材料分析方法賀毅

1、射線：波長很短的電磁波特征射線：是具有特定波長的X射線，也稱單色X射線。連續(xù)射線：是具有連續(xù)變化波長的X射線，也稱多色X射線。熒光射線：當(dāng)入射的X射線光量子的能量足夠大時，可以將原子內(nèi)層電子擊出，被打掉了內(nèi)層的受激原子將發(fā)生外層電子向內(nèi)層躍遷的過程，同時輻射出波長嚴(yán)格一定的特征X射線二次特征輻射：利用X射線激發(fā)作用而產(chǎn)生的新的特征譜線Ka輻射：電子由L層向K層躍遷輻射出的K系特征譜線相干輻射：X射線通過物質(zhì)時在入射電場的作用下，物質(zhì)原子中的電子將被迫圍繞其平衡位置振動，同時向四周輻射出與入射X射線波長相同的散射X射線，稱之為經(jīng)典散射。由于散射波與入射波的頻率或波長相同，位相差恒定，在同一方向上

2、各散射波符合相干條件，稱為相干散射非相干輻射：散射位相與入射波位相之間不存在固定關(guān)系，故這種散射是不相干的俄歇電子：原子中一個K層電子被激發(fā)出以后，L層的一個電子躍遷入K層填補(bǔ)空白，剩下的能量不是以輻射原子散射因子：為評價原子散射本領(lǐng)引入系數(shù)f (fE)，稱系數(shù)f為原子散射因子。他是考慮了各個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)果結(jié)構(gòu)因子：定量表征原子排布以及原子種類對衍射強(qiáng)度影響規(guī)律的參數(shù)，即晶體結(jié)構(gòu)對衍射強(qiáng)度的影響多重性因素：同一晶面族 hkl中的等同晶面數(shù)系統(tǒng)消光：原子在晶體中位置不同或種類不同引起某些方向上衍射線消失的現(xiàn)象吸收限：當(dāng)入射X射線光子能量達(dá)到某一閾值可擊出物質(zhì)

3、原子內(nèi)層電子時，產(chǎn)生光電效應(yīng)。與此能量閾值相應(yīng)的波長稱為物質(zhì)的吸收限。分辨率：是指成像物體上能分辨出的兩個物點(diǎn)的最小距離明場像：用另外的裝置來移動物鏡光闌，使得只有未散射的透射電子束通過他，其他衍射的電子束被光闌擋掉，由此得到的圖像暗場像：或是只有衍射電子束通過物鏡光闌，投射電子束被光闌擋掉，由此得到的圖像景深：是指當(dāng)成像時，像平面不動，在滿足成像清晰的前提下，物平面沿軸線前后可移動的距離 焦長：焦長是指物點(diǎn)固定不變（物距不變），在保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線可移動的距離。像差：由于透鏡幾何形狀和電磁波波長變化對電磁透鏡聚焦能力不一樣造成的圖像差異等厚干涉條紋：在電鏡下我們會看到整個

4、楔形晶體是亮暗相間的條紋，這些條紋很像地圖上的等高線，每一條紋對應(yīng)晶體的相等厚度區(qū)域所以叫等厚干涉條紋彎曲消光條紋：當(dāng)樣品厚度一定時，衍射束強(qiáng)度隨樣品內(nèi)反射面相對布拉格位置偏移矢量S變化而呈周期擺動，相應(yīng)的投射束強(qiáng)度按相反周期擺動，擺動周期為1T，因而在電鏡內(nèi)顯示出相應(yīng)的條紋。襯度：像平面上各像點(diǎn)強(qiáng)度的差別質(zhì)厚襯度：樣品上的不同微區(qū)無論是質(zhì)量還是厚度的差別，均可引起相應(yīng)區(qū)域投射電子強(qiáng)度的改變，從而在圖像上形成亮暗不同的區(qū)域這一現(xiàn)象叫質(zhì)厚襯度效應(yīng)雙束近似：假定電子束透過晶體試樣成像時，除投射束外只存在一束較強(qiáng)的衍射束，而其他衍射束則大大偏離布拉格條件，他們的強(qiáng)度都可以視為零衍射襯度：把薄晶體下表

5、面上每點(diǎn)的襯度和晶柱結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來的處理方法稱柱體近似消光距離：表示在精確符合布拉格條件時透射波與衍射波之間能量交換或強(qiáng)度振蕩的深度周期。柱體近似：把成像單元縮小到一個晶胞相當(dāng)?shù)某叨取Ｖ挥邪迅鱾€晶柱底部的衍射強(qiáng)度記錄下來，就可以推測出晶體下表面的衍射強(qiáng)度，這種把薄晶體像表面上的襯度和結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來處理。 二次電子：是指被入射電子轟擊出來的核外電子。背散射電子; 是指被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。表面形貌襯度: 是由于試樣表面形貌差別而形成的襯度原子度數(shù)襯度：是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)（或化學(xué)成分）差別而形成的襯度1.布拉格方程和衍射強(qiáng)度不等于零 2.溫度差 3.波長很短的電磁波 4

6、.定點(diǎn)分析、線分析、面分析 5.物鏡 6.球差、像散、色差 7.聚光鏡光闌裝在（第二聚光鏡的下方）-物鏡光闌安放在（物鏡的后焦面上）-選區(qū)光闌放在（物鏡的像平面位置） 8. 9.一系列同心圓環(huán)1)按入射電子能量的大小，電子衍射可分為(高能電子衍射)、(低能電子衍射)及(反射式高能電子衍射)。2)阿貝成像原理可以簡單地描述為兩次(干涉):平行光束受到有周期性特征物體的衍射作用形成(衍射波)，各級衍射波通過(物鏡)重新在像平面上形成反映物的特征的像。3)按照出射信號的不同，成分分析手段可以分為兩類:（x光譜和電子光譜），出射信號分別是（x射線，電子）4)表面形貌分析技術(shù)經(jīng)歷了(光學(xué)顯微分析)、(透

7、射電鏡分析）、掃描探針顯微分析）的發(fā)展。5）材料性能主要決定于其(化學(xué)成分)、(物相組成)、(微觀組織）。6)常用的熱分析法有(差熱分析法)、(差熱掃描量熱法)、（熱重法）及（動態(tài)熱機(jī)械法）和（熱機(jī)械分析法）。7)電子能譜包括(光電子能譜)、(俄歇電子能譜)、(電子能量損失能譜）、（離子中和譜)。8)光譜分析方法包括各種(吸收光譜分析)和（發(fā)射光譜分析）以及（散射光譜分析）。9)光譜分析儀器主要由(光源)、(光譜儀)、(檢測器)。10)材料分析的三個基本方面:(成分分析)、(結(jié)構(gòu)分析)和（形貌分析）。11)光學(xué)透鏡的像差包括(球差)、(色差)及(像散)。12）光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)包括(目鏡)、(物鏡)

8、、（光源）及(聚光器)。13)獲取衍射花樣的三種基本方法是(勞埃法)(周轉(zhuǎn)晶體法)(粉末法)14)利用電磁線圈激磁的電磁透鏡，通過調(diào)節(jié)(磁電流)可以很方便地調(diào)節(jié)(磁場強(qiáng)度)，從而調(diào)節(jié)(透鏡焦距和放大倍數(shù))。15)德拜相機(jī)底片安裝方法包括(正裝法)、(反裝法)、(偏裝法）。16)入射X射線可使樣品產(chǎn)生(相干散射)和(非相干散)。（相干散射）是X射線衍射分析方法的技術(shù)基礎(chǔ)。17)熱電偶實(shí)際上是一種(測溫元件)，它將熱能轉(zhuǎn)換為(熱電流），利用所產(chǎn)生的（熱電勢）測量溫度。18)通常有三種拋光的方法，即(機(jī)械拋光)、(電解拋光）、（化學(xué)拋光）。19）通常透射電鏡由(成像系統(tǒng))、電源系統(tǒng)、(記錄系統(tǒng) ）、

9、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和（真空系統(tǒng)）組成20)依據(jù)差熱分析曲線特征，可定性分析物質(zhì)的(物理或化學(xué)）變化過程，還可依據(jù)（峰面積）半定量的測定（反應(yīng)熱）。21)衍射波的兩個基本特征一衍射線在空間分布的(方位)和（強(qiáng)度），與晶體內(nèi)原子（分布規(guī)律）密切相關(guān)。22)質(zhì)譜分析可用于測定化合物的(相對分子質(zhì)量)，推測（分子式）和（結(jié)構(gòu)式）。23)主要的物相分析手段有三種:(X射線衍射)、(電子衍射）、（種子衍射）。1.X射線衍射進(jìn)行物像定性分析和定量分析的依據(jù)是啥？定性分析依據(jù)：任何一種物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)。在一定波長的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都給出自己特有的衍射花樣，每一種物質(zhì)和他的衍射花樣都是一一對應(yīng)的，不

10、可能有兩種物質(zhì)給出完全相同的衍射花樣。如果在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)所特有的花樣不變，多相試樣的衍射花樣只是由他所含物質(zhì)的衍射花樣機(jī)械疊加而成2. 比較光學(xué)和投射電子顯微鏡成像的異同？不同點(diǎn) 1）光鏡用可見光作照明束，電鏡以電子束作照明束。2）光鏡用玻璃透鏡，電鏡用電磁透鏡。3）光鏡對組成相形貌分析，電鏡兼有組成相形貌和結(jié)構(gòu)分析相同點(diǎn) 成像原理相似3.DSC的原理及應(yīng)用？原理：差示掃描量熱法DSC是在程序控制溫度下，測量輸給試樣和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。在這種方法下，試樣在加熱過程中發(fā)生熱效應(yīng)，產(chǎn)生熱量的變化，而通過輸入電能及時加以補(bǔ)償，而使試樣和參比物的溫度又

11、恢復(fù)平衡。所以，只要記錄所補(bǔ)償?shù)碾姽β蚀笮。涂梢灾涝嚇訜嵝?yīng)(吸收或放出)熱量的多少。應(yīng)用:玻璃化轉(zhuǎn)變、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)、結(jié)晶時間和溫度、結(jié)晶度、多種形態(tài)、熔化和反映熱4.簡述選區(qū)電子的衍射操作的步湊1）按成像操作得到清晰的圖像2)加入選區(qū)光闌將感興趣的區(qū)域圍起來調(diào)節(jié)中間鏡電流使光闌邊緣像在熒光屏上清晰。 3)調(diào)整物鏡電流使選區(qū)光闌內(nèi)的像清晰。 4)抽出物鏡光闌，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面上移到物鏡后焦面處，使中心斑點(diǎn)變到最小最圓。1.終結(jié)簡單點(diǎn)陣、體心點(diǎn)陣、面心點(diǎn)陣衍射線的系統(tǒng)消光規(guī)律?簡單點(diǎn)陣：不存在系統(tǒng)消光。體心點(diǎn)陣：當(dāng)（h+k+l）=偶數(shù)時出現(xiàn)反射，當(dāng)（h+k+l）=奇數(shù)時消光。面心

12、點(diǎn)陣：當(dāng)h,k,l全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時出現(xiàn)反射，當(dāng)h,k,l有奇有偶時消光。2.投射電鏡中有哪些主要的光闌 在啥位置 作用如何在透射電鏡中主要有三種光闌：聚光鏡光闌、物鏡光闌、選區(qū)光闌。聚光鏡光闌裝在第二聚光鏡的下方，其作用是限制照明孔徑角。物鏡光闌安放在物鏡的后焦面上，其作用是使物鏡孔徑角減小，能減小像差，得到質(zhì)量較高的顯微圖像；在后焦面上套取衍射束的斑點(diǎn)成暗場像。選區(qū)光闌放在物鏡的像平面位置，其作用時對樣品進(jìn)行微小區(qū)域分析，即選區(qū)衍射。3. 說明影響光學(xué)顯微鏡和電磁透鏡分辨率的關(guān)鍵因數(shù)是啥 如何提高電磁透鏡的分辨率光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)取決于照明光源的波長。電磁透鏡的分辨率由衍射效應(yīng)和球面像

13、差來決定，球差是限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素。提高方法:1.提高加速電壓，使電子波長減小，達(dá)到使艾利斑減小的目的，從而提高分辨率。2.適當(dāng)提高孔徑半角，而提高分辨率：3.運(yùn)用適當(dāng)?shù)某C正器來減小像差對分辨率的影響。4. 試比較波溥儀和能譜儀在進(jìn)行化學(xué)成分分析是的優(yōu)缺點(diǎn)波譜儀；分析的元素范圍廣、探測極限小、分辨率高，適用于精確的定量分析。其缺點(diǎn)是要求試樣表面平整光滑，分析速度較慢，需要用較大的束流，從而容易引起樣品和鏡筒的污染。能譜儀：雖然在分析元素范圍、探測極限、分辨率、譜峰重疊嚴(yán)重，定量分析結(jié)果一般不如波譜等方面不如波譜儀，但其分析速度快（元素分析時能譜是同時測量所有元素），可用較小的束流和

14、微細(xì)的電子束，對試樣表面要求不如波譜儀那樣嚴(yán)格，因此特別適合于與掃描電子顯微鏡配合使用。5. 掃描電鏡的分辨率受哪些因數(shù)的影響，如何提高因素及提高：1）掃描電子束的束斑直徑：束斑直徑越小，分辨率越高。2）入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：與樣品原子序數(shù)有關(guān)，輕元素樣品，梨形作用體積；重元素樣品，半球形作用體積。3）操作方式及所用的調(diào)制信號4）還受信噪比、雜散磁場、機(jī)械振動等因素影響。6. 二次電子像的襯度和背射電子像的襯度各有啥特點(diǎn)二次：特別適用于顯示形貌襯度。一般來說，凸出的尖棱、小粒子、較陡斜面二次電子產(chǎn)額多，圖像亮；平面上二次電子產(chǎn)額小，圖像暗；凹面圖像暗。 背散射電子：無法收集到背散射電子

15、而成一片陰影，圖像襯度大，會掩蓋許多細(xì)節(jié)。7. 掃描電鏡的分辨率受哪些因數(shù)的影響，如何提高因素及提高：1）掃描電子束的束斑直徑：束斑直徑越小，分辨率越高。2）入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：與樣品原子序數(shù)有關(guān)，輕元素樣品，梨形作用體積；重元素樣品，半球形作用體積。3）操作方式及所用的調(diào)制信號4）還受信噪比、雜散磁場、機(jī)械振動等因素影響。8. 說明透射電鏡的工作原理及在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用工作原理: 電子槍發(fā)射的電子束在陽極加速電壓作用下加速，經(jīng)聚光鏡會聚成平行電子束照明樣品，穿過樣品的電子束攜帶樣品本身的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)物鏡、中間鏡、投影鏡接力聚焦放大，以圖像或衍射譜形式顯示于熒光屏。應(yīng)用：早期的透

16、射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀）所不具備的。 9. 簡述DTA的原理原理：差熱分析是在程序控制溫度下，測量試樣與參比物質(zhì)之間的溫度差T與溫度T（或時間t）關(guān)系的一種分析技術(shù)，所記錄的曲線是以T為縱坐標(biāo),以T（或t）為橫坐標(biāo)的曲線，稱為差熱曲線或DTA曲線，反映了在程序升溫過程中，T與T或t的函數(shù)關(guān)系： T = f ( T ) 或f ( t ) DTA檢測的是T與溫度的關(guān)系.10. 簡述熱重分析的特點(diǎn)和原理熱重法是在程控溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度或時間關(guān)系的一

17、種熱分析法。由熱重法所記錄的曲線稱為熱重曲線或TG曲線，它以質(zhì)量m（或質(zhì)量參數(shù)）為縱坐標(biāo)，以溫度T或時間t為橫坐標(biāo)，反映了在均勻升溫或降溫過程中物質(zhì)質(zhì)量與溫度或時間的函數(shù)關(guān)系： m = f (T) 或 f ( t ) 應(yīng)用：材料的熱穩(wěn)定性的研究，材料的熱膨脹、收縮、拉伸、剪切、扭曲的研究；含能材料的熱反應(yīng)性的研究等；11.電磁透鏡的像差是怎樣產(chǎn)生的，如何來消除或減小像差？電磁透鏡的像差可以分為兩類：幾何像差和色差。幾何像差是因?yàn)橥渡浯艌鰩缀涡螤钌系娜毕菰斐傻?，色差是由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。幾何像差主要指球差和像散。球差是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮拥恼凵淠芰?/p>

18、不符合預(yù)定的規(guī)律造成的，像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱引起的。消除或減小的方法：球差：減小孔徑半角或縮小焦距均可減小球差，尤其小孔徑半角可使球差明顯減小。像散：引入一個強(qiáng)度和方向都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場即消像散器予以補(bǔ)償。色差：采用穩(wěn)定加速電壓的方法有效地較小色差。1. 與X射線相比（尤其透射電鏡中的）電子衍射的特點(diǎn)X射線衍射相同點(diǎn):滿足衍射的必要和充分條件,可借助倒易點(diǎn)陣和厄瓦德圖解不同點(diǎn):波長長,試樣是大塊粉末1.要精確滿足布拉格條件2.衍射角可以很大3.衍射強(qiáng)度弱,暴光時間長電子衍射相同點(diǎn):滿足衍射的必要和充分條件,可借助倒易點(diǎn)陣和厄瓦德圖解不同點(diǎn):波長短,試樣是薄片1.倒易點(diǎn)變成倒易桿2.不

19、要精確滿足布拉格條件3.衍射角很小4.衍射強(qiáng)度強(qiáng),暴光時間短3.式比較說明復(fù)型樣品和金屬薄膜樣品在透射電鏡中的形成圖像襯度原理質(zhì)厚襯度建立在非晶體樣品中原子對入射電子的散射和透射電鏡小孔徑角成像的基礎(chǔ)上，是解釋非晶體樣品電鏡圖像襯度的理論依據(jù)。1、原子對入射電子的散射 原子核對入射電子的散射：原子核對入射電子的散射，引起電子改變運(yùn)動方向，而能量沒有變化的散射，是彈性散射。散射能力可用來描述。2、小孔徑角成像物鏡背焦面上沿徑向插入一小孔徑物鏡光闌。物鏡孔徑半角a明場象：直射束成像。暗場象：散射束成像。散射角大于a的電子被光闌擋掉，只允許散射角小于 a的電子通過物鏡光闌參與成像。在明場象時，Z高或

20、樣品較厚的區(qū)域在熒光屏上顯示為較暗的區(qū)域，反之，Z低或樣品較薄的區(qū)域在熒光屏上顯示為較亮的區(qū)域。暗場象反之。于是形成襯度.4. 掃描電鏡的工作原理及其在材料研究中的應(yīng)用工作原理：由電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，在加速電壓作用下，經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。應(yīng)用：掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序、成比例地轉(zhuǎn)換為視頻傳號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。包括其在觀察材料表面形貌，第二相粒子，材料界面和斷口中應(yīng)

21、用。1說明多晶 單晶 及非晶電子衍射花樣的特征及形成原1.單晶電子衍射成像原理與衍射花樣特征因電子衍射的衍射角很小，故只有O*附近落在厄瓦爾德球面上的那些倒易結(jié)點(diǎn)所代表的晶面組滿足布拉格條件而產(chǎn)生衍射束，產(chǎn)生衍射的厄瓦爾德球面可近似看成一平面。電子衍射花樣即為零層倒易面中滿足衍射條件的那些倒易陣點(diǎn)的放大像。花樣特征：薄單晶體產(chǎn)生大量強(qiáng)度不等、排列十分規(guī)則的衍射斑點(diǎn)組成，2.多晶體的電子衍射成像原理和花樣特征多晶試樣可以看成是由許多取向任意的小單晶組成的。故可設(shè)想讓一個小單晶的倒易點(diǎn)陣?yán)@原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，同一反射面hkl的各等價倒易點(diǎn)（即（hkl）平面族中各平面）將分布在以1/dhkl為半徑的球面上，而

22、不同的反射面，其等價倒易點(diǎn)將分布在半徑不同的同心球面上，這些球面與反射球面相截，得到一系列同心園環(huán)，自反射球心向各園環(huán)連線，投影到屏上，就是多晶電子衍射圖?；犹卣鳎憾嗑щ娮友苌鋱D是一系列同心園環(huán)，園環(huán)的半徑與衍射面的面間距有關(guān)。3.非晶體的花樣特征和形成原理點(diǎn)陣常數(shù)較大的晶體，倒易空間中倒易面間距較小。如果晶體很薄，則倒易桿較長，因此與愛瓦爾德球面相接觸的并不只是零倒易截面，上層或下層的倒易平面上的倒易桿均有可能和愛瓦爾德球面相接觸，從而形成所謂高階勞厄區(qū)。2.衍襯運(yùn)動學(xué)理論的最基本假設(shè)是什么？怎樣做才能滿足或接近基本假設(shè)？1）入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次散射 2）入射電子波在樣品內(nèi)

23、傳播的過程中，強(qiáng)度的衰減可以忽略，這意味著衍射波的強(qiáng)度與透射波相比始終是很小。可以通過以下途徑近似的滿足運(yùn)動學(xué)理論基本假設(shè)所要求的實(shí)驗(yàn)條件 ：1)采用足夠薄的樣品，使入射電子受到多次散射的機(jī)會減少到可以忽略的程度。同時由于參與散射作用的原子不多，衍射波強(qiáng)度也較弱。2)讓衍射晶面處于足夠偏離布拉格條件的位向，即存在較大的偏離，此時衍射波強(qiáng)度較弱。3.波譜儀和能譜儀的工作原理能譜儀（EDS）是用較細(xì)聚集的高能電子束照射樣品表面所需分析的微區(qū)，激發(fā)出物質(zhì)的特征X射線，其能量決定于組成該物質(zhì)的元素種類，其強(qiáng)度決定元素的含量，能譜儀用半導(dǎo)體探測器檢測X射線的能量并按其大小展譜，根據(jù)能量大小確定產(chǎn)生該能量特征X射線的元素。波譜儀（WDS）是用細(xì)聚集的高能量電子束照射樣品表面所需的分析微區(qū)，激發(fā)出物質(zhì)的特征X射線，其波長決定組成該物質(zhì)的元素