材料测试复习2

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1、2.4X 射线衍射分析方法总结 衍射仪法的特点:试样是平板状 存在两个圆(测角仪圆,聚焦圆) 衍射是那些平行于试样表面的平面提供的 相对强度计算公式不同 接收射线是辐射探测器(正比计数器) 测角仪圆的工作特点:试样与探测器以 1:2 的角速度转动;射线源,试样和探测器三者应始终位于聚焦圆上一.劳厄法: 在衍射实验时，单晶体不动， 采用连续 X 光作入射光束。方法范围 Laue 法 单晶 变化 固定 转晶法 单晶 固定 变化粉晶法 多晶 固定 变化重点学习粉晶法 一、多晶体分析方法粉末法所有衍射法中应用最广的一种方法。它是以单色 X 射线照射粉末试样(真正的粉末或多晶试样 )。 粉末法主要可以分

2、为： 德拜谢乐(Debye-Scherre) 照相法 特点：圆丝状试样，用乳胶片记录衍射据 粉末衍射仪法 特点：用电子探测器记录衍射数据德拜相机 德拜相机结构简单，主要由相机圆筒、光栏、承光管和位于圆筒中心的试样架构成。相机圆筒上下有结合紧密的底盖密封，与圆筒内壁周长相等的底片，圈成圆圈紧贴圆筒内壁安装，并有卡环保证底片紧贴圆筒 相机圆筒常常设计为内圆周长为 180mm 和 360mm，对应的圆直径为 57.3mm 和 114.6mm 。 这样的设计目的是使底片在长度方向上每毫米对应圆心角 2和 1，为将底片上测量的弧形线对距离 2L 折算成2 角提供方便。 德拜法的试样制备 首先，试样必须具

3、有代表性；其次试样粉末尺寸大小要适中，第三是试样粉末不能存在应力 德拜法中的试样尺寸为 0.4-0.8 5-10mm 的圆柱样品。制备方法有：（1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝粘结粉末。 （2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。将粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。 （3）用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出 2-3mm 长作为试样。 德拜法的实验参数选择 根据吸收规律，所选择的阳极靶产生的 X 射线不会被试样强烈地吸收，即 Z 靶 Z 样+1 在确定了靶材后，选择滤波片的原则是： 当 Z 靶 40 时，Z 滤 = Z 靶 - 1； 当 Z 靶 40 时，Z 滤 = Z

4、 靶 2， X 射线衍射仪 X 射线衍射仪的主要组成部分有 X 射线衍射发生装置、测角仪、辐射探测器和测量系统，除主要组成部分外，还有计算机、打印机等。 测角仪 测角仪圆中心是样品台 H。样品台可以绕中心 O 轴转动。平板状粉末多晶样品安放在样品台 H 上，并保证试样被照射的表面与 O 轴线严格重合。 测角仪圆周上安装有 X 射线辐射探测器 D，探测器亦可以绕 O 轴线转动。 工作时，探测器与试样同时转动，但转动的角速度为 2：1 的比例关系。 设计 2:1 的角速度比，样品转过 角，其某组晶面满足 Bragg 条件，探测器必须转动 2 才能感受到衍射线.目的是确保探测的衍射线与入射线始终保持

5、 2 的关系，即入射线与衍射线以试样表示法线为对称轴，在两侧对称分布。 这样辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表示平行的晶面产生的衍射。当然，同样的晶面若不平行与试样表面，尽管也产生衍射，但衍射线进不了探测器，不能被接受。衍射仪中的光路布置 X 射线经线状焦点 S 发出，为了限制 X 射线的发散，在照射路径中加入 S1 梭拉光栏限制 X 射线在垂直方向的发散，加入 DS 发散狭缝光栏限制 X 射线的水平方向的发散度。 试样产生的衍射线也会发散，同样在试样到探测器的光路中也设置防散射光栏 SS、梭拉光栏 S2 和接收狭缝光栏RS，这样限制后仅让聚焦照向探测器的衍射线进入探测器，其余杂散射线均被光

6、栏遮挡。 经过二道光栏限制，入射 X 射线仅照射到试样区域，试样以外均被光栏遮挡。 聚焦圆 当一束 X 射线从 S 照射到试样上的 A、O、B 三点，它们的同一HKL 的衍射线都聚焦到探测器 F。若 S 为光源、F 为聚焦点（光接收光阑） 、 A、O 、B 为反射点（样品表面） ，则各点应在一个圆上，这个圆为聚焦圆。圆周角SAF=SOF=SBF=-2。设测角仪圆的半径为 R，聚焦圆半径为 r，根据图 3-10 的衍射几何关系，可以求得聚焦圆半径 r 与测角仪圆的半径 R 的关系。 在 中，测角仪圆的半径 R 是固定不变的，聚焦圆半径 r 则是随 的改变而变化的。当 0，r ； 90，r rmi

7、n = R/2。 这说明衍射仪在工作过程中，聚焦圆半径 r 是随 的增加而逐渐减小到R/2，是时刻在变化的。 第三章 电子显微分析电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。 方法： 1、透射电镜（ TEM） 2、扫描电镜（ SEM） 3、电子探针（EMPA） 光学显微镜 : 优点： 简单，直观。 局限性：分辨本领低（0.2 微米） ；只能观察表面形貌；不能做微区成分分析。 化学分析 : 优点： 简单，方便。局限性：只能给出试样的平均成分，不能给出所含元素随位置的分布；不能观察象 。 X 射线衍射:优点：精度高；分析样品的最小区域

8、 mm 数量级；局限性：平均效应；无法把形貌观察与晶体结构分析结合起来 。 电子显微分析特点： 1、不破坏样品，直接用陶瓷等多晶材料。2 、是一种微区分析方法，了解成分- 结构的微区变化。sin2sin2 3、灵敏度高，成像分辨率高，为 0.2-0.3nm，能进行 nm 尺度的晶体结构及化学组成分析。 4、各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合性发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。 第一节 电子光学基础 一、光学显微镜的分辨力 阿贝原理 r分辨本领（nm） 照明源的波长（nm ） n透镜上下方介质的折射率 透镜孔径半角（度） nsin数值孔径，用 NA 表示 由上式可知，

9、减小 r 值的途径有： 1、增加介质的折射率； 2、增大物镜孔径半角； 3、采用短波长的照明源。 对于光学透镜，当 nsin 做到最大时（n1.5，70-75）分辨本领极限为 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。 二、电子波的波长 根据德布罗意的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，电子波长的表达式 m - 电子质量 v - 电子速度 h - 普朗克常数 电子的质量在较低的运动速度下近似等于电子静止质量 。电子运动速度，它和加速电

10、压 V 之间存在如下关系： 式中 e 为电子所带电荷，e=1.610 -19C h -普朗克常数= 6.62610-34J.s m - 电子质量=9.1110 -31Kg 三、电子在电场中的运动与电子透镜 在电子显微分析中使电子束发生偏转、聚焦的装置 电子透镜。 按工作原理分：（1）静电透镜 （2 ）电磁透镜（3）TEM、SEM：多个电磁透镜的组合。 电磁透镜成像 光学透镜成像时，物距 L1、像距 L2 和焦距 f 三者之间满足如下关系： （3-7） 电磁透镜成像时也可以应用式（3-7） 。所不同的是，光学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距 f 常用的近似公式为：

11、（3-8） 式中是 K 常数， V 电子加速电压，D 极靴孔径、 （IN）是电磁透镜的激磁安匝数。 F 透镜的结构系数 由式（3-8 ）可以发现，改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是可变焦的凸透镜（会聚透镜） 。 四、电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 按式（3-2 ）最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立 H-800 透射电镜为例，其加速电压达是 200KV，若分辨率是波长的一半，那么它的分辨率应该是0.00125nm；实际上 H-800 透射电镜的点分辨率是 0.45

12、nm，与理论分辨率相差约 360 倍。 什么原因导致这样的结果呢？原来电磁透镜也和光学透镜一样，除了衍射效应对分辨率的影响外，还有像差对分辨率的影响。由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。 1、球差 球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。 原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为 rS 的漫散圆斑。我们用 rS 表示球差大小，计算公式为：球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。 sin61.0r20rvhV21mevV22eh12.5

13、21LfVD2INKf34sSCr2、色差 普通光学中不同波长的光线经过透镜时，因折射率不同，将在不同点上聚焦，由此引起的像差称为色差。电镜色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。 引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。 3、轴上像散 像散是可以消除的像差。像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。 五、电磁透镜的景深和焦长 景深（场深）： 透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离。换言之，在景深范围内

14、，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。 电磁透镜的特点：分辨好、景深大 焦长是指物点固定不变（物距不变） ，在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。 1、背散射电子 back scattering electrons, BE） 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于 90的那些入射电子，其能量基本上没有变化。 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。 背散射电子特点 特点：1）能量高，大于 50ev； 2）分辨率较低； 3）产生与 Z 有关，与形貌有关。 由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背

15、散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。2、 二次电子：（secondary electrons, SE）二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可离开原子而变成自由电子。 如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量大于材料逸出功的自由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。 一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分来自价电子。3、 吸收电子（absorption electrons, AE）入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定