材料现代测试分析方法的应用现状与发展趋势
1. 前言 (2)
2. ...................................................................................................................................................... X 射线衍射的现状与发展趋势. (3)
2.1 X 射线衍射方法 (3)
2.2. X 射线衍射的应用和发展趋势 (3)
2.2.1 X 射线衍射分析的应用 (3)
2.2.2 X 射线衍射仪的应用 (4)
2.3 X 射线衍射的发展趋势 (5)
3. 材料电子显微分析方法应用现状与发展趋势 (6)
3.1 扫描电子显微镜（SEM） (6)
3.2 透射电子显微镜（TEM） (8)
4. 电子能谱分析方法应用现状与发展趋势 (9)
4.1 俄歇电子能谱分析方法及其应用 (9)
4.1.1 AES 谱仪的基本结构 (9)
4.1.2 俄歇电子能谱技术的应用 (10)
4.2 X 射线光电子能谱分析及其应用 (13)
4.2.1 XPS 谱仪的基本结构 (13)
4.2.2 XPS 谱图分析技术的应用 (13)
5. 光谱分析方法应用现状与发展趋势 (15)
5.1 傅立叶变换红外光谱仪的应用 (15)
2. 在表面化学研究中的应用 (17)
3. 在催化化学研究中的应用 (17)
4. 在石油化学研究中的应用 (17)
5. 在环境分析中的应用 (18)
6. 在半导体和超导材料等方面的应用 (18)
5.2 拉曼光谱的应用 (19)
6. 致谢 (22)
参考文献 (22)
1. 前言材料现代测试分析方法如今应用于测试分析的各个领域，它精确的电脑测算系统满足现代高水平、高精确的测算。它领先的分析技术应用于金属失效领域的各个分析方面，满足了纳米级材料分析的现状。材料测试分析方法主要包括以下几个方面：
1. X 射线衍射
自1895年X射线被发现以来，可利用X射线分辨的物质系统越来越复杂。从简单物质系统到复杂的生物大分子，X 射线已经为我们提供了很多关于物质静态结构的信息。此外，在各种测量方法中，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机、航空航天、能源、生物工程等工业领域的广泛应用，人们对晶体的研究日益深入，使得X射线衍射分析成为研究晶体最方便、最重要的手段。
2. 电子显微及能普分析
材料的组织形貌观察, 主要是依靠显微镜技术, 光学显微镜是在微米尺度上观察材料的普及方法。扫描电子显微镜与透射电子显微镜则把观察的尺度推进到纳米的层次。场离子显微镜（FIM）、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（SFM）, 克服了透射电子显微镜景深小、样品制备复杂等缺点, 可以在三维空间达到原子分辨率。近年来一种以X 射线光电子能谱、俄歇电子能谱和低能离子散射谱仪为代表的分析系统,已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表面分析的不可缺少的工具之一。
3. 光谱分析
红外光谱仪是鉴别物质和分析物质结构的有效手段，其中傅立叶变换红外光
谱仪（FT-IR ）是七十年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是根据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，并且应用范围极其广泛，同样也有着广泛的发展前景。拉曼光谱是一种简便灵敏的光谱分析新技术，近年来在考古学，细胞研究中都发挥了重要的作用。
以下将主要从应用方面介绍材料现代测试分析方法。
2. X 射线衍射的现状与发展趋势
2.1 X 射线衍射方法
研究晶体材料，X 射线衍射方法非常理想非常有效，而对于液体和非晶态物固体，这种方法也能提供许多基本的重要数据。所以X 射线衍射法被认为是研究固体最有效的工具。在各种衍射实验方法中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法，这里着重介绍多晶衍射法（照相法和衍射仪法）。
1. 照相法
照相法以光源发出的特征X 射线照射多晶样品，并用底片记录衍射花样。根据样品与底片的相对位置，照相法可以分为德拜法、聚焦法和针孔法，其中德拜法应用最为普遍。
德拜法以一束准直的特征X 射线照射到小块粉末样品上，用卷成圆柱状并与
样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息，获得的衍射花样是一些衍射弧。此方法
的优点为：⑴ 所用试样量少（0.1毫克即可）；⑵ 包含了试样产生的全部反射线；
⑶ 装置和技术比较简单。
聚焦法的底片与样品处于同一圆周上，以具有较大发散度的单色X射线照射样品上较大区域。由于同一圆周上的同弧圆周角相等，使得多晶样品中的等同晶面的衍射线在底片上聚焦成一点或一条线。聚焦法曝光时间短，分辨率是德拜法的两倍，但在小B 范围衍射线条较少且宽，不适于分析未知样品。
针孔法用三个针孔准直的单色X射线为光源，照射到平板样品上。根据底片不同的位置针孔法又分为穿透针孔法和背射针孔法。针孔法得到的衍射花样是衍射线的整个圆环，适于研究晶粒大小、晶体完整性、宏观残余应力及多晶试样中的择优取向等。但这种方法只能记录很少的几个衍射环，不适于其它应用。
2. 衍射仪法
X射线衍射仪以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的衍射实验装置。现代X射线衍射仪还配有控制操作和运行软件的计算机系统。
X射线衍射仪的成像原理与聚集法相同，但记录方式及相应获得的衍射花样不同。衍射仪采用具有一定发散度的入射线，也用“同一圆周上的同弧圆周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圆半径随 2 B的变化而变化。衍射仪法以其方便、快捷、准确和可以自动进行数据处理等特点在许多领域中取代了照相法，现在已成为晶体结构分析等工作的主要方法。
2.2. X 射线衍射的应用和发展趋势
2.2.1 X 射线衍射分析的应用
1 物相分析
晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是X射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与
之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPD$ ”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）” 进行物相分析。
目前，物相分析存在的问题主要有：⑴ 待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线，而是两个或两个以上相的某些次强或三强线叠加的结果。这时若以该线作为某相的最强线将找不到任何对应的卡片。⑵在众多卡片中找出
满足条件的卡片，十分复杂而繁锁。虽然可以利用计算机辅助检索，但仍难以令人满意。⑶ 定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者K值测定及计算，都是复杂而艰巨的工作。为此，有人提出了可能的解决办法，多晶材料X射线衍射定量分析的多项式拟合法【2】简化了数据处理的过程，提高了分析结果的精度，使粉末衍射数据处理工作变得相对容易。
2 点阵常数的精确测定
点阵常数是晶体物质的基本结构参数，测定点阵常数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置（B ）的测定而获得的，通过测定衍射样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。应用高分辨X 射线衍射（HRXRD+TAXR技术对外延生长的SrTiO3膜进行了分析，获得了有关该薄膜的晶体取向、衬底的结构特性以及弛豫态的点阵常数等信息。【3】
3 应力的测定
X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度。宏观应力均匀分布在物体中较大范围内，产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距变化相同，导致衍射线向某方向位移，这就是X射线测量宏观应力的基础；微观应力在各晶粒间甚至一个晶粒内各部分间彼此不同，产生的不均匀应变表现为某些区域晶面间距增加、某些区域晶面间距减少，结果使衍射线向不同方向位移，使其衍射线漫散宽化，这是X射线测量微观应力的基础。超微观应力在应变区内使原子偏离平衡位置，导致衍射线强度减弱，故可以通过X射线强度的变化测定超微观应力。测定应力一般用衍射仪法。
X射线测定应力具有非破坏性，可测小范围局部应力，可测表层应力，可区别应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点。例如，可以利用X 射线四轴衍射仪测定四点弯曲弹性加载条件下镍基单晶高温台金表层的宏观应变与应力，并与应变片及机械拉仲测定的数据进行比较分析，采用不同弹性常数及不同分蜂方式处理可得到的应力数据的差异。
2.2.2 X 射线衍射仪的应用
1、测角仪
测角仪在工作时，X射线从射线管发出，经一系列狭缝后，照射在样品上产生衍射。计数器围绕测角仪的轴在测角仪圆上运动，记录衍射线，其旋转的角度即2可以从刻度盘上读出。与此同时，样品台也围绕测角仪的轴旋转，转速为计数器转速的1/2 。
为了能增大衍射强度，衍射仪法中采用的是平板式样品，以便使试样被X 射线照射的面积较大。这里的关键是一方面试样要满足布拉格方程的反射条件。
另一方面还要满足衍射线的聚焦条件，即使整个试样上产生的X 衍射线均能被计数器所接收。在理想的在理想情况下，X射线源、计数器和试样在一个聚焦圆上。且试样是弯曲的，曲率与聚焦圆相同。对于粉末多晶体试样，在任何方位上总会有一些（hkl ）晶面满足布拉格方程产生反射，而且反射是向四面八方的，但是，那些平行于试样表面的晶面满足布拉格方程时，产生衍射，且满足入射角=反射角的条件。由平面几何可知，位于同一圆弧上的圆周角相等，所以，位于试样不同部位M Q N处平行于试样表面的（hkl ）晶面，可以把各自的反射线会聚到F点（由于S是线光源，所以厂点得到的也是线光源）。这样便达到了聚焦的目的。
在测角仪的实际工作中，通常X射线源是固定不动的。计数器并不沿聚焦圆移动，而是沿测角仪圆移动逐个地对衍射线进行测量。因此聚焦圆的半径一直随着
2B角的变化而变化。在这种情况下，为了满足聚焦条件，即相对试样的表面，满足入射角=反射角的条件，必须使试样与计数器转动的角速度保持1:2 的速度比。
不过，在实际工作中，这种聚焦不是十分精确的。因为，实际工作中所采用的样品不是弧形的而是平面的，并让其与聚焦圆相切，因此实际上只有一个点在聚焦圆上。这样，衍射线并非严格地聚集在F点上，而是有一定的发散。但这对于一般目的而言，尤其是2B角不大的情况下（2B角越小，聚焦圆的曲率半径越大，越接近于平面），是可以满足要求的。
2、X 射线探测器
X射线衍射仪的X射线探测器为计数管。它是根据X射线光子的计数来探测衍射线是存在与否以及它们的强度。它与检测记录装置一起代替了照相法中底片的作用。其主要作用是将X射线信号变成电信号。探测器的有不同的种类。有使用气体的正比计数器和盖革计数器和固体的闪烁计数器和硅探测器。目前最常用的是闪烁计数器，在要求定量关系较为准确的场合下一般使用正比计数器。盖革计数器现在已经很少用了。
2.3 X 射线衍射的发展趋势通过混合同余法和反变换法产生的泊松公式分布的随机数序列，可以用计算机处理成理想衍射线——Voigt 函数曲线，可即得到模拟衍射线和修正模拟衍射线。统计检验研究表明，可把修正模拟衍射线和实测衍射线当做同源的整体。在实际应用时时，常常可用模拟衍射线代替实测衍射线，以解决某些实测衍射线所解决不了的问题。
在晶粒度研究发展方面，随粒度变小，衍射线线形从有尖峰到分布散漫。例如亚微米级粒度的WC粉末谱线半高宽随粒度变细有着很明显的变化。半高宽是表征粒度效应的重要参数，而对于微米级粒度的变化则能通过谱线背底宽度来表示。粒度差不多达到纳米级的WC粉末衍射谱线的2B位置偏离平衡位置。另外晶粒越细，衍射强度的变化规律与半高宽的规律呈反转对应关系。从这样可以看出，谱线宽化的规律被用作判定亚微米级WC粉末粒度尤其是极细和超细粒度，是很有发展前景的。衍射线形存在明显差异，这主要与材料晶粒尺寸及显微畸变的空间分布有关，其中薄膜法线方向上的晶粒尺寸最大，同时该方向的显微畸变最小．但是计算机使用让各种测量仪器的功能变得强大，测试过程变得简单快捷，双晶衍射、多重衍射也越来越完善。随之而来的软件也缺陷越来越明显，在各种分析过程中，软件分析检索的准确度都不尽人意. 所以今后迫切的需要是软件系统的更新和完善, 用以完善高技术带来的负面效果。
3. 材料电子显微分析方法应用现状与发展趋势
透射电子显微镜方面主要有：高分辨电子显微学及原子像的观察，像差校正电子显微镜，原子尺度电子全息学，表面的高分辨电子显微正面成像，超高压电子显微镜，中等电压电镜，120kV,100kV 分析电镜，场发射枪扫描透射电镜及能量选择电镜等，透射电镜将又一次面临新的重大突破；扫描电子显微镜方面主要
有：分析扫描电镜和X射线能谱仪、X射线波谱仪和电子探针仪、场发射枪扫描电镜和低压扫描电镜、超大试样室扫描电镜、环境扫描电镜、扫描电声显微镜、测长／缺陷检测扫描电镜、晶体学取向成像扫描电子显微术和计算机控制扫描电镜等。扫描电镜的分辨本领可望达到0.2 —0.3nm 并观察到原子像。
电子显微镜（简称电镜，EM经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可
缺少的重要工具。我国的电子显微学也有了长足的进展。电子显微镜的创制者鲁
斯卡（E.Ruska）教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖。
电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等等。电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM和扫描电子显微镜（简称扫描电镜，SEM两大类。扫描透射电子显微镜（简称扫描透射电镜，STEM则兼有两者的性能。为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如：超高压（1MV）和中等电压（200 —500kV）透射电镜、低电压（?1kV）扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如场发射枪电镜；有以用途区分的，如高分辨电镜，分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、原位电镜、测长CD扫描电镜；
有以激发的信息命名的，如电子探针X射线微区分析仪（简称电子探针，EPMA）等。
半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更微小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子，并获得有关试样的更多的信息，如标征非晶和微晶，成分分布，晶粒形状和尺寸，晶体的相、晶体的取向、晶界和晶体缺陷等特
征，以便对材料的显微结构进行综合分析及标征研究。近来，电子显微镜（电子显微学），包括扫描隧道显微镜等，又有了长足的发展。
3.1 扫描电子显微镜（SEM）
1 、成像基本原理电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。
扫描电子显微镜结构如图3-1所示
电子枪
2. 扫描电子显微镜（SEM）的现状及发展趋势
中国科学院科学仪器厂的KYK—AMRAYI000型扫描电镜，其加速电压范围
为0 —30kV, 低压调节量为100V,可在低加速电压下进行观察和拍照。
大样品室是扫描电镜结构上的一大改进。日立S一570型扫描电镜，样品室有两个位置，供放置大试样和小试样之用，大试样放在物镜极靴的下方，小试样放在物镜磁场内。菲利浦SEMH515,其大样品室可放入6英寸直径的大试样。剑桥盯ERE0SCAN2型和CAMSCAN SERIE型扫描电镜都有一个大样品室，可放入2公斤重的试样
目前SE啲分辨率有较大提高）日立S一570型扫描电镜，对大试样的分辨率达50A,对小试样分辨率可到25A。日立S — 800型扫描电镜，使用场发射电子枪，
其光斑尺寸小，亮度是钨丝的1000咅，因而分辨率可达20A。日立S — 900型扫描电镜，是S一570型和S一800型的混合型，样品室中有两个放试样位置，利用场发射电子枪，小试样二次电子像分资率可达8A。
目前的SE啲一些基本操作都增加了自动的功能，使操作简化。日立S —570
型和S一800型扫描电镜，可以自动调焦，只要开高压，选好放大率和视场，图像在几秒钟内自动清晰，可以拍照；可以自动调节亮度和反差；可以自动消像散。日本电子公司的yEMH840，聚光镜可自动调焦，当调节聚光镜改变束流时，不需重新调焦和消像散，视场中图像保持不动。中国科学院科学仪器厂的KYK—
图3-1扫描电子显微镜结构示意图
AMRAYIOOO 型扫描电镜，可自动聚焦和倾斜补偿；可自动消像散；有视频信号处 理系统，具有视频增强、视频压缩、低通滤波和视频选择/混合等四种不同类型 的讯号处理功能；有数码显示系统，可作自动字符显示和键盘字符输入， 还可用 PM 标尺作试样微区测量。
目前的5EM 使用计算机，用来处理和存储图像。剑桥 STEREOSCAN 型和
CAMSCAN SERIE 型扫描电镜，装有计算机图像处理系统，在TV 扫描速度时，图 像噪声大，这时可把图像存储在计算机中，系统可以去掉噪声，从而得到清晰的 图
像， 只需15秒钟就可以拍摄一张照片，关机后，图像仍存储在计算机中，也
可以转录到磁带上去。
3.2透射电子显微镜（TEM
透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源， 用电磁透镜聚焦成像的一 种
具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。测试的样品要求厚度极薄（几 十纳
米），以便使电子束透过样品。
1、成像原理
（1）成像
如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大
像，这就是电子显微镜中的成像操作，如图 3-2a 所示。
成像放大倍数：透射电子显微镜总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积：
M = M o .Mi.Mp
式中：W--物镜放大倍率，数值在50-100范围；Mi----中间镜放大倍率，
数值在0-20范围；Mp---投影镜放大倍率，数值在100-150范围。
图 3-2 TEM 成像原理图 (a) 成像 (b) 电子衍射图谱 (2)
电子衍射图
谱如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是电子显微镜中的电子衍射操作，如图3-2b 所示。
3. 透射电子显微镜(TEM的现状及发展趋势
其发展趋势是：继续提高加速电压和实现多功能分析自动化。
目前的TEM是提高加速电压，目的是为了提高分辨率。这种高加速电压电子显微镜，称为高压电镜，如日立H一800,其最高加速电压为200kv，品格分辨率可达1.02A; 日本电子公司7EM H2000FX的加速电压也为200kv，品格分辨率为1.4A。最近日本电子公司还制成加速电压为400kv的高压电镜。由于高压电镜电子穿透能力很强，故可直接观察比较厚的试样；又由于高压电子束在试样内扩散较小，空间分辨率较高，这样有利于作电子能量损失谱仪(EEL5)和X寸线能谱仪(EDS) 分析。在作选区衍射时，球差对选区面积的影响也可以减小。
目前的T EM,为了达到多功能分析，在设计上作了改进。电子公司的IEM—2000FX改进了电子光学系统。在照明系统中，利用五组透镜照明，使电子束
在试样上的照明孔径角可以在大范围内变化，利用大孔径角作会聚束衍射时，不必更换极靴，可作高分辨观察。在成像系统中，利用小透镜组物镜，当放大率变化时，可以自动调焦；同时，三组中间镜可避免放大率和照相机长度变化时图像相对衍射花样的旋转，晶体取向或错位方向总是与图像对应，因而不需作磁转角修正。为了扩展TEM勺功能，TEM带有附件。H一800和IEM—2000FX均带有扫描附件、EEL5和EDS可以进行扫描方式和扫描透射方式工作，可以检测从B。至U: a范围的元素；此外，还由计算机控制透镜的电压、电流和合轴，并备有信息荧光屏，可以显示仪器状态、工作方式、样品位置和操作条件等，这些信息可以存储在计算机中，也可以打印出来。
4. 电子能谱分析方法应用现状与发展趋势
4.1 俄歇电子能谱分析方法及其应用
俄歇电子能谱(AES)分析方法是最近十多年来迅速发展起来的电子材料与元器件现代分析方法之一。由于它具有分析速度快、准I确度高、灵敏度高、消耗样品少及能分析材料的成份，含量和化学状态等特点，因此，在电子材料和元器件的科学研究、生产制造，特别是在失效物理的微观分析方面得到广泛的应用。
4.1.1 AESf仪的基本结构
与X 射线光电子能谱仪一样，俄歇电子能谱仪的仪器结构也非常复杂。图
4-2 是俄歇电子能谱仪的方框图。从图上可见，俄歇电子能谱仪主要由快速进样系统，超高真空系统，电子枪，离子枪和能量分析系统及计算机数据采集和处理系统等组成。
图4-2俄歇电子能谱仪结构框图
4.1.2俄歇电子能谱技术的应用
俄歇电子谱仪主要是研究固体表面及界面的各种化学的变化，通过成分分布的规律来研究和解释许多与表（界）面吸附剂偏聚的物理现象，从而来改变和控制元素在表（界）面的分布，达到改善材料性能的目的。
1. 研究金属及合金脆化的本质
晶间断裂是脆性断裂的一种特殊形式，有的是由于片状沉淀在晶界析出而引起的，我们可以用扫描电镜、选区电子衍射、电子探针等手段确认晶界析出物的形貌、晶体结构和化学成分，从而照出产生脆断的原因。但是还有一些典型的晶间脆断，如合金钢的回火脆断及难溶金属的脆断，在电子显微镜的放大几十万倍下观察，仍未能在晶界处发现任何沉淀析出，人们一直怀疑这可能是一些有害杂质元素在晶界富集而引起脆断，但一直苦于拿不出直接的证据。直到在俄歇能谱对断口表面进行分析后，合金钢回火脆性本质才被揭开。
难溶金属的晶间脆断也是在俄歇能谱问世后才把问题搞清楚。过去人们一直
认为难溶金属的晶间脆断是氧化引起的对，为此有意识的在金属中加入微量碳，以期在氧化后产生一氧化碳而得到脱氧的效果。但是，这种措施并未得到预期的效果。最后在对区域提纯上都含有少量的碳和氧，但一般冶炼工艺的钨断口表面还含有相当对的磷，而区域提纯的断口表面则不含有磷。由此可以看出，钨中引起晶界间脆断的不是痒而是磷。尽管磷含量仅为百万分之五十，但它却在晶界两侧几纳米的范围的富集相当高德浓度，从而导致脆断。
可见，表界面的元素偏聚问题是金属及合金中影响其性能的一个很重要的问题，而在表界面的成分分析研究中，俄歇谱仪具有其他分析仪器不可替代的作用。
2. 了解微合金化元素的分布特性
早在20世纪50?60年代，人们就发现微合金化对材料组织和性能有很大影响。如结构钢加硼（B）可以提高淬透性，高温合金中加硼（B）、锆（Zr）、稀土元素可提高抗蠕变性能等。但金相观察或化学分析均无法查知这些元素的存在形式和分布状态。有人推测，可能由于表面吸附现象，使这些元素富集在晶界上，从而改善晶界状态，进而影响相变过程及提高高温下晶界的强度。俄歇谱仪为研究这些微量元素的作用机理提供了有效的手段。类似的问题还有很多，例如，铝
合金变质机理和长效变质剂的研究，化学热处理中稀土元素催渗机理的研究，稀土元素在钢中的形态及分布规律的研究等。
3. 复合材料界面成分的分析
复合材料中增强纤维与基体金属之间的结合力，与界面上杂质元素的种类及含量有着极密切的关系，为了获得所要求的基体和纤维的相容性，必须控制基体成分和杂质量。在选择扩散层阻挡的成分、种类的研究中，俄歇谱仪都成为一种必须的手段。
4. 表面元素定性鉴定
这是一种最常规的分析方法，也是俄歇电子能谱最早的应用之一。一般利用AES 谱仪的宽扫描程序，收集从20?1700 eV动能区域的俄歇谱。为了增加谱图的信背比，
通常采用微分谱来进行定性鉴定。对于大部分元素，其俄歇峰主要集中在20?1200eV的范围内，对于有些元素则需利用高能端的俄歇峰来辅助进行定性分析。此外，为了提高高能端俄歇峰的信号强度，可以通过提高激发电子能量的方法来获得。通常采取俄歇谱的微分谱的负峰能量作为俄歇动能，进行元素的定性标定。在分析俄歇能谱图时，必须考虑荷电位移问题。一般来说，金属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。但对于绝缘体薄膜样品，有时必须进行校准，以C
KLL峰的俄歇动能为278.0 eV作为基准。在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰进行佐证，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。图4-3是典型的俄歇电子能谱定性分析图。
图4-3是金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱，电子枪的加速电压为3
位
单
"
任
/
数
计
KV。从图上可见，AES谱图的横坐标为俄歇电子动能，纵坐标为俄歇电子计数的一
次微分。激发出来的俄歇电子由其俄歇过程所涉及的轨道的名称标记。如图
0 100 200 300 400 500 600
俄歇电子动能/ eV
图4-3金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱
中的C KLL表示碳原子的K层轨道的一个电子被激发，在退激发过程中，L层轨道的一个电子填充到K轨道，同时激发出L层上的另一个电子。这个电子就是被标记为C KLL的俄歇电子。由于俄歇跃迁过程涉及到多个能级，可以同时激发出多种俄歇电子，因此在AES谱图上可以发现Ti LMM俄歇跃迁有两个峰。由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此非常有利于元素的定性标定，排除能量相近峰的干扰。如N KLL俄歇峰的动能为379 eV与Ti LMM俄歇峰的动能很接近，但N KLL仅有一个峰，而Ti LMM有两个峰，因此俄歇电子能谱可以很容易地区分N元素和Ti元素。由于相近原子序数元素激发出的俄歇电子的动能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
5. 表面元素的半定量分析
首先应当明确的是AES不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅是一种半定量的分析结果，即相对含量而不是绝对含量。由AES提供的定量数据是以原子百分比含量表示的，而不是我们平常所使用的重量百分比。这种比例关系可以通过下列公式换算：
q wt｛人（19.2）
G Aj
i 1
式中c wt -第i种元素的质量分数浓度；c -第i种元素的AES摩尔分数；A i -第i种元素的相对原子质量。
在定量分析中必须注意的是AES给出的相对含量也与谱仪的状况有关，因为不仅各元素的灵敏度因子是不同的，AES谱仪对不同能量的俄歇电子的传输效率也是不同的，并会随谱仪污染程度而改变。当谱仪的分析器受到严重污染时，低能端俄歇峰的强度可以大幅度下降。AES仅提供表面1?3 nm厚的表面层信息，其表示的组成不能反映体相成分。样品表面的C, O污染以及吸附物的存在也会严重影响其定量分析的结果。还必须注意的是，由于俄歇能谱的各元素的灵敏度因子与一次电子束的激发能量有关，因此，俄歇电子能谱的激发源的能量也会影响定量结果。
6. 元素沿深度方向的分布分析
AES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用的分析功能。一般采用Ar离子剥离样品表面的深度分析的方法。该方法是一种破坏性分析方法，会引起表面晶格的损伤，择优溅射和表面原子混合等现象。但当其剥离速度很快时和剥离时间较短时，以上效应就不太明显，一般可以不用考虑。其分析原理是先用Ar离子把表面一定厚度的表面层溅射掉，然后再用AES分析剥离后的表面元素含量，这样就可以获得元素在样品中沿深度方向的分布。由于俄歇电子能谱的采样深度较浅，因此俄歇电子能谱的深度分析比XPS的深度分析具有更好的深度分辨率。当离子束与样品表面的作用时间较长时，样品表面会产生各种效应。为了获得较
好的深度分析结果，应当选用交替式溅射方式，并尽可能地降低每次溅射间隔的时间。离子束/电子枪束的直径比应大于10倍以上以避免离子束的溅射坑效应。
图4-4是PZT/Si薄膜界面反应后的典型的俄歇深度分析图。横坐标为溅射时间，与溅射深度有对应关系。纵坐标为元素的原子百分比。从图上可以清晰地看到各元素在薄膜中的分布情况。在经过界面反应后，在PZT薄膜与硅基底间形成了稳定的SiO2界面层。这界面层是通过从样品表面扩散进的氧与从基底上扩散出的硅反应而形成的。
图4-4 PZT/Si 薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
4.2 X 射线光电子能谱分析及其应用
4.2.1 XPS 谱仪的基本结构
虽然XPS 方法的原理比较简单，但其仪器结构却非常复杂。图 4-5是X 射
线光电子能谱的方框图。从图上可见，X 射线光电子能谱仪由进样室、超高真空 系统，
X 射线激发源、离子源、能量分析系统及计算机数据采集和处理系统等组 成。下面对主
要部件进行简单的介绍。具体的操作方法详见仪器操作使用说明书。
图4-5 X 射线光电子能谱仪结构框图
4.2.2 XPS 谱图分析技术的应用
1. 表面元素定性分析
这是一种常规分析方法，一般利用 XPS 谱仪的宽扫描程序。为了提高定性分 析的
灵敏度，一般应加大分析器的通能(Pass energy )，提高信噪比。图 4-6 是典型的XPS
定性分析图。通常XPS 谱图的横坐标为结合能，纵坐标为光电子的 计数率。在分析谱
图时，首先必须考虑的是消除荷电位移。 对于金属和半导体样 品由于不会荷电，因此
不用校准。但对于绝缘样品，则必须进行校准。因为，当 荷电较大时，会导致结合能位
置有较大的偏移，导致错误判断。使用计算机自动 标峰时，同样会产生这种情况。一般
来说，只要该元素存在，其所有的强峰都应 存在，否则应考虑是否为其他元素的干扰
峰。 激发出来的光电子依据激发轨道的
名称进行标记。如从 C 原子的1s 轨道激发出来的光电子用 C 1s 标记。由于X 射线激发
源的光子能量较高，可以同时激发出多个原子轨道的光电子，因此在 XPS 谱图上会出现
多组谱峰。大部分元素都可以激发出多组光电子峰，可以利用
00
% 0.5 1 1.5
2 2.5
3 3.5 4
溅射时间/ min 20 度
浓
数
分
百
尔
摩
子
原
80
60 O
快速进样室
这些峰排除能量相近峰的干扰，以利于元素的定性标定。由于相近原子序数的元 素激发出的光电子的结合能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
由于光电子激发过程的复杂性，在XPS 谱图上不仅存在各原子轨道的光电子 峰，
同时还存在部分轨道的自旋裂分峰， K 2产生的卫星峰，携上峰以及 X 射线 激发的俄歇峰等伴峰，在定性分析时必须予以注意。现在，定性标记的工作可由 计算机进行，但经常会发生标记错误，应加以注意。对于不导电样品，由于荷电 效应，经常会使结合能发生变化，导致定性分析得出不正确的结果。
Ti(CN)x /AI 薄膜
图4-6是高纯Al 基片上沉积的Ti(CN)x 薄膜的XPS 谱图，激发源为Mg K
从上图可见，在薄膜表面主要有 Ti, N, C, O 和Al 元素存在。Ti, N 的信 号较
弱，而O 的信号很强。这结果表明形成的薄膜主要是氧化物，氧的存在 会影响
Ti(CN) x 薄膜的形成。
2. 表面元素的半定量分析
首先应当明确的是XPS 并不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅是一种 半
定量的分析结果，即相对含量而不是绝对含量。由XPS 提供的定量数据是以原 子百分比含量表示的，而不是我们平常所使用的重量百分比。 这种比例关系可以 通过下列公式换算：
C i
i 1
式中C i wt
-第i 种元素的质量分数浓度; C i -第i 种元素的XPS 摩尔分数; A i -第i 种元素的相对原子质量。
在定量分析中必须注意的是，XPS 给出的相对含量也与谱仪的状况有关。因为不
仅各元素的灵敏度因子是不同的，XPS 谱仪对不同能量的光电子的传输效率 也
位
单意
任
/
数
计
wt
C i C i A
600
500 400 300 200 100 0
结合能/eV
是不同的，并随谱仪受污染程度而改变。 XPS 仅提供表面3?5 nm 厚的表 面
信息，其组成不能反映体相成分。样品表面的
C, O 污染以及吸附物的存
在也会大大影响其定量分析的可靠性。
3. 表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是XPS 的最重要的一种分析功能，也是XPS 谱图解析 最
难，比较容易发生错误的部分。在进行元素化学价态分析前，首先必须对结合 能进行正确的校准。因为结合能随化学环境的变化较小， 而当荷电校准误差较大 时，很容易标错元素的化学价态。此外，有一些化合物的标准数据依据不同的作 者和仪器状态存在很大的差异，在这种情况下这些标准数据仅能作为参考， 最好 是自己制备标准样，这样才能获得正确的结果。有一些化合物的元素不存在标准 数
据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比。还有一些元素的化学位移很 小,用XPS 的结合能不能有效地进行化学价态分析， 在这种情况下，可以从线形 及伴峰结构进行分析，同样也可以获得化学价态的信息。
从图上可见，在PZT 薄膜表面，C 1s 的结合能为285.0 eV 和281.5eV ，
分别对应于有机碳和金属碳化物。 有机碳是主要成分，可能是由表面污染所产生
的。随着溅射深度的增加，有机碳的信号减弱，而金属碳化物的峰增强。这结果 说明在PZT 薄膜内部的碳主要以金属碳化物存在。
图4-7是PZT 薄膜中碳的化学价态谱
288 286 284 282
280 278
结合能/ eV 位单意任
/数计
5. 光谱分析方法应用现状与发展趋势
5.1傅立叶变换红外光谱仪的应用
红外光谱仪是鉴别物质和分析物质结构的有效手段，其中傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR ）是七十年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是根据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，并且应用范围极其广泛，同样也有着广泛的发展前景。本文就傅立叶变换红外光
谱仪的基本原理作扼要的介绍，总结了傅立叶变换红外光谱法的主要特点， 综述 了其在各个方面的应用，并对傅立叶变换红外光谱仪的发展方向提出了一些基本 观点。
1.在临床医学和药学方面的应用
鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱 ，除特殊情况外，目前尚未发现 两种不同的化合物具有相同的红外光谱，所以红外光谱为药品质量的监测提供 了快速准确的方法。如药材天麻、阿胶，西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎 药联笨双酯同质异晶体的研究。
傅立叶变换红外光谱仪在临床疾病检测方面也有广泛的应用 ，如利用红外 光谱法对冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。红外光谱法测定蛋白质基体 中的葡萄糖含量。以及用FT-Raman 光谱在700?1900cm -1处的差异,对胃、牙 齿、血管、肝等人体组织的研究可用于体内诊断。
恶性肿瘤是一种严重危害人类身心健康并消耗大量医疗卫生资源的疾病
，
由于目前缺乏有效的对晚期癌症的治疗手段，肿瘤的早期诊断对延长患者的生 存时间和提高生活质量具有重要的意义。 傅里叶变换红外光谱可以提供有关分子 结构和变化的多种信息，能在分子水平对细胞组织的改变做出反映，是行之有 效的肿瘤早期检测的手段，较传统的肿瘤手段而言，具有快速，准确，客观等 特点；甚至可以通过光纤附件，实现肿瘤的原位、在体、实时检测和诊断。通过 胃癌组织与正常组织的 FTIR 谱图［5］
比较，可以发现胃癌组织具有特征性的光 谱。如图5-1所示。胃癌细胞株FTIR 检测结果如图5-2所示，与胃癌组织光谱 图比较，光谱特征存在差异。
图5-1胃癌组织与正常组织的FTIR
谱
3 网
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图5-2胃癌细胞株FTIR检测结果
2. 在表面化学研究中的应用
红外光谱技术在表面化学研究中的应用具有两个鲜明特征：
(1) 继续不断地开发表面与薄膜的原位和实时红外分析技术。根据报道已有一种适用于原位和同时红外分析的FT-IR扩散反射室。
(2) 以红外吸附光谱(IRAS) , ATR FT-IR和IR反射光谱为代表的红外光
谱技术广泛地应用于研究自组织膜和L- B膜。如应用IR反射光谱研究薄膜，测
定组织薄膜的厚度、成分和结构。
3. 在催化化学研究中的应用
(1) 扩散反射红外光谱傅立叶变换光谱(DR IFTS)的应用报道特别突出, 其次是IRAS。DR IFTS用于监控催化剂表面吸附化合物的分解动力学。IRAS的典型应用实例包括研究CO在Pd催化剂表面的氧化反应动力学,以及研究NC和CO在Pd和
Pd-SiO2表面的共吸附现象。
(2) 原位红外光谱技术除了依然应用普通的原位红外光谱技术研究催化反应过程外，还应用于原位反射/吸附红外光谱研究催化剂表面的点位阻塞效应。另外产生了大量新的与原位红外光谱技术相配合的附件装置。
4. 在石油化学研究中的应用
傅立叶变换红外光谱仪在石油化学中的应用是一个十分广泛的领域,如在
重油的组成、性质与加工方面，应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱仪在润滑油及其应用方面的进展体现在：用于鉴别未知油品和标定润滑油的经典物理性质（如粘度、总酸值、总碱值） ; 被纳入以设备状态监测为目的的油液分析
计划, 用于表征在用油液的降解和污染程度; 油润滑表面摩擦化学过程及产物的原位监测与表征。
红外光谱仪应用于轻质油品生产控制和性质分析方面的主要进展包括: 应用红外光谱预测汽油的辛烷值, 应用IR 测定汽油中含氧化合物的含量。此外还应用ATR FT - IR与GC联用测定汽油中的芳烃的含量⑹。
5. 在环境分析中的应用
用气相色谱- 傅立叶变换红外联用技术测定水中的污染物[7], 结合了毛细管气相色谱的高分辨能力和傅立叶变换红外光谱快速扫描的特点, 对GC - MS 不能鉴别的异构体, 提供了完整的分子结构信息, 有利于化合物官能团的判定。K1A1Krok 等报道了气相色谱/ 红外光谱/ 质谱联用技术在环境分析中的应用。运用傅立叶变换红外遥感技术, 可以测定工业大气空间的特性。由于控制汽油质量与保护环境密切相关,应用美国HP GC / IRP /MS测定汽油中的甲醇、乙醇、1- 丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2 - 丁醇、异丁醇、特丁醇、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯等, 其准确度为1%, 相对偏差为0.155%。应用傅立叶变换红外法可以定量分析气态烃类混和物, 对于测定水中的石油烃类, 非色散红外法已成为我国环境监测的标准方法[8]。
6. 在半导体和超导材料等方面的应用
在此方面的应用主要有：分析铀原子与CO和CO2反应产物的基体红外光谱,研究了铀-钍-镍-锡变性锰铝铜强磁性合金的远红外性质。分析C60填料笼形包含物的红外和拉曼光谱。用反射傅立叶变换红外显微光谱法测定有机富油页岩中海藻化石。此外, 傅立叶变换红外光谱仪在其传统领域———物质结构分析、热力学状态分析、热/动力学过程分析与表征也有着不同程度的进展。
7. 红外光谱在高分子结构分析研究中的应用
（1）高分子结构分析
红外光谱最基本的用途就是对高分子化合物进行结构分析也就是看高分子化合物有那些官能团，这对高分子化合物的合成研究有很大的帮助。例如聚丙烯接枝酸酐共聚反应，通过红外光谱就可以观察到反应的结果。否则就很难知道反应情况。（2）高分子材料材质剖析
这也是红外光谱最基本的用途之一。在高分子合成研究中，要经常对某种
高分子材料进行剖析，以便借鉴。红外光谱可以很方便地检测出高分子材料的种类，甚至添加剂的种类，这对工艺研究有很大的帮助。
（3）聚丙烯立体规整性的测定
聚丙烯没有立体规整性谱带，但有975cm 和998cm 两条构象规整性谱带，
篇一：材料分析方法实验报告 篇二：材料分析方法课程设计报告 材料分析测试方法 课程设计（论文） 题目：磁控溅射c/w多层膜成分及微观分析 学院材料科学与工程 专业材料化学 班级材化082 学生王维娜 学号 3080101296 指导教师陈迪春 起止时间 2010.12.27-2011.1.1 年 材料分析测试方法课程设计任务书 课程设计内容要求： 掌握高分辨透射电子显微镜样品制备方法，学习并了解真空镀膜 技术-磁控溅射技术，多层膜制备过程，以及其微观结构分析，成分 分析所用仪器和原理。 学生（签名） 月日 材料分析测试方法课程设计评语 指导教师（签名） 年日 目录 材料分析测试方法 ............................................................................. .. (1) 1.1 磁控溅射 ............................................................................. (5) 1.2 x射线衍射仪 ............................................................................. . (5) 1.3 透射电子显微镜 ............................................................................. (6) 1.4 x射线光电子能谱仪（xps） ........................................................................ (7) 第二章实验方法 ............................................................................. .. (9) 2.1 tem样品的制备方法 .............................................................................
材料研究方法复习 X射线,SEM（扫描电子显微镜）,TA,DTA,DSC,TG,红外,拉曼 1．X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？ 本质是一种波长很短的电磁波，其波长介于0.01-1000A。1895年由德国物理学家伦琴首先发现了X射线，1912年由德国物理学家laue揭示了X射线本质。 2．试计算波长0.071nm（Mo-Kα）和0.154A（Cu-Kα）的X射线束，其频率和每个量子的能量？ E=hν=hc/λ 3．试述连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理 连续X射线谱:从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。 特征X射线谱: 从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固定能量，频率或固定波长的特征X射线。 4. 连续X射线谱强度随管电压、管电流和阳极材料原子序数的变化规律？ 发生管中的总光子数(即连续X射线的强度)与: 1 阳极原子数Z成正比; 2 与灯丝电流i成正比; 3 与电压V二次方成正比: I 正比于i Z V2 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大 5. Kα线和Kβ线相比，谁的波长短？谁的强度高？
Kβ线比Kα线的波长短，强度弱 6．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？ 实验中选择X射线管要避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管。 其选择原则是： Z靶≤Z样品+1 应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大2－6（尤其是2）的材料作靶材。 滤波片材料选择规律是： Z靶＜40时： Z滤＝Z靶－1 Z靶＞40时： Z滤＝Z靶－2 例如: 铁为主的样品，选用Co或Fe靶,不选用Ni或Cu靶；对应滤波片选择Mn 7. X射线与物质的如何相互作用的，产生那些物理现象？ X射线与物质的作用是通过X射线光子与物质的电子相互碰撞而实现的。 与物质作用后会产生X射线的散射（弹性散射和非弹性散射），X射线的吸收，光电效应与荧光辐射等现象 8. X射线强度衰减规律是什么？质量吸收系数的计算？ X射线通过整个物质厚度的衰减规律： I/I0 = exp(-μx) 式中I/I0称为X射线穿透系数，I/I0 ＜1。I/I0愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。μ为线性吸收系数 μm表示，μm＝μ/ρ 如果材料中含多种元素，则μm＝Σμmi w i其中w i为质量分数 9．下列哪些晶面属于[111]晶带？ （111）、（3 21）、（231）、（211）、（101）、（101）、（133），（-1-10），（1-12）， （1- 32），（0-11），（212），为什么？
8. 什么是弱束暗场像？与中心暗场像有何不同？试用Ewald图解说明。 答：弱束暗场像是通过入射束倾斜，使偏离布拉格条件较远的一个衍射束通过物镜光阑，透射束和其他衍射束都被挡掉，利用透过物镜光阑的强度较弱的衍射束成像。 与中心暗场像不同的是，中心暗场像是在双光束的条件下用的成像条件成像，即除直射束外只有一个强的衍射束，而弱束暗场像是在双光阑条件下的g/3g的成像条件成像，采用很大的偏离参量s。中心暗场像的成像衍射束严格满足布拉格条件，衍射强度较强，而弱束暗场像利用偏离布拉格条件较远的衍射束成像，衍射束强度很弱。采用弱束暗场像，完整区域的衍射束强度极弱，而在缺陷附近的极小区域内发生较强的反射，形成高分辨率的缺陷图像。图：PPT透射电子显微技术1页 10. 透射电子显微成像中，层错、反相畴界、畴界、孪晶界、晶界等衍衬像有何异同？用什么办法及根据什么特征才能将它们区分开来？ 答：由于层错区域衍射波振幅一般与无层错区域衍射波振幅不同，则层错区和与相邻区域形成了不同的衬度，相应地出现均匀的亮线和暗线，由于层错两侧的区域晶体结构和位相相同，故所有亮线和暗线的衬度分别相同。层错衍衬像表现为平行于层错面迹线的明暗相间的等间距条纹。 孪晶界和晶界两侧的晶体由于位向不同，或者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件不可能是完全相同的，也可能是处于无强衍射的情况，就相当于出现等厚条纹，所以他们的衍衬像都是间距不等的明暗相间的条纹，不同的是孪晶界是一条直线，而晶界不是直线。 反相畴界的衍衬像是曲折的带状条纹将晶粒分隔成许多形状不规则的小区域。 层错条纹平行线直线间距相等 反相畴界非平行线非直线间距不等 孪晶界条纹平行线直线间距不等 晶界条纹平行线非直线间距不等 11.什么是透射电子显微像中的质厚衬度、衍射衬度和相位衬度。形成衍射衬度像和相位衬度像时，物镜在聚焦方面有何不同？为什么？ 答：质厚衬度：入射电子透过非晶样品时，由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异，导致透过不同区域落在像平面上的电子数不同，对应各个区域的图像的明暗不同，形成的衬度。 衍射衬度：由于样品中的不同晶体或同一晶体中不同部位的位向差异导致产生衍射程度不同而形成各区域图像亮度的差异，形成的衬度。 相位衬度：电子束透过样品，试样中原子核和核外电子产生的库伦场导致电子波的相位发生变化，样品中不同微区对相位变化作用不同，把相应的相位的变化情况转变为相衬度，称为相位衬度。 物镜聚焦方面的不同：透射电子束和至少一个衍射束同时通过物镜光阑成像时，透射束和衍射束相互干涉形成反应晶体点阵周期的条纹成像或点阵像或结构物象，这种相位衬度图像的形成是透射束和衍射束相干的结果，而衍射衬度成像只用透射束或者衍射束成像。
材料现代分析方法试题4（参考答案） 一、基本概念题（共10题，每题5分） 1．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片 答：实验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2~6（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。 选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片， 以滤掉K β线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。 以分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，同时选用Fe和Mn 为滤波片。 2．试述获取衍射花样的三种基本方法及其用途？ 答：获取衍射花样的三种基本方法是劳埃法、旋转晶体法和粉末法。劳埃法主要用于分析晶体的对称性和进行晶体定向；旋转晶体法主要用于研究晶体结构；粉末法主要用于物相分析。 3．原子散射因数的物理意义是什么？某元素的原子散射因数与其原子序数有何关系？ 答：原子散射因数f 是以一个电子散射波的振幅为度量单位的一个原子散射波的振幅。也称原子散射波振幅。它表示一个原子在某一方向上散射波的振幅是一个电子在相同条件下散射波振幅的f倍。它反映了原子将X射线向某一个方向散射时的散射效率。 原子散射因数与其原子序数有何关系，Z越大，f 越大。因此，重原子对X射线散射的能力比轻原子要强。 4．用单色X射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成什么图案？为摄取德拜图相，应当采用什么样的底片去记录？ 答：用单色X射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成一组锥心角不等的圆锥组成的图案；为摄取德拜图相，应当采用带状的照相底片去记录。
Ｘ射线：波长很短的电磁波 特征Ｘ射线：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。 连续Ｘ射线：是具有连续变化波长的X射线，也称多色X射线。 荧光Ｘ射线：当入射的X射线光量子的能量足够大时，可以将原子内层电子击出，被打掉了内层的受激原子将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线 二次特征辐射：利用X射线激发作用而产生的新的特征谱线 Ka辐射：电子由L层向K层跃迁辐射出的K系特征谱线 相干辐射：X射线通过物质时在入射电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，称为相干散射 非相干辐射：散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，故这种散射是不相干的 俄歇电子：原子中一个K层电子被激发出以后，L层的一个电子跃迁入K层填补空白，剩下的能量不是以辐射 原子散射因子：为评价原子散射本领引入系数f (f≤E)，称系数f为原子散射因子。他是考虑了各个电子散射波的位相差之后原子中所有电子散射波合成的结果 结构因子：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响 多重性因素：同一晶面族{ hkl}中的等同晶面数 系统消光：原子在晶体中位置不同或种类不同引起某些方向上衍射线消失的现象 吸收限 1 x射线的定义性质连续X射线和特征X射线的产生 X射线是一种波长很短的电磁波 X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。对动物有机体能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。 连续X射线根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。 特征X射线处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。 2 x 射线方向理论布拉格方程和艾瓦尔德图解 3 试述解决X射线衍射方向问题常用方法有哪些并进行比较 4 简述材料研究X射线试验方法在材料研究中的主要应用 精确测定晶体的点阵常数物相分析宏观应力测定测定单晶体位相测定多晶的织够问题 5 试推导布拉格方程，解释方程中各符号的意义并说明布拉格方程的应用 假设： 1）晶体视为许多相互平行且d相等的原子面 2）X射线可照射各原子面 3）入射线、反射线均视为平行光 一束波长为λ的平行X射线以θ照射晶体中晶面指数为(hkl)的各原子面，各原子面产生反射。 当Ⅹ射线照射到晶体上时，考虑一层原子面上散射Ⅹ射线的干涉。 当Ⅹ射线以θ角入射到原子面并以θ角散射时，相距为a的两原子散射x射的光程差为： 即是说，当入射角与散射角相等时，一层原子面上所有散射波干涉将会加强。与可见光的反射定律相类似，Ⅹ射线从一层原子面呈镜面反射的方向，就是散射线干涉加强的方向，因此，常将这种散射称
实验一：显微镜的操作与金相组织观察 一、实验目的： 1. 了解掌握普通光学金相显微镜基本原理。 2. 掌握普通光学金相显微镜基本操作。 3. 分辨已制备好的标准试祥组织。 二、实验设备及材料： 1. 台式金相显微镜； 2. 已制备好的标准试祥。 三、实验内容： 1. 掌握金相显微镜的使用方法。 2. 观察标准试样的组织，调整粗调及微调手轮，掌握显微镜的聚焦方法 3. 分别调整视场光栏和孔径光栏，观察其对显微镜分辨率的影响规律。 4. 调整物镜与目镜的匹配，理解有效放大倍数。 5. 分别用100X及400X观察标准试祥组织，并描绘示意图。 四、实验报告要求： 1. 实验目的 2. 实验设备及材料 3. 实验内容 4. 讨论 (1)简述金相显微镜的放大原理。 (2)简述影响显微镜成像质量的因素有哪些。 (3)如何提高显微镜的分辨率。 (4)画出观察组织的示意图。示意图按统一规格画，并用箭头标明各组织
材料： 放大倍数: 实验二：金相试样制备技术 一、实验目的： 1. 了解试样的制备原理，熟悉制备过程。 2. 初步掌握显微试样的制备方法。 二、实验设备及材料： 砂轮机、抛光机、加工好的碳钢试样、砂纸、抛光膏、无水乙醇、浓硝酸。 三、实验内容 1. 每人制备一块碳钢的金相显微试样，按照下面步骤：砂轮机粗磨 T 砂纸从粗到细磨 制f 机械抛光f 化学腐蚀。 2. 观察金相制备试样，分析所制备试样存在的缺陷。 四、实验报告要求： 1. 实验目的 2. 实验设备及材料 3. 实验内容 4. 讨论 （1） 简述金相试样的制备原理和过程。 （2） 分析试样制备过程中出现缺陷的原因， 结合自己试样中的缺陷讨论如何制备出高质 量的显微试样 编号: 组织:
一、单项选择题（每题 2 分，共10 分） 3．表面形貌分析的手段包括【 d 】 （a）X 射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）(b) SEM 和透射电镜（TEM） (c) 波谱仪（WDS）和X 射线光电子谱仪（XPS）(d) 扫描隧道显微镜（STM）和 SEM 4．透射电镜的两种主要功能：【b 】 （a）表面形貌和晶体结构（b）内部组织和晶体结构 （c）表面形貌和成分价键（d）内部组织和成分价键 二、判断题（正确的打√，错误的打×，每题2 分，共10 分） 1．透射电镜图像的衬度与样品成分无关。（×）2．扫描电镜的二次电子像的分辨率比背散射电子像更高。（√）3．透镜的数值孔径与折射率有关。（√）4．放大倍数是判断显微镜性能的根本指标。（×）5．在样品台转动的工作模式下，X射线衍射仪探头转动的角速度是样品转动角 速度的二倍。（√） 三、简答题（每题5 分，共25 分） 1. 扫描电镜的分辨率和哪些因素有关？为什么? 和所用的信号种类和束斑尺寸有关，因为不同信号的扩展效应不同，例如二次电子产生的区域比背散射电子小。束斑尺寸越小，产生信号的区域也小，分辨率就高。 1．透射电镜中如何获得明场像、暗场像和中心暗场像？ 答：如果让透射束进入物镜光阑，而将衍射束挡掉，在成像模式下，就得到明场象。如果把物镜光阑孔套住一个衍射斑，而把透射束挡掉，就得到暗场像，将入射束倾斜，让某一衍射束与透射电镜的中心轴平行，且通过物镜光阑就得到中心暗场像。 2．简述能谱仪和波谱仪的工作原理。 答：能量色散谱仪主要由Si(Li)半导体探测器、在电子束照射下，样品发射所含元素的荧光标识X 射线，这些X 射线被Si(Li)半导体探测器吸收，进入探测器中被吸收的每一个X 射线光子都使硅电离成许多电子—空穴对，构成一个电流脉冲，经放大器转换成电压脉冲，脉冲高度与被吸收的光子能量成正比。最后得到以能量为横坐标、强度为纵坐标的X 射线能量色散谱。 在波谱仪中，在电子束照射下，样品发出所含元素的特征x 射线。若在样品上方水平放置一块具有适当晶面间距 d 的晶体，入射X 射线的波长、入射角和晶面间距三者符合布拉格方程时，这个特征波长的X 射线就会发生强烈衍射。波谱仪利用晶体衍射把不同波长的X 射线分开，即不同波长的X 射线将在各自满足布拉格方程的2θ方向上被检测器接收，最后得到以波长为横坐标、强度为纵坐标的X射线能量色散谱。 3．电子束与试样物质作用产生那些信号？说明其用途。 （1）二次电子。当入射电子和样品中原子的价电子发生非弹性散射作用时会损失其部分能量(约30～50 电子伏特)，这部分能量激发核外电子脱离原子，能量大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。 （2）背散射电子。背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子。既包括与样品中原子核作用而形成的弹性背散射电子，又包括与样品中核外电子作用而形成的非弹性散射电子。利用背反射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，进行定性成分分析。 （3）X 射线。当入射电子和原子中内层电子发生非弹性散射作用时也会损失其部分能量(约
材料专业实验报告 题目：扫描电镜(SEM)物相分析实验学院：先进材料与纳米科技学院专业：材料物理与化学 姓名： 学号：1514122986 2016年6月30日
扫描电镜(SEM)物相分析实验 一．实验目的 1.了解扫描电镜的基本结构与原理 2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法 3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像 4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法 二．实验原理 1.扫描电镜的工作原理 扫描电镜（SEM）是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。 本次实验中主要通过观察背散射电子像及二次电子像对样品进行分析表征。 1）背散射电子 背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。弹性背反射电子是指被样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度。背反射电子产额和二次电子产额与原子序数的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背反射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬
材料分析方法 1．x射线是一种波长很短的电磁波，具有波粒二相性，粒子性往往表现突出，故x射线也可视为一束具有一定能量的光量子流。X射线有可见光无可比拟的穿透能力，可使荧光物质发光，可使气体或其它物质电离等。 2．相干散射：亦称经典散射，物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。 3．不相干散射：亦称量子散射，X射线光子与束缚力不大的外层电子，或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。 4．吸收限：物质原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降，但随着波长的的降低，质量吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。 5．荧光辐射：由入射X射线所激发出来的特征X射线称为荧光辐射（荧光X 射线，二次X射线）。 6．俄歇效应：由于光电效应而处于激发态的原子还有一种释放能量的方式，及俄歇效应。原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子放出，而是以另一个L层电子活的能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子。 7．光电子：当入射光量子的能量等于或大于吸收体原子某壳体层电子的结合能时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，称为光电子。原子则处于激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应。8．滤波片的作用：滤波片是利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成的，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的光源。 9．布拉格方程只是获得衍射的必要条件而非充分条件。 10．晶面（hkl）的n级反射面（nh nk nl），用符号（HKL）表示，称为反射面或干涉面。 11．掠射角是入射角（或反射角）与晶面的夹角，可表征衍射的方向。 12．衍射极限条件：在晶体中，干涉面的划取是无极限的，但并非所有的干涉面均能参与衍射，因存在关系dsinθ=λ/2,或d>=λ/2,说明只有间距大于或等于X 射线半波长的那些干涉面才能参与反射。 13．劳埃法：采用连续X射线照射不动的单晶体，因为X射线的波长连续可变，故可从中挑选出其波长满足布拉格关系的X射线使产生衍射。 14．周转晶体法：采用单色X射线照射转动的单晶体，并用一张以旋转轴为轴的圆筒形底片来记录。 15．粉末法：采用单色X射线照射多晶体，试样是由数量众多、取向混乱的微晶体组成。 16．吸收因数：由于试样本身对X射线的吸收，使衍射强度的实测值与计算值不符，为了修正这一影响，则在强度公式中乘以吸收因数。 17．温度因数：原子热振动使晶体点阵原子排列的周期性受到破坏，使得原来严格满足布拉格条件的相干散射产生附加的相差，从而使衍射强度减弱。为修正实验温度给衍射强度带来的影响，需要在积分强度公式中乘以温度因数。
西南科技大学 材料科学与工程学院 教师教案 教师姓名：张宝述 课程名称：材料现代分析测试方法 课程代码：11319074 授课对象：本科专业：材料物理 授课总学时：64 其中理论：64 实验：16（单独开课） 教材：左演声等. 材料现代分析方法. 北京工业大 学出版社，2000 材料学院教学科研办公室制
2、简述X射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。 章节名称第三章粒子（束）与材料的相互作用 教学 时数 2 教学目的及要求1．理解概念：（电子的）最大穿入深度、连续X射线、特征X射线、溅射；掌握概念：散射角（2 ）、电子吸收、二次电子、俄歇电子、背散射电子、吸收电流（电子）、透射电子、二次离子。 2．了解物质对电子散射的基元、种类及其特征。 3．掌握电子与物质相互作用产生的主要信号及据此建立的主要分析方法。 4．掌握二次电子的产额与入射角的关系。 5．掌握入射电子产生的各种信息的深度和广度范围。 6．了解离子束与材料的相互作用及据此建立的主要分析方法。 重点难点重点：电子的散射，电子与固体作用产生的信号。难点：电子与固体的相互作用，离子散射，溅射。 教学内容提要 第一节电子束与材料的相互作用 一、散射 二、电子与固体作用产生的信号 三、电子激发产生的其它现象第二节离子束与材料的相互作用 一、散射 二、二次离子 作业一、教材习题 3-1电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图3-3），哪些对应入射电子？哪些是由电子激发产生的？ 图3-3入射电子束与固体作用产生的发射现象 3-2电子“吸收”与光子吸收有何不同？ 3-3入射X射线比同样能量的入射电子在固体中穿入深度大得多，而俄歇电子与X光电子的逸出深度相当，这是为什么？ 3-8配合表面分析方法用离子溅射实行纵深剖析是确定样品表面层成分和化学状态的重要方法。试分析纵深剖析应注意哪些问题。 二、补充习题 1、简述电子与固体作用产生的信号及据此建立的主要分析方法。 章节第四章材料现代分析测试方法概述教学 4
预测分析表方法 一、实验目的 理解预测分析表方法的实现原理。 二、实验内容： 编写一通用的预测法分析程序，要求有一定的错误处理能力，出错后能够使程序继续运行下去，直到分析过程结束。可通过不同的文法（通过数据表现）进行测试。 三、实验步骤 1．算法数据构造： 构造终结符数组：char Vt[10][5]={“id”,”+”……}； 构造非终结符数组：char Vn[10]={ }; 构造follow集数组：char *follow[10][10]={ } (可将follow集与预测分析表合并存放) 数据构造示例（使用的预测分析表构造方法1）： /*data1.h简单算术表达式数据*/ char VN[10][5]={"E","E'","T","T'","F"}; //非终结符表 int length_vn=5; //非终结符的个数 char VT[15][5]={"id","+","*","(",")","#"}; //终结符表 int length_vt=6; //终结符的个数 char Fa[15][10]={"TE'","+TE'","","FT'","*FT'","","(E)","id"}; //产生式表:0:E->TE' 1:E'->+TE' 2:E'->空 // 3:T->FT' 4:T'->*FT' 5:T'->空 6:F->(E) 7:F->id int analysis_table[10][11]={0,-1,-1,0,-2,-2,0,0,0,0,0, -1,1,-1,-1,2,2,0,0,0,0,0, 3,-2,-1,3,-2,-2,0,0,0,0,0, -1,5, 4,-1,5, 5,0,0,0,0,0, 7,-2,-2,6,-2,-2,0,0,0,0,0}; //预测分析表,-1表示出错，-2表示该行终结符的follow集合，用于错误处理，正数表示产生式在数组Fa 中的编号，0表示多余的列。 （1）预测分析表的构造方法1 给文法的正规式编号：存放在字符数组中，从0开始编号，正规式的编号即为该正规式在数组中对应的下标。如上述Fa数组表示存储产生式。 构造正规式数组：char P[10][10]={“E->TE’”,”E’->+TE’”,……..}; (正规式可只存储右半部分，如E->TE’可存储为TE’，正规式中的符号可替换，如可将E’改为M ) 构造预测分析表：int analyze_table[10][10]={ } //数组元素值存放正规式的编号，-1表示出错 （2）预测分析表的构造方法2 可使用三维数组 Char analyze_table[10][10][10]={ }
1. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足什么公式？写出数学表达式，并说明d、θ、λ的意义。（5分） 答：. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足布拉格公式。（1分）其数学表达式：2dsinθ=λ（1分）其中d是晶体的晶面间距。（1分）θ是布拉格角，即入射线与晶面间的交角。（1分）λ是入射X 射线的波长。（1分） 4. 二次电子是怎样产生的？其主要特点有哪些？二次电子像主要反映试样的什么特征？用什么衬度解释？该衬度的形成主要取决于什么因素？（6分） 答：二次电子是单电子激发过程中被入射电子轰击出的试样原子核外电子。（1分） 二次电子的主要特征如下： （1）二次电子的能量小于50eV，主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高。（1分） （2）二次电子发射系数δ与入射束的能量有关，在入射束能量大于一定值后，随着入射束能量的增加，二次电子的发射系数减小。（1分） （3）二次电子发射系数δ和试样表面倾角θ有关：δ(θ)=δ0/cosθ（1分） （4）二次电子在试样上方的角分布，在电子束垂直试样表面入射时，服从余弦定律。（1分） 二此电子像主要反映试样表面的形貌特征，用形貌衬度来解释，形貌衬度的形成主要取决于试样表面相对于入射电子束的倾角。（1分） 2. 布拉格角和衍射角： 布拉格角：入射线与晶面间的交角，（1.5 分） 衍射角：入射线与衍射线的交角。（1.5 分） 3. 静电透镜和磁透镜： 静电透镜：产生旋转对称等电位面的电极装置即为静电透镜，（1.5 分） 磁透镜：产生旋转对称磁场的线圈装置称为磁透镜。（1.5 分） 4. 原子核对电子的弹性散射和非弹性散射： 弹性散射：电子散射后只改变方向而不损失能量，（1.5 分） 非弹性散射：电子散射后既改变方向也损失能量。（1.5 分） 二、填空（每空1 分，共20 分） 1. X 射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 2.扫描仪的工作方式有连续扫描和步进扫描两种。 3. 在X 射线衍射物相分析中，粉末衍射卡组是由粉末衍射标准联合 委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF 卡片。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5.透射电子显微镜的结构分为光学成像系统、真空系统和电气系统。 1. X射线管中，焦点形状可分为点焦点和线焦点，适合于衍射仪工作的是线焦点。 2. 在X 射线物象分析中，定性分析用的卡片是由粉末衍射标准联合委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF(或ASTM) 卡片。 3. X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5. 电子探针是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析。 二、选择题（多选、每题4 分） 1. X射线是（ A D ） A. 电磁波； B. 声波； C. 超声波； D. 波长为0.01~1000?。 2. 方程2dSinθ=λ叫（ A D ） A. 布拉格方程； B. 劳厄方程； C. 其中θ称为衍射角； D. θ称为布拉格角。 3. 下面关于电镜分析叙述中正确的是（ B D ） A. 电镜只能观察形貌； B. 电镜可观察形貌、成分分析、结构分析和物相鉴定； C．电镜分析在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，与分辨率无关； D．电镜在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，分辨率高。
材料现代分析方法北京工业大学 篇一：13103105-材料现代分析方法 《材料现代分析方法》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：13103105 课程类别：专业核心课程 适应专业：材料物理 总学时：54学时 总学分:3 课程简介： 本课程介绍材料微观形貌、结构及成分的分析与表面分析技术主要方法及基本技术，简单介绍光谱分析方法。包括晶体X射线衍射、电子显微分析、X射线光电子谱仪、原子光谱、分子光谱等分析方法及基本技术。 授课教材：《材料分析测试方法》，黄新民解挺编，国防工业出版社，20XX年。 参考书目： [1]《现代物理测试技术》，梁志德、王福编，冶金工业出版社，20XX 年。 [2]《X射线衍射分析原理与应用》，刘粤惠、刘平安编，化学工业出
版社，20XX年。 [3]《X射线衍射技术及设备》，丘利、胡玉和编，冶金工业出版社，20XX年。 [4]《材料现代分析方法》，左演声、陈文哲、梁伟编，北京工业大学出版社，20XX年。 [5]《材料分析测试技术》，周玉、武高辉编，哈尔滨工业大学出版社，2000年。 [6]《材料结构表征及应用》，吴刚编，化学工业出版社，20XX年。 [7]《材料结构分析基础》，余鲲编，科学出版社，20XX年。 二、课程教育目标 通过学习，了解X射线衍射仪及电子显微镜的结构，掌握X-射线衍射及电子显微镜的基本原理和操作方法，了解试样制备的基本要求及方法，了解材料成分的分析与表面分析技术的主要方法及基本技术，了解光谱分析方法，能够利用上述相关仪器进行材料的物相组成、显微结构、表面分析研究。学会运用以上技术的基本方法，对材料进行测试、计算和分析，得到有关微观组织结构、形貌及成分等方面的信息。 三、教学内容与要求 第一章X射线的物理基础 教学重点：X射线的产生及其与物质作用原理 教学难点：X射线的吸收和衰减、激发限 教学时数：2学时
《现代材料分析方法》期末试卷1 一、单项选择题（每题 2 分，共10 分） 1．成分和价键分析手段包括【b 】 （a）WDS、能谱仪（EDS）和XRD （b）WDS、EDS 和XPS （c）TEM、WDS 和XPS （d）XRD、FTIR 和Raman 2．分子结构分析手段包括【 a 】 （a）拉曼光谱（Raman）、核磁共振（NMR）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）（b）NMR、FTIR 和WDS （c）SEM、TEM 和STEM（扫描透射电镜）（d）XRD、FTIR 和Raman 3．表面形貌分析的手段包括【 d 】 （a）X 射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）(b) SEM 和透射电镜（TEM） (c) 波谱仪（WDS）和X 射线光电子谱仪（XPS）(d) 扫描隧道显微镜（STM）和 SEM 4．透射电镜的两种主要功能：【b 】 （a）表面形貌和晶体结构（b）内部组织和晶体结构 （c）表面形貌和成分价键（d）内部组织和成分价键 5．下列谱图所代表的化合物中含有的基团包括：【 c 】 （a）–C-H、–OH 和–NH2 (b) –C-H、和–NH2, (c) –C-H、和-C=C- (d) –C-H、和CO 二、判断题（正确的打√，错误的打×，每题2 分，共10 分） 1．透射电镜图像的衬度与样品成分无关。（×）2．扫描电镜的二次电子像的分辨率比背散射电子像更高。（√）3．透镜的数值孔径与折射率有关。（√）
4．放大倍数是判断显微镜性能的根本指标。（×）5．在样品台转动的工作模式下，X射线衍射仪探头转动的角速度是样品转动角 速度的二倍。（√） 三、简答题（每题5 分，共25 分） 1. 扫描电镜的分辨率和哪些因素有关？为什么? 和所用的信号种类和束斑尺寸有关，因为不同信号的扩展效应不同，例如二次电子产生的区域比背散射电子小。束斑尺寸越小，产生信号的区域也小，分辨率就高。 2．原子力显微镜的利用的是哪两种力，又是如何探测形貌的？ 范德华力和毛细力。 以上两种力可以作用在探针上，致使悬臂偏转,当针尖在样品上方扫描时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。 3.在核磁共振谱图中出现多重峰的原因是什么？ 多重峰的出现是由于分子中相邻氢核自旋互相偶合造成的。在外磁场中，氢核有两种取向，与外磁场同向的起增强外场的作用，与外磁场反向的起减弱外场的作用。根据自选偶合的组合不同，核磁共振谱图中出现多重峰的数目也有不同，满足“n+1”规律 4．什么是化学位移，在哪些分析手段中利用了化学位移？ 同种原子处于不同化学环境而引起的电子结合能的变化，在谱线上造成的位移称为化学位移。在XPS、俄歇电子能谱、核磁共振等分析手段中均利用化学位移。 5。拉曼光谱的峰位是由什么因素决定的, 试述拉曼散射的过程。 拉曼光谱的峰位是由分子基态和激发态的能级差决定的。在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，使一部分处于基态的分子跃迁到激发态，则散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可以检测到频率为（ν0 - Δν)的谱线，称为斯托克斯线。相反，若光子从样品激发态分子中获得能量，样品分子从激发态回到基态，则在大于入射光频率处可测得频率为（ν0 + Δν)的散射光线，称为反斯托克斯线 四、问答题（10 分） 说明阿贝成像原理及其在透射电镜中的具体应用方式。 答：阿贝成像原理（5 分）：平行入射波受到有周期性特征物体的散射作用在物镜的后焦面上形成衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。在透射电镜中的具体应用方式（5 分）。利用阿贝成像原理，样品对电子束起散射作用，在物镜的后焦面上可以获得晶体的衍射谱，在物镜的像面上形成反映样品特征的形貌像。当中间镜的物面取在物镜后焦面时, 则将衍射谱放大，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样；当中间镜物面取在物镜的像面上时，则将图像进一步放大,这就是电子显微镜中的成像操作。 五、计算题（10 分） 用Cu KαX 射线（λ=0.15405nm）的作为入射光时，某种氧化铝的样品的XRD 图谱如下，谱线上标注的是2θ的角度值，根据谱图和PDF 卡片判断该氧化铝的类型，并写出XRD 物相分析的一般步骤。 答：确定氧化铝的类型（5 分） 根据布拉格方程2dsinθ=nλ，d=λ/(2sinθ) 对三强峰进行计算：0.2090nm,0.1604nm,0.2588nm,与卡片10-0173 α-Al2O3 符合，进一步比对其他衍射峰的结果可以确定是α-Al2O3。 XRD 物相分析的一般步骤。（5 分） 测定衍射线的峰位及相对强度I/I1： 再根据2dsinθ=nλ求出对应的面间距 d 值。 (1) 以试样衍射谱中三强线面间距d 值为依据查Hanawalt 索引。
力学与材料学院 材料现代分析方法实验报告二 XRD图谱分析 专业年级：1 姓名：1 指导老师：1 学号：1 2016年12月 中国南京 目录 实验名称：XRD图谱分析…………………………………………… 一、实验目的……………………………………………………
二、实验要求…………………………………………………… 三、操作过程…………………………………………………… 四、结果分析与讨论……………………………………………… 实验名称：XRD图谱分析 一、实验目的 了解XRD基本原理及其应用，不同物相晶体结构XRD图谱的区别，熟练掌握如何来分析利用X射线测试得到的XRD图谱。 二、实验要求
1、熟练掌握如何来利用软件打开、分析XRD图谱，以及输出分析结果。 2、明确不同物质的XRD图谱，掌握XRD图谱包含的晶体结构的关系，通过自己分析、数据查找和鉴别的全过程，了解如何利用软件正确分析和确定不同物相的XRD图谱，并输出分析结果。 3、实验报告的编写，要求报告能准确的反映实验目的、方法、过程及结论。 三、操作过程 1、启动Jade 6.0，并打开实验数据。 2、点击图标使图谱平滑后，再连续两次点击图标扣除背景影响。 3、右击工具栏中的图标，全选左侧的项目，取消选择右侧中的Use Chemistry Filter，最后在下方选择S/M Focus on Major Phases（如图一），并点击OK。 图一
4、得到物相分析，根据FOM值（越小，匹配性越高）可推断出该物相为以ZnO为主，可能含有CaF2、Al2O3、Mg(OH)2混合组成的物质（如图二），双击第一种物质可以得到主晶相的PDF卡片（如图三），点击图三版面中的Lines可以观察到不同角度处的衍射强度（如图四）。 图二
材料现代分析方法试题7（参考答案） 一、基本概念题（共10题，每题5分） 1．欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？ 答：欲使Cu 样品产生荧光X 射线辐射，V =1240/λCu=1240/0.15418=8042，V =1240/λCu=1240/0.1392218=8907 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 2．判别下列哪些晶面属于[-111]晶带：（-1-10），（-2-31），（231），（211），（-101），（1-33），（1-12），（1-32），（0- 11），（212）。 答：（-1-10）（321）、（211）、（1-12）、（-101）、（0-11）晶面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。答：（-1-10）（321）、（211）、（1-12）、（-101）、（0-11）晶面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。 3．用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成什么图案？为摄取德拜图相，应当采用什么样的底片去记录？ 答：用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成一组锥心角不等的圆锥组成的图案；为摄取德拜图相，应当采用带状的照相底片去记录。 4．洛伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？ 答：洛伦兹因数是表示掠射角对衍射强度的影响。洛伦兹因数表达式是综合了样品中参与衍射的晶粒大小，晶粒的数目和衍射线位置对衍射强度的影响。 5．给出简单立方、面心立方、体心立方以及密排六方晶体结构电子衍射发生消光的晶面指数规律。 答：常见晶体的结构消光规律 简单立方 对指数没有限制（不会产生结构消光） f. c. c h. k. L. 奇偶混合 b. c. c h+k+L=奇数 h. c. p h+2k=3n, 同时L=奇数 体心四方 h+k+L=奇数 6．透射电镜的成像系统的主要构成及特点是什么? k k k V eV hc 24.1==λk eV hc ≤λ
第一章 1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？ 答：X射线学分为三大分支：X射线透射学、X射线衍射学、X射线光谱学。 X射线透射学的研究对象有人体，工件等，用它的强透射性为人体诊断伤病、用于探测工件内部的缺陷等。 X射线衍射学是根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化的相关的各种问题。 X射线光谱学是根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。 2. 试计算当管电压为50 kV时，X射线管中电子击靶时的速度与动能，以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大能量是多少？ 解：已知条件：U=50kV 电子静止质量：m0=9.1×10-31kg 光速：c=2.998×108m/s 电子电量：e=1.602×10-19C 普朗克常数：h=6.626×10-34J.s 电子从阴极飞出到达靶的过程中所获得的总动能为： E=eU=1.602×10-19C×50kV=8.01×10-18kJ 由于E=1/2m0v02 所以电子击靶时的速度为： v0=(2E/m0)1/2=4.2×106m/s 所发射连续谱的短波限λ0的大小仅取决于加速电压： λ0（?）＝12400/U(伏) ＝0.248? 辐射出来的光子的最大动能为： E0＝hv＝h c/λ0＝1.99×10-15J 3. 说明为什么对于同一材料其λK<λKβ<λKα? 答:导致光电效应的X光子能量＝将物质K电子移到原子引力范围以外所需作的功hV k = W k 以kα为例: hV kα = E L– E k
h e = W k – W L = hV k – hV L ∴h V k > h V k α∴λk<λk α以k β 为例:h V k β = E M – E k = W k – W M =h V k – h V M ∴ h V k > h V k β∴ λk<λk βE L – E k < E M – E k ∴hV k α < h V k β∴λk β < λk α 4. 如果用Cu 靶X 光管照相，错用了Fe 滤片，会产生什么现象？ 答：Cu 的K α1,K α2, K β线都穿过来了，没有起到过滤的作用。 5. 特征X 射线与荧光X 射线的产生机理有何不同？某物质的K 系荧光X 射线波长是否等于它的K 系特征X 射线波长？ 答：特征X 射线与荧光X 射线都是由激发态原子中的高能级电子向低能级跃迁时，多余能 量以X 射线的形式放出而形成的。不同的是：高能电子轰击使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是特征X 射线；以 X 射线轰击，使原子处于激发态，高能级电子回迁释放 的是荧光X 射线。某物质的K 系特征X 射线与其K 系荧光X 射线具有相同波长。6. 连续谱是怎样产生的？其短波限 与某物质的吸收限 有何不同（V 和 V K 以kv 为单位）？ 答：当X 射线管两极间加高压时，大量电子在高压电场的作用下，以极高的速度向阳极轰 击，由于阳极的阻碍作用，电子将产生极大的负加速度。根据经典物理学的理论，一个带 负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电 磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X 射线谱。 在极限情况下，极少数的电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这 个光量子便具有最高能量和最短的波长，即短波限。连续谱短波限只与管压有关，当固定