2016级材料科学研究方法

2016级材料科学研究方法Ⅱ复习攻略考试时间及地点：6月27日星期一13:50-15:30第二公共教学楼A区A215材料1303-4答疑时间：6月23日星期四答疑地点：李伟老师科研中心B110（电子显微分析）李先锋老师科研中心B108（X射线衍射技术）付维贵老师科研中心B201（热分析）题型及形式：闭卷考试；填空20分20题；判断10分10题；简答40分；名词解释6题，每题5分，共30分。

正确的打开方式：下划线部分或加粗体部分为老师上课反复强调内容、课堂测验题或课后作业题。

一、X射线技术应用1.X射线的本质：X射线本质上是一种具有较短波长的高能电磁波，具有波粒二象性。

波动性：具有一定的频率和波长。

粒子性：光子数可计。

2.X射线的产生和发现发现：1895年11月8日伦琴在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命名为X射线。

产生：高速运动的带电粒子撞击到任何物质时，电子的运动突然受阻失去动能，发生能量交换，从而产生X射线(产生条件：a.产生自由电子；b.使电子作定向的高速运动;c.在其运动的路径上设置一个障碍物，使电子突然减速或停止)3.X射线的类型：①连续X射线(多色X射线):具有连续波长X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似.产生机理：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。

单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，由此产生连续X 射线谱。

②标识X射线（特征X射线，单色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产生机理：与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。

原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。

在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。

较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式释放多余的能量辐射出标识X射线谱。

4.X射线与物质的相互作用（重点）X射线与物质相互作用时，产生各种不同和复杂的过程。

就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。

X射线散射分为相干散射，非相干散射；X射线透射后因光子数减少而强度减弱X射线吸收产生光电效应，荧光效应，俄歇效应等并产生热能。

本质：X射线与原子的相互作用基本原理：原子中受束缚的电子被X射线电磁波的震荡电场加速，产生散射，激发和吸收等多种效果5.相干散射和非相干散射（名词解释）相干散射：物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。

这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。

由于散射线与入射线的频率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射波符合干涉条件，因此称为相干散射。

非相干散射：X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加的现象6.XRD①XRD的基础：相干散射②衍射的本质：相干散射发生干涉加强的结果③晶体衍射两要素：（1）衍射方向，即衍射线在空间的分布规律，由晶胞大小、类别和位向决定（hkl）。

（2）衍射强度，即衍射线束的强度，取决于原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。

④布拉格方程θnλsind2hkl=n—衍射技术，取1.2.3…整数θ—衍射角或布拉格角度λ—入射X射线的波长，单位埃⑤物相分析利用X射线衍射的方法对试样中由各种元素形成的具有确定结构的化合物（物相），进行定性(由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组（PDF卡片）进行对比，以鉴定出试样中存在的物相)和定量分析（单线条法，外标法，内标法，K值法和绝热法，直接比较法，联立方程法）。

X射线物相分析给出的结果是由各种元素组成的具有固定结构的物相。

物相分析基本原理（重点）任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构，在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样。

每一种晶体物质和它的衍射花样都是一一对应的。

多相试样的衍射花样是由它和所含物质的衍射花样机械叠加而成。

通常用d（晶面间距表征衍射线位置）和I（衍射线相对强度）的数据代表衍射花样。

用d-I数据作为定性相分析基本判据。

⑥衍射实验方法a.劳尔法：用连续X射线谱作为入射光源，单晶固定不动，入射面与各衍射面的夹角也固定不动，靠衍射面选择不同波长的X射线来满足布拉格方程b.旋转晶体法：用单色X射线作为入射光源，单晶体绕一晶轴（通常垂直入射方向）旋转，靠连续改变各衍射面与入射线的夹角来满足布拉格方程。

c.粉末晶体法：用单色X射线作为入射光源，入射线以固定方向射到多晶粉末或多晶块状样品上，靠粉晶中各晶粒取向不同的衍射面来满足布拉格方程。

⑦各种典型的X 射线衍射图（重点识记）(a)为无择优取向多晶试样的底片，呈现分明的同心衍射圆环；（无取向多晶）(b)为部分择优取向的多晶试样底片，呈若干对衍射对称弧；（部分取向多晶）(c)为完全取向（高度取向）多晶试样底片，呈若干对称斑；（完全去向多晶）(d)为非晶态试样底片，呈一弥漫散射环。

（非晶）7.X射线光电子能谱XPS①XPS：以X 射线为激发光源，通过检测由固体物质表面逸出的光电子能量、强度、角分布等来获取物质表面元素组成及化学环境等信息的一种技术。

②化学位移（名词解释）：原子因所处化学环境不同而引起的内层电子结合能变化在谱图上表现为谱峰的位移这种现象称为化学位移。

③电子结合能（名词解释）：电子结合能是体系的初态原子有n个电子和终态原子有n-1个电子(离子)和一自由光电子间能量的简单差代表了原子中电子与核电荷(Z)之间的相互作用强度n1-n b -E E E ④XPS特点：①能够分析除了氢，氦以外的所有元素。

②测定精确到0.1at%③空间分辨率为100um分析深度在1.5nm左右④样品一般是5mm*5mm*1mm⑤XPS分析室的真空度可以达到<10E-9Pa,因此样品要干燥，不能释放气体。

⑤XPS 应用a 元素定性分析：测定谱中不同元素内层光电子峰的结合能直接进行元素定性分析1）全谱扫描2）窄谱扫描主要依据是组成元素的光电子的特征能量值具唯一性。

b 元素定量分折：关键是要把所观测到的信号强度转变成元素的含量即将谱峰面积（定义谱峰下所属面积为谱线强度）转变成相应元素的含量。

c 化学结构分析：测定内层电子能级谱的化学位移，推知原子结合状态和电子分布状态。

一定元素的内层电子结合能会随原子的化学态(氧化态晶格位和分子环境等)发生变化(典型值可达几eV)—即化学位移，这一化学位移信息是元素状态分析与相关结构分析主要依据。

⑥XPS 样品制备方法：a.压片法：对疏松软散的样品可用此法。

b.溶解法：将样品溶解于易挥发的有机溶剂中，然后将其滴在样品托上让其晾干或吹干后再进行测量。

c.研压法：对不易溶于具有挥发性有机溶剂的样品，可将其少量研压在金箔上，使其成一薄层，再进行测量。

8.X 射线荧光光谱仪（XRF）原理：当能量高于原子内层电子结合能的高能X 射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴。

当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生X 射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。

特点：X 射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。

二、电子显微分析名词解释：分辨能力（分辨率、分辨本领）：我们把刚好能分辨屏幕上是两个点光源的像的距离d 称为显微镜的分辨率。

磁透镜：轴对称的非均匀磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种轴对称磁场的线圈装置即为磁透镜像散：是由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称引起的。

有效放大倍数：指恰好能够分辨样品上两个质点的放大倍数焦长：固定样品的条件下（物距不变），象平面沿透镜主轴移动时仍能保持物像清晰的距离范围景深：当像平面固定时(像距不变),能维持物像清晰的范围内,允许物平面(样品)沿透镜主轴移动的最大距离D f 。

像差：光学成像相对近轴成像的偏离球差：球差即球面像差，是磁透镜中心区和边沿对电子的折射能力不同引起的色差：色差是由于电磁透镜磁场对不同波长的电子的会聚能力不同而造成的1.通常认为显微镜发展到现在经历了三个阶段是什么？光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜这三个阶段。

2.透射电镜的图像衬度有哪三个？质厚衬度、衍射衬度、相位衬度3.电磁透镜的焦距与加速电压、与线圈匝数的平方以及与线圈电流的平方成各是什么关系？2o )(f NI RV A 与加速电压成正比，线圈匝数的平方成反比，线圈电流的平方成反比。

4.透射电子显微镜的像差主要包括哪几项？可以消除的是什么？球差、像散和色差。

可以消除的是像散和色差5.原子力显微镜有几种操作模式？聚合物材料的表征中，由于聚合物材料通常较软，常用其中的是哪一种模式？接触式、非接触式、间歇接触模式（轻敲成像模式），最常用为轻敲模式。

6.扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜及原子力显微镜的英文全称及简称分别是？SEM（Scanning Electron Microscope）、TEM（Transmission Electron Microscope）、STM （Scanning Tunneling Microscope）、AFM（Atomic Force Microscope）7.电子束与样品相互作用能产生哪些信号？背散射电子、二次电子、吸收电子、投射电子、特征X 射线、俄歇电子、阴极荧光8.原子力显微镜检测微悬臂偏转的方式有很多种，其精度将直接影响到AFM 的原子分辨率。

最常用的有四种？(1)隧道电流检测法；(2)光学干涉测量法；(3)光束偏转测量法；(4)电容测量法。

9.二次电子和背散射电子的相同点和不同点二次电子是在入射作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子，能量小于50eV。

当原子的核外电子从入射电子获得了大于结合能的能量后，可离开原子变成自由电子。

如果这种散射过程发生在比较接近样品的表层，那些能量尚大于材料逸出功的自由电子可能从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。

背散射电子是被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子，能量一般大于50eV。

它包括弹射散射和非弹射散射电子。

有的电子经一次散射就逸出表面，有的电子经过多次散射才能反射出来。

10.二次电子像和背散射电子像在显示表面相貌衬度时有什么相同和不同之处？相同：均利用电子信号的强弱来行成形貌衬度不同：二次电子像：凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大；平面上的SE产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。