搜索
实验一.X射线衍射分析学时：2要求：必做类型：演示类别：专业基础一、目的要求1.了解X射线的发现史，X射线衍射技术的发展史；2.了解多晶（粉末）X射线衍射分析仪器的构造及其功能以及X射线衍射的基本原理；3.熟悉和掌握标准粉末衍射（PDF）卡片、索引及使用方法；能够完成物相定性分析。二、实验原理多晶体（粉末）X射线衍射分析仪是用单色X射线照射多晶体（粉末）样品，在满足布拉格公式（2dsinθ=nλ）条件时产生衍射，把衍射图谱记录下来用以分析晶体结构的仪器，主要用于以下几个方面：1．X射线物相分析，就是根据样品的衍射线的位置、数目及相对强度等确定样品中包含有那些结晶物质。2．进行X射线定量物相分析以及根据晶格常数随固溶度的变化来测定相图或固溶度等3．根据X射线衍射线的线形及宽化程度等来测定多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况等。4．根据样品的衍射峰位和衍射强度，可以完成未知样品的晶体结构解析。三、实验仪器设备该仪器为日本理学公司生产的SmartLab3kW，SmartLab9kW和赛默飞世尔公司的ARLX‘TRA型多晶体（粉末）X射线衍射分析仪，由X射线发生器、测角仪、探测器和控制运算部分构成。多晶体（粉末）X射线衍射分析仪示意图X射线衍射分析仪光路图封闭式X射线管结构图四、操作步骤5．按仪器说明书规定顺序打开电源、冷却水和衍射仪。6．按仪器说明书中规定步骤和时间逐步将X射线管的电压、电流升到所需数值。7．将粉末样品压入样品板里，去掉多余样品，将样品板插入样品台。8．根据样品和测试要求设定扫描条件。9．按“开始”键开始样品测试。10．在样品测试结束后，按仪器说明书中规定步骤和时间逐步降低电压、电流，关闭仪器，关闭冷却水，关闭电源。五、数据处理1.用得到的样品衍射图谱进行平滑、去背底、检峰等处理和计算，得到各个衍射峰的角度、d值、半高宽、绝对强度、相对强度的数据。2.根据得到的衍射峰数据和其他样品的信息用,利用SearchMatch软件进行样品的物相定性分析，同时找到样品里所含各种结晶物质的PDF卡片3.根据测试目的，用得到的衍射峰数据和PDF卡片数据进行计算，得到所需要的结果。六、问题分析：1．列举三名在X射线衍射领域做出巨大贡献的科学家，并简述其贡献。2．布拉格公式（2dsinθ=nλ）中的d、θ、λ各代表什么意思？3．索引分为几种？怎样使用？4．卡片分成几个区域？和衍射图谱检索有关的主要有那些区域的数据？X射线衍射图谱和数据标准粉末衍射（PDF）卡片（执笔人：潘志刚）实验二电子显微分析学时：6学时实验性质：必做实验类型：综合、设计实验类别：专业基础PartI透射电子显微分析一、实验目的1.了解透射电子显微镜的结构和工作原理2.掌握透射电子显微镜样品制备的方法。3.掌握透射电镜衍衬像和高分辨像的成像方法、辨别及图像分析等。二、实验原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。透射电镜的成像原理：阿贝首先提出了相干成像的一个新原理，即衍射谱(傅里叶变换)和二次衍射成像的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成像的机制。透射电镜的成像原理就是利用阿贝成像原理。根据光学中的阿贝成像理论，当一束平行光束照射到具有周期结构特点的物体时会产生衍射现象，如图1所示。除零级衍射束(即透射束)外，还有各级衍射束，通过透镜(物镜)的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的极大值，每个振幅极大值又看看成次级相干波源，由它们发出的次级波在像平面上相干成像。图1中像平面上的A’、B’及C’就是周期结构物点A、B和C的像。这样阿贝的透镜衍射成像可分为两个过程：一是平行光束收到周期特点物体的散射作用形成各级衍射谱，及物的信息通过衍射谱呈现出来；二是各级衍射波通过干涉重新再像平面上形成反映物体特征的像。显然，这要求从物体同一点出发的各级衍射波在经过上述两个过程后必须在像平面上会聚为一点，图1中，从A点发出的各级衍射波最后在像平面上A’点成像；而从物体不同点发出的同级平行散射波经过透镜后都聚焦到后焦面上的同一点，只有这样才能形成反映物体特点的传统意义的像。参与成像的次级波越多，叠加的像越与物接近。在电子显微镜中，用电子束代替平行光束，用薄膜样品代替周期性结构的物体，就可以重复以上衍射过程。图1阿贝成像原理示意图三、实验仪器设备及流程本实验用仪器为日本电子公司生产的JEM-2010UHRTEM高分辨电镜。仪器性能指标：加速电压200KV，线分辨率1.43Å，点分辨率1.9Å。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。1.电子光学系统组成电子光学系统透射电子显微镜的核心，它分为三部分，照明系统、成像系统和图像观察记录系统，具体详见图2。(1)照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪是透射电子显微镜的电子源，常用的有热阴极LaB6电子枪(本机用的是六硼化镧电子枪)和场发射电子枪(冷场发射和肖特基发射(热场))。聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角、和束斑大小。常规的透射电镜中一般采用双聚光镜系统。(2)成像系统成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。物镜的分辨本领主要决定于极靴的形状和加工精度。物镜的后焦面上安放的是物镜光阑。中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是电子衍射操作。图2JEM-2010透射电镜电子光学系统剖面图投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上。目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。(3)观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏、照相机构和计算机。2．透射电镜的成像衬度透射电镜的成像衬度分为质厚衬度、衍射衬度和相位衬度，分别对应质厚衬度像、衍射衬度像和相位衬度像，如图3所示。质厚衬度是由于非晶试样中各部分厚度和密度差别导致对入射电子的散射程度不同而形成的衬度.衍射衬度是基于晶体薄膜内各部分满足衍射条件的不同而形成的衬度。根据衍射衬度原理形成的电子图像称为衍衬像.在实验中，既可以选择特定的像区进行电子衍射(选区电子衍(a)质量厚度衬度像(d)相位衬度像图3透射电镜的衬度像(b)衍射衬度明场像(c)衍射衬度暗场像射)，也可以选择一定的衍射束成像,称为选择衍射成像.选择单光束用于晶体的衍衬像,选择多光束用于晶体的晶格像。若物镜光阑套住其后焦面的中心透射斑，形成的电子图像称为明场像(BF)，若物镜光阑套住其后焦面的某一衍射斑,形成的电子图像称为暗场像(DF)。相位衬度：衍射束和透射束或衍射束和衍射束由于物质的传递引起的波的相位的差别而形成的衬度。入射电子波照射到极薄试样上后，入射电子受到试样原子散射，分为透射波和散射波两部分，它们之间相位差为/2。如果物镜没有像差，且处于正焦状态，透射波与散射波相干结果产生的合成波振幅相同或相接近，强度差很小，所以不能形成像衬度。如果引入附加的相位差，使散射波改变/2位相，那么，透射波与合成波的振幅就有较大差别从而产生衬度，这种衬度称为相位衬度。常用方法是利用物镜的球差和散焦。在加速电压、物镜光阑和球差一定时，适当选择散焦量使这两种效应引起的附加相位变化是(2n-1)π/2，n=0，1，2……,就可以使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显示出来。高分辨电子显微像是相位衬度的一种，相位衬度还包括波纹像、费涅尔条纹、层错条纹等。高分辨电子显微像种类包括一维晶格条纹像、一维晶格像、二维晶格像、二维结构像和原子像等。3．试样的制备方法根据透射电镜所观察样品类型的差异，可分别采用如下方法来制备获得满足观察需要的薄试样：(1)粉碎方法，(2)电解抛光方法，(3)超薄切片方法，(4)离子减薄方法，(5)聚焦离子束方法等。四、实验操作步骤自己选定两种方案的一种：方案一：纳米材料表征(一）试样的准备：自己选定一种一维纳米材料，如碳纳米管、纳米线或纳米带。(二)透射电镜试样制备。自己选定以下的方法：1.粉末法。自己设计工艺路线。所用设备：真空镀膜仪、真空干燥箱等。2.切片法。自己包埋试样，然后进行切片。所用设备：超薄切片机、制刀机、冰箱、加热板和真空干燥箱等。(三）电镜观察。在指导老师的指导下，选择区域，获得高质量的高分辨电子显微像。所用设备：200kV高分辨透射电镜。方案二：晶体材料的物相分析(一）试样准备：自己选定一种固体结晶质材料，如方解石、石英、萤石、SrTiO3、BaTiO3等。(二)试样制备：机械磨薄和离子减薄。所用设备：离子减薄仪、Φ3mm冲片器、磨片机、凹坑研磨机和加热板等。(三）用透射电子显微镜进行电子衍射，获得二到三张电子衍射图。所用设备：200kV透射电镜。五、数据处理1．衍射图谱分析。根据所得的电子衍射图，自己设计分析方案，编制计算机程序，确定物相结构。2．高分辨电子显微像分析：从图像上测定晶面间距，根据JCPDS卡片确定晶面指数，然后确定图像的方向；如果图像能观察到晶体缺陷，简单指出缺陷的类型、晶体中的取向等信息，并对性能的影响加以讨论。六、分析讨论题1．TEM的图像衬度有哪些？2．在TEM成像过程中物镜光阑的作用是什么？3．TEM有哪些分析功能？4．选区电子衍射的基本公式是什么？如何进行电子衍射图谱的标定？PartII扫描电子显微分析一、实验目的1．了解扫描电子显微镜的基本构造和工作原理2．掌握电镜的样品制备3．掌握扫描电镜的一般操作过程4．掌握扫描电镜的图像衬度和图像分析方法二、实验原理1.扫描电镜工作原理以二次电子的成像为例，由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在偏转线圈作用下于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号调制显示器的亮度。2.扫描电镜的图像衬度扫描电镜图像衬度是信号衬度，根据其形成的依据，可分为形貌衬度、原子序数衬度和电压衬度。形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数。二次电子像是最典型的形貌衬度。原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。背散射电子像、吸收电子像都包含原子序数衬度。电压衬度是由于试样表面电位差别而形成的衬度。这种局部电位将使样品和探测器之间的静电场分布发生变化，从而影响二次电子的轨迹和信号强度。如可用来检测集成电路芯片的表面电位分布像。3.扫描电镜的成像信号聚焦电子束与样品作用产生一系列信号：二次电子、背散射电子，特征X射线、俄歇电子、X荧光等，扫描电镜所使用的信号探测器有二次电子探测器、背散射电子探测器和能谱仪探测器（特征X射线探测器），所以通过本仪器可以看到二次电子像、背散射电子像和能量色散谱图。一般情况下，利用扫描电镜观察的是样品表面的二次电子像（形貌衬度像）。通过改变Singnal可看到背散射电子像，背散射电子信号既有形貌的信息又有原子序数的信息，因此背散射电子像采用背散射电子信号分离观察有三种模式：组成像、形貌像和阴影像，如图1所示。图1扫描电镜背散射电子像（BEI），（a）阴影像，(b)组成像，（c）形貌像三、实验仪器设备及流程该实验用仪器为日本电子公司(JEOL)生产的JSM-5900，其主要性能指标：分辨率3nm，最大加速电压30KV。由真空系统、电子控制系统和电子光学系统组成。电子光学系统由电子枪、聚光镜、物镜、物镜光阑和样品室等部件组成，扫描电镜剖面图及