材料分析方法X射線的性質PPT課件

1、 材料內部的成份、結構直接決定著材料的性能和應用。 如何判定材料的成份和結構是材料學領域的關鍵問題。 緒論緒論問題問題1 1： 假如你有一塊黃橙橙的礦石，你能判斷是假如你有一塊黃橙橙的礦石，你能判斷是否含有黃金嗎？否含有黃金嗎？ 阿基米德方法？阿基米德方法？第1頁/共55頁碳結構的變化問題2：你能區(qū)分不同結構的相同成分物質？鍋煙灰-C60金剛石炭納米管第2頁/共55頁 在本次課程學習的主要材料分析方法： (1) X射線衍射儀（XRD， X-Ray diffraction） 用于物相(或說結構）分析 及其他 dfrkn(2) 透射電鏡（TEM， Transmission Electron Mic

2、roscope） 物相分析，和微觀形貌 makrskp (3) 掃描電鏡 （SEM， Scanning Electron Microscope） 表面形貌(4)波長分散譜儀波譜儀WDS, Wavelength Dispersive Spectrometer 能量分散譜儀能譜儀 EDS, Energy Dispersive Spectrometer spektrmt(r) WDS, EDS利用特征射線進行成分分析, EDS可作為兩電鏡的附件, 用于微區(qū)成份分析 第3頁/共55頁光電光電子子熒光（二次特熒光（二次特征征X X射線射線 掃描掃描電鏡電鏡SEMSEM樣品樣品1 1特征特征X X射線射線

3、二次電子二次電子高能電子高能電子入射入射透射電子透射電子（TEMTEM）背 散 射背 散 射電子電子衍射衍射XRDXRDXPSXPSEDS/WDSEDS/WDS 高能電子束與固體樣品作用時產生的信號和高能電子束與固體樣品作用時產生的信號和6大材料分析手段大材料分析手段X X射線射線熒光譜熒光譜分析分析樣樣品品2 2X X射線射線樣樣品品2 2樣樣品品2 2第4頁/共55頁X射線衍射儀射線衍射儀(XRD)第5頁/共55頁透射電鏡（TEM）多晶體衍射花樣多晶體衍射花樣單晶體衍射花樣單晶體衍射花樣可可進進行行物物相相分分析析第6頁/共55頁50 nm2nmTEM: (2) 可成像可成像 圖圖a, b

4、(1) 可形成衍射花樣可形成衍射花樣, 進行物相分析進行物相分析, 圖圖c第7頁/共55頁蒼蠅的復眼掃蒼蠅的復眼掃描電鏡圖像描電鏡圖像掃描電微鏡（掃描電微鏡（SEM）第8頁/共55頁 第一部分第一部分 材料材料X X射線衍射分析射線衍射分析常用來分析 物相、晶格參數，應力等X-ray Diffraction第9頁/共55頁 第一章 X射線的性質 本章要點：本章要點：1. X射線的本質：為電磁波，具有波粒子二象性射線的本質：為電磁波，具有波粒子二象性2. X射線管的主要構造射線管的主要構造3. X射線連續(xù)譜射線連續(xù)譜的特征和的特征和 產生原因（及應用）產生原因（及應用）4. X射線特征譜射線特征

5、譜產生過程、條件產生過程、條件(難點難點) 、命名命名、莫塞萊定律（應用）、莫塞萊定律（應用）5.X射線與物質相互作用: 散射(相干與非相干)+ +真吸收( 光電子，俄歇效應，熒光X 射線) + 透射6. X射線透過的強度公式，質量吸收系數射線透過的強度公式，質量吸收系數7. 二次特征輻射、吸收限二次特征輻射、吸收限(或稱激發(fā)限或稱激發(fā)限) 、及質量吸收系數曲線、及質量吸收系數曲線8.吸收限在吸收限在結構分析時結構分析時的應用：的應用： 1) (了解）濾波：了解）濾波：Z Z濾濾= = Z Z靶靶1 1 （Z Z靶靶40)40)；Z Z濾濾= = Z Z靶靶2 2 （Z Z靶靶=40=40）

6、2) 2)選靶材選靶材一般一般方法方法是是: :Z Z靶靶Z Z樣樣+1+1第10頁/共55頁電子束電子束W. K. Rontgen倫琴于1901年獲首屆諾貝爾物理獎 第一張第一張X X光照片光照片倫琴18951895年，倫琴發(fā)現了一種穿透力很強的射線年，倫琴發(fā)現了一種穿透力很強的射線射線射線 引言第11頁/共55頁 X射線準直縫晶體勞厄斑. . 19121912年勞厄年勞厄（M.von LaueM.von Laue）發(fā)現通過晶體時產生衍射）發(fā)現通過晶體時產生衍射現象現象, , 勞厄勞厄證實了證實了X X射線的波動性射線的波動性第12頁/共55頁X X射線的本質: : 波長很短的電磁波 X射線

7、的本質具有波粒二象性具有波粒二象性( (實際上任何物質具波粒二象性實際上任何物質具波粒二象性） 波動性：以一定頻率、波長在空間傳播；波動性：以一定頻率、波長在空間傳播； 微粒性：以光子形式輻射和吸收時具有一定的微粒性：以光子形式輻射和吸收時具有一定的波長很短的電磁波波長很短的電磁波 0.01100 用于晶體分析的用于晶體分析的 = 0.52.5質量、能量和動量。質量、能量和動量。第13頁/共55頁hchE能量sJh3410626. 6smc/10998. 28其中：其中：h h為普朗克常數，為普朗克常數， c c為為X X射線的速度，射線的速度，例：求例：求200 nm 200 nm 的一個光

8、子所具有的能量的一個光子所具有的能量)(10930. 91020010998. 210626. 6199834JchE 第14頁/共55頁（了解）附：電磁波譜無線電波無線電波微波微波紅外光紅外光可見光可見光紫外光紫外光X X 射線射線射線射線第15頁/共55頁（1 1） X X射線管的作用：射線管的作用： 1- X射線的產生及X 射線管（）X射線管產生射線的條件：以高能電子打在靶材上產生以高能電子打在靶材上產生X X射線射線1 1） 產生自由電子；產生自由電子；2） 電子作定向高速運動電子作定向高速運動; ;3）使電子止住或突然減速的）使電子止住或突然減速的 障礙物障礙物第16頁/共55頁（3

9、）X射線管的結構：射線管的結構： 陰極：陰極：發(fā)射電子。由鎢絲制成，通電后，鎢絲發(fā)熱釋放自由電子， 奔向陽極 。 陽極：陽極：亦稱靶，是使電子突然減速并發(fā)射亦稱靶，是使電子突然減速并發(fā)射X射線。射線。 通常的靶材有通常的靶材有: Cu、Mo、Co 等等 良好的循環(huán)水冷卻，防止靶熔化 窗口：窗口：窗口是窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。通常用金屬射線從陽極靶向外射出的地方。通常用金屬鈹，鈹，第17頁/共55頁X X射線譜定義：射線譜定義：X X射線的射線的強度強度-波長波長的關系曲的關系曲線線X X射線管發(fā)射出來的射線管發(fā)射出來的X X射線射線 分為兩種類型：分為兩種類型：一一連續(xù)連續(xù)X X射

10、線譜射線譜二二特征特征X X射線譜射線譜強度強度 （任意單位）（任意單位）波長（波長（ ）35 KV的管壓下，鉬靶的的管壓下，鉬靶的X射線射線 1- X射線譜連續(xù)X射線特征特征X射線射線第18頁/共55頁一連續(xù)一連續(xù)X射線譜射線譜特點：特點： 波長連續(xù)變化。波長連續(xù)變化。 有一個波長極限有一個波長極限短波限短波限min。產生原因：高速運動的電子受阻而減速時產生的電磁輻射，也叫軔致輻射。 電子加速后撞向陽極靶，大部分動能轉化為熱能，一部分以x-ray釋放。撞向陽極的電子目數很多，時間、條件不同，或多次碰撞逐步減少其能量。 動能轉換為x-ray的能量有多有少，射出x-ray的頻率有大有小，形成不同

11、波長的x-ray，構成連續(xù)的譜線。第19頁/共55頁eVhcinm短波極限波長短波極限波長minmina.a.對應著極少數電子只經過對應著極少數電子只經過一次碰撞，并且將全部能量一次碰撞，并且將全部能量eU eU 轉化為一個光量子。轉化為一個光量子。b. 短波限只與管電壓有關，短波限只與管電壓有關，不受其它因素影響。不受其它因素影響。I不同陽極WAgMo連續(xù)譜連續(xù)譜第20頁/共55頁（了解）推導：（了解）推導：設管電壓為設管電壓為V，電子電量，電子電量e ，電場力做功，則，電場力做功，則電子獲得動能為電子獲得動能為eV，當這一能量完全轉化為光子的能量時，當這一能量完全轉化為光子的能量時eVch

12、hminmax長為連續(xù)譜的短波極限波 )(1240minnmeVeVhc得：得：第21頁/共55頁連續(xù)連續(xù)X X射線譜的強度射線譜的強度-兩種計算方法：兩種計算方法：1 1）光的強度決定于光的強度決定于單位時間內單位時間內通過通過單位面積單位面積的的光光 子數子數n n和每個光子的能量和每個光子的能量nhI 2）或者：I- 曲線下的面積表示連續(xù)x-ray的總強度。dII0)(連續(xù)第22頁/共55頁特點： 具有特定的波長，譜線尖銳。 當管電壓超過某一特定值Vk時才產生特征X射線。 疊加在連續(xù)x-ray譜上的。二特征X射線譜n原子系統(tǒng)內的電子按包利不相容原理和能量最低原 理分布于各個能級，能級是不

13、連續(xù)的，K層靠近原子核，能量最低。n管電壓增加到一定數值，電子脫離出來，體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。 n電子從高能級向低能級的躍遷將以光子的形式輻射出標識x-ray譜。產生原因：產生原因：與陽極靶原子中內層電子躍遷過程有關。與陽極靶原子中內層電子躍遷過程有關。第23頁/共55頁K殼層殼層L殼層殼層M殼層殼層 內殼層電子被擊出電離時，在內殼空位產生空位。 外層電子向內殼空位填充時產生一個X射線光子特征特征X射線譜：射線譜：KLh層：層躍遷到若電子從KL第24頁/共55頁第一步：第一步： 高能電子把靶原子的高能電子把靶原子的內殼層內殼層電子打出，使原子電子打出，使原子 電離，在內殼層上出現空位。電離，

14、在內殼層上出現空位。第二步：第二步： 原子中外電子向原子中外電子向內殼層空位內殼層空位躍遷，躍遷的能躍遷，躍遷的能 量差轉化成一個量差轉化成一個X X射線光子。射線光子。特征特征X射線的產生過程：射線的產生過程：高能電子高能電子電離出電離出靶的內層電子，靶的內層電子， 出現內層空位出現內層空位 外層電子躍外層電子躍入入填充填充，發(fā)射，發(fā)射X光子光子即：即：第25頁/共55頁K系輻射：系輻射： K層電子被打出，層電子被打出， 任意層上任意層上的電子向的電子向K層空位躍遷，產生光子。層空位躍遷，產生光子。K： 鄰層向鄰層向K層空位躍遷（層空位躍遷（L K）K：隔隔層向層向K層空位躍遷（層空位躍遷（

15、M K）K：N層向層向K層空位躍遷（層空位躍遷（N K）L系輻射系輻射： L層電子被打出，層電子被打出， 其他其他 層層向向L層空位躍遷，產生光子。層空位躍遷，產生光子。M系輻射：系輻射： M層電子被打出，層電子被打出，其他其他層躍入填充，層躍入填充，產生光子產生光子。特征X射線譜的命名第26頁/共55頁k層電子被遷出的過程叫k系激發(fā)，隨之的電子躍遷所引起的輻射為k系輻射。K是由K1和K2兩條譜線組成，與原子能級的精細結構（亞能級）有關。 213132KKK第27頁/共55頁產生某系激發(fā)要求陰極電子的能量產生某系激發(fā)要求陰極電子的能量 eV eV 大于等于某層電子的電大于等于某層電子的電離能）

16、離能）。臨界激發(fā)電壓：臨界激發(fā)電壓：激發(fā)特征激發(fā)特征x x特征特征X射線譜射線譜時，入射電子的最低加時，入射電子的最低加速電壓。速電壓。對于同種原子：臨界激發(fā)電壓對于同種原子：臨界激發(fā)電壓V Vk k V VL L V VM M V VN N對于不同種原子：原子序數大的臨界激發(fā)電壓大。對于不同種原子：原子序數大的臨界激發(fā)電壓大。特征特征X射線譜產生條件：射線譜產生條件：第28頁/共55頁En ( eV)氫氫原原子子能能級級圖圖-13.6-1.51-3.390n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6選讀選讀 ：氫原子能級圖：氫原子能級圖(穩(wěn)態(tài)）穩(wěn)態(tài)）eVhmeE6 .1382

17、2041 , 3 , 2 , 121nnEEn 第29頁/共55頁 特征特征X X射線的頻率由靶原子能級的差值決定射線的頻率由靶原子能級的差值決定, , 只取決陽極靶材料的原子序數，是元素的固有特性。 莫塞萊定律莫塞萊定律描述了它與原子序數描述了它與原子序數Z Z的關系。的關系。特征X射線的波長：)(1zK式中： z靶材料的原子序數 K常數（與靶材物質總量子數有關） (看書P9-10) 常數（與電子所在殼層位置有關） 第30頁/共55頁連續(xù)譜的只能增加衍射花樣的背底。V=（35）VK時，I標/I連最大， VK 為臨界激發(fā)電壓輻射源選擇：輻射源選擇：在在X X射線的多晶體衍射中，主要利用射線的多

18、晶體衍射中，主要利用K K線做輻射源，線做輻射源，L L系或系或M M系由于波長太長，系由于波長太長， 容易被物質吸收，所以容易被物質吸收，所以 不利用不利用 X X射線管最佳工作電壓：射線管最佳工作電壓： V=（35）VK看書看書: P10, 表表1-1第31頁/共55頁一連續(xù)X射線譜特點:產生原因: (減速輻射)二特征X射線譜 特點：產生原因： (能級躍遷,或激發(fā)輻射)產生過程： 產生條件：入射高能物質能量大于等于靶材某內層電離能特征X射線命名：特征X射線的波長：X射線譜的小結：三三. .在在X X射線的多晶體衍射中，主要利用射線的多晶體衍射中，主要利用K K線做輻射源線做輻射源X射線管最

19、佳工作電壓： V=（35）VK第32頁/共55頁選擇判斷，正確的是選擇判斷，正確的是( )B.特征X射線產生條件是： 入射高能物質能量大于等于靶材某內層電離能A.特征X射線產生條件是： 入射高能物質能量大于等于特征X射線本身能量D.特征X射線與原子的內層電子躍遷過程有關C.使靶材產生特征X射線的入射高能物質可是高能電子， 也可以是高能X射線， 或者其他。第33頁/共55頁一束一束X射線通過物質時，它的能量可以分為三部分：射線通過物質時，它的能量可以分為三部分： 1-5 X射線與物質相互作用 散射 相干 非相干 真吸收 1. 產生（普通）光電子、X X射線的強度衰減的原因：射線的強度衰減的原因：

20、“吸收吸收”= =真吸收真吸收+ +散射散射； 產生產生Auger Auger 電子（即俄歇效應）電子（即俄歇效應）3. 熱熱透過的強度透過的強度X X射線射線作用于作用于物質物質xmeII033ZKm質量吸收系數2. 產生產生X射線熒光，或叫二次特征射線熒光，或叫二次特征X射線射線第34頁/共55頁X射線與物質的相互作用，是一個比較復雜的物理過程一束X射線通過物體后，其強度被衰減，是其散射和真吸收的結果，真吸收是造成強度衰減的主要原因。第35頁/共55頁一一. X射線的散射射線的散射可分為可分為 相干散射相干散射和和不相干散射不相干散射1. 相干散射相干散射: X X射線波長不變射線波長不變

21、 在入射束電場的作用下，物質原子中的電子被迫圍繞其平衡位置振動，向四周輻射與入射x-ray波長相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干條件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花樣。相干散射是x-ray在晶體中產生衍射現象的基礎。2. 2. 不相干散射不相干散射: : X X射線波長變射線波長變化化第36頁/共55頁二二. 物質對物質對X射線的真吸收射線的真吸收1. 發(fā)出（普通）光電子 發(fā)出俄歇電子（俄歇效應）發(fā)出俄歇電子（俄歇效應）2. X 射線熒光（或二次特征射線熒光（或二次特征X射線輻射，射線輻射， 即以即以X 射線照射射線照射3. 熱熱真真吸吸收收物體產生物體產生X射線）

22、射線）真吸收時產生電離效應，真吸收時產生電離效應， 熒光效應，熒光效應， 熱效應等熱效應等第37頁/共55頁相關概念光電子: 當入射x光的能量足夠大時，可以電離出被照物質原子中的電子，電離出的電子稱為光電子, X射線熒光（二次特征X射線): 當入射x光將原子內層電子電離,其他層電子向內層空位層躍遷輻射出的次級特征X射線稱為X射線熒光（二次特征X射線）。第38頁/共55頁X X射線熒光（射線熒光（二次特征二次特征X射線）產生條件射線）產生條件:例如：如果要產生例如：如果要產生K K系系X X射線熒光射線熒光, , 入射入射X X射線的能量射線的能量 大于等于被照射原子大于等于被照射原子K K層的

23、電離能）層的電離能）。第39頁/共55頁相關概念：俄歇相關概念：俄歇(Auger)效應效應當激發(fā)源的能量足夠大時，可以擊出被照物質原子中的當激發(fā)源的能量足夠大時，可以擊出被照物質原子中的電子，擊出的電子稱為電子，擊出的電子稱為光電子光電子, , 同時，較外層電子向空位層躍遷時產生的能量并沒有以同時，較外層電子向空位層躍遷時產生的能量并沒有以X X射線的形式輻射出射線的形式輻射出, ,而是打出某層的一個電子，該電子較而是打出某層的一個電子，該電子較電子叫電子叫俄歇電子，該效應俄歇俄歇電子，該效應俄歇(Auger)效應。效應。 俄歇電子激發(fā)源出射電子填充電子WXYEWEXEY俄歇電子激發(fā)源俄歇俄歇

24、(Auger)效應示意圖效應示意圖引申引申(自學）：自學）：第40頁/共55頁2）俄歇）俄歇(Auger)效應：效應： 俄歇電子激發(fā)源出射電子填充電子WXYEWEXEY俄歇電子激發(fā)源激發(fā)源激發(fā)源 打出電子打出電子 較外層電子向空位躍遷的能較外層電子向空位躍遷的能量量 不產生不產生X射線而是打出某層電子（射線而是打出某層電子（俄歇電子）俄歇電子）1）二次特征X射線：激發(fā)源（ X射線) 擊出電子 較外層電子向空位躍遷的能量 產生X射線俄歇俄歇(Auger)效應示意圖效應示意圖二次特征二次特征X射線與射線與俄歇電子俄歇電子兩者比較兩者比較引申引申(自學）自學） ：第41頁/共55頁每種物質的俄歇電子

25、的能量大小只取決于該原子的三個能級（參與過程的三個能級能量），是元素的固有特征。每種元素都有自己的俄歇電子能譜（固有特征）。俄歇電子能譜可進行元素的成分分析及試樣表面狀態(tài)分析等。這種特征電子的能量較低，只有幾百電子伏特，在固體表面以內深處即使有這種電子也跑不出來，儀器測量不到， 所以利用俄歇效應設計的俄歇譜儀便成了對固體表面2-3層原子成分分析最適宜的儀器俄歇電子通常用參與過程的三能級來命名。即：初態(tài)空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、出射電子原在能級。（空位所在能級/ 躍遷電子原在能級 /出射電子原在能級）例：K層電子被擊出，L2層電子跳入K層空位，多余能量將L3層電子擊出， 俄歇

26、電子表示為：KL2L3。俄歇電子特點俄歇電子特點俄俄歇歇電電子子命命名名引申引申(自學）自學） ：第42頁/共55頁引申（ 自學，部分見本書最后部分）:X射線光電子能譜(XPS) ：被X射線擊出殼層的電子。它帶有殼層的特征能量,可用來進行成分和化合價分析。 俄歇電子能譜(AES) ：俄歇電子帶有三殼層的特征能量，僅由三殼層的能量決定?？捎脕磉M行成分和化合價分析X射線熒光：帶有殼層的特征能量?？捎脕磉M行成分分析。 第43頁/共55頁散射：無能量損失或損失相對較小 只有相干散射才能產生衍射 相干散射是進行材料晶體物相（結構）分析的工具真吸收：能量大幅度轉換 真吸收（產生光電子、X射線熒光、俄歇電子

27、、熱等， 光電子、X射線熒光和俄歇電子這些信號帶有元素的能級特征是進行材料成分分析的工具小結：第44頁/共55頁三三. X射線的透過強度射線的透過強度xxxmeIeII001.X射線的透過強度射線的透過強度X射線通過物質時的衰減，是真吸收和散射造成的，主要是真吸收強度的衰減率與強度的衰減率與X X射線在均勻射線在均勻物質內通過的距離物質內通過的距離dx dx 成正比成正比2. 線吸收系數線吸收系數 物理意義：物理意義：X X射線沿傳播方向穿過射線沿傳播方向穿過單位長度單位長度物質時強度的衰減程度物質時強度的衰減程度3.3.質量吸收系數：質量吸收系數： 可用生物透視或工業(yè)產品探傷可用生物透視或工

28、業(yè)產品探傷X X射線沿傳播方向穿過射線沿傳播方向穿過單位質量單位質量單位長度物質時強度的衰減程度單位長度物質時強度的衰減程度m吸收體密度第45頁/共55頁種物質的質量百分比）是第混合物：iWWWWWi11miim(.3332221加權平均加權平均與吸收體的疏密程度（密度）和物質狀態(tài)無關，與X射線的及吸收體Z有關。m隨的變化曲線上存在尖銳突變，某些極大值對應的波長為稱為吸收限，如K吸收線。33ZKm4.4.質量吸收系數大?。嘿|量吸收系數大?。号c波長的三次方和元素的原子序數的三與波長的三次方和元素的原子序數的三次方近似地成比例，因此次方近似地成比例，因此a.b.c.d.m第46頁/共55頁 四四.

29、 吸收限及其應用吸收限及其應用定義定義: 在吸收體質量吸收系數隨在吸收體質量吸收系數隨x射線波長變化的圖譜上，射線波長變化的圖譜上， 出現出現一些吸收極大值，此時對應著入射一些吸收極大值，此時對應著入射x射線射線 剛好把吸收體元素的某剛好把吸收體元素的某內層電子電離。內層電子電離。 K 吸收吸收 限波長限波長 ：對應著對應著入射：對應著對應著入射x射線剛射線剛好能把吸收體元素的好能把吸收體元素的K層電子電離。層電子電離。 注意：注意：（1）不管入射）不管入射x射線的波長是等于、大于還是小于射線的波長是等于、大于還是小于 ， 吸收體吸收體對對X 射線都有吸收，射線都有吸收， 吸收后可能轉化為熱能

30、或吸收后可能轉化為熱能或X射線熒光等。在射線熒光等。在吸收限波長時，吸收限波長時， 物質對物質對X射線的吸收達到極值。射線的吸收達到極值。（2）但若是要使得吸收體產生）但若是要使得吸收體產生X射線熒光（二次特征射線），入射線熒光（二次特征射線），入射高能粒子的能量必須大于等于被照射體的某內層電子的電離能。射高能粒子的能量必須大于等于被照射體的某內層電子的電離能。例如：入射例如：入射X射線的波長必須等于和小于射線的波長必須等于和小于 才能產生才能產生K系熒光。系熒光。KchEK吸收限吸收限KK第47頁/共55頁 曲線產生突變。突變處極大值稱為吸收限。相應的波長為吸收限波長。m33ZKm 單質的 曲線質量吸收系數與質量吸收系數與入射入射X射線波長的關系圖射線波長的關系圖m第48頁/共55頁2.吸收限的應用之一 ：濾波片利用特征x-ray進行物相分析時，只用單色K譜線，將K等濾掉，需使用濾波片。濾波片是利用吸收限兩邊吸收系數相差懸殊的特點。濾波片