材料表征技术分析与应用

材料表征技术(一)金灯仁参考书：无机非金属材料测试方法材料现代分析方法X射线衍射分析原理、方法、应用（周上祺）等(英文版)绪论(一)现代分析测试技术:是研究物质的微观状态与宏观性能之间关系的一种手段.人们能通过改变分子或晶体的结构来达到控制物质宏观特性的目的,所以科学技术的发展离不开分析测试.材料现代分析方法，是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其有关理论基础的科学。内容：材料（整体的）成分、结构分析，也包括材料表面与界面、微区分析、形貌分析等一般原理：通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化（称为测量信号或特征信息）的检测实现的。即材料的分析原理是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。采用不同测量信号（相应地具有于材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。入射线衍射线XRD谱I:强度d(2)：位置试样(晶体)？X射线X射线晶体结构衍射规律分析（结构）XRD分析尺度：埃量级—核外电子结构；微米级的晶粒度。尺度更大的孔隙、裂纹等结构（或组织结构）（广义）包括从原子结构到肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结构等。微观结构：原子结构、晶体结构、缺陷等原子、分子水平上的构造状况。显微结构：材料内部不同的晶相、玻璃相及气孔的形态、大小、取向、分布等结构状况。从尺度范围上来讲一般电子显微镜及光学显微镜所观察到的范围。结构绪论(二)•材料的组织结构与性能•显微组织结构的内容：显微化学成分(不同相成分，基体与析出相的成分、偏析等)、晶体结构与晶体缺陷、晶粒大小与形态、相（成分、结构、形态、含量及分布）、界面•传统的显微组织结构与成分分析测试方法光学显微镜：100nm,表面形态，难以实现同位微区分析化学分析：平均成分，不能给出元素分布•X射线衍射与电子显微分析•XRD:晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。•局限性：无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结合；微米、纳米级选择性分析•电子显微镜(EM,ElectronMicroscope)：用高能电子束作光源，用磁场作透镜，高分辨率和高放大倍数•TEM：微观组织形态与晶体结构鉴定（同位分析）；10-1nm,106•SEM:表面形貌，1nm,2x105,表面的成分分布•EPMA：SEM、EPMA结合，达到微观形貌与化学成分的同位分析•STEM：SEM+TEM双重功能，+EPMA，组织形貌观察、晶体结构鉴定及化学成分测试三位一体的同位分析表4-1X射线衍射分析方法的应用元素成份分析（AAS，AES，XRF，EDX）化学价键分析（IR，LRS）结构分析（XRD，ED）形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM）表面与界面分析（XPS，AES，SIMS）材料表征（本课程的）主要内容本课程内容与要求•X射线衍射、电子显微分析（重点掌握）•其它X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等•要求与目标正确选择方法、制订方案、分析结果为以后掌握新方法打基础•课程安排••1.1引言••1.2X射线的本质••1.3X射线的产生及X射线管••1.4X射线谱••1.5X射线与固体物质相互作用第一章X射线的性质1.1引言•1895，（德，物）伦琴发现X射线•1912，（德，物）劳厄发现X射线在晶体中的衍射X射线：电磁波晶体：格子构造；研究晶体材料开辟道路第一章X射线的性质X射线衍射（XRD）的应用•单晶材料：晶体结构；对称性和取向方位•金属、陶瓷：物相分析（定性、定量）•测定相图或固溶度（定量、晶格常数随固溶度的变化）•多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况StructuralanalysisformaterialsresearchandcrystallographyX-raypowderdiffractometry(XRPD)isavaluabletoolfortheresearchanddevelopmentofadvancedmaterials.Itcanbeusedforinvestigationofthefollowingproperties:•Identificationofthephase(s)present:isitapurephaseordoesthematerialcontainimpuritiesasaresultoftheproductionprocess?•Quantificationofmixturesofphases•Degreeofcrystallinityofthephase(s)•Crystallographicstructureofthematerial:spacegroupdeterminationandindexing,structurerefinementandultimatelystructuresolving•Degreeoforientationofthecrystallites:textureanalysis.•Deformationofthecrystallitesasaresultoftheproductionprocess:residualstressanalysis•Influenceofnon-ambientconditionsonthesepropertiesAlltheseinvestigationscanbecarriedoutonsamplesofvaryingdimensions:Powders,frombulksamplestoverysmallamountsSolidmaterialsofvaryingshapesandsize,suchasmachinedmetallicorceramiccomponentsorpillsWellplatesforcombinatorialanalysis入射线衍射线XRD谱I:强度d(2)：位置试样(晶体)？X射线X射线晶体结构衍射规律分析（结构）XRD分析X射线物理基础、晶体结构XRD部分安排X射线衍射基本理论（衍射几何、强度）单晶、多晶衍射、衍射仪法应用：物相分析T1-1电磁波谱1.2X射线的本质电磁波：振动电磁场的传播，可用交变振动着的电场强度向量和磁场强度向量来表征；它们以相同的位相在两个互相垂直的平面上振动，而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直，并为右手螺旋法则所确定，真空中的传播速度为3x108m/s)(2sin0,vtEExtx)(2sin0,vtHHxtxcX射线具波粒二象性作为光子流：用光子的能量E及动量P来表征；经验公式KhPhhEc,1K波矢，方向为沿波的传播方向。X射线作为一种电磁波，在其传播的过程中是携带一定的能量的，即表示其强弱的程度。通常以单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积上的能量来表示。当X射线当作波时，根据经典物理学，其强度I与电场强度向量的振幅E0的平方成正比。208EIc当将X射线看作光子流时，则其强度为光子密度和每个光子的能量的乘积。1.3X射线的产生及X射线管1.3X射线的产生及X射线管同步辐射光源：同步辐射光源是在同步辐射加速器中产生的高强度光源，是高能带电粒子加速运动产生的副产物[ur负电子对撞机[/uPC)：通过高能加速器加速正负电子，利用高速正负电子的对撞研究高能物理的基本过程；同时高能带电粒子加速运动产生的副产物——同步辐射可提供真空紫外线至硬X光波段的高强度光源，可用来开展各领域的研究工作。北京同步辐射装置(BSRF)简介北京同步辐射装置(BSRF)是利用同步辐射光源进行科学研究的装置，对社会开放的大型公用科学设施，是我国凝聚态物理、材料科学、化学、生命科学、资源环境及微电子等交叉学科开展科学研究的重要基地。1.3X射线的产生及X射线管1.3X射线的产生及X射线管1.3X射线的产生及X射线管X射线的产生：高速运动着的带电（或不带电）粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相作用此外，还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管T2-13连续X射线谱及管电压对连续谱影响I连积分公式1.4X射线谱（连续X射线、特征X射线)曲线连续变化0连续辐射特征辐射•短波极限eV=hmax=hc/00=1.24/V(nm)V(kV)T2-15特征X射线谱及管电压对特征谱的影响在X射线谱中某个波长处出现强度峰，峰窄而尖锐；此波长放映了物质的原子序数特征-----特征X射线特征X射线产生：能量阈值22)(ZnRhcEn1212nnnnEEhKLKL/hchKL激发--跃迁---能量降低辐射出来的光子能量激发所需能量---与原子核的结合能EkeVk=-Ek=Wk特征X射线产生224特征X射线产生原子能级结构莫塞莱定律22)(ZnRhcEnX射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础T2-16K射线的双重线K波长=？加权平均W靶:0.0709nm0.0714nm产生特征（标识）X射线的根本原因：内层电子的跃迁•激发源：高速电子、质子、中子、X射线;•每种元素都有特定波长的标识X射线：X射线光谱分析的原理1.5X射线与固体物质相互作用内层电子外层电子、价电子、自由电子真吸收T2-18X射线衰减X射线的吸收1.X射线的吸收与吸收系数X射线衰减规律Itm=/[cm2/g]质量吸收系数：物质固有值物理意义：单位质量物质对X射线的衰减量。与物质密度和物质状态无关。:线吸收系数。意义：在X射线传播方向上，单位长度上的X射线强度衰减程度[cm-1].与物质种类、密度、X射线波长有关。mK3Z3含多种元素物质的质量吸收系数mimim)(为各元素的质量百分比生物体透视工业产品探伤应用：图6—4质量吸收系数(／jm)与波长(A)关系示意图m=/mK3Z3吸收限：（光电吸收）K系激发限：光电效应2.二次特征辐射hc/eVk=1.24/Vk=kkkkwhc/hWk=eVk逸出功光子能量3.俄歇（Auger）效应kk-LIIk-LII-LIIKLL俄歇电子能量取决于原子能级结构：元素特征值能量低：几百电子伏特—表面分析物质对X射线的吸收方式•1.漫散射式：原子对X射线的漫散射，向四周发散；极少一部分•2.真吸收：电子在原子内的迁移所引起的，是一个很大的能量转换过程（见前图）。•这两种吸收构成由质量吸收系数表征的全吸收。图6—5按样品的化学成分选靶（a）Z靶Z样（b）Z靶=Z样+1（c）Z靶》Z样1.5.3吸收限的应用滤波片与靶的选择（吸收与荧光）1-6X射线的安全防护•0.77x10-4C/Kg.W:局部组织损伤、坏死及由此带来的疾患•避免直接暴露于X射线光束：调整•铅屏、铅玻璃及眼镜、手套、围裙F1-8空间点阵第二章X射线衍射方向2.1引言晶体结构与XRD2.2晶体几何学基础晶体:由组成它的原子有规律排列的固体。1.空间点阵一晶体结构阵胞与基矢重复单元、相邻结点间距abc空间点阵的描述T1-5布拉菲点阵2.阵胞与点阵类型F1-9布拉菲点阵阵胞F1-10点阵基元晶体结构3.晶体结构与空间点阵F1-11晶面晶向4.晶向指数与晶面指数F1-12六方晶面晶向i=-(h+k)U=u-tV=v-tW=wu=2/3U-1/3Vv=2/3V-1/3UT=–(u+v)=-1/3(U+V)w=W[uvtw](hkil)F1-13干涉指数1.倒易点阵的定义二.倒易点阵（参照p162）FU1-44倒易点阵参数表达式正、倒易点阵之互为倒易关系3.倒易矢量及其性质•r*HKL=Ha1*+Ka2*+La3*•性质r*HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶面，其长度r*HKL等于（HKL）之晶面间距dHKL的倒数。面点正点阵倒点阵倒矢量性质推导（1-14）倒易点阵的建立--F1-15晶面与倒易矢量1.已知晶体点阵参数：通过求相应的倒易点阵参数2.依据rHKL