总结 近代材料研究方法-浙江大学研究生课件

《近代材料研究方法1》课程教学大纲课程代码：050231003课程英文名称：Modern Materials Analysis Methods课程总学时：48 讲课：40 实验：8 上机：0适用专业：无机非金属材料工程、粉体工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标近代材料研究方法是高等学校材料类各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、热分析的基本知识、基本理论和基本方法，在材料类专业培养计划中，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实际问题的能力。

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、热分析的基本理论；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、热分析仪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，掌握结构因子计算以及系统消光规律；掌握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；掌握利用倒易点阵与厄瓦尔德图解法分析衍射现象；掌握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；掌握热分析法的基本原理和适用范围。

材料研究方法：这门课程介绍材料的测试方法，通过一定的仪器获得实验图像和数据。

通过分析数据，获得有关材料的信息，如组成和结构。

◆X射线衍射分析法（XRD）：当一束X射线投射到某晶体上时，在晶体后面放置一个照相底片，会发现在底片上产生有规律分布的斑点。

这些斑点是由于X射线作为电磁波射入晶体中时，受到晶体中原子的散射，散射波就象由原子中心发出一样，它们之间在空间产生干涉现象，所以在底片上留下了衍射图象，斑点就是衍射斑点。

通过对衍射图像的分析计算，可确定晶胞大小类型和原子的种类，数目纵坐标：X射线的强度；横坐标：波长◆扫描电镜分析法（SEM）：由电子枪发射出来的电子，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按光栅扫描，激发多种电子信号，如二次电子、背散射电子等。

电子信号经检测、放大后，转变为视频信号，利用调制显像管显像。

使用扫描电镜可以分析晶体的外貌。

纵坐标：强度；横坐标：距离◆红外光谱分析法（IR）：连续红外光谱与物质相互作用，若分子中原子振动频率与红外光波段某一频率相等，吸收红外光，通过红外分光光度计得到图谱。

纵坐标：吸光度；横坐标：波数（水分子在3450cm-1、OH-hydroxyl在3650~3700 cm-1）◆拉曼光谱法：激光照射物质表面，分子中原子振动频率不同，出现不同方向、不同频率的散射光。

根据拉曼频移，确定分子结构。

纵坐标：强度；横坐标：拉曼频移◆核磁共振谱法（NMR）：纵坐标：吸收的总能量；横坐标：外磁场变化频率Material research methode / moderne Forschungsmethoden in MaterialienThis subject introduces the material test method, through the certain test instrument, we can obtain experiment result such as image and data. By analyzing the data, we can obtain the certain informations of the material, like composition and structure.X- ray diffraction（XRD）:When a beam of X-ray projects on some crystal, while laying a negative (photo) behind the crystal, we can find there are orderly distributed spots on the negative. These spots are because X-ray as electromagnetic wave project on the crystal, they are scattered by the crystal atoms, the scattered wave just like being sent out by the atomic center, the interference occur between them in the space, therefore the diffraction image has left on the negative, the spots are the diffract spots. Through the analysis of the diffraction image, we can determine cell’ s size and type or atoms’ species and numbers. Ordinate axis : X-ray intensity, Abscissa axis: wavelengthScanning electron microscope（SEM）:Electron is transmitted from electron gun, in accelerating voltage fuction, and after 2 or 3 electronic lens focus, electron as raster scans the sample surface and stimulates kinds of electronic signals, such as secondary electron and back scattered electron. After detection and amplification, electron signal can be changed to video signal and use modulation tube to display image.Ordinate axis : intensity, Abscissa axis: distanceInfrared spectrometry（IR）:Continuous infrared spectrum and matter interact with each other, if the atomic vibration frequency and a frequency of infrared light are equal, absorb infrared light, spectra are obtained by infrared spectrophotometer.Ordinate axis : absorbance, Abscissa axis: wave numberRaman spectrometry:A beam of laster project on the material surface, because of different atomic vibration frequencies, appear different directions and different frequencies scattering light.According to Raman shift, we can obtain the structure of molecule. Ordinate axis : intensity, Abscissa axis: Raman shiftNuclear magnetic resonance spectrometry（NMR）:Ordinate axis : total energy absorption, Abscissa axis: changes frequency。

第二章　材料近代研究方法的物理基础本章主要内容提要第一节　散射作用　一、弹性散射二、非弹性散射三、散射引起的后果及其应用第二节　溅射作用　一、溅射种类二、溅射参量第三节　吸收与衰减作用第四节　粒子与材料相互作用及其在研究方法上的应用一、粒子与材料相互作用产生二次信息总结二、不同入射粒子产生的信息在材料研究中应用Ernest Rutherford著名物理学家1871年出生于New Zealand1908年获Nobel化学奖Ernest Rutherford (1871-1937) "for his investigations into thedisintegration of the elements, and thechemistry of radioactive substances"Director of Cambridge University‘sCavendish Laboratory from 19191911年Rutherford和他的合作者，在Cambridge University‘s Cavendish Laboratory用α粒子轰击金箔，观察到背散射现象，证明了原子核的存在，建立了原子的有核模型揭开了人类认识微观世界的序幕，开创了人工方法加速带电粒子来揭示物质微观世界的新纪元，成为研究微观世界的主要研究手段，也是材料近代研究实验方法的基础尽管近代材料研究方法和仪器繁多，层出不穷，但它们有着一些共性的物理原理：基于外场（光、热、电、磁、声、……）与物质的相互作用¾散射作用¾溅射作用¾吸收与衰减作用¾沟道与阻塞效应基于Rutherford弹性散射而建立的材料研究方法主要有：低能电子衍射（LEED）；低能电子显微镜（LEEM）；反射高能电子衍射（RHEED）；光电子发射显微技术（PEEM）；扫描电镜（SEM）；透射电镜（TEM）；能量分析电镜（EAEM）；高分辨电镜（HREM）；X射线衍射（XRD）；X射线光电子衍射（XPD）；俄歇电子衍射（AED）；中子衍射（ND）；场离子显微镜（FIM）；扫描隧道显微镜（STM）；原子力显微镜（AFM）；离子散射谱（ISS）；卢瑟福背散射谱（RBS）；……二、非弹性散射事实上，入射粒子与靶相互作用而产生的Rutherford散射是几率小得多的次要散射过程。

近代材料研究方法期末总结一、引言随着科技的不断发展，近代材料研究方法也在不断进步。

材料研究是科学发展的重要方向之一，材料的创新和优化对社会的发展和进步起着重要的推动作用。

本文将对近代材料研究方法进行总结和回顾，以期为今后的研究工作提供参考。

二、理论研究方法1. 分子模拟分子模拟是材料研究中的一种重要方法，它基于分子运动规律和相互作用原理，通过计算机模拟来研究材料的性质和行为。

分子模拟可以帮助研究人员了解材料的微观结构和性质，以及在不同条件下的变化规律。

由于计算机技术的快速发展，分子模拟方法可以模拟的材料种类和规模越来越大，同时也能提供更准确的结果。

2. 密度泛函理论密度泛函理论是近年来材料研究中的另一重要方法。

它基于量子力学原理，通过求解材料的电子结构来预测和解释材料的性质和行为。

密度泛函理论可以较准确地计算材料的结构、能带、振动频率等重要参数，对材料的设计和合成具有指导意义。

3. 第一性原理计算第一性原理计算是一种基于量子力学和统计力学原理的计算方法。

它通过求解材料的薛定谔方程来计算材料的性质和行为。

第一性原理计算可以较精确地预测材料的电子结构、能带、力学性质等，并通过对材料的组成和结构进行优化，实现材料的设计和改进。

三、实验研究方法1. 原位实时观测原位实时观测是一种直接观察材料变化过程的方法。

通过使用高精度的显微镜和实时数据采集设备，研究人员可以观察到材料在不同条件下的变化规律，如晶体生长、相变、形变等。

原位实时观测可以提供材料变化的详细信息，对于理论的验证和材料工艺的改进具有重要意义。

2. X射线衍射X射线衍射是一种常用的材料结构表征方法。

通过照射材料样品，利用X射线的衍射现象，可以得到材料的结构参数，如晶格常数、晶体结构等。

X射线衍射可以非常准确地确定材料的晶体结构，并通过对衍射图谱的分析，得到材料的取向、应力等重要信息。

3. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）是一种常用的材料形貌表征方法。

¾图谱信息的产生机理¾仪器构成及特点¾实际应用1、图谱解读2、研究方案设计俄歇电子谱（AES）¾俄歇电子的产生机制及其能量特征¾AES的定性、定量以及化学状态分析¾AES的点分析、线扫描、面扫描以及深度分析俄歇电子能量（谱峰位置）：定性分析和化学状态分析俄歇电子数目（谱峰强度）：定量分析65707580859095俄歇动能 / eV 计数 / 任意单位纯 Si 88.5 eVSiO 272.5 eV 样品表面Si 基底界面 A界面 B低能电子衍射（LEED）¾衍射图案是如何产生的？¾用LEED能研究什么？1λO′设实际晶格位于O，以O为球心，为半径作一球面。

以矢量的终点为二维倒易晶格的原点，画出二维倒易晶格点阵。

通过各倒易晶格点作垂线垂直于倒易晶格平面。

这些垂线与球面的交点预示着衍射的方向，衍射方向从O点指向交点。

因为衍射方向决定于倒易晶格垂线与反射球的交点，若样品处于荧光屏的球心，则荧光屏上LEED图案是二维倒易晶格的投影。

当入射电子能量改变时，电子波长发生变化，LEED图案随之变化。

当电子能量变大时，衍射点之间距离变小，而(00)位置是不变的，这个规律可以用来判断那个斑点是(00)点，并且可以判断原电子束是否垂直入射。

b a b *a *b a b *a *b a b *a *正方长方长方面心（菱形）六角平行四边形bab*a*120o60obab*a*θ180o－θa s=3a a s*=a*/3b*b a*a**2s a a =2s a a=。