材料测试技术课件

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1、材料分析测试技术材料分析测试技术主讲主讲: 吴建鹏吴建鹏 1材料测试技术材料测试技术绪论一、本课程研究的内容一、本课程研究的内容:首先介绍材料科学的概念首先介绍材料科学的概念:材料科学材料科学是研究材料的化学组成、晶体结构、是研究材料的化学组成、晶体结构、显微组织、使用性能四者之间关系显微组织、使用性能四者之间关系的一门科学的一门科学。绪论2材料测试技术材料测试技术我们研究材料就是通过改变材料的组成、我们研究材料就是通过改变材料的组成、结构、组织，来达到提高和改善材料的结构、组织，来达到提高和改善材料的使用性能的目的。使用性能的目的。我们可用材料四面体来形象的进行描述：我们可用材料四面体来形象

2、的进行描述：使用性能使用性能化学组成化学组成晶体结构晶体结构显微组织显微组织3材料测试技术材料测试技术在材料四面体中，生产工艺决定晶体结构和显微组织。材料科学与材料工程的区别就在于：材料科学主要研究四组元之间的关系；而材料工程则研究如何利用这四组元间的关系来研究开发新材料、新产品。4材料测试技术材料测试技术本课程的内容本课程的内容:研究生产硅酸盐材料的原料和制品研究生产硅酸盐材料的原料和制品的化学组成、显微结构以及生产工的化学组成、显微结构以及生产工艺过程中的变化规律的研究方法艺过程中的变化规律的研究方法。即。即用什么设备、仪器、如何研究？用什么设备、仪器、如何研究？5材料测试技术材料测试技术

3、在材料研究中在材料研究中,做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法:分析目的分析目的分析方法分析方法形态学分析形态学分析(即组织形貌分析即组织形貌分析)光学显微术光学显微术(如金相、岩相等如金相、岩相等)透射电子显微术透射电子显微术扫描电子显微术扫描电子显微术投影式或接触式投影式或接触式X射线显微术射线显微术显微自射线照相术显微自射线照相术相分分析相分分析各种常量化学分析各种常量化学分析微区分析微区分析X射线光谱和能谱术射线光谱和能谱术 各种电子能谱分析各种电子能谱分析X射线衍射射线衍射 电子衍射电子衍射 红外光谱红外光谱穆斯堡尔

4、谱等穆斯堡尔谱等结构分析结构分析6材料测试技术材料测试技术1.化学组成分析：化学组成分析：主要研究原料和制品的化学组成。化学组成分主要研究原料和制品的化学组成。化学组成分析也叫化学成分分析。常用的分析方法有：普析也叫化学成分分析。常用的分析方法有：普通化学分析；仪器化学分析（包括通化学分析；仪器化学分析（包括ICP光谱、光谱、直读光谱、射线荧光光谱、激光光谱等等）。直读光谱、射线荧光光谱、激光光谱等等）。化学分析本课程不介绍。因为化学分析的目的化学分析本课程不介绍。因为化学分析的目的就是知道化学成分含量，不管用那个分析方法，就是知道化学成分含量，不管用那个分析方法，只要能精确告诉我们结果就行。

5、只要能精确告诉我们结果就行。7材料测试技术材料测试技术2.性能分析性能分析材料根据其用途不同，也有不同的性能要求，因材料根据其用途不同，也有不同的性能要求，因此材料的性能种类特别多，其分析方法也特别多。例此材料的性能种类特别多，其分析方法也特别多。例如结构材料中主要关注其力学性能，而力学性能主要如结构材料中主要关注其力学性能，而力学性能主要分析材料的强韧性指标，那么就有很多种材料强韧性分析材料的强韧性指标，那么就有很多种材料强韧性指标测量的方法和设备，功能材料主要对材料的某些指标测量的方法和设备，功能材料主要对材料的某些功能指标感兴趣，对于不同的功能指标就有相应的测功能指标感兴趣，对于不同的功

6、能指标就有相应的测量分析方法。这里不再多讲。量分析方法。这里不再多讲。8材料测试技术材料测试技术3.微观结构分析微观结构分析微观结构分析主要分析材料的微观晶微观结构分析主要分析材料的微观晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含量多少等。量多少等。结构分析常用的方法有结构分析常用的方法有：法、法、TEM法、法、TG法、法、红外法等。法、法、红外法等。这些方法以及所用的仪器设备是我们要这些方法以及所用的仪器设备是我们要学习的重点。学习的重点。9材料测试技术材料测试技术4.显微组织分析显微组织分析主要是

7、分析材料的微观组织形貌。主要是分析材料的微观组织形貌。显微组织分析常用的分析手段有：普通光显微组织分析常用的分析手段有：普通光学显微镜学显微镜(OM)、扫描电子显微镜（、扫描电子显微镜（M）、透射电子显微镜（）等。）、透射电子显微镜（）等。本课程主要学习和的原理及本课程主要学习和的原理及分析方法。分析方法。10材料测试技术材料测试技术二、学习本课程的目的：二、学习本课程的目的：了解研究无机非金属材料的主要方法；了解研究无机非金属材料的主要方法；了解各种研究方法的基本原理、特点及了解各种研究方法的基本原理、特点及用途。用途。为今后工作以及毕业论文的写作打下一为今后工作以及毕业论文的写作打下一定的

8、基础。定的基础。11材料测试技术材料测试技术参考书：参考书：材料研究与测试方法材料研究与测试方法张国栋主编，冶金工张国栋主编，冶金工业出版社业出版社材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法常铁钧邹欣主编常铁钧邹欣主编哈工大版哈工大版无机材料显微结构分析无机材料显微结构分析周志超等编、浙大周志超等编、浙大版版材料现代分析方法材料现代分析方法左演声等主编、北京工左演声等主编、北京工大版大版现代材料研究方法现代材料研究方法王世中王世中臧鑫士主编臧鑫士主编北北京航空航天大学版京航空航天大学版材料分析方法材料分析方法周玉主编，机械工业出版社周玉主编，机械工业出版社12材料测试技术材料测试技术第一章X射线

9、衍射分析本章主要讲以下内容：本章主要讲以下内容：X射线的物理基础；射线的物理基础；晶体的点阵结构（简介）；晶体的点阵结构（简介）；X射线衍射几何条件（重点讲射线衍射几何条件（重点讲Bragg定律）；定律）；X射线衍射束的强度；射线衍射束的强度；多晶体的物相定性分析和定量分析；多晶体的物相定性分析和定量分析；X射线衍射仪（射线衍射仪（XRD）的原理、结构和应用；）的原理、结构和应用；晶粒度的测定及晶粒度的测定及X射线衍射分析在其他方面的应射线衍射分析在其他方面的应用。用。第一章第一章X射线衍射分析射线衍射分析13材料测试技术材料测试技术绪绪论论一、一、X射线的发现与射线的发现与X射线学的发展射线

10、学的发展1、1895年11月W.C.Roentgen研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称为的射线，称为X射线射线(伦琴射线伦琴射线)。当即在医学上应用X射线透视技术。Rontgen因为发现了X射线，于1901年获得第一个诺贝尔物理奖。14材料测试技术材料测试技术15材料测试技术材料测试技术2、1912年劳埃(M.VonLaue)以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了确定了X射线的电磁波性射线的电磁波性和晶体结构的周期性晶体结构的周期性。1914年劳埃获得诺贝尔物理奖。LaueEquation:Laue实验及后来证实了：实验及后来证实了：

11、X射线具有波粒二象性，它波长短，光子能量(E=h)大。X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。X射线波长介于紫外线和-射线之间，波长范围0.01-100。16材料测试技术材料测试技术17材料测试技术材料测试技术3、在1912年前后，WilliamHenryBragg用电离分光计研究X射线谱，并用以测量衍射线的方向和强度。他发现他发现X射线谱中射线谱中除有连续光谱外，尚有波长取决于靶材的特征光谱，它可除有连续光谱外，尚有波长取决于靶材的特征光谱，它可为晶体衍射提供波长单一、强度集中的特征为晶体衍射提供波长单一、强度集中的特征X射线射线。金刚石是第一个应用特征

12、射线的衍射数据测定结构的晶体，下图中示出了金刚石的结构。W.H.Bragg的儿子WilliamLawrenceBragg对X射线衍射研究也感兴趣。1912年夏，W.L.Bragg利用NaCl、KCl、ZnS等晶体进行X射线衍射实验，他将晶体出现衍射看作晶体中原子面的反射，测定出NaCl、KCl、ZnS等第一批晶体的结构，同时推导出满足衍射条件的推导出满足衍射条件的Bragg方程。方程。1914年，W.L.Bragg发表了金属铜的晶体结构。这一结构提供了金属中原子进行密堆积的实验数据。证实了W.Barlow（巴罗）关于金属中原子密堆积的模型。1915年布拉格父子获得诺贝尔奖。18材料测试技术材料

13、测试技术19材料测试技术材料测试技术4、1922年10月，美国芝加哥大学康普顿（ArthurHollyCompton）教授与中国研究生吴有训研究X射线非相干散射促进了X射线学的发展。他们发现当X射线光子与照射物质中束缚力不太大的外层电子碰撞时，电子一部分能量成为反冲电子，而原光子却因碰撞而损失能量，使X射线波长增加，以减少能量增加波长的形式改变传播方向，称为非相干散射。这是从量子论出发设想的，而实验现象是1922年10月康普顿和吴有训发现的，故称康-吴效应。这一实验的成功为爱因斯坦1905年提出的光量子假说提供了有力证据。1927年康普顿也因此获得诺贝尔奖。20材料测试技术材料测试技术21材料

14、测试技术材料测试技术二、二、X射线衍射仪的发展射线衍射仪的发展1、从劳埃的简单的硫酸铜单晶装置、旋转晶体法到四圆衍射仪，研究单晶晶体结构、对称性等。2、1916年德国科学家德拜（Debye）、谢乐（Scherrer），1917年美国科学家Hull提出通过粉末状晶体研究物相组成、含量等，并发明了Debye照相法。320世纪40年代后期，基于光子计数器的发明，根据Bragg和Brentano提出思想，采用计数器作为X射线探测器的衍射仪的研制，使衍射谱图的测量分析方便、快速、准确。粉末衍射仪在各主要领域中取代了照相法成为进行晶体结构分析的最主要设备。4、20世纪70年代同步辐射强光源和计算机技术的应

15、用使得多晶体衍射技术更有了突飞猛进，大大提高X射线衍射的分辨率和准确性，实现仪器运行与图谱分析自动化。特别是数字衍射谱的获得，Rietveld全谱拟合技术的应用，拓展了应用范围，使多晶体衍射从头解晶体结构成为可能。22材料测试技术材料测试技术四圆衍射仪四圆衍射仪(X射线单晶影像板系统射线单晶影像板系统)23材料测试技术材料测试技术三、在材料科学研究中的应用三、在材料科学研究中的应用X射线衍射分析的应用在材料研究中发挥重大作用。射线衍射分析的应用在材料研究中发挥重大作用。X射线衍射分析射线衍射分析在晶体结构，特别是纳米材料的结构研究、材料的相分析和原位无损化在晶体结构，特别是纳米材料的结构研究、

16、材料的相分析和原位无损化学成分分析、材料的织构分析、材料残余应力和微观应变（晶格畸变、学成分分析、材料的织构分析、材料残余应力和微观应变（晶格畸变、点缺陷、层错等）研究等方面发挥了巨大和不可替代的作用。点缺陷、层错等）研究等方面发挥了巨大和不可替代的作用。X射线粉末衍射分析的应用更为广泛，通过对衍射峰强度准确测量，射线粉末衍射分析的应用更为广泛，通过对衍射峰强度准确测量，使物相分析从定性发展到定量；点阵常数的测定；通过对衍射峰峰形使物相分析从定性发展到定量；点阵常数的测定；通过对衍射峰峰形也称衍射线线形也称衍射线线形的分析来测定多晶聚集体的某些性质，如晶粒尺寸、的分析来测定多晶聚集体的某些性质

17、，如晶粒尺寸、外形和尺寸分布等；在此基础上，又进一步发展到研究晶体的真实结构，外形和尺寸分布等；在此基础上，又进一步发展到研究晶体的真实结构，如研究存在于晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，使如研究存在于晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，使X射线多晶体衍射线多晶体衍射技术成为最重要的材料表征技术之一。射技术成为最重要的材料表征技术之一。24材料测试技术材料测试技术1.单晶晶体结构研究单晶晶体结构研究早期研究晶体结构主要采用单晶的劳埃法和晶体旋转法，特别是与计算机配合后，四圆衍射法使晶体结构的测定效率和精度大提高了。2.物相定性、定量分析和点阵参数测定物相定性、定量分析和点阵参数测定3.宏观残余应

18、力测定与织构研究宏观残余应力测定与织构研究通过对残余应力和织构的研究，对生产和应用材料很有意义。4.微结构研究微结构研究包括晶粒尺寸、外形、尺寸分布和晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，这些都与线形有关。5.从头解晶体结构从头解晶体结构6.原位动态分析原位动态分析7.薄膜分析薄膜分析8.微区试样分析微区试样分析25材料测试技术材料测试技术第一节：第一节：X射线射线的物理基础的物理基础一、一、X射线的性质射线的性质1、X射线的性质射线的性质2、X射线的获得射线的获得二、二、X射线谱射线谱1、定义、定义2、分类、分类三、三、X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、四、X射线的衰减射线的衰减26

19、材料测试技术材料测试技术一、一、X射线的性质射线的性质1、X射线的性质射线的性质肉眼看不见，但可使底片感光；肉眼看不见，但可使底片感光；沿直线传播，传播方向沿直线传播，传播方向不受电磁场的影响；不受电磁场的影响；具有具有很强的穿透能力；很强的穿透能力；穿过物质时，可被偏振化，并被物质吸收而使穿过物质时，可被偏振化，并被物质吸收而使强度衰减；强度衰减；能使空气或其他气体电离；能使空气或其他气体电离；能杀伤生物细胞、对人体有害等。能杀伤生物细胞、对人体有害等。27材料测试技术材料测试技术X射线的本质：属于电磁波射线的本质：属于电磁波波长：波长：10-2102埃之间，介于埃之间，介于 射线和紫外线之

20、间射线和紫外线之间2、X射线的强度射线的强度定义定义：指单位时间内通过垂直：指单位时间内通过垂直X射线方向的单位射线方向的单位面积上的光子数目（单位面积上的光子流率）面积上的光子数目（单位面积上的光子流率）单位单位：尔格：尔格/厘米厘米2秒（秒（实际使用的单位是实际使用的单位是CPS表表示每秒钟探测到光子数示每秒钟探测到光子数）X射线的强度用大写字母射线的强度用大写字母I表示，表示，X射线的剂量表射线的剂量表示光子的能量大小，单位用伦琴（示光子的能量大小，单位用伦琴（R）表示。）表示。在在X射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量。28材料测试技术材料测试技术3

21、、X射线的发生射线的发生在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中以极高的速度撞向阳极靶时，将产生以极高的速度撞向阳极靶时，将产生X射线。射线。阳极靶的材料一般用重元素如：阳极靶的材料一般用重元素如：Cr、Fe、Co、Cu、Mo、Au、W等，常规实验使用等，常规实验使用Cu靶。靶。图、图、密封式密封式X射线管构造示意图射线管构造示意图29材料测试技术材料测试技术管子的核心部件是阴极灯丝和阳极靶。灯丝一般由细的钨丝绕成一长的螺旋制管子的核心部件是阴极灯丝和阳极靶。灯丝一般由细的钨丝绕成一长的螺旋制成，用来发射电子。热发射的电子在聚焦罩的作用下汇聚成线状，轰击

22、在阳极靶面上，成，用来发射电子。热发射的电子在聚焦罩的作用下汇聚成线状，轰击在阳极靶面上，发出韧致辐射及特征辐射。电子在靶面上焦斑的标准尺寸为发出韧致辐射及特征辐射。电子在靶面上焦斑的标准尺寸为1mm10mm。由于能转。由于能转变为变为X射线的电子的能量只是总电子能量的一小部分，不足百分之几，其余的均转变射线的电子的能量只是总电子能量的一小部分，不足百分之几，其余的均转变为热能，有可能把靶子烧熔。因此，为了连续得到为热能，有可能把靶子烧熔。因此，为了连续得到X射线，阳极靶必须用流动冷水冷射线，阳极靶必须用流动冷水冷却以带走热量，同时，靶子材料一般由传热性能良好的铜构成。在需要用非铜辐射时，却以

23、带走热量，同时，靶子材料一般由传热性能良好的铜构成。在需要用非铜辐射时，一般将其他金属涂敷或镶嵌于铜的基底上。管壳由金属和玻璃对接而成。由于在阴阳一般将其他金属涂敷或镶嵌于铜的基底上。管壳由金属和玻璃对接而成。由于在阴阳极之间一般需加数万伏的高压，阳极接地而阴极为负高压，玻璃就是在阴阳极之间及极之间一般需加数万伏的高压，阳极接地而阴极为负高压，玻璃就是在阴阳极之间及阴极和管座之间起绝缘作用。在阴极和管座之间起绝缘作用。在X射线管壳上，一般开有四个窗口，两个在长条形螺射线管壳上，一般开有四个窗口，两个在长条形螺旋灯丝的两端，其中心与靶面中心的连线与靶面成旋灯丝的两端，其中心与靶面中心的连线与靶面

24、成5100的角度，称取出角。因此在的角度，称取出角。因此在垂直于上述连线的垂直面上看到的是一个点，是为点光源；而另两个开在与长形灯丝垂直于上述连线的垂直面上看到的是一个点，是为点光源；而另两个开在与长形灯丝平行的方向，其中心连线方向与长形螺旋灯丝的轴垂直，故得到的是线焦点。四个窗平行的方向，其中心连线方向与长形螺旋灯丝的轴垂直，故得到的是线焦点。四个窗口在同一个平面上。这种口在同一个平面上。这种X射线管比之伦琴当时所用的阴极射线管更复杂、精密和完射线管比之伦琴当时所用的阴极射线管更复杂、精密和完善。更重要的是其功率大了许多，从几十瓦发展到几百瓦，甚至数千瓦，一般铜靶的善。更重要的是其功率大了许

25、多，从几十瓦发展到几百瓦，甚至数千瓦，一般铜靶的功率在功率在2000W左右，钨、钼靶的功率可以更高。左右，钨、钼靶的功率可以更高。30材料测试技术材料测试技术二、二、X射线谱射线谱1、定义：、定义：X射线强度随波长变化的曲线。射线强度随波长变化的曲线。2、分类、分类（1）连续的）连续的X射线谱射线谱（2）特征的）特征的X射线谱射线谱I KK31材料测试技术材料测试技术（1）连续的）连续的X射线谱射线谱具有从某个最短波长（短波极限具有从某个最短波长（短波极限0）开始的连）开始的连续的各种波长续的各种波长的的X射线（即：波长范围为射线（即：波长范围为0）。）。由高速运动的带电粒子受阳极靶阻碍（突然

26、减由高速运动的带电粒子受阳极靶阻碍（突然减速）而产生。速）而产生。I 32材料测试技术材料测试技术连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材料（一般为钨靶）的原子序数有下列关系：料（一般为钨靶）的原子序数有下列关系：I连续连续=kiZVmVI m 033材料测试技术材料测试技术（2）特征的）特征的X射线谱射线谱由若干条特定波长的谱线构成。由若干条特定波长的谱线构成。当管电压超过一定的数值（激发电压当管电压超过一定的数值（激发电压V激激）时产生。这种谱线的波长与时产生。这种谱线的波长与X射线射线管电压管电压、管电流管电流等工作条件无关，只决定于等工作条件无关

27、，只决定于阳极材阳极材料料，不同元素的阳极材料发出不同波长的不同元素的阳极材料发出不同波长的X射线。射线。因此叫特征因此叫特征X射线。射线。34材料测试技术材料测试技术老老Bragg发现了发现了X射线的特征谱射线的特征谱,莫塞莱莫塞莱(Moseley）对其进行了研究，并推导出了）对其进行了研究，并推导出了K射射线线的波的波长长K的的计计算公式算公式为为：K=4/3R（Z）2式中：式中：Z阳极靶的原子序数；阳极靶的原子序数；R常数；常数；屏蔽系数。屏蔽系数。该式就是著名的莫塞莱定律，该式就是著名的莫塞莱定律，表示表示K系特系特征征X射线的波长与阳极靶的原子序数的平方射线的波长与阳极靶的原子序数的

28、平方近似成反比关系。近似成反比关系。35材料测试技术材料测试技术K射射线线的的强强度大度大约约是是K射射线线强强度的度的5倍，倍，因此，在因此，在实验实验中均采用中均采用K射射线线。实验实验中中发现发现Cu靶的靶的K谱线谱线的的强强度大度大约约是是连续谱线连续谱线及及临临近射近射线线强强度的度的90倍。倍。K谱线谱线又可分又可分为为K1和和K2，K1的的强强度度是是K2强强度的度的2倍，且倍，且K1和和K2射射线线的波的波长长非常接近，非常接近，仅仅相差相差0.004左右，通常无法分左右，通常无法分辨，因此，一般用辨，因此，一般用K来表示。但在来表示。但在实际实验实际实验中有可能会出中有可能会

29、出现现两者分开的情况。两者分开的情况。36材料测试技术材料测试技术特征特征X射线谱产生的原因：原子内层电子的射线谱产生的原因：原子内层电子的跃迁。跃迁。三、三、X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用入射入射X射线射线透过透过X射线射线热能热能散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线37材料测试技术材料测试技术入射入射X射线射线散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的光电子光电子俄歇电子俄歇电子光电效应光电效应俄歇效应俄歇效应康普顿效应康普顿效应热热透过透过X射线射线38材料测试技术材料测试技术1、散射现象、散射现象相相干干（经（经典散典散射）射）与原子内

30、紧束缚与原子内紧束缚电子刚性碰撞电子刚性碰撞波长与入射波长与入射波相同波相同有一定的位有一定的位相关系相关系相互干涉产相互干涉产生衍射条纹生衍射条纹非非相相干干与自由电子或原与自由电子或原子内紧束缚电子子内紧束缚电子非刚性碰撞非刚性碰撞波长与入射波长与入射波不同波不同不互相干涉不互相干涉由于散射于由于散射于各个方向，各个方向，强度很低，强度很低，形成连续的形成连续的背景背景39材料测试技术材料测试技术2、光电吸收（即光电效应）、光电吸收（即光电效应）内层电子吸收内层电子吸收X射线光子的能量，使之成为具有射线光子的能量，使之成为具有一定能量的光电子，原子处于高能激发态，一定能量的光电子，原子处于

31、高能激发态，X射射线光子被吸收，这种过程叫光电吸收或光电效应。线光子被吸收，这种过程叫光电吸收或光电效应。（1）、荧光）、荧光X射线射线：是由：是由X射线激发出的二次射线激发出的二次X射线，不同的元素被激发的荧光射线，不同的元素被激发的荧光X射线波长不同。射线波长不同。X射线荧光光谱仪就是据此进行元素成分分析的。射线荧光光谱仪就是据此进行元素成分分析的。（2）、俄歇效应）、俄歇效应：用俄歇效应可分析试样的成：用俄歇效应可分析试样的成分和表面状态等很多信息。现在也有专门的俄歇分和表面状态等很多信息。现在也有专门的俄歇谱仪以及与电子显微镜联用的俄歇分析仪。谱仪以及与电子显微镜联用的俄歇分析仪。40

32、材料测试技术材料测试技术四、四、X射线的衰减射线的衰减X射线的衰减（吸收）：射线的衰减（吸收）：当当X射线穿过物质时，因受到射线穿过物质时，因受到散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。1、强度衰减规律、强度衰减规律I=I0e- 1xI0原始强度原始强度线吸收系数线吸收系数 1：单位厚度物质对：单位厚度物质对X射线的吸收能力。射线的吸收能力。对于一定的物质对于一定的物质 1是常数。实验证明是常数。实验证明 1与物质的密度与物质的密度 成正比即成正比即： 1= m m：质量系数系数（只与吸收体的原子序数质量系数系数（只与吸收体的原子序数Z和和X射线射线的波

33、长有关）。的波长有关）。线吸收系数线吸收系数 1和质量系数系数和质量系数系数 m都是物质的固有特性。都是物质的固有特性。41材料测试技术材料测试技术穿过物体后的强度可表示如下：穿过物体后的强度可表示如下：I=I0e- m x多种元素组成的吸收体其质量吸收系数是其多种元素组成的吸收体其质量吸收系数是其组成组成元素的质量吸收系数的加权平均值：元素的质量吸收系数的加权平均值： m= 1 m1+ 2 m2+ 3 m3+ 1、 2、 3：吸收体中各元素的质量百分数。：吸收体中各元素的质量百分数。元素的质量系数与入射波长有以下关系元素的质量系数与入射波长有以下关系42材料测试技术材料测试技术 m m=Z3

34、 3系数限系数限 k L1 L2 L3吸收限形成的原吸收限形成的原因：因：与光电吸收有关。与光电吸收有关。结论：在二个相邻的突变点之间的区域，有以下结论：在二个相邻的突变点之间的区域，有以下关系：关系： m=Z3 3即：波长愈短，吸收体原子愈轻，透过率愈大。即：波长愈短，吸收体原子愈轻，透过率愈大。吸收限两边吸收系数相差悬殊。吸收限两边吸收系数相差悬殊。43材料测试技术材料测试技术2、X射线滤波片射线滤波片X射线滤波片作用：射线滤波片作用：产生单色光，由于产生单色光，由于K 光强度大，一光强度大，一般采用般采用K 单色光。单色光。X射线滤波片的选射线滤波片的选择：择：当当Z靶靶40时，时，Z滤

35、滤=Z靶靶-1；当；当Z靶靶40时，时，Z滤滤=Z靶靶-2.44材料测试技术材料测试技术阳极靶的选择阳极靶的选择在在X射线衍射实验中，若入射射线衍射实验中，若入射X射线在射线在试样上产生荧光试样上产生荧光X射线，则增加衍射花样射线，则增加衍射花样的背景，对衍射分析不利。若针对试样的的背景，对衍射分析不利。若针对试样的原子序数调整靶材的种类，即可避免产生原子序数调整靶材的种类，即可避免产生荧光荧光X射线。射线。选择阳极靶的经验公式：选择阳极靶的经验公式：Z靶靶Z试样试样+145材料测试技术材料测试技术作作业业1、大功率转靶衍射仪与普通衍射仪相比，在哪两方面有其优、大功率转靶衍射仪与普通衍射仪相比

36、，在哪两方面有其优越性？越性？2、何为特征、何为特征X射线谱？特征射线谱？特征X射线的波长与（射线的波长与（）、（）、（）无关，只与（）无关，只与（）有关。）有关。3、什么是、什么是K射射线线？在？在X射线衍射仪中使用的是什么类型的射线衍射仪中使用的是什么类型的X射射线？线？4、Al是面心立方点阵，点阵常数是面心立方点阵，点阵常数a=4.049，试试求（求（111）和）和（200）晶面的面）晶面的面间间距。距。5、说说说说不相干散射不相干散射对对于衍射分析是否有利？于衍射分析是否有利？为为什么？什么？6、在、在X射线衍射分析中，为何要选用滤波片滤掉射线衍射分析中，为何要选用滤波片滤掉K射射线线

37、？说说说说滤波片材料的选取原则。实验中，分别用滤波片材料的选取原则。实验中，分别用Cu靶和靶和Mo靶，若靶，若请你选滤波片，分别选什么材料？请你选滤波片，分别选什么材料？46材料测试技术材料测试技术第二节：第二节：晶体的点阵结构晶体的点阵结构关于晶体的基本知识，在关于晶体的基本知识，在“材料科学基础材料科学基础”中已经学过，因此，本节我们共同复习一下有中已经学过，因此，本节我们共同复习一下有关晶体的一些概念，包括晶体和非晶体、点阵关晶体的一些概念，包括晶体和非晶体、点阵和单位点阵（单胞）、点阵参数和密勒指数和单位点阵（单胞）、点阵参数和密勒指数（晶面指数）、晶系和布拉菲点阵、多重性因（晶面指数

38、）、晶系和布拉菲点阵、多重性因子与晶面族、点阵中的晶向和晶面间距等。子与晶面族、点阵中的晶向和晶面间距等。晶体材料是晶体材料是X射线衍射分析的主要对象。射线衍射分析的主要对象。47材料测试技术材料测试技术晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体，或晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体，或者说晶体是具有格子构造的固体。也可定义为具有各者说晶体是具有格子构造的固体。也可定义为具有各向异性物理化学性质的均匀物质向异性物理化学性质的均匀物质.非晶体的物质内部在三维空间不做规律排列，非晶体的物质内部在三维空间不做规律排列，即不具格子构造。如玻璃、塑料、沥青等。即不具格子构造。如玻璃、塑料、沥青等

39、。晶体和非晶体在一定条件下是可以转化的。由晶体和非晶体在一定条件下是可以转化的。由非晶向晶体的转化叫晶化或脱玻璃化；由晶体非晶向晶体的转化叫晶化或脱玻璃化；由晶体向非晶的转变叫非晶化或玻璃化。向非晶的转变叫非晶化或玻璃化。1.2.1晶体和非晶体晶体和非晶体48材料测试技术材料测试技术49材料测试技术材料测试技术1.2.2点阵和单位点阵（单胞）点阵和单位点阵（单胞）晶体中各周期重复晶体中各周期重复单单位中的等同代表点位中的等同代表点叫叫节节点点;连连接晶体中的各接晶体中的各节节点可形成平行点可形成平行六面体形的格子六面体形的格子,叫叫点点阵阵。连连接晶体中相接晶体中相临节临节点而形成的点而形成的

40、单单位平行位平行六面体，称六面体，称为为单单位点位点阵阵（单单胞）胞）。单单位位点点阵阵可可有有许许多多选选取方式。常取方式。常见见的的单单胞有胞有面心点面心点阵阵、体心点、体心点阵阵等。等。50材料测试技术材料测试技术1.2.3点阵参数和密勒指数（晶面指数）点阵参数和密勒指数（晶面指数）平行于平行于单单胞棱胞棱线线的三个的三个轴轴称称为为晶晶轴轴，单单胞的三个胞的三个轴长轴长a0、b0、c0及其及其轴间夹轴间夹角角、称称为为点阵参数点阵参数或或点阵常数点阵常数。所有所有节节点都能点都能够够放在一放在一组组相互平行的等相互平行的等间间距平面上，距平面上，这这些平面称些平面称为为晶面。若离晶面。

41、若离坐坐标标原点距离最近的面在晶原点距离最近的面在晶轴轴上的截距上的截距分分别为别为a/h、b/k、c/l时时，用（，用（hkl）来表）来表示示这组这组晶面，晶面，（hkl）就称）就称为为密勒指数密勒指数或或晶面指数晶面指数。51材料测试技术材料测试技术 晶系（晶系（7 7种）种）晶晶 轴轴布拉菲点阵和布拉菲点阵和记号记号（14种）种）阵点坐标阵点坐标单胞中的原单胞中的原子数子数 立方晶系立方晶系cubiccubica=b=ca=b=c=90=900 0 简单立方简单立方 P P体心立方体心立方 I I面心立方面心立方 F F 000 000000,000,000, 000, 124正方晶系正

42、方晶系tetragonaltetragonala=bca=bc=90=900 0 简单正方简单正方 P P体心正方体心正方 I I 000000000000，. .12斜方晶系斜方晶系orthorhombicorthorhombicabcabc=90=900 0 简单斜方简单斜方 P P体心斜方体心斜方 I I底心斜方底心斜方C C 面心斜方面心斜方 E E 000000000000，000000，000000，1224菱方晶系菱方晶系rhombohedralrhombohedrala=b=ca=b=c=90=900 0简单菱方简单菱方 P P 000 0001六方晶系六方晶系hexagona

43、lhexagonala=bca=bc=90=900 01201200 0简单六方简单六方 P P0000001单斜晶系单斜晶系monoclinicmonoclinicabcabc=90=900 0简单单斜简单单斜 P P底心单斜底心单斜 C C000000000000，12三斜晶系三斜晶系triclinictriclinicabcabc 90900 0简单三斜简单三斜 P P00000011.2.4晶系和布拉菲点阵晶系和布拉菲点阵52材料测试技术材料测试技术1.2.5多重性因子与晶面族多重性因子与晶面族在一个在一个单单胞中，有若干胞中，有若干组组以以对对称性相称性相联联系的系的等效晶面，叫等效

44、晶面，叫晶面族晶面族。如立方晶系中。如立方晶系中（100）、（）、（010）、（）、（001）、（）、（ 100）、）、（0 10）、）、（00 1）六个）六个晶面均晶面均为为等效晶等效晶面，用面，用100100来代表，表示上述来代表，表示上述六个六个晶面同晶面同属于属于100100晶面族。晶面族。把属于某一把属于某一晶面族的晶面族的等效晶面的数目叫做等效晶面的数目叫做多重性因子多重性因子。用字母。用字母P表示。表示。53材料测试技术材料测试技术1.2.6点阵中的晶向和晶面间距点阵中的晶向和晶面间距点阵中的晶向通过原点的直线作代表，用点阵中的晶向通过原点的直线作代表，用该直线上的任意一个节点的

45、坐标该直线上的任意一个节点的坐标uvw（叫晶向指数）来表示。（叫晶向指数）来表示。一一组组指数为（指数为（hkl）的晶面是以等间距排）的晶面是以等间距排列的，称这个间距为列的，称这个间距为晶面间距晶面间距，用，用dhkl简简写为写为d表示。表示。P17表表1-3给出了各个晶系计给出了各个晶系计算晶面间距算晶面间距dhkl的公式。的公式。54材料测试技术材料测试技术二、晶面间距和晶面夹角的计算二、晶面间距和晶面夹角的计算利用倒易点阵与正格子间的关系导出利用倒易点阵与正格子间的关系导出晶晶面间距和晶面夹角。面间距和晶面夹角。 dh1h2h3=2 / |kh1h2h3| 两边开平方，两边开平方， 将

46、将kh1h2h3 =h1b1+h2b2+h3b3及及P14（126）到（）到（131）代入，经过）代入，经过数学运算，得到数学运算，得到P17表表13的面间距公式的面间距公式晶面夹角晶面夹角 ： k1 k2 = k1 k2 COS 55材料测试技术材料测试技术三、晶带三、晶带定义：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的定义：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的总体称为晶带。总体称为晶带。56材料测试技术材料测试技术第三节、第三节、X射线的衍射方向射线的衍射方向在讨论了在讨论了X射线的物理学基础和晶体学基射线的物理学基础和晶体学基础之后，现在研究础之后，现在研究X射线照射到晶体上产生射线照射到晶体上产生的

47、问题。的问题。X射线照射到晶体上产生的衍射花样，除射线照射到晶体上产生的衍射花样，除与与X射线有关外，主要受晶体结构的影响。射线有关外，主要受晶体结构的影响。晶体结构与衍射花样之间有一定的内在联系，晶体结构与衍射花样之间有一定的内在联系，通过对衍射花样的分析，就能测定晶体结构通过对衍射花样的分析，就能测定晶体结构和研究与结构相关的一系列问题。和研究与结构相关的一系列问题。57材料测试技术材料测试技术X射线衍射理论能将晶体与衍射花样有射线衍射理论能将晶体与衍射花样有机地联系起来，它包括衍射线束的方向、机地联系起来，它包括衍射线束的方向、强度和形状。强度和形状。衍射线束的方向由晶胞的形状大小决定，

48、衍射线束的方向由晶胞的形状大小决定，衍射线束的强度由晶胞中原子的位置和种衍射线束的强度由晶胞中原子的位置和种类决定，而衍射线束的形状大小与晶体的类决定，而衍射线束的形状大小与晶体的形状大小相关。形状大小相关。在讨论一个小晶体的衍射强度时，可以在讨论一个小晶体的衍射强度时，可以引出衍射线束的方向和形状，即这三者是引出衍射线束的方向和形状，即这三者是一个有机的整体。为了便于理解和掌握，一个有机的整体。为了便于理解和掌握，先讨论衍射线束的方向。先讨论衍射线束的方向。58材料测试技术材料测试技术1、Laue方程方程2、Bragg方程方程条件：条件：X射线源、观测点与晶体的距离都比晶体的线射线源、观测点

49、与晶体的距离都比晶体的线度大的多，入射线和衍射线可看成平行光线；度大的多，入射线和衍射线可看成平行光线；散射前后的波长不变散射前后的波长不变,且为单色。且为单色。59材料测试技术材料测试技术 CO= -Rl S0 OD= Rl S衍射加强条件：衍射加强条件：Rl （ SS0 ）=有有：ko=(2 / ) S0 k=(2 / ) S得得：Rl （ kk0 ）= 2 1、Laue方程方程CRlD衍射线单位基矢衍射线单位基矢SOA入射线单位基矢入射线单位基矢S060材料测试技术材料测试技术2.Bragg方程方程Bragg方程的推方程的推导导三点假三点假设设：（1）、由于晶体的周期性，可将晶体）、由于

50、晶体的周期性，可将晶体视为视为由由许许多相互平行且晶面多相互平行且晶面间间距距d相等的原子面相等的原子面组组成；成；（2）、由于）、由于X射射线线具有穿透性，具有穿透性，认为认为X射射线线可照射可照射到晶体的各个原子面上；（到晶体的各个原子面上；（3）、由于光源及）、由于光源及记录记录装装置至置至样样品的距离比品的距离比d的数量的数量级级大得多，故入射大得多，故入射线线与反与反射射线线均可均可视为视为平行光。平行光。即即Bragg方程可解方程可解释为释为：入射的平行光照射到晶体中入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自各平行原子面上，各原子面各自产产生的相互平行的生的相互平行的反射

51、反射线线的干涉作用的干涉作用导导致衍射的致衍射的结结果。果。距此，距此，导导出了出了Bragg方程。方程。61材料测试技术材料测试技术 A TASd入射线与反射线之间的光程差如下：入射线与反射线之间的光程差如下： =SA+AT=2d sin 满足衍射条件的方程：满足衍射条件的方程：2d sin =n （hkl）62材料测试技术材料测试技术这就是著名的这就是著名的Bragg方程。方程。式中：式中：n任意整数，称为反射级数（实任意整数，称为反射级数（实际应用中为了简便起见，常取际应用中为了简便起见，常取n=1）；d为（为（hkl）晶面的晶面间距；）晶面的晶面间距；特征特征X射射线线的波的波长长；半

52、衍射角（半衍射角（2叫衍射角），叫衍射角），也叫也叫Bragg角。角。2d sin =n 63材料测试技术材料测试技术 晶体在入射晶体在入射X X射线的照射下会产生衍射效射线的照射下会产生衍射效应，衍射线的方向不同于入射线的方向，它决应，衍射线的方向不同于入射线的方向，它决定于晶体内部结构周期的重复方式，即晶胞大定于晶体内部结构周期的重复方式，即晶胞大小和形状以及晶体安置的方法。小和形状以及晶体安置的方法。 晶体衍射方向有两个基本方程：晶体衍射方向有两个基本方程：LaueLaue方方程和程和BraggBragg方程。方程。 LaueLaue方程以直线点阵为出发方程以直线点阵为出发点，点， Br

53、aggBragg方程则以平面点阵为出发点，两者方程则以平面点阵为出发点，两者是等效的。是等效的。 BraggBragg方程更易于理解和简便，且方程更易于理解和简便，且物理意义更明确。物理意义更明确。 由由LaueLaue方程亦可导出方程亦可导出BraggBragg方程。方程。64材料测试技术材料测试技术Bragg方程的讨论方程的讨论1 1、 BraggBragg方程描述了方程描述了“选择反射选择反射”的规律，其方向是各原子的规律，其方向是各原子面反射线一致加强的方向即满足面反射线一致加强的方向即满足BraggBragg方程的方向。方程的方向。2 2、“衍射衍射”的概念：晶体的原子在的概念：晶体

54、的原子在X X射线波场的激发下向四周射线波场的激发下向四周发出相干散射波，这些散射波在多数方向上因位向不同而相消，发出相干散射波，这些散射波在多数方向上因位向不同而相消，在某些方向上因位向相同而相长。这种相消相长的干涉现象就在某些方向上因位向相同而相长。这种相消相长的干涉现象就叫衍射。叫衍射。3 3、 BraggBragg方程是方程是X X射线在晶体中产生衍射必须满足的条件，它射线在晶体中产生衍射必须满足的条件，它反映了衍射线方向（用反映了衍射线方向（用描述）与晶体结构（用描述）与晶体结构（用d d表示）之间表示）之间的关系。的关系。4 4、衍射的本质是晶体中大量原子的散射线之间干涉的结果。、

55、衍射的本质是晶体中大量原子的散射线之间干涉的结果。5 5、产生衍射的两个基本条件：必须有能够产生干涉的波动即、产生衍射的两个基本条件：必须有能够产生干涉的波动即要有要有X X射线；必须有周期性的散射中心即晶体中的原子。射线；必须有周期性的散射中心即晶体中的原子。“X X射线衍射不适用于非晶体材料射线衍射不适用于非晶体材料”就是这个道理。就是这个道理。65材料测试技术材料测试技术可见光的反射与可见光的反射与X射线的反射的区别：射线的反射的区别：（1）可见光的反射仅限于物体的表面，而）可见光的反射仅限于物体的表面，而X射线射线的反射是受到的反射是受到X射线照射的所有原子（包括晶体射线照射的所有原子

56、（包括晶体内部）的散射线干涉而成。内部）的散射线干涉而成。（2）可见光的反射无论入射光线以任意的入射）可见光的反射无论入射光线以任意的入射角入射都会产生，而角入射都会产生，而X射线只有在满足布拉格公射线只有在满足布拉格公式的某些特殊入射角才能式的某些特殊入射角才能“反射反射”。（3）良好的镜面对可见光反射可达）良好的镜面对可见光反射可达100%，而，而X射线反射后，变化很大。射线反射后，变化很大。66材料测试技术材料测试技术第四节：第四节：X射线的衍射强度射线的衍射强度一、衍射线的强度一、衍射线的强度二、结构因子二、结构因子三、重复因数三、重复因数四、角因数四、角因数五、吸收因子五、吸收因子六

57、、温度因数六、温度因数67材料测试技术材料测试技术一、衍射线的强度一、衍射线的强度对于具有波粒二象性的对于具有波粒二象性的X射线，射线，其强度其强度粒子性粒子性波动性波动性68材料测试技术材料测试技术衍射线的强度：指某一组面网反射的射线光量子总衍射线的强度：指某一组面网反射的射线光量子总数，即累计强度或积分强度。数，即累计强度或积分强度。衍射角衍射角强度强度背景强度背景强度峰值强度峰值强度衍射线的角宽衍射线的角宽度为半高宽度为半高宽1/2峰值强度峰值强度累计强度累计强度69材料测试技术材料测试技术I=I0F2Pe-2Me4 3V1+cos22 1m2c432 RV02sin2 cos 2 结构

58、因数结构因数多重性因数多重性因数角因数角因数温度因数温度因数吸收因数吸收因数多晶体的衍射线强度：多晶体的衍射线强度：70材料测试技术材料测试技术1、一个原子中各个电子散射波的位相差、一个原子中各个电子散射波的位相差mrjn衍射线单位基矢衍射线单位基矢SOA入射线单位基矢入射线单位基矢S0A电子与电子与O电子散射波的光程差电子散射波的光程差 ：j=An-Om=AOS-AOS0=AO(S-S0)=rj(S-S0)位相差位相差j=2j=2rj(S-S0)二、结构因子二、结构因子71材料测试技术材料测试技术2、原子散射因子、原子散射因子电子电子A的波函数的波函数Ej=Eeeij一个原子的散射振幅：一个

59、原子的散射振幅：Ea=Eeei1+Eeei2+=Ee eijEaEe= eij3、结构因数、结构因数（1）原子的位置与衍射强度的关系）原子的位置与衍射强度的关系72材料测试技术材料测试技术晶体的内部结构（原子的排列状态）对衍射线强晶体的内部结构（原子的排列状态）对衍射线强度的影响极大，只要把单位晶胞内部的原子位置度的影响极大，只要把单位晶胞内部的原子位置作简单的变动，就可使某一个方向的衍射完全消作简单的变动，就可使某一个方向的衍射完全消失，一般的说，原子位置任何变动都可改变衍射失，一般的说，原子位置任何变动都可改变衍射光束的强度，但不一定改变为零，反过来，原子光束的强度，但不一定改变为零，反过

60、来，原子在晶体中的位置，只有根据衍射强度的观测才能在晶体中的位置，只有根据衍射强度的观测才能确定。确定。73材料测试技术材料测试技术（2）结构因子）结构因子F（表述晶体结构对衍射强度影响）（表述晶体结构对衍射强度影响）定义结构因子的绝对值为：定义结构因子的绝对值为：|F|=（一个晶胞的相干散射波振幅）（一个晶胞的相干散射波振幅）/（一个电子（一个电子的相干散射波振幅）的相干散射波振幅）=Eb/Ee=(Ea1ei1+Ea2ei2+)/Ee=f1eij+f2ei2+ ：原子相对于原点的位相差，原子位置不同其值：原子相对于原点的位相差，原子位置不同其值不同，同一晶胞中的不同方向具有不同的散射能力。不

61、同，同一晶胞中的不同方向具有不同的散射能力。74材料测试技术材料测试技术（3）两原子的位相差与结构因子副（复合波的振幅）两原子的位相差与结构因子副（复合波的振幅）abcA(000)B(xjyjzj)SS0设：晶胞中有设：晶胞中有n个个原子，其中第原子，其中第j个原个原子的坐标为子的坐标为（xjyjzj)，晶胞单，晶胞单位矢量为位矢量为a,b,c，fj第第j个原子的原子散个原子的原子散射因子射因子AB=rj=xja+yjb+zjcA和和B散射波的光程差为：散射波的光程差为：j=rj(S-S0)位相差为：位相差为：j=rj(S-S0)(2)75材料测试技术材料测试技术由由A和和B散射波发生衍射的条

62、件散射波发生衍射的条件得：得：(S-S0)= ha*+kb*+lc*位相差j=rj(S-S0)(2)=2rj(S-S0)=2(xja+yjb+zjc)(ha*+kb*+lc*)=2(xjh+yjk+zjl)F（hkl)=f1ei1+f2ei2+= fjeij= fjei2（xjh+yjk+zjl）说明：说明：此式是此式是X射线晶体学中一个非常重要的关系射线晶体学中一个非常重要的关系式，利用该式可以根据原子位置方面的知识计算任式，利用该式可以根据原子位置方面的知识计算任何（何（hkl)的衍射强度。的衍射强度。76材料测试技术材料测试技术（4）含有）含有4个原子晶胞的个原子晶胞的F（hkl)用矢量

63、表示用矢量表示ei=cos +isincos isinF（hkl)f1ei1f2ei2f3ei3f4ei4说明说明：在一般情况：在一般情况下是一个复数，在下是一个复数，在满足布拉格方程的满足布拉格方程的衍射方向上，由单衍射方向上，由单位晶胞中所有原子位晶胞中所有原子衍射的光束，强度衍射的光束，强度与结构因子的平方与结构因子的平方|F|2成正比。成正比。77材料测试技术材料测试技术利用指数函数计算结构因子时，有以下特殊关系：利用指数函数计算结构因子时，有以下特殊关系：en i=(-1)nn为任意整数为任意整数en i=e-n In为任意整数为任意整数eix+e-ix=2cosx（5）结构因子的计

64、算（系统消光规律）结构因子的计算（系统消光规律）简单点阵简单点阵：每一个晶胞中只有一个原子，其位置在原：每一个晶胞中只有一个原子，其位置在原点，坐标为点，坐标为0，0，0，由由F（hkl)= fjei j= fjei2 （xjh+yjk+zjl）得：得：F（hkl)=fei2 (0)=f|F（hkl)|2=f2说明：说明：|F（hkl)|2不受不受(hkl)改变的影响，即所有的改变的影响，即所有的(hkl)均均可衍射。可衍射。78材料测试技术材料测试技术底心点阵底心点阵：每一个晶胞中有两个同样的原子，其坐标：每一个晶胞中有两个同样的原子，其坐标分别为分别为0，0，0，和，和1/2，1/2，0由

65、由F（hkl)= fjeij= fjei2（xjh+yjk+zjl）得：F（hkl)=fei2(0+fei2(h/2+k/2)=f1+ei(h+k)由于：由于：eni=(-1)nh+k为偶数为偶数F=2fF2=4f2（表示可衍射（表示可衍射)h+k为奇数为奇数F=0F2=0（表示产生了系统消光（表示产生了系统消光)说明：说明：F（hkl)不受不受l值的影响，因此值的影响，因此（420）（）（421）（）（423）等组面网具有同样的）等组面网具有同样的h、k，其衍，其衍射线的结构因子都相等；在射线的结构因子都相等；在h+k为偶数为偶数时时,(hkl)晶面产生晶面产生衍射，衍射，h+k为奇数为奇数

66、时，时，(hkl)晶面不产生衍射。晶面不产生衍射。79材料测试技术材料测试技术体心点阵体心点阵：每一个晶胞中有两个同样的原子，：每一个晶胞中有两个同样的原子，其坐标分别为其坐标分别为0，0，0，和，和1/2，1/2，1/2由由F（hkl)= fjeij= fjei2（xjh+yjk+zjl）得:F（hkl)=fei2(0+fei2(h/2+k/2+l/2)=f1+ei(h+k+l)由于：由于：eni=(-1)nh+k+l为偶数为偶数F=2fF2=4f2（表示可衍射（表示可衍射)h+k+l为奇数为奇数F=0F2=0（表示产生了系统消光（表示产生了系统消光)80材料测试技术材料测试技术面心点阵面心

67、点阵：每一个晶胞中有四个同样的原子，：每一个晶胞中有四个同样的原子，其位置分别为（其位置分别为（0，0，0，）、（，）、（1/2，1/2，0）、）、（1/2，0，1/2）、（）、（0，1/2，1/2）得：F（hkl)=f1+ei(h+k)+ei(h+l)+ei(l+k)当当hkl全为偶数或全为奇数时，全为偶数或全为奇数时，(h+k)、(h+l)、(k+l)全为偶数全为偶数F=4fF2=16f2（表示可衍射（表示可衍射)当当hkl中有两个奇数或两个偶数时，中有两个奇数或两个偶数时，(h+k)、(h+l)、(k+l)有两项为奇数，一项为偶数有两项为奇数，一项为偶数F=0F2=0（表示产生了系统消光

68、（表示产生了系统消光)说明：说明：面心点阵晶体如：铜、铝中有面心点阵晶体如：铜、铝中有（111）（）（200）（）（220）（）（311）等面网的衍射线，）等面网的衍射线，而没有（而没有（100）（）（110）（）（210）（）（211）等面网衍射）等面网衍射线。线。81材料测试技术材料测试技术系统消光的概念：系统消光的概念：对于某些晶体点阵，由于某些晶面的结对于某些晶体点阵，由于某些晶面的结构因子等于零，不能得到衍射，我们把这构因子等于零，不能得到衍射，我们把这种现象称之为系统消光。种现象称之为系统消光。X射线衍射产生的充分必要条件：射线衍射产生的充分必要条件：1、X射线衍射产生的必要条件是

69、必须满足射线衍射产生的必要条件是必须满足Bragg方程；方程；2、X射线衍射产生的充分条件是结构因子射线衍射产生的充分条件是结构因子不等于不等于0。82材料测试技术材料测试技术三、重复因数三、重复因数凡属于同一晶形的各族面网反射的衍射线凡属于同一晶形的各族面网反射的衍射线相互重叠，其强度互相叠加，这样的面网相互重叠，其强度互相叠加，这样的面网越多，则参与反射的衍射几率越大，衍射越多，则参与反射的衍射几率越大，衍射束强度和重复因数成正比。束强度和重复因数成正比。例如：立方晶体中例如：立方晶体中(h00)(h00)(0k0)(0k0)(00l)(00l)P=6(hhh)(hhh)(hhh)(hhh

70、)(hhh)(hhh)(hhh)(hhh)P=8(hh0)(hh0)(h0h)(0hh)(h0h)(hh0)(h0h)(0hh)(0hh)(hh0)(h0h)(0hh)P=1283材料测试技术材料测试技术四、角因子四、角因子1+cos22 sin2 cos 强度与衍射角有关强度与衍射角有关五、吸收因子五、吸收因子试样对入射线及衍射线的吸收试样对入射线及衍射线的吸收六、温度因数六、温度因数原子在其平衡位置的振动引起的对强度的原子在其平衡位置的振动引起的对强度的影响。影响。M=84材料测试技术材料测试技术作作业业1、产生衍射的两个基本条件是什么？、产生衍射的两个基本条件是什么？2、画图说明何为衍射

71、峰的积分强度、峰值强、画图说明何为衍射峰的积分强度、峰值强度、背景及半高宽。度、背景及半高宽。3、结构因子的计算公式为、结构因子的计算公式为F=fje2i(hxj+kyj+lzj)，该式表明：结构因子，该式表明：结构因子与（与（）、（）、（）、（）、（）、）、（）等四个因素有关。）等四个因素有关。4、X射线衍射产生的条件是什么？射线衍射产生的条件是什么？85材料测试技术材料测试技术第五节：第五节：X射线衍射方法射线衍射方法一、单晶体的研究方法一、单晶体的研究方法1、劳厄法、劳厄法2、转晶法、转晶法二、多晶体的研究方法二、多晶体的研究方法1、粉末照相法、粉末照相法2、粉末、粉末衍射仪法衍射仪法8

72、6材料测试技术材料测试技术一、单晶体的研究方法一、单晶体的研究方法说明：说明：利用反射球讨论晶体衍射的方法及原理。利用反射球讨论晶体衍射的方法及原理。在具体的衍射工作中，入射光的方向是固定不变在具体的衍射工作中，入射光的方向是固定不变的，如果晶体不动，而入射光又是单色，则落在的，如果晶体不动，而入射光又是单色，则落在反射球上的倒格点实际上很少，晶体的衍射强度反射球上的倒格点实际上很少，晶体的衍射强度小，要增加衍射强度，对于单晶体采用两种方法小，要增加衍射强度，对于单晶体采用两种方法1、劳厄法：晶体固定不动，射线为连续谱线。、劳厄法：晶体固定不动，射线为连续谱线。2、转晶法：转动晶体，采用单色特

73、征标识谱线、转晶法：转动晶体，采用单色特征标识谱线注：如果转动晶体，又用未经过滤的多色入射线，注：如果转动晶体，又用未经过滤的多色入射线，则照片上的斑点过多，不便于分析，一般不采用。则照片上的斑点过多，不便于分析，一般不采用。87材料测试技术材料测试技术1、劳厄法、劳厄法（1）原理）原理晶体不动，利用射线连续谱，连续谱有一最晶体不动，利用射线连续谱，连续谱有一最小波长小波长 极小极小，长波在理论上是无限制的，但易被，长波在理论上是无限制的，但易被吸收，因此有一最大波长吸收，因此有一最大波长 极大极大。 极小极小和和 极大极大决定两个反射球的大小。决定两个反射球的大小。对应于对应于 极小极小和和

74、 极大极大之间的任意波长的反射球介之间的任意波长的反射球介于这两个球之间。于这两个球之间。所有反射球的球心都落在入射线的方向上。所有反射球的球心都落在入射线的方向上。 极小极小和和 极大极大决定的两个反射球之间的倒格点决定的两个反射球之间的倒格点和所对应各球心连线都表示晶体的衍射方向。和所对应各球心连线都表示晶体的衍射方向。88材料测试技术材料测试技术1/ 极小极小1/ 极大极大屏或底片屏或底片劳厄法的原理图劳厄法的原理图89材料测试技术材料测试技术（2）斑点所对应的晶面的布拉格角）斑点所对应的晶面的布拉格角屏或底片屏或底片2 Dr180-2 透射法透射法背射法背射法屏或底片屏或底片90材料测

75、试技术材料测试技术（3）老厄斑点的分布图）老厄斑点的分布图在透射老厄图中斑点分布在一系列通过底片中心在透射老厄图中斑点分布在一系列通过底片中心的椭圆或双曲线上；的椭圆或双曲线上；在背射老厄图中，斑点分布在一系列双曲线上。在背射老厄图中，斑点分布在一系列双曲线上。91材料测试技术材料测试技术（4）劳厄图的对称性）劳厄图的对称性当入射线的方向与晶体中的对称轴一致，当入射线的方向与晶体中的对称轴一致，或与对称面平行或垂直时，劳厄斑点会出或与对称面平行或垂直时，劳厄斑点会出现相应的对称性。现相应的对称性。92材料测试技术材料测试技术（5）劳厄法的应用）劳厄法的应用1、测晶体的取向；、测晶体的取向；2、

76、测晶体的对称性；、测晶体的对称性；3、鉴定物质是晶态或非晶态；、鉴定物质是晶态或非晶态；4、粗略地观察晶体的完整性。、粗略地观察晶体的完整性。93材料测试技术材料测试技术2、转晶法、转晶法（1）原理）原理（见书）（见书）94材料测试技术材料测试技术（2）转晶法的应用）转晶法的应用测单晶的晶胞常数测单晶的晶胞常数cos =nd*/(1/ )其中：其中：1/ 为反射球的半径为反射球的半径将将d*=1/T代入，得：代入，得：T=n /cos 由由tg =R/ln得：得：T=n 1+(R/ln)21/2nd*COP圆锥的圆锥的顶角顶角2 R95材料测试技术材料测试技术转晶法的应用：转晶法的应用：1、测

77、定单晶样品的晶胞常数；、测定单晶样品的晶胞常数；2、观察晶体的系统消光规律，以确、观察晶体的系统消光规律，以确定晶体的空间群。定晶体的空间群。96材料测试技术材料测试技术二、多晶体的研究方法二、多晶体的研究方法研究多晶体一般采用单色研究多晶体一般采用单色X射线来进行衍射，射线来进行衍射，多晶体的衍射方法有两种，即：多晶体的衍射方法有两种，即：1、粉末照相法：用照相底片记录衍射图。可粉末照相法：用照相底片记录衍射图。可分为德拜分为德拜谢乐法（简称德拜法）、聚焦法和针谢乐法（简称德拜法）、聚焦法和针孔法，其中德拜法应用最普遍，照相法一般均指孔法，其中德拜法应用最普遍，照相法一般均指德拜法。德拜法。

78、2、衍射仪法：用计数器记录衍射图。衍射仪法：用计数器记录衍射图。97材料测试技术材料测试技术1、粉末照相法、粉末照相法（1）原理）原理22 01802 98材料测试技术材料测试技术（2）德拜法底片的安装方法：）德拜法底片的安装方法：2 不对称法不对称法01802 正装法正装法0902 反装反装法法018090099材料测试技术材料测试技术2 2 RS由由S=R4 得：得： =57.3S/4R由布拉格公式由布拉格公式:2dsin = 得与该衍射线对应的晶面间距，将各衍射线指标化，得与该衍射线对应的晶面间距，将各衍射线指标化，即确定某衍射线由哪一族晶面即确定某衍射线由哪一族晶面(hkl)反射而成，

79、进而反射而成，进而确定该晶体的晶胞常数及晶体结构。确定该晶体的晶胞常数及晶体结构。100材料测试技术材料测试技术（3）粉末照相）粉末照相法试样的制备：法试样的制备：粉末照相粉末照相法的样品安装在相机的中心轴上，法的样品安装在相机的中心轴上，样品一般要经过样品一般要经过粉碎、研磨、过筛粉碎、研磨、过筛（250325目）目）等过程，样品粒度约为等过程，样品粒度约为44m，样品不能太粗也，样品不能太粗也不能太细，太粗时被射线照射体积内晶粒数减不能太细，太粗时被射线照射体积内晶粒数减少，会使衍射线呈不连续状，由一些小斑点组少，会使衍射线呈不连续状，由一些小斑点组成；太细时会使衍射线宽化，不便于后续测量

80、。成；太细时会使衍射线宽化，不便于后续测量。101材料测试技术材料测试技术（4）粉末照相法的特点：）粉末照相法的特点：样品用量少，样品用量少，0.1mg即可；即可；所有衍射线都记录在一张底片上，便于所有衍射线都记录在一张底片上，便于保存；保存；拍摄时间短，只需几秒钟，但需冲底片拍摄时间短，只需几秒钟，但需冲底片等烦等烦琐程序。琐程序。102材料测试技术材料测试技术2、衍射仪法衍射仪法X射线衍射仪是以特征射线衍射仪是以特征X射线照射多晶体样射线照射多晶体样品，以辐射探测器记录衍射信息的实验装置。品，以辐射探测器记录衍射信息的实验装置。衍射仪以其方便、快速、准确、制样方便衍射仪以其方便、快速、准确

81、、制样方便及可自动进行数据处理等特点在许多领域已取及可自动进行数据处理等特点在许多领域已取代了照相法，已成为晶体结构分析等工作中的代了照相法，已成为晶体结构分析等工作中的重要方法。重要方法。衍射仪主要由衍射仪主要由X射线发生器、测角仪、辐射射线发生器、测角仪、辐射探测器、辐射探测电路及计算机和分析软件等探测器、辐射探测电路及计算机和分析软件等五部分组成。五部分组成。103材料测试技术材料测试技术104材料测试技术材料测试技术XRD测角仪部分照片测角仪部分照片105材料测试技术材料测试技术（1）X射线测角仪射线测角仪测角仪的结构见下图：测角仪的结构见下图：106材料测试技术材料测试技术衍射仪的光

82、路图：衍射仪的光路图：107材料测试技术材料测试技术（2）衍射仪的强度测量系统）衍射仪的强度测量系统衍射仪的强度测量系统：衍射仪的强度测量系统：包括探测器、定标器、计数率仪包括探测器、定标器、计数率仪衍射线强度的记录：衍射线强度的记录：探测器固定在某个角位置，定时计数或定数计时。探测器固定在某个角位置，定时计数或定数计时。108材料测试技术材料测试技术探测器探测器探测器是将光信号转变成电信号的装置。探测器是将光信号转变成电信号的装置。正比计数管：正比计数管：金属圆筒金属圆筒（阴极）（阴极）金属丝金属丝（阳极）（阳极）惰性气体惰性气体计数率高达计数率高达106cps(每秒每秒脉冲次数脉冲次数10

83、9材料测试技术材料测试技术记录显示系统记录显示系统波高分析器：波高分析器：滤去脉冲信号中过高或过低的滤去脉冲信号中过高或过低的脉冲。脉冲。计数率仪计数率仪：将脉冲信号转化为正比于脉冲速：将脉冲信号转化为正比于脉冲速率的直流电压。率的直流电压。定标器定标器：对脉冲定数计时或定时计数进行累：对脉冲定数计时或定时计数进行累进计数。进计数。110材料测试技术材料测试技术连续扫描法：连续扫描法：用连续扫描即样品和计数器以用连续扫描即样品和计数器以1:2的角速度的角速度进行联动扫描，获得进行联动扫描，获得I2曲线图谱的扫描曲线图谱的扫描方式。其优点是：扫描速度快、工作效率方式。其优点是：扫描速度快、工作效

84、率高。多用于对样品的全扫描测量（如物相高。多用于对样品的全扫描测量（如物相定性分析等）。定性分析等）。衍射仪的工作方式衍射仪的工作方式111材料测试技术材料测试技术步进扫描（阶梯扫描）步进扫描（阶梯扫描）：探测器以一定的角度间隔移动，探测器每移探测器以一定的角度间隔移动，探测器每移动一步，停留一定的时间，并以定标器测定动一步，停留一定的时间，并以定标器测定该时间段内的总计数，以此重复。分为该时间段内的总计数，以此重复。分为定时定时计数（计数（FT)和和定数计时（定数计时（FC)两种计数方式。两种计数方式。这种扫描方式这种扫描方式测量精度高，适于做定量分测量精度高，适于做定量分析工作。析工作。1

85、12材料测试技术材料测试技术（4）实验条件的选择以及试样的制备）实验条件的选择以及试样的制备实验条件的选择：实验条件的选择：发散狭缝的发散角选择、发散狭缝的发散角选择、接受狭缝宽度的选择、防散射狭缝的宽度、扫接受狭缝宽度的选择、防散射狭缝的宽度、扫描速度、走纸速度、时间常数、记录器记录的描速度、走纸速度、时间常数、记录器记录的范围范围2 角。角。（3）衍射线积分强度的测量）衍射线积分强度的测量113材料测试技术材料测试技术114材料测试技术材料测试技术115材料测试技术材料测试技术116材料测试技术材料测试技术117材料测试技术材料测试技术118材料测试技术材料测试技术119材料测试技术材料测

86、试技术120材料测试技术材料测试技术PeakIDExtendedReport(4Peaks,MaxP/N=11.7)YJ11.rawY13PEAK:37-pts/ParabolicFilter,Threshold=3.0,Cutoff=0.1%,BG=3/1.0,Peak-Top=Summit2-Thetad(A)II%Phased(A)I%hkl2-ThetaDelta28.5003.1293574100.0 PrO23.1188100.011128.5970.09733.0802.705815326.7 PrO22.701027.620033.1400.06047.4801.9133278

87、48.4 PrO21.909944.022047.5700.09056.4191.629521337.1 PrO21.628832.031156.4490.029121材料测试技术材料测试技术试样的制备试样的制备：晶粒尺寸：晶粒尺寸：5微米，最好在微米，最好在15微米。微米。试样的厚度：试样的厚度：有效穿透深度有效穿透深度X（该深度所产生的衍（该深度所产生的衍射强度为总衍射强度的射强度为总衍射强度的95%）衍射百分数衍射百分数=对厚度积分对厚度积分/对衍射强度积分对衍射强度积分=1-exp(-2 x/sin )=95%X=1.5sin / （线吸收系数）（线吸收系数）122材料测试技术材料测试

88、技术方法：方法：放在旋转振动盘上，振动一段时间放在旋转振动盘上，振动一段时间加各相同性物质（加各相同性物质（MgO粉末粉末)可破坏择优取向。可破坏择优取向。粉末平板试样的制备粉末平板试样的制备：制备试样时，可以把粉末试样倾入用玻璃或塑料制备试样时，可以把粉末试样倾入用玻璃或塑料板制成的盛放板中，将粉末轻轻压紧，不加粘结板制成的盛放板中，将粉末轻轻压紧，不加粘结剂，然后削去多余粉末，压力不能过大，否则容剂，然后削去多余粉末，压力不能过大，否则容易产生择优取向。所用样品需要一定的细度。如易产生择优取向。所用样品需要一定的细度。如试样的数量少时，需用如加拿大树胶液，涂于玻试样的数量少时，需用如加拿大

89、树胶液，涂于玻璃片上。璃片上。123材料测试技术材料测试技术abc124材料测试技术材料测试技术作作业业1、XRD粉末样品必须满足的两个条件是什么？XRD对粉末样品有何要求？粉末样品为什么不能太粗也不能太细？2、XRD对块状样品有何要求？XRD能否直接测量断面？125材料测试技术材料测试技术第六节第六节X射线物相分析射线物相分析在材料研究中，经常需要知道某种材料由哪在材料研究中，经常需要知道某种材料由哪几种物质组成，某种物质又以何种状态存在，几种物质组成，某种物质又以何种状态存在，研究这类问题就叫研究这类问题就叫物相分析物相分析。物相是指由材料中各元素作用形成的具有同物相是指由材料中各元素作用

90、形成的具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。它与材料中的化学成分或化学组成不同。分。它与材料中的化学成分或化学组成不同。X射线物相分析可分为物相定性分析和物相射线物相分析可分为物相定性分析和物相定量分析。定量分析。126材料测试技术材料测试技术一、一、物相定性分析物相定性分析物相定性分析用粉末照相法和衍射仪物相定性分析用粉末照相法和衍射仪法均可进行，其程序是：先制样并获得该法均可进行，其程序是：先制样并获得该样品的衍射花样；然后测定各衍射线条的样品的衍射花样；然后测定各衍射线条的衍射角并将其换算成晶面间距衍射角并将其换算成晶面间距d；再测出；再测

91、出各条衍射线的相对强度；最后和各种结晶各条衍射线的相对强度；最后和各种结晶物质的物质的标准衍射花样标准衍射花样进行对比鉴定。因此，进行对比鉴定。因此，物相分析也叫物相鉴定。物相分析也叫物相鉴定。127材料测试技术材料测试技术物相定性分析的原理：物相定性分析的原理：每种晶态物质都有其特有的结构，每种晶态物质都有其特有的结构，因此也就有其独特的衍射花样，这就因此也就有其独特的衍射花样，这就像我们用照片和指纹识别人一样。那像我们用照片和指纹识别人一样。那么，物相定性分析的原理就是将待测么，物相定性分析的原理就是将待测物质的衍射花样和各种物质的标准衍物质的衍射花样和各种物质的标准衍射花样对比进行鉴定，

92、因此，物相定射花样对比进行鉴定，因此，物相定性分析也叫物相鉴定。性分析也叫物相鉴定。128材料测试技术材料测试技术关于标准衍射花样：关于标准衍射花样：早在早在1938年，年，Hanawalt等人就开始制作标准物质的衍射等人就开始制作标准物质的衍射花样，并将其进行科学的整理和分类。花样，并将其进行科学的整理和分类。1942年，美国材料试验协会年，美国材料试验协会(TheAmericanSocietyforTestingMaterials,简称简称ASTM)就开始出版就开始出版ASTM卡片卡片。1969年，成立了年，成立了“国际粉末衍射标准联合委员会国际粉末衍射标准联合委员会”（TheJointC

93、ommitteeonPowerDiffractionStandards,简简称称JCPDS，也叫，也叫JCPDS卡片卡片）专门收集、校订各种物质的衍）专门收集、校订各种物质的衍射数据，并对其进行分类、编号，制成卡片出版，这种卡片射数据，并对其进行分类、编号，制成卡片出版，这种卡片被命名为被命名为“粉末衍射卡组粉末衍射卡组”（ThePowerDiffractionFile），），简称简称PDF卡片卡片。这种卡片现在已经发展了数万张之多，几乎。这种卡片现在已经发展了数万张之多，几乎涵盖了材料学科的各个领域。涵盖了材料学科的各个领域。卡片分为有机物和无机物两大类，每张卡片上记录着一种卡片分为有机物和

94、无机物两大类，每张卡片上记录着一种结晶物质的粉末衍射数据，查阅卡片，就可知道该物质的粉结晶物质的粉末衍射数据，查阅卡片，就可知道该物质的粉末衍射数据和其他很多信息末衍射数据和其他很多信息。129材料测试技术材料测试技术1 1、PDFPDF卡片的格式及卡片所提供的信息：卡片的格式及卡片所提供的信息： 老式卡片：老式卡片：130材料测试技术材料测试技术PDF#50-1429:TinOxideSnO2Radiation=CuKa1 Lambda=1.5406Filter=Calibration=d-Cutoff=I/Ic(RIR)=Ref=Level-1PDFCubic,Pa-3(205)Z=4mp

95、=Cell=4.87x4.87x4.87Pearson=Density(c)=8.666Density(m)=Mwt=Vol=Ref=Ibid.StrongLine:2.81/X1.47/52.43/51.72/41.41/11.12/1d(A)I(f)hkln22-Theta2.8120100.0111331.7962.435048.0200436.883 新式卡片：新式卡片：131材料测试技术材料测试技术2、索引、索引字顺索引（名称索引）字顺索引（名称索引）：按物质的：按物质的英文名称或物质学名的字母顺序排列，英文名称或物质学名的字母顺序排列，每种物质的名称后面列出其化学分子每种物质的名称

96、后面列出其化学分子式，三根最强线的式，三根最强线的d值值和和相对强度相对强度I/I0数据数据，以及与该物质对应的，以及与该物质对应的JCPDS卡卡片的顺序号等，便于查阅。片的顺序号等，便于查阅。该索引适该索引适用于对样品中的信息已知的情况。用于对样品中的信息已知的情况。132材料测试技术材料测试技术哈那瓦尔特索引哈那瓦尔特索引:按衍射线的三条最强线的按衍射线的三条最强线的d值值排列，另有五条按强度次序排列作为参考的排列，另有五条按强度次序排列作为参考的较强线条。每种物质的衍射线在索引中重复三较强线条。每种物质的衍射线在索引中重复三次，第一次按三条最强线的强度次序排列。然次，第一次按三条最强线的

97、强度次序排列。然后以这一次序为循环次序，选另一强线作第一后以这一次序为循环次序，选另一强线作第一强线，依次的为第二、第三强线。这三条强线强线，依次的为第二、第三强线。这三条强线都作为第一强线排列过一次。都作为第一强线排列过一次。芬克索引：考虑试样为多相、吸收、晶粒则优芬克索引：考虑试样为多相、吸收、晶粒则优取向，将取向，将8强线的强线的d值作为分析依据。值作为分析依据。以上两索引也叫以上两索引也叫数字索引数字索引。他们适用于对样品他们适用于对样品中的信息不清楚的情况。中的信息不清楚的情况。133材料测试技术材料测试技术134材料测试技术材料测试技术3、物相定性分析的一般步骤：、物相定性分析的一

98、般步骤： 样品制备；样品制备； 获取待测试样的衍射花样（也叫衍射谱线）；获取待测试样的衍射花样（也叫衍射谱线）； 根据衍射线的位置计算各衍射线的晶面间距；根据衍射线的位置计算各衍射线的晶面间距； 估算估算衍射线的相对强度；衍射线的相对强度； 查阅索引；查阅索引； 核对卡片并确定物相。核对卡片并确定物相。135材料测试技术材料测试技术4、物相定性分析的注意事项：、物相定性分析的注意事项：（1）、实验条件影响衍射花样，因此，要选择）、实验条件影响衍射花样，因此，要选择合适的实验条件；合适的实验条件；（2）、要充分了解样品的来源、化学成分、物）、要充分了解样品的来源、化学成分、物理特性等，这对于作出

99、正确的结论是很有帮助理特性等，这对于作出正确的结论是很有帮助的；的；（3）、可以配合其他方法如电子显微镜、物理）、可以配合其他方法如电子显微镜、物理或化学方法等，联合进行准确的判定。或化学方法等，联合进行准确的判定。136材料测试技术材料测试技术5、衍射仪物相定性分析的特点：、衍射仪物相定性分析的特点：（1）、不是做元素分析，而是做元素或组元）、不是做元素分析，而是做元素或组元所处的化学状态；所处的化学状态；（2）、可区别化合物的同素异构态；）、可区别化合物的同素异构态；（3）当样品由多成分构成时，能区别是以混）当样品由多成分构成时，能区别是以混合物还是以固溶体形式存在；合物还是以固溶体形式存

100、在；（4）、只有少量样品就可分析，且不消耗样）、只有少量样品就可分析，且不消耗样品；品；（5）、样品可以是粉末状、块状、板状、线）、样品可以是粉末状、块状、板状、线状均可。状均可。137材料测试技术材料测试技术6、X射线物相定性分析的局限性：射线物相定性分析的局限性：（1）、样品必须是结晶态的（气体、液体、非）、样品必须是结晶态的（气体、液体、非晶物质不能用晶物质不能用X射线衍射的方法做物相分析）；射线衍射的方法做物相分析）；（2）、微量的混合物难以检出（检出的极限量）、微量的混合物难以检出（检出的极限量依物质而异，一般为依物质而异，一般为110%左右）；左右）；（3）、当衍射的）、当衍射的X

101、射线强度很弱时难以做物相射线强度很弱时难以做物相分析。分析。138材料测试技术材料测试技术二、定量分析二、定量分析基本原理：基本原理：由于各物相的衍射线的强度由于各物相的衍射线的强度随该物相在材料中的含量的增加而增加，随该物相在材料中的含量的增加而增加，二者之间有一定的关系，一般不为线性二者之间有一定的关系，一般不为线性关系（原因是：衍射线的强度显著地取关系（原因是：衍射线的强度显著地取决于材料的吸收系数，而该系数本身又决于材料的吸收系数，而该系数本身又随含量而变化。），根据材料中各物相随含量而变化。），根据材料中各物相衍射线的强度比，推算各物相的相对含衍射线的强度比，推算各物相的相对含量。量

102、。139材料测试技术材料测试技术I=I0F2Pe-2Me4 3V1+cos22 1m2c432 RV02sin2 cos 2 单相物质的强度单相物质的强度多相物质的强度多相物质的强度Ij=I0F2Pe-2Me4 3vjV1+cos22 1m2c432 RV02sin2 cos 2 混混其中：其中：vj为为j相的相的体积百分数体积百分数e4 3m2c432 RB=I0VIj=F2P1+cos22 e-2MV02sin2 cos 2（与实验条件有关的常数）（与实验条件有关的常数）（与相的结构及实与相的结构及实验条件有关的常数）验条件有关的常数）140材料测试技术材料测试技术有以下关系：有以下关系：

103、Ij=BCjvj/ 混混用某一相的质量百分数用某一相的质量百分数 j代替体积百分数代替体积百分数vj=Vj/V=(Wj j)/V=(W/V)( j/ j)= ( j/ j) 混混= 混混m = ( m)j j( j/ j) ( m)j jIj=BCj定量分析的基本公式定量分析的基本公式该公式的特点该公式的特点：直接把第：直接把第j相的某根衍射相的某根衍射线强度与该相的质量百分数线强度与该相的质量百分数 j联系起来联系起来141材料测试技术材料测试技术具体方法有直接对比法、内标法、外标法、具体方法有直接对比法、内标法、外标法、K值法值法1、直接对比法（见、直接对比法（见p71)2、内标法、内标法

104、定义定义：多相试样中物相多相试样中物相j和其它相的和其它相的 m不等，不等，求物相求物相j的含量时，在试样中加入一种标准物的含量时，在试样中加入一种标准物相相S进行分析的定量法。进行分析的定量法。公式推导见公式推导见p73Ij/IS=C j142材料测试技术材料测试技术步骤：步骤： 配置一系列标准试样（待测物相的含量已配置一系列标准试样（待测物相的含量已知知、标准物相的、标准物相的 S一定）；一定）； 测量衍射线的强度比；测量衍射线的强度比； 作出作出Ij/IS和和 j曲线（定标曲线）；曲线（定标曲线）； 测未知试样的测未知试样的Ij/IS，在曲线上确定未知，在曲线上确定未知试样的含量（所加标

105、准试样的试样的含量（所加标准试样的 S同上）同上）143材料测试技术材料测试技术注意：注意：标准物相的含量恒定；标准物相的含量恒定；衍射线的选择要两相衍射角相近、衍射强衍射线的选择要两相衍射角相近、衍射强度也比较相近的衍射线，且不受其它衍射度也比较相近的衍射线，且不受其它衍射线的干扰。线的干扰。3、外标法、外标法定义：对比试样中待测相的某条衍射线和定义：对比试样中待测相的某条衍射线和该纯相（外标物质）的同一衍射线的强度该纯相（外标物质）的同一衍射线的强度获取该相物质在未知试样中的含量。（一获取该相物质在未知试样中的含量。（一般用于两相系统）。般用于两相系统）。144材料测试技术材料测试技术作作

106、业业1、说说物相定性分析的程序及注意事、说说物相定性分析的程序及注意事项。项。2、PDF卡片向我们提供了哪些有用的卡片向我们提供了哪些有用的信息？信息？3、在进行物相定性分析时，送样时应、在进行物相定性分析时，送样时应向实验人员提供哪些信息？向实验人员提供哪些信息？145材料测试技术材料测试技术第七节：点阵常数（晶胞参数）测定第七节：点阵常数（晶胞参数）测定一、意义一、意义1、区别射线的种类（、区别射线的种类（ 、 、 射线射线）2、求晶胞参数、求晶胞参数3、有助于研究晶体的有序无序、择优取向、晶粒大小、有助于研究晶体的有序无序、择优取向、晶粒大小、杂质的存在状态等。杂质的存在状态等。二、方法

107、二、方法1、衍射图的指标化（求出各衍射线的衍射指数）、衍射图的指标化（求出各衍射线的衍射指数）2点阵常数的计算点阵常数的计算146材料测试技术材料测试技术第八节：第八节：X射线衍射分析在其他方射线衍射分析在其他方面的应用面的应用147材料测试技术材料测试技术材料学院材料学院XRD简介简介148材料测试技术材料测试技术仪器型号：仪器型号：Dmax2200pc型型X-RayDiffractometer生产厂家：生产厂家：日本理学公司（日本理学公司（Rigaku)分析软件：分析软件：美国美国Jade5XRDpatternprocessing程序程序X X射线衍射仪概况射线衍射仪概况购置时间：购置时间

108、：2002年年10月月PDF卡片版本：卡片版本：2004年版年版149材料测试技术材料测试技术X射线衍射分析的基本原理X射线衍射分析最基本的原理是遵循射线衍射分析最基本的原理是遵循Bragg方程：方程：在满足在满足Bragg方程的基础上，在不产生系方程的基础上，在不产生系统消光的前提下，不同的晶面（其统消光的前提下，不同的晶面（其d值不值不同）就会在不同的方向上（同）就会在不同的方向上（角）产生不角）产生不同强度的衍射峰。那么就可以根据这些同强度的衍射峰。那么就可以根据这些衍射峰的形状、位置和高低来进行不同衍射峰的形状、位置和高低来进行不同的分析。的分析。150材料测试技术材料测试技术XRD原

109、理示意图151材料测试技术材料测试技术152材料测试技术材料测试技术X射线衍射分析的基本应用射线衍射分析的基本应用物相定性分析（这是物相定性分析（这是XRD最基本、最常见的应用。最基本、最常见的应用。其原理是和国际标准委员会出版的标准物质的其原理是和国际标准委员会出版的标准物质的PDF卡片对比分析）；卡片对比分析）；物相定量分析；物相定量分析；晶胞参数的测定（也叫点阵参数的测定）；晶胞参数的测定（也叫点阵参数的测定）；固溶体类型的测定和固溶体固溶度的测定；固溶体类型的测定和固溶体固溶度的测定；结晶度的测定；结晶度的测定；晶粒度和嵌镶块尺度的测定；晶粒度和嵌镶块尺度的测定；薄膜样品的测定（适用于

110、膜厚小于薄膜样品的测定（适用于膜厚小于100nm的情况）；的情况）；残余应力的测量等。残余应力的测量等。153材料测试技术材料测试技术154材料测试技术材料测试技术全非晶样品的全非晶样品的XRD图图155材料测试技术材料测试技术有部分结晶相的有部分结晶相的XRD图图156材料测试技术材料测试技术利用利用Jade5软件对上图进行求结晶度的拟合软件对上图进行求结晶度的拟合XRD图图157材料测试技术材料测试技术上图求结晶度的拟合结果上图求结晶度的拟合结果158材料测试技术材料测试技术159材料测试技术材料测试技术谢乐方程：160材料测试技术材料测试技术图1.分析结果形式XRD谱线的几种常见形式16

111、1材料测试技术材料测试技术图2.一般论文中所用形式162材料测试技术材料测试技术图3.局部放大或叫图中图形式（论文中也常用）163材料测试技术材料测试技术图4.多谱线叠加形式（论文中也常用）164材料测试技术材料测试技术图5.多图叠加的三维显示形式（一）165材料测试技术材料测试技术图6.多图叠加的三维显示形式（二）166材料测试技术材料测试技术图7.多图叠加的三维显示形式（三）167材料测试技术材料测试技术XRD谱线原始数据的格式及意义谱线原始数据的格式及意义12#15.000133989310510713011011915.1602048091143134109707915.3201301

112、211081198115810815915.48068133801071338118611815.64043158811111981461296715.8006880841298193928915.960166107983811811214312416.1201357195105845110710716.280104887510710110217513316.44012710710493103133140143168材料测试技术材料测试技术XRD分析数据形式（一）及意义PeakSearchReport(52Peaks,MaxP/N=5.9)RQ68.raw700PEAK:31-pts/Para

113、bolicFilter,Threshold=3.0,Cutoff=0.1%,BG=3/1.0,Peak-Top=Summit2-Thetad(A)BGHeight I%AreaFWHMXS(A)5.235 16.8657353964.720920.370 2836.301 14.0153284773.816380.362 2949.038 9.7768181542.614430.454 2059.740 9.0733174572.89390.280 52110.780 8.20031661879.153330.485 18828.101 3.17287725812.663480.418 228

114、28.921 3.084716932215.779310.419 22831.780 2.81342212052100.0 921190.763 11332.880 2.7218292101849.6274260.458 204169材料测试技术材料测试技术XRD分析数据形式（二）及意义PeakIDExtendedReport(14Peaks,MaxP/N=10.4)GLT10.raw14#PEAK:23-pts/ParabolicFilter,Threshold=3.0,Cutoff=0.1%,BG=3/1.0,2-Thetad(A)I%PhaseIDd(A)I%hkl2-ThetaDelt

115、a25.319 3.5147 100.0 Anatase3.5200100.0 10125.281-0.03927.459 3.2455 63.4Rutile 3.2474100.0 11027.443-0.01736.100 2.4860 26.4Rutile 2.486742.1 10136.090-0.01037.859 2.3744 16.5Anatase2.378020.0 00437.800-0.05938.580 2.3317 5.0Anatase2.332010.0 11238.5750.00541.260 2.1862 12.9Rutile 2.186716.3 11141.

116、251-0.00944.022 2.0552 4.5Rutile 2.05385.821044.0540.032170材料测试技术材料测试技术PDF卡片的形式及卡片提供的信息PDF#50-1429:TinOxideSnO2Radiation=CuKa1Lambda=1.5406Filter=Calibration=d-Cutoff=I/Ic(RIR)=Ref=Level-1PDFCubic,Pa-3(205)Z=4mp=Cell=4.87x4.87x4.87Pearson=Density(c)=8.666Density(m)=Mwt= Vol=Ref=Ibid.StrongLine:2.81/

117、X1.47/52.43/51.72/41.41/11.12/1d(A) I(f)hkln22-Theta2.8120100.0 111331.7962.435048.0200436.883171材料测试技术材料测试技术X射线衍射分析对样品的要求射线衍射分析对样品的要求我们的衍射仪只能做固体样品中的粉末样和块样；对于纤维等丝状样品和生物样品我们无附件。另外，我们有薄膜附件，可做纳米级薄层样品的分析。粉末样品：粒度一般为44左右，或过300目筛。样品太少时，可用拇指和食指撮，无明显颗粒感即可。块状样品：待测面必须是平面，若样品可加工，最好加工成2018的方块。172材料测试技术材料测试技术图8.粉

118、末样品架示意图173材料测试技术材料测试技术送样品和分析时的注意事项送样品和分析时的注意事项送样时必须注明以下信息：送样时必须注明以下信息：待分析项目和所要的图形格式；待分析项目和所要的图形格式；试样的来源、化学组成和物理特性等，尤其是化学组试样的来源、化学组成和物理特性等，尤其是化学组成，这些对于作出正确的结论是很有帮助的。成，这些对于作出正确的结论是很有帮助的。要确定样品中含量较少的物相时，可用物理或化学方要确定样品中含量较少的物相时，可用物理或化学方法进行富集浓缩。法进行富集浓缩。样品有择优取向时，必须说明。样品有择优取向时，必须说明。尽量将尽量将XRD分析结果和其他分析方法结合起来，如

119、分析结果和其他分析方法结合起来，如TEM、偏光显微镜等。、偏光显微镜等。174材料测试技术材料测试技术第二章第二章电子显微分析电子显微分析 概述概述 电子光学基础电子光学基础 电子与固体物质的相互作用电子与固体物质的相互作用 透射电子显微镜（透射电子显微镜（ TEM ) 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 （SEM ) 电子探针电子探针X射线显微分析（射线显微分析（EPMA) 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 （STM)简介简介 原子力显微镜（原子力显微镜（AFM)简介简介 电子显微分析在无机非金属材料中的应用电子显微分析在无机非金属材料中的应用第二章第二章电子显微分析电子显微分析175材料测试技术材料

120、测试技术2.1概述电子显微分析的概念：电子显微分析的概念：是利用聚焦电子束与试是利用聚焦电子束与试样相互作用产生的各种物理信号，分析试样物样相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。质的微区形貌、晶体结构和化学组成。本章将介绍以下几种大型分析仪器：本章将介绍以下几种大型分析仪器：(1).透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM)(2).扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM)(3).电子探针电子探针EPMA包括包括x射线能谱仪射线能谱仪（EDS）和和x射线波谱仪（射线波谱仪（WDS）(4).扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM)(5).原子力显微镜（原子力显微镜（A

121、FM)2.1概述概述176材料测试技术材料测试技术电子显微分析的特点电子显微分析的特点:可在极高放大倍率下观察试样形貌、结可在极高放大倍率下观察试样形貌、结构、选择分析区域；构、选择分析区域；它是微区分析方法，能进行纳米尺度的它是微区分析方法，能进行纳米尺度的晶体结构和化学组成分析；晶体结构和化学组成分析；可进行形貌、物相、晶体结构和化学组可进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。成等的综合分析。电子显微分析的特点电子显微分析的特点:177材料测试技术材料测试技术电子显微镜总的原理：电子显微镜总的原理：尽管各类显微镜所依据的物理基础可能不同，但其基尽管各类显微镜所依据的物理基础可能不同

122、，但其基本工作原理是类似的：本工作原理是类似的：首先首先，都是采用由某种照明源产生的照明束照射样品；，都是采用由某种照明源产生的照明束照射样品；其次其次，将照明束与样品的作用结果由成像放大系统进，将照明束与样品的作用结果由成像放大系统进行放大处理；行放大处理；最后最后，构成适合于人眼观察的放大像。，构成适合于人眼观察的放大像。178材料测试技术材料测试技术2.2 电子光学基础（1）.光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性普通光学显微镜的局限性主要有三点：即放大普通光学显微镜的局限性主要有三点：即放大倍数低、放大倍数不能连续可调和样品观察面倍数低、放大倍数不能连续可调和样品观察面必须是镜面。必须是

123、镜面。分辨本领低（分辨本领低（分辨本领分辨率分辨本领分辨率）光学显微镜分辨率公式为：光学显微镜分辨率公式为：r=0.61nsina（nm）r分辨率分辨率光源的波长（光源的波长（nm）n透镜上、下方介质的折射率透镜上、下方介质的折射率a透镜孔径半角透镜孔径半角2.2 电子光学基础电子光学基础179材料测试技术材料测试技术由此式可以看出：由此式可以看出：提高光学显微镜的分辨本领有以下途径：提高光学显微镜的分辨本领有以下途径：(1) 、增加介质的折射率；即、增加介质的折射率；即n则则r (2) 、增大物镜孔径半角；即、增大物镜孔径半角；即a则则r (3) 、采用短波长的照明源。即、采用短波长的照明源

124、。即 则则r180材料测试技术材料测试技术运动中的电子也具有波粒二象性。运动中的电子也具有波粒二象性。电子波的波长公式为：电子波的波长公式为：12.25V（）V电子加速电压电子加速电压可见电子波的波长与其加速电压的平方可见电子波的波长与其加速电压的平方根成反比。电镜中加速电压很高，因此根成反比。电镜中加速电压很高，因此其分辨率很高。其分辨率很高。(2.)电子的波性及其波长电子的波性及其波长181材料测试技术材料测试技术关于分辨率：关于分辨率：通常人眼的分辨率是通常人眼的分辨率是0.2mm，光学显微，光学显微镜的分辨率是镜的分辨率是200nm，电子显微镜的分，电子显微镜的分辨率最高可达辨率最高可

125、达0.1nm。电子显微镜不仅分。电子显微镜不仅分辨率高，而且还产生与此同等重要的有辨率高，而且还产生与此同等重要的有关物质微观结构的其它信息。关物质微观结构的其它信息。182材料测试技术材料测试技术(3.)电子在电场中的运动和电子透镜电子在电场中的运动和电子透镜电子在静电场中的运动：电子在静电场中的运动：电子在静电场中受到电场力的作用将产电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度，电场力不仅改变电子运动的生加速度，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。能量，而且也改变电子的运动方向。一般可把电场看成由一系列等电位面分一般可把电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成。如下图所

126、示。割的等电位区构成。如下图所示。183材料测试技术材料测试技术AB是等电位面，上方电位为是等电位面，上方电位为V1,下方为下方为V2,电子运动速度分别为电子运动速度分别为1.2.则：则：1sin=2sin因为因为1=(2eV1m)2=(2eV2m)所以所以sinsin=12=(V2V1)该式说明：该式说明：电场中等电位面是对电电场中等电位面是对电子折射率相同的表面，与光学系统子折射率相同的表面，与光学系统中两介质界面起相同的作用。中两介质界面起相同的作用。ABV1V2oett12184材料测试技术材料测试技术静电透镜静电透镜:和普通光学一样和普通光学一样,一定形状的等电位曲面族一定形状的等电

127、位曲面族也可使电子束聚焦成像也可使电子束聚焦成像.把产生这种旋转对成把产生这种旋转对成等电面族的电极装置叫等电面族的电极装置叫静电透镜。静电透镜。静电透镜有两极式和三极式静电透镜有两极式和三极式.静电透镜总是会静电透镜总是会聚透镜。聚透镜。早期的电镜中使用的都是静电透镜早期的电镜中使用的都是静电透镜,因其会因其会导致击穿、弧光放电、不能很好地校正球差导致击穿、弧光放电、不能很好地校正球差等缺点等缺点,因此现代电镜已不用静电透镜而改用因此现代电镜已不用静电透镜而改用磁透镜。磁透镜。185材料测试技术材料测试技术旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，电子光学中

128、用电子束聚焦成像的磁场是非匀电子光学中用电子束聚焦成像的磁场是非匀强磁场，其等磁位面形状与静电透镜中的等强磁场，其等磁位面形状与静电透镜中的等电位面相似。电位面相似。把产生这种旋转对称磁场的线把产生这种旋转对称磁场的线圈装置叫圈装置叫磁透镜。磁透镜。目前电镜中使用的是目前电镜中使用的是极靴磁透镜。极靴磁透镜。它是在它是在短线圈、包壳磁透镜基础上发展而成的。短线圈、包壳磁透镜基础上发展而成的。极靴磁透镜在上下极靴附近有很强的磁场，极靴磁透镜在上下极靴附近有很强的磁场，对电子的折射能力很大，因此透镜焦距很短。对电子的折射能力很大，因此透镜焦距很短。186材料测试技术材料测试技术磁透镜与光学透镜的比

129、较磁透镜与光学透镜的比较:设磁透镜物距设磁透镜物距L1,像距像距L2，焦距，焦距f，放大倍数，放大倍数M，则有：，则有：1f=1L11L2M=L2L1=(L2f)f上式说明上式说明（1）.当当L2一定时，一定时，M与与f成反比；成反比；（2）.当当L12f时，时，M1即成缩小像即成缩小像（3）.当当f L1 2f时，时，M 1即成放大像即成放大像电磁透镜的焦距常用下式表示：电磁透镜的焦距常用下式表示：f=KVDF(IN)2式中：式中：K比例常数，比例常数，D极靴孔径，极靴孔径，I线圈电流强度线圈电流强度N线圈的圈数，线圈的圈数，F透镜结构系数透镜结构系数该式表明：电磁透镜的焦距总是正的，所以电

130、磁透镜总是该式表明：电磁透镜的焦距总是正的，所以电磁透镜总是会聚透镜。当改变会聚透镜。当改变I时，时，f、M都变化。因此都变化。因此电磁透镜是可变电磁透镜是可变焦距和倍率的会聚透镜焦距和倍率的会聚透镜。这是不同于光学透镜的一个特点。这是不同于光学透镜的一个特点。187材料测试技术材料测试技术(4.) 电磁透镜的像差和理论分辨率电磁透镜的像差和理论分辨率像差的概念：电磁透镜的像与物总有一定的偏像差的概念：电磁透镜的像与物总有一定的偏差，这种现象叫差，这种现象叫像差像差。电磁透镜的主要像差有：电磁透镜的主要像差有：球差、色差、轴上像球差、色差、轴上像散、畸变散、畸变等。等。1.球差：是由于电磁透镜

131、磁场的近轴区和远轴区球差：是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同造成的。对电子束的会聚能力不同造成的。球差是电镜最主要的像差之一，它往往决定电球差是电镜最主要的像差之一，它往往决定电镜的分辨率。减小孔径半角，可减小球差从而镜的分辨率。减小孔径半角，可减小球差从而提高其分辨本领。提高其分辨本领。188材料测试技术材料测试技术2.色差色差：由于成像电子的波长不同引起的像差叫由于成像电子的波长不同引起的像差叫色差色差。引起电子束波长变化的原因有：引起电子束波长变化的原因有：（1）.电子加速电压不稳定；电子加速电压不稳定；（2）.单一能量的电子束照射试样时，入射电子受到弹单一能量的电

132、子束照射试样时，入射电子受到弹性散射，也受到非弹性散射，使其能量损失。性散射，也受到非弹性散射，使其能量损失。因此，就试样来说，因此，就试样来说，试样越薄越有利于减小色差。试样越薄越有利于减小色差。3.轴上色散（简称像散）轴上色散（简称像散）：它是由于透镜磁场它是由于透镜磁场不理想的旋转对称磁场不理想的旋转对称磁场引起的像差。引起的像差。一般电镜上都装有消像散器，可把像散消到容许的程度。一般电镜上都装有消像散器，可把像散消到容许的程度。4.畸变：畸变：球差球差除了影响图像分辨率外，还会除了影响图像分辨率外，还会引起图象畸变引起图象畸变。5.电磁透镜的分辨本领：电磁透镜的分辨本领：分辨本领是电镜

133、最主要的性能指标。目前制造的电镜分分辨本领是电镜最主要的性能指标。目前制造的电镜分辨本领已接近辨本领已接近0.1nm。当然这个数字越小越好。当然这个数字越小越好。189材料测试技术材料测试技术(5.)电磁透镜的场深和焦深：电磁透镜的场深和焦深：场深景深场深景深是指在不影响透镜成像分辨本领的是指在不影响透镜成像分辨本领的前提下，前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离。物平面可沿透镜轴移动的距离。场深场深也是电镜的性能指标之一，也是电镜的性能指标之一，场深越大越好，场深越大越好，表示样品的不平度可以差一些。表示样品的不平度可以差一些。扫描电镜的场深很大，做失效分析是很有用，扫描电镜的场深很大，做失效分

134、析是很有用，可直接观察断口试样的断裂形貌。可直接观察断口试样的断裂形貌。焦深焦深是指在不影响成像分辨率的前提下，是指在不影响成像分辨率的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离。像平面可沿透镜轴移动的距离。焦深也是越大焦深也是越大越好越好，便于照相。，便于照相。190材料测试技术材料测试技术作作业业1、光学显微镜用（、光学显微镜用（）做照明源，其最小分辨）做照明源，其最小分辨率为（率为（）；电子显微镜以（）；电子显微镜以（）做照明源，）做照明源，其分辨率可达（其分辨率可达（），通常人眼的分辨率是（），通常人眼的分辨率是（）。）。2、电磁透镜的像差指的是（、电磁透镜的像差指的是（），电磁透），电磁透镜

135、的像差主要有（镜的像差主要有（）、（）、（）、（）、（）、）、（）等。）等。3、解释名词：分辨本领、磁透镜、场深、焦深。、解释名词：分辨本领、磁透镜、场深、焦深。191材料测试技术材料测试技术2.3电子与固体物质的相互作用电子散射电子散射：当电子束沿一定方向射入试样时，在原子库仑力作当电子束沿一定方向射入试样时，在原子库仑力作用下，会改变方向，这就叫用下，会改变方向，这就叫散射散射。弹性散射弹性散射：电子只改变方向无能量变化。：电子只改变方向无能量变化。散射散射它是透射电镜成像的基础。它是透射电镜成像的基础。非弹性散射非弹性散射：它有能量减少，影响分析：它有能量减少，影响分析灵敏度和准确度。灵

136、敏度和准确度。2.3电子与固体物质的相互作用电子与固体物质的相互作用192材料测试技术材料测试技术非弹性散射可以将核外电子激发为二次电子。非弹性散射可以将核外电子激发为二次电子。二次电子能二次电子能量低，分辨率高，是扫描电镜的主要成像手段。量低，分辨率高，是扫描电镜的主要成像手段。入射电子因非弹性散射可得到电子能量损失谱，可用该谱入射电子因非弹性散射可得到电子能量损失谱，可用该谱进行成分分析，这称为进行成分分析，这称为能量分析显微术能量分析显微术；也可选择有特征；也可选择有特征能量的电子成像，称为能量的电子成像，称为能量选择电子显微术。能量选择电子显微术。内层电子激发后的弛豫过程：内层电子激发

137、后的弛豫过程：内层电子被电子轰击后，原子由高能级跃迁到低能级的内层电子被电子轰击后，原子由高能级跃迁到低能级的过程就叫弛豫过程。过程就叫弛豫过程。各种电子信号：各种电子信号：电子与固体物质作用产生除二次电子、俄歇电子和特征电子与固体物质作用产生除二次电子、俄歇电子和特征能量损失电子外，还有背散射电子、透射电子和吸收电子能量损失电子外，还有背散射电子、透射电子和吸收电子等。等。扫描电镜和电子探针用背散射电子成像叫扫描电镜和电子探针用背散射电子成像叫背散射电子像。背散射电子像。背散射电子像的背散射电子像的衬度衬度与成分密切相关，可从背散射电子像与成分密切相关，可从背散射电子像的衬度得出一些元素定性

138、分布情况。的衬度得出一些元素定性分布情况。透射电镜用透射电子成像。透射电镜用透射电子成像。193材料测试技术材料测试技术入射电子束照射固体样品产生的入射电子束照射固体样品产生的各种信号可用下图表示。各种信号可用下图表示。可用这些信号做以下工作：可用这些信号做以下工作：（1）.成像：显示试样的亚微观成像：显示试样的亚微观形貌特征；（形貌特征；（2）.结构分析结构分析.（3）.微区成分分析。微区成分分析。194材料测试技术材料测试技术试样试样nA入射电子束入射电子束俄歇电子俄歇电子背散射电子背散射电子二次电子二次电子特征特征x线线阴极荧光阴极荧光透射电子透射电子束感应效应束感应效应吸收电子吸收电子

139、电子与试样作用产生的电子信号示意图电子与试样作用产生的电子信号示意图195材料测试技术材料测试技术试样透射电子衍射电子吸改电子背反射电子二次电子俄歇电子阴极发光韧致辐射X射线俄歇电子谱仪TEM电子衍射仪XRDEPMASEM入射电子电子与物质相互作用产生的信息196材料测试技术材料测试技术作作业业1、画图说明电子与固体样品相互作用所能产生的、画图说明电子与固体样品相互作用所能产生的物理信号并说明物理信号并说明SEM和和TEM分别用哪些信号成分别用哪些信号成像？在像？在SEM的成像信号中，哪一个信号的成像的成像信号中，哪一个信号的成像分辨率最高？分辨率最高？2、TEM是高分辨率、高放大倍数的显微镜

140、，它是高分辨率、高放大倍数的显微镜，它在哪三个方面是观察和分析材料的有效工具？在哪三个方面是观察和分析材料的有效工具？3、TEM以（以（）为照明源，使用对电子束透）为照明源，使用对电子束透明的（明的（）样品，以（）样品，以（）为成像信号。）为成像信号。197材料测试技术材料测试技术2.4透射电子显微镜透射电子显微镜简称透射电子显微镜简称TEM，是一种高分，是一种高分辨率（可达辨率（可达0.1nm）、高放大倍数（可达）、高放大倍数（可达100万倍）的显微镜，是观察和分析材料万倍）的显微镜，是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。的形貌、组织和结构的有效工具。透射电子显微镜以聚焦电子束为照明

141、源，透射电子显微镜以聚焦电子束为照明源，使用对电子束透明的薄膜试样（几十到使用对电子束透明的薄膜试样（几十到几百几百nm），以透射电子为成像信号。），以透射电子为成像信号。2.4透射电子显微镜198材料测试技术材料测试技术199材料测试技术材料测试技术TEM的工作原理：的工作原理：电子枪产生的电子束经聚光透镜会聚均电子枪产生的电子束经聚光透镜会聚均匀照射在试样某待观察微小区域上，因匀照射在试样某待观察微小区域上，因试样很薄，大部分电子穿透试样，其强试样很薄，大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。透射出的电子经三极磁结构一一对应

142、。透射出的电子经三极磁透镜放大在荧光屏上，荧光屏将其转变透镜放大在荧光屏上，荧光屏将其转变为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上就显出与试样形貌、组织、结构相对上就显出与试样形貌、组织、结构相对应的图像。应的图像。200材料测试技术材料测试技术透射电镜与光学显微镜的区别：光学显微镜用可见光作照明源，光学显微镜用可见光作照明源，TEM用用电子束作照明源。电子束作照明源。光学显微镜用玻璃透镜成像，光学显微镜用玻璃透镜成像，TEM用磁用磁透镜聚焦成像。透镜聚焦成像。因电子波的波长很短，与物质作用遵守因电子波的波长很短，与物质作用遵守Bragg方程，可产生电子衍射现象，

143、使得方程，可产生电子衍射现象，使得TEM具有高分辨率的同时，还有结构分具有高分辨率的同时，还有结构分析的功能。而析的功能。而OM则不能。则不能。透射电镜与光学显微镜的区别：透射电镜与光学显微镜的区别：201材料测试技术材料测试技术TEM的结构及性能指标的结构及性能指标TEM的结构：主要由光学成像系统、的结构：主要由光学成像系统、真空系统、和电气系统组成。其中光真空系统、和电气系统组成。其中光学成像系统是学成像系统是TEM放大成像的核心。放大成像的核心。它是一直立的圆柱体叫镜筒，它包括它是一直立的圆柱体叫镜筒，它包括照明、透镜成像放大及图像观察记录照明、透镜成像放大及图像观察记录等系统。其剖面图

144、如下图所示。等系统。其剖面图如下图所示。202材料测试技术材料测试技术阴极灯丝阴极聚光镜样品物镜中间镜投影镜荧光屏或底板透射电镜光路示意图透射电镜光路示意图203材料测试技术材料测试技术照明部分：照明部分：作用是产生一定能量、足够亮度和小作用是产生一定能量、足够亮度和小孔径角的稳定电子束。由产生电子束的孔径角的稳定电子束。由产生电子束的电子枪电子枪和和使电子束会聚的使电子束会聚的聚光镜聚光镜组成。组成。TEM使用的电子枪是使用的电子枪是三极电子枪三极电子枪，其优点是结构，其优点是结构简单，不需要太高的真空度；缺点是使用寿命短、简单，不需要太高的真空度；缺点是使用寿命短、亮度不够。亮度不够。聚光

145、镜为聚光镜为磁透镜磁透镜，是用来把电子枪射出的电子束，是用来把电子枪射出的电子束会聚照射到样品上。目前使用的高级会聚照射到样品上。目前使用的高级TEM多采用多采用双聚光镜，它可得到更亮的最终聚焦斑。而且加双聚光镜，它可得到更亮的最终聚焦斑。而且加有电磁偏转器，既可垂直照明也可倾斜照明，有电磁偏转器，既可垂直照明也可倾斜照明，这这种电镜既可成明场像也可成暗场像。种电镜既可成明场像也可成暗场像。204材料测试技术材料测试技术成像放大系统成像放大系统：由物镜、中间镜和投影镜组成。由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜的分辨率对整个成像系统影响最大。一般为短焦物镜的分辨率对整个成像系统影响最大。一般为短焦距

146、、高放大倍数、低像差的距、高放大倍数、低像差的强磁透镜强磁透镜。中间镜是长焦距、可变放大倍数的中间镜是长焦距、可变放大倍数的弱磁透镜弱磁透镜。投影镜也是短焦距、高放大倍数的投影镜也是短焦距、高放大倍数的强磁透镜强磁透镜，其作用，其作用是把中间镜的像进一步放大并投射到荧光屏或照相底是把中间镜的像进一步放大并投射到荧光屏或照相底板上。板上。中低级中低级TEM一般采用简单的三级成像系统，只能用于一般采用简单的三级成像系统，只能用于20万倍以下的电子图像分析。万倍以下的电子图像分析。高级高级TEM采用多级成像放大系统，采用多级成像放大系统，最大放大倍数可达最大放大倍数可达80100万倍。万倍。205材

147、料测试技术材料测试技术TEM的主要性能指标的主要性能指标：分辨率分辨率：表示：表示TEM显示显微组织、结构显示显微组织、结构细节的能力。分点分辨率和线分辨率。细节的能力。分点分辨率和线分辨率。放大倍数放大倍数：指电子图像对与所观察试样：指电子图像对与所观察试样区的线性放大率。区的线性放大率。加速电压加速电压：加速电压高可观察较厚的试：加速电压高可观察较厚的试样。对材料研究工作选样。对材料研究工作选200KV加速电压加速电压的的TEM更合适。更合适。206材料测试技术材料测试技术TEM样品的制备：粉末颗粒样品粉末颗粒样品直接法直接法超薄切片超薄切片直接薄膜样品直接薄膜样品TEM制样法制样法一级复

148、型一级复型间接法间接法二级复型二级复型半间接法半间接法萃取复型萃取复型TEM样品的制备：207材料测试技术材料测试技术样品制备的一般讨论样品制备的一般讨论电镜样品制备的重要性电镜样品制备的重要性 样品制备对于获得一张满意的电子显微象是至关重要的。样品制备对于获得一张满意的电子显微象是至关重要的。 对于从事电子显微学研究的科技工作者，不仅要了解和掌握电镜对于从事电子显微学研究的科技工作者，不仅要了解和掌握电镜的结构和工作原理，而且应该掌握样品制备的基本技术。的结构和工作原理，而且应该掌握样品制备的基本技术。电镜样品制备的特点电镜样品制备的特点 电镜样品制备属于破坏性分析。电镜样品制备属于破坏性分

149、析。 花费时间很多，有时甚至超过整个研究工作量的一半以上。花费时间很多，有时甚至超过整个研究工作量的一半以上。 制样技术随电镜技术的发展而发展的。制样技术随电镜技术的发展而发展的。 制样技术分两大类：生物样品制备、材料科学样品制备。本文只制样技术分两大类：生物样品制备、材料科学样品制备。本文只讲述材料科学中的制样技术，这些试样大多是有一定硬度的固态讲述材料科学中的制样技术，这些试样大多是有一定硬度的固态物质。物质。 制备成薄膜，膜厚取决于电子束的穿透能力和分析要求。制备成薄膜，膜厚取决于电子束的穿透能力和分析要求。电子穿透样品的厚度与电子的能量有关：电子穿透样品的厚度与电子的能量有关：100k

150、V-100nm；200kV-200nm；高分辨原子像要求的样品厚度应在高分辨原子像要求的样品厚度应在10nm以下，甚至以下，甚至5nm以下。以下。208材料测试技术材料测试技术样品制备的一般讨论样品制备的一般讨论(续续)原始样品形态原始样品形态 多种形态：大块状材料、细小颗粒、粉末、纤维状材料、薄片等多种形态：大块状材料、细小颗粒、粉末、纤维状材料、薄片等 根据不同的材料，不同的要求，采取不同的制样方法根据不同的材料，不同的要求，采取不同的制样方法最终样品形态最终样品形态 样品台放样品的空间一般为：直径样品台放样品的空间一般为：直径 3mm（少数为（少数为2.3mm），高），高约约0.3mm。

151、 样品必须制成样品必须制成直径直径 3mm，中心厚度，中心厚度 100nm-200nm。大块样品切片方法大块样品切片方法 电火花切割电火花切割 金刚刀锯切片金刚刀锯切片 金刚石线锯金刚石线锯209材料测试技术材料测试技术对TEM样品的一般要求：载样品的铜网直径是载样品的铜网直径是3mm，网孔约，网孔约0.1mm，所，所以可观察样品的最大尺度不超过以可观察样品的最大尺度不超过1mm。样品要相当的薄，使电子束可以穿透。一般不样品要相当的薄，使电子束可以穿透。一般不超过几百个埃。超过几百个埃。只能是固态样品，且样品不能含有水分和其它只能是固态样品，且样品不能含有水分和其它易挥发物以及酸碱等有害物质。

152、易挥发物以及酸碱等有害物质。样品需有良好的化学稳定性及强度，在电子轰样品需有良好的化学稳定性及强度，在电子轰击下不分解、损坏或变化，也不能荷电。击下不分解、损坏或变化，也不能荷电。样品要清洁，不能带进外来物，以保证图像的样品要清洁，不能带进外来物，以保证图像的质量和真实性。质量和真实性。对TEM样品的要求：210材料测试技术材料测试技术复型样品的制备：复型是将样品表面的浮凸复制于某种薄膜而获复型是将样品表面的浮凸复制于某种薄膜而获得的，这种样品可间接反映原样品的表面形貌得的，这种样品可间接反映原样品的表面形貌特征。特征。复型材料本身必须是非晶态的，而且有足够的复型材料本身必须是非晶态的，而且有

153、足够的强度和刚度以及良好的导电、导热和耐电子轰强度和刚度以及良好的导电、导热和耐电子轰击性能，复型过程中不能破坏或畸变，电子束击性能，复型过程中不能破坏或畸变，电子束照射不发生烧蚀和分解。常用的复型材料有。照射不发生烧蚀和分解。常用的复型材料有。非晶碳膜和各种塑料薄膜。非晶碳膜和各种塑料薄膜。复型样品的制备：211材料测试技术材料测试技术复型样品的制备过程：在待分析样品表面滴一滴丙酮（可溶化在待分析样品表面滴一滴丙酮（可溶化A.C纸）纸），将，将A.C纸（醋酸纤维素薄膜）覆盖其上，适纸（醋酸纤维素薄膜）覆盖其上，适当按压形成不夹气泡的一级复型。当按压形成不夹气泡的一级复型。小心将一级复型剥下，

154、并将复制面朝上平整地小心将一级复型剥下，并将复制面朝上平整地固定在玻璃片上。固定在玻璃片上。将固定好复型的玻璃片置于真空镀膜机中，先将固定好复型的玻璃片置于真空镀膜机中，先镀重金属再喷碳制成复合复型。镀重金属再喷碳制成复合复型。将复合复型待分析区域剪成直径略小于将复合复型待分析区域剪成直径略小于3的小的小块，放入丙酮中熔掉块，放入丙酮中熔掉A.C纸。纸。用铜网勺捞起漂浮的分析样品，在清水中清洗用铜网勺捞起漂浮的分析样品，在清水中清洗后即可观察。后即可观察。复型样品的制备过程：复型样品的制备过程：212材料测试技术材料测试技术：粉末样品的制备粉末样品的制备：用超声波分散器将粉：用超声波分散器将粉

155、末在溶液中分散成悬浮液，滴在覆盖有末在溶液中分散成悬浮液，滴在覆盖有碳加强火棉胶支持膜的电镜筒网上，干碳加强火棉胶支持膜的电镜筒网上，干燥后再蒸上一层碳膜即成燥后再蒸上一层碳膜即成TEM观察用的观察用的粉末样品。粉末样品。薄膜样品的制备薄膜样品的制备：块状样品要用减薄的：块状样品要用减薄的方法制成薄膜样品。方法制成薄膜样品。对于无机非金属材对于无机非金属材料常用料常用离子双喷减薄离子双喷减薄法制样。法制样。直接样品的制备直接样品的制备213材料测试技术材料测试技术粉末试样电镜样品制备技术粉末试样电镜样品制备技术许多非晶物质及一些多晶材料，可能是许多非晶物质及一些多晶材料，可能是粉末状态，如许多

156、超导材料。粉末状态，如许多超导材料。粉末颗粒必须小到电子束能够穿透过去，粉末颗粒必须小到电子束能够穿透过去，一般颗粒直径在一般颗粒直径在0.1 m左右。若颗粒过大，左右。若颗粒过大，则需碾磨。则需碾磨。多层膜样品的截面样品制备方法。多层膜样品的截面样品制备方法。粉末样品的包埋法粉末样品的包埋法粉末试样电镜样粉末试样电镜样品制备技术。品制备技术。214材料测试技术材料测试技术TEM的基本成像操作：明场像明场像和和暗场像暗场像：用物镜光阑选用直射：用物镜光阑选用直射电子形成的像叫明场像；选用散射电子电子形成的像叫明场像；选用散射电子形成的像叫暗场像。形成的像叫暗场像。中心暗场像中心暗场像：将入射电

157、子束反倾斜一个：将入射电子束反倾斜一个相应的散射角度，使散射电子沿光轴传相应的散射角度，使散射电子沿光轴传播。几种成像操作示意图如下：播。几种成像操作示意图如下：215材料测试技术材料测试技术光轴样品物镜直射束物镜光阑衍射束直射束直射束a.明场像光路b.暗场像光路c.中心暗场像光路216材料测试技术材料测试技术像衬度：像衬度是像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别图像上不同区域间明暗程度的差别。TEM的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。电子束穿过样品时，振幅和相位都发生变化，电子束穿过样品时，振幅和相位都发生变化，从而产生像衬度。从而产生像衬度。像衬度分

158、为像衬度分为质厚衬度质厚衬度和和衍射衬度衍射衬度，它们分别是，它们分别是非晶样品和晶体样品衬度的主要来源。非晶样品和晶体样品衬度的主要来源。在明场像情况下在明场像情况下，原子序数较高或样品较厚的原子序数较高或样品较厚的区域在荧光屏上显示较暗的区域。反之则对应区域在荧光屏上显示较暗的区域。反之则对应于较亮的区域。于较亮的区域。在暗场像情况下在暗场像情况下，与明场像相反。与明场像相反。217材料测试技术材料测试技术电子衍射：电子衍射：电子衍射和电子衍射和x射线衍射一样，都遵循劳埃方程射线衍射一样，都遵循劳埃方程和和Bragg方程所规定的衍射条件和几何关系。方程所规定的衍射条件和几何关系。电子衍射基

159、本公式和相机常数电子衍射基本公式和相机常数：（见下图）图：（见下图）图中中MN为照相底板，为照相底板，L为样品到底板的距离叫相为样品到底板的距离叫相机长度，机长度，Q、P分别为透射斑点和衍射斑点，分别为透射斑点和衍射斑点，Q、P间距离为间距离为R.则：则：R=Ltg2.2很小为很小为12度，度，所以所以tg2sin22sin,代入代入2dsin得：得：Rd=L这就是电子衍射的基本公式这就是电子衍射的基本公式。令。令K=L、K就称作相机常数。就称作相机常数。218材料测试技术材料测试技术NNNIoNhkl试样试样dhklMNQPLR图图.电子衍射几何关系电子衍射几何关系L2反射球反射球GgOKK

160、219材料测试技术材料测试技术电子衍射的发展过程电子衍射的发展过程19121912年年，劳埃劳埃通过通过X-rayX-ray衍射实验衍射实验证实了晶体中原子的微观排列证实了晶体中原子的微观排列开辟了用开辟了用X-ray衍射研究晶体结构这一新领域衍射研究晶体结构这一新领域1926192719261927年年，实现了晶体实现了晶体的的电子衍射电子衍射肯定了电子波动性肯定了电子波动性奠定了电子衍射学科奠定了电子衍射学科2020世纪世纪5050年代以年代以来来，电子显微，电子显微术术发展发展微观形貌和电子衍射相结合，电子衍射得到了快速发展微观形貌和电子衍射相结合，电子衍射得到了快速发展和广泛应用和广泛

161、应用于细微组织的结构分析于细微组织的结构分析衍射技术的扩展衍射技术的扩展2020世纪世纪8 80 0年代年代, ,开始微束相干电子衍射开始微束相干电子衍射采用小束斑采用小束斑( (纳米量级纳米量级) )的电子束照射样品，就可以的电子束照射样品，就可以 获得更微区电子衍射，称为微衍射获得更微区电子衍射，称为微衍射(micro-diffraction)和纳衍射和纳衍射(nano-diffraction)这种方法克服了衍射与所选区域不对应的问题这种方法克服了衍射与所选区域不对应的问题电子衍射斑的分裂特征揭示畴结构的界面结构电子衍射斑的分裂特征揭示畴结构的界面结构慢扫描慢扫描CCDCCD设备的发展和能

162、量过滤系统设备的发展和能量过滤系统 的完善，开始了定量电子衍射的分析的完善，开始了定量电子衍射的分析220材料测试技术材料测试技术X-ray衍射和电子衍射比较v小区域分析小区域分析，并与显微放大像对照并与显微放大像对照X-rayX-ray难于汇聚，难于汇聚， 毫米、亚毫米量级毫米、亚毫米量级电子束斑容易会聚电子束斑容易会聚，在微米在微米、纳米、纳米量级量级v散射角差异散射角差异X-rayX-ray为大角度散射（几十度）为大角度散射（几十度）电子衍射小角度（电子衍射小角度（ 几分）几分）v分析简单分析简单晶体几何简单化晶体几何简单化v电子衍射强电子衍射强，为为X-ray的的104倍倍纪录简便、快

163、捷纪录简便、快捷二次衍射效应增强，穿透能力减弱二次衍射效应增强，穿透能力减弱221材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的种类v透射电镜中通常可以观察到非晶衍射弥散环、单晶衍射谱、多晶衍射环及菊池(Kikuchi)带等v其他形式的电子衍射：小角度电子衍射、反射高能电子衍射、电子背散射谱、电子沟道谱等。222材料测试技术材料测试技术电子衍射波动力学基本概念v电子的散射和衍射电子的散射和衍射高速电子进入到固体中，与单个原子的原子核及核外电子间发生相互高速电子进入到固体中，与单个原子的原子核及核外电子间发生相互作用，从而发生方向、能量的改变，称为散射。从能量损失的角度分作用，从而发生方向、能量的改变，称

164、为散射。从能量损失的角度分为弹性散射和非弹性散射为弹性散射和非弹性散射从粒子角度讲，为连续的粒子流与原子核及核外电子的相互作用从粒子角度讲，为连续的粒子流与原子核及核外电子的相互作用的库仑碰撞的库仑碰撞从波的角度讲，为准单色电子波，受单个原子扰动而形成球面波从波的角度讲，为准单色电子波，受单个原子扰动而形成球面波高速电子被固体中周期排列的原子散射后，其弹性散射部分是相干的，高速电子被固体中周期排列的原子散射后，其弹性散射部分是相干的，能够在某些方位上相干加强，形成花样，是为衍射能够在某些方位上相干加强，形成花样，是为衍射电子的衍射为多原子相互作用的电子的衍射为多原子相互作用的集体集体行为行为衍

165、射行为反映了固体原子排列的周期性衍射行为反映了固体原子排列的周期性注意散射和衍射的本质和区别，在不同情况下，我们将根据习惯而分注意散射和衍射的本质和区别，在不同情况下，我们将根据习惯而分别使用这两个术语。别使用这两个术语。223材料测试技术材料测试技术电子衍射的几何原理和运动学理论与与X射线衍射相似，晶体中有序排列的原子及原子面间距射线衍射相似，晶体中有序排列的原子及原子面间距可以看成干扰电子波传播的物体和狭缝，利用极薄的晶体可以看成干扰电子波传播的物体和狭缝，利用极薄的晶体样品，可以获得电子衍射的样品，可以获得电子衍射的实验数据实验数据。为了很好地解释显微镜图像和电子衍射谱，需要透彻地分为了

166、很好地解释显微镜图像和电子衍射谱，需要透彻地分析决定析决定BraggBragg衍射束的衍射束的强度强度因素。因素。假设衍射束远远小于入射束，即在运动学条件下进行讨论。假设衍射束远远小于入射束，即在运动学条件下进行讨论。运动学基本假设运动学基本假设实现实现：电子只被晶体散射一次，不考虑多：电子只被晶体散射一次，不考虑多次衍射效应。次衍射效应。224材料测试技术材料测试技术获取电子衍射的实验方法获取电子衍射的实验方法v电子衍射仪电子衍射仪电子衍射仪介绍电子衍射仪介绍电子衍射仪的分辨率电子衍射仪的分辨率分辨率：分辨率：r：衍射斑半径：衍射斑半径L:相机长度相机长度225材料测试技术材料测试技术获取电

167、子衍射的实验方法获取电子衍射的实验方法v阿贝成像原理阿贝成像原理当一束平行光照射在以光栅上，除透当一束平行光照射在以光栅上，除透射束外，还会产生各级衍射束，经过射束外，还会产生各级衍射束，经过透镜的聚焦作用，在其后焦面上形成透镜的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的极大值；每个这傅的极大衍射振幅的极大值；每个这傅的极大值都可以看成是次级振动中心，由这值都可以看成是次级振动中心，由这些次级振动波在像平面相干叠加形成些次级振动波在像平面相干叠加形成光栅的放大像。光栅的放大像。v选区电子衍射选区电子衍射在试样的像平面上，通过以光阑选限在试样的像平面上，通过以光阑选限定一特定的小区域，这样可以使所获定

168、一特定的小区域，这样可以使所获得的衍射近来自于试样所对应的区域，得的衍射近来自于试样所对应的区域，由此获得的衍射的方法称之为选区电由此获得的衍射的方法称之为选区电子衍射，也叫微区衍射。子衍射，也叫微区衍射。226材料测试技术材料测试技术获取电子衍射的实验方法获取电子衍射的实验方法v选区电子衍射的意义选区电子衍射的意义为什么要获取选区衍射为什么要获取选区衍射进行电子衍射分析时，往往对样品的某一微小区域的单晶电进行电子衍射分析时，往往对样品的某一微小区域的单晶电子衍射感兴趣。通过选区，可以直接获得该微区的倒易点阵截子衍射感兴趣。通过选区，可以直接获得该微区的倒易点阵截面面为什么要在像平面选区为什么

169、要在像平面选区太小孔径的光阑难以制备，且容易被污染；太小孔径的光阑难以制备，且容易被污染；在像平面上的光阑尺寸折合到物平面上，将缩小到物镜的放在像平面上的光阑尺寸折合到物平面上，将缩小到物镜的放大倍数分子一。大倍数分子一。选区电子衍射特点选区电子衍射特点易于获得所感兴趣区域的单晶电子衍射图易于获得所感兴趣区域的单晶电子衍射图像与衍射由一定的磁转角像与衍射由一定的磁转角选区太小时，存在着所选区域与所获得的选区太小时，存在着所选区域与所获得的SAED的对应问题的对应问题227材料测试技术材料测试技术选区电子衍射的实现选区电子衍射的实现试样物镜物镜焦平面物镜像平面中间镜第二中间像I2投影镜显微象衍射

170、像选区光栏成像模式衍射模式228材料测试技术材料测试技术准确性地获取选区电子衍射图准确性地获取选区电子衍射图选区电子衍射的操作步骤选区电子衍射的操作步骤1.调整中间镜电流使选区光阑边缘的像在荧光屏上非常清调整中间镜电流使选区光阑边缘的像在荧光屏上非常清晰，这就使晰，这就使中间镜的物面与选区光阑的平面像重中间镜的物面与选区光阑的平面像重；2.调整物镜电流试样在荧光屏上呈现清晰像，这就使调整物镜电流试样在荧光屏上呈现清晰像，这就使物镜物镜的像平面与选区光阑及中间镜的物面相重的像平面与选区光阑及中间镜的物面相重；3.抽出物镜光阑，减弱中间镜（用于衍射的）电流，使其抽出物镜光阑，减弱中间镜（用于衍射的

171、）电流，使其物面与物镜后焦面相重，在荧光屏上获得衍射谱的放大物面与物镜后焦面相重，在荧光屏上获得衍射谱的放大像；像；在现代电镜中，只要转换倒衍射模式，并调节衍射在现代电镜中，只要转换倒衍射模式，并调节衍射镜电流使中心斑调整到镜电流使中心斑调整到最小最圆最小最圆；4.减弱聚光镜电流以降低入射束孔径角，得到尽可能趋近减弱聚光镜电流以降低入射束孔径角，得到尽可能趋近于平行的电子束，使衍射斑于平行的电子束，使衍射斑尽量明锐尽量明锐。229材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定与衍射花样分析电子衍射谱的标定与衍射花样分析v关于电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定就是电子衍射谱的标定就是确定确定电子衍射图谱

172、中的诸衍射电子衍射图谱中的诸衍射斑点斑点所对应所对应的晶面的密勒的晶面的密勒指数指数电子衍射谱的标定是晶体结构分析、确定晶体取向和相关系，孪电子衍射谱的标定是晶体结构分析、确定晶体取向和相关系，孪晶结构等的晶结构等的开端开端电子衍射谱标定的电子衍射谱标定的基础：晶带定律和倒易点阵平面对应基础：晶带定律和倒易点阵平面对应v电子衍射标定的三种情况：1.已知晶体结构已知晶体结构2.晶体结构未知，但可确定所属的范围晶体结构未知，但可确定所属的范围3.晶体点阵完全未知晶体点阵完全未知电子衍射谱的标定是量大而又繁琐的工作，电子衍射谱的标定是量大而又繁琐的工作，电子衍射谱的标定是量大而又繁琐的工作，电子衍射

173、谱的标定是量大而又繁琐的工作，必须有足够的耐心必须有足够的耐心必须有足够的耐心必须有足够的耐心! !标定的结果还要自恰！标定的结果还要自恰！标定的结果还要自恰！标定的结果还要自恰！230材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的几何特征电子衍射谱的几何特征电子衍射图谱的特点电子衍射图谱的特点电子衍射图 二维倒易点阵平面一张衍射谱上所有衍射斑点所代表的晶面都属于一个晶带，其指数(hikili)满足晶带定律:立方晶系和密堆六角结构的衍射图谱的构图与点阵常数无关,a的大小改变仅导致衍射图的比例放大；其它结构无此特性在已知晶体结构：点阵类型，点阵常数的情况下，可以绘制任何带轴的倒易点阵平面。有计算机程序23

174、1材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的几何特征电子衍射谱的几何特征v衍射图谱的绘制衍射图谱的绘制电子衍射图 二维倒易点阵平面确定一个平行四边形的基本参量确定一个平行四边形的基本参量和和，即，即r1*，r2*，r3* or r1*，r2* and aa步骤：步骤：1.根据给定的带轴求出两个倒易矢量，比例关系及夹角根据给定的带轴求出两个倒易矢量，比例关系及夹角2.由此绘制出二维倒易点阵；由此绘制出二维倒易点阵；3.根据平移对称性，填补没有包含的倒易阵点；根据平移对称性，填补没有包含的倒易阵点；4.确定新的最短及次短倒易矢量，给出新的平移操作确定新的最短及次短倒易矢量，给出新的平移操作232材料测试

175、技术材料测试技术电子衍射谱的几何特征电子衍射谱的几何特征v衍射图谱的绘制衍射图谱的绘制 例子：例子：fcc (211)*的倒易面的倒易面1.1.在倒空间三个坐标轴的截距为在倒空间三个坐标轴的截距为2.2.三个截点为三个截点为3.3.考虑倒消光规则可获得两个倒易矢量考虑倒消光规则可获得两个倒易矢量4.4.求长度和夹角求长度和夹角5.5.根据平移周期性按比例绘制二维网格根据平移周期性按比例绘制二维网格6.6.根据平移周期性补点根据平移周期性补点新网格新网格7.7.找出最短和次短的倒易矢量找出最短和次短的倒易矢量233材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定已知晶体点阵情况下的标定已

176、知晶体点阵情况下的标定多晶衍射环的标定电子衍射图谱的标定 uvw方法方法图谱直接对照法图谱直接对照法 hkl方法方法衍射斑点逐一对照法衍射斑点逐一对照法已知晶体点阵大致范围时的标定已知晶体点阵大致范围时的标定物相分析物相分析晶体点阵未知情况下的标定晶体点阵未知情况下的标定几何构图法三维约化胞法234材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定多晶衍射环的标定多晶衍射环的标定多晶电子衍射环：对于很小的晶粒，如纳米晶，微晶样品，对于很小的晶粒，如纳米晶，微晶样品，SAEDSAED可能同时选取了可能同时选取了很多取向各异的晶粒，相当于很多个单晶电子衍射谱叠加在一很多取向各异的晶粒，相当于

177、很多个单晶电子衍射谱叠加在一起，每一个具有相同面间距的衍射斑点均落在同一衍射球上。起，每一个具有相同面间距的衍射斑点均落在同一衍射球上。这些衍射球与反射球的相截所形成的衍射花样为一系列以透射这些衍射球与反射球的相截所形成的衍射花样为一系列以透射斑为园心的同心园环。斑为园心的同心园环。235材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定多晶衍射环的花样分析及标定1）立方系简立方：简立方：N=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, N=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 体体 心：心：N=2, 4, 6, 8, 10, 12,N=2, 4,

178、 6, 8, 10, 12, =1:2:3:4:5:6:7:8 =1:2:3:4:5:6:7:8面面 心：心：N=3,4,8,11,12,16,19,20,24,27,28,N=3,4,8,11,12,16,19,20,24,27,28,金刚石：金刚石：N=3, ,8,11, ,16,19, ,24,27, ,N=3, ,8,11, ,16,19, ,24,27, ,2）六角系H: 1,3,4,7,9,12,13,16,19,21H: 1,3,4,7,9,12,13,16,19,213）四方系4）正交系5）其它间距单调减少间距单调减少间距单调减少间距单调减少两宽一窄两宽一窄一宽一窄一宽一窄23

179、6材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定非晶带电子衍射标定v非晶的电子衍射也是环状分布，但衍射环更为弥散，不非晶的电子衍射也是环状分布，但衍射环更为弥散，不象多晶环那么细锐。象多晶环那么细锐。v非晶态物质的结构呈近邻有序，长程无序态，没有任何非晶态物质的结构呈近邻有序，长程无序态，没有任何周期性结构可言。通常用原子径向分布函数周期性结构可言。通常用原子径向分布函数( (原子周围原子周围的配位原子沿径向的统计分布的配位原子沿径向的统计分布) )来描述其结构。来描述其结构。v非晶衍射环与径向分布函数之间互为傅立叶变换：非晶衍射环与径向分布函数之间互为傅立叶变换：and约化分布函数

180、约化分布函数散射振幅散射振幅径向分布函数径向分布函数237材料测试技术材料测试技术电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定单晶带电子衍射标定v标定的几种情况标定的几种情况晶体结构完全已知或部分已知晶体结构完全已知或部分已知结构有相应的晶体学数据结构有相应的晶体学数据晶体点阵完全未知晶体点阵完全未知v晶体学数据准备晶体学数据准备点阵类型：晶系，点阵类型点阵类型：晶系，点阵类型点阵常数：点阵常数：a a、b b、c c、 、 、 单包内原子坐标：单包内原子坐标：x xi i、y yi i、z zi i空间群对称要素空间群对称要素v测量单晶斑点衍射图的基本参数测量单晶斑点衍射图的基本参数二边长一夹角：二边长

181、一夹角：R1 R2 ff三边长三边长: : R1 R2 R3(取较短的取较短的)v允许分析误差：允许分析误差：R1, R2: 3-5% ; ff: 0.5O238材料测试技术材料测试技术单晶带电子衍射标定晶体点阵已知情况下电子衍射图的标定晶体点阵已知情况下电子衍射图的标定方法之一方法之一UVW法法此方法的原理是此方法的原理是倒易平面对照法倒易平面对照法步骤：步骤：1、根据晶体的对称绘制可能需要的倒易点阵平面UVW，实际上只要是确定跑易点阵平面的约化胞就可以了，即R1 R2 f 或者 R3/R1 , R3/R2；2、将试验衍射图谱与绘制倒易点阵平面一一对照，从而标定。讨论：讨论：绘制倒易点阵平面

182、的同时应给出平面单胞约化矢量及对应指数。绘制倒易点阵平面的方法很多：截距选点法，欧几里得算法绘制倒易点阵平面时应该考虑倒晶体的对称性该方法的特点是标定简单，但准备工作量大239材料测试技术材料测试技术单晶带电子衍射标定晶体点阵已知情况下电子衍射图的标定晶体点阵已知情况下电子衍射图的标定方法之二方法之二hkl法法v此方法的原理是此方法的原理是倒易阵点对照法倒易阵点对照法v步骤：步骤：1.根据晶体结构参数计算出一组晶面指数根据晶体结构参数计算出一组晶面指数(hkl)与所对应的面间距与所对应的面间距dhkl;2.测量试验衍射图谱中的的衍射斑点到原点距离的测量试验衍射图谱中的的衍射斑点到原点距离的Ri

183、,并由衍射公并由衍射公式计算出所对应的式计算出所对应的di值值(通常通常3个即可个即可)；3.根据根据d值确定其晶可能的面指数，并通过晶面夹角来验证；值确定其晶可能的面指数，并通过晶面夹角来验证；4.计算衍射谱的带轴指数。计算衍射谱的带轴指数。v讨论：讨论：计算晶面夹角时，应注意计算晶面夹角时，应注意(hkl)的轮换对夹角的影响的轮换对夹角的影响.方法的特点是准备工作简单，但标定分析量比较大方法的特点是准备工作简单，但标定分析量比较大.晶面指数晶面指数(hkl)与所对应的面间距与所对应的面间距dhkl通常可以从通常可以从X射线卡片直接射线卡片直接获得，不必分析前计算获得，不必分析前计算.240

184、材料测试技术材料测试技术单晶带电子衍射标定晶体点阵范围已知情况下电子衍射图的标定晶体点阵范围已知情况下电子衍射图的标定物物 相相 分分 析析v物相分析通常采用物相分析通常采用hkl方法方法v步骤：步骤：对所有可能晶体，选定范围，计算一组对所有可能晶体，选定范围，计算一组hkl-d hkl-d 关系关系( (或绘制欲对比相的倒易点阵平面或绘制欲对比相的倒易点阵平面, ,对于对于UVWUVW方法方法) )；测量试验图谱的基本数据；测量试验图谱的基本数据；选定一可能相对照分析，确定后标定之；选定一可能相对照分析，确定后标定之；如不能确定，逐个选择所有可能相进行上一步对照分如不能确定，逐个选择所有可能

185、相进行上一步对照分析。析。241材料测试技术材料测试技术单晶带电子衍射标定晶体点阵完全未知情况下电子衍射图的标定晶体点阵完全未知情况下电子衍射图的标定v此方法的核心是此方法的核心是构造三维倒易点阵构造三维倒易点阵v方法：方法：1.几何重构法几何重构法2.三维约化胞法三维约化胞法v电镜中空间角度关系的获得电镜中空间角度关系的获得通过样品转动来实现三维空间中通过样品转动来实现三维空间中不同方向的倒易点阵平面不同方向的倒易点阵平面电镜中的样品转动部件电镜中的样品转动部件单倾：单倾：以样品杆为轴转动样品以样品杆为轴转动样品双倾：双倾：两个正交的转轴两个正交的转轴倾转：倾转：两个正交的转轴，一为法线两个

186、正交的转轴，一为法线双倾试验中两轴间夹角的计算双倾试验中两轴间夹角的计算242材料测试技术材料测试技术晶体点阵完全未知情况下电子衍射图的标定晶体点阵完全未知情况下电子衍射图的标定几何重构法几何重构法v原理：原理：具有同一轴的一组电子衍射图可以构造出垂直与该具有同一轴的一组电子衍射图可以构造出垂直与该轴的倒易空间平面。轴的倒易空间平面。v实验数据获得：实验数据获得：从某一特征衍射谱开始，保持其中的一密排衍射斑从某一特征衍射谱开始，保持其中的一密排衍射斑点列不动，倾转晶体尽可能获得更多的具有不同带点列不动，倾转晶体尽可能获得更多的具有不同带轴的衍射谱。轴的衍射谱。v三维倒空间的几何重构三维倒空间的

187、几何重构243材料测试技术材料测试技术单晶电子衍射谱：单晶电子衍射得到的衍射花样是按一定几何图形配置的衍射斑点叫单晶电子衍射谱。单晶衍射谱是与埃瓦尔德球相截的二维倒易平面的倒点阵的投影放大像。单晶电子衍射谱具有一定的几何图形与对称性。一般有平行四边形、矩形、有心矩形、四方形和六角形五种。244材料测试技术材料测试技术电子衍射物相分析的特点：电子衍射物相分析的特点：分析灵敏度高，几纳米的微晶也可分析，分析灵敏度高，几纳米的微晶也可分析，适用于试样量很少、待定物在试样中含适用于试样量很少、待定物在试样中含量很低和待定物颗粒很小等情况下的物量很低和待定物颗粒很小等情况下的物相分析。相分析。可得到晶体

188、取向关系的资料。可得到晶体取向关系的资料。可与形貌观察结合进行，得到有关物相可与形貌观察结合进行，得到有关物相的大小、形态和分布等资料。的大小、形态和分布等资料。245材料测试技术材料测试技术表：表：XRD与与TEM（电子衍射）分析方法的比较（电子衍射）分析方法的比较衍射分析方法衍射分析方法 XRDTEM源信号源信号X射线射线电子束电子束技术基础技术基础X-ray相长干涉相长干涉 电子束相长干涉电子束相长干涉样品样品固体（晶态）固体（晶态）薄膜（晶态）薄膜（晶态）辐射深度辐射深度几十个微米几十个微米一微米以内一微米以内样品作用体积样品作用体积 0.10.5mm31立方微米立方微米衍射角衍射角0

189、18003衍射方程描述衍射方程描述 Bragg方程方程Bragg方程方程应用应用物相分析、点物相分析、点阵常数测定等阵常数测定等.微区晶体结构分析微区晶体结构分析与物相鉴定等。与物相鉴定等。消光规律消光规律相同相同相同相同246材料测试技术材料测试技术TEM在陶瓷研究中的应用在陶瓷研究中的应用陶瓷制品的性质与它的微观结构及所用原料的特陶瓷制品的性质与它的微观结构及所用原料的特性有密切的关系性有密切的关系,因此陶瓷工作者对显微结构的因此陶瓷工作者对显微结构的研究越来越感兴趣了研究越来越感兴趣了.TEM在陶瓷研究中的应用主要有两方面在陶瓷研究中的应用主要有两方面:1.原料原料:可对原料颗粒的形状、

190、大小、分布以及相可对原料颗粒的形状、大小、分布以及相组成等进行分析鉴定。组成等进行分析鉴定。2.陶瓷制品陶瓷制品：对于陶瓷制品可以观察素瓷器、玻：对于陶瓷制品可以观察素瓷器、玻璃陶瓷、釉以及各种特殊陶瓷的显微结构特征。璃陶瓷、釉以及各种特殊陶瓷的显微结构特征。陶瓷制品制样除制作薄膜样品外，大多是制作表陶瓷制品制样除制作薄膜样品外，大多是制作表面复型。面复型。247材料测试技术材料测试技术作作业业1、说说、说说TEM对样品的基本要求；对于无机非金属材料等一些对样品的基本要求；对于无机非金属材料等一些非导电材料，制备非导电材料，制备TEM样品常用的两种方法及其特点分别样品常用的两种方法及其特点分别

191、是什么？是什么？2、电子衍射和、电子衍射和X射线衍射均可做物相分析，请对比分析二者射线衍射均可做物相分析，请对比分析二者的异同点。的异同点。3、解释名词：像衬度、明场像、暗场像。、解释名词：像衬度、明场像、暗场像。4、在明场像情况下，原子序数较高或样品较厚的区域在荧光、在明场像情况下，原子序数较高或样品较厚的区域在荧光屏上显示（屏上显示（）的区域，反之对应于（）的区域，反之对应于（）的区域。）的区域。在暗场像情况下，与明场像（在暗场像情况下，与明场像（）。）。248材料测试技术材料测试技术扫描电子显微镜简称扫描电子显微镜简称SEM。SEM与与TEM的区别：的区别：1.成像方式不同：成像方式不同

192、：SEM是用聚焦电子束在试样表是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像的；面逐点扫描成像的；2.试样形状不同：试样形状不同：SEM试样为块状或粉末颗粒；试样为块状或粉末颗粒；3.成像信号不同：成像信号不同：SEM以二次电子、背散射电子、以二次电子、背散射电子、吸收电子成像。其中二次电子是最主要的成像吸收电子成像。其中二次电子是最主要的成像信号。信号。2.5扫描电子显微镜249材料测试技术材料测试技术SEM的特点的特点可观察可观察1030mm的大块试样，制样方法的大块试样，制样方法简单。简单。场深大，适于粗糙表面和断口的分析观察，图场深大，适于粗糙表面和断口的分析观察，图相富立体感、真实感，易于识别

193、和解释。相富立体感、真实感，易于识别和解释。放大倍数变化范围大，便于低倍下的普查和高放大倍数变化范围大，便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。倍下的观察分析。具有较高的分辨率，一般为具有较高的分辨率，一般为36nm。可通过电子学方法控制和改善图像质量。可通过电子学方法控制和改善图像质量。可进行多功能分析。可进行多功能分析。可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察各种环境条件下的相变和形态变化等。验，观察各种环境条件下的相变和形态变化等。250材料测试技术材料测试技术SEM的工作原理的工作原理SEM的工作原理可看教材的工作原理可看教材P146图图26

194、7.由热阴极电子枪发射的电子由热阴极电子枪发射的电子,在电场作在电场作用下加速用下加速,经过经过23个电磁透镜的作用个电磁透镜的作用,在在样品表面聚焦成极细的电子束样品表面聚焦成极细的电子束,电子束在电子束在双偏转线圈作用下在样品表面扫描双偏转线圈作用下在样品表面扫描,激发激发样品产生各种物理信号样品产生各种物理信号,其强度随样品表其强度随样品表面特征而变化。样品表面不同的特征信面特征而变化。样品表面不同的特征信号被按顺序、成比例地转换为视频信号。号被按顺序、成比例地转换为视频信号。通过视频放大和信号处理在通过视频放大和信号处理在CRT荧光屏荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像。上获得能反

195、映样品表面特征的扫描图像。251材料测试技术材料测试技术SEM的结构的结构SEM由由电子光学系统（镜筒）、偏转系统、信电子光学系统（镜筒）、偏转系统、信号系统、图像显示和记录系统、电源系统以及号系统、图像显示和记录系统、电源系统以及真空系统组成。真空系统组成。各部分作用如下：各部分作用如下：1.电子光学系统：由电子枪、光栏、样品室等部电子光学系统：由电子枪、光栏、样品室等部件组成。其件组成。其作用是获得扫描电子束，作为使样作用是获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。品产生各种物理信号的激发源。下图给出了下图给出了SEM电子光学系统示意图。电子光学系统示意图。场发射电子枪是高分辨率

196、场发射电子枪是高分辨率SEM较理想的电子源较理想的电子源。252材料测试技术材料测试技术电子枪固定光栏第一聚光镜f1f2f3固定光栏第二聚光镜上偏转线圈第三聚光镜下偏转线圈末光栏样品SEM电子光学系统光路示意图253材料测试技术材料测试技术2.偏转系统偏转系统:其作用是使电子束产生横向偏转其作用是使电子束产生横向偏转,包括包括用于形成光栅状扫描的扫描系统以及使样品上用于形成光栅状扫描的扫描系统以及使样品上电子束间断性消隐或截断的偏转系统电子束间断性消隐或截断的偏转系统.扫描系统扫描系统由双偏转线圈控制由双偏转线圈控制,电子束在样品表面作光栅扫电子束在样品表面作光栅扫描描,x方向的扫描叫行扫描，

197、方向的扫描叫行扫描，y方向的扫描叫帧扫方向的扫描叫帧扫描。描。3.信号检测放大系统信号检测放大系统：作用是探测样品在入射电：作用是探测样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。探测器也常用闪烁计数器。探测器也常用闪烁计数器。4.图像显示和记录系统图像显示和记录系统：作用是把电信号变为图：作用是把电信号变为图像信号。像信号。5.电源系统电源系统：作用是提供电源。：作用是提供电源。6.真空系统真空系统：作用是确保电子系统正常工作，防：作用是确保电子系统正常工作，防止污染，保证灯丝寿命等。一般应高于止污染，保证灯丝寿命等。一般应高于104Torr

198、的真空度。的真空度。254材料测试技术材料测试技术SEM的主要性能指标的主要性能指标放大倍数：放大倍数：M=L/l式中式中L为电子束在荧光屏为电子束在荧光屏上的扫描幅度；上的扫描幅度；l为电子束在试样上的扫描幅度。为电子束在试样上的扫描幅度。通常通常L100mm，l可根据需要调节。目前大多可根据需要调节。目前大多SEM的放大倍数可从的放大倍数可从2020万倍万倍连续可调连续可调。分辨率：分辨率：景深：景深：SEM的景深比的景深比TEM和光学显微镜的大和光学显微镜的大得多，特别适于粗糙表面的观察和分析。得多，特别适于粗糙表面的观察和分析。 SEM的主要性能指标的主要性能指标255材料测试技术材料

199、测试技术SEM的分辨率与下列因素有关的分辨率与下列因素有关扫描电子束斑直径；扫描电子束斑直径；束斑直径愈小分辨率愈高。束斑直径愈小分辨率愈高。入射电子束在样品中的扩展效应入射电子束在样品中的扩展效应；提高入射电子提高入射电子束的能量对提高分辨率是不利的。束的能量对提高分辨率是不利的。操作方式及其所用的调制信号；操作方式及其所用的调制信号；二次电子成像分二次电子成像分辨率最高辨率最高，背散射电子像的分辨率较低，吸收电，背散射电子像的分辨率较低，吸收电子、子、X射线、阴极荧光等的成像分辨率更低。射线、阴极荧光等的成像分辨率更低。信号噪音比；信号噪音比；噪音干扰成像使分辨率下降。噪音干扰成像使分辨率

200、下降。杂散磁场；杂散磁场；周围存在杂散磁场使分辨率下降。周围存在杂散磁场使分辨率下降。机械振动机械振动亦使分辨率下降。亦使分辨率下降。256材料测试技术材料测试技术SEM的图像1.背散射电子像背散射电子像：背散射电子信号中包含了试样：背散射电子信号中包含了试样表面形貌和原子序数的信息，相的衬度既有形表面形貌和原子序数的信息，相的衬度既有形貌衬度又有原子序数衬度，可利用它来研究样貌衬度又有原子序数衬度，可利用它来研究样品表面形貌和成分分布。因其分辨率低，品表面形貌和成分分布。因其分辨率低，一般一般主要用它进行成分分析。主要用它进行成分分析。2.二次电子像二次电子像：它分辨率高、无明显阴影效应、：

201、它分辨率高、无明显阴影效应、景深大、立体感强，景深大、立体感强，是是SEM的主要成像方式的主要成像方式。它主要反映试样表面的形貌特征。它主要反映试样表面的形貌特征。3.吸收电子像吸收电子像：它与背散射电子像一样包含成分：它与背散射电子像一样包含成分和形貌两种信息。和形貌两种信息。教材上图教材上图2-79、2-81、2-85、2-88给出了铁断口给出了铁断口几种方式所成的像。几种方式所成的像。SEM的图像257材料测试技术材料测试技术SEM图像的衬度形貌衬度形貌衬度：是由于试样表面形貌差异而形成的：是由于试样表面形貌差异而形成的衬度。可得到形貌衬度像。衬度。可得到形貌衬度像。二次电子像的衬度二次

202、电子像的衬度是最典型的形貌衬度。是最典型的形貌衬度。原子序数衬度原子序数衬度：是由于试样表面物质原子序数：是由于试样表面物质原子序数差异而形成的衬度。背散射电子像、吸收电子差异而形成的衬度。背散射电子像、吸收电子像的衬度都包含有原子序数衬度。像的衬度都包含有原子序数衬度。电压衬度电压衬度：是由于试样表面电位差别而形成的：是由于试样表面电位差别而形成的衬度。可用来研究材料和器件的工艺结构等。衬度。可用来研究材料和器件的工艺结构等。 SEM图像的衬度258材料测试技术材料测试技术SEM对样品的要求试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定；定；含水分的试

203、样先烘干除去水分；含水分的试样先烘干除去水分；表面污染的试样在不破坏表面结构的前提下进行表面污染的试样在不破坏表面结构的前提下进行清洗（一般用超声波清洗）；清洗（一般用超声波清洗）；新断口或断面一般不需处理以免破坏断口状态；新断口或断面一般不需处理以免破坏断口状态；磁性试样要先去磁；磁性试样要先去磁；样品座尺寸为样品座尺寸为3035mm，大的可达，大的可达3050mm，样品高度一般在，样品高度一般在510mm左右。左右。SEM对样品的要求259材料测试技术材料测试技术SEM样品的制备块状样品块状样品：对于块状导电样品，只要大小合适：对于块状导电样品，只要大小合适可直接观察不需制备；对于非导电或

204、导电性差可直接观察不需制备；对于非导电或导电性差的样品，先在样品表面镀一层导电膜再观察的样品，先在样品表面镀一层导电膜再观察（陶瓷块状样品可用该方法）。（陶瓷块状样品可用该方法）。粉末样品粉末样品：在样品座上用导电胶把粉末样品粘：在样品座上用导电胶把粉末样品粘劳后，镀一层导电膜即可观察。劳后，镀一层导电膜即可观察。镀膜镀膜：镀膜方法主要有真空镀膜和离子溅射镀：镀膜方法主要有真空镀膜和离子溅射镀膜两种；镀膜材料有金、金膜两种；镀膜材料有金、金/钯、铂钯、铂/钯等，膜钯等，膜层厚约层厚约1030nmSEM样品的制备260材料测试技术材料测试技术SEM的应用1.断口形貌观察断口形貌观察：断口分析的目

205、的就是解释断裂：断口分析的目的就是解释断裂机理，分析断裂原因，采取措施防止类似断裂机理，分析断裂原因，采取措施防止类似断裂再发生。再发生。典型的断口特征有：解理断口、准解理断口、典型的断口特征有：解理断口、准解理断口、晶间断裂断口、韧性断口和疲劳断口。晶间断裂断口、韧性断口和疲劳断口。2.显微组织观察显微组织观察：3.其它应用其它应用：SEM除了上述应用外，还可用于原除了上述应用外，还可用于原位动态分析、微区成分分析等。位动态分析、微区成分分析等。261材料测试技术材料测试技术CVD金刚石涂层的形貌像金刚石涂层的形貌像退火金膜晶粒大小的照片退火金膜晶粒大小的照片钢的晶间断裂钢的晶间断裂钢的韧性

206、断口钢的韧性断口(韧窝韧窝)262材料测试技术材料测试技术-Si3N4纳纳米米线线SnO2纳米带纳米带30CrMnSi钢沿晶断二次电子像钢沿晶断二次电子像钢的韧窝断口的二次电子像钢的韧窝断口的二次电子像263材料测试技术材料测试技术准解理断口准解理断口解理断口解理断口金属滑动磨损表面形貌金属滑动磨损表面形貌金属磨粒磨损表面形貌金属磨粒磨损表面形貌264材料测试技术材料测试技术低碳钢冷脆解理断口的二次电子像低碳钢冷脆解理断口的二次电子像碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像t-ZrO2陶瓷烧结表面像陶瓷烧结表面像c-ZrO2陶瓷烧结表面像陶瓷烧结表面像265

207、材料测试技术材料测试技术(c+t)-ZrO2陶瓷烧结表面像陶瓷烧结表面像Al2O3+xZrO215%陶瓷烧结表面像陶瓷烧结表面像金相表面的二次电子像金相表面的二次电子像(珠光体组织珠光体组织)金相表面的二次电子像金相表面的二次电子像(析出碳化物析出碳化物)266材料测试技术材料测试技术铁素体铁素体+马氏体双相钢拉伸断裂过程原位观察马氏体双相钢拉伸断裂过程原位观察a)裂纹萌生裂纹萌生b)裂纹扩展裂纹扩展Al3Ti/(Al-Ti)复合材料断裂过程原位观察复合材料断裂过程原位观察(灰色颗粒为灰色颗粒为Al3Ti增强相增强相)267材料测试技术材料测试技术SEM在陶瓷中的应用举例1.透明氧化铝陶瓷的晶

208、粒大小、均匀性以及气孔透明氧化铝陶瓷的晶粒大小、均匀性以及气孔尺寸和数量对透光性、热震性、强度等有很大尺寸和数量对透光性、热震性、强度等有很大影响。用影响。用SEM可对其晶粒组织和气孔状况进行可对其晶粒组织和气孔状况进行分析，烧结过程中若晶粒生长过快，气孔包在分析，烧结过程中若晶粒生长过快，气孔包在晶粒内不能排出，用其做灯管时透光性差，加晶粒内不能排出，用其做灯管时透光性差，加了添加剂后使晶粒生长变慢，气孔变少，陶瓷了添加剂后使晶粒生长变慢，气孔变少，陶瓷透明度变好。透明度变好。2.Si3N4陶瓷是一种耐高温、高强度、耐腐蚀的材陶瓷是一种耐高温、高强度、耐腐蚀的材料，应用很广，利用料，应用很广

209、，利用SEM可对其晶粒排列状况可对其晶粒排列状况进行观察。进行观察。268材料测试技术材料测试技术269材料测试技术材料测试技术 探探索索物物质质的的微微观观结结构构和和形形貌貌，一一直直是是研研究究人人员员渴渴望望和和追追求求的的。在在普普通通光光学学显显微微镜镜不不能能满满足足使使用用要要求求的的情情况况下下，扫扫描描电电子子显显微微镜镜（SEMSEM）这这一一高高级级精精密密仪仪器器便便成成为为人人们们进进一一步步了了解解微微观观世世界界的的首首选选解解决决方方案案。由由于于它它具具有有放放大大倍倍数数高高、放放大大倍倍数数值值连连续续可可变变、图图像像立立体体层层次次感感强强的的特特点

210、点，现现已已广广泛泛应应用用于于材材料料学学、生生物物医医学学、化化工工、环环境境保保护护和和公公安安刑刑侦侦等等各各个个领领域域。更更由由于于配配接接上上不不同同的的探探测测器器后后就就具具备备了了强强大大的的化化学学元元素素分分析析功功能能，扫扫描描电电镜镜在在新新材料开发、失效分析等领域中成为不可缺少的工具。材料开发、失效分析等领域中成为不可缺少的工具。270材料测试技术材料测试技术扫描电镜的特点分辨率高大景深,能提供更多的样品信息操作方便应用范围广泛：材料科学、生物工程、医学、地质、公安刑侦、生产的在线检测。271材料测试技术材料测试技术扫扫描描电电镜镜分辨率分辨率放大倍数放大倍数 视

211、视 野野 景景 深深应应 用用4.56nm0.1m10300000(连续可调连续可调)10 10mm Long物质微观结构分析物质微观结构分析 形貌形貌 组成组成 结晶学分析结晶学分析100 1mm10 10mm1000 0.1mm100 1mm10000 10m1000 10m100000 1m10000 1m102000(更换目镜和物更换目镜和物镜镜)10 20mm Short表面形貌分析表面形貌分析 100 2mm10 0.1mm1000 0.2mm100 1m光光学学显显微微镜镜扫描电镜与光学显微镜的对比扫描电镜与光学显微镜的对比272材料测试技术材料测试技术KYKY系列电镜的结构电子

212、光学镜筒（信号产生源）真空系统（信号产生源的工作环境）电器控制系统（信号产生源的控制和信号的接收系统）273材料测试技术材料测试技术274材料测试技术材料测试技术电子光学镜筒电子枪电磁对中系统两级聚光镜物镜消像散器扫描线圈信号接收器样品室和样品台整个光路外部有电磁屏蔽筒，可以消除外界杂散磁场对电子束的干扰。275材料测试技术材料测试技术电子枪三极发叉式钨丝阴极电子枪。是一个自给偏压三极电子枪，偏压电阻可调。加在栅极和阳极之间一个0到30KV连续可调的负高压。提供一个微小的高亮度的电子源；获得一个稳定的高亮度束流很重要，灯丝要对准栅帽孔和阳极孔中心，栅极至阳极的距离可调整。三个螺钉可用来调节电子

213、枪的机械对中。电子枪既能在高电压、也能适合低电压的工作。276材料测试技术材料测试技术电对中在日常工作中，当电子束有一些微弱的偏移时，可使用电磁对中系统进行校正。电对中包括X、Y两个方向的校正。277材料测试技术材料测试技术聚光镜由两级磁透镜组成。把电子枪形成的最小交叉斑作为物，聚焦后形成缩小的束斑象。最终缩小的束斑要小于分辨率的大小。278材料测试技术材料测试技术物镜物镜是用于聚焦图象的，需考虑的因素很多，结构是较特殊的,透镜内膛应有足够的空间容纳扫描线圈和消象散器组件；物镜采用非对称型场，上极靴孔直径D1=30mm,下极靴孔直径D2=5mm,有效地减小样品表面的磁场；在下极靴孔上方装有物镜

214、光阑，使束斑尺寸缩小到聚焦在样品上的最小尺寸。下极靴到样品表面的垂直距离叫做工作距离WD具有长的工作距离，低的球差系数和小的漏磁。279材料测试技术材料测试技术消像散器像散是由于加工的误差、铁芯中的不均匀磁场或者绕组的不对称都会损坏磁透镜的对称性，使束斑变成椭圆斑而不是标准的圆斑而产生的。消像散器用于提供一个弱校正场对图象的像散进行校正。消像散器装在扫描线圈组件内。有X、Y两个方向对图象的像散进行较正。280材料测试技术材料测试技术扫描线圈采用X、Y两个方向的磁偏转式线圈。扫描线圈中通有电流产生磁场，而电流随时间呈锯齿波形式，电子束在样品上的扫描呈光栅状，即有X方向的扫描（行扫）和Y方向的扫描

215、（帧扫）。扫描电镜中采取的是逐点成象的方法，镜筒中的电子束扫描与显示器中电子束的扫描是严格同步的，所以显示器屏幕上的图象是样品上被扫描区的放大象。扫描图象的放大倍率由流经扫描线圈的电流决定，电流越大，扫描的角度越大，则图象的放大倍数越低。在给定扫描角度时，工作距离越大，放大倍数就越低。扫描的速度可调，以点停留时间计：2S、5S、10S、16S、20S、40S共六档。扫描方式包括1024768面扫、选区扫描、线扫描、点扫描、双信号分割屏扫描、双放大分割屏扫描等多种方式281材料测试技术材料测试技术从样品出来的信号电子通过栅网进入探测系统。栅网上加+300V电压时，能有效的收集低能量的二次电子。当

216、栅网加-100V电压时，收集不到二次电子。但由于背散射电子的能量较高，仍有一部分直射闪烁体而被收集，所以当栅网加上300V时，看二次图象。当栅网加上-100V，就可以用二次探头观察背散射电子象。闪烁体表面导电层加10KV高压，目的是提高检测效率。加速后的二次电子打到闪烁体上产生光电子，这些光电子经玻璃管到光电倍增管上，光电倍增管将光信号变成电信号，再经前置放大器将微弱的电信号放大后，送到视频放大器，然后输出送到图象系统上成象。电子探测器282材料测试技术材料测试技术样品室样品室安装在防震框架上，电子光学镜筒安装在样品室的上面；真空系统安装在样品室的下面。样品台从样品室前门装入，样品室放气不影响

217、镜筒的真空。样品室为样品提供了一个大的空间，同时也给附件安装带来方便。283材料测试技术材料测试技术标准样品室标准样品室 设设 有有 3 3个个 51mm114mm51mm114mm、 2 2个个 26mm39mm26mm39mm和和 1 1个个110mm150mm110mm150mm窗窗口口，可可装装配配X X光光波波谱谱仪仪和和X X光光能能谱仪，可供配多种探测器使用。谱仪，可供配多种探测器使用。内部尺寸内部尺寸154 mm 154 mm 。 大样品室大样品室 设有多个通用窗口，可装配设有多个通用窗口，可装配X X光谱仪及多种探测器。光谱仪及多种探测器。内部尺寸内部尺寸: 280mm(W)

218、280mm(D)180mm(H) : 280mm(W)280mm(D)180mm(H) 。 284材料测试技术材料测试技术标准样品台标准样品台大样品台大样品台低温样品台低温样品台伸缩台伸缩台高真空高温样品台高真空高温样品台285材料测试技术材料测试技术标准样品台标准样品台 X = 50 mm, Y = 50 mm, Z = 25 mm 连续旋转连续旋转: R = 360 T = - 5 to + 90 可观察样品可观察样品: 32 mm ( D ) 21 mm. 最大样品最大样品: D = 60 mm286材料测试技术材料测试技术大样品台大样品台 X = 80 mm, Y = 50 mm, Z

219、 = 30 mm 连续旋转连续旋转: R = 360 T = 0 to + 90 可观察样品可观察样品: 90 mm ( D ) 30mm. 287材料测试技术材料测试技术高真空高温样品台高真空高温样品台 (1) X = 3 mm, Y = 3 mm, Z = 18 mm (2) X=20mm, Y=20mm, Z= 20mm 分辨率分辨率:50nm （800） 放大倍数放大倍数:1520000 最高温度最高温度:1000 样品最大尺寸样品最大尺寸: 32mm288材料测试技术材料测试技术KYKYKYKY系列扫描电镜系列扫描电镜289材料测试技术材料测试技术KYKY-3800B 分辨率：分辨率

220、： 4.5 nm 图像性质：数字化图像性质：数字化 操作方式：鼠标操作方式：鼠标 结构：中等结构：中等KYKY-EM3200 分辨率：分辨率：6.0 nm 图像性质：数字化图像性质：数字化 操作方式：鼠标操作方式：鼠标 结构：紧凑结构：紧凑KYKY-2800B 分辨率：分辨率： 4.5 nm 图像性质：数字化图像性质：数字化 操作方式：旋钮操作方式：旋钮 结构：中等结构：中等290材料测试技术材料测试技术KYKY-2800BKYKY-2800B数字化扫描电子显微镜数字化扫描电子显微镜291材料测试技术材料测试技术292材料测试技术材料测试技术 KYKY-2800BKYKY-2800B数数 字字

221、 化化 扫扫 描描 电电 镜镜 是是 KYKY-KYKY-28002800的的升升级级替替代代产产品品。在在原原KYKYKYKY扫扫描描电电镜镜高高度度稳稳定定性性和和可可靠靠性性的的基基础础上上，增增加加了了多多种种计计算算机机自自动动控控制制及及调调节节功功能能。Pentium Pentium CPU, CPU, 友友好好的的用用户户操操作作界界面面、便便捷捷的的旋旋钮钮操操作作使使用用户户能能方方便便地地进进行行各各种种复复杂杂的的图图像像控控制制及及分分析析。并获得所有试验的分析测试报告。并获得所有试验的分析测试报告。 293材料测试技术材料测试技术KYKY-3800B KYKY-38

222、00B 全计算机控制扫描电子显微镜全计算机控制扫描电子显微镜294材料测试技术材料测试技术295材料测试技术材料测试技术 KYKY-3800BKYKY-3800B是是KYKY-3800KYKY-3800的的升升级级替替代代产产品品。电电镜镜性性能能更更加加优优越越、操操作作更更加加简简单单。智智能能化化软软件件帮帮助助用用户户一一步步步步完完成成调调节节操操作作，用用户户只只需需轻轻点点鼠鼠标标。即即使使不不恰恰当当的的操操作作也也不不会会给给仪仪器器带带来来损损害害，因因为为“冲冲突突功功能能互互锁锁机机制制”将将保保证证仪仪器器的的安安全全。不不论论是是电电镜镜操操作作高高手手还还是是初初

223、学学者者，都都会会发发现现KYKY-KYKY-3800B3800B的的易易用用性性，从从中中得得到到乐乐趣趣。全全新新的的KYKY-KYKY-3800B3800B性性扫扫描描电电镜镜引引领领中中国国电电镜镜制制造造技技术术进进入入崭崭新新的阶段！的阶段！296材料测试技术材料测试技术KYKY-EM3200 KYKY-EM3200 数字化扫描电子显微镜数字化扫描电子显微镜297材料测试技术材料测试技术298材料测试技术材料测试技术 计算机控制操作简介计算机控制操作简介实现实现10247681024768显示方式。显示方式。放大倍数，工作距离自动修正，数字实时显示及放大倍数，工作距离自动修正，数字

224、实时显示及CRTCRT实时显示。实时显示。实实时时显显示示放放大大倍倍数数，标标尺尺，加加速速电电压压，胶胶卷卷号号，还还可可显显示示各各种灰度曲线，处理结果。种灰度曲线，处理结果。面、线、点扫描；双放大倍数；屏幕分割。面、线、点扫描；双放大倍数；屏幕分割。 自动亮度、自动对比度、自动聚焦、自动消像散。自动亮度、自动对比度、自动聚焦、自动消像散。 图图像像及及分分析析结结果果可可反反送送扫扫描描电电镜镜CRTCRT照照像像，也也可可随随时时存存储储在在机机内的大容量硬盘及软盘上，或由打印机打印输出。内的大容量硬盘及软盘上，或由打印机打印输出。 299材料测试技术材料测试技术 增强字符编辑功能增

225、强字符编辑功能300材料测试技术材料测试技术支持多种图像格式支持多种图像格式BMPJPGPNGTAGTIF 不同图像格式之间自由转换不同图像格式之间自由转换 采用压缩格式以节省存储空间采用压缩格式以节省存储空间 图像格式图像格式301材料测试技术材料测试技术系统内部集成了部分通用图像处理功能，使用更方便。系统内部集成了部分通用图像处理功能，使用更方便。 内置图像处理功能内置图像处理功能302材料测试技术材料测试技术粒度分析粒度分析303材料测试技术材料测试技术 彩色分割彩色分割304材料测试技术材料测试技术伪彩色变换伪彩色变换305材料测试技术材料测试技术 亮度、对比度调节亮度、对比度调节30

226、6材料测试技术材料测试技术 自动聚焦自动聚焦307材料测试技术材料测试技术308材料测试技术材料测试技术金属断口金属断口309材料测试技术材料测试技术陶瓷断面陶瓷断面310材料测试技术材料测试技术羊羊绒绒311材料测试技术材料测试技术荧荧光光粉粉312材料测试技术材料测试技术毒毒品品313材料测试技术材料测试技术米米虫虫314材料测试技术材料测试技术感感光光胶胶315材料测试技术材料测试技术材料粉末材料粉末316材料测试技术材料测试技术作作业业1、SEM相对于相对于TEM有哪些特点？有哪些特点？2、SEM对样品有何要求？对样品有何要求？3、SEM经常用于研究断口的形貌观经常用于研究断口的形貌观

227、察，在断口的形貌观察中主要研究察，在断口的形貌观察中主要研究哪三个方面的内容？用哪三个方面的内容？用SEM进行断进行断口分析时口分析时,对样品有哪些注意事项对样品有哪些注意事项?4、典型的断裂特征有哪几种？、典型的断裂特征有哪几种？317材料测试技术材料测试技术电子探针电子探针X射线显微分析射线显微分析(EPMA,简称电子简称电子探针）探针）是一种显微分析和成分分析相结合的是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析。微区分析。特别适用于分析试样中微小区域特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，是研究材料组织结构和元素分的化学成分，是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。布状态的极为

228、有用的分析方法。EPMA与普通的化学分析方法不同与普通的化学分析方法不同，后者得，后者得到的是试样中的平均成分也叫宏观成分，分到的是试样中的平均成分也叫宏观成分，分析结果与微观组织不存在对应关系。析结果与微观组织不存在对应关系。2.6 电子探针X射线显微分析318材料测试技术材料测试技术EPMA的基本原理的基本原理用聚焦电子束照射试样表面感兴趣的微小区域用聚焦电子束照射试样表面感兴趣的微小区域,激发该区域中各元素的特征激发该区域中各元素的特征X射线射线,这些这些X射线射线具有不同的波长和能量。用具有不同的波长和能量。用X射线谱仪探测这射线谱仪探测这些些X射线，就得到了射线，就得到了X射线谱。根

229、据特征射线谱。根据特征X射线射线的的波长或能量波长或能量进行元素的进行元素的定性分析定性分析；根据其；根据其强强度度进行元素进行元素定量分析定量分析。根据特征根据特征X射线波长色散来分析的仪器叫波长色射线波长色散来分析的仪器叫波长色散谱仪简称波谱仪（英文缩写为散谱仪简称波谱仪（英文缩写为WDS）。）。根据特征根据特征X射线能量色散来分析的仪器叫能量色射线能量色散来分析的仪器叫能量色散谱仪简称能谱仪（英文缩写为散谱仪简称能谱仪（英文缩写为EDS）。）。319材料测试技术材料测试技术利用利用EPMA可以方便的分析从可以方便的分析从4Be92U之间的所有元素。之间的所有元素。EPMA的特点的特点：分

230、析手段大为简化，分析手段大为简化，分析时间大为缩短，分析用样品量分析时间大为缩短，分析用样品量很少，是一种无损分析方法。很少，是一种无损分析方法。EPMA的构造的构造：与：与SEM大体相似，大体相似，只是增加了接收记录只是增加了接收记录X射线的谱仪。射线的谱仪。320材料测试技术材料测试技术目前最常用的能谱仪是目前最常用的能谱仪是Si(Li)X射线能谱射线能谱仪仪。其关键部件是。其关键部件是Si(Li)检测器即锂漂移检测器即锂漂移硅固态检测器（结构示意图见硅固态检测器（结构示意图见P162图图2-94）。）。Si(Li)探测器要始终处在真空中，探头装探测器要始终处在真空中，探头装在与存有液氮的

231、杜瓦瓶相连的冷指内，在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷指内，日常保养麻烦费用较高。日常保养麻烦费用较高。能谱仪（能谱仪（EDS）321材料测试技术材料测试技术Si(Li)能谱仪的优点分析速度快分析速度快，几分钟内即可分析和确定，几分钟内即可分析和确定样品中含有的所有元素。样品中含有的所有元素。分析范围为分析范围为11Na92U的所有元素。的所有元素。灵敏度高。灵敏度高。谱线重复性好谱线重复性好，适于粗糙表面的分析工，适于粗糙表面的分析工作。作。322材料测试技术材料测试技术Si(Li)能谱仪的缺点能量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。工作条件要求严格。工作条件要求严格。Si(Li)探头始终

232、保持探头始终保持在液氮中，即使不工作也不能中断，否在液氮中，即使不工作也不能中断，否则将导致探头功能下降甚至完全破坏。则将导致探头功能下降甚至完全破坏。不过现代能谱仪已对此作了很大改进，不过现代能谱仪已对此作了很大改进，无需使探头一直处在液氮中，只是使用无需使探头一直处在液氮中，只是使用时加液氮保护探头即可。时加液氮保护探头即可。323材料测试技术材料测试技术工作原理工作原理：在电子探针中，在电子探针中，X射线由样品射线由样品表面下微米数量级的作用体积中激发出表面下微米数量级的作用体积中激发出来，若该体积中的样品由多种元素组成，来，若该体积中的样品由多种元素组成，则可激发各元素的特征则可激发各

233、元素的特征X射线。被激发的射线。被激发的X射线照射到连续转动的分光晶体上实现射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光（即色散），不同波长的分光（即色散），不同波长的X射线在各射线在各自满足自满足Bragg方程的方程的2方向上被检测器接方向上被检测器接收。收。波谱仪（WDS）324材料测试技术材料测试技术WDS的结构的结构:由分光晶体、由分光晶体、X射线探测器射线探测器和相应的机械转动装置组成。和相应的机械转动装置组成。分光晶体分光晶体：是专门用来对：是专门用来对X射线起分光作射线起分光作用的晶体，它具有高的衍射效率、强的用的晶体，它具有高的衍射效率、强的反射能力和好的分辨率。每种晶体只能反射能力

234、和好的分辨率。每种晶体只能色散一段范围波长的色散一段范围波长的X射线，只适用于一射线，只适用于一定原子序数的元素分析。常见的分光晶定原子序数的元素分析。常见的分光晶体及其应用范围见体及其应用范围见P160表表2-7。X射线探测器射线探测器：WDS中使用的探测器和中使用的探测器和XRD中使用的一样。中使用的一样。325材料测试技术材料测试技术WDS和EDS的比较操作特性操作特性WDSEDS分析元素范围分析元素范围 Z4Z11分辨率分辨率高高低低分析精度分析精度15%5%对表面要求对表面要求平整平整,光滑光滑粗糙表面也适用粗糙表面也适用分析速度分析速度慢慢快快谱失真谱失真少少多多最小束斑直径最小束

235、斑直径 200nm5nm探测极限探测极限0.010.10.10.5使用范围使用范围精确的定量分精确的定量分析析适合于与适合于与SEM配合配合使用使用WDS和EDS的比较326材料测试技术材料测试技术EPMA分析方法分析方法定点定性分析定点定性分析定点定量分析定点定量分析EPMA有四种分析方法有四种分析方法线扫描分析线扫描分析面扫描分析面扫描分析327材料测试技术材料测试技术定性分析定性分析：利用：利用WDS将样品发出的将样品发出的X射线展成射线展成谱谱,记下其波长记下其波长,根据波长表确定样品中所含元根据波长表确定样品中所含元素。素。定量分析定量分析：既记录样品发射的：既记录样品发射的X射线的

236、波长，射线的波长，还记录其强度，将强度与标样对比确定元素的还记录其强度，将强度与标样对比确定元素的含量。含量。定点分析定点分析：对样品表面选定微区作定点全谱扫：对样品表面选定微区作定点全谱扫描，进行定性或定量分析。描，进行定性或定量分析。线扫描分析线扫描分析：电子束沿样品表面选定的直线轨：电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行定性或定量分析。迹进行定性或定量分析。面扫描分析面扫描分析：电子束在样品表面作光栅式面扫：电子束在样品表面作光栅式面扫描，获得元素分布的扫描图像。描，获得元素分布的扫描图像。328材料测试技术材料测试技术线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶

237、界上的富集与贫化是十分有效的。在有关扩界上的富集与贫化是十分有效的。在有关扩散现象的研究中，电子探针比剥层化学分析、散现象的研究中，电子探针比剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更有效。放射性示踪原子等方法更有效。在一幅在一幅X射线扫描像中，射线扫描像中，亮区代表元素含亮区代表元素含量高，灰区代表元素含量较低，黑色区域代量高，灰区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量很低或不存在。表元素含量很低或不存在。329材料测试技术材料测试技术作作业业1、EPMA和普通化学分析方法均能分析样和普通化学分析方法均能分析样品中的化学成分，请问二者所分析的化品中的化学成分，请问二者所分析的化学成分表示的意义是否

238、相同？为什么？学成分表示的意义是否相同？为什么？2、EDS和和WDS的全名称分别叫什么？二的全名称分别叫什么？二者分析的化学元素的范围分别是什么？者分析的化学元素的范围分别是什么？3、EPMA常用的四种基本分析方法各是常用的四种基本分析方法各是什么？在面扫描分析图象中，亮区、灰什么？在面扫描分析图象中，亮区、灰区、黑区分别代表什么意义？区、黑区分别代表什么意义？330材料测试技术材料测试技术分析电子显微镜简称分析电子显微镜简称AFM，是一种能对材料微，是一种能对材料微区形貌、晶体结构和化学成分进行综合分析的区形貌、晶体结构和化学成分进行综合分析的电子显微镜。电子显微镜。AFM可按可按TEM、S

239、EM、STEM三种方式成像三种方式成像。AFM可像可像TEM一样进行电子衍射来进行晶体一样进行电子衍射来进行晶体结构分析，可像结构分析，可像SEM一样进行图像处理，还可一样进行图像处理，还可与能谱仪一起进行微区成分分析。与能谱仪一起进行微区成分分析。AFM集集SEM、TEM的功能于一身，有其优点，的功能于一身，有其优点，但结构复杂、价格昂贵，其发展仍受到限制。但结构复杂、价格昂贵，其发展仍受到限制。2.7分析电子显微镜（简介）分析电子显微镜（简介）331材料测试技术材料测试技术扫描隧道显微镜简称扫描隧道显微镜简称STM，是新型的表面分析，是新型的表面分析仪器，是仪器，是1982年，由年，由G.

240、Binnig和和H.Rhrer等人等人发明的，该发明于发明的，该发明于1986年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。STM的原理的原理：STM以原子尺度的极细探针及样以原子尺度的极细探针及样品作为电极，当针尖与样品非常接近时（约品作为电极，当针尖与样品非常接近时（约1nm），就产生隧道电流。通过记录扫描过程），就产生隧道电流。通过记录扫描过程中，针尖位移的变化，可得到样品表面三维显中，针尖位移的变化，可得到样品表面三维显微形貌图。微形貌图。2.8扫描隧道显微镜（简介）扫描隧道显微镜（简介）332材料测试技术材料测试技术STM的特点：的特点：1、具有原子级高分辨率，可分辨出单个原子，分辨、具有原子级高分辨

241、率，可分辨出单个原子，分辨率可以达到横向率可以达到横向0.1nm，纵纵向向0.01nm；2、可实时得到样品表面三维图像；、可实时得到样品表面三维图像；3、可在真空、大气、高温、常温等不同环境下工作；、可在真空、大气、高温、常温等不同环境下工作；4、不仅可作为表面分析的手段用来研究表面性质，、不仅可作为表面分析的手段用来研究表面性质，还可作为一种表面加工手段在纳米尺度上对各种表还可作为一种表面加工手段在纳米尺度上对各种表面进行刻蚀与修饰，实现纳米加工；面进行刻蚀与修饰，实现纳米加工；5、相对于、相对于TEM其结构简单，成本低廉。其结构简单，成本低廉。333材料测试技术材料测试技术STM的应用的应

242、用：STM对样品的尺寸形状无任何限制，对样品的尺寸形状无任何限制，不破坏样品的表面结构。广泛应用于材料、物理、化不破坏样品的表面结构。广泛应用于材料、物理、化学、生物等学科领域，用以研究固体表面结构及其在学、生物等学科领域，用以研究固体表面结构及其在物理、化学过程中的变化，揭示材料表面原子尺度的物理、化学过程中的变化，揭示材料表面原子尺度的结构及变化规律。主要用于金属、半导体和超导体的结构及变化规律。主要用于金属、半导体和超导体的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析。可以原位表面几何结构与电子结构及表面形貌分析。可以原位观察材料表面发生吸附的过程、外延生长的过程、催观察材料表面发生吸附的过程、

243、外延生长的过程、催化反应的过程和相变的过程，以促进深入认识化学反化反应的过程和相变的过程，以促进深入认识化学反应的原理和物理相互作用的本质。还可在观察分析表应的原理和物理相互作用的本质。还可在观察分析表面结构的同时，对表面进行刻蚀、诱导沉积或搬动原面结构的同时，对表面进行刻蚀、诱导沉积或搬动原子或分子，进行纳米加工，由此产生的一种新技术子或分子，进行纳米加工，由此产生的一种新技术原子技术或原子工艺，以实现人为地改变材料表面原子技术或原子工艺，以实现人为地改变材料表面结构或制造人工分子。其缺点主要是不能直接分析陶结构或制造人工分子。其缺点主要是不能直接分析陶瓷等绝缘体样品。瓷等绝缘体样品。334

244、材料测试技术材料测试技术原子力显微镜简称原子力显微镜简称AFM，它是以，它是以STM为基础，也由为基础，也由G.Binnig发明，主要是针对发明，主要是针对STM不能用于绝缘体的检不能用于绝缘体的检测和分析的缺点于测和分析的缺点于1986年发明的。年发明的。1988年初，中国科学院化学所白春礼等人成功地研制年初，中国科学院化学所白春礼等人成功地研制了国内第一台了国内第一台STM，同年又研制出了我国第一台，同年又研制出了我国第一台AFM。AFM也是一种表面分析仪器，它不仅可以获得导体、也是一种表面分析仪器，它不仅可以获得导体、半导体以及绝缘体表面的原子级分辨率图像，还可以半导体以及绝缘体表面的原

245、子级分辨率图像，还可以测量、分析样品表面纳米级力学性质如表面原子间力、测量、分析样品表面纳米级力学性质如表面原子间力、表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等。表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等。2.9原子力显微镜（简介）原子力显微镜（简介）335材料测试技术材料测试技术AFM的应用非常广泛。的应用非常广泛。已经获得了导体和绝已经获得了导体和绝缘体在内的许多不同材料的原子级分辨率图象；缘体在内的许多不同材料的原子级分辨率图象；在摩擦学中的应用将进一步促进纳米摩擦学的在摩擦学中的应用将进一步促进纳米摩擦学的发展，在纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳发展，在纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳米摩

246、擦化学反应和机电纳米表面加工等方面得米摩擦化学反应和机电纳米表面加工等方面得到应用，可以实现纳米级尺寸和纳米级微弱力到应用，可以实现纳米级尺寸和纳米级微弱力的测量，可以获得相界、分形结构和横向力等的测量，可以获得相界、分形结构和横向力等信息的空间三维图象；信息的空间三维图象；AFM已成功应用于现已成功应用于现场电化学研究，可在电化学环境下，在场电化学研究，可在电化学环境下，在AFM的作用下，可在材料表面均匀地产生大量金属的作用下，可在材料表面均匀地产生大量金属纳米颗粒，诱导硅的局部刻蚀、增强导电聚合纳米颗粒，诱导硅的局部刻蚀、增强导电聚合物的局域聚合等。物的局域聚合等。336材料测试技术材料测

247、试技术AFM的工作环境可以多样化。的工作环境可以多样化。既可在真空中，既可在真空中，也可在大气中；既可在气体氛围中，也可进也可在大气中；既可在气体氛围中，也可进行湿度控制；既可加热样品，也可冷却样品；行湿度控制；既可加热样品，也可冷却样品；既可对样品进行气体喷雾，也可在溶液中观既可对样品进行气体喷雾，也可在溶液中观察样品。察样品。AFM适用于所有材料。适用于所有材料。和和STM一样，能观察一样，能观察分析表面结构，可进行表面微硬度、黏着力、分析表面结构，可进行表面微硬度、黏着力、磁力、静电力等的测量，可进行原子和分子磁力、静电力等的测量，可进行原子和分子的操纵、修饰和加工，设计和创造新的结构的

248、操纵、修饰和加工，设计和创造新的结构和物质。和物质。337材料测试技术材料测试技术材料学院材料学院原子力显微镜简介原子力显微镜简介338材料测试技术材料测试技术1.显微镜概况显微镜概况（1）型号：）型号：SPI3800N/SPA400（2）厂家：日本精工）厂家：日本精工(SIINanoTechnologyInc.)339材料测试技术材料测试技术设备平面图340材料测试技术材料测试技术SPM简介简介SPM（ScanningProbeMicroscope）是）是扫描探针显微镜的缩写，是一个大的种类。扫描探针显微镜的缩写，是一个大的种类。目前，目前，SPM家族中已经产生了二三十种家族中已经产生了二三

249、十种显微镜。例如显微镜。例如STM（ScanningTunnelingMicroscope）、）、AFM（AtomicForceMicroscope）、）、MFM（MagneticForceMicroscope）、）、EFM（ElectrostaticForceMicroscope）等等。）等等。341材料测试技术材料测试技术原子力显微镜工作原理原子力显微镜工作原理AFM是是SPM最重要的发展。最重要的发展。它的工作原理是将一个对微弱力极敏感它的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖（常为氮化硅制成），针尖与样品针尖（常为氮化硅制

250、成），针尖与样品表面轻轻接触，通过尖锐针尖与样品的表面轻轻接触，通过尖锐针尖与样品的作用力来检测样品表面的形貌。利用光作用力来检测样品表面的形貌。利用光学检测法，可以测得微悬臂对应于扫描学检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。面形貌的信息。342材料测试技术材料测试技术原子力显微镜工作原理示意图原子力显微镜工作原理示意图343材料测试技术材料测试技术本设备测试模式：本设备测试模式：1.接触式测量（接触式测量（AFM）主要用于表面相对主要用于表面相对比较光滑和硬度相对大的物体，在测试物比较光滑和硬度相对大的物体，在测试物

251、体表面形貌的同时，可兼测物体表面的摩体表面形貌的同时，可兼测物体表面的摩擦系数分布情况。擦系数分布情况。2.敲击式测量（敲击式测量（DFM）主要用于表面相对）主要用于表面相对比较粗糙的物体，尤其适用于粘弹性大的比较粗糙的物体，尤其适用于粘弹性大的物体。物体。3.磁性敲击式（磁性敲击式（MFM）在测样品表面形貌在测样品表面形貌的同时，还可以测出表面磁道或磁畴分布的同时，还可以测出表面磁道或磁畴分布状况。状况。344材料测试技术材料测试技术云母扫描图片云母扫描图片345材料测试技术材料测试技术光栅扫描图片光栅扫描图片346材料测试技术材料测试技术镀膜层扫描图片镀膜层扫描图片347材料测试技术材料测

252、试技术SiO2粉体分散在云母片上的扫描图片粉体分散在云母片上的扫描图片348材料测试技术材料测试技术SiO2/TiO2分散在玻片上的扫描图片分散在玻片上的扫描图片349材料测试技术材料测试技术本设备适用范围本设备适用范围1.表面科学表面科学：无机物包括金属、半导体、磁：无机物包括金属、半导体、磁性材料、陶瓷、玻璃、粉剂的观察，有机性材料、陶瓷、玻璃、粉剂的观察，有机物方面包括薄膜、高分子、纤维的观察，物方面包括薄膜、高分子、纤维的观察，还有一些特殊界面如摩擦表面、腐蚀面的还有一些特殊界面如摩擦表面、腐蚀面的观察。观察。2.力学及其他力学及其他：材料表面光洁度测定、磁场、：材料表面光洁度测定、磁

253、场、摩擦力等特性的测试。摩擦力等特性的测试。350材料测试技术材料测试技术AFM的优点：的优点：分辨率更高。分辨率更高。样品处理很方便，无须喷金使其导电。样品处理很方便，无须喷金使其导电。实验条件要求不高，常温常压下即可实验条件要求不高，常温常压下即可测量测量。351材料测试技术材料测试技术分析、扫描范围分析、扫描范围样品台尺寸：样品台尺寸：35mm扫描范围：二维范围内最大值为扫描范围：二维范围内最大值为20m20m；最小值为；最小值为10nm10nm；表面粗糙度；表面粗糙度（表面最高点和最低点的垂直距离）最大（表面最高点和最低点的垂直距离）最大值为值为2m。352材料测试技术材料测试技术注意

254、事项、样品要求注意事项、样品要求1.样品长和宽不要超过样品长和宽不要超过4cm，厚度不能超过，厚度不能超过1cm。2.样品表面要光滑，要求扫描区域的粗糙度样品表面要光滑，要求扫描区域的粗糙度（最低和最高的差值）不能超过（最低和最高的差值）不能超过2m。3.样品要干净，比如表面有油污，会污染针样品要干净，比如表面有油污，会污染针尖，使测试不准尖，使测试不准。4.样品最好干燥，因为表面有水膜会吸附针样品最好干燥，因为表面有水膜会吸附针尖，使测试不准尖，使测试不准。353材料测试技术材料测试技术粉末颗粒分析粉末颗粒分析：可确定粉末颗粒的外形轮：可确定粉末颗粒的外形轮廓、轮廓清晰度、颗粒尺寸和薄膜、廓

255、、轮廓清晰度、颗粒尺寸和薄膜、粒粒度分布和聚焦或堆叠状态等。可看度分布和聚焦或堆叠状态等。可看P172-174上照片。上照片。玻璃分相的观察：玻璃分相的观察：在陶瓷材料方面的应用：在陶瓷材料方面的应用：在水泥和混凝土方面的应用在水泥和混凝土方面的应用：2.10电子显微分析在无机非金属材料中的应用电子显微分析在无机非金属材料中的应用354材料测试技术材料测试技术本章主要介绍三种热分析方法：即差热本章主要介绍三种热分析方法：即差热分析、热重分析、热膨胀法。同时介绍分析、热重分析、热膨胀法。同时介绍相应的三种热分析仪器：即差热分析仪、相应的三种热分析仪器：即差热分析仪、热重分析仪和热膨胀仪。热重分析

256、仪和热膨胀仪。第三章热分析355材料测试技术材料测试技术3.1概述概念概念：把根据物质温度变化所引起的性：把根据物质温度变化所引起的性能变化（如热能量、质量、尺寸、结构能变化（如热能量、质量、尺寸、结构等）来确定状态变化的方法叫热分析。等）来确定状态变化的方法叫热分析。目的目的：可对物质进行定性、定量鉴定可对物质进行定性、定量鉴定，从而达到指导生产、控制产品质量的目从而达到指导生产、控制产品质量的目的。的。方法方法：热分析常用的方法有差热分析、：热分析常用的方法有差热分析、热重分析、热膨胀法等。热重分析、热膨胀法等。3.1概述356材料测试技术材料测试技术3.2 差热分析（DTA）差热分析简称

257、差热分析简称DTA。它是测定物质加热时伴随。它是测定物质加热时伴随物理化学变化的同时产生热效应的一种方法。物理化学变化的同时产生热效应的一种方法。DTA是热分析法中最简单、最常用的一种方法。是热分析法中最简单、最常用的一种方法。DTA能能精确测定和记录精确测定和记录一些物质在加热过程中一些物质在加热过程中发生的发生的失重、分解、相变、氧化还原、升华、失重、分解、相变、氧化还原、升华、熔融、晶格破坏和重建熔融、晶格破坏和重建，以及物质间的相互作，以及物质间的相互作用等一系列物理化学现象，并借以用等一系列物理化学现象，并借以判定物质的判定物质的组成及反应机理。组成及反应机理。3.2 差热分析（DT

258、A）357材料测试技术材料测试技术DTA的基本原理看看P188图图3-2EAB（k/e）（）（T1T2）（）（neA/neB）式中：式中：EAB由由A、B两种金属丝组成的闭合回路两种金属丝组成的闭合回路中的温差电动势。中的温差电动势。k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；e电子电荷；电子电荷；T1、T2差热电偶两个焊点的温度（差热电偶两个焊点的温度（K)；neA、neB金属金属A、B中的自由电子数。中的自由电子数。358材料测试技术材料测试技术由上式可知：由上式可知：闭合回路中的温差电动势闭合回路中的温差电动势EAB与与两焊点间的温差（两焊点间的温差（T1-T2)成正比。成正比。1.当当T1T2时时，

259、EAB0。这时记录仪上呈一平行。这时记录仪上呈一平行于横轴的直线叫差热曲线的基线。于横轴的直线叫差热曲线的基线。表示试样在表示试样在该温度下不产生反应。该温度下不产生反应。2.当当T2 T1时时，EAB 0，表示试样加热过程中发生表示试样加热过程中发生的变化为吸热反应。的变化为吸热反应。构成一个吸热峰。构成一个吸热峰。3.当当T1 T2时时，EAB 0，表示试样加热过程中发生表示试样加热过程中发生的变化为放热反应。的变化为放热反应。构成一个放热峰。构成一个放热峰。359材料测试技术材料测试技术因此，因此，差热分析的基本原理是差热分析的基本原理是：由于试样在加热和冷却过程中产生由于试样在加热和冷

260、却过程中产生的热变化导致试样和参比物间产生温度的热变化导致试样和参比物间产生温度差通过热电偶反映出来，记录仪记下差差通过热电偶反映出来，记录仪记下差热曲线。差热曲线所反映的是试样本身热曲线。差热曲线所反映的是试样本身的特性，对差热曲线进行分析，就可对的特性，对差热曲线进行分析，就可对物相进行鉴定。物相进行鉴定。360材料测试技术材料测试技术差热分析仪差热分析仪差热分析仪由加热炉、温控器、信由加热炉、温控器、信号放大器、试样架测量系统及记号放大器、试样架测量系统及记录系统等几大部分组成。录系统等几大部分组成。试样架试样架测量系统也叫差热系统，是差热分测量系统也叫差热系统，是差热分析仪的核心部分，

261、试样架常用石英、析仪的核心部分，试样架常用石英、刚玉、钼、铂、钨等材料做坩埚。刚玉、钼、铂、钨等材料做坩埚。361材料测试技术材料测试技术差热分析对参比物的要求：差热分析对参比物的要求：1.整个测温范围内无热反应；整个测温范围内无热反应；2.比热和导热性能与试样相近；比热和导热性能与试样相近；3.粒度与试样相近。粒度与试样相近。常用的参比物为常用的参比物为Al2O3.差热分析对试样的要求：差热分析对试样的要求：1.粉末试样要通过粉末试样要通过100300目筛；聚合物应切目筛；聚合物应切成碎片；纤维试样应切成小段或球粒状。成碎片；纤维试样应切成小段或球粒状。2.在试样中加适量参比物使其稀释以使二

262、者导在试样中加适量参比物使其稀释以使二者导热性能接近。热性能接近。3.使试样与参比物有相近的装填密度。使试样与参比物有相近的装填密度。362材料测试技术材料测试技术差热曲线的判读差热曲线的判读明确试样加热或冷却过程中产生的热明确试样加热或冷却过程中产生的热效应与差热曲线形态的对应关系；效应与差热曲线形态的对应关系；明确差热曲线形态与试样本征热特性明确差热曲线形态与试样本征热特性的对应关系；的对应关系；要排除外界因素对差热曲线形态的影要排除外界因素对差热曲线形态的影响。响。363材料测试技术材料测试技术差热曲线的影响因素内因的影响内因的影响：1.晶体结构的影响；晶体结构的影响；2.阳离子电负性、

263、离子半径及电价的影响；阳离子电负性、离子半径及电价的影响；3.氢氧离子浓度的影响。氢氧离子浓度的影响。外因的影响外因的影响：1.加热速度的影响；加热速度的影响；2.试样形状、称量及装填的影响；试样形状、称量及装填的影响；3.压力与气氛的影响；压力与气氛的影响；4.试样晶粒度的影响。试样晶粒度的影响。364材料测试技术材料测试技术差热分析在定量分析中的应用差热分析在定量分析中的应用原理：原理：Speil公式公式：HKA式中：式中：H试样的熔化热试样的熔化热K装置系数装置系数A积分面积积分面积根据上式求出根据上式求出H，就可确定反应物质，就可确定反应物质的名称和含量。的名称和含量。定量分析常用的方

264、法有定量分析常用的方法有：图标法、单矿：图标法、单矿物标准法、面积法等。物标准法、面积法等。365材料测试技术材料测试技术差热分析的应用差热分析的应用凡在加热或冷却过程中能产生吸热或放热反应凡在加热或冷却过程中能产生吸热或放热反应的物质，均可采用差热分析法加以鉴定。的物质，均可采用差热分析法加以鉴定。吸附水吸附水1.含水化合物的鉴定：含水化合物的鉴定：含水化合物含水化合物结构水结构水结晶水结晶水2.高温下有气体放出物质的鉴定：高温下有气体放出物质的鉴定：3.含变价元素矿物的鉴定：含变价元素矿物的鉴定：4.非晶物质结晶的鉴定：非晶物质结晶的鉴定：5.转变点的测定：转变点的测定：366材料测试技术

265、材料测试技术3.3 热重分析（热重分析（TG）热重分析热重分析（简称（简称TG）是在程序控温下，）是在程序控温下，测量测量物质的质量与温度关系物质的质量与温度关系的热分析方法。的热分析方法。热重曲线以热重曲线以m（质量）为纵坐标，以（质量）为纵坐标，以T（温度）（温度）或或t（时间）为横坐标，即（时间）为横坐标，即mT（t）曲线。）曲线。TG的原理的原理：TG是利用物质加热或冷却过程中，是利用物质加热或冷却过程中，质量变化的特点，来区分和鉴定不同的物质的。质量变化的特点，来区分和鉴定不同的物质的。热重分析仪热重分析仪：有热天平式和弹簧称式两种。：有热天平式和弹簧称式两种。3.3 热重分析（热重

266、分析（TG）367材料测试技术材料测试技术TG的试验方法的试验方法1.参量校正：实验前用砝码校正记录仪。参量校正：实验前用砝码校正记录仪。2.实验程序：试样先磨细，过实验程序：试样先磨细，过100300目目筛，再干燥。称量要精确，装填方式与筛，再干燥。称量要精确，装填方式与DTA相同。相同。3.影响热重曲线的因素：影响热重曲线的因素：（1）.浮力的变化与对流的影响：浮力的变化与对流的影响：（2）.挥发物的再凝聚及温度测量的影响：挥发物的再凝聚及温度测量的影响：（3）.其它影响因素：其它影响因素：368材料测试技术材料测试技术热重分析的应用热重分析的应用TG适用于加热或冷却过程中有质量变化适用于

267、加热或冷却过程中有质量变化的一切物质。的一切物质。粘土矿物的热重曲线：粘土矿物的热重曲线：强磁性体居里点的测定：强磁性体居里点的测定：活化能和反应级数的测定活化能和反应级数的测定见教材P213-216369材料测试技术材料测试技术3.4 热膨胀法热膨胀法物质的体积或长度随温度升高而增加的现象叫物质的体积或长度随温度升高而增加的现象叫热膨胀。热膨胀。测量物体体积或长度随温度变化的方法叫热膨测量物体体积或长度随温度变化的方法叫热膨胀法。胀法。物质受热膨胀与物质的结构、键型及键力大小、物质受热膨胀与物质的结构、键型及键力大小、热容、熔点等密切相关，物质结构不同热膨胀热容、熔点等密切相关，物质结构不同

268、热膨胀特性不同。特性不同。热膨胀曲线：纵轴热膨胀曲线：纵轴物质温度变化，横轴物质温度变化，横轴温温度。度。3.4 热膨胀法热膨胀法370材料测试技术材料测试技术物质的线膨胀可用下式表示：物质的线膨胀可用下式表示：lt=l0+l=l0(1+t)式中：式中：l0物体原长，物体原长，线膨胀系数线膨胀系数l温度升高后长度的增量，温度升高后长度的增量，lt温度温度t时物体的长度时物体的长度物质的体膨胀可用下式表示：物质的体膨胀可用下式表示：Vt=V0(1+t)式中：式中：V0物体原体积，物体原体积，体膨胀系数体膨胀系数Vt温度温度t时物体的体积时物体的体积和和均不是恒定值，只是给定温度范围的平均均不是恒

269、定值，只是给定温度范围的平均值。值。热膨胀通常以测定固体试样的线膨胀居多热膨胀通常以测定固体试样的线膨胀居多。371材料测试技术材料测试技术热膨胀仪热膨胀仪：由试样容器、线路单元、气：由试样容器、线路单元、气氛调节、温度控制、记录等部分组成。氛调节、温度控制、记录等部分组成。热膨胀分析用试样热膨胀分析用试样：圆柱样圆柱样51520mm。这样的细长试样，加工有一定难。这样的细长试样，加工有一定难度。度。应用实例应用实例：（看书上内容）：（看书上内容）1.石英、长石及高岭石的热膨胀曲线：石英、长石及高岭石的热膨胀曲线：2.三元瓷坯的热膨胀曲线：三元瓷坯的热膨胀曲线：3.锆酸钙合成过程的膨胀收缩曲线

270、：锆酸钙合成过程的膨胀收缩曲线：4.钛酸钡合成过程的膨胀收缩曲线：钛酸钡合成过程的膨胀收缩曲线：5.添加少量添加少量SiP2O7的的MgO的膨胀收缩曲线：的膨胀收缩曲线：372材料测试技术材料测试技术作作业业1、差热分析对参比物和样品各有哪些要求？、差热分析对参比物和样品各有哪些要求？2、影响差热曲线的因素有哪些？、影响差热曲线的因素有哪些？3、热重曲线的横坐标是（、热重曲线的横坐标是（）、纵坐标）、纵坐标是（是（）。）。4、简述热重分析的实验程序和影响热重曲线、简述热重分析的实验程序和影响热重曲线的因素。的因素。5、热膨胀分析对试样有何要求？、热膨胀分析对试样有何要求？373材料测试技术材料

271、测试技术附录附录1分析方法符号与所缩略语分析方法符号与所缩略语AASatomicaAAS atomic absorption spectrometryAAS atomic absorption spectrometry原子吸收光谱原子吸收光谱AESatomicemissionspectrometry原子发射光谱原子发射光谱AESAugerelectronspectroscopy俄歇电子谱俄歇电子谱AFMatomicforcemicroscope原子力显微镜原子力显微镜AFSatomicfluorescencespectrometry原子荧光光谱原子荧光光谱APFIMatomprobe-fiel

272、demissionmicroscope原子探针场离子显微镜原子探针场离子显微镜CLcathodoluminescence阴极荧光阴极荧光DMAdynamicmechanicalanalysis动态热机械法动态热机械法DSCdifferentialscanningcalorimetry差示扫描量热法差示扫描量热法DTAdifferentialthermalanalysis差热分析差热分析EAESelectronAES电子引发俄歇能谱电子引发俄歇能谱EDSenergydispersivespectroscopy能量色散谱（能谱）能量色散谱（能谱）ED-XFSenergydispersiveXFSX

273、射线荧光能谱射线荧光能谱EELSelectronenergylossspectroscopy电子能量损失谱电子能量损失谱EPMAelectronprobemcroanalysis电子探针显微分析电子探针显微分析ESCAESCAESCAelectronspectroscopyforchemicalanalysis化学分析化学分析电子谱（电子谱（X射线光电子能谱）射线光电子能谱）ESDelectronstimulateddesorption电子受激解吸脱附电子受激解吸脱附FEMfieldemissionmicroscope场发射显微镜场发射显微镜FIMfieldionmicroscope场离子显微

274、镜场离子显微镜FSfluorescencespectrometry（分子）荧光光谱（分子）荧光光谱GCgaschromatrometry气相色谱法气相色谱法HEEDhighenergyelectrondiffraction高能电子衍射高能电子衍射INSionneutralizationspectroscopy离子中和谱离子中和谱IRinfraredabsorptionspectrum红外分子吸收光谱红外分子吸收光谱ISSionscatteringspectroscopy离子散射谱离子散射谱LCliquidchromatography液相色谱法液相色谱法374材料测试技术材料测试技术 LEED

275、low enery electron diffractionLEED low enery electron diffraction 低能电子衍射低能电子衍射 MS mass spectroscopy MS mass spectroscopy 质谱质谱 NMR nuclear magnetic resonance spectroscopy NMR nuclear magnetic resonance spectroscopy 核磁共振波谱核磁共振波谱 PS photo-electron spectroscopy PS photo-electron spectroscopy 光电子谱光电子谱 RH

276、EED reflection high energy electron diffraction RHEED reflection high energy electron diffraction 反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射 SAM scanning Auger microprobe SAM scanning Auger microprobe 扫描俄歇探针扫描俄歇探针 SEAM scanning acoustic microscope SEAM scanning acoustic microscope 扫描电子声学显微镜扫描电子声学显微镜 SEM scanning electron m

277、icroscope SEM scanning electron microscope 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 SIMS secondary ion mass spectroscopy SIMS secondary ion mass spectroscopy 二次离子质谱二次离子质谱 SNMS secondary neutral mass spectroscopy SNMS secondary neutral mass spectroscopy 二次中子离子谱二次中子离子谱 STM scanning tunneling microscope STM scanning tunneling m

278、icroscope 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STS scanning tunneling spectrograph STS scanning tunneling spectrograph 扫描隧道谱扫描隧道谱 TA thermal analysis TA thermal analysis 热分析热分析 TEM transmission electron microscope TEM transmission electron microscope 透射电子显微镜透射电子显微镜 TG thermogravimetry TG thermogravimetry 热重法热重法 TMA therm

279、omechanical analysis TMA thermomechanical analysis 热机械分析法热机械分析法 TOF-SIMS time-of-flight SIMS TOF-SIMS time-of-flight SIMS 飞行时间二次离子质谱飞行时间二次离子质谱 UPS ultraviolet-photo-electron spectroscopy UPS ultraviolet-photo-electron spectroscopy 紫外光电子能谱紫外光电子能谱UV.VIS ultraviolet & visible absorption spectrum UV.VIS

280、 ultraviolet & visible absorption spectrum 紫外、可见（分子）吸收光谱紫外、可见（分子）吸收光谱 WDS wave dispersive spectroscopy WDS wave dispersive spectroscopy 波长色散谱（波谱）波长色散谱（波谱） WD-XFS wave dispersive XFS XWD-XFS wave dispersive XFS X射线荧光射线荧光 XAES X-rey AES XXAES X-rey AES X射线引发俄歇能谱射线引发俄歇能谱 XD X-ray diffraction XXD X-ray

281、diffraction X射线衍射射线衍射 XPS X-ray photo-electron spectroscopy XXPS X-ray photo-electron spectroscopy X射线光电子能谱射线光电子能谱 XFS X-ray fluorescence spectrometry XXFS X-ray fluorescence spectrometry X射线荧光光谱射线荧光光谱 XPF X-ray fluorescence XXPF X-ray fluorescence X射线荧光射线荧光 续附录续附录1.375材料测试技术材料测试技术附表附表1 1 近代显微镜的分类近代

282、显微镜的分类光光 源源（激发源）（激发源）照照射射方方式式物理效应物理效应主要成像信息主要成像信息显微镜名称显微镜名称符号符号光光束束静静 止止扫扫 描描反射或吸收反射或吸收光声效应光声效应光光 子子声声 子子光学显微镜光学显微镜光声显微镜光声显微镜OMOMSPAMSPAM 电子束电子束静静 止止透射或衍射透射或衍射透射或衍射透射或衍射透射和衍射电子透射和衍射电子透射和衍射电子透射和衍射电子普通透射电镜普通透射电镜高压透射电镜高压透射电镜OTEMOTEMHVEMHVEM扫扫 描描透射或衍射透射或衍射散射和原子电离散射和原子电离热弹性效应热弹性效应透射和衍射电子透射和衍射电子二次电子二次电子声波

283、声波扫描透射电镜扫描透射电镜表面扫描电镜表面扫描电镜扫描电子声学显微镜扫描电子声学显微镜STEMSTEMSEMSEMSEAMSEAM离子束离子束扫扫 描描溅溅 射射二次离子二次离子二次离子显微镜二次离子显微镜SLMSMSLMSM声声 束束扫扫 描描反射和透射反射和透射声光效应声光效应声声 波波光光 子子扫描声学显微镜扫描声学显微镜扫描声光显微镜扫描声光显微镜SAMSAMSLAMSLAM电电 场场静静 止止扫扫 描描场蒸发效应场蒸发效应隧道效应隧道效应正离子正离子隧道电流隧道电流场离子显微镜场离子显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜FLMFLMSTMSTM376材料测试技术材料测试技术附表附表2

284、2 各类显微镜的分辨率和主要用途各类显微镜的分辨率和主要用途显微镜显微镜最佳分辨率最佳分辨率对试样要求对试样要求主要用途主要用途OMOM0.2m0.2m金相表面金相表面1.1.金相组织微浮雕观测金相组织微浮雕观测2.2.显维硬度测量显维硬度测量OTEMOTEMHVEMHVEMSTEMSTEM0.10.10.201nm0.201nm复膜或薄膜复膜或薄膜1.1.形形貌貌分分析析（金金相相组组织织、晶晶体体缺缺陷陷、结结构构像像、原原子子像）像）2.2.晶体结构分析晶体结构分析3.3.元素成分和电子结构分析元素成分和电子结构分析SEMSEM0.8nm0.8nm无无1.1.形形貌貌分分析析（金金相相组

285、组织织、几几何何立立体体分分析析、三三位位物物理理结构分析）结构分析）2.2.晶体学分析晶体学分析3. 3. 元素成分和电子结构分析元素成分和电子结构分析SEAMSEAM几个几个mm无无1.1.集成电路的性能与缺陷分析集成电路的性能与缺陷分析2.2.研究材料的力性和马式体相变研究材料的力性和马式体相变SIMSMSIMSM0.3m0.3m无无1.1.形貌观察形貌观察2.2.成分分析成分分析SAMSAM0.3m0.3m无无分析材料的理学性质、内部结构无损检验、不透光分析材料的理学性质、内部结构无损检验、不透光物质亚表层结构物质亚表层结构FTMFTM0.3nm0.3nm针电极形状针电极形状直直接接观

286、观察察原原子子的的排排列列组组态态，并并确确定定单单个个原原子子的的化化学学种类种类STMSTM0.01nm0.01nm平坦表面平坦表面1.1.原子的空间轮廓图和原子的运动行为原子的空间轮廓图和原子的运动行为2.2.表面逸出功分布的测定表面逸出功分布的测定377材料测试技术材料测试技术附表附表3 3 在材料科学中常用的显微分析技术在材料科学中常用的显微分析技术名名 称称缩写符号缩写符号特长特长电子探针显微分析电子探针显微分析俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析电子能量损失谱分析电子能量损失谱分析二次离子质谱分析二次离子质谱分析卢瑟福散射谱分析卢瑟福散射谱分析核反应谱分析核反应谱分析离子激发离子激发

287、X X射线谱分析射线谱分析光电子能谱化学分析光电子能谱化学分析激发喇曼谱分析激发喇曼谱分析EPMAEPMAAESAESEELSEELSISSISSRBSRBSNRS NRS PIXEPIXEESCAESCALRSLRS对表面深层（对表面深层（1 110m10m）的元素分析）的元素分析几个原子表层（几个原子表层（1nm1nm）的元素分析）的元素分析对对10nm10nm微区内成分变化分析微区内成分变化分析最外表面单原子层的痕量元素分析最外表面单原子层的痕量元素分析轻集体中重杂质元素分析，独立定量轻集体中重杂质元素分析，独立定量重集体中轻杂质元素分析重集体中轻杂质元素分析表面原子密度表面厚度及其成分

288、分析表面原子密度表面厚度及其成分分析表面化学状态分析表面化学状态分析表面分子状态分析表面分子状态分析378材料测试技术材料测试技术附表附表4.X4.X射线衍射分析方法的应用射线衍射分析方法的应用分析方法分析方法基本分析项目基本分析项目在材料科学研究中的应用举例在材料科学研究中的应用举例衍射仪法衍射仪法物物相相定定性性分分析析，物物相相定定量量分分析析，点点阵阵常常数数测测定定，一一、二二、三三类类应应力力测测定定，晶晶粒粒度度测测定定，织织构构测测定定，单单晶晶定定向向（单单晶晶样样品品要要转转动动），非非晶晶态态结结构构分析分析塑塑性性形形变变的的X X射射线线分分析析：孪孪晶晶面面与与滑滑

289、移移面面指指数数的的测测定定（单单晶晶定定向向）、形形变变与与再再结结晶晶织织构构测测定定、应力分析等；应力分析等；相相变变过过程程与与产产物物的的X X射射线线研研究究（如如马马氏氏体体相相变变、合合金金时时效效）：相相变变产产物物（相相）结结构构的的变变化化及及最最终终产产物物、工工艺艺参参数数对对相相变变的的影影响响、新新生生相相与与母母相的取向关系等；相的取向关系等；固固溶溶体体的的X X射射线线分分析析：固固溶溶极极限限测测定定、点点阵阵有有序化（超点阵）参数测定、短程有序分析等；序化（超点阵）参数测定、短程有序分析等；高高分分子子材材料料的的X X射射线线分分析析：高高聚聚物物鉴鉴

290、定定、晶晶态态与与非非晶晶态态及及晶晶型型的的确确定定、结结晶晶度度测测定定、微微晶晶尺尺寸测定等寸测定等（粉末）（粉末）照相法照相法物物相相定定性性分分析析、点点阵阵常常数数测测定、丝织构测定定、丝织构测定劳埃法劳埃法单单晶晶定定向向（晶晶体体取取向向的的测测定定）、晶体对称性测定、晶体对称性测定四圆衍射四圆衍射仪法仪法单单晶晶结结构构分分析析、晶晶体体学学研研究究、化化学学键键（键键长长、键键角角等等）测测定定379材料测试技术材料测试技术附表附表5.5.电子衍射分析方法的应用电子衍射分析方法的应用方法方法样品样品基本分析项目与应用举例基本分析项目与应用举例高能电子衍射分高能电子衍射分析（

291、析（HEEDHEED）(TEM(TEM上上) )薄膜样品薄膜样品（样品薄膜（样品薄膜或复型膜）或复型膜）微微区区晶晶体体结结构构分分析析与与物物相相鉴鉴定定（如如第第二二相相在在晶晶体体内内析析出出过过程程分分析析、晶晶界界沉沉淀淀物物分分析析、弥弥散散粒粒子子物物相相鉴鉴定定等等），晶晶体体取取向向分分析析（如如析析出出物物与与晶晶体体取取向向关关系系、惯习面指数等），晶体缺陷分析惯习面指数等），晶体缺陷分析低能电子衍射分低能电子衍射分析（析（LEEDLEED）固体样品固体样品表表面面（1 15 5个个原原子子层层）结结构构分分析析 原原子子二二维维排排列列周周期期（单单元元网网格格）、层层

292、间间原原子子相相对对位位置置及及层层间间距距等等 ，表表面面吸吸附附现现象象分分析析（吸吸附附原原子子排排列列周周期期、吸吸附附原原子子相相对对基基体体原原子子位位置置、吸吸附附是是否否导导致致表表面面重重构构等等），表表面缺陷（不完善结构）分析（空位、台阶表面等）面缺陷（不完善结构）分析（空位、台阶表面等）反射式高能电子反射式高能电子衍射分析衍射分析（RHEEDRHEED）固体样品固体样品（尺寸（尺寸5mm5mm）表表面面结结构构分分析析，表表面面缺缺陷陷分分析析（样样品品的的无无序序程程度度、台台阶阶特特征征等等），表表面面原原子子逐逐层层生生长长过过程程分分析析（是是否否形成结晶、表面重

293、构等）。形成结晶、表面重构等）。典典型型应应用用：RHEEDRHEED监监控控人人造造超超晶晶格格材材料料的的生生长长（分分子子束外延、原子层外延或分子层外延生长等）束外延、原子层外延或分子层外延生长等）380材料测试技术材料测试技术附表附表6. 6. 电子显微分析方法电子显微分析方法方法或仪器名称方法或仪器名称（缩写）（缩写）技术基础技术基础（分析原理）（分析原理）检测信息检测信息（物理信号）（物理信号）样品样品基本应用基本应用透射电镜透射电镜（TEMTEM）透射和衍射透射和衍射透射电子和衍射透射电子和衍射电子电子薄膜和薄膜和复型膜复型膜1.1.形貌分析（显微组织、晶体缺陷）；形貌分析（显微

294、组织、晶体缺陷）；2.2.晶体结构分析；晶体结构分析；3.3.成分分析（配附件）成分分析（配附件）高压透射电镜高压透射电镜（HVEMHVEM）透射和衍射透射和衍射透射电子和衍射透射电子和衍射电子电子薄膜和薄膜和复型膜复型膜 1.1.形形貌貌分分析析（显显微微组组织织、晶晶体体缺缺陷陷）； 2.2.晶体结构分析；晶体结构分析； 3.3.成成分分分分析析（配配附附件件）与与电电子子结结构分析构分析扫描电镜扫描电镜(SEM)(SEM)电电子子激激发发二二次次电电子子；吸吸收收电电子子和和背散射电子背散射电子二次电子、吸收二次电子、吸收电子和背散射电电子和背散射电子子固体固体1.1.形形貌貌分分析析显

295、显微微组组织织、断断口口形形貌、三维立体形态（通过深腐蚀）；貌、三维立体形态（通过深腐蚀）；2.2.成分分析（配附件）；成分分析（配附件）；3.3.断裂过程动态研究；断裂过程动态研究；4.4.结构分析结构分析扫描透射电镜扫描透射电镜(STEM)(STEM)透射和衍射透射和衍射透射电子和衍射透射电子和衍射电子电子薄膜和薄膜和复型膜复型膜1.1.形貌分析（显微组织、晶体缺陷）；形貌分析（显微组织、晶体缺陷）；2.2.晶体结构分析；晶体结构分析；3.3.成分分析（配附件）与电子结构分析成分分析（配附件）与电子结构分析电子探针电子探针（EPMAEPMA）电子激发特征电子激发特征X X射射线线X X光子

296、光子固体固体1.1.成成分分（元元素素）分分析析（离离表表面面1 110m10m层内）：点分析、线分析、面分析；层内）：点分析、线分析、面分析；2.2.固体表面结构与表面化学分析固体表面结构与表面化学分析俄歇电子能谱俄歇电子能谱（AESAES）电子激发俄歇效电子激发俄歇效应应俄歇电子俄歇电子固体固体成成分分分分析析（1nm1nm，几几个个原原子子层层内内）：点点分分析析、线线分分析析、面面分分析析，并并可可做做深深度度分析分析场发射显微镜场发射显微镜(FEM)(FEM)（电）场致电子（电）场致电子发射发射场发射电子场发射电子针针尖尖状状（电极）（电极） 1. 1.晶面结构分析；晶面结构分析；

297、2.2.晶晶面面吸吸附附、扩扩散散和和脱脱附附等等分分析析（分分辨辨率率一一般般可可达达2.3nm2.3nm，最最高高小小于于1nm1nm）381材料测试技术材料测试技术续附表续附表6场离子显微镜场离子显微镜（FIMFIM）场电离场电离正离子正离子针针 尖尖 状状（电极）（电极） 1.1.形形貌貌分分析析（直直接接观观察察原原子子排排列列组组态态，即即结结构构像像、晶晶体体缺缺陷陷像像等等）； 2.2.表表面面缺缺陷陷、表表面面重重构构、扩扩散散等分析（分辨率可达等分析（分辨率可达0.25nm0.25nm）原子探针原子探针- -场离场离子显微镜子显微镜（AP-FIMAP-FIM）场蒸发场蒸发正

298、离子正离子针针 尖尖 状状（电极）（电极） 1.FIM 1.FIM的用途；的用途； 2.2.确定单个原子（离子）种类；确定单个原子（离子）种类； 3.3.元元素素分分布布研研究究（如如晶晶界界、相相界界元元素素偏偏聚聚和和分分布布）；（AP-FIMAP-FIM是是各各种种质质谱谱计计与与FIMFIM相相结结合合的的装装置置，可有各种结合形式，且各具特色）可有各种结合形式，且各具特色）扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STMSTM）隧道效应隧道效应隧道电流隧道电流固固 体体（ 具具 有有一一 定定 导导电性）电性） 1.1.表表面面形形貌貌与与结结构构分分析析（表表面面原子三维轮廓）；原子三维轮廓）

299、； 2.2.表表面面力力学学行行为为、表表面面物物理理与与表表面面化化学学研研究究（不不能能检检测测样样品品深深层层信息）信息）原子力显微镜原子力显微镜（AFMAFM）隧隧道道效效应应；并并通通过过力力传传感感器器建建立立其其针针尖尖尖尖端端上上原原子子与与样样品品表表面面原原子子间间作作用用力力（原原子子力力）和和扫扫描描隧隧道电流的关系道电流的关系隧道电流隧道电流固固 体体（ 绝绝 缘缘体体 、 半半导导 体体 、导体）导体） 1.1.表表面面形形貌貌与与结结构构分分析析（接接近近原子分辨水平）；原子分辨水平）； 2.2.表表面面原原子子间间力力与与表表面面力力学学性性质的测定质的测定扫描

300、电子声学显扫描电子声学显微镜微镜(SEAM)(SEAM)热弹性效应热弹性效应声波声波固体固体 1.1.材材料料力力学学性性能能与与马马氏氏体体相相变变研究；研究； 2.2.集成电路性能与缺陷分析集成电路性能与缺陷分析382材料测试技术材料测试技术附表附表7.7.电子能谱分析方法电子能谱分析方法方法名称缩写源信号（入射束）技术基础（源信号与样品作用）检测信号（出射束）备注光 电子 能谱X射线光电子能谱XPS或ESCAX光 子（单色）样品光电离光电子样品芯（内层）能级光电子谱紫外光电子能谱UPS或PES紫外光电子（单色）样品光电离光电子样品价态层能级光电子谱俄歇电子能谱X射线引发俄歇能谱XAESX

301、光子X光子引发样品俄歇效应俄歇电子俄歇电子动能只能与样品元素组成有关，不随入射光子（或粒子）的能量而改变，故入射束不需单色电子引发俄歇能谱EAES或AES电子（束）电子束引发样品俄歇效应俄歇电子离子中和谱INS离子（束）离子（束）轰击样品，产生俄歇电子俄歇电子INS给出固体价态密度信息，用于固体表面分析，比UPS灵敏度高电子（轰击）能量损失谱ELS或EELS电子（束）（单色）样品对电子的非弹性散射非弹性散射 电 子（特征能量）给出固体费米能级以上空带密度的信息，而XPS、AES等给出的是费米能级以下填充态密度信息383材料测试技术材料测试技术附表附表8.8.光电子能谱与俄歇电子能谱分析方法的应

302、用光电子能谱与俄歇电子能谱分析方法的应用分析方法分析方法AESAESXPSXPSUPSUPS元素定性分析元素定性分析适于除适于除H H、HeHe以外的所有元素以外的所有元素适于除适于除H H、HeHe以外的所有元素以外的所有元素不适于元素定性分析不适于元素定性分析元素定量分析元素定量分析一一般般用用与与Z Z（原原子子序序数数）3333的的元元素素。准准确确度度较较XPSXPS差差，相相对对灵灵敏敏度度与与XPSXPS相相近近，分分析析速速度较度较XPSXPS快快适适于于Z Z大大之之重重元元素素。相相对对灵灵敏敏度度不不高高（只只能能测测样样品品0.1%0.1%的的组组分分），绝绝对灵敏度高

303、（痕量分析）对灵敏度高（痕量分析）难于准确定量难于准确定量结构分析与物结构分析与物质分析研究质分析研究结结构构定定性性分分析析 确确定定元元素素的的化化学学状状态态（环环境境）元元素素存存在在于于何何种种化化合合物物中中（常常与与XPSXPS结合分析）结合分析） 1.1.结结构构定定性性分分析析 确确定定元元素素的的化化学学状状态态（环境）（常与（环境）（常与AESAES结合分析）结合分析） ；2.2.固固体体能能带带结结构构测测量量 角角分分辨辨光光电电子子谱谱（AR-XPSAR-XPS） ；3.3.电电子子（轨轨道道）结结构构分分析析（轨轨道道结结构构特特征征、电电子子量量子子数数检检测测

304、、自自旋旋- -轨轨道道偶偶合、多重分裂研究等）；合、多重分裂研究等）；4.4.有有机机分分子子电电荷荷转转移移（CTCT）现现象象的的研研究究1.1.结结构构定定性性分分析析（简简单单混混合合物物组组分分、某某些些同同分分异构体鉴定等）；异构体鉴定等）；2.2.固固体体能能带带结结构构测测量量 角角分分辨辨光光电电子子谱谱（AR-AR-UPSUPS或或UARPSUARPS） ；3.3.电子轨道结构分析（项目同电子轨道结构分析（项目同XPSXPS）；）；4.4.分分子子振振- -转转结结构构分分析析 振振动动精精细细结结构构（高高分分辨辨UPSUPS） 等；等；5.5.原原子子簇簇（小小的的原

305、原子子聚聚集集体体）的的UPSUPS研研究究（原原子簇价带测定等）子簇价带测定等）固体表面分析固体表面分析1.1.表表面面成成分分分分析析（EAESEAES：微微区区分分析析、点点分分析析、线线分分析析、面分析、深度分析）；面分析、深度分析）；2.2.表表面面结结构构定定性性分分析析与与表表面面化化学学研研究究（如如：表表面面碳碳的的存存在在形形态态鉴鉴定定，表表面面内内氢氢的的状状态态分分析析，含含硅硅化化合合物物的的电电子子结结构构分分析析，催催化化剂剂结结构构分分析析，铜合金腐蚀机理研究等）铜合金腐蚀机理研究等）1.1.表面成分分析（可作深度抛析）；表面成分分析（可作深度抛析）；2.2.

306、表表面面能能带带结结构构分分析析（如如半半导导体体能能带带结构测定等）；结构测定等）；3.3.表表面面结结构构定定性性分分析析与与表表面面化化学学研研究究 如如：元元素素存存在在的的化化学学状状态态，粉粉末末样样品品氧氧化化层层厚厚度度测测定定与与层层状状结结构构分分析析（AR-AR-XPSXPS）等）等 1.1.表表面面能能带带结结构构分分析析（如如聚聚合合物物价价带带结结构构分分析析等）；等）；2.2.表表面面结结构构定定性性分分析析与与表表面面化化学学研研究究 表表面面原原子子排排列列与与电电子子结结构构分分析析（表表面面驰驰豫豫与与重重构构），表面吸附性质、表面催化机理研究等表面吸附性

307、质、表面催化机理研究等 固体样品探测固体样品探测深度深度约约0.40.42nm2nm（俄俄歇歇电电子子能能量量50502000eV2000eV范范围围内内）（与与电电子能级及样品材料有关）子能级及样品材料有关）约约0.50.52.5nm2.5nm（金金属属及及金金属属氧氧化化物物）；约约4 410nm10nm（有机物和聚合材料）（有机物和聚合材料）约约0.40.42nm2nm（光电子能量（光电子能量1010100eV100eV范围内）范围内）384材料测试技术材料测试技术附表附表9.9.光谱分析方法及其应用光谱分析方法及其应用分析方法（缩写）分析方法（缩写）样品样品基本分析项目与应用基本分析项

308、目与应用应用特点应用特点原子发射光谱分析原子发射光谱分析(AES)(AES)固固体体与与液液体体样样品品，分分析析时时被被蒸蒸发发、解解离离为为气气态态原子原子元元素素定定性性分分析析、半半定定量量分分析析与与定定量量分分析析（可可测测所所有有金金属属和和谱谱线线处处于于真真空空紫紫外外区区的的C C、S S、P P等等非非金金属属共共七七八八十十种种元元素素。对对于于无无机机物物分分析析，是是最最好好的的定定性性、半半定定量量分析方法）分析方法）灵灵敏敏度度高高，准准确确度度较较高高；样样品品用用量量少少（只只需需几几mgmg几几十十mgmg）；可可对对样样品品作作全全元元素素分分析析，分分

309、析析速速度度快快（光光电电直直读读光光谱谱仪仪只只需需1 12min2min可测可测2020多种元素）多种元素）原子吸收光谱分析原子吸收光谱分析（AASAAS）液液体体（固固体体样样品品配配制制溶溶液液），分分析析时时为为原子蒸气原子蒸气元元素素定定量量分分析析（可可测测几几乎乎所所有有金金属属和和B B、SiSi、SeSe、TeTe等半金属元素约等半金属元素约7070种）种）灵灵敏敏度度很很高高（特特别别适适用用于于元元素素微微量量和和超超微微量量分分析析），准准确确度度较较高高；不不能能做做定定性性分分析析，不不便便于于作作单单元元素素测测定定；仪仪器器设设备备简简单单，操操作作方方便，分

310、析速度快便，分析速度快原子荧光光谱分析原子荧光光谱分析（AFSAFS）样样品品分分析析时时为为原原子子蒸气蒸气元素定量分析（可测元素近元素定量分析（可测元素近4040种）种）灵灵敏敏度度高高；可可采采用用非非色色散散简简单单仪仪器器；能能同同时时进进行行多多元元素素测测定定；痕痕量量分分析析新新方方法法；不不如如AESAES、AASAAS应应用广泛用广泛X X射线荧光光谱分射线荧光光谱分析（析（XFSXFS） 固体固体元元素素定定性性分分析析、半半定定量量分分析析、定定量量分分析析（适用于原子序数（适用于原子序数Z5Z5的元素）的元素）无无损损检检测测（样样品品不不受受形形状状大大小小限限制制

311、且且过过程程中中不不被被破破坏坏），XFSXFS易易实实现现过过程程自自动动化化与与分分析析程程序序化化。灵灵敏敏度度不不够够高高，只只能能分分析析含含量量在在0.0x%0.0x%以上的元素以上的元素紫外、可见吸收光紫外、可见吸收光谱分析谱分析（UVUV、VISVIS）一一般般用用液液体体（样样品品配制溶液）配制溶液） 1.1.结结构构定定性性分分析析（有有机机化化合合物物鉴鉴定定和结构分析）；和结构分析）； 2.2.（某某些些）有有机机化化合合物物构构型型和和构构象象的测定；的测定； 3.3.组组分分定定量量分分析析（单单一一物物质质，化化合合物组分，混合物组分含量）；物组分，混合物组分含量

312、）； 4.4.化化学学和和物物理理数数据据测测定定（氢氢键键强强度度、化合物相对分子质量测定等）化合物相对分子质量测定等）主主要要用用于于有有机机化化合合物物微微量量和和常常量量组组分分定定量量分分析析。在在有有机机化化合合物物定定性性鉴鉴定定和和结结构构分分析析时时有有一一定定局局限限性性，常常用用于于研研究究不不饱饱和和有有机机化化合合物物，特特别别是是具具有有共共轭轭体体系系的的有有机机化化合合物物。作作为为重重要要辅辅助助手手段段可可与与IRIR、NMRNMR等等进进行行配配合合进进行行有有机机化化合合物鉴定和结构分析物鉴定和结构分析385材料测试技术材料测试技术续附表续附表9红外吸收

313、光谱分析红外吸收光谱分析（IRIR）气、液、气、液、固体（薄固体（薄膜）样品膜）样品（需经样（需经样品制备过品制备过程）程） 1.1.未未知知物物定定性性分分析析 已已知知物物验验证证，化化合合物物纯纯度度鉴鉴定定，未未知知物物结结构构鉴鉴别别（常常用用于于结构相近化合物鉴别）结构相近化合物鉴别） 2.2.未未知知物物结结构构分分析析（确确定定分分子子结结构构等等）； 3.3.定量分析（单组分和多组分含量）；定量分析（单组分和多组分含量）； 4.4.反反应应机机理理研研究究（高高分分子子聚聚合合过过程程、涂料成膜过程、高聚物光热老化过程等）涂料成膜过程、高聚物光热老化过程等）适适用用于于分分子

314、子（基基团团）振振动动中中伴伴有有偶极矩变化的有机化合物分析。偶极矩变化的有机化合物分析。不适于微量组分定量分析不适于微量组分定量分析分析方法（缩写）分析方法（缩写）样品样品基本分析项目与应用基本分析项目与应用应用特点应用特点分子荧光光谱分析分子荧光光谱分析（FSFS）样样品品配配制制溶液溶液 1. 1.荧光物质定量分析（质量分数）；荧光物质定量分析（质量分数）； 2.2.芳香族有机化合物分子结构分析芳香族有机化合物分子结构分析灵灵敏敏度度高高（比比分分子子吸吸收收光光谱谱高高几几个个数数量量级级），取取样样量量少少。直直接接法法只只适适用用于于具具有有荧荧光光性性质质的的物物质质分分析析（芳

315、芳香香族族有有机机化化合合物物、稀稀土土元元素离子等）素离子等）核磁共振波谱分析核磁共振波谱分析（NMRNMR）液体（固液体（固体样品配体样品配制溶液）制溶液） 1. 1.定性分析（有机化合物结构鉴定）；定性分析（有机化合物结构鉴定）； 2.2.定定量量分分析析（化化合合物物组组分分、混混合合物物组组分含量）；分含量）； 3.3.相对分子质量的测定；相对分子质量的测定； 4.4.化学键性质研究化学键性质研究结结构构分分析析的的重重要要手手段段，可可用用以以研研究究反反应应过过程程与与机机理理。样样品品用用量量少少，检检测测过过程程中中不不破破坏坏样样品品。仪仪器器价价格格高高，相相对对灵灵敏敏

316、度度较较差差，定定量量分分析应用尚不广泛析应用尚不广泛激光拉曼光谱分析激光拉曼光谱分析气气体体、液液体体、固固体体样品样品 1.1.定定性性分分析析（判判断断有有机机化化合合物物结结构构即即结构鉴定）；结构鉴定）； 2.2.分子结构分析（几何构型等）；分子结构分析（几何构型等）； 3.3.高高聚聚物物研研究究（结结晶晶度度、取取向向性性、碳链结构等）碳链结构等）适适用用于于没没有有偶偶极极矩矩变变化化的的有有机机化化合合物物分分析析，因因而而与与IRIR配配合合成成为为判判断断有有机机化化合合物物的的重重要要手手段段。除除应应用用于于有有机机化化合合物物外外，还还应应用用于于无无机机化化合合物物分分析析（如如无无机机络络合合物物组组成成、结结构构与与稳稳定定性性等等）、液液晶晶物物相变化分析等方面相变化分析等方面386材料测试技术材料测试技术