現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法第1頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月教材電子顯微分析章曉中著晶體學(xué)中的對(duì)稱群王仁卉,郭可信著科學(xué)出版社1990.10可參考電子顯微學(xué)（包括掃描及透射）、X光晶體學(xué)、X光衍射等方面的書籍第2頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Referencebooks:“電子衍射圖在晶體學(xué)中的應(yīng)用”郭可信葉恒強(qiáng)吳玉琨著科學(xué)出版社1983“高分辨電子顯微學(xué)在固體科學(xué)中的應(yīng)用”郭可信葉恒強(qiáng)編著科學(xué)出版社1985“高空間分辨分析電子顯微學(xué)”朱靜葉恒強(qiáng)王仁卉等編著科學(xué)出版社1987“電子衍射物理教程”王蓉著冶金工業(yè)出版社2002北京“電子衍襯分析原理與圖譜”黃效瑛侯耀永李理著山東科學(xué)技術(shù)出版社2000

“電子顯微鏡圖像分析原理與應(yīng)用”黃孝瑛著宇航出版社1989.9

“Electronmicroscopyofthincrystals”editedbyM.A.Hirschetal.RobertE.KriegerPublishingCo.Huntington1965“TransmissionElectronMicroscopy-BasicsbyD.B.WilliamsandC.B.Carter第3頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Referencebooks:“Transmissionelectronmicroscopy-Physicsofimageformationandmicroanalysis”,EditedbyL.ReimerSpringer-Verlag1980“Practicalelectronmicroscopyinmaterialsscience”,EditedbyJ.W.EdingtonPhilipsTechnicalLibrary1975“Moderndiffractionandimagingtechniquesinmaterialscience”editedbyS.Amelinkxetal.,North-HollandPublishingCo.Amsterdam1978“Diffractionphysics”editedbyJ.M.CowleyNorth-HollandPublishingCo.NewYork1967“Electronmicroscopyandanalysis”/PeterJ.Goodhew,JohnHumphreys,RichardBeanland.Taylor&Francis,2001.

第4頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目錄第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理第二章晶體結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)第三章衍射及成像原理第四章電子衍射譜的種類及應(yīng)用第五章X光衍射原理及粉末X光衍射

第5頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月課程安排第三周9月15號(hào)：第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理第四周9月22號(hào)：實(shí)驗(yàn)一金相分析徐衛(wèi)平第五周9月29號(hào)：實(shí)驗(yàn)二掃描電鏡鄒龍江第七周10月13號(hào)：實(shí)驗(yàn)三電子探針于鳳云第八周10月20號(hào)：第二章晶體結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)1第九周10月27號(hào)：實(shí)驗(yàn)四X射線熒光光譜史淑艷第十周11月3號(hào)：實(shí)驗(yàn)五X射線衍射侯曉多第十一周11月10號(hào)：第二章晶體結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)2第十二周11月17號(hào)：第二章晶體結(jié)構(gòu)及晶體學(xué)3第十三周11月24號(hào)：實(shí)驗(yàn)六透射電鏡戚琳李春艷第十四周12月1號(hào)：第三章衍射及成像原理1第十五周12月8號(hào)：第三章衍射及成像原理2第十六周12月15號(hào)：第四章電子衍射譜的種類及應(yīng)用1第十七周12月22號(hào)：第四章電子衍射譜的種類及應(yīng)用2第十八周12月29號(hào)：第五章X光衍射原理及粉末X光衍射總共理論課10次、實(shí)驗(yàn)課6次。

每周二下午5-7節(jié)，研究生教學(xué)大樓104房間，3-18周第6頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理一、

微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理

用載能粒子作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作用后便帶有樣品的結(jié)構(gòu)信息，分為吸收和發(fā)射光譜。所用波長(zhǎng)應(yīng)該與要分析的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相應(yīng)，例如要想分析原子排列，必須用波長(zhǎng)接近或小于原子間距的入射束。電子、光子和中子是最常見的束源。入射束出射束物質(zhì)第7頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

透射電鏡掃描電鏡第8頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

掃描電鏡第9頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

1、彈性相互作用（DE＝Dl=0）： 入射電子在原子的庫(kù)侖場(chǎng)作用下改變方向而無(wú)能量變化，產(chǎn)生衍射和成象 與核外電子云作用的散射角<0.2°，可形成BRAGG衍射

TEM:structure,morphology,composition）；Thescatteringofanelectronisdescribedaselasticifanegligibleamountofenergyislostbytheprimaryelectronintheprocess.Thedirectionoftheelectronmaybealtered,butitsenergyremainsessentiallythesame.第10頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原始鑄鋁材顯微結(jié)構(gòu)的明場(chǎng)像波紋襯度所穿過(guò)的晶界在波紋襯度所穿過(guò)的晶界處的選區(qū)電子衍射圖，揭示出小角晶界的特征。第11頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

1、彈性相互作用（DE＝Dl=0）： 與核作用為大角散射，為primarybackscatteredelectronsSEM:morphology,composition。 鑄態(tài)合金Al72.5Fe14.5Ni13的掃描電鏡形貌，圖中D(灰色)和H(淺灰色)分別代表十次準(zhǔn)晶D-Al72.6Fe14.6Ni12.8和Al5FeNi六角相(Al5Co2型)，D相中存在少量黑色相，其結(jié)構(gòu)尚未確定，能譜測(cè)得的成分為Al77Fe5.5Ni17.5.（at.%）Aprimaryelectronisusuallyahighenergyelectronwhichstartsoutsidethecrystal(e.g.inthebeamofanelectronmicroscope).Itmaybeelasticallyscatteredormayexcitevariousprocessesinthecrystalbybeinginelasticallyscattered.第12頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

2、

非彈性相互作用（DE≠0）：入射（primarye）電子不僅改變方向，而且與物質(zhì)交換能量，產(chǎn)生熱、光、X射線及二次電子發(fā)射等等，主要用于分析樣品的成分及電子結(jié)構(gòu)。(1)phononscattering(D-Wfactor)：抵消高角衍射Aphononisaquantumoflatticevibrationalenergyinacrystal.Phononsaretheparticle-typemanifestationofthermalenergywavesinsolids.第13頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

2、

非彈性相互作用（DE≠0）：入射（primarye）電子不僅改變方向，而且與物質(zhì)交換能量，產(chǎn)生熱、光、X射線及二次電子發(fā)射等等，主要用于分析樣品的成分及電子結(jié)構(gòu)。(2)plasmon:CoulombforcesbetweenfasteandecloudcausescollectiveoscillationAplasmonisthequantumassociatedwithwavesintheconductionband(collectiveoscillationsofmanyelectrons).Theenergyassociatedwithaplasmonisintherange10-30eVformostmaterials.第14頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

2、

非彈性相互作用（DE≠0）：(3)singleescattering:transferofEtoeinthecloudfromafaste. 即電離。情形1：ejectionofvalencee(2ndewithlowE,topography)SEMSecondaryelectronsofvarioustypescanbeemittedfromasolidfollowingitsbombardmentwithprimaryelectrons.Itarisesasaresultoftheinteractionofaprimaryelectronwithaspecimen.Inprinciplethetermreferstoallelectronsemittedfromaspecimenafterithasbeenbombardedwithprimaryelectrons,X-raysorotherradiation.Inpracticethephrasemostcommonlyreferstolow-energyelectrons(kineticenergylessthan50eV)emittedfromthespecimeninascanningelectronmicroscope(SEM).Duetotheirlowenergy,5eV,onlysecondariesthatareverynearthesurface(<10nm)canexitthesampleandbeexamined.第15頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月轟擊表面熔化區(qū)內(nèi)的微觀典型形貌A.火山坑狀“熔孔”B.顆粒狀熔體轟擊試樣截面近表層腐蝕后的高倍電子掃描形貌二次電子像第16頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 一、

電子與物質(zhì)相互作用：

2、

非彈性相互作用（DE≠0）：(3)電離,情形2：

ejectionofinnershelleEELS第17頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)電離,情形3:ejection/promotionofinnershelle+ahigherlevelefallingValenceL3L2L1KefreeeKa2特征X射線AugereK激發(fā)態(tài)

發(fā)射K光子（重元素）平均自由程mm

發(fā)射俄歇電子（輕元素）

平均自由程?,表面幾層原子EnergyDispersiveAnalysisofX-rays(EDAX)WavelengthDispersiveAnalysisofX-rays(ElectronMicroprobe)Augerspectroscopy第18頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AluminiumSymbol:

AlMetallicelementwithatomicnumber13anddensity2,700kgm-3.Itselectronicconfigurationis1s22s22p63s23p1anditistherefore3-valent.K1s(1＝theprincipalquantumnumber)L12sL2,L32pM13sM2,M33pM4,M53detc.第19頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ElectronicconfigurationofanAlatom3s23p1第20頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ElectronicconfigurationofanAlatom第21頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月plasmon等離子體振蕩或振元第22頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Anincomingelectronknocksoutavalenceelectron第23頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL1-shellelectron第24頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL1-shellelectron第25頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL23-shellelectron第26頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutaK-shellelectron第27頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Augerelectronemission第28頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutaK-shellelectron第29頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FillingthevacancywithanL1electron第30頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EmittinganL23Augerelectron第31頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Augerelectronemission第32頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Augerelectronemission第33頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AugerelectronemissionAugerelectron

AnAugerelectronhascharacteristicenergyrelatedtotheelectronictransitionswithintheatomwhichhavecausedittobeemitted.EmissionofanAugerelectronisanalternativetotheemissionofa

characteristicX-ray.Theenergy

ofanAugerelectron,EA,isgiven

byEA=E1-E2-E3,where

E1=Ewithinner-shellvacancy,

E2=Ewithouter-shellvacancy,

E3=bindingenergyofemittede

第34頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UtilizationofAugerelectronAugerElectronshaveacharacteristicenergy,uniquetoeachelementfromwhichitwasemittedfrom.Theseelectronsarecollectedandsortedaccordingtoenergytogivecompositionalinformationaboutthespecimen.SinceAugerElectronshaverelativelylowenergytheyareonlyemittedfromthebulkspecimenfromadepthof<3atomiclayers

第35頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第36頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第37頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第38頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Utilization

ofcharacteristicX-ray

X-raysorLightemittedfromtheatomwillhaveacharacteristicenergywhichisuniquetotheelementfromwhichitoriginated.Thesesignalsarecollectedandsortedaccordingtoenergy(EDAX)orwavelength(EPMA).成分單色光源第39頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CharacteristicX-rayemissionCharacteristicX-ray

AcharacteristicX-raycanbeemittedfromanexcitedatomwhenanouter-shell(e.g.L)electronjumpsintofillaninner-shell(e.g.K)vacancy.Ithasanenergycharacteristicoftheatomandcanthereforebeusedforanalyticalpurposes.Itsenergyisthedifferencebetweentheenergiesoftheatomwithaninner-shellvacancyandthesameatomwithanouter-shellvacancy.

第40頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

分析方法的種類及功能1、

按照束源分類：（1）

電子顯微術(shù)： 同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)（衍射）、形貌（成象）和成分（X光能譜和波譜、電子能量損失譜、俄歇電子譜等）信息； 電子束的波長(zhǎng)很小，可覆蓋從微觀到宏觀的所有結(jié)構(gòu)尺度； 高分辨率。 缺點(diǎn)主要是電子穿透能力弱（穿透能力為十分之一微米量級(jí)），帶來(lái)樣品制備和實(shí)驗(yàn)等方面的困難；電子與物質(zhì)的作用十分強(qiáng)烈，致使結(jié)果分析較復(fù)雜。第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理透射電鏡掃描電鏡俄歇譜儀電子探針第41頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

分析方法的種類及功能（2）

X光衍射： 屬于利用光子進(jìn)行物質(zhì)分析的一種。

X光的波長(zhǎng)在0.01~0.1nm范圍，正適合于分析物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。

X光與被輻射物質(zhì)的電子云相互作用，但相互作用弱于電子束，穿透能力在多數(shù)金屬里達(dá)數(shù)十個(gè)微米 測(cè)量結(jié)果精確，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便， 最常用的有效分析手段。 缺點(diǎn)是只能給出平均的結(jié)構(gòu)信息， 與輕原子作用很弱，不適于研究生物樣品； 不適合成像。第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理X光衍射儀第42頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

分析方法的種類及功能第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理X-raymicroscope?Withsoftxrays,wehavetousediffractionratherthanrefractionforfocusing.KodakIntroducesnewDigitalX-RayModuleforMultimodal

ImagingofSmallAnimalsROCHESTER,NYNovember16,2004

www.biox.kth.se/research/xraymicroscopy第43頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

分析方法的種類及功能（3）

中子衍射： 沒有電荷，因此直接與原子核和原子磁矩作用，相互作用比起電子和X光要弱很多。 因此中子衍射的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)的穿透能力，可研究厘米量級(jí)的塊狀樣品，避免了多重散射，樣品的表面效應(yīng)可忽略，數(shù)據(jù)處理變得很簡(jiǎn)便（衍射峰為高斯分部）。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是中子對(duì)不同種類的原子很敏感，可進(jìn)行同位素互換、磁場(chǎng)影響等研究。 中子衍射的缺點(diǎn)與X光衍射類似，并且費(fèi)用高昂，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所只限于有原子反應(yīng)堆的地方。隨著核技術(shù)的發(fā)展，中子衍射在法國(guó)、美國(guó)等已成為一種廣泛應(yīng)用的研究手段。第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理Aprototypemicroscopethatusesneutronsinsteadoflightto"see"magnifiedimageshasbeendemonstratedattheNationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST).第44頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、

分析方法的種類及功能

2、按照物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析模式分類：晶體結(jié)構(gòu)（各類衍射儀diffractometers）；成像（透射電鏡、掃描電鏡等microscopes）；成分（X光能譜和波譜、電子能量損失譜、俄歇電子譜等spectroscopes）；綜合類（分析型電鏡）。

第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理第45頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它分析方法：激光第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理LaserDiffractometerisapreferredmethodforparticlesizeanalysisofnebulizedaerosols,sizerange0.1to2000μm.Lasermicroscope第46頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理第一代:光學(xué)顯微鏡1830年代后期為施萊德（M.Schleide）和施曼（T.Schmann）所發(fā)明；它使人類“看”到了致病的細(xì)菌、微生物和微米級(jí)的微小物體，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)作用，至今仍是主要的顯微工具；現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡第47頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理電子顯微鏡第二代