材料研究与测试方法复习剖析..ppt

第一章 x射线衍射分析,第一节. X射线的性质,X射线的性质,（１）、 X射线和可见光一样属于电磁辐射，X射线的本质是 电磁波，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102A(0.001~10nm)的范围X射线的频率大约是可见光的103倍(390~770nm)，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性 用于结构分析和成分分析的一般为硬射线(0.05~0.25nm)，用于医学透视的为软射线特征本质,,X射线的本质是 电磁波 ， X射线衍射方向是指 相邻波源所散射的X射线光程差等于X光波长的整数倍的方向 X射线谱,X射线谱,X射线谱,X射线谱,,特征X射线的相对强度主要是由电子在各能级之间的跃迁几率决定的L层与K层较近，所以L层上的电子回跳几率大：,X射线产生机理,X射线谱,,,K在所有X射线发射谱线中强度最大，一般都是用它（如CuK、MoK等射线等）进行X射线谱研究其它线系由于能量弱(波长长)、强度低，一般不用X射线产生机理,X射线谱,相干散射,相干散射又称弹性散射（X射线与原子的内层电子作用），散射波的波长与入射光的相同，散射波之间发生干涉作用，是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。

非相干散射,非相干散射又称非弹性散射（与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞，电子获得一部分动能成为反冲电子），散射波不仅改变方向，能量也变小（频率变小）康普顿效应,,X射线衍射方向：相邻波源所散射的X射线光程差等于X光波长的整数倍的方向 衍射的方向,一个衍射花样的特征由两个方面组成：,衍射线在空间的分布规律（由晶胞的大小、形状和位向决定）；,衍射线束的强度（取决于原子在晶胞中的位置）衍射的概念,波长为λ的X射线投射到一组平行原子面上，任选两个相邻原子面，经两个原子面反射的反射波光程差为：,,干涉加强的条件为：,,式中n：反射级数；θ：入射线（反射线）与反射面的夹角，称为掠射角或半衍射角；2θ：衍射角，即入射线与衍射线的夹角Bragg方程,上式反映了衍射线方向与晶体结构之间的关系，是X射线在晶体中产生衍射必须满足的基本条件，称为布拉格方程Bragg方程,1)选择反射,,,,说明当d和λ一定时，衍射线的数目是一定的，只能在几个方向“反射”X射线，称选择反射Bragg方程的讨论,衍射的实质是散射波之间的干涉结果，由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射线的反射，所以可以借用镜面反射规律来描述X射线的衍射。

但是X射线的原子面反射和可见光的镜面反射不同一束可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射Bragg方程的讨论,而原子面对X射线的衍射并不是任意的，而是具有选择性的：一组面网只能在一定的角度上反射X射线，级次越高，衍射角越大Bragg方程的讨论,例1： Al，面心立方，已知a=0.405nm，用,线照射，问(111)面网组能产生几条衍射线？ 解：,n=1,2,3 能产生三条衍射线,面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，而是为了简化布拉格方程而引入的反射面，我们把这样的反射面称为干涉面把干涉面的面指数称为干涉指数，通常用大写的HKL来表示真实晶面,真实晶面,,,,,,,,根据晶面指数的定义可以得出干涉指数与晶面指数之间的关系为：,差别是干涉指数中有公约数，而晶面指数没有公约数若干涉指数也没有公约数，它就代表一族真实的晶面Bragg方程的讨论,而相对强度是指两衍射峰之间的强度比一般以最强峰的强度作为100来标定其它衍射峰某一衍射线的总强度，相当于其衍射峰的面积，称为积分强度或累积强度，它近似等于衍射峰的峰高度Im与峰的半高宽b的乘积积分强度(累积强度),,１．绝对强度－－是以单位时间内单位面积通过的能量来表示的（通常不用） ２．积分（累积）强度－－某一种面网“反射”Ｘ射线的总数目－－用于定量分析、结构分析。

每个衍射峰下的积分面积该衍射束在单位时间内投射到探测器上的总能量 ３．相对强度－－指同一衍射图象中各衍射线强度的比值－－用于定性分析,（一）、衍射强度的表示,为此，需要引入一个称为结构因子FHKL的参量来表征单胞的相干散射与单电子散射之间的对应关系：,,一般表达式为：,点阵常数并没有参与结构因子的计算，说明结构因子只与 原子的种类 和原子在晶胞中的位置 有关，而不受晶胞的 形状和 大小 的影响例如，不论是立方晶系、正方晶系还是斜方晶系的体心晶胞的系统消光规律都是相同的由此可见，系统消光规律的适用性广泛，可反映布拉菲点阵的衍射点出现的规律X射线衍射线的强度,系统消光 在复杂阵胞中，由于面心或体心上有附加阵点，会使某些(HKL)反射的FHKL=0虽然这些方向仍然满足衍射条件，但由于衍射强度等于零而观测不到衍射线可见，产生衍射的充分条件是：同时满足布拉格方程和FHKL0X射线衍射线的强度,把由于FHKL=0而使衍射线消失的现象称为系统消光系统消光包括点阵消光和结构消光点阵消光 在复杂点阵中，由于面心或体心上有附加阵点而引起FHKL=0，称为点阵消光通过结构因子可以总结出四种布拉菲点阵类型的点阵消光规律。

X射线衍射线的强度,结构消光 对那些由两类以上等同点构成的复杂晶体结构，除遵循它们所属的布拉菲点阵消光外，还有附加的消光条件，称为结构消光X射线衍射线的强度,四种基本类型点阵的系统消光规律,X射线衍射线的强度,是一种按d值编排的数字索引，是鉴定未知物物相时主要使用的索引哈那瓦尔特索引,哈氏数值索引是最早的衍射数据索引，每一种物质以八条最强线的d值(四舍五入到小数点后两位)和相对强度来表征的即首先在2θ90°的线中选三条最强线，假定它们的d值分别为：,,A，B，C表示强度降低的顺序哈氏索引,然后在这三条最强线之外，在所有的线中再选出五条最强线，假设按相对强度由大而小的顺序其对应的d值依次为：,,于是取如下三种排列：,哈氏索引,,,,即后五条线的d值之顺序始终不变，前三条轮番作循环置换这三种排列就是出现于索引中的同一个衍射花样的三个“项”哈氏索引,《Fink Inorganic Index to the Powder Diffraction File》 与哈那瓦尔特索引一样，在芬克索引中，每一标准衍射花样也是以八条最强线的d值来表征的但与哈氏索引不同的是，它在索引中不列出相对强度，也不依靠相对强度来确定八条线的d值在项内的排列顺序。

芬克(Fink)索引,PDF卡片及其索引,Davey-KWIC索引 《Search manuals Alphabetical Listing》 是以物质的单质或化合物的英文名称，按英文字母顺序排列而成的索引戴维索引,PDF卡片及其索引,按矿物英文名称的字母顺序排列名称后面注有“syn”--synthetic者为人造矿物矿物名称索引,PDF卡片及其索引,1）了解样品的基本信息 2）d值比强度重要 3）低角度d值比高角度d值重要 4）强线比弱线重要 5）重视矿物特征峰 6）注意择优取向问题 7）在进行混合物相的鉴定时，应对每种物相逐步分析，争取每条衍射线都能找到出处 8）结合其它分析方法,在进行这种混合物相的鉴定时，应注意优先考虑的问题,注意特征线,,,应优先考虑低角度和较强的衍射线制样一般包括两个步骤： 首先，需把样品研磨成适合衍射 实验用的粉末；然后，把样品粉 末制成有一个十分平整平面的 试片 如图： 衍射仪用粉末试样粒度一般要求能通过300 目的筛子，粉末粒度过粗将导致样品颗粒中能够产生衍射的晶面减少，从而使衍射强度减弱第二章 透射电镜分析,电子与物质的相互作用是一个非常复杂的过程，电子显微术是一种根据电子与物质的相互作用所产生的信息来认识材料的形貌、结构与微区成分的技术。

当电子束轰击样品时，99%以上的入射电子能量转变为热能，余下的约1%能量，将从样品中激发出各种信息透射电镜的基本成象方式及原理,两类图象,,,,,电子衍射花样,衍射成象,——由结构决定,物镜后焦面上形成,电子显微图象,显微成象,——显微形貌、缺陷,物镜象平面上形成,电磁透镜,电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的 由静电场制成的透镜—— 静电透镜 由电磁线圈产生的磁场制成的透镜 —— 磁透镜,点分辨率(点分辨本领)：,定义：电子图像上刚能分辨开的相邻两点在试样上的距离 测量方法： 在照片上量出两个斑点中心之间的距离，除以图像的放大倍数 近代高分辨电镜的点分辨率可达0.3nm线分辨率,定义：指电子图像中能分辨出的最小晶面间距，也称晶格分辨率 如金(200)晶面的间距是0.204 nm，(220)晶面的间距是0.144 nm，在电镜中如能拍摄出金(200)的晶格条纹像，该电镜的线分辨率就是0.204 nm，若能拍摄出金(220)的晶格条纹象，线分辨率就是0.144 nm透射束与散射束相互干涉—— 观察结构,电子散射引起，只 观察形貌,电子衍射引起—— 观察结构缺陷和形貌。

单晶样,多晶样,穿过试样后的电子带有试样特征的信息，但是人的眼睛不能直接感受电子信息，需要将其转变成眼睛敏感的图像图像上明暗(或黑白)的差异称为图像的衬度(反差),衬度形成的原理不同，说明的问题也不同，衬度原理是分析电镜图像的基础透射电镜的图象衬度主要有三种：,散射(质量-厚度)衬度,衍射衬度,相位差衬度,散射衬度的形成,电子显微镜可以使电子束经试样散射后带有的散射信息变成为人眼能观察到的电子图像由于试样上各部位散射能力不同所形成的衬度称为散射衬度，或质量-厚度衬度下图说明了散射衬度形成的原理不锈钢中的 位错线像,明场像,暗场像,散射的衬度与电子被试样散射的程度有关 （1）厚度一定时，试样的密度大（或原子序数大），电子被试样散射的机会多，散射的角度大 大 （2）试样的厚度大，电子在试样中通过的路程越长，被散射的程度大，散射角大 电子被散射的程度与试样的密度、原子序数、厚度有密切关系，也即与试样的质量，与试样的厚度有密切关系，故散射衬度又称之为质厚衬度2）、衍射衬度像基本类型：,明场像 暗场像—— 偏心暗场像 中心暗场像,,,衍射衬度像：是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。

它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的物镜后焦面,,,,,,,,,明场像——用物镜光栏挡去衍射束，让轴向透射束成像，则无衍射的为亮象，强衍射的为暗像物镜光阑,物镜像平面,,物镜,中心暗场像— 采用束偏转装置使透射束偏至光栏孔以外（倾斜照射法）， 而使衍射束通过光栏在像平面成像，即所谓中心暗场法，挡去透射束，让衍射束成像，强衍射亮像，不衍射暗像衍射斑,透射斑,,,,,,物镜光阑,,中心暗场像,物镜后焦面,,,,,,,,,,物镜光阑,偏心暗场像——用物镜光栏挡去透射束及其余衍射束，让一束强衍射束成像，则无衍射的为暗像，强衍射的为亮像偏心暗场像,物镜像平面,电子透镜的缺陷,上面讨论的电子透镜的聚焦成像问题是有条件，即假定： ●轨迹满足旁轴条件 ●速度(决定了电子的波长)完全相同 ●(透镜电磁场)具有理想的轴对称性实际情况与理想条件的偏离，造成了电子透镜的各种象差象差的存在，影响图象的清晰度和真实性，决定了透镜只具有一定的分辨本领，从而限制了电子显微镜的分辨本领,电磁透镜的像差包括球差、像散和色差透射电镜的分辨率,透射电镜的分辨率受衍射效应和像差（主要是球差）两个因素控制，孔径半角α对两个因素的影响作用相反。

成像系统中通过改变中间镜的电流实现成像操作和电子衍射操作碳纳米管,位错衬度,,第三章 扫描电镜分析,扫描电镜,扫描电镜中，在末级透镜上边的 扫描线圈 的作用下，电子束在试样表面扫描SEM的放大倍数定义为电子束 在。