材料研究方法 課件 第1-3章 緒論、X射線衍射分析、電子顯微分析方法

2023/12/7緒論材料研究方法：1.材料研究材料的各種方法。材料的定義：用以制造有用的構(gòu)件、器件或其它物品的物質(zhì)。材料的種類：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料。材料科學(xué)的主要任務(wù)是研究材料。

2023/12/72.材料研究的內(nèi)容：組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)性能、制備加工、用途四者的相互關(guān)系。性能用途組成結(jié)構(gòu)加工2023/12/73.材料研究方法的內(nèi)容廣義：技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析狹義：材料組成和結(jié)構(gòu)的測(cè)試與分析方法。有的課程名稱為：材料測(cè)試與分析技術(shù)因?yàn)槊恳环N測(cè)試方法都對(duì)應(yīng)一定的儀器，所以《材料研究方法》的內(nèi)容與《儀器分析》比較接近，但是前者側(cè)重于分析方法原理，不強(qiáng)調(diào)儀器的結(jié)構(gòu)原理。4材料結(jié)構(gòu)分類材料結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)：材料系統(tǒng)內(nèi)各組成單元之間的相互聯(lián)系和相互作用方式。2023/12/71）不同形式的結(jié)構(gòu)層次原子及電子結(jié)構(gòu)（材料類型）原子的空間排列（晶體類型）組織結(jié)構(gòu)及相結(jié)構(gòu)（晶粒的大小及形狀等）2）

不同尺寸的結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)層次物體尺寸研究對(duì)象研究方法宏觀結(jié)構(gòu)>100

m大晶粒、顆粒集團(tuán)肉眼、放大鏡顯微結(jié)構(gòu)0.2-100

m多晶集團(tuán)光學(xué)顯微鏡亞顯微結(jié)構(gòu)10-200nm微晶集團(tuán)掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)<10nm晶格點(diǎn)陣透射電子顯微鏡2023/12/72023/12/75.材料測(cè)試的工作原理圖像分析法（顯微術(shù)）和非圖像分析法（衍射法和成分譜）工作原理是以電磁波轟擊樣品激發(fā)產(chǎn)生特征物理信息，將其收集并加以分析從而確定組成和結(jié)構(gòu)特征。2023/12/7圖像分析法，結(jié)構(gòu)分析的重要手段。（光學(xué)顯微分析、掃描電子顯微分析，透射電子顯微分析，原子力顯微分析）非圖像分析法分為衍射法（X射線衍射）進(jìn)行結(jié)晶相及晶格常數(shù)分析，和成分譜分析（光譜、能譜、質(zhì)譜、熱譜、色譜），主要測(cè)定材料的化學(xué)成分。6.材料研究方法的分類散射折射與反射衍射干涉偏振波長(zhǎng)—

cm、μm、nm、A頻率—υ

Hzsec-1波數(shù)—σ

cm-1

傳播速度—

cm/sec普朗克(Planch)公式E--光子的能量J,焦耳υ

---光子的頻率Hz,赫茲

---光子的波長(zhǎng)

cmC---光速2.99791010cm.s-1h

---Planch常數(shù)6.625610-34J.s焦耳.秒7光的物理性質(zhì)2023/12/78電磁波譜2023/12/7光學(xué)顯微分析使用波段：可見光波段390~770nm92023/12/78.本課程的意義和要求理論意義：新材料的組成與結(jié)構(gòu)鑒定分析。實(shí)踐意義：配方剖析、質(zhì)量控制、事故分析等。課程要求：掌握每種材料分析方法的基本原理、樣品處理方法和測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析。課程目標(biāo)：通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠根據(jù)材料的特點(diǎn)和研究需要，選擇常用的合適測(cè)試方法對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行測(cè)試，并能夠分析測(cè)試結(jié)果，得出正確的結(jié)論。9授課內(nèi)容（1）2023/12/7

熱分析差熱分析差示掃描量熱分析熱重分析7授課內(nèi)容（2）光譜分析2023/12/7紅外光譜激光拉曼光譜8授課內(nèi)容（3）X射線衍射分析2023/12/7掃描電鏡電子探針透射電鏡X射線衍射分析電子顯微分析2023/12/78授課內(nèi)容（4）

每種材料研究方法的學(xué)習(xí)要求1了解發(fā)展歷史簡(jiǎn)介2理解并掌握基本原理（重點(diǎn)、難點(diǎn)）3掌握樣品制備方法（重點(diǎn)）4掌握測(cè)試結(jié)果分析方法（重點(diǎn)）5了解在材料研究中的應(yīng)用2023/12/710考核要求期末考試閉卷筆試，成績(jī)占60%，平時(shí)15%（出勤、提問(wèn)、作業(yè)）、實(shí)驗(yàn)25%2023/12/716第2章X射線衍射分析（XRD）2023/12/717本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)

主要內(nèi)容：X射線的產(chǎn)生、X射線粉末衍射法原理、X射線衍射物相定性分析過(guò)程；

重點(diǎn):

XRD中的布拉格方程、X射線衍射物相定性分析過(guò)程；

難點(diǎn)：XRD中的布拉格方程。2023/12/718/31X射線的歷史1895年，著名的德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；

1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。

1912年，英國(guó)物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測(cè)定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，從此開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。1.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；2.X射線的波長(zhǎng)：10－2~102?3.X射線的

（?）、振動(dòng)頻峰

和傳播速度C（m·s-1）符合

=c/

2023/12/719X射線的性質(zhì)2023/12/7204.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子

E=hv

P=h/

h為普朗克常數(shù)，h=6.626176

10-27爾格，是1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)首次引進(jìn)，它是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。X射線的性質(zhì)2023/12/721

X射線具有很高的穿透能力，可以穿過(guò)黑紙及許多對(duì)于可見光不透明的物質(zhì)；

X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光。在通過(guò)一些物質(zhì)時(shí)，使物質(zhì)原子中的外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光；

X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織在受到X射線的輻射時(shí)，生理上會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)。X射線的性質(zhì)2023/12/722/312.1.1

X射線的產(chǎn)生1）

自由電子加速運(yùn)動(dòng)2）原子內(nèi)層電子高能級(jí)向低能級(jí)躍遷（X射線管）運(yùn)動(dòng)速率變化（軔致輻射）:在運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生電磁波。

（X射線管）

運(yùn)動(dòng)方向變化（同步輻射）:速度接近光速（v≈c）的帶電粒子，在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)在切線方向產(chǎn)生電磁波。（同步加速器）同步輻射X射線質(zhì)量高！2.1.1

X射線及X射線譜2023/12/723

X射線管的工作原理整個(gè)X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)陰極和陽(yáng)極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時(shí)，陰極燈絲產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)的作用下被加速并以高速射向陽(yáng)極靶，經(jīng)高速電子與陽(yáng)極靶的碰撞，從陽(yáng)極靶產(chǎn)生X射線，這些X射線通過(guò)用金屬鈹（厚度約0.2mm）做成的x射線管窗口射出，即可提供給實(shí)驗(yàn)所用。2023/12/724

X射線管中，電子產(chǎn)生X射線的過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化例：計(jì)算當(dāng)管電壓為50kV時(shí)，電子在與靶碰撞時(shí)的速度與動(dòng)能以及所發(fā)射的連續(xù)譜的短波限解：已知條件：U=50kv；電子靜止質(zhì)量：m0=9.1×10-31kg；光速：c=2.998×108m/s；電子電量：e=1.602×10-19C；普朗克常數(shù)：h=6.626×10-34J.s電子從陰極飛出到達(dá)靶的過(guò)程中所獲得的總動(dòng)能為E=eU由于E=1/2m0v02

所以電子與靶碰撞時(shí)的速度為：

v0=(2E/m0)1/2

所發(fā)射連續(xù)譜的短波限λ0的大小僅取決于加速電壓λ0（?）＝12400/(eU)＝12400/U2023/12/725/312.1.1X射線譜1）連續(xù)譜：強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的連續(xù)譜。圖2.1各管電壓下W的連續(xù)譜管電壓增加，強(qiáng)度如何變化？最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如何變化？最短波長(zhǎng)界限如何變化？為什么？2023/12/7262）特征X射線圖2.2Mo靶X光管發(fā)出X光譜強(qiáng)度（35kV時(shí)）2023/12/727特征譜：波長(zhǎng)一定、強(qiáng)度很大的特征譜特征譜只有當(dāng)管電壓超過(guò)一定值Vk（激發(fā)電壓）時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，只取決于光管的陽(yáng)極靶材料（為什么？），不同的靶材具有其特有的特征譜線。特征譜線又稱為標(biāo)識(shí)譜，即可以來(lái)標(biāo)識(shí)物質(zhì)元素。2023/12/728原子結(jié)構(gòu)殼層理論高能電子撞擊陽(yáng)極靶時(shí)，會(huì)將陽(yáng)極物質(zhì)原子中內(nèi)層電子撞出電子殼層，在該殼層中形成空位，原子系統(tǒng)能量升高，使體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，按能量最低原理，外層的電子會(huì)躍人內(nèi)層的空位，為保持體系能量平衡，在躍遷的同時(shí)，這些電子會(huì)將多余的能量以X射線光量子的形式釋放。2023/12/729對(duì)于從L、M、N…殼層中的電子躍入K殼層空位時(shí)所釋放的X射線，分別稱之為Kα，Kβ，Kγ…譜線，共同構(gòu)成K標(biāo)識(shí)X射線。K系標(biāo)識(shí)X射線2023/12/730補(bǔ)充1:X射線和固體的相互作用2023/12/731補(bǔ)充2:X射線的吸收1）X射線通過(guò)物質(zhì)的衰減規(guī)律（朗伯特定律）2）

質(zhì)量吸收系數(shù)的定義3）朗伯特定律用質(zhì)量吸收系數(shù)表示其中，ml為線吸收系數(shù)，物理意義是當(dāng)X射線透過(guò)單位長(zhǎng)（1cm）

物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度衰減的程度。為了消除吸收系數(shù)對(duì)物理狀態(tài)的依賴性，特別是單位體積內(nèi)所含的物質(zhì)數(shù)量及物質(zhì)的組成，使用質(zhì)量吸收系數(shù)mm(cm2.g-1)替代ml：2023/12/732下列哪一項(xiàng)不是X射線的產(chǎn)生來(lái)源()。

A原子內(nèi)層電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷B接近光速運(yùn)動(dòng)的電子做圓周運(yùn)動(dòng)，即同步輻射C原子外層電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷D韌致輻射寫成高速運(yùn)動(dòng)的電子速度大小突然發(fā)生改變，即韌致輻射2023/12/733（A）Kβ（B）Kα（C）Lα（D）Lβ2023/12/7342.2X射線衍射原理X射線的散射什么是光的散射？物質(zhì)對(duì)光的散射，什么情況下散射最強(qiáng)？物質(zhì)使光的傳播方向發(fā)生改變。當(dāng)粒子半徑和光的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，散射最強(qiáng)。原子大小是多少？可見光波長(zhǎng)范圍是多少？原子會(huì)散射可見光嗎？為什么？原子不散射可見光，因?yàn)槌叽缦嗖钐?。X射線波長(zhǎng)范圍是多少？原子會(huì)散射X射線嗎？原子會(huì)散射X射線。

2023/12/735原子對(duì)X射線的散射：使X射線發(fā)生散射的主要是物質(zhì)的自由電子及原子核束縛的非自由電子，后者有時(shí)可稱為原子對(duì)X射線的散射。相干散射：X射線的散射，當(dāng)入射線與散射線波長(zhǎng)相同時(shí)，相位滯后恒定，散射線之間能相互干涉，稱為相干散射。非相干散射：當(dāng)散射線波長(zhǎng)與入射線波長(zhǎng)不同時(shí)，散射線之間不相干，則稱之為非相干散射。2023/12/736X射線的衍射圖2.3X射線穿過(guò)晶體產(chǎn)生衍射示意圖2023/12/737原子在晶體中周期排列，這些散射球面波之間存在著固定的位相關(guān)系，它們之間會(huì)在空間產(chǎn)生干涉，結(jié)果導(dǎo)致在某些散射方向的球面波相互加強(qiáng)，而在某些方向上相互抵消，從而也就出現(xiàn)如圖所示的衍射現(xiàn)象，即在偏離原入射線方向上，只有在特定的方向上出現(xiàn)散射線加強(qiáng)而存在衍射斑點(diǎn)，其余方向則無(wú)衍射斑點(diǎn)。2.2.1

勞厄方程X射線投射到晶體中時(shí)，會(huì)受到晶體中原子的散射，而散射波就好象是從原子中心發(fā)出，每一個(gè)原子中心發(fā)出的散射波又好比一個(gè)源球面波。2023/12/738結(jié)論：衍射線將分布在以原子列為軸，以a′角為半頂角的一系列圓錐面上，每一個(gè)n值對(duì)應(yīng)于一個(gè)圓錐。討論：原子間距a一定時(shí)，入射角a越大，a′角越大。入射角a一定時(shí)，原子間距a越大，a′角越小。a（cosa′-cosa）=nl(2.2)2023/12/739(2.4)勞厄方程注意：a′、b′、g′互相制約。1.對(duì)于已知晶體，已知入射線波長(zhǎng)l，只在特定的入射方向才會(huì)產(chǎn)生衍射;已知入射方向，只有特定波長(zhǎng)的X射線，才會(huì)產(chǎn)生衍射。2.對(duì)于已知入射線波長(zhǎng)l和入射方向，只有特定結(jié)構(gòu)的晶體才會(huì)產(chǎn)生衍射。意義：從理論上解決了入射線波長(zhǎng)、方向、點(diǎn)陣常數(shù)和單一原子列衍射線方向的相互關(guān)系；確定了衍射方向的基本方程。2023/12/740圖2.5面網(wǎng)“反射”X射線的條件

A光學(xué)鏡面反射定律是什么？2.2.2.布拉格方程反射線和入射線在鏡面同側(cè)，反射線、入射線與鏡面法線共面反射角等于入射角。X射線在晶體表面也會(huì)反射嗎？滿足一定的條件！

=DB+BF=n

2d

sin

=n

2023/12/741/31

上式即為著名的布拉格方程，式中n為整數(shù)，d為晶面間距，

為入射x射線波長(zhǎng)，θ稱為布拉格角或掠射角，又稱半衍射角，實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的2θ角則稱為衍射角

。

布拉格方程+光學(xué)反射定律

布拉格定律（X射線反射定律）討論2023/12/742/31

1.衍射級(jí)數(shù)

布拉格方程中，n被稱為衍射級(jí)數(shù)（反射級(jí)數(shù)）

n=1時(shí)，相鄰兩晶面的“反射線”的光程差為

，成為1級(jí)衍射；

n=2時(shí)，相鄰兩晶面的“反射線”的光程差為2

，產(chǎn)生2級(jí)衍射；

……n，相鄰兩晶面的“反射線”光程差為n

時(shí)，產(chǎn)生n

級(jí)衍射對(duì)于各級(jí)衍射。2023/12/743討論

2.對(duì)于各級(jí)衍射，由布拉格方程可知：

sin

1=

/2d，

sin

2=2

/2d，

…，

sin

n=n

/2d

方程中的整數(shù)n受到限制：

sin

≦1n≤2d/

2023/12/744討論續(xù)2.n≤2d/

所以，

一定，衍射面d選定，晶體可能的衍射級(jí)數(shù)也就被確定。一組晶面只能在有限的幾個(gè)方向“反射”X射線，而且，晶體中能產(chǎn)生衍射的晶面數(shù)也是有限的。

所有的被照射原子所產(chǎn)生的散射只有滿足布拉格方程，才能產(chǎn)生反射（衍射），或稱散射才能發(fā)生加強(qiáng)干涉。2023/12/745從布拉格方程的通用公式可知：入射X射線的波長(zhǎng)滿足

≦2d

入射X射線照射到晶體才有可能發(fā)生衍射，顯然，X線的波長(zhǎng)應(yīng)與晶格常數(shù)接近。波長(zhǎng)過(guò)短會(huì)導(dǎo)致衍射角過(guò)小，使衍射現(xiàn)象難以觀察，也不宜使用。2023/12/746布拉格方程的意義及應(yīng)用：意義：表達(dá)了晶面間距d、衍射方向θ和X射線波長(zhǎng)λ之間的定量關(guān)系，是晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式；

應(yīng)用：1）已知波長(zhǎng)

的x射線，測(cè)定θ角，計(jì)算晶體的晶面間距d，結(jié)構(gòu)分析；

2）已知晶體的晶面間距，測(cè)定θ角，計(jì)算X射線的波長(zhǎng)，X射線光譜學(xué)。注意：晶體衍射中勞厄方程和布拉格方程是一致的。

前者從原子列原子間距的周期性討論晶體衍射，后者從晶面間距的周期性討論晶體衍射。

后者簡(jiǎn)單，用于晶體結(jié)構(gòu)分析更方便。2023/12/7471.以下關(guān)于X射線反射定律不正確的是符合光學(xué)反射定律方向的反射一定符合X射線反射定律符合X射線反射定律的反射一定符合光學(xué)反射定律反射角等于入射角X射線反射定律=布拉格方程+光學(xué)反射定律

2023/12/7482.布拉格方程的表達(dá)式：（A）（B））（C）COSsinsin（D）COS）2023/12/7491）布拉格方程的意義：表達(dá)了晶面間距d，衍射方向θ和入射線波長(zhǎng)λ之間的定量關(guān)系。3.關(guān)于布拉格方程的描述：2）是非晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式。

3）晶體衍射中勞厄方程和布拉格方程是一致的。

4）晶體衍射分析使用的X射線的波長(zhǎng)與晶格常數(shù)相當(dāng)。以上描述正確的是：（A）1、2、3、4（B）1、2、3（C）1、3、4（D）2、3、42023/12/7502.3X射線粉末衍射物相定性分析2.3.1X射線衍射物相定性分析的判據(jù)定性相分析的目的是判定物質(zhì)中的物相組成，即確定物質(zhì)中所包含的結(jié)晶物質(zhì)以何種結(jié)晶狀態(tài)存在。每種晶體物質(zhì)都有其特有的結(jié)構(gòu)，即特定的晶胞形狀和大小，晶胞內(nèi)原子的種類、數(shù)目及排列方式。2023/12/751晶胞形狀和大小決定了晶面間距，晶胞內(nèi)原子的種類、數(shù)目及排列方式?jīng)Q定了不同晶面的衍射線相對(duì)強(qiáng)度。因而每種晶體都具有各自特有的晶面間距和相對(duì)衍射強(qiáng)度，即衍射花樣。每一種晶體和它的衍射花樣都是一一對(duì)應(yīng)的。當(dāng)物質(zhì)中包含有兩種或兩種以上的晶體物質(zhì)時(shí)，它們的衍射花樣也不會(huì)相互干涉。2023/12/752根據(jù)這些表征各自晶體的衍射花樣就能來(lái)確定物質(zhì)中的晶體。進(jìn)行物相定性分析時(shí)，一般采用粉末衍射法測(cè)定所含晶體的衍射角，根據(jù)布拉格方程獲得晶面間距d，再估計(jì)出各衍射線的相對(duì)強(qiáng)度，最后與標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣進(jìn)行比較鑒別。2023/12/7532023/12/754X射線衍射儀原理樣品X射線入射線二次X射線到達(dá)分光晶體C處，被晶體C衍射X射線通過(guò)計(jì)數(shù)管D進(jìn)行檢測(cè)以確定2

，最后進(jìn)行波長(zhǎng)分析。2023/12/7552.3.3PDF卡片1969年，由美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)與英國(guó)、法國(guó)、加拿大等國(guó)家的有關(guān)組織聯(lián)合組建了名為“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)（TheJointCommitteeonPowderDiffractionStandards）”，簡(jiǎn)稱JCPDS的國(guó)際組織，專門負(fù)責(zé)收集、校訂各種物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一分類和編號(hào)，編制成卡片出版。這些卡片，即被稱為PDF卡（ThePowerDiffractionFile），有時(shí)也稱為其為JCPDS卡片。2023/12/756(1)1a，1b，1c區(qū)域?yàn)閺难苌鋱D的透射區(qū)（2θ＜90o）中選出的三條最強(qiáng)線的面間距。1d為衍射圖中出現(xiàn)的最大面間距。(2)2a，2b，2c，2d區(qū)間中所列的是1區(qū)域中四條衍射線的相對(duì)強(qiáng)度。最強(qiáng)線為100，但當(dāng)最強(qiáng)線的強(qiáng)度比其余線強(qiáng)度高很多時(shí)，也會(huì)將最強(qiáng)線強(qiáng)度定為大于100。(3)第三區(qū)間列出了所獲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件。Rad.所用X射線的種類(CuKα，F(xiàn)eKα…)；loX射線的波長(zhǎng)（?）；Filter.為濾波片物質(zhì)名。當(dāng)用單色器時(shí)，注明“Mono”；Dia.照相機(jī)鏡頭直徑，當(dāng)相機(jī)為非圓筒形時(shí)，注明相機(jī)名稱；Cutoff.為相機(jī)所測(cè)得的最大面間距；Coll.為狹縫或光闌尺寸；I/I1

為測(cè)得衍射線相對(duì)強(qiáng)度的方法（衍射儀法-diffractometer，測(cè)微光度計(jì)法-microphotometer，目測(cè)法-visual）；Dcorr.abs

所測(cè)d值的吸收校正（No未校正，Yes校正）；Ref.說(shuō)明第3、9區(qū)域中所列資源的出處。2023/12/7572023/12/758(6)第6區(qū)間為物相的其他資料和數(shù)據(jù)。包括試樣來(lái)源，化學(xué)分析數(shù)據(jù)，升華點(diǎn)（S-P），分解溫度（D-T），轉(zhuǎn)變點(diǎn)（T-P），按處理?xiàng)l件以及獲得衍射數(shù)據(jù)時(shí)的溫度等。(7)第7區(qū)間是該物相的化學(xué)式及英文名稱。有時(shí)在化學(xué)式后附有阿拉伯?dāng)?shù)字及英文大寫字母，其阿拉伯?dāng)?shù)字表示該物相晶胞中原子數(shù)，而大寫英文字母則代表16種布拉維點(diǎn)陣：C為簡(jiǎn)單立方；B為體心立方；F為面心立方；T為簡(jiǎn)單立方；U為體心四方；R為簡(jiǎn)單三方；H為簡(jiǎn)單六方；O為簡(jiǎn)單正交；P為體心正交；Q為底心正交；S為面心正交；M為簡(jiǎn)單單斜；N為底心單斜；E為簡(jiǎn)單正斜。(8)第8區(qū)為該物相礦物學(xué)名稱或俗稱。某些有機(jī)物還在名稱上方列出了其結(jié)構(gòu)式或“點(diǎn)”式（“dot”formula）而名稱上有圓括號(hào)。則表示該物相為人工合成。此外，在第8區(qū)還會(huì)有下列標(biāo)記：(9)第9區(qū)間是該物相所對(duì)應(yīng)晶體晶面間距d（?）；相對(duì)強(qiáng)度I/I1及衍射指標(biāo)hkl。(10)第10區(qū)為卡片編號(hào)。2023/12/7592.3.4X射線衍射物相定性分析過(guò)程1.樣品制備2.用粉末衍射儀法獲取被測(cè)試樣物相的衍射圖樣。3.分析計(jì)算獲得各衍射線條的2θ、d及相對(duì)強(qiáng)度大小I/I1。4.利用計(jì)算機(jī)檢索物相PDF卡片號(hào)。2023/12/760一般來(lái)說(shuō)，判斷一個(gè)物相的存在與否有三個(gè)條件：1)標(biāo)準(zhǔn)卡片中的峰位與測(cè)量峰的峰位是否匹配；2)標(biāo)準(zhǔn)卡片的峰強(qiáng)比與樣品峰的峰強(qiáng)比要大致相同；3)檢索出來(lái)的物相包含的元素在樣品中必須存在。2023/12/761物相定性分析應(yīng)注意的問(wèn)題1)一般在對(duì)試樣分析前，應(yīng)盡可能詳細(xì)地了解樣品的來(lái)源、化學(xué)成分、工藝狀況，仔細(xì)觀察其外形、顏色等性質(zhì)，為其物相分析的檢索工作提供線索。2)對(duì)于數(shù)據(jù)d值，由于檢索主要利用該數(shù)據(jù)，因此處理時(shí)精度要求高，而且在檢索時(shí)，只允許小數(shù)點(diǎn)后第二位才能出現(xiàn)偏差。3)特別要重視低角度區(qū)域的衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)樵诘徒嵌葏^(qū)域，衍射線所對(duì)應(yīng)了d值較大的晶面，不同晶體差別較大，在該區(qū)域衍射線相互重疊機(jī)會(huì)較小。4)在進(jìn)行多物相混合試樣檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)耐心細(xì)致地進(jìn)行檢索，力求全部數(shù)據(jù)都能合理解釋，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)少數(shù)衍射線不能解釋的情況，這可能由于混合物相中，某物相含量太少，只出現(xiàn)一、二級(jí)較強(qiáng)線，以致無(wú)法鑒定。5)在物相定性分析過(guò)程中，盡可能地與其他的相分析實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合起來(lái)，互相配合，互相印證。2023/12/7622023/12/7632.3.5X射線衍射物相定性分析實(shí)例2023/12/7642023/12/7652023/12/7662023/12/7672023/12/7682023/12/7692023/12/7702023/12/7712023/12/7722023/12/7732023/12/7742023/12/7752023/12/7762023/12/7772023/12/7782023/12/7792023/12/7802023/12/7812023/12/7822023/12/7832.3.6微觀應(yīng)力及晶粒大小的測(cè)定1晶粒大小的測(cè)定（Scherrer公式）2

微觀應(yīng)力的測(cè)定（2.10）（2.11）2023/12/784本章小結(jié)1.X射線的產(chǎn)生和命名2.

X射線的衍射3.勞厄方程和布拉格方程內(nèi)容及應(yīng)用4.粉末衍射物相定性分析的依據(jù)及過(guò)程5.晶粒大小的測(cè)定（謝樂公式）6.微觀應(yīng)力的測(cè)定第3章電子顯微分析方法2023/12/7852023/12/786本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章主要內(nèi)容：入射電子與物質(zhì)的相互作用；掃描電鏡的工作原理、性能指標(biāo)和應(yīng)用；透射電鏡的工作原理、性能指標(biāo)和應(yīng)用；能譜儀的工作原理、性能指標(biāo)和應(yīng)用。本章重點(diǎn)：入射電子與物質(zhì)的相互作用；掃描電鏡圖、透射電鏡圖和能譜圖的分析方法。本章難點(diǎn)：掃描電鏡和透射電鏡的襯度及圖像。電子顯微學(xué)（electronmicroscopy）用電子顯微鏡研究物質(zhì)的顯微組織、成分和晶體結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)技術(shù)。電子顯微鏡（electronmicroscope）用一束電子照射到樣品上并將其組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)放大成像的顯微鏡。

概述2023/12/787掃描電子顯微鏡scanningelectronmicroscope,SEM透射電子顯微鏡transmissionelectronmicroscope，TEM

電子顯微鏡的類型2023/12/788掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡是探索微觀世界奧秘的最有效的大型精密儀器之一。由于其具備分辨率高、放大倍數(shù)變化范圍寬、景深大、立體感強(qiáng)、樣品制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于眾多的科學(xué)研究領(lǐng)域。

2023/12/7893.1掃描電子顯微鏡二次電子像實(shí)例蝴蝶翅膀腺體紅血球2023/12/790掃描電子顯微鏡三氧化鉬晶體2023/12/791掃描電子顯微鏡樹枝狀晶體2023/12/7923.1.1概述

掃描電子顯微鏡是以掃描電子束作為照明源，通過(guò)入射電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的各種信息來(lái)傳遞物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征。入射電子與物質(zhì)相互作用是掃描電子顯微鏡成像和應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。2023/12/7933.1.1掃描電子顯微鏡的工作原理1.電子與物質(zhì)相互作用樣品入射電子背散射電子二次電子俄歇電子特征X射線透射電子吸收電子或樣品電流2023/12/794在單電子激發(fā)過(guò)程中被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子叫做二次電子。

2023/12/7951)二次電子由于價(jià)電子結(jié)合能很小，對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)大致在10eV左右。內(nèi)層電子結(jié)合能則高得多（有的甚至高達(dá)10keV以上），相對(duì)于價(jià)電子來(lái)說(shuō)，內(nèi)層電子電離幾率很小，越是內(nèi)層越小。一個(gè)高能入射電子被樣品吸收時(shí)，可以在樣品中產(chǎn)生許多自由電子，其中價(jià)電子電離約占電離總數(shù)的90％。

所以，在樣品表面上方檢測(cè)到的二次電子絕大都分是來(lái)自價(jià)電子電離。1）

二次電子

二次電子能量比較低，一般小于50eV，大部分在2～3eV之間。習(xí)慣上把在樣品上方檢測(cè)到的，能量低于50eV的自由電子叫做“真正”二次電子。而把能量高于50eV的自由電子叫做初級(jí)背散射電子（包括彈性和非彈性背散射電子以及特征能量損失電子）。2023/12/7961）

二次電子2.二次電子對(duì)表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示樣品表面的微觀形貌。2023/12/797注意！3.二次電子的分辨率較高，一般達(dá)到5-10nm。4.掃描電鏡的分辨率通常就是二次電子分辨率。1.二次電子來(lái)自表面5-10nm的區(qū)域。背散射電子是被固體樣品原子反射回來(lái)的一部分入射電子，所以又叫反射電子或初級(jí)背反射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。2023/12/7982）背散射電子注意！1.背散射電子來(lái)自深度100nm-1mm的區(qū)域。2.背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度隨原子序數(shù)的增加而增加。3.背散射電子可以對(duì)還可以得出原子序數(shù)不同的

元素的定性分布。VL3L2L1KL2激發(fā)態(tài)電子K

2特征X射線KL2L2俄歇電子a激發(fā)b特征X射線c俄歇電子原子的K電離激發(fā)及其后的躍遷過(guò)程2023/12/799

3）特征X射線特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級(jí)躍遷過(guò)程直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。3）

特征X射線若以X射線形式直接釋放能量，其波長(zhǎng)（以Kα2為例）為：式中：h—普朗克常數(shù)；C—光速。由于對(duì)于一定的元素，EK，EL2……都有確定的特征值，所以發(fā)射的X射線波長(zhǎng)也有特征值，叫做特征X射線。

2023/12/7100（3.1）特征X射線的波長(zhǎng)λ與光子能量E之間的關(guān)系為：或如果把h=6.62

10-34Js=6.62

10-34

6.25

10-18eVs，c=3.0

1018?/s的數(shù)值代入，則得或

E就是相應(yīng)躍遷過(guò)程始、終態(tài)的能量差，這表明特征X射線的波長(zhǎng)或光子能量是不同元素的特性之一。3）特征X射線2023/12/71012023/12/7102注意！1.特征X射線來(lái)自深度500nm-5mm的區(qū)域。2.每一個(gè)元素發(fā)射的X射線的能量和波長(zhǎng)都有特征值。3.通過(guò)測(cè)試特征X射線的能量和波長(zhǎng)可以進(jìn)行元素測(cè)試。前者是能譜儀，后者是波譜儀。

處于激發(fā)態(tài)的原子體系釋放能量的另一種形式是發(fā)射具有特征能量的俄歇電子，如圖c所示。如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程所釋放的能量，仍大于包括空位層在內(nèi)的鄰近或較外層的電子臨界電離激發(fā)能，則有可能引起原子再一次電離，發(fā)射具有特征能量的俄歇電子。2023/12/71034）俄歇電子

俄歇電子能量一般為50～1500eV，隨不同元素、不同躍遷類型而異，它在固體中的平均自由程非常短。例如碳的KL2L2俄歇電子能量為267eV，它在銀中的平均自由程只有7?。這樣，在樣品較深區(qū)域產(chǎn)生的俄歇電子，在向表面展運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)因不斷碰撞而損失能量，使之失去具有特征能量的特點(diǎn)。因此，用于分析的俄歇電子信號(hào)主要來(lái)自樣品表層2－3個(gè)原子層，即表層5－20?范圍。這說(shuō)明俄歇電子信號(hào)適用于表層化學(xué)成分分析。

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)。氫和氦只有一個(gè)電子層，不能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)；一個(gè)孤立的鋰原子雖有三個(gè)電子，但L層只有一個(gè)電子，也不能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)。所以對(duì)于孤立的原子來(lái)說(shuō)，鈹是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。4）

俄歇電子2023/12/7104必須指出，產(chǎn)生特征X射線光子或俄歇電子這兩個(gè)過(guò)程是互斥的。如果產(chǎn)生特征X射線的幾率是WX，產(chǎn)生俄歇電子的幾率是WA，則有實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生這兩種相互排斥過(guò)程的幾率同物質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)：對(duì)于輕元素（Z<32）：WA>WX

對(duì)于重元素（Z>32）：WA<WX

當(dāng)Z=32-33時(shí)：WA

＝WX

因此，對(duì)于重元素的分析，宜采用特征X射線信息；反之，對(duì)于輕元素的分析，宜采用俄歇電子信息。4）

俄歇電子2023/12/71055）透射電子

如果樣品的厚度比入射電子的有效穿透深度（或全吸收厚度）小得多，將有相當(dāng)數(shù)量的入射電子能夠穿透樣品而被裝在樣品下方的電子檢測(cè)器檢測(cè)到，叫做透射電子。2023/12/7106注意！1.樣品厚度在10-20nm之間。2.透射電子的主要組成部分是彈性散射，是透射電子顯微鏡成像的主要信號(hào)。透射電子通過(guò)晶體時(shí)，電子可以產(chǎn)生衍射，因此透射電子同時(shí)是電子衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析的主要信號(hào)。6）

吸收電子

隨著入射電子被樣品所吸收。如果通過(guò)一個(gè)高電阻或高靈敏度的電流表（如毫微安表）把樣品接地，那么在高電阻或電流表上將檢測(cè)到樣品對(duì)地的電流信號(hào)，這就是吸收電子的電流信號(hào)。

2023/12/7107注意！1.樣品的厚度，密度，原子序數(shù)越大，吸收電子越多。2.吸收電子的電流信號(hào)既可以作為信號(hào)成像，還可以得出原子序數(shù)不同的元素的定性分布。2相互作用體積電子與物質(zhì)的相互作用不限于電子入射方向，而是有一定的體積范圍，此體積范圍即為相互作用體積。相互作用體積大小決定了各種物理信號(hào)產(chǎn)生的深度和廣度。2023/12/7108原子序數(shù)入射電子能量電子束入射方向3物理信號(hào)的深度和廣度2023/12/71092023/12/7110電子和物質(zhì)作用，可以產(chǎn)生如下哪些物理信號(hào)：1）二次電子2）背散射電子3）特征X射線4）俄歇電子5）透射電子A)1、2、3、5B）2、3、4、5C)1、2、4、5D)1、2、3、4、52023/12/71112.如下電子和物質(zhì)作用產(chǎn)生的物理信號(hào)對(duì)樣品表面形貌敏感，可以作為

掃描電鏡形貌分析信號(hào)的是：1）二次電子2）背散射電子3）特征X射線4）俄歇電子5）透射電子

A)1、2、3、5B）2、3、4、5C)1、2D)1、2、3、4、52023/12/71123.如下電子和物質(zhì)作用產(chǎn)生的物理信號(hào)可以作為元素分析信號(hào)的是：1）二次電子2）背散射電子3）特征X射線4）俄歇電子5）透射電子

A)1、2、3、5B）2、3、4C)3、4D)1、3、4掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是聚焦電子束在樣品表面上作面掃描，利用由此所產(chǎn)生的二次電子或其他訊號(hào)調(diào)制一個(gè)作同步掃描的顯象管的發(fā)射電流，就會(huì)在屏上顯示出樣品表面上掃描區(qū)域的象。3.1.2掃描電鏡2023/12/71131）

真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用：是建立能確保電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染所必須的真空度。一般情況下要求保持優(yōu)于10-4～10-6mmHg的真空度。2023/12/71141掃描電鏡的結(jié)構(gòu)1）

真空系統(tǒng)樣品室2023/12/71152）

電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)的作用：用來(lái)產(chǎn)生掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)的激發(fā)源。

電子光學(xué)系統(tǒng)的組成部分：電子槍、電磁聚光鏡、光闌、樣品室。2023/12/7116電子槍

掃描電子顯微鏡的電子槍有熱陰極電子槍和場(chǎng)發(fā)射電子槍兩種。普通熱陰極電子槍產(chǎn)生的電子源直徑為20-50μm；六硼化鑭熱陰極電子槍產(chǎn)生的電子源直徑為1-10μm；而場(chǎng)發(fā)射電子槍產(chǎn)生的電子源直徑可達(dá)0.01-0.1μm。電子槍類型亮度A/cm2·sr電子源直徑μm壽命hr真空度mmHg普通熱陰極電子槍104-10520-505010-4LaB6電子槍105-1061-1050010-6場(chǎng)發(fā)射電子槍107-1080.01-0.1500010-9-10-102023/12/7117熱陰極電子槍場(chǎng)發(fā)射電子槍

普通熱陰極或六硼化鑭陰極電子槍都屬于熱發(fā)射電子槍，而場(chǎng)發(fā)射電子槍則屬于冷發(fā)射電子槍。它是利用靠近曲率半徑很小的陰極尖端附近的強(qiáng)電場(chǎng)（如107V/mm），使陰極尖端發(fā)射電子的，所以叫場(chǎng)致發(fā)射（簡(jiǎn)稱場(chǎng)發(fā)射）。2023/12/7118電磁聚光鏡與光闌電磁聚光鏡電磁透鏡是由會(huì)聚透鏡和物鏡兩部分組成，會(huì)聚透鏡裝配在真空柱中，位于電子槍下，主要用于會(huì)聚電子束。2023/12/71193）成像系統(tǒng)電子經(jīng)過(guò)一系列電磁透鏡會(huì)聚成電子束后，轟擊到樣品上，與樣品相互作用，會(huì)產(chǎn)生二次電子、背散射電子以及X射線等信號(hào)。需要不同的探測(cè)器，如二次電子探測(cè)器、背散射電子探測(cè)器、X射線能譜儀等來(lái)區(qū)分這些信號(hào)以獲得所需要的信息。通常成像系統(tǒng)有掃描系統(tǒng)、信號(hào)探測(cè)放大系統(tǒng)和圖像顯示和記錄系統(tǒng)等幾部分組成。2023/12/7120掃描系統(tǒng)的作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)；改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，以獲得所需放大倍數(shù)的掃描像。它由掃描信號(hào)發(fā)生器、放大控制器等電子學(xué)線路和相應(yīng)的掃描線圈所組成。2023/12/7121掃描系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)

信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)其作用是檢測(cè)樣品在人射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)，要用不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)。它大致可以分為三大類，即電子檢測(cè)器、陰極熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。2023/12/7122圖像記錄系統(tǒng)圖像記錄系統(tǒng)的作用：是把信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號(hào)，轉(zhuǎn)換為在陰極射線管熒光屏上顯示的樣品表面某種特征的掃描圖像，供觀察或照相記錄。2023/12/7123

陰極熒光檢測(cè)器：由光導(dǎo)管、光電倍增器所組成。陰極熒光信號(hào)經(jīng)光導(dǎo)管直接送到光電倍增器放大，再經(jīng)視頻放大器適當(dāng)放大后即可作為調(diào)制信號(hào)。

X射線檢測(cè)系統(tǒng)：由譜儀和檢測(cè)器兩部分組成，有關(guān)內(nèi)容將在后面介紹。信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)2023/12/71241放大倍數(shù)

掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)：高性能掃描電鏡可以從20倍連續(xù)調(diào)節(jié)到80萬(wàn)倍。lL在樣品表面在顯示屏上2023/12/71253.1.3掃描電鏡的性能指標(biāo)(3.2)2分辨率在特定的情況下拍攝的圖象上，測(cè)量?jī)闪羺^(qū)之間的暗間隙寬度，然后除以總放大倍數(shù)，其最小值即為分辨本領(lǐng)。d02023/12/71262分辨率1）掃描電子束斑直徑

一般認(rèn)為掃描電子顯微鏡能分辨的最小間距（分辨本領(lǐng)）不可能小于掃描電子束斑直徑。2023/12/7127影響分辨率的主要因素：2分辨率2）成像信號(hào)

由于各種成像信息操作方式所用的調(diào)制信號(hào)不同，因而所得圖像的分辨率也不一樣。二次電子：30?（場(chǎng)發(fā)射），70?（熱陰極）背散射電子：500～2000?吸收電子、X射線：1000～10000?2023/12/71282023/12/71293景深掃描電鏡以景深大而著名。F=d0/ac掃描電子顯微鏡像襯度主要是利用樣品表面微區(qū)特征的差異（如形貌、原子序數(shù)或化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向等），在電子束作用下產(chǎn)生不同強(qiáng)度的物理信號(hào)，導(dǎo)致陰極射線管熒光屏上不同的區(qū)域具有不同的亮度，獲得具有一定襯度的圖像。2023/12/71303.1.4掃描電鏡襯度及顯微圖像(3.3)成像的本質(zhì)是襯度，襯度的本質(zhì)是明暗！

掃描電鏡的襯度根據(jù)其形成的依據(jù)，可以分為形貌襯度、原子襯度和電壓襯度。

形貌襯度是由于樣品表面形貌差異而形成的襯度。

原子序數(shù)襯度是由于樣品表面原子序數(shù)(或化學(xué)成分)差異而形成的襯度。電壓襯度是由于樣品表面電位差別而形成的襯度。利用對(duì)樣品表面電位狀態(tài)敏感的信號(hào)，如二次電子，作為顯像管的調(diào)制信號(hào)，可得到電壓襯度像。但實(shí)際應(yīng)用中，主要應(yīng)用形貌襯度和原子序數(shù)襯度成像。2023/12/71311形貌襯度及顯微成像

二次電子信號(hào)主要來(lái)自樣品表層5～10nm深度范圍；

二次電子信號(hào)的強(qiáng)度與二次電子的數(shù)量有關(guān)，與原子序數(shù)沒有明確的關(guān)系，但對(duì)微區(qū)刻面相對(duì)于入射電子束的位向卻十分敏感；1)表面傾角和二次電子產(chǎn)額二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。2023/12/7132當(dāng)人射電子束強(qiáng)度Ip一定時(shí)，二次電子系數(shù)隨樣品傾斜角增大而增大，如右所示。對(duì)于光滑的表面來(lái)說(shuō)，當(dāng)人射電子能量大于1keV時(shí)，二次電子系數(shù)與樣品傾斜角的余弦存在著反比的關(guān)系：1)表面傾角和二次電子產(chǎn)額Lθ=0°Lθ=45°45°AA(a)(b)2023/12/7133如果樣品是由右圖所示那樣的三個(gè)小刻面A、B、C所組成的，則有結(jié)果在熒光屏或照片上C小刻面的像比A和B都亮，A又比B亮。2023/12/71342)二次電子形貌襯度的產(chǎn)生

（1）隨著樣品傾斜角的增大，人射電子束在樣品表層5～10nm范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總軌跡增長(zhǎng)，引起價(jià)電子電離的機(jī)會(huì)增多，產(chǎn)生的二次電子數(shù)增多；

（2）隨樣品傾斜角的增大，入射電子束作用體積較靠近、甚至暴露于表層，作用體積內(nèi)產(chǎn)生的大量自由電子離開表層的機(jī)會(huì)增多。

正是由于這個(gè)緣故，在如下圖那樣的樣品表面尖棱（A）、小粒子（B）、坑穴邊緣（C和D）等部位，在電子束作用下將產(chǎn)生高得多的二次電子信號(hào)強(qiáng)度，所以在掃描像上這些部位顯得異常的亮。2023/12/7135

實(shí)際的樣品表面形貌要比上面所列舉的要復(fù)雜得多，但不外乎也是由具有不同傾斜角的大小刻面、曲面、尖棱、粒子、溝槽等所組成。倘若掌握了上述形貌襯度基本原理就不難理解復(fù)雜形貌的掃描圖像特征。2023/12/7136二次電子像實(shí)例蝴蝶翅膀腺體紅血球2023/12/7137

原子序數(shù)襯度是由于樣品表面物質(zhì)原子序數(shù)(或化學(xué)成分)差別而形成的襯度。利用對(duì)樣品表面原子序數(shù)(或化學(xué)成分)變化敏感的物理信號(hào)作為顯像管的調(diào)制信號(hào),可以得到原子序數(shù)襯度圖像。背散射電子像、吸收電子像的襯度包含有原子序數(shù)襯度。如果樣品表面存在形貌差，則背散射電子像還包含有形貌像。2原子序數(shù)襯度及顯微圖像2023/12/71381）背散射電子原子序數(shù)襯度像

背散射電子是被樣品原子反射回來(lái)的入射電子。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)入射電子能量在10～40keV范圍時(shí)，樣品背散射系數(shù)

隨元素原子序數(shù)Z的增大而增加，如下圖所。2023/12/7139

這主要是因?yàn)榇蠼嵌葟椥陨⑸潆S原子序數(shù)增大而增加。例如：碳原子序數(shù)Z＝6，背散射系數(shù)

＜10％鈾原子序數(shù)Z＝92，背散射系數(shù)

＞50％

對(duì)于Z＜40的元素，背散射系數(shù)隨原子序數(shù)的變化較為明顯，例如在Z＝20附近，原子序數(shù)每變化1，引起背散射系數(shù)變化約為5％。2023/12/7140

由于背散射電子信號(hào)強(qiáng)度與

成正比，背散射電子信號(hào)強(qiáng)度隨原子序數(shù)Z增大而增大，樣品表面上平均原子序數(shù)較高的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，在背散射電子像上顯示較亮的襯度。

因此可以根據(jù)背散射電子像（成分像）亮暗襯度來(lái)判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對(duì)高低，對(duì)金屬及其合金進(jìn)行顯微組織的分析。2023/12/7141電子束探測(cè)器AB電子束探測(cè)器ABABABA+BA-B組成像形貌像A探測(cè)器信B探測(cè)器信號(hào)組成像形貌像2023/12/71422）背散射電子原子序數(shù)襯度像與形貌襯度像的分離2023/12/7143導(dǎo)電性材料——用導(dǎo)電膠把它粘貼在銅或鋁制的樣品座上。

導(dǎo)電性較差或絕緣的樣品——噴鍍導(dǎo)電層處理。通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)比較高的金、銀或碳真空蒸發(fā)膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在200?左右。1.樣品制備2023/12/71443.1.5掃描電鏡的應(yīng)用2.鍍膜SputterCoater

Asputtercoatercoatsthesamplewithgoldatoms.Thepurposeistomakenon-metallicsampleselectricallyconductive.2023/12/71452023/12/7146

SU8010儀器型號(hào)10.0kv電子加速電壓（EHT）6.7mm工作距離（WD）×700放大倍數(shù)

SE二次電子

BSED背散射電子

ULup、low檢測(cè)器共同成像2023/12/71471.掃描電子顯微鏡是用聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描成像，通過(guò)控制掃描區(qū)域大小來(lái)控制放大率。2、在固定的掃描電鏡測(cè)試樣品時(shí)，所選取的樣品范圍越大，放大倍數(shù)越小。3.對(duì)于掃描電子顯微鏡，熱陰極電子槍比場(chǎng)發(fā)射電子槍的效果更好。

4.一般認(rèn)為掃描電子顯微鏡能分辨的最小間距不可能小于掃描電子束斑直徑。

5.掃描電鏡二次電子圖像的分辨率比背散射電子高，即能分開的最小距離小。6.掃描電鏡放大倍數(shù)越小，分辨率越高，景深越大。

以上正確的有（A）1,2,3,4,5,6（B）1,2,4,5（C）1,2,4,5,6（D）1,2,3,4,52023/12/7148在電子束作用下產(chǎn)生較高的二次電子信號(hào)強(qiáng)度，在掃描像上這些部位顯得異常的亮的部位有

1234以上正確的有（A）1,2,3（B）1,2,4（C）2,3,4,（D）1,2,3,43.2透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱透射電鏡TEM）是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。2023/12/7149可見光樣品物鏡目鏡物像電子槍聚光鏡樣品物鏡中間鏡投影鏡物像圖3.18透射電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的光路圖2023/12/71503.2.1透射電鏡的工作原理電子束作用在樣品上，透過(guò)樣品后的散射電子束攜帶樣品的結(jié)構(gòu)和組織形信息，經(jīng)過(guò)聚焦放大，最終在熒光屏上形成圖像或衍射花樣。2023/12/7151透射電鏡和光學(xué)顯微鏡的區(qū)別：1）信息載體不同2）透鏡不同3）透鏡電鏡有一個(gè)中間鏡，可以選擇成像或衍射；可以同時(shí)分析微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)和形貌。4）分辨率不一樣5）顯像不一樣2023/12/71523.2.2透射電鏡的結(jié)構(gòu)1照明系統(tǒng)1）電子槍2）聚光鏡2成像系統(tǒng)3觀察記錄系統(tǒng)1）物鏡2）中間鏡3）投影鏡4主要附件試樣物鏡物鏡相平面中間鏡中間鏡像投影鏡熒光屏(物像)(a)成像操作L1L2L1L2熒光屏(斑點(diǎn)花樣)投影鏡中間鏡像中間鏡物鏡后焦面(物鏡光欄位)物鏡試樣(b)衍射操作圖3.21中間鏡的成像操作和衍射操作2023/12/71533.2.3透射電鏡的電子衍射電子衍射幾何學(xué)與X射線完全一樣，都遵循布拉格方程！1）電子衍射的衍射角小得多！2）物質(zhì)對(duì)電子的散射作用更強(qiáng)，穿透深度淺！4）電子衍射譜強(qiáng)度與原子系數(shù)接近線性關(guān)系。5）電子衍射束強(qiáng)，不能通過(guò)測(cè)量強(qiáng)度來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)。電子衍射比X射線衍射更突出的特點(diǎn)：3）電子衍射可以同時(shí)進(jìn)行形貌觀察和結(jié)構(gòu)分析。6）測(cè)量點(diǎn)陣常數(shù)的精度比X射線低。2023/12/71541有效相機(jī)常數(shù)L：樣品和照相底板的距離R：衍射斑點(diǎn)和中心斑點(diǎn)的距離R=Ltan2qtan2q≈2q≈2sinq結(jié)合布拉格方程有：Rd=lLK=lL：電子衍射相機(jī)常數(shù)或儀器常數(shù)，單位為nm.mm電子衍射關(guān)系比X射線衍射關(guān)系的布拉格方程簡(jiǎn)單！透射電鏡有多個(gè)電鏡經(jīng)過(guò)聚焦，定義一個(gè)有效相機(jī)長(zhǎng)度L′,則有效相機(jī)常數(shù)K′=lL′。Rd=K′=lL′

2023/12/71552選區(qū)電子衍射圖3.24選區(qū)電子衍射原理圖選區(qū)電子衍射又稱微區(qū)衍射，它是通過(guò)移動(dòng)安置在中間鏡上的選區(qū)光欄來(lái)完成的。

(a)單晶(b)多晶(c)非晶2023/12/71563常見的電子衍射花樣單晶：對(duì)稱于中心透射斑點(diǎn)的規(guī)則排列的斑點(diǎn)陣圖3.25

電子衍射花樣

多晶：以透射斑點(diǎn)為中心的衍射環(huán)非晶：無(wú)明顯的衍射現(xiàn)象如何計(jì)算晶面間距？2023/12/7157L1L2熒光屏投影鏡中間鏡像中間鏡物鏡后焦面(物鏡光欄位)物鏡試樣如圖所示透射電鏡中間鏡位置選擇是什么操作

（A）成像（B）衍射2023/12/7158關(guān)于電子衍射，如下說(shuō)法正確的有：

電子衍射幾何學(xué)與X射線完全一樣，都遵循布拉格方程！電子衍射的衍射角比X射線衍射角大。電子衍射強(qiáng)度比X射線衍射弱。電子衍射既可以進(jìn)行組織形貌分析，又可以進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析。電子衍射方程比布拉格方程簡(jiǎn)單Rd=lL（A）1,2,3（B）2,3,5（C）1,4,5（D）2,3,4

(A)2,3(B)1,4(C)3,4（D）1,22023/12/7159對(duì)此圖描述正確的是：1.單晶的電子衍射花樣2.對(duì)稱于中心透射斑點(diǎn)的規(guī)則排列的斑點(diǎn)陣3.