?材料分析技术就是人们为了获取材料的物理/化学/机械等方面的信息而采用的一些实验方法和手
段
?就是利用一种探测束——如电子束、离子束、光子束等，时常还加上电场、磁场、热等的作用，
来分析材料的形貌、化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。
?材料分析方法发展方向：更高的灵敏度更好的选择性更高的准确性
更快的分析速度更高的自动化程度更完善的多元分析能力更可信的形态分析无损分析原位分析（in situ）/活体内分析(in vivo)/实时(real time)分析
衍射（diffraction）是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。
X射线的波粒二象性
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。
波动性X射线的波长范围：0.01~100 ? 表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现
象，即证明了X射线的波动性。
?X射线的产生原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，
其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温
度升高。。
?连续X射线谱X射线连续谱的强度随着X射线管的管电压增加而增大，最大强度所对应的
波长λmax变小，最短波长界限λ0减小；
连续谱中接近最短波长处的辐射较多。
?连续谱的经验公式可表达为：
C为常数，Z为阳极材料的原子序数。
?标识X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，
亦称单色X射线。
?激发电压的计算为激发被照物体的k系荧光辐射，电子束的（或照射x射线光子的）能量至少
等于
为被照物体的k系吸收限波长。
则靶的激发电压为
波长单位为nm，电压单位为V。
?一束可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射，而原子面对X射线的反射并不是任意的，
只有当θ、λ、d三者之间满足布拉格方程时才能发生反射，所以把X射线这种反射称为选择反射。
?产生衍射的条件为λ<2d
?X射线衍射分析方法1)照相法；2)衍射仪法
?粉末照相法是将一束近平行的单色X射线投射到多晶样品上，用照相底片记录衍射线束强度和方
向的一种实验法。
?照相法的实验主要装置为粉末照相机。
?德拜照相机（称为德拜法或德拜-谢乐法）
?底片安装方法：
正装法、反装法、不对称法
?样品要求：
a. 细度：10-3cm～10-5cm（过250目～300目筛）
b. 制成直径为0.3mm～0.6mm，长度为1cm的细圆柱状粉末集合体
?实验数据的测定：
?德拜粉末照相法底片实验数据的测量主要是测定底片上衍射线条的相对位置和相对强度，然
后根据测量数据再计算出θhkl和晶面间距d hkl。
?衍射仪的运行方式连续扫描
连续扫描图谱可方便地看出衍射线峰位，线形和相对强度等。这种工作方式其工作效率高，也具有一定的分辨率、灵敏度和精确度，非常适合于大量的日常物相分析工作。
连续扫描就是让试样和探测器以1：2的角速度作匀速圆周运动，在转动过程中同时将探测器依次所接收到的各晶面衍射信号输入到记录系统或数据处理系统，从而获得的衍射图谱。上图即为连续扫描图谱。
能进行峰位测定、线形、相对强度测定，主要用于物相的定量分析工作。
?步进扫描
步进扫描又称阶梯扫描。步进扫描工作是不连续的，试样每转动一定的角度Δθ即停止，在这期间，探测器等后续设备开始工作，并以定标器记录测定在此期间内衍射线的总计数，然后试样转动一定角度，重复测量，输出结果。图3-34即为某一衍射峰的步进扫描图形。
?衍射线峰位的确定及衍射线积分强度的测量峰位确定主要有3种方法：
图形法、曲线近似法和重心法
?图形法：峰顶法、切线法、半高宽中点法、7/8高度法、中点连线法
?衍射线强度的确定衍射线强度有峰高强度和积分强度两种。
?峰高强度：
一般是指衍射图谱上衍射线的高度。通常是在同一实验条件下比较衍射线的高度来定性分析峰强。
?积分强度：
在对某一衍射峰进行积分强度测定时，衍射仪一般采用慢扫描（0.25o/min）或步进扫描工作方法，以获得准确的峰形峰位。
?衍射线积分强度的计算，就是将背底线以上区域的面积测量或计算。
?样品制备被测试样制备良好，才能获得正确良好的衍射信息。
对于粉末样品，通常要求其颗粒平均粒径控制在5μm左右，亦即通过320目的筛子，而且在加工过程中，应防止由于外加物理或化学因素而影响试样其原有的性质。
?在样品制备过程中，应当注意：1）样品颗粒的细度应该严格控制，过粗将导致样品颗粒中能够产
生衍射的晶面减少，从而使衍射强度减弱，影响检测的灵敏度；样品颗粒过细，将会破坏晶体结构，同样会影响实验结果。
2）在制样过程中，由于粉末样品需要制成平板状，因此需要避免颗粒发生定向排列，存在取向，从而影响实验结果。
3）在加工过程中，应防止由于外加物理或化学因素而影响试样其原有的性质。
?X射线物相定性分析
物相分析是为了确定待测样品的结构状态，同时也确定了物质的种类。
定量分析-- 多相共存时，组成相含量是多少。
粉末晶体X射线物相定性分析是根据晶体对X射线的衍射特征即衍射线的方向及强度来达到鉴定
结晶物质的。
?主要在于下列原因：
1）每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构结构，不会存在两种结晶物质的晶胞大小、质点种类和质点在晶胞中的排列方式完全一致的物质;
2）结晶物质有自己独特的衍射花样。(d、θ和I)
3）多种结晶状物质混合或共生，它们的衍射花样也只是简单叠加，互不干扰，相互独立。（混合物物相分析）
每一种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、晶胞形状、晶胞中原子种类及位置等。
?物相分析原理将实验测定的衍射花样与已知标准物质的衍射花样比较，从而判定未知物相。
混合试样物相的X 射线衍射花样是各个单独物相衍射花样的简单迭加，根据这一原理，就有可能把混合物物相的各个物相分析出来。
?物相定性分析过程常规物相定性分析的步骤如下：
（1）实验用粉末照相法或粉末衍射仪法获取被测试样物相的衍射花样或图谱。
（2）通过对所获衍射图谱或花样的分析和计算，获得各衍射线条的2θ，d 及相对强度大小I/I1。
在这几个数据中，要求对2θ和d值进行高精度的测量计算，而I/I1相对精度要求不高。目前，一般的衍射仪均由计算机直接给出所测物相衍射线条的d值。
（3）使用检索手册，查寻物相PDF卡片号
根据需要使用字母检索、Hanawalt检索或Fink检索手册，查寻物相PDF卡片号。一般长采用Hanawalt检索，用最强线d值判定卡片所处的大组，用次强线d值判定卡片所在位置，最后用8条强线d值检验判断结果。若8强线d值均已基本符合，则可根据手册提供的物相卡片号在卡片库中取出此PDF卡片。
（4）若是多物相分析，则在（3）步完成后，对剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复（3）步骤，直至全部衍射线能基本得到解释。
?物相定性分析所应注意问题一般在对试样分析前，应尽可能详细地了解样品的来源、化学成分、
工艺状况，仔细观察其外形、颜色等性质，为其物相分析的检索工作提供线索。
尽可能地根据试样的各种性能，在许可的条件下将其分离成单一物相后进行衍射分析。
由于试样为多物相化合物，为尽可能地避免衍射线的重叠，应提高粉末照相或衍射仪的分辨率。
对于数据d值，由于检索主要利用该数据，因此处理时精度要求高，而且在检索时，只允许小数点后第二位才能出现偏差。
特别要重视低角度区域的衍射实验数据，因为在低角度区域，衍射所对应d值较大的晶面，不同晶体差别较大，衍射线相互重叠机会较小。
在进行多物相混合试样检验时，应耐心细致进行检索，力求全部数据能合理解释，但有时也会出现少数衍射线不能解释的情况，这可能由于混合物相中，某物相含量太少，只出现一、二级较强线，以致无法鉴定。
在物相定性分析过程中，尽可能地与其它的相分析结合起来，互相配合，互相印证。
从目前所应用的粉末衍射仪看，绝大部分仪器均是由计算机进行自动物相检索过程，但其结果必须结合专业人员的丰富专业知识，判断物相，给出正确的结论。
?物相检索的方法一、大海捞针法二、限定条件的检索法三、单峰搜索法
?X射线物相定量分析过程
对于一般的X射线物相定量分析工作，总是通过下列几个过程进行：
（1）物相鉴定即为通常的X射线物相定性分析。
（2）选择标样物相标样物相的理化性能稳定，与待测物相衍射线无干扰，在混合及制样时，不易引起晶体的择优取向。（3）进行定标曲线的测定或K j s测定
选择的标样物相与纯的待测物相按要求制成混合试样，选定标样物相及待测物相的衍射，测定其强度I s和I j，用I j/I s和纯相配比X j s获取定标曲线或K j s。
（4）测定试样中标准物相j的强度或测定按要求制备试样中的特检物相j及标样S物相指定衍射线的强度。
（5）用所测定的数据，按各自的方法计算出待检物相的质量分数X j。
?X射线物相定量分析过程应注意的问题在定量分析的基础公式中，假设了被测物相中晶粒尺寸
非常细小，各相混合均匀，无择优取向。
实际情况存在一定的不同。在试样制备及标样选择时，避免重压，减少择优取向，通常采用透过窗样品架，而在测量时，采用样品从其面法线转动来消除择优取向的影响。
?X射线衍射分析方法的应用多晶体点阵常数的精确测定晶面取向度的测定
晶体结晶度的测定转动晶体法测聚合物结构（单晶衍射）晶粒尺寸的测定
膜厚的测定
?德拜－谢乐法
系统误差的主要来源：相机半径、底片伸缩、试样偏心、试样吸收
?衍射仪法
误差来源：仪器固有误差、光栏准直、试样偏心（含吸收）、光束几何、物理因素（单色，吸收）、●透射电子显微镜电子穿透薄样品；源于电子与样品间的作用，穿透的电子束将提供样品内部成
分与结构信息
可做细微图像观察（HRTEM-单子原子相）；结构分析（SAED）；成分分析（EDX）以及电子结构分析（EELS）分辨率< 1? 样品：10-100 nm厚
●扫描电子显微镜SEM 电子和材料的表面间的相互作用形貌观察和组分分析
分辨率4? 样品：厚样品
●扫描隧道显微镜（STM）分辨率：X-Y：0.1 nm；Z：0.01nm
检测的深度：1-2 原子层可在空气，水体中测试只能用于导体
●原子力显微镜（AFM）分辨率：X-Y：0.15 nm；Z：0.05nm
可在空气，水体中测试可用于导体或者绝缘体
●爱瑞（Airy）斑：由于衍射效应，一个发光物点的像是一个一定尺寸的亮斑和周围几个亮环。一
般将亮环忽略不计，中央亮斑为物点的像，称为爱瑞斑。
●Airy斑的亮度84%集中在中央亮斑上，其余分布在周围暗环上。通常以第一暗环半径衡量Airy斑
大小。
●点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为
λ—入射光波长；
n—物镜与物体之间介质的折射率；α—半孔径角，不能大于90o；
－显微镜的数值孔径M—放大倍数
假设有两物点通过透镜成像后，在像平面上得到两个Airy斑。当两个物点由远而近相互靠近时，其相应Airy斑也相互靠近直至发生重叠。
●能够分辨两个Airy斑的判据——两个Airy斑的中心距离等于Airy斑的半径。此时在强度曲线上，
两峰之间谷底的强度降低了19%。
?把两个Airy斑中心距离等于Airy斑半径时物平面上相应两个物点间的距离定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率。
◆提高显微镜分辨本领的方法：
采用高折射率介质增大 a 角
利用短波长的射线
光学显微镜的分辨率
M
n
R
α
λ
sin
61
.
=
α
λ
sin
61
.
0n
M
R
r=
=
?
2
sin
61
.
λ
α
λ
≈
=
=
?
n
M
R
r
?当nsinα做到最大（n=1.5,α=70~75°时）
光学显微镜分辨本领主要决定于照明源波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光最短波长为390 nm，因此光学显微镜最高分辨率为200nm左右
?比可见光波长更短的有：
1）紫外线——波长在13-390nm之间，会被物体强烈的吸收；
2）X 射线——但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此目前紫外线、X射线均不能作为显微镜的照明光源。
3）电子波电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。
?电子波可做为显微镜的照明光源，这种显微镜即为电子显微镜。
?1、二次电子（secondary electrons, SE）
入射电子在试样内产生二次电子,所产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。
1、二次电子（secondary electrons, SE）
特点：1）能量低，为2-3ev。2）仅在试样表面10nm层内产生。3）对试样表面状态敏感，显示表面微区的形貌有效。4）分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。5）与形貌密切相关，图象的景深大、立体感强，常用于观察形貌。
2、背散射电子（back scattering electrons, BE）
电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90°，重新从试样表面逸出，称为背散射电子。
特点：1）能量高，大于50ev；2）分辨率较低；3）产生与Z有关，与形貌有关。
3、吸收电子（absorption electrons, AE）
入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。
4、透射电子（transmisive electrons, TE)
当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。
如果试样很薄，只有10-20nm的厚度，透射电子的主要组成部分是弹性散射电子，成像比较清晰，电子衍射斑点也比较明锐。
5、X射线
X射线（包括特征X射线、连续辐射和X光荧光）信号产生的深度和广度范围较大。
荧光X射线是特征X射线及连续辐射激发的次级特征辐射。X射线在固体中具有强的穿透能力，无论是特征X射线还是连续辐射都能在试样内达到较大的范围。
6、俄歇电子（Auger electrons, AuE）
如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子仅在表面1nm层内产生，适用于表面分析。
7、阴极荧光
阴极荧光是指某些材料（半导体、磷光体和一些绝缘体）在高能电子束照射下发射出的可见光（或红外、紫外光），也叫阴极发光现象。
透射电镜的成像原理
电磁透镜
电子波经过非均匀电场和磁场时产生会聚和发散，达到成像的目的。电子波发聚焦的装置称为电子透镜，分为两类：静电透镜和磁透镜。后者根据所用磁场的不同又可分为恒磁透镜和电磁透镜。
磁透镜静电透镜
1. 改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率；
2. 无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏；
3. 象差小。1. 需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；
2. 静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；
3. 象差较大。
静电透镜
由两个同轴圆筒电极构成，两电极电位不同，之间形成一系列弧形等电位面，电子束沿圆筒轴线进入圆筒内受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚成一点。
TEM中的电子枪就是一个静电透镜。
电磁透镜
⒈电磁透镜聚焦成像原理
电磁透镜是采用电磁线圈激励产生磁场的装置。电子束在电磁线圈中的运动轨迹是一条圆锥螺旋曲线。
当电子沿线圈轴线运动时，运动方向与磁感应方向一致不受力，电子以直线运动通过线圈；当电子偏离轴线运动时，受磁场力作用发生偏转，最后聚焦在轴线的一点。
电子进入磁场时，将受到磁场强度径向分量B r作用，产生切向力F t，使电子得到切向速度v t，v t 又与B z叉乘的到F r（径向力），使电子向主轴偏转。经过透镜后，B r方向改变，F t反向，但只使v t变小，不会改变方向，因此电子穿过线圈后仍向主轴靠近，最终形成螺旋线状聚焦。
⒉电磁透镜结构
电磁线圈：产生磁力线软铁壳：提高磁力线密集程度，从而提高磁感应强度，增大对电子折射能力极靴：使磁场强度有效集中在狭缝几毫米范围内。有极靴的电磁透镜，其中心磁感应强度远高于无极靴和纯线圈。
电磁透镜的像差
?根据知，光学透镜其最佳分辨率为波长一半，而对于电磁透镜远远达不到。以H-800电镜为例，加速电压为200kV时，理论极限分辨率为0.00125nm，而实际上只有0.45nm。
电磁透镜分辨率除了受衍射效应影响外，还受到像差影响，降低了透镜的实际分辨率，使其远低于半波长。
像差——理想像和实际像之差
像差分为几何像差和色差两类。
?几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。球差、畸变和像散色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。
光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远
小于衍射效应的影响;
电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。
（1）球差—Δr s。球差—由于电磁透镜近轴区域和远轴区域磁场对电子折射能力不同而产生的一种像差。球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素
球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着α的增大，分辨本领也急剧地下降。如果减小α，球差减小，分辨本领增大，同时亮度减小
?引入球差校正仪——球差校正电子显微镜
分辨率可达0.08 nm，造价昂贵例：清华大学购买的FEI Titan 80-300球差校正电镜
像散——由于透镜磁场的非旋转对称引起的像差。极靴内孔不圆、上下极靴轴线错位、极靴材质不均匀以及周围的局部污染都会导致透镜的磁场产生椭圆度，使电子在不同方向上的聚焦能力出现差异。一个理想物点P经透镜折射后在像平面上形成散焦圆斑，前后移动像平面得到一个最小散焦圆斑2R A，折算到物平面上得到一漫散圆斑2Δr A。
色差—由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同，不能在一点聚焦而形成的像差。
引起电子能量波动的原因有两个：其一，电子加速电压不稳，致使电子能量不同；
其二，电子束照射样品时与样品相互作用，部分电子产生非弹性散射，能量发生变化。
?电磁透镜的景深和焦长TEM电镜是利用电子束穿过样品而成像，而任何样品都有一定厚度，在整个厚度范围内如何保证得到清晰图像？
?在观察和记录图像时，荧光屏和照相底片之间存在一定距离，如何保证在荧光屏上观察到的清晰图像同时能完整的被照相底片记录下来？
?景深
?原理上，当物镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与物平面理想吻合，在像平面上成理想清晰图像。任何偏离理想物平面的点都存在一定失焦，在像平面上产生一个具有一定尺寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像差引起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不影响成像的清晰度景深—成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。
?焦长原理上，当电磁透镜的焦距、物距一定时，像平面的一定轴向移动，也会引起失焦，得到一个具有一定尺寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像差引起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不影响成像的清晰度。焦长—物点固定不动（物距不变），在满足成像清晰的前提下，像平面沿轴线前后可移动的距离。
?TEM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，其中电子光学系统是主要组成部分。为保证机械稳定性，各部分以直立积木式结构搭建。
?成像系统
电磁透镜成像与光学透镜一样分两个过程：
⑴平行电子束与样品相互作用产生的衍射波经物镜聚焦后在其背焦面上形成衍射谱（衍射斑点），
即物的结构信息通过衍射谱呈现出来。可用傅立叶变换描述。
⑵背焦面上的衍射斑发出的次级波通过干涉重新在像平面上形成反映样品特征的像。该过程是傅
立叶变换的逆过程。
?TEM分辨率的高低主要取决于物镜。
样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜和旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察
?对样品台的要求：
①使样品牢固地夹持在样品座中并保持良好的热、电接触，减小因电子束照射引起的热或电荷堆
积造成的样品损伤和图象漂移。
②样品台要能平移、倾斜和从不同方位获得各种形貌和晶体学信息；在两个垂直方向上平移的最
大距离为±1mm，保证样品上大部分区域都能观察到。
③样品移动机构要有足够的精度，无效行程应尽可能小。
样品台有顶插式和侧插式，常见多为侧插式，
透射电镜样品制备制样方法：支持膜法、复型法、晶体薄膜法超薄切片法高分子材料必要时还要:染色、刻蚀
?支持膜法粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。
?支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情况选用如下分散方法：
1) 包藏法：将适量微粒试样加入制造支持膜的有机溶液中，使之分散，再制成支持膜。
2) 撒布法：干燥分散的微粒试样可以直接撒在支持膜表面，然后用手轻轻叩击，或用超声波仪进
行处理，去掉多余的微粒，剩下的就分散在支持膜上。
3) 悬浮法：以蒸馏水或有机剂作为悬浮剂，样品制成悬浮液后滴在支持膜上，干后即成。不能使
用对试样或支持膜有溶解性的溶剂。4) 糊状法用少量的悬浮剂和分散剂与微粒试样调成糊状，涂在金属网的支持膜上，然后浸入悬浮液中或用悬浮液冲洗，则残留在支持膜上的试样就达到均匀分散的目的。
用凡士林作微粒分散剂，用苯荼溶去凡士林，也可得到良好的效果。对于在干燥、湿润状态易结团的微粒试样、油脂物质内的固体成分，可用此法。5) 喷雾法
凡用悬浮法在干燥过程中易产生凝聚的粉粒试样，也可用特制的喷雾器将悬浮液喷成极细的雾粒，粘附在支持膜上。
?纳米材料必备的三种支持膜微栅：有机膜，石墨烯等
碳支持膜：7-10nm厚超薄碳支持膜：3-5nm厚
?复型法复型是利用一种薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜)将固体试样表面的浮雕复制下来的一种间接样品。
只能作为试样形貌的观察和研究，而不能用来观察试样的内部结构。
对于在电镜中易起变化的样品和难以制成电子束可以透过的薄膜的试样多采用复型法。复型材料和支撑膜材料完全相同。
?在材料研究中，复型法常用以下三种：(1) 塑料一级复型、(2) 碳一级复型
(3) 塑料-碳二级复型
?复型膜必须满足以下特点：
1）本身是“非晶体的，在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。
2）对电子束足够透明（物质原子序数低）；
3）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；
4）具有良好的导电性，耐电子束轰击；
5）是分子尺寸较小的物质---分辨率较高。
常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料复型要好。
?投影就是人为地在复型表面制造一层密度比较大的元素膜厚度差(约数nm厚)，以改善复型图像的衬度、判断凹凸情况和测定厚度差。
具体的做法是将已经制成的复型放在真空镀膜装置的钟罩里(真空度约10～5 mmHg)，复型的表面向上，以倾斜的方向蒸发沉积重金属膜，投影倾斜角为15～45°不等
?投影材料常用Cr：Chromium Ge：Germanium Au;Gold Pt: Platinum
?复型法常用三种类型的区别碳一级复型分辨本领最高，可达2nm(直接取决于复型本身的颗粒度)，但剥离较难；
塑料一级复型操作最简单，但其分辨本领和像的反差均较低，且在电子束轰击下易发生分解和烧蚀；
塑料-碳二级复型操作复杂一些，其分辨本领与塑料一级复型基本相同，但其剥离起来容易，不破坏原有试样，尤其适应于断口类试样。
?萃取复型这是在上述三种复型的基础上发展起来的唯一能提供试样本身信息的复型。
?它是利用一种薄膜(现多用碳薄膜)，把经过深浸蚀的试样表面上的第二相粒子粘附下来。由于这些第二相粒子在复型膜上的分布仍保持不变，所以可以来观察分析它们的形状、大小、分布和所属物相(后者利用电子衍射)。
?样品减薄技术_晶体薄膜制备法
复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内部组织结构信息。
样品减薄技术可以克服上述缺点，它的特点：
1）可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；
2）能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把形貌信息与结构信息联系起来；
3）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。
薄膜样品制备方法要求：（1）不引起材料组织的变化；
（2）足够薄，否则将引起薄膜内不同层次图象的重迭，干扰分析；
（3）薄膜应具有一定的强度，具有较大面积的透明区域；
（4）制备过程应易于控制，有一定的重复性，可靠性。
薄膜样品制备有许多方法，如沉淀法、塑性变形法和分解法等。分解法:
1) 化学腐蚀法
在合适的浸蚀剂下均匀薄化晶体获得晶体薄膜。这只适用于单相晶体，对于多相晶体，化学腐蚀优先在母相或沉淀相处产生，造成表面不光滑和出现凹坑，且控制困难。
2) 电解抛光法
选择合适的电解液及相应的抛光制度均匀薄化晶体片，然后在晶体片穿孔周围获得薄膜。这个方法是薄化金属的常用方法。
3) 喷射电解抛光
将电解液利用机械喷射方法喷到试样上将其薄化成薄膜。这种方法所获得的薄膜与大块样品组织、结构相同，但设备较为复杂。
4) 离子轰击法
此法利用适当能量的离子束，轰击晶体，均匀地打出晶体原子而得到薄膜。离子轰击装置仪器复杂，薄化时间长。但这是薄化无机非金属材料和非导体矿物唯一有效的方法。
用于透射电镜观察式样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在50-200nm，表面清洁。
制备薄膜一般有以下步骤：（1）切取厚度小于0.5mm的薄块。
（2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。
（3）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500nm的薄膜。
?超薄切片法高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内部结构，可采用此法制样。
用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻；或将样品包埋在一种可以固化的介质中。选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削过程中使超微结构发生变形。
? 电子衍射与X 射线衍射的区别及特点 电子衍射与X 射线衍射的主要区别在于电子波的波长短，
受物质的散射强（原子对电子的散射能力比X 射线高一万倍）。电子波长短，决定了电子衍射的几何特点，它使单晶的电子衍射谱和晶体倒易点阵的二维截面完全相似，从而使晶体几何关系的研究变得方便多了。散射强
? 电子衍射的光学特点：
第一，衍射束强度有时几乎与透射束相当，因此就有必要考虑它们之间的相互作用，使电子衍射花样分析，特别是强度分析变得复杂，不能象X 射线那样从测量强度来广泛地测定晶体结构；
第二，由于散射强度高，导致电子穿透能力有限，因而比较适用于研究微晶、表面和薄膜晶体。 电子衍射与X 射线衍射的基本原理是完全一样的，两种技术所得到的晶体衍射花样在几何特征上也大致相似，电子衍射与X 射线衍射相比的突出特点为： ① 在同一试样上把物相的形貌观察与结构分析结合起来；
② 物质对电子的散射更强，约为X 射线的一百万倍，且衍射强度大，所需时间短，只需几秒钟。
单晶电子衍射谱
特点：当电子束照射在单晶体薄膜上时，衍射束则形成有规则的衍射斑点。
实质：单晶衍射谱是倒易点阵的二维平面投影放大像。
3.多晶电子衍射谱
◆ 特点：同心圆环
◆ 形成：多晶体由于晶粒数目极大且晶面取向在空间任意分布，倒易点阵将变成倒易球。倒易球与
厄瓦尔德球相交后在照相底片上的投影将成为一个个同心圆。
? 电子衍射物相分析 方法：同X 射线衍射分析
? 特点：分析灵敏度非常高，小到几十甚至几纳米的微晶也能得出清晰的电子图像；
可以得到有关晶体取向的资料；
电子衍射物相分析可与形貌观察结合，得到有关物相的大小、形态和分布等信息。
? 衬度（contrast ）定义：两个相临部分的电子束强度差
对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。
当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。
?
质量－厚度衬度（Mass-thickness contrast)：是由于材料的质量厚度差异造成的透射束强度的差异而产生的衬度（主要用于非晶材料）。 ? 衍射衬度(Diffraction contrast)：由于试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅不同而产
生的（主要用于晶体材料）。
相位衬度(Phase contrast)：试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。
?
原子序数衬度（Z contrast ）： 衬度正比于Z 2。相位衬度和振幅衬度同时存在。 试样厚度>100 ?时，振幅衬度为主；试样厚度<100 ?相位衬度为主。 ? TEM 衍衬分析必须的条件 必须有一个孔径足够小的物镜光阑（d~10-30μm ）
样品必须在适当的角度范围内可任意倾斜，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的合适条件。 TEM 应有方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束。
必须有可倾斜的照明系统（中心暗场象），目前多用电磁偏转系统来实现。
?
衍射衬度理论解释 运动学理论：透射束与衍射束之间无相互作用，随着电子束进入样品的深度增加，透射束不断减弱，衍射束不断加强。能解释大部分衍衬现象。 ? 动力学理论：随着电子束进入样品的深度增加，透射束和衍射束的能量交互变换。符合实际，但2221I I I I I C ?=-=
理论复杂。
●透射电镜是利用成像电磁透镜成像，并一次成像；而扫描电镜的成像则不需要像透镜。其图象是
按一定时间空间顺序逐点形成，并在镜体外显像管上显示。
●二次电子像是用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛、分辨本领最高的—种图象。这里所说
的二次电子是指入射电子束从样品表层(约10nm）激发出来的低能电子(50eV 以下)．
●实际工作中，根据能量上的差别，将二次电子与高能背景散射电子分离开．再利用二次电子检测
器来实现二次电子的检测和放大．扫描电镜二次电子象的分辨本领一般为6-10nm(如采用场发射电子枪可达3nm或更高)．
●性能和特点景深大放大倍数连续调节范围大;
分辨本领比较高样品制备非常方便可直接观察大块试样固体材料样品表面和界面分析适合于观察比较粗糙的表面材料断口和显微组织三维形态
扫描电镜能完成表（界）面形貌分析；配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。
●扫描电镜分类常规SEM，分辨率: ~3.5nm；场发射SEM: ~1.5nm；环境SEM：~4.5nm；目前多
数SEM 配备EDS.
● 3.3.3 扫描电镜的结构电子光学系统检测系统显示系统真空系统电源系统
●SEM样品制备大致步骤 1. 从大的样品上确定取样部位；2. 根据需要，确定采用切割还是自由
断裂得到表界面；3. 清洗；4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理，
●扫描电镜在材料分析中应用内部结构粉末其他
X射线显微分析
●能谱EDS的特点能快速、同时对各种试样的微区内Be-U的所有元素，元素定性、定量分析，
几分钟即可完成。
对试样与探测器的几何位置要求低：对工作距离的要求不是很严格；可以在低倍率下获得X射线扫描、面分布结果。
能谱所需探针电流小：对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体试样、玻璃等损伤小。
检测限一般为0.1%－0.5%，中等原子序数的无重叠峰主元素的定量相误差约为2%。
●能谱仪的基本结构X射线探测器Si-(Li)半导体场效应管与前置放大器低温恒温容器脉
冲处理器和模数转换器多道分析器
●能谱定性分析原理
X射线的能量为E＝hγ, h为普朗克常数，γ为光子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，只要检测不同光子的能量（频率γ）, 即可确定元素－定性分析。
●定量分析方法有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各元素的X射线强度，
通过强度比，再经过修正后可求出各元素的百分含量。有标样分析准确度高。
无标样定量分析：标样X射线强度是通过理论计算或者数据库进行定量计算。
●EDS定量分析原理试样中A元素特征X射线的强度I A与试样中A元素的含量成比例，所以只要
在相同条件下，测出试样中A元素的X射线强度I A与标样中A元素的X射线强度I(A)比，近似等于浓度比：
当试样与标样的元素及含量相近时，上式基本成立，一般情况下必须进行修正才能获得试样中元素的浓度。
●定量分析对试样的要求样品在真空和电子束轰击下要稳定;
高准确度的分析时,要求试样分析面平、垂直于入射电子束;
试样尺寸大于X射线扩展范围; 有良好的导电和导热性能; 均质、无污染。
X射线能谱仪基本功能
●点分析电子束（探针）固定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法准确度高，用
于显微结构的成份分析，对低含量元素定量的试样，只能用点分析。
●线扫描分析电子束沿一条分析线进行扫描时，能获得元素含量变化的线分布曲线。结果和试样
形貌像对照分析，能直观地获得元素在不同相或区域内的分布。
●面扫描分析电子束在试样表面扫描时，元素在试样表面的分布能在屏幕上以亮度（或彩色）分
布显示出来（定性分析），亮度越亮，说明元素含量越高。研究材料中杂质、相的分布和元素偏析常用此方法。面分布常常与形貌对照分析。
●EDS的分析方法的特点点、线、面分析方法用途不同，检测灵敏度也不同。
定点分析灵敏度最高，面扫描分析灵敏度最低，但观察元素分布最直观。
实际操作中要根据试样特点及分析目的合理选择分析方法。
●EDS定量分析应注意的几个问题选择适当的加速电压收谱记数时间
试样中元素的原子序数相差加大时，如何选择电压？
入射电子的能量（加速电压）必须大于被测元素线系的临界激发能。
最佳过压比选择：U＝E0/E k(2～3)（X射线的最佳发射条件）
在不损伤试样的前题下，分析区域应尽量小（束流、束径、加速电压）。计数总量最好在25万左右（束流、加速电压、活时间、X射线线系）。
各分析条件不是独立，必须综合考虑。
●不导电样品的问题荷电对定量结果的影响：荷电使有效加速电压降低，使X射线过压比U减
小，影响了X射线的最佳发射条件。加速电压降低，X射线强度也降低。
EDS标定的加速电压在定理分析校正时，用于计算X射线激发体积、基体校正等，加速电压不正确影响定量结果。
吸收电信减小，降低子特征X射线强度。
必须蒸镀碳导电膜。碳为轻元素，对电子的阻止本领、背散射能力小：对所分析元素的X射线吸收小，厚度控制在20nm左右。
●电镜参数的选择薄膜试样和小颗粒试样
为了防止基体和周围的影响，要根据薄膜的厚度、小颗粒尺寸及需要测量的元素，选择低加速电压。
低加速电压使电子束穿透深度薄，作用区小。能提高轻元素的X射线强度、提高空间分辨率、减小放电、减小对试样的损伤。
●波谱仪：波长分散谱仪（WDS，wavelength dispersive spectroscope）
不同元素的特征X射线具有不同波长。
通过晶体衍射分光实现对不同波长的X射线分散展谱、鉴别与测量。
波谱仪的特点优点：能量分辨率高：5 -10 eV
峰背比高：WDS所能检测的元素最低浓度是EDS的1/10,约10ppm。
缺点：采集效率低，分析速度慢：
高色散率→大聚焦园半径→立体角小、光子收集率下降→信号弱
探测器在一个位置只能记录一个波长，扫描速度慢。
难以在低束流和低激发强度下使用: 空间分辨率低→难于高分辨电镜联用：
?STM的优点具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可观察单个原子层的局部表面结构。可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测
过程对样品无损伤。
?STM本身存在着的局限性在大气里，样品表面易存在物理吸附和化学吸附，STM很难得到稳定的真实的样品表面结构图像，只能对包括高定向热解石墨(HOPG)等少数几种样品成原子像。
在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。
?影响影响仪器分辨率和图像质量的因素主要有以下几点：
对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率、针尖的尖端很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学纯度高；压电陶瓷的精度要足够高；减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统的综合使用；
电子学控制系统的采集和反馈速度和质量；样品的导电性对图像也有一定的影响。各种参数的选择要合适。
?STM的实验步骤准备针尖和样品;手动逼近样品和针尖，使之距离约为1mm；切忌使针尖与样品发生相撞；设置参数：隧道电流；针尖偏压；软件控制马达，使针尖自动逼近进入隧道区；
根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700～900nm，石墨一般取5～15nm)；根据不同的模式设置不同的扫描速度(恒流模式一般要较慢扫描，恒高模式可较快扫描)，然后开始扫描。得到扫描图像后，可进行一定的图像处理。实验结束后，一定要先使用软件控制马达自动退达1000步以上。关闭系统
?STM的应用金属、半导体表面的原子重构结构;在超高真空中沉积样品到基底表面，可以研究样品在基底的成核、生长以及可控的样品表面吸附过程。
在不同温度下实现对样品表面成像，研究样品表面原子结构和电子结构变化过程，可获得样品原子在表面的迁徙和表面重构形成的动力学过程。
通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操纵或纳米加工构造所需要的结构。
?工作模式-接触模式
优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。
工作模式-非接触模式
相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。
优点：对样品无损伤缺点：1）分辨率要比接触式的低。2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。
工作模式-轻敲模式
介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。特点：1）分辨率几乎同接触模式一样好；2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；
AFM技术的主要特点: 优点:
制样相对简单，多数情况下对样品不破坏.; 具有高分辨率，三维立体的成像能力，;
可同时得到尽可能多的信息. ;操作简单，对附属设备要求低.
缺点:
对试样仍有较高要求，特别是平整度. ;实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).
仍然属于表面表征技术，需和其他测试手段结合.
?AFM的优点AFM对膜表面的扫描可以直接在大气中进行，且样品无需预处理。
测试过程中，它可以不损伤样品，这对有机分子膜的研究具有特殊的意义。
AFM的样品基本不需预处理，不必象扫描电子显微镜那样先镀一层导电膜，维持了样品的原貌，这对于纳米级颗粒的测量具有重要的意义。
?X射线光电子能谱（XPS ，全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy）是一种基于光电效应的电
子能谱，它是利用X射线光子激发出物质表面原子的内层电子，通过对这些电子进行能量分析而获得的一种能谱
?热分析热天平种类很多，按结构分类，有弹簧秤式、刀口式、吊带式和扭动式等；按测量时天
平梁位置是否改变分类，有零位法和变位法两种；按试样容器位置分类，则有上皿式、水平式和下皿式三种。世界上不同型式的热天平约有160种，其中商品约20多种。
?试样制备方法热重分析前天平校正。
?试样预磨，100－300目筛，干燥、称量。
?装填方法：薄而均匀；试样和参比物的装填情况一致。
?选择合适的升温速率。
影响TG曲线的因素（1）浮力及对流的影响
——浮力和对流引起热重曲线的基线漂移
——浮力影响：573K时浮力约为常温的1/2，1173K时为1/4左右。
——热天平内外温差造成的对流会影响称量的精确度。
——解决方案：空白曲线、热屏板、冷却水等。
对流对称重的影响流速越大增重越多
（2）挥发物冷凝的影响——解决方案：热屏板
（3）温度测量的影响——解决方案：利用具特征分解温度的高纯化合物或具特征居里点温度的强磁性材料进行温度标定。
（4）升温速率——升温速率越大，热滞后越严重，易导致起始温度和终止温度偏高，甚至不利于中间产物的测出。
（5）气氛控制：与反应类型、分解产物的性质和所通气体的种类有关。
（6）纸速——走纸速度快，分辨率高。——升温速率0.5-10℃/min时，走纸速度15-30cm/h（7）坩埚形状（8）试样因素—试样用量、粒度、热性质及装填方式等。
—用量大，因吸、放热引起的温度偏差大，且不利于热扩散和热传递。
—粒度细，反应速率快，反应起始和终止温度降低，反应区间变窄。粒度粗则反应较慢，反应滞后。—装填紧密，试样颗粒间接触好，利于热传导，但不利于扩散或气体。要求装填薄而均匀，
影响DTA曲线的试样因素（1）热容量和热导率的变化应选择热容量及热导率和试样相近的作为参比物（2）试样的颗粒度——试样颗粒越大，峰形趋于扁而宽。反之，颗粒越小，热效应温度偏低，峰形变小。
——颗粒度要求：100目-300目（0.04-0.15mm）（3）试样的结晶度、纯度和离子取代——结晶度好，峰形尖锐；结晶度不好，则峰面积要小。
——纯度、离子取代同样会影响DTA曲线。
（4）试样的用量——试样用量多，热效应大，峰顶温度滞后，容易掩盖邻近小峰谷。
——以少为原则。——硅酸盐试样用量：0.2－0.3克
（5）试样的装填——装填要求：薄而均匀——试样和参比物的装填情况一致
（6）热中性体（参比物）——整个测温范围无热反应
——比热与导热性与试样相近——粒度与试样相近（100－300目筛）常用的参比物：α－Al2O3经1270K煅烧的高纯氧化铝粉，α－Al2O3晶型）
影响DTA曲线的操作因素（1）加热速度加热速度快，峰尖而窄，形状拉长，甚至相邻峰重叠。加热速度慢，峰宽而矮，形状扁平，热效应起始温度超前。常用升温速度：1-10K/min，硅酸盐材料7－15K/min （2）压力和气氛
——对体积变化大试样，外界压力增大，热反应温度向高温方向移动。
——气氛会影响差热曲线形态。
（3）热电偶热端位置——插入深度一致，装填薄而均匀。
（4）走纸速度（升温速度与记录速度的配合）——走纸速度与升温速度相配合。
——升温速度10K/min/走纸速度30cm/h。
DTA曲线的解析（1）含水矿物的脱水
——普通吸附水脱水温度：100－110℃。
——层间结合水或胶体水：400 ℃内，大多数200或300 ℃内。
——架状结构水：400 ℃左右。
——结晶水：500 ℃内，分阶段脱水。
——结构水：450 ℃以上。
（2）矿物分解放出气体——CO2、SO2等气体的放出——吸热峰
（3）氧化反应——放热峰
（4）非晶态物质的析晶——放热峰
（5）晶型转变——吸热峰或放热峰熔化、升华、气化、玻璃化转变：吸热峰
?差热分析的应用材料的鉴别和成分分析
材料相态结构的变化; 材料的筛选; 玻璃微晶化热处理温度和时间的确定
玻璃的析晶活化能的测定;其他方面
?差示扫描量热分析法（DSC）——通过对试样因热效应而发生的能量变化进行及时补偿，保持试
样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。灵敏度和精度大有提高，可进行定量分析。
?热流型差示扫描量热法
—通过测量加热过程中试样热流量达到DSC分析的目的，试样和参比物仍存在温度差。—采用差热分析的原理来进行量热分析。—热流式、热通量式。
热流式差示扫描量热仪—利用康铜电热片兼作试样、参比物支架底盘和测温热电偶。—仪器自动改变差示放大器的放大系数，补偿因温度变化对试样热效应测量的影响。
——利用热电堆精确测量试样和参比物温度，灵敏度和精确度高，用于精密热量测定。
?DTA与DSC比较
DTA:定性分析、测温范围大DSC:定量分析、测温范围800℃以下(1650 ℃)
?DSC的温度、能量和量程校正
——利用标准物质的熔融转变温度进行温度校正
——利用高纯金属铟(In）标准熔融热容进行能量校正。
——利用铟进行量程校正。
影响DSC分析的因素（1）实验条件的影响
升温速率：速率越大，峰温越高，峰形越大、越尖锐一般采用10℃/min
气体性质：气体的氧化还原性和惰性，气氛影响
?（2）试样特性的影响试样用量：试样用量多，热效应大，峰顶温度滞后，容易掩盖邻近小峰谷。
以少为原则。试样粒度：试样颗粒越大，峰形趋于扁而宽。反之，颗粒越小，热效应温度偏低，峰形变小。颗粒度要求：100目-300目（0.04-0.15mm）
试样的几何形状：试样的几何形状遵守增大试样与试样盘的接触面积，薄而均匀，试样和参比物的装填情况一致。
3、DSC法的应用（1）纯度测定（2）比热测定（3）反应动力学的研究
（4）其他方面的研究
《材料现代分析测试技术》思考题 1.电子束与固体物质作用可以产生哪些主要的检测信号？这些信号产生的原理是什么？它们有哪些特点和用途？ (1)电子束与固体物质产生的检测信号有：特征X射线、阴极荧光、二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子等。 (2)信号产生的原理：电子束与物质电子和原子核形成的电场间相互作用。 (3)特征和用途： ①背散射电子：特点：电子能量较大，分辨率低。用途：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织 构分析以及相鉴定等。 ②二次电子：特点：能量较低，分辨率高。用途：样品表面成像。 ③吸收电子：特点：被物质样品吸收，带负电。用途：样品吸收电子成像，定性微区成分分析。 ④透射电子：特点：穿透薄试样的入射电子。用途：微区成分分析和结构分析。 ⑤特征X射线：特点：实物性弱，具有特征能量和波长，并取决于被激发物质原子能及结构，是物质固有的特征。用途：微区元素定 性分析。 ⑥俄歇电子：特点：实物性强，具有特征能量。用途：表层化学成分分析。 ⑦阴极荧光：特点：能量小，可见光。用途：观察晶体内部缺陷。 ①电子散射：当高速运动的电子穿过固体物质时，会受到原子中的电子作用，或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用，从而 改变了电子的运动方向的现象叫电子散射 ②相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一晶体薄膜样品时，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原子的弹性散射波不但 波长相同，而且有一定的相位关系，相互干涉。 ③不相干弹性散射：一束单一波长的电子垂直穿透一单一元素的非晶样品时，发生的相互无关的、随机的散射。 ④电子衍射的成像基础是弹性散射。 3.电子束与固体物质作用所产生的非弹性散射的作用机制有哪些？ 非弹性散射作用机制有：单电子激发、等离子激发、声子发射、轫致辐射 ①单电子激发：样品内的核外电子在收到入射电子轰击时，有可能被激发到较高的空能级甚至被电离，这叫单电子激发。 ②等离子激发：高能电子入射晶体时，会瞬时地破坏入射区域的电中性，引起价电子云的集体振荡，这叫等离子激发。 ③声子发射：入射电子激发或吸收声子后，使入射电子发生大角度散射，这叫声子发射。 ④轫致辐射：带负电的电子在受到减速作用的同时，在其周围的电磁场将发生急剧的变化，将产生一个电磁波脉冲，这种现象叫做轫 致辐射。 1）二次电子产生：单电子激发过程中，被入射电子轰击出来并离开样品原子的核外电子。应用：样品表面成像，显微组织观察，断口形貌观察等 2）背散射电子：受到原子核弹性与非弹性散射或与核外电子发生非弹性散射后被反射回来的入射电子。应用：确定晶体的取向，晶体间夹角，晶粒度及晶界类型，重位点阵晶界分布，织构分析以及相鉴定等。 3）成像的相同点：都能用于材料形貌分析成像的不同点：二次电子成像特点：（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。背散射电子成像特点：（1）分辨率低（2）背散射电子检测效率低，衬度小（3）主要反应原子序数衬度。 5.特征X射线是如何产生的，其波长和能量有什么特点，有哪些主要的应用？ 特征X-Ray产生：当入射电子激发试样原子的内层电子，使原子处于能量较高的不稳定的激发态状态，外层的电子会迅速填补到内层电子空位上，并辐射释放一种具有特征能量和波长的射线，使原子体系的能量降低、趋向较稳定状，这种射线即特征X射线。 波长的特点：不受管压、电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序。 应用：物质样品微区元素定性分析
第一章 1．什么是连续X射线谱？为什么存在短波限λ0？ 答：对X射线管施加不同的电压，再用适当的方法去测量由X射线管发出的X射线的波长和强度，便会得到X射线强度与波长的关系曲线，称之为X射线谱。在管电压很低，小于20kv时的曲线是连续的，称之为连续谱。大量能量为eV的自由电子与靶的原子整体碰撞时，由于到达靶的时间和条件不同，绝大多数电子要经过多次碰撞，于是产生一系列能量为hv的光子序列，形成连续的X射线谱，按照量子理论观点，当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，在极限情况下，极少数的电子在一次碰撞中将全部的能量一次性转化为一个光量子，这个光量子具有最高的能量和最短的波长，即λ0。 2.什么是特征X射线？它产生的机理是什么？为什么存在激发电压Vk？ 答：当X射线管电压超过某个临界值时，在连续谱的某个波长处出现强度峰，峰窄而尖锐，这些谱线之改变强度，而峰位置所对应的波长不便，即波长只与靶的原子序数有关，与电压无关，因为这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征，故称为特征X射线，由特征X射线构成的X射线谱叫做特征X射线谱。 它的产生是与阳极靶物质的原子结构紧密相关当外来的高速粒子（电子或光子）的动能足够大时，可以将壳层中的某个电子击出，或击到原子系统之外，击出原子内部的电子形成逸出电子，或使这个电子填补到未满的高能级上。于是在原来位置出现空位，原子系统处于激发态，高能级的电子越迁到该空位处，同时将多余的能量e=hv=hc/λ释放出来，变成光电子而成为德特征X射线。 由于阴极射来的电子欲击出靶材的原子内层电子，比如k层电子，必须使其动能大于k 层电子与原子核的结合能Ek或k层的逸出功Wk。即有eV k=1/2mv2〉-Ek=Wk，故存在阴极电子击出靶材原子k电子所需要的临界激发电压Vk。 3、X射线与物质有哪些互相作用？ 答;X射线的散射：相干散射，非相干散射 X射线的吸收：二次特征辐射（当入射X射线的能量足够大时，会产生二次荧光辐射）； 光电效应：这种以光子激发原子所产生的激发和辐射过程；俄歇效应：当内层电子被击出成为光电子，高能级电子越迁进入低能级空位，同时产生能量激发高层点成为光电子。 4、线吸收系数μl和质量吸收系数μm的含义 答：线吸收系数μl：在X射线的传播方向上，单位长度的X射线强度衰减程度[cm-1]（强度为I的入射X射线在均匀物质内部通过时，强度的衰减率与在物质内通过的距离x成正步-dI/I=μdx，强度的衰减与物质内通过的距离x成正比）。与物质种类、密度、波长有关。质量吸收系数μm：他的物理意义是单位重量物质对X射线的衰减量，μ/P=μm[cm2/g]与物质密度和物质状态无关，而与物质原子序数Z和μm=kλ3Z3，X射线波长有关。 5、什么是吸收限？为什么存在吸收限？ 答：1）当入射光子能量hv刚好击出吸收体的k层电子，其对应的λk为击出电子所需要的入射光的最长波长，在光电效应产生的条件时，λk称为k系激发限，若讨论X射线的被物质吸收时，λk又称为吸收限。 当入射X射线，刚好λ=λk时，入射X射线被强烈的吸收。当能量增加，即入射λ〉λk时，吸收程度小。
《材料分析测试技术》试卷（答案） 一、填空题：（20分，每空一分） 1. X射线管主要由阳极、阴极、和窗口构成。 2. X射线透过物质时产生的物理效应有：散射、光电效应、透射X射线、和热。 3. 德拜照相法中的底片安装方法有：正装、反装和偏装三种。 4. X射线物相分析方法分：定性分析和定量分析两种；测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的定量分析方法。 5. 透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。 6. 今天复型技术主要应用于萃取复型来揭取第二相微小颗粒进行分析。 7. 电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。 8. 扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。 二、选择题：（8分，每题一分） 1. X射线衍射方法中最常用的方法是（ b ）。 a．劳厄法；b．粉末多晶法；c．周转晶体法。 2. 已知X光管是铜靶，应选择的滤波片材料是（b）。 a．Co ；b. Ni ；c. Fe。 3. X射线物相定性分析方法中有三种索引，如果已知物质名时可以采用（c ）。 a．哈氏无机数值索引；b. 芬克无机数值索引；c. 戴维无机字母索引。4. 能提高透射电镜成像衬度的可动光阑是（b）。 a．第二聚光镜光阑；b. 物镜光阑；c. 选区光阑。 5. 透射电子显微镜中可以消除的像差是（ b ）。 a．球差；b. 像散；c. 色差。 6. 可以帮助我们估计样品厚度的复杂衍射花样是（a）。 a．高阶劳厄斑点；b. 超结构斑点；c. 二次衍射斑点。 7. 电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中可用于分析1nm厚表层成分的信号是（b）。 a．背散射电子；b.俄歇电子；c. 特征X射线。 8. 中心暗场像的成像操作方法是（c）。 a．以物镜光栏套住透射斑；b．以物镜光栏套住衍射斑；c．将衍射斑移至中心并以物镜光栏套住透射斑。 三、问答题：（24分，每题8分） 1.X射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么 答：X射线衍射仪法中样品是块状粉末样品，首先要求粉末粒度要大小 适中，在1um-5um之间；其次粉末不能有应力和织构；最后是样品有一 个最佳厚度（t =
《材料分析测试技术》试卷（答案) 一、填空题：(20分，每空一分) 1．X射线管主要由阳极、阴极、和窗口构成。 2．X射线透过物质时产生的物理效应有：散射、光电效应、透射X 射线、和热。 3．德拜照相法中的底片安装方法有: 正装、反装和偏装三种。 4. X射线物相分析方法分: 定性分析和定量分析两种；测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的定量分析方法。 5．透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。 6.今天复型技术主要应用于萃取复型来揭取第二相微小颗粒进行分析。 7. 电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。 ８．扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。 二、选择题:（8分，每题一分） 1.X射线衍射方法中最常用的方法是( b ）。 a．劳厄法；b．粉末多晶法;ｃ.周转晶体法。 2. 已知X光管是铜靶，应选择的滤波片材料是(b)。 ａ．Co;b. Nｉ;c.Fe。 3.X射线物相定性分析方法中有三种索引,如果已知物质名时可以采用( c )。 a．哈氏无机数值索引;b. 芬克无机数值索引；ｃ. 戴维无机字母索引。 4.能提高透射电镜成像衬度的可动光阑是(b)。 a．第二聚光镜光阑；b．物镜光阑;c. 选区光阑。 5. 透射电子显微镜中可以消除的像差是( b )。 a.球差; b. 像散; c. 色差。 6．可以帮助我们估计样品厚度的复杂衍射花样是( a)。 ａ．高阶劳厄斑点；ｂ．超结构斑点;c. 二次衍射斑点。 7. 电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中可用于分析1nｍ厚表层成分的信号是（b)。 a.背散射电子; b.俄歇电子；ｃ. 特征Ｘ射线。 8. 中心暗场像的成像操作方法是（ｃ)。 a．以物镜光栏套住透射斑;b．以物镜光栏套住衍射斑；c．将衍射斑移至中心并以物镜光栏套住透射斑。 三、问答题：(2４分,每题8分） 1.X射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么？ 答: X射线衍射仪法中样品是块状粉末样品，首先要求粉末粒度要大小适 中,在1ｕｍ－5uｍ之间;其次粉末不能有应力和织构;最后是样品有一个 最佳厚度(t =
材料分析测试技术部分课后答案 太原理工大学材料物理0901 除夕月 1-1 计算0.071nm(MoKα)和0.154nm(CuKα)的X-射线的振动频率和能量。 ν=c/λ=3*108/(0.071*10-9)=4.23*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*4.23*1018=2.8*10-15 J ν=c/λ=3*108/(0. 154*10-9)=1.95*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*2.8*1018=1.29*10-15 J 1-2 计算当管电压为50kV时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能. E=eV=1.602*10-19*50*103=8.01*10-15 J λ=1.24/50=0.0248 nm E=8.01*10-15 J(全部转化为光子的能量) V=(2eV/m)1/2=(2*8.01*10-15/9.1*10-31)1/2=1.32*108m/s 1-3分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射；
（3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 答：根据经典原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，他们有一定的能量。最内层能量最低，向外能量依次增加。 根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以K?的能量大于Ka 的能量，Ka能量大于La的能量。 因此在不考虑能量损失的情况下： CuKa能激发CuKa荧光辐射；（能量相同） CuK?能激发CuKa荧光辐射；（K?>Ka） CuKa能激发CuLa荧光辐射；（Ka>la） 1-4 以铅为吸收体，利用MoKα、RhKα、AgKαX射线画图，用图解法证明式（1-16）的正确性。（铅对于上述Ⅹ射线的质量吸收系数分别为122.8，84.13，66.14 cm2／g）。再由曲线求出铅对应于管电压为30 kv条件下所发出的最短波长时质量吸收系数。 解：查表得 以铅为吸收体即Z=82 Kαλ3 λ3Z3 μm Mo 0.714 0.364 200698 122.8 Rh 0.615 0.233 128469 84.13 Ag 0.567 0.182 100349 66.14 画以μm为纵坐标，以λ3Z3为横坐标曲线得K≈8.49×10-4，可见下图 铅发射最短波长λ0＝1.24×103/V＝0.0413nm λ3Z3＝38.844×103 μm = 33 cm3/g 1-5. 计算空气对CrKα的质量吸收系数和线吸收系数（假设空气中只有质量分数80％的氮和质量分数20％的氧，空气的密度为1.29×10-3g／cm3）。 解：μm=0.8×27.7＋0.2×40.1=22.16+8.02=30.18（cm2/g） μ=μm×ρ=30.18×1.29×10-3=3.89×10-2 cm-1 1-6. 为使CuKα线的强度衰减1／2，需要多厚的Ni滤波片？（Ni的密度为8.90g／cm3）。1-7. CuKα1和CuKα2的强度比在入射时为2：1，利用算得的Ni滤波片之后其比值会有什么变化？ 解：设滤波片的厚度为t 根据公式I/ I0=e-Umρt；查表得铁对CuKα的μm＝49.3（cm2/g）,有：1/2=exp(-μmρt) 即t=-(ln0.5)/ μmρ=0.00158cm 根据公式：μm=Kλ3Z3，CuKα1和CuKα2的波长分别为：0.154051和0.154433nm ，所以μm=K
材料分析测试技术复习参考资料（注：所有的标题都是按老师所给的“重点”的标题，） 第一章x射线的性质 射线的本质：X射线属电磁波或电磁辐射，同时具有波动性和粒子性特征，波长较为可见光短，约与晶体的晶格常数为同一数量级，在10-8cm左右。其波动性表现为以一定的频率和波长在空间传播；粒子性表现为由大量的不连续的粒子流构成。 2，X射线的产生条件：a产生自由电子；b使电子做定向高速运动；c在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。 3，对X射线管施加不同的电压，再用适当的方法去测量由X射线管发出的X射线的波长和强度，便会得到X射线强度与波长的关系曲线，称为X射线谱。在管电压很低，小于某一值（Mo阳极X射线管小于20KV）时，曲线变化时连续变化的，称为连续谱。在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值λo，称为短波限，在高速电子打到阳极靶上时，某些电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这个光量子便具有最高的能量和最短的波长，这波长即为λo。λo=V。 4，特征X射线谱： 概念：在连续X射线谱上，当电压继续升高，大于某个临界值时，突然在连续谱的某个波长处出现强度峰，峰窄而尖锐，改变管电流、管电压，这些谱线只改变强度而峰的位置所对应的波长不变，即波长只与靶的原子序数有关，与电压无关。因这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征、所以叫特征x射线，
由特征X射线构成的x射线谱叫特征x射线谱，而产生特征X射线的最低电压叫激发电压。 产生：当外来的高速度粒子(电子或光子)的动aE足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，或击到原于系统之外，或使这个电子填到未满的高能级上。于是在原来位置出现空位，原子的系统能量因此而升高，处于激发态。这种激发态是不稳定的，势必自发地向低能态转化，使原子系统能量重新降低而趋于稳定。这一转化是由较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁的方式完成的，电子由高能级向低能级跃迁的过程中，有能量降低，降低的能量以光量子的形式释放出来形成光子能量，对于原子序数为Z的确定的物质来说，各原子能级的能量是固有的，所以．光子能量是固有的，λ也是固有的。即特征X射线波长为一固定值。 能量：若为K层向L层跃迁，则能量为： 各个系的概念：原于处于激发态后，外层电子使争相向内层跃迁，同时辐射出特征x射线。我们定义把K层电子被击出的过程叫K系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫K系辐射，同理，把L层电子被击出的过程叫L系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫L系辐射，依次类推。我们再按电子跃迁时所跨越的能级数目的不同把同一辐射线系分成几类，对跨 越I，2，3．．个能级所引起的辐射分别标以α、β、γ等符号。电子由L—K，M—K跃迁(分别跨越1、2个能级)所引起的K系辐射定义为Kα，Kβ谱线；同理，由M—L，N—L电子跃迁将辐射出L系的Lα，Lβ谱线，以此类推还有M线系等。 莫赛莱定律：特征X射线谱的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，
材料分析测试技术复习参考资料 1、透射电子显微镜 其分辨率达10-1 nm ,扫描电子显微镜 其分辨率为Inmo 透射电子显微镜放大倍数大。 第一章x 射线的性质 2、X 射线的本质：X 射线属电磁波或电磁辐射，同时具有波动性和粒子性特征，波长较为可见光短，约与 晶体的晶格常数为同 一数量级，在 10-8cm 左右。其波动性表现为以一定的频率和波长在空间传播；粒子性 表现为由大量的不连续的粒子流构成。 即电磁波。 3、 X 射线的产生条件：a 产生自由电子；b 使电子做定向高速运动；c 在电子运动的路径上设置使其突然减 速的障碍物。X 射 线管的主要构造：阴极、阳极、窗口 。 4、 对X 射线管施加不同的电压，再用适当的方法去测量由 X 射线管发出的X 射线的波长和强度，便会得到 X 射线强度与波长的关系曲线，称为 X 射线谱。在管电压很低，小于某一值（ Mo 阳极X 射线管小于20KV ） 时，曲线变化时连续变化的，称为 连续谱。在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值入 o ,称为短波 限，在高速电子打到阳极靶上时，某些电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这个光量 子便具有最高的能量和最短的波长，这波长即为入 0。入o=1.24/V 。 5、 X 射线谱分连续X 射线谱和特征X 射线谱。 * 6、特征X 射线谱： 概念：在连续X 射线谱上，当电压继续升高，大于某个临界值时，突然在连续谱的某个波长处出现强度峰， 峰窄而尖锐，改变管电流、管电压，这些谱线只改变强度而峰的位置所对应的波长不变，即波长只与靶的 原子序数有关，与电压无关。因这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征、所以叫特征 x 射线，由特 征X 射线构成的x 射线谱叫特征x 射线谱，而产生特征 X 射线的最低电压叫激发电压。 产生：当外来的高速度粒子（电子或光子）的动aE 足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，或击到原于系 统之外，或使这个电子填到未满的高能级上。于是在原来位置出现空位，原子的系统能量因此而升高，处 于激发态。这种激发态是不稳定的，势必自发地向低能态转化，使原子系统能量重新降低而趋于稳定。这 一转化是由较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁的方式完成的，电子由高能级向低能级跃迁的过程中， 有能量降低，降低的能量以光量子的形式释放出来形成光子能量，对于原子序数为 各原子能级的能量是固有的，所以?光子能量是固有的，入也是固有的。即特征 能量：若为K 层向L 层跃迁，则能量为： &口 = Av = hcfX 各个系的概念：原于处于激发态后，外层电子使争相向内层跃迁，同时辐射出特征 x 射线。我们定义把 K 层电子被击出的过程叫 K 系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫 K 系辐射，同理，把 L 层电子被击出的 过程叫L 系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫 L 系辐射，依次类推。我们再按电子跃迁时所跨越的能 级数目的不同把同一辐射线系分成几类，对跨 越I , 2, 3..个能级所引起的辐射分别标以a 、B 、丫等符号。电子由 L —K , M — K 跃迁（分别跨越1、2个 能级）所引起的K 系辐射定义为K a, K B 谱线；同理，由 M- L , N — L 电子跃迁将辐射出 L 系的L a, L p 谱 线，以此类推还有 M 线系等。 7、X 射线与物质的相互作用： 散射、吸收、透射。X 射线的散射有相干散射和非相干散射。 第二章X 衍射的方向 1,相干条件：两相干光满足频率相同、振动方向相同、相位差恒定（即n 的整数倍）或波程差是波长的整 数倍。 & X 衍射和布拉格方程 波在传播过程中，在波程差为波长整数倍的方向发生波的叠加，波的振幅得到最大程度的加强，称 为衍射，对应的方向为衍射方向，而为半整数的方向，波的振幅得到最大程度的抵消。 Z 的确定的物质来说, X 射线波长为一固定值。
材料分析测试技术习题及答案
第一章 一、选择题 1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是（） A.X射线透射学； B.X射线衍射学； C.X射线光谱学； D.其它 2. M层电子回迁到K层后，多余的能量放出的特征X射线称（） A.Kα； B. Kβ； C. Kγ； D. Lα。 3. 当X射线发生装置是Cu靶，滤波片应选（） A．Cu；B. Fe；C. Ni；D. Mo。
4. 当电子把所有能量都转换为X射线时，该X射线波长称（） A.短波限λ0； B. 激发限λk； C. 吸收限； D. 特征X射线 5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L 层电子打出核外，这整个过程将产生（）（多选题） A.光电子； B. 二次荧光； C. 俄歇电子； D. （A+C） 二、正误题 1. 随X射线管的电压升高，λ0和λk都随之
减小。（） 2. 激发限与吸收限是一回事，只是从不同角度看问题。（） 3. 经滤波后的X射线是相对的单色光。（） 4. 产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（） 5. 选择滤波片只要根据吸收曲线选择材料，而不需要考虑厚度。（） 三、填空题 1. 当X射线管电压超过临界电压就可以产生X射线和X射线。 2. X射线与物质相互作用可以产
生、、、、 、、、。 3. 经过厚度为H的物质后，X射线的强度为。 4. X射线的本质既是也是，具有性。 5. 短波长的X射线称，常用于；长波长的X射线称 ，常用于。 习题 1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象
第一章 一、选择题 1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是（） A.X射线透射学； B.X射线衍射学； C.X射线光谱学； D.其它 2. M层电子回迁到K层后，多余的能量放出的特征X射线称（） A.Kα； B. Kβ； C. Kγ； D. Lα。 3. 当X射线发生装置是Cu靶，滤波片应选（） A．Cu；B. Fe；C. Ni；D. Mo。 4. 当电子把所有能量都转换为X射线时，该X射线波长称（） A.短波限λ0； B. 激发限λk； C. 吸收限； D. 特征X射线 5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生（）（多选题） A.光电子； B. 二次荧光； C. 俄歇电子； D. （A+C） 二、正误题 1. 随X射线管的电压升高，λ0和λk都随之减小。（） 2. 激发限与吸收限是一回事，只是从不同角度看问题。（） 3. 经滤波后的X射线是相对的单色光。（） 4. 产生特征X射线的前提是原子层电子被打出核外，原子处于激发状态。（） 5. 选择滤波片只要根据吸收曲线选择材料，而不需要考虑厚度。（） 三、填空题
1. 当X射线管电压超过临界电压就可以产生X射线和X射线。 2. X射线与物质相互作用可以产生、、、、 、、、。 3. 经过厚度为H的物质后，X射线的强度为。 4. X射线的本质既是也是，具有性。 5. 短波长的X射线称，常用于；长波长的X射线称 ，常用于。 习题 1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？ 2.分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射； （3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 3.什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效 应”、“发射谱”、“吸收谱”？ 4.X射线的本质是什么？它与可见光、紫外线等电磁波的主要区别何在？用哪些物理 量描述它？ 5.产生X射线需具备什么条件？ 6.Ⅹ射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？ 7.计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短 波限和光子的最大动能。 8.特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等 9. 10.
18、名词解释： 相干散射（汤姆逊散射）、不相干散射（康普顿散射）、荧光辐射、俄歇效应、吸收限、俄歇效应、晶面指数与晶向指数、晶带、X射线散射、衍射结构因子、多重因子、罗仑兹因子、系统消光 相干散射（汤姆逊散射）：X射线光子作用于内层电子，散射波波长不变，方向改变。 不相干散射（康普顿散射）：X射线与弱束缚的外层电子作用，使散射波波长变长，方向改变的散射。 荧光辐射：X射线将内层电子击出导致外层电子向内层跃迁引起的辐射。 俄歇效应：原子内层电子被击出，外层电子向该层跃迁，其能量被相邻电子吸收而激发成自由电子的现象。 吸收限：质量吸收系数发生突变的波长为~ 晶面指数：结晶平面在三个坐标轴上截距倒数的最小整数比，用（hkl）表示晶向指数：点阵中结点坐标的最小整数比，用[uvw]表示 晶带：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的总体。 X射线散射： X射线与物质发生相互作用后传播方向发生改变的现象。 衍射结构因子：|F|=一个晶格内全部原子散射波的振幅之和/一个电子的散射波振幅，即晶胞内全部原子散射的总和为衍射结构因子。 多重因子：反映（hkl）晶面处于有利取向几率的因数，指某个面族中具有同样晶面间距的不同点阵面组数目。 罗仑兹因子：（1+cos22θ）/2sin2θ, 反映了晶块尺寸，参加衍射晶粒个数对衍射强度I的影响。 系统消光：由晶胞内原子种类，原子数量，原子位置而引起X射线衍射相消，其强度为零的现象。
XRD 1、连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理 连续X射线谱: 从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位 时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多 数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。 特征X射线谱: 从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大 而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填 补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固 定能量，频率或固定波长的特征X射线。 书上答：原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K、L、M、N等，不同能级的壳层上，而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，于是在原来的位置出现空位，原子系统的能量升高，处于激发态，这时原子系统就要向低能态转化，即向低能级上的空位跃迁，在跃迁时会有一能量产生，这一能量以光子的形式辐射出来，即特征X射线 2、 X射线谱的种类？各自的特征？ 两种类型：连续X射线谱和特征X射线谱 连续X射线谱：具有从某一个最短波长（短波极限）开始的连续的各种波长的X射线。它的强度随管电压V、管电流i和阳极材料原子序数Z的变化而变化。指X射线管中发出的一部分包含各种波长的光的光谱。从管中释放的电子与阳极碰撞的时间和条件各不相同，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱 特征X射线谱：也称标识X射线谱，它是由若干特定波长而强度很大的谱线构成的，这种谱线只有当管电压超过一定数值Vk(激发电压)时才能产生，而这种谱线的波长与X射线管的管电压、管电流等工作条件无关，只取决于阳极材料，不同元属制成的阳极将发出不同波长的谱线，并称为特征X射线谱
《材料分析测试技术》课程教学大纲 课程代码：050232004 课程英文名称： Materials Analysis Methods 课程总学时：24 讲课：20 实验4 适用专业：材料成型及控制工程 大纲编写（修订）时间：2017.07 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 材料分析测试技术是高等学校材料加工类专业开设的一门培养学生掌握材料现代分析测试方法的专业基础课，主要讲授X射线衍射、电子显微分析的基本知识、基本理论和基本方法，在材料加工类专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，着重培养学生运用所学知识解决工程实际问题的能力，培养学生的创新意识。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1. 掌握X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析的基本理论； 2. 掌握材料组成、晶体结构、显微结构等的分析测试方法与技术； 3. 具备根据材料的性质等信息确定分析手段的初步能力； 4. 具备对检测结果进行标定和分析解释的初步能力。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握晶体几何学、X射线衍射以及电子显微分析方面的一般知识，了解X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜的工作原理以及适用范围。 2.基本理论和方法：掌握晶体几何学理论知识（晶体点阵、晶面、晶向、晶面夹角、晶带）；掌握特征X射线的产生机理以及X射线与物质的相互作用；掌握X射线衍射理论基础—布拉格定律；掌握多晶衍射图像的形成机理；了解影响X射线衍射强度各个因子，了解结构因子计算以及系统消光规律；了解点阵常数的精确测定方法；了解宏观应力的测定原理及方法；掌握物相定性、定量分析原理及方法；了解利用倒易点阵与厄瓦尔德图解法分析衍射现象；了解电子衍射的基本理论以及单晶体电子衍射花样的标定方法；掌握表面形貌衬度和原子序数衬度的原理及应用；掌握能谱、波谱分析原理及方法。 3.基本技能：具备根据材料的性质等信息正确选用分析手段的能力；具备对检测结果进行标定和分析解释的初步能力；具有利用本课程基本知识进行科学研究的初步能力。能够独立进行X 射线衍射、扫描电镜、透射电镜的样品制备与结果分析。 （三）实施说明 1．教学方法：以基本理论——工作原理——应用及结果分析为主线，对课程中的重点、难点问题着重讲解。由于本课程既具有理论性又具有实践性，因此在教学过程中要注意理论联系实际，通过实例锻炼学生分析解决问题的能力。采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；注意教授学生学会分析、解决问题的方法。处理好重点与难点，将各种分析方法的实际应用纳入教学过程，使学生能够利用所学知识解决实际问题。通过实例和作业，通过作业调动学生学习的主观能动性，强化学生运用知识的能力，培养自学能力。 2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
一、 二、 三、选择题：（ 分 每题 分） 当 射线将某物质原子的 层电子打出去后， 层电子回迁 层，多余能量将另一个 层电子打出核外，这整个过程将产生（ ）。 光电子； 二次荧光； 俄歇电子； （ ） 有一体心立方晶体的晶格常数是 ，用铁靶 α（λ α ）照射该晶体能产生（ ）衍射线。 三条； 四条； 五条； 六条。 最常用的 射线衍射方法是（ ）。 劳厄法； 粉末多晶法； 周转晶体法； 德拜法。 测定钢中的奥氏体含量，若采用定量 射线物相分析，常用方法是（ ）。 外标法； 内标法； 直接比较法； 值法。 可以提高 的衬度的光栏是（ ）。 第二聚光镜光栏； 物镜光栏； 选区光栏； 其它光栏。 如果单晶体衍射花样是正六边形，那么晶体结构是（ ）。 六方结构； 立方结构； 四方结构； 或 。 将某一衍射斑点移到荧光屏中心并用物镜光栏套住该衍射斑点成像，这是（ ）。 明场像； 暗场像； 中心暗场像； 弱束暗场像。 仅仅反映固体样品表面形貌信息的物理信号是（ ）。 背散射电子； 二次电子； 吸收电子； 透射电子。 一、判断题：（ 分 每题 分）
产生特征 射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（ √） 倒易矢量能唯一地代表对应的正空间晶面。（ √ ） 大直径德拜相机可以提高衍射线接受分辨率，缩短暴光时间。（ × ） 射线物相定性分析可以告诉我们被测材料中有哪些物相，而定量分析可以告诉我们这些物相的含量有什么成分。（ × ） 有效放大倍数与仪器可以达到的放大倍数不同，前者取决于仪器分辨率和人眼分辨率，后者仅仅是仪器的制造水平。（ √ ） 电子衍射和 射线衍射一样必须严格符合布拉格方程。（ × ） 实际电镜样品的厚度很小时，能近似满足衍衬运动学理论的条件 这时运动学理论能很好地解释衬度像。（√ ） 扫描电子显微镜的衬度和透射电镜一样取决于质厚衬度和衍射衬度。（ × ） 二、填空题：（ 分 每 空 分） 电子衍射产生的复杂衍射花样是高阶劳厄斑、超结构斑点、二次衍射、孪晶斑点和菊池花样。 当 射线管电压低于临界电压仅可以产生 连续谱 射线；当 射线管电压超过临界电压就可以产生 连续谱 射线和 特征谱 射线。 F表示，结构因素 时没有衍射我们称 结构振幅用 表示，结构因素用2 结构消光或 系统消光 。对于有序固溶体，原本消光的地方会出现 弱衍射 。 电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。 衍射仪的核心是测角仪圆，它由 辐射源 、 试样台 和 探测器 共同组成 测角仪 。 射线测定应力常用仪器有应力仪和衍射仪，常用方法有 Ψ法和 o o法。 运动学理论的两个基本假设是双束近似和柱体近似。 电子探针包括波谱仪和能谱仪两种仪器。 三、名词解释：（ 分 每题 分）
2011年《材料分析测试技术》期末考试试题 姓名：院/系：学号： 一、填空（26分） 1.化学电源可以分为一次电池、二次电池和燃料电池三类，化学电源主 要由正负极、隔膜和电解液三部分构成。 2.可逆电极反应在循环伏安测试中最重要的两个特征是和。 3.交流阻抗谱的三个基本条件是因果性条件、和。 1-3电化学 4.核磁共振波谱分析不能直接使用固体样品的原因是：。 5.影响红外光谱基团频率的因素包括：、、、 和。 6.拉曼光谱分析技术是以为基础建立起来的分子结构表征技术，其信号来 源与分子的和。 7.引起原子吸收线变宽的因素包括：、、、 和。 8.人们判断太阳主要是由氢元素和氦组成，判断的依据是方法。 9.通过磁化强度的测量，可获得的材料信息包括（列举两例）：、 。 二、问答题（24分） 1. 举例说明紫外-可见光谱的生色团和助色团。 2. 请简述标准加入法及其在原子吸收光谱法与原子发射光谱中的异同。 3. 下图是Pt电极在硫酸溶液中的循环伏安曲线，请解释各峰的含义，从中能得到关于 氢、氧吸附行为的什么信息？
4. 下图是一个典型的实际电极过程的交流阻抗谱，试给出其等效电路，并结合等效电路 简述如何求取有关电极过程参数。 三、判断题（16分） 1. 某个有机化合物的分子式是：C8H10，其NMR氢谱如下图所示，求其结构式。并请 给出各个峰的归属。（6分） 3H 5H 2H
2. （10分）（1）红外光谱定性分析的基本依据是什么？简要叙述红外定性分析的过程。（2）未知物分子式为C8H8O，测得的红外谱图如下，计算不饱和度，并确定其结构。 四、（12分）简述X射线光电子能谱（XPS）、紫外光电子能谱（UPS）和俄歇电子能 谱（AES）的异同点，可各自获得样品的哪些信息？ 五、（12分）（1）简述热重分析（TGA）和差热分析（DTA）有何区别及在材料研究中 的应用。 （2）采用草酸亚铁（FeC2O4·2H2O）、氢氧化锂（LiOH·H2O）和草酸二氢胺（NH4H2PO4）为原料制备磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料，图1是三种反应原材料在Ar+5%H2气氛下的热重分析曲线，图2为上述原材料采用丙酮混合均匀干燥后的前驱体烧结的热重和差热曲线图。请对图1和图2进行分析，并根据分析说明磷酸铁锂的烧结温度应如何选择？ 图1 反应原材料的热重曲线（TGA）
一、选择题：（8 分/ 每题 1 分） 1. .当 X 射线将某物质原子的K 层电子打出去后， L 层电子回迁K 层，多余能量将另一个L 层电子打出核外，这整个过程将产生（ D ）。 A.光电子； B. 二次荧光； C. 俄歇电子； D. （ A+C ） 2. 有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm，用铁靶 K （λK =0.194nm）照射该晶体能产生（ B ）衍射线。 αα A. 三条； B .四条； C. 五条； D. 六条。 3. .最常用的 X 射线衍射方法是（ B ）。 A. 劳厄法； B. 粉末多晶法； C. 周转晶体法； D. 德拜法。 4. .测定钢中的奥氏体含量，若采用定量X 射线物相分析，常用方法是（ C ）。 A. 外标法； B. 内标法； C. 直接比较法； D. K 值法。 5. 可以提高 TEM 的衬度的光栏是（ B ）。 A. 第二聚光镜光栏； B. 物镜光栏； C. 选区光栏； D. 其它光栏。 6. 如果单晶体衍射花样是正六边形，那么晶体结构是（ D ）。 A.六方结构； B. 立方结构； C. 四方结构； D. A 或 B。 7. .将某一衍射斑点移到荧光屏中心并用物镜光栏套住该衍射斑点成像，这是（ C ）。 A.明场像； B. 暗场像； C. 中心暗场像； D.弱束暗场像。 8. 仅仅反映固体样品表面形貌信息的物理信号是（ B ）。 A. 背散射电子； B. 二次电子； C. 吸收电子； D. 透射电子。 一、判断题：（8 分/ 每题 1 分） 1. 产生特征X 射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（√） 2.倒易矢量能唯一地代表对应的正空间晶面。（√） 3. 大直径德拜相机可以提高衍射线接受分辨率，缩短暴光时间。（×） 4. X 射线物相定性分析可以告诉我们被测材料中有哪些物相，而定量分析可以告诉我们这些物相的含量有 什么成分。（×） 5. 有效放大倍数与仪器可以达到的放大倍数不同，前者取决于仪器分辨率和人眼分辨率，后者仅仅是仪器 的制造水平。（√） 6. 电子衍射和 X 射线衍射一样必须严格符合布拉格方程。（×） 7. 实际电镜样品的厚度很小时，能近似满足衍衬运动学理论的条件,这时运动学理论能很好地解释衬度像。 （√ ） 8. 扫描电子显微镜的衬度和透射电镜一样取决于质厚衬度和衍射衬度。（×） 二、填空题：（14 分/ 每 2 空 1分） 1.电子衍射产生的复杂衍射花样是高阶劳厄斑、超结构斑点、二次衍射、孪晶斑点和菊池花样。 2. 当 X 射线管电压低于临界电压仅可以产生连续谱 X 射线；当 X 射线管电压超过临界电压就可以产生 连续谱 X 射线和特征谱 X 射线。 3. 2 结构振幅用 F 表示，结构因素用F表示，结构因素 =0 时没有衍射我们称 结构消光或系统消光。对于有序固溶体，原本消光的地方会出现弱衍射。 4.电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。 5. 衍射仪的核心是测角仪圆，它由辐射源、试样台和探测器共同组成测角仪。 6. X 射线测定应力常用仪器有应力仪和衍射仪，常用方法有Sin2Ψ法和 0o-45o法。 7.运动学理论的两个基本假设是双束近似和柱体近似。
一、选择题：（8分/每题1分） 1. .当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生（D）。 A. 光电子； B. 二次荧光； C. 俄歇电子； D. （A+C） 2. 有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm，用铁靶Kα（λKα=0.194nm）照射该晶体能产生（B）衍射线。 A. 三条；B .四条；C. 五条；D. 六条。 3. .最常用的X射线衍射方法是（B）。 A. 劳厄法； B. 粉末多晶法； C. 周转晶体法； D. 德拜法。 4. .测定钢中的奥氏体含量，若采用定量X射线物相分析，常用方法是（C ）。 A. 外标法； B. 内标法； C. 直接比较法； D. K值法。 5. 可以提高TEM的衬度的光栏是（B ）。 A. 第二聚光镜光栏； B. 物镜光栏； C. 选区光栏； D. 其它光栏。 6. 如果单晶体衍射花样是正六边形，那么晶体结构是（D）。 A. 六方结构； B. 立方结构； C. 四方结构； D. A或B。 7. .将某一衍射斑点移到荧光屏中心并用物镜光栏套住该衍射斑点成像，这是（C）。 A. 明场像； B. 暗场像； C. 中心暗场像； D.弱束暗场像。 8. 仅仅反映固体样品表面形貌信息的物理信号是（B）。 A. 背散射电子； B. 二次电子； C. 吸收电子； D.透射电子。 一、判断题：（8分/每题1分） 1.产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（√） 2.倒易矢量能唯一地代表对应的正空间晶面。（√） 3.大直径德拜相机可以提高衍射线接受分辨率，缩短暴光时间。（×） 4.X射线物相定性分析可以告诉我们被测材料中有哪些物相，而定量分析可以告诉我们这些物相的含量有 什么成分。（×） 5.有效放大倍数与仪器可以达到的放大倍数不同，前者取决于仪器分辨率和人眼分辨率，后者仅仅是仪器 的制造水平。（√） 6.电子衍射和X射线衍射一样必须严格符合布拉格方程。（×） 7.实际电镜样品的厚度很小时，能近似满足衍衬运动学理论的条件,这时运动学理论能很好地解释衬度像。 （√） 8.扫描电子显微镜的衬度和透射电镜一样取决于质厚衬度和衍射衬度。（×） 二、填空题：（14分/每2空1分） 1.电子衍射产生的复杂衍射花样是高阶劳厄斑、超结构斑点、二次衍射、孪晶斑点和菊池花样。 2.当X射线管电压低于临界电压仅可以产生连续谱X射线；当X射线管电压超过临界电压就可以产生 连续谱X射线和特征谱X射线。 3.结构振幅用F 表示，结构因素用2 F表示，结构因素=0时没有衍射我们称 结构消光或系统消光。对于有序固溶体，原本消光的地方会出现弱衍射。 4.电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。 5.衍射仪的核心是测角仪圆，它由辐射源、试样台和探测器共同组成测角仪。 6.X射线测定应力常用仪器有应力仪和衍射仪，常用方法有Sin2Ψ法和0o-45o法。 7.运动学理论的两个基本假设是双束近似和柱体近似。