《材料分析技术》复习资料

《材料分析技术》复习资料一、光学显微分析1、光学显微分析使用波段：可见光波段380~780nm（0.38~0.78m)2、光学显微镜分类（依据成像原理）几何光学显微镜：生物显微镜、透射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。物理光学显微镜：相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。信息转换显微镜：荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜等。特种光学显微镜：高温显微镜、近场光学显微镜等3、光学显微分析方法透明晶体的观察可利用透射光显微镜，如偏光显微镜。不透明物体只能使用反射光显微镜，即金相显微镜。（不采用盖玻片，照明光束从上面照射非透明物体）。4、特殊显微光学分析特殊照明术：明场照明、暗场照明、斜光照明；相衬照明术：把具有相位差的反射光转换成具有强度差的光，以鉴别金相组织；干涉显微术：利用光的干涉研究物相更细微的表面高度差（数十纳米）；高温显微分析术：利用真空高温台研究材料在升温过程中的组织结构变化动态过程；显微摄影与图像分析技术：定量或定性提供光学显微分析数据5、光学显微分析样品的制备（1）合格样品需要具备的条件：能代表所要研究的对象；样品的检测面平整光滑；能显示所要研究的内部组织结构。（2）样品制作过程切割镶嵌磨光抛光浸蚀6、光学显微分析技术的进展（1）光学显微镜的分辨率极限能够分辨的最临近两个物点间的距离或角度越小，分辨率越大，如选择更短的波长的光源（紫外线、X射线、电子束）。（2）近场光学显微镜照明方法成像方法传统光学显微镜扩展光源在远场照明样品肉眼或成像仪器直接观察近场光学显微镜纳米局域光源在纳米尺度的近场距离内照明样品用局域光源逐点网格照明样品，用光电接收器接收光信号，借助计算机构画图像二、X射线物理基础1、X射线简介由德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现，故又称伦琴射线；波长介于紫外线和γ射线间的电磁波，波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线；德国物理学家劳埃将X射线应用于分析晶体中原子的周期性结构。2、X射线的性质人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。3、X射线的产生X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中原子的内层电子相互作用而产生的。能够产生X射线的装置有：X射线管和同步辐射加速器谱图特征用途连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波强度随波长连续变化应用于医学透视特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰晶体材料结构的衍射分析4、X射线谱连续X射线谱：高能量电子与原子碰撞时，部分能量将转变为电磁辐射，形成连续X射线谱；特征X射线谱：当电子的加速电压超过某临界值时，除连续X射线谱外，在一定波长处叠加少数强谱线，即特征X射线谱。5、X射线与物质的相互作用散射散射无能力损失或损失相对较小相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收是能量的大幅度转换，多数在原子壳层上进行，从而带有壳层的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是进行材料元素成分、元素价态分析的工具光电子被X射线击出壳层的电子即光电子，它带有壳层的特征能量，所以可用来进行成分分析(XPS)。俄歇电子高能级的电子回跳，多余能量将同能级的另一个电子送出去，这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)。二次荧光X射线高能级的电子回跳，多余能量以X射线形式发出。这个二次X射线就是二次荧光，也称荧光辐射，同样带有壳层的特征能量。6、X射线管阳极靶材的选择原则Z靶≤Z样-1；或Z靶Z样。7、X射线滤波片的选择原则Z靶＜40时，Z滤＝Z靶-1Z靶＞40时，Z滤＝Z靶-2三、X射线衍射理论1、X射线衍射的基本原理劳埃衍射理论：X射线被原子列散射后散射波相互干涉形成衍射花样；布拉格衍射理论：X射线被晶面反射后的散射波相互干涉形成衍射花样。两种理论都与晶体内原子周期排列有关2、X射线衍射理论X射线的衍射方向：由布拉格方程决定哪些衍射方向将出现X射线衍射线条（或衍射峰），反映出晶体中最小结构单元（晶胞）的大小与形状；X射线的衍射强度：即衍射峰的强度高低取决于晶体中所有原子的衍射强度，并引入一些几何与物理上的修正因数，得出多晶体衍射峰的积分强度，反映出晶体中原子的位置与种类3、布拉格方程4、布拉格方程的应用用已知波长的X射线去照射晶体，通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d，这就是结构分析------X射线衍射学；X射线衍射仪用一种已知晶面间距d的晶体来反射从试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得X射线的波长，这就是X射线光谱学。电子探针sin2d四、多晶体X射线衍射分析1、德拜照相法德拜相机：由相机圆筒、光阑、承光管和位于圆筒中心的试样架构成；底片装片方法：正装、反装、偏装；衍射花样：底片与所有X射线反射圆锥相交，形成一个个弧形线对，从而记录下所有衍射花样；衍射弧线对与衍射角：底片在长度方向上每毫米对应圆心角2°和1°；数据分析：底片展平后测量弧形线对的距离2L，求出L对应的反射圆锥的半顶角θ，从而可以标定衍射花样。2、X射线衍射仪法衍射仪结构：主要组成部分有X射线衍射发生装置、测角仪、辐射探测器和测量系统；特点：衍射仪法与德拜法有很大区别。（1）接收X射线方面，衍射仪用辐射探测器，德拜法用底片感光；（2）衍射仪试样是平板状，德拜法试样是细丝；（3）衍射仪法中辐射探测器沿测角仪圆转动，逐一接收衍射；德拜法中底片是同时接收衍射；（4）衍射仪法使用更方便，自动化程度高；（5）工作时，辐射探测器与试样同时转动，但转动的角速度为2：1的比例关系，探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射。五、X射线衍射方法的应用1、晶格点阵常数的精确测定这是一种间接方法，直接测量某一衍射线条对应的θ角，然后通过布拉格公式、晶面间距公式计算出点阵常数；误差消除方法直线外推法：以cos2为横坐标，以点阵常数a为纵坐标；求出一系列衍射线条的θ角及其所对应的点阵常数a；作一条直线外推至θ=90°的纵坐标轴上，获得θ=90°时的点阵常数，这就是精确的点阵常数；最小二乘方法（柯亨法）：物理量的最可几值为各次误差的平方和为最小值时。2、材料物相的定性分析粉末衍射卡：将每种物质的面间距d和相对强度I/I1及其他一些数据以卡片形式出版，这些卡片成为PDF卡或JCPDS卡；单一相的定性分析根据待测相的衍射数据，得出三强线晶面间距值d1、d2和d3；根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，再根据d2和d3找到其中的一行；比较此行中的三条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所载的这种物质；根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片；将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。多相混合物的物相定性分析用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试，吻合则可定；不吻合则从谱中换一根（或二根）线再尝试，直至吻合。对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一相），剩余线条归一化后再尝试鉴定，直至所有线条都标定完毕。3、材料物相的定量分析各个物相的含量与其衍射峰强度成正比关系，各种方法只是确定具体比例关系；定量分析方法有：外标法、内标法、K值法、直接对比法、绝热法、任意内标法、等强线对法和无标样定量法等。4、计算机在X射线物相分析中的应用将X射线衍射仪测出的衍射数据（衍射图谱）导入计算机应用软件；选出待测试样含有的所有元素，软件自动将这些元素可能组成的晶体材料衍射数据全部从PDF数据库中调出，并根据比对结果，在测试图谱下方标出最可能的晶相衍射峰位置及其名称、分子式等信息；可以人工选择不同晶相，在测试图谱下方实时显示晶相衍射峰位置，确定何种晶相与实际测试图谱的衍射峰、强度符合程度最佳，从而确认测试试样的晶相结构。5、X射线残余应力测定一种间接方法，它是根据衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力；X射线应力测定本质上是测定晶体材料在应力作用下晶体结构发生的变化；宏观应力测定是测应力作用下晶面间距的变化，晶面间距变化的表现是θ角变化；θ角变化晶面间距变化反映的是应变换算成应力。具体应力测定方法有sin2ψ法和０º-45º法。六、电子衍射1、简介电子衍射可在电子衍射仪或电子显微镜中进行。电子衍射分为低能电子衍射（LEED)和高能电子衍射(HEED)；LEED用于验证电子的波动性并广泛用于表面结构分析；HEED用于电子显微镜中的电子衍射，并在分子束(MBE)外延薄膜中进行原位分析与监测。2、电子衍射的应用物相分析和结构分析；确定晶体位向；确定晶体缺陷的结构及其晶体学特征。3、电子衍射和X射线衍射共同点衍射条件：满足（或基本满足）布拉格方程衍射花样几何特征相似：多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环单晶衍射花样由排列得十分整齐的许多斑点所组成非晶体物质的衍射花样只有一个漫散的中心斑点4、电子衍射和X射线衍射不同之处电子波的波长比X射线短得多，在同样满足布拉格方程时，它的衍射角θ很小；电子衍射采用薄晶样品，略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射；原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出四个数量级），故电子衍射束的强度较大，获得衍射花样的曝光时间只需数秒钟；电子衍射花样比较直观地反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。5、电子衍射基本公式Rd＝λL其中R为单晶衍射斑点或多晶衍射环与中心斑点之间的距离，d为衍射晶面间距，λ为电子波的波长，L为样品与荧光屏或照相底版的距离，即电子衍射相机长度，λL称为相机常数。6、单晶电子衍射花样的标定已知晶体结构由近及远测定各个斑点的R值根据衍射基本公式R=L/d求出相应晶面间距因为晶体结构已知，所以可由d值定它们的晶面族指数{hkl}测定各衍射斑之间的角决定透射斑最近的两个斑点的指数（hkl）根据夹角公式，验算夹角是否与实测的吻合，若不，则更换（hkl）两个斑点决定之后，第三个斑点为R3=R1+R2由g1×g2求得晶带轴指数。未知晶体结构的标定由近及远测定各个斑点的R值根据衍射基本公式R=L/d求出相应晶面间距查ASTM卡片，找出对应的物相和{hkl}指数确定(hkl)，求晶带轴指数。7、多晶电子衍射图标定测量园环半径Ri（通常是测量直径Di，Ri=Di/2这样测量的精度较高）。由d=Lλ/R式，计算dEi，并与已知晶体粉末卡片或d值表上的dTi比较，确定各环{hkl}i。七、透射电镜显微分析1、显微镜的分辨率光学显微镜的分辨率主要取决于照明源的波长，半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm，其有效放大倍数是1000倍；提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长；电子波不仅具有波长短，而且可以利用电场、磁场使之发生折射、聚焦，所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。2、透射电子显微镜的结构由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成；电子光学系统由照明系统、成像系统和观察与记录系统组成；照明系统主要由电子枪和聚光镜组成，其作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源；成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成，其作用是获得样品微小区域的放大像或电子衍射花样；主要附件：样品台（高温台、低温台和拉伸台）、三个可动光阑（第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑）3、透射电镜样品制备方法复型样品用醋酸纤维素纸或碳膜复制