意：本著先開后關(guān)的原則依次關(guān)閉程序窗口。依次關(guān)閉主機(jī)

10、電源及循環(huán)水電源，操作完畢。切記X-rays on指示燈滅后15分鐘方可關(guān)閉。3. 數(shù)據(jù)的分析處理每個樣品測量完成，X-rays on指示燈滅后，系統(tǒng)自動生成一個文件夾，含有.RAW和.ORG文件，同時可以根據(jù)要求打印輸出X衍射圖譜。要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的d-I數(shù)據(jù)文件，需要對.RAW文件進(jìn)行處理（Basic Process）。程序包括：平滑（Smooth）、扣本底（B.G. Substruction）、扣除k2（k1-2 Separation）、尋峰（peak search）、系統(tǒng)誤差校正（System error Correction）、精確峰位校正（precise peak Corr

11、ection）。做法如下：打開“Basic Process”窗口，點(diǎn)擊“Go”按鈕，數(shù)據(jù)自動處理完成，系統(tǒng)產(chǎn)生.PKR、.RBG、.PK1和.RSM文件，同時可以打印輸出d-I數(shù)據(jù)文件。如需進(jìn)行物相鑒定，打開“Search match”窗口，打開.PKR文件，直接進(jìn)行搜索（search）。結(jié)果保存為.PSE、.SEA文件。如需要可讀的原始數(shù)據(jù)，打開“File Maintenance”窗口，在“XRD”和“Ascii，Rietvd”選項欄選定需處理的.RAW文件，在菜單欄選擇“Ascii Dump”，即可完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)一個.txt文件，為文本文件，用Window自帶的記事本、寫字板、Word

12、都可以打開，也可以用Excel、Origin直接調(diào)用、作圖。X衍射儀系統(tǒng)產(chǎn)生的文件很多，除txt文件外，大多數(shù)文件只能用Pmgr軟件讀取。部分文件，如.RAW文件，可以用JADE 6.0讀取。4. 實驗步驟4.1實驗前準(zhǔn)備：（1）考慮樣品是否滿足測試要求。樣品要求：可以為粉末，塊狀、板狀、片狀、絲狀，或是帶襯底材料的薄膜或帶基材的鍍層等原始形狀。粉末樣品，一般要求0.5g，至少20mg(視密度和衍射能力而定)，粒度要求<100m(200-400目) 。塊狀樣品，要求具有一個面積小于1.8cm X 1.8cm 的平面，無應(yīng)力和織構(gòu)。（2）樣品測試所選擇的測試條件。測試條件包括以下內(nèi)容：掃描

13、方式：分為兩種，連續(xù)掃描模式和步進(jìn)掃描模式。連續(xù)掃描是指測角儀的連續(xù)轉(zhuǎn)動方式，測角儀從起始的2到終止的2進(jìn)行勻速掃描，掃描速度快，工作效率高。進(jìn)行全掃描測量，一般選用此法。測量精度受掃描速度和時間常數(shù)的影響。步進(jìn)掃描，是將掃描范圍按一定的步進(jìn)寬度（0.01°或0.02°）分成若干步，在每一步停留若干秒，并且將這若干秒內(nèi)記錄到的總光強(qiáng)度作為該數(shù)據(jù)點(diǎn)處的強(qiáng)度。由于步進(jìn)掃描可以增加每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的強(qiáng)度，因而可以降低記數(shù)時的統(tǒng)計誤差，提高信噪比，可用于定量分析、線形分析以及精確測定點(diǎn)陣常數(shù)、Retiveld全譜擬合等。狹縫寬度：入射狹縫1；防散射狹縫1；接收狹縫0.3mm或0.15mm

14、。掃描范圍：可以大于5小于180（2）；常規(guī)測試采用2080，或視樣品、用戶要求而定。掃描速度：掃描速度是指單位時間內(nèi)測角儀轉(zhuǎn)過的角度，通常取2°/min、4°/min等。步長：是指每隔多少度取一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，通常采用 0.02°。測試前，請查找相關(guān)文獻(xiàn)，按照個人要求、參考文獻(xiàn)的建議進(jìn)行。如果僅需進(jìn)行物相鑒定，可采用軟件的默認(rèn)條件：連續(xù)掃描方式，2-聯(lián)動，20°-100°，0.02°步長，掃描速度2/min或0.6秒/步，工作電壓40kV，工作電流30mA，入射狹縫1；防散射狹縫1；接收狹縫0.30 mm。2.測試過程：（1）樣品制備：樣

15、品為塊體樣品，裝入樣品架的中心凹槽，用玻璃片壓平，要求樣品表面應(yīng)平整，樣品槽外清潔。將樣品架插入樣品臺，檢查、確保樣品位于測角儀正中心，樣品待測面與樣品架表面齊平。注意確保沒有其他物質(zhì)進(jìn)入光斑可測范圍。（2）選擇待測樣品，點(diǎn)擊“Start”開始測試，衍射圖譜出現(xiàn)在測試窗口“Right Gonio Analysis”。隨著2角度從20°移向100°，衍射峰逐漸顯現(xiàn)完全，直至測量完畢。（3）結(jié)果輸出：掃描完畢，實驗結(jié)果可以圖譜的形式打印輸出，如圖5。四、實驗數(shù)據(jù)分析圖5 試樣的X衍射圖譜1. X射線衍射測試：采用Al合金進(jìn)行X射線衍射測試，得到衍射圖（圖4）。2. 采用jade

16、5.0軟件對Al合金進(jìn)行分析,得物相鑒定結(jié)果。第一步，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入jade5.0第二部，根據(jù)SEM分別測定的基體相與析出相的成分，估計可能出現(xiàn)的物相。通過EDS對基體相的分析，發(fā)現(xiàn)主要含有鋁元素和鎂元素，將Al,Mg輸入jade5.0軟件中，發(fā)現(xiàn)Al元素峰的位置與試樣XRD衍射圖中四強(qiáng)線都吻合的很好，再加上試樣本身是鋁硅合金，所以個人斷定基體中一定有Al。對于Mg的測定，由于Mg的三強(qiáng)線與XRD衍射圖中三強(qiáng)線不符合，故未發(fā)現(xiàn)試樣中有鎂單質(zhì)存在。另外，通過對Si的測定，同樣也未發(fā)現(xiàn)有單質(zhì)Si存在，不過讓人意外的是Fe單質(zhì)的三強(qiáng)線與試樣符合的很好。通過詢問學(xué)長和在鎂合金熔煉過程中的經(jīng)驗，個人推測，由

17、于熔煉時用的是鐵坩堝，因此可能在熔煉過程中有Fe熔進(jìn)鋁硅合金中，成為雜質(zhì)。通過對析出相的分析，由于析出相中含有較多的Al,Si,Fe和少量的Mn,Cu,Mg,于是先將前三種較多的元素輸入jade5.0軟件，通過對析出相的逐一比對，發(fā)現(xiàn)Al2Fe3Si4的三強(qiáng)線符合的最好，故猜測合金中析出相主要為Al2Fe3Si4。然后再將后三種元素輸入，又發(fā)現(xiàn)Al3Mg2的三強(qiáng)線也符合的較好，故推測其中也有少量的Al3Mg2化合物存在。剩余元素雖然沒有被檢測出來，但不能說明就一定不存在，也可能含量太少，是超出了XRD的精度范圍。第三部，將基體相和析出相分別標(biāo)定在XRD衍射圖上，如圖5所示。透射電鏡，掃描電鏡樣

18、品制備與觀察一、實驗?zāi)康?. 掌握透射，掃描電鏡實驗對于樣品的要求，了解透射電鏡樣品的制備方法二、實驗內(nèi)容1. 了解粉末樣品的制備方法，了解薄膜樣品的制備方法雙噴電解減薄法。三、實驗裝置1.雙噴電解減薄儀2.不同規(guī)格砂紙3超聲波震蕩清洗機(jī)4.丙酮5沖孔器6.拋光機(jī)四、實驗步驟1. 透射電鏡樣品制備（一）粉末樣品的制備研磨后的粉末置于酒精或水，或丙酮等溶液中（注意兩者不應(yīng)起作用或溶解），并用超聲波發(fā)生器使之成為分散均勻的懸浮液，用毛細(xì)滴管將少量粉末液滴于微柵上。（二）雙噴電解減薄法制備薄膜樣品對于一般材料，為了獲得對電子束“透明”的樣品，其厚度大致在100200nm左右為宜。這就要求對于塊狀材料

19、，需要減薄至此厚度范圍內(nèi)的薄膜。由于制備這樣薄樣品的難度大，樣品制備成功與否對進(jìn)行透射電鏡分析至關(guān)重要。用雙噴電解減薄法制備薄膜樣品的程序如下：(1) 切薄片。(2) 預(yù)減薄。機(jī)械磨薄時，用砂紙手工磨薄至50m，注意均勻磨薄，試樣不能扭折以免產(chǎn)生過大的塑性變形，引起位錯及其它缺陷密度的變化。具體操作方法：用502膠將切片粘到玻璃塊或其它金屬塊的平整平面上，用系列砂紙（從300號粗砂紙至金相4號砂紙）磨至一定程度后將樣品反轉(zhuǎn)后繼續(xù)研磨。注意樣品反轉(zhuǎn)時，通過丙酮溶解或火柴少許加熱使膜與磨塊脫落。反轉(zhuǎn)后樣品重新粘到磨塊上，重復(fù)上述過程，直至樣品切片膜厚達(dá)到50m。最后，將預(yù)減薄的厚度均勻表面光滑的樣

20、品膜片在小沖床上沖成直徑為3mm的圓片以備用。(3) 電解拋光減薄。電解拋光減薄是最終減薄，在雙噴電解減薄儀上進(jìn)行，目前電解減薄裝置已經(jīng)規(guī)范化。原理如圖1所示。電解液由泵2控制，并循環(huán)反復(fù)使用，通過雙噴嘴3直射試樣4。直徑為3mm的試樣置于一側(cè)裝有鉑絲的試樣架內(nèi)（為陽極），直徑為1mm的噴嘴內(nèi)置有鉑陰極，在合適的電解液和拋光條件下試樣被均勻拋光減薄直到穿孔時，由光敏電阻控制而自動斷電。圖1 雙噴電解拋光裝置原理示意圖1.冷卻設(shè)備 2.泵、電解液 3.噴嘴 4.試樣 5.樣品架 6.光導(dǎo)纖維管 圖2 最后制成的薄膜樣品(4) 最后制成的樣品。如圖2所示。樣品制成后應(yīng)立即觀察，暫時不觀察的樣品要妥

21、善保存，可根據(jù)薄膜抗氧化能力選擇保存方法。值得注意的是：由于在做透射電鏡實驗時，采集的是穿過樣品的電子束的信息，并非整個樣品的所有部位都可進(jìn)行研究，只有在薄區(qū)內(nèi)方可進(jìn)行實際性的研究。因此，做實驗時觀察的是穿孔邊緣的一定“透明”區(qū)域，可直接放在樣品臺上觀察。2.掃描電鏡試樣制備（1）將試樣塊體在粗砂紙上打磨，直到大的劃痕消失。（2）再將試樣在細(xì)砂紙上打磨，磨去上一道砂紙留下的磨痕。（3）最后在拋光機(jī)上拋光，得表面如鏡面的試樣。SEM實驗 掃描電鏡結(jié)構(gòu)工作原理及圖像襯度觀察一、實驗?zāi)康?. 結(jié)合掃描電鏡實物，介紹其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，加深對掃描電鏡結(jié)構(gòu)及原理的了解。2. 選用合適的樣品，通過對表面

22、形貌襯度和原子序數(shù)襯度的觀察，了解掃描電鏡圖像襯底原理及其應(yīng)用。3. 了解掃描電鏡的圖像分辨率。4. 了解能譜儀的原理、結(jié)構(gòu)。5. 能熟練運(yùn)用能譜儀對不同樣品進(jìn)行點(diǎn)分析、線掃描和元素的面分布。6. 掌握能譜儀對試樣制備要求。二、實驗原理 分辨率是掃描電鏡的主要性能指標(biāo)。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率大小由入射電子束直徑和調(diào)制信號類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信號不同，例如二次電子和背反射電子，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從而影響其分辨率。一般二次電子像的分辨率約為5-10nm，背反射電子像的分辨率

23、約為50-200nm。通過對斷口和拋光樣品的觀察，了解形貌襯度和成分襯度的形成原理。形貌襯度：樣品表面凹凸差異形成的電子信號強(qiáng)度的差異形成的襯度稱為形貌襯度。在掃描電鏡中，主要采用二次電子信號觀察樣品的形貌。成分襯度：由樣品表面微區(qū)化學(xué)成分差異形成的襯度稱為成分襯度（或原子序數(shù)襯度）。在掃描電鏡中，背反射電子可以顯示樣品的成分分布及物相。1. 掃描電鏡工作原理SEM由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、掃描系統(tǒng)，信號檢測放大系統(tǒng) 、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、樣品室和真空系統(tǒng)以及電源和控制系統(tǒng)六大部分構(gòu)成（見圖1）。電子槍發(fā)射出的電子束經(jīng)過三級電磁透鏡系統(tǒng)的聚焦作用，形成一個很細(xì)的電子探針束投射到試樣表面。同時，鏡

24、筒內(nèi)的偏轉(zhuǎn)線圈使電子束在試樣表面作光柵式掃描，激發(fā)出試樣中各點(diǎn)的多種信息，如：二次電子，背散射電子，X射線，俄歇電子等。經(jīng)不同的探測器收集，分析處理各種信號，來確定樣品的表面形貌、成分及結(jié)構(gòu)信息。例如，通過對二次電子和背散射電子的收集和處理，觀察和記錄樣品的表面形貌，對背散射電子的收集還可以觀察樣品的成分分布，對特征X-射線的收集進(jìn)行微區(qū)的成分分析。各類探測器分別把檢測到的有關(guān)信號經(jīng)過放大處理后輸送到圖象顯示和記錄管理系統(tǒng)，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)：1. 電子光學(xué)系統(tǒng)：電子槍；聚光鏡（第一、第二聚光鏡和物鏡）；物鏡光闌。2. 掃描系統(tǒng)：掃描信號發(fā)生器；掃

25、描放大控制器；掃描偏轉(zhuǎn)線圈。3. 信號探測放大系統(tǒng)：探測二次電子、背散射電子等電子信號。4. 圖象顯示和記錄系統(tǒng)：早期SEM采用顯象管、照相機(jī)等。數(shù)字式SEM采用電腦系統(tǒng) 進(jìn)行圖象顯示和記錄管理。5. 真空系統(tǒng)：真空度高于 10 -4 Torr 。常用：機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵、渦輪分子泵。6. 電源系統(tǒng)：高壓發(fā)生裝置、高壓油箱。圖1 掃描電鏡工作原理圖1）電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡組成。電子槍由陰極、陽極和柵極組成。陰極發(fā)射電子，經(jīng)柵極聚焦后形成點(diǎn)光源。陰極發(fā)射電子在陰陽極之間0.330kV高壓電場的作用下被加速。電子槍可分為三類：W燈絲電子槍、LaB6電子槍和場發(fā)射電子槍。場發(fā)射電子槍又可分

26、為：冷場發(fā)射電子槍和熱場發(fā)射電子槍。場發(fā)射電子源在亮度、電子源尺寸、發(fā)射電流、能量分散及壽命方面顯示出優(yōu)良性能。因此，采用場發(fā)射電子槍可以獲得高分辨圖像。電磁透鏡系統(tǒng)由三級電磁透鏡、光闌及消像散器組成。電磁透鏡將電子束會聚成510 nm，聚焦在樣品表面。當(dāng)三級會聚透鏡的縮小倍數(shù)分別為M1、M2，和M3時，落在樣品上的電子束直徑： 電子束總縮小數(shù)約為1 000倍。光闌分為固定和可動光闌，用來降低電子束的發(fā)散程度。三個透鏡都有光闌，可擋掉一部分無用的電子，尤其是物鏡光闌要盡量小，以減小像差。消像散器用來消除由非固定像散引起的圖像失真現(xiàn)象。2）掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)是SEM具有特殊意義的部件。它使入射電子

27、束在樣品表面作光柵狀掃描。該系統(tǒng)由掃描發(fā)生器、掃描線圈和放大倍率變換器（放大控制）組成。掃描發(fā)生器產(chǎn)生一種隨時間線形變化的電壓鋸齒波，鋸齒波信號被同步地送入鏡筒中的掃描線圈和接收系統(tǒng)中的掃描線圈，控制兩者電子束同步掃描。掃描線圈使電子束偏轉(zhuǎn)，在樣品表面作光柵狀掃描。掃描電鏡的掃描方式分為：線掃描（line），面掃描（map）和點(diǎn)掃描（spot）三種。掃描方式和掃描速度用顯示單元面板上的按鍵來實現(xiàn)。 放大倍率變換器用來調(diào)節(jié)SEM的放大倍率。SEM的放大倍率M： 例如：L =100mm、當(dāng)電子束在樣品上的掃描幅度l在1mm（100倍）10mm(100000倍)之間連續(xù)變換時，則掃描電鏡的放大倍率M

28、在10010000倍之間連續(xù)可調(diào)。3) 信號檢測放大系統(tǒng) 信號接收，放大與顯示系統(tǒng)將電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的各種信息分別接收、轉(zhuǎn)換、放大后送到電腦系統(tǒng)上顯示。顯示屏上信號波形的幅度和電壓受輸入信號（如二次電子、背散射電子、X-射線）的強(qiáng)度調(diào)制，從而改變掃描圖像的對比度。4）樣品室SEM的樣品臺可使樣品沿X、Y、Z三個方向移動、傾斜及水平旋轉(zhuǎn)。此外，還可以配置特殊功能樣品臺，如：拉伸臺、加熱臺、冷卻臺、精密臺等，用來動態(tài)觀察樣品受力，高溫，低溫狀態(tài)，以獲得固體材料在斷裂、相變等動態(tài)信息。 5）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵（或渦輪分子泵，或離子泵）組成?，F(xiàn)代掃描電鏡可具有不同的真空模式：高

29、真空、低真空和環(huán)境真空模式。高真空模式：10-2Pa(W燈絲電子槍)10-4Pa (LaB6 電子槍)10-410-8Pa (場發(fā)射電子槍)。低真空模式：1270Pa環(huán)境真空模式(ESEM)：10Pa2700Pa2.EDS原理X射線的產(chǎn)生是由于入射電子于樣品發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，當(dāng)高能電子與原子作用時, 它可能使原子內(nèi)層電子被激發(fā)，原子處于激發(fā)狀態(tài)，內(nèi)層出現(xiàn)空位，此時可能有外層電子向內(nèi)層躍遷，外層和內(nèi)層電子的能量差就以光子的形式釋放出來，它就是元素的特征X射線。特征X射線分析法是一種顯微分析和成分分析相結(jié)合的微區(qū)分析，特別適用于分析試樣中微小區(qū)域的化學(xué)成分。能譜儀（EDS）就是利用電子束照射在

30、試樣表面待測的微小區(qū)域上，激發(fā)試樣中各元素的不同能量的特征X射線，由Si(Li)探測器接收后給出電脈沖訊號，經(jīng)放大器放大整形后送入多道脈沖分析器，在顯像管上把脈沖數(shù)脈沖高度曲線顯示出來，然后根據(jù)射線的能量進(jìn)行元素定性分析，根據(jù)射線強(qiáng)度進(jìn)行元素的定量分析。2. 樣品制備掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)之一是樣品制備簡單，對于新鮮的金屬斷口樣品不需要做任何處理，可以直接進(jìn)行觀察，但在有些情況下需對樣品進(jìn)行必要的處理。1) 樣品表面附著有灰塵和油污，可用有機(jī)溶劑(乙醇或丙酮)在超聲波清洗器中清洗。2) 樣品表面銹蝕或嚴(yán)重氧化，采用化學(xué)清洗或電解的方法處理。清洗時可能會失去一些表面形貌特征的細(xì)節(jié)，操作過程中應(yīng)該注意。3

31、) 對于不導(dǎo)電的樣品，觀察前需在表面噴鍍一層導(dǎo)電金屬或碳，鍍膜厚度控制在5-10nm為宜。對掃描電鏡樣品的要求有兩條，一是導(dǎo)電，二是清潔。樣品必須導(dǎo)電，實質(zhì)是要求在整個觀察過程中，樣品必須保持電中性。如果樣品不導(dǎo)電或?qū)щ姴涣?，電子束在樣品上掃描過程中就會產(chǎn)生電荷積累，使得儀器的分辨率下降。樣品必須清潔，實質(zhì)是要求在整個觀察過程中，樣品必須保證無任何分解與揮發(fā)。如果樣品上有油污或灰塵，電子束在樣品上掃描過程中就會造成對鏡筒的污染，使得儀器的分辨率以及其他性能下降。在掃描電鏡樣品制備過程中，首先必須清潔樣品。一般的方法是利用超聲波清洗機(jī)和適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ绫?、無水乙醇等）對樣品進(jìn)行清洗即可。若樣品上

32、油污過多或樣品上表面腐蝕產(chǎn)物經(jīng)超聲波清洗仍無法去除，可先用適當(dāng)?shù)那逑磩ㄈ缦←}酸水溶液等）進(jìn)行處理。對于金屬等導(dǎo)電的樣品，直接將其用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上即可。對于陶瓷等非導(dǎo)電的樣品，將其用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上后，應(yīng)根據(jù)分析目的進(jìn)行不同的導(dǎo)電處理。1）對于僅觀察組織形貌的樣品，將其送入離子濺射儀中噴鍍上一層導(dǎo)電膜（一般為純金膜）后，就可以放進(jìn)掃描電鏡進(jìn)行觀察了。2）對于不僅觀察組織形貌，而且還需用能譜儀作元素分析的樣品，則應(yīng)將其送入真空鍍膜儀中噴鍍上一層導(dǎo)電的碳膜后，方可將其放進(jìn)掃描電鏡進(jìn)行觀察和分析。三、實驗裝置1.FEI QUANTA 200環(huán)境掃描電鏡2.鋁合金試樣一枚3.配件EDS，ED

33、XA genesis xm-2 型能譜儀，分辨率129ev.四、典型樣品測試分析1. 二次電子像二次電子像常用來做試樣表面形態(tài)分析，如斷口形貌。 圖1 基體相 圖3 析出相圖像分析：圖1是對鋁合金試樣表面形貌掃描后的結(jié)果。由于二次電子產(chǎn)額與試樣表面形貌有關(guān)，隨cos（為試樣表面法向與入射束方向的夾角）增大而增大。產(chǎn)額大的部分在熒光屏上就亮，產(chǎn)額小的部分在熒光屏上就暗。所以一般凸起部位較亮，平面較暗，凹坑雖然SE產(chǎn)額多但探測器無法接收，所以也比較暗。由于試樣表面經(jīng)過砂紙打磨和拋光，所以幾乎沒有大的起伏，故從二次電子圖像上看不出明顯的形貌襯度，只有一些小的暗斑，那些是試樣表面的氣泡導(dǎo)致的。圖二上顯

34、示出的較亮的斑點(diǎn)是由于析出相和基體之間的差異導(dǎo)致的襯度差異。2. 背散射電子 圖4 鋁合金組織 圖5 鋁合金中析出相圖像分析：背散射電子可以對形貌，結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析，一般我們都利用其原子序數(shù)襯度進(jìn)行成分分析。由于BE產(chǎn)額隨物質(zhì)原子序數(shù)襯度增大而增大。所以樣品上亮的部分對應(yīng)物質(zhì)原子序數(shù)較大，暗的部分對應(yīng)原子序數(shù)較小。由以上兩圖可知，BE的原子序數(shù)襯度比SE分析物質(zhì)成分的襯度要明顯得多。但對于形貌分析，BE的分辨率就要比SE低得多了，這是由于成像單元變大的緣故。圖中白亮的區(qū)域就是析出相，經(jīng)過XRD分析，有可能是Al2Fe3Si4或Al3Mg2。而基體主要是Al，暗的部分可能也是氣泡。3. 能譜分

35、析（1）析出相ElementWt%At% MgK01.0001.21 AlK77.3684.81 SiK04.9505.21 CrK01.1700.67 MnK02.2401.20 FeK11.0805.87 CuK02.2101.03MatrixCorrectionZAF如上圖，析出相中主要含有Al,其次是Fe和Si,Mg,Mn,Cu,Cr含量都很少，通過XRD分析得知析出相可能是Al2Fe3Si4和Al3Mg2。剩余元素可能是由于含量太少，XRD無法檢測出來。（2）基體相ElementWt%At% MgK01.5801.75 AlK98.4298.25MatrixCorrectionZAF

36、如上圖，基體相中主要含有Al,其次還有少量的Mg。通過XRD分析，主要發(fā)現(xiàn)單質(zhì)Al，并未發(fā)現(xiàn)單質(zhì)Mg的存在。也可能是由于含量較少，XRD無法檢測出來。TEM實驗 透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)和成像原理一、實驗?zāi)康?. 熟悉透射電鏡的基本構(gòu)成2. 理解透射電鏡的倍率變化及成像原理。3. 掌握改變圖像襯度的方法，了解明、暗場成像的實驗技術(shù)，進(jìn)一步理解明暗場成像原 理4. 了解選區(qū)電子衍射的操作方法，加深對選區(qū)電子衍射原理的理解5. 掌握單晶電子衍射譜的標(biāo)定方法二、實驗內(nèi)容1. 以HITACHI H-800為例，介紹透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)；2. 透射電鏡的成像原理及倍率變化。三、實驗裝置H-800透射電鏡。圖1

37、H-800透射電鏡四、實驗原理1. 透射電鏡基本結(jié)構(gòu)簡介透射電鏡即透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM），是以波長極短的電子束為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實踐的發(fā)展，近年來商品電鏡型號繁多，高性能多用途的透射電鏡不斷地出現(xiàn)。一般常規(guī)的透射電鏡的加速電壓為100200KV。這種電鏡分辨率高（點(diǎn)0.230.3nm，晶格0.14nm），但穿透本領(lǐng)一般，觀察樣品必須很薄，約為30200nm，代表產(chǎn)品包括日本電子的JEM-2100，如圖1示；日立的H-800；FEI的TECNAI20。

38、 透射電鏡基本結(jié)構(gòu)：透射電鏡一般由電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源控制系統(tǒng)三大部分組成。電子光學(xué)系統(tǒng)是重點(diǎn)了解內(nèi)容。 圖2 透射電鏡剖面結(jié)構(gòu)示意圖（一）電子光學(xué)系統(tǒng) 電鏡的基本組成部分是電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）。整個鏡筒自上而下順序排列著電子槍、雙聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏及照相室等裝置。通常又把上述裝置劃分為照明，成像和觀察記錄三個部分。1）照明部分 透射電鏡照明部分由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用是提供一束亮度大，孔徑角小，穩(wěn)定度高的電子束流照射到樣品待分析的部位。（1）電子槍：電子槍是產(chǎn)生電子的裝置，它位于透射電鏡的最上部。電子槍分為兩種類型：熱

39、電子發(fā)射型和場發(fā)射型。熱電子發(fā)射型包括發(fā)夾式鎢燈絲和六硼化鑭燈絲(LaB6)，過去的透射電鏡中通常使用發(fā)夾式鎢燈絲，現(xiàn)代的透射電鏡廣泛使用六硼化鑭燈絲。這種燈絲亮度高、光源尺寸和能量發(fā)散度小，對于分析電子顯微鏡是很有利的。H-800的電子槍由六硼化鑭燈絲陰極、柵極帽和陽極組成。陰極在真空中通電加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1550以上時，燈絲表面電子獲得大于逸出功的能量，開始發(fā)射。柵極對電子有排斥作用，通過改變它的電位來控制電子束流和束斑的大小。由于陽極與陰極間有較高的電位差，故陰極發(fā)射的電子可獲得足夠大的動能，形成定向高速電子流（可以穿透一定厚度的樣品）。在一般透射電鏡中，加速電壓在25KV200KV之間

40、。為了安全，一般采取陽極接地，而陰極燈絲處于負(fù)高壓狀態(tài)。電子槍還設(shè)有機(jī)械式或電磁式對中裝置，在更換燈絲或在操作過程中，可通過調(diào)整對中裝置使電子槍合軸。（2）聚光鏡：現(xiàn)代的透射電鏡通常采用雙聚光鏡。這兩個透鏡一般是整體的，簡化了它們之間的對中操作。其中第一聚光鏡是短焦距強(qiáng)激磁透鏡，它使來自電子槍的電光束光斑直徑大為縮小，再用長焦距弱激磁第二聚光鏡散焦得到近乎平行的電子束照射到樣品上。這樣，獲得了適合高分辨本領(lǐng)電鏡要求的最小光斑，也使第二聚光鏡與物鏡之間有足夠的距離，以便在樣品室內(nèi)安放附件。在第二聚光鏡下面徑向插入一個多孔的活動光闌，用來限制和改變照明孔徑角。為了使投射到樣品上的光斑較圓，在第二聚

41、光鏡下方裝有電磁式消像散器。我們現(xiàn)在使用的H-800透射電鏡采用三級獨(dú)立聚光鏡系統(tǒng)，保證在任何束斑尺寸下有大的束流，有利于成分分析和衍射成像。整個照明部分，通過調(diào)節(jié)電子束偏轉(zhuǎn)器或平移裝置，可以使電子束相對于物鏡軸線平移或做以樣品與物鏡軸線交點(diǎn)為中心的傾斜運(yùn)動，保證操作方便和工作條件。2）放大、成像系統(tǒng)這部分通常由樣品室、物鏡、中間鏡及投影鏡組成。在現(xiàn)代的透射電鏡中增加了一個中間鏡，可以在較寬范圍內(nèi)改變顯微像和衍射花樣的放大倍率。樣品室位于照明部分和物鏡之間。它的作用是通過樣品傳遞移動裝置，在不破壞鏡筒真空的條件下，置換樣品和使樣品在物鏡的極靴孔內(nèi)平移、傾斜及旋轉(zhuǎn)。為了適應(yīng)樣品的三維立體觀察和選

42、擇晶體樣品的布喇格衍射位向，目前，高性能透射電鏡樣品室內(nèi)設(shè)有側(cè)插式傾斜樣品臺。在特殊情況下，樣品室還可以加設(shè)樣品加熱、冷卻及伸拉等裝置。物鏡是成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它是用來形成第一幅高分辨率電子像或電子衍射花樣的透鏡。一臺透射電鏡分辨本領(lǐng)的高低，主要取決于物鏡的優(yōu)劣。物鏡由激磁線圈和高導(dǎo)磁率的極靴組成。為了能改變物鏡成像孔徑角、襯度及減小物鏡像散，在物鏡后焦平面上徑向插入一個多孔可動的光闌，通過改變光闌的大小，可改變圖象的襯度，在物鏡極靴附近裝有一組電磁消像散器，可有效地減小物鏡的像散。物鏡像平面處有一個多孔選區(qū)光闌，通過調(diào)節(jié)光闌孔徑，在選區(qū)電子衍射操作中，用來限制和選擇所需要的視場范圍。中間鏡

43、和投影鏡與物鏡結(jié)構(gòu)類似。它們的作用是將來自物鏡的電子像進(jìn)行再放大并投射到熒光屏或照相底版上。3）觀察記錄部分它由帶鉛玻璃窗口的觀察室和照相室組成。熒光屏在電子束照射下，呈現(xiàn)出樣品的電子圖像，以便尋找和研究樣品上最感興趣的區(qū)域及進(jìn)行調(diào)焦操作。為了增強(qiáng)眼睛分辨圖象細(xì)節(jié)的能力和精確調(diào)焦，在觀察室外部還有一臺光學(xué)放大鏡（510X）。記錄部分仍以電子圖象在照相底片上感光記錄為主，現(xiàn)代高性能電鏡亦有電子掃描記錄系統(tǒng)。（二）真空系統(tǒng)為了保證電鏡的工作條件，要求鏡筒內(nèi)的壓強(qiáng)必須保持在4×10-5Pa或更低。這一系統(tǒng)一般由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、離子泵及電磁閥門組成。（三）電源及控制系統(tǒng)透射電鏡的電路主要由以

44、下部分組成：高壓直流電源、透鏡勵磁電源，偏轉(zhuǎn)器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源、真空系統(tǒng)電源以及控制電路、照相驅(qū)動裝置及自動曝光電路等。另外，高性能的透射電鏡，根據(jù)需要還可以附加掃描單元、掃描透射單元（STEM）、X射線能譜儀（EDS），電子能量損失譜等，做多功能的分析工作。2. 透射電鏡成像原理（一）成像原理在透射電子顯微鏡中，物鏡、中間鏡、投影鏡是以積木方式成像，即上一透鏡（如物鏡）的像就是下一透鏡（如中間鏡）成像時的物，也就是說，上一透鏡的像平面就是下一透鏡的物平面，這樣才能保證經(jīng)過連續(xù)放大的最終像是一個清晰的像。在這種成像方式中，如果電子顯微鏡是三級成像，那么總的放大倍率就是各個透鏡倍率的

45、乘積。M3 = Mo Mi Mp其中Mo為物鏡放大倍率，數(shù)值在50100范圍；Mi為中間鏡放大倍率，數(shù)值在020范圍；Mp為投影鏡放大倍率，數(shù)值在 100150范圍；總的放大倍率在1000200 000倍內(nèi)連續(xù)變化。圖3 三級透鏡成像原理圖以三級透鏡成像系統(tǒng)為例來說明透射電鏡的倍率變化。圖3中所示的機(jī)械設(shè)計位置：物鏡的物距LP1 ，物鏡主平面至中間鏡主平面的距離 Zoi、中間鏡主平面至投影鏡主平面的距離ZiP以及投影鏡主平面至熒光屏（或照相底片）的距離LP2都是固定值。同時，投影鏡的激磁電流也是個固定值。磁透鏡的焦距公式可知，在一定的加速電壓下觀察，投影鏡的焦距fP 是個常數(shù)，由成像公式： 可得，投影鏡物距LP1是個定值。中間鏡至投影鏡的距離ZiP是常數(shù)，所以中間鏡的像距Li2ZiPLP1也是固定的。而中間鏡的激磁電流可在一定范圍改變，即其焦距fi可變，由成像公式：可知，當(dāng)fi改變時，中間鏡的物距Li1也隨之變化。當(dāng)選擇某一fi值時，則Li1也就被唯一地確定下來。這時，物鏡的電流（即對應(yīng)焦距fo）被限制為某一確定的值。因為物鏡像距Lo2=ZoiLi1，由于Li1被確定為某值，從而Lo2也成為一個確定值。物鏡的物距Lo1是機(jī)械設(shè)計的固定值，由成像公式可得物鏡的焦距fo此時不能變化，否則得不到清晰的像。由此可知，首先改變中間鏡電流，在實際光路中使中間