材料分析方法 哈尔滨工业大学 周玉 电子能谱
第7章-哈工大-第三版-材料分析测试-周玉讲解
15
图7-12 多晶铝的衍射图 a) 铝粉 b) 冷轧铝板
第二节 织构的种类和表示方法
一、极图 织构可用极图、反极图和取向分布函数3种方法表示，极 图常用于描述板织构 多晶体中某晶面001法向，在空间分布的极射赤面投影图称 001极图， 板织构取轧面为宏 观坐标面的投影面，而丝织构取 与丝轴平行或垂直的平面 图7-10是轧制纯铝板以轧面为投 影面的极图，用不同级别的等密 度线表示极点密度的分布
2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2
与点
阵常数无关，标准投影图对于不同点阵常数的立方晶体普 遍适用；因立方晶系同名的晶面和晶向垂直，其标准投影 图同时可用于晶面和晶向 非立方晶系的晶面间夹角与点阵常数有关，故无法制作普 遍适用的标准衍射图 12
第一节 极射赤面投影法
三、单晶体的标准投影图 图7-9为立方晶系标准投影图，落在同一大圆弧和直线上的极 点对应的晶面法线在同一平面上， 此平面的法线为这些晶面 的交线。相交于同一直线的晶面属于同一晶带， 其交线称为 晶带轴，用[uvw]表示，晶面指数(hkl)和[uvw]满足晶带定律
图7-7 极点绕倾斜轴转动
10
第一节 极射赤面投影法
二、乌氏网 5) 投影面的转换 在乌氏网上将极点绕确定轴转动到新位置
如图7-8， K、P、Q是以 O 为
投影面的极点， 将K转到投影 面基圆中心， P、Q 随之作相 同的转动，沿其各自的纬线到 达新位置 P1、Q1，这就是 P、
Q点以K为新投影面的位置
h : k : l a sin cos : b sin sin : c cos
冷压磷钢 板的ODF截面图
21
第三节 丝织构指数的测定
第5章-哈工大-第三版-材料分析测试-周玉
Rad. CuK1 1.540598 Filter Ge Mono. D-sp Guinier Cut off 3.9 Int. Densitometer I / Icor . 3.44 Ref. Wang, P. Shanghai Inst. Of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, china, ICDD Grant-in-Aid, (1994)
Ij = C wj
(5-3)
其中C为新比例系数。如果试样为纯 j 相，则wj = 100% =1，
用(Ij)0表示纯 j 相某衍射线强度，因此可得
Ij (I j )0
Cwj C
wj
(5-4)
13
第二节 定量分析
一、单线条法 式(5-4)表明，混合样品中j 相某衍射线与纯 j 相同一衍射
线强度之比，等于 j 相的质量分数 定量分析时： 纯样品和被测样品要在相同的实验条件进行测定 一般选用最强线 用步进扫描得到整个衍射峰，扣除背底后测量积分强度 单线条法比较简单，但准确性稍差，且仅能用于各相吸收系 数相同的混合物。绘制定标曲线可提高测量的可靠性，定标 曲线法也可用于吸收系数不同的两相混合物的定量分析
JCPDF/ICDD 4) 1992 年后的卡片统一由ICDD出版，至 1997年已有卡片47
组，包括有机、无机物相约67,000个 图5-1为1996年出版的第46组PDF(ICDD)卡片，卡片中各栏 的内容见图5-2的说明
4
第一节 定性分析
一、粉末衍射卡片(PDF)
46-394
SmAlO3 Aluminum Samarium Oxide
的X射线衍射分析
2
材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子力显微镜讲义
STM
§12.2 原子力显微镜(AFM)
原子力显微镜(AFM)也称扫描力显微镜，是针 对扫描隧道显微镜不能直接观测绝缘体表面形貌 的问题，在其基础上发展起来的又一种新型表面 分析仪器。
一.结构
A是AFM待测样品，B是AFM针尖，C是STM 的针尖，D是微杠杆(悬臂梁)，又是STM的样品。 E为使微杠杆发生周期振动的调制压电晶体，用 于调节隧道间隙。样品A固定在三维压电晶体驱 动器(图中用AFM SF表示) 上，由驱动器进行x、 y扫描和z方向控制。两者都装在绝缘体 (氟橡 胶)F上，并固定在金属框架上。
二、STM的结构
STM由隧道显微镜主体、电子控制系统 和计算机系统组成。
隧道显微镜主体包括针尖（或样品）的平面 扫描机构、样品与针尖间距离控制调节机构、 系统与外界振动等的隔离装置。世界各国实验 室发展了有各自特色的STM，其中比较常用的 扫描机构（x,y, z三维细调）是压电陶瓷扫描 管或压电陶瓷杆组成的三维互相垂直的位移器。 三维扫描控制器如图所示。
3.表面的弹性、塑性、硬度测定
当杠杆针尖B为硬质材料如金刚石时， 可测通过测定试样压入深度Z（试样移动 距离－STM移动距离）、杠杆的弯曲变 形力（F=K △Z, △Z杠杆的弯曲大小）， 绘出Z—F曲线，从而反映材料的弹塑性。
AFM
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
◆固定在压电陶瓷传感器(三维扫描控制器)上的 探针可沿样品表面在x、y两个方向扫描； ◆隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏 感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将增 加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制 隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖 在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向 上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。将 针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光 屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态 密度的分布或原子排列的图象。
材料分析方法 周玉主编 绪论
返回目录
2.化学分析
功能：分析试样的平均化学成分。 缺点：不能分析微区成分。 而往往微区成分会造成微观结构的不均匀 性，导致微观区域性能的不均匀性，这种不均 匀性对材料的宏观性能有很重要的影响作用。
• 4 宏观结构：人眼（或借助放大镜）可分
纯铁的室温平衡组织
铁素体
45钢的室温平衡组织 铁素体+珠 光体 T8钢的室温平衡组织 珠光体
• 五 研究方法的种类 • 图像分析方法 • • • •
光学显微镜 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 场离子显微镜 原子力显微镜 扫描隧道显微镜
• X射线衍射 • 衍射法 电子衍射 • 中子衍射 • 非图像分析方法 光谱分析 • 能谱分析 • 成分谱分析 热谱分析 • 色谱分析
返回目录
七.本课程主要学习的分析方法 1：X射线衍射
功能：主要用来鉴定物相结构，分析晶体 结构，晶格参数（点阵常数，不同结构相的含 量及内 应力的方法。 这种方法主要利用X—ray在晶体中的衍射 花样不同，通过分析衍射花样来确定晶体结构。 貌.
不足：X—ray衍射不能直观地观察测试形
返回目录
2：电子显微镜 电子显微镜与光学显微镜最根本的区别用 高能电子束来作光源，用磁场作透镜（磁透镜） 对电子来进行聚焦放大等，因而放大倍数和分辨 率远高于光学显微镜（可见光、玻璃透镜）。 1）透射电子显微镜（TEM） TEM是用电子束透过薄膜样品成像（薄膜样品 的厚度在5～500nm之间）。 功能： a.组织形貌及微观结构观察，比如位错、孪晶 等都可在透射电镜下观察到（光镜做不到）。 b.晶体结构鉴定（同位分析），通过电子衍射 花样分析材料晶体结构。 放大倍数——106倍，分辨率----10-1nm
第1章绪论材料分析方法哈工大
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
绪论
2. 化学分析
给出平均成分，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的成分分布存在不均匀性，
导致微观组织结构的不均匀性， 进而造成材料微观区域性能的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
材料分析方法
第3版
主 编 哈尔滨工业大学 周 玉 参 编 漆 璿 范 雄 宋晓平
孟庆昌 饶建存 魏大庆 主 审 刘文西 崔约贤
获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
28
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响 29
材料分析方法 哈尔滨工业大学 周玉 电子探针
§11.1 电子探针结构与工作原理 -----能谱仪(EDS)
1.工作原理
锂漂移硅检测器能谱仪框图
能谱仪
锂漂移硅检测器： Si(Li)或 Ge(Li) 原理： Li补偿P型中受主杂质， 使原PN结中的耗尽已扩大， 形成稳定中间层。X光子作用 下，原子电离产生电子/空穴 对 .一个光子(E)产生的电子/ X Ray 空穴对(ε )N=E/ ε .入射光 子E---N---电流脉冲高度--放大并转化成电压脉冲---多 道分析器把相同高度脉冲累 加计数强度CPS
1.精确强度比Ki-----消除“谱仪效应”
在完全相同条件下,如电子束加速电压、束流、 2θ等,以待测纯元素为标样,分别对标样、待测样 品测量,因为是同一元素,λ相同,由2dsinθ = λ 得 θ 相同 纯元素Y 样品中Y元素
CY 0 I Y 0
CY IY KY 则 CY 0 I Y 0
屏蔽常数2????????zkh21z????即ll系常用kk系35??z35??z精品文档111电子探针结构与工作原理电子探针结构精品文档?电子探针仪与sem镜筒大致相同仅接收物理信号有区别现一般在sem上加装特征x射线探测附件可对同一区进行组织成分分析
第二篇 电子显微分析
第十一章 电子探针显微分析
R
分光晶体
直进式波谱仪
2.分析方法
上式中,当d、R一定时,分光晶体沿直线AB运动, 使L由大到小变化,便可测出照射区的特征X射线 波长、强度----荧光屏显示 I 谱线-----元素组 成.
合金钢定点分析谱线
3.结构
1)分光晶体 波谱仪不能很大 ,L 有限 (L=10-30cm). 当 L=1030cm,R=20cm 时 , θ=15—650. 由知 , 仅用一分 光晶体只能测有限波长范围 , 即有限元素分析 . 要分析Z=4—92,需使用不同d的分光晶体,常用 弯曲分光晶体见表14-1. 2)X射线探测器: 与X射线衍射仪相同的正比、闪 烁计数管. 3)X射线计数和记录系统 探测器-----信号放大-----多道分析、计数----记录 (XY记录仪、打印、荧光屏)--- I 谱线
X射线衍射和电子显微学_课程教学大纲
第二节 电子与固体样品作用时产生的信号
第三节 扫描电镜的基本结构与原理
第四节SEM的主要性能特点及其分辨率
第五节SEM的样品制备
第六节 扫描电镜像的衬度原理
第七节 扫描电镜的应用
第七章电子探针显微分析（3学时）
第一节 电子探针的结构
第二节 波谱仪（WDS）
第三节 能谱仪（EDS）
主要参考书:
1. 左演生，《材料现代分析方法》，北京工业大学出版社
2. 周玉，《材料分析方法》，哈尔滨工业大学，机械工业出版社
3. 梁栋材，《X射线晶体学基础》，科学出版社
4.黄胜涛，《固体X射线学》，高等教育出版社电子显微图像分析原理与应用, 黄孝瑛 等, 宇航出版社，1987年。
5.透射电子显微学进展，叶恒强， 王元明主编，科学出版社，2003年
《X射线衍射与电子显微学》课程教学大纲
一、课程说明
（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；
课程名称：X射线衍射与电子显微学
所属专业：材料物理
课程性质：专业基础课
学时：90（5学时/周）
（二）课程简介、目标与任务；
本课程主要针对材料物理专业的本科生开设。通过对X射线衍射和电子显微术的学习，对这两种材料分析方法有一个较全面的认识，使学生能够了解X射线衍射分析和电子显微术的基本原理、过程、设备及应用，掌握相应的基础知识和基本技能，使学生能够正确地运用X射线衍射和电子显微分析技术开展有关的科学研究，为今后从事材料的研究工作打下必要的理论基础。
第十章宏观应力的测定（2学时）
10.1基本原理
10.2测试技术
第十一章 非晶材料的X射线散射分析（2学时）
10.1 非晶物质结构的主要特征
现代材料分析测试技术材料分析测试技术
（1-7）
如果电子速度较低，其质量和静止质量相近，即m≈m0.如果加速电压很高，使电子速度极高，则必须经过相对论校正，此时：
式中 c——光速
表1-长在390-760nm之间，从计算出的电子波波长可以看出，在常用的100-200kV加速电压下，电子波的波长要比可见光小5个数量级。
01
1.1 引言
光学显微镜的分辨率
由于光波的波动性，使得由透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波发生相互干涉作用，产生衍射效应。一个理想的物点，经过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上形成的不再是一个像点，而是一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环所构成的Airy斑。如图1-1所示。 测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为：
据说日本电子已经制造了带球差校正器的透射电镜，但一个球差校正器跟一台场发射透射电镜的价格差不多。
式中 Cs表示球差系数。
No Fringe Un-corrected Corrected Si (111)Σ3 grain boundary TEM Cs Corrector
β-Si3Ｎ4
2nm
2200FS + STEM Cs corrector
电子波波长
根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即 （1-4） 式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s；m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系： 即 （1-5） 式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 将（1-5）式和（1-4）式整理得： （1-6）
材料结构分析 教学大纲
材料结构分析一、课程说明课程编号：060304Z20课程名称：材料结构分析/ Microstructure analysis of Materials课程类别：学科专业基础课程学时/学分：40/2.5先修课程：高等数学、大学物理、晶体学、材料科学基础适用专业：材料科学与工程教材、教学参考书：（1）周玉、武高辉编著材料分析测试技术，哈尔滨工业大学出版社，2003年（2）Crystal structure determination, Werner Massa, springer,2000.（3）David B. Williams and C. Barry Carter. Transmission Electron Microscopy. Plenum Press,New York, 1996二、课程设置的目的意义材料结构分析课程是材料科学与工程专业的四年制本科生必修的一门专业基础课，也是全校本科大材料类专业（包括：机械、电子材料、化学化工、生物、环境资源）的本科生、研究生的选修课。
通过本课程的学习，学生将能够专门从事电子显微分析等材料结构分析工作，正确解析试验结果。
三、课程的基本要求知识：晶体学基础，电子光学基础，透射电子显微镜的原理，电子衍射分析，电子衍衬分析，扫描电子显微镜的原理与应用，电子探针的原理与应用。
能力：通过本课程的学习，使学生掌握材料科学研究工作者通常关注的主要显微组织、结构分析内容；掌握各种常见分析仪器的功能和基本原理，掌握材料结构分析的基本实验技术、样品制备方法，能与专门从事电子显微结构分析工作的实验人员共同设计试验方案，正确分析检测结果，熟练选用材料结构分析手段开展相关科学研究。
素质：通过扎实的基础理论学习和过硬的实验技能训练，培养学生从事材料科学研究必备的结构分析实验技能，提升从事材料科学研究的基本能力和综合素质，提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质，为后继专业课学习、开展毕业论文及科学研究奠定坚实的基础。
材料分析方法 哈尔滨工业大学 周玉 原子力显微镜
针尖经粗调装置逼近试样表面，进入隧 道状态后，由计算机产生X-Y扫描信号， 驱动探针在试样表面二维扫描，产生的 隧道电流经放大，转换为压电陶瓷管在Z 方向的驱动电压，用于控制探针上下移 动，保持间距S不变。当I大（S小）--加 在陶瓷管电压V↓--探针上移(Z小)--S↑.反 之， 探针下移。针尖运动轨迹反映了试
2. 隧道电流
若在两金属中加上小的电压(可称为偏压)，则 将在两金属间形成隧道电流，隧道电流方向由 偏压极性决定。其大小：
I∝exp(－2ks) k=h(2m φ)1/2/2π φ=(φ1+ φ2)/2 取对数，微分得：
△I/I = －2ks 如△I/I 控制在±2%内，k≈10（nm)-1,则两 片间距控制精度△s达到0.001nm.
2.恒高度工作模式
沿表面扫描过程中，探针保持在同一高度(不产生z 方向上下位移)。如此，则在扫描过程中，随样品 表面起伏的变化(针尖与样品表面间距变化)，隧道 电流不断变化。通过记录扫描过程中隧道电流的 变化，也可得到样品表面的三维显微形貌图。
恒高度工作模式获取显微图像快(1s)，能有效地减 少噪音和热漂移对隧道电流信号的干扰，提高分 辨率；但恒高度工作模式只适于观察表面起伏较 小(一般不大于1nm)的样品，即观察的表面必须原 子尺度光滑(否则会损坏探针)。
3.STM的工作原理
利用半径为原子尺度的针尖为一极，探测固体 表面为另一极，当它们间距缩小至原子尺度时， 两极间的势垒减小至很小，在很小的偏压下，电 子穿过两极间的势垒，形成隧道电流。
由I∝exp(－2ks)，如针尖在固体表面扫描过程 中保持隧道电流不变，则针尖必须随固体表面起 伏上下移动，以保持间距s不变，这样针尖的运动 轨迹便是固体表面的形貌。
材料分析方法周玉第二版
第一章X射线物理学基础1、在原子序24 ( Cr)到74 (W )之间选择7种元素，根据它们的特征谱波长( K a),用图解法验证莫塞莱定律。
(答案略)2、若X射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A 。
4、为使Cu靶的K B线透射系数是K a线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X光管是Cu靶，故选择Ni为滤片材料。
查表得：(im a = 49.03cm2 /g, (im 3 =290cm2 /g , 有公式，，，故：，解得：t=8.35um t6、欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/ 入Vk=6.626 X10-34 >2.998 X108/(1.602 X10-19 >0.71 X10-10)=17.46(kv)入0=1.24/v( nm)=1.24/17.46( nm)=0.071( nm)其中h为普郎克常数，其值等于 6.626 20-34e为电子电荷，等于1.602 X10-19C故需加的最低管电压应羽7.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、非相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴ 当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的X射线光子从原子内部打出一个K电子，当外层电子来填充K空位时，将向外辐射K系X射线，这种由X射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
利用电子能谱仪进行材料电子结构研究的方法
利用电子能谱仪进行材料电子结构研究的方法引言：电子能谱仪是一种重要的实验工具，它可以通过测量材料中电子的能量分布来研究材料的电子结构。
电子能谱仪的应用领域非常广泛，包括材料科学、化学、物理等领域。
本文将介绍利用电子能谱仪进行材料电子结构研究的方法。
一、电子能谱仪的基本原理电子能谱仪的基本原理是利用电子与物质相互作用时发生的能量转移现象。
当电子进入材料后，会与材料中的原子和分子相互作用，从而改变其能量状态。
通过测量电子的能量损失或增益，可以获得材料中电子的能量分布信息。
二、电子能谱仪的工作原理电子能谱仪主要由电子源、能量分析器和能量检测器组成。
电子源产生高能电子束，经过准直和聚焦后，射入待测材料。
材料中的电子与电子束相互作用，产生能量损失或增益。
能量分析器根据电子的能量分布将电子束分离成不同能量的电子束，然后通过能量检测器测量每个能量的电子束的强度。
最终得到材料中电子的能量分布信息。
三、电子能谱仪的应用1. 表面分析电子能谱仪可以用于表面分析，例如研究材料表面的化学成分和结构。
通过测量材料表面的电子能谱，可以确定表面的元素组成和化学状态。
这对于材料的表面改性和表面反应研究非常重要。
2. 能带结构研究电子能谱仪可以用于研究材料的能带结构。
能带结构是材料中电子能量与动量的关系。
通过测量材料中电子的能量分布和动量分布，可以确定材料的能带结构。
这对于理解材料的电子输运性质和光学性质非常重要。
3. 化学反应研究电子能谱仪可以用于研究化学反应过程中的电子结构变化。
通过测量反应前后材料中电子的能量分布，可以确定化学反应对材料电子结构的影响。
这对于理解化学反应机理和优化催化剂非常重要。
4. 界面分析电子能谱仪可以用于研究材料界面的电子结构。
界面是材料中不同相之间的交界面，对材料的性质和功能有重要影响。
通过测量材料界面的电子能谱，可以确定界面的电子结构和界面态的形成机制。
结论：电子能谱仪是一种非常重要的实验工具，可以用于研究材料的电子结构。
第16章-哈工大-第三版-材料分析测试-周玉
j A
俄歇谱仪的分析精度较低，一般认为是半定量的
分析性能 空间分辨率/m 分析深度/ m 电子探针 0.5~1 0.5~2 离子探针 1~2 < 0.005 俄歇谱仪 0.1 < 0.005
采样质量/g
检测质量极限/g 检测浓度极限/10-6 可分析元素 定量精度(wc 10%) 真空度要求/Pa 对样品损伤 定点分析时间/s
10-12
10-16 50~10000 Z4 (Z 11时灵敏度差) (1~5)% 1.33 10-3 非导体大，一般无 100
d N (E) 故曲线2和3分别也是电子数目N(E)和 随E的分布，曲 dE 20 线3俄歇峰明锐易辨，是常用的显示方式
d I (E) N (E) dE
(16-10)
第三节 俄歇电子能谱分析
二、俄歇电子能谱的检测 2) 圆筒反射镜分析器(CMA) 由两个同轴圆筒形电极构成静 电反射系统，内筒上有环状电子入口E 和出口光阑 B，内筒 和样品接地外筒接偏转电压U，见图16-12 两个圆筒半径分别为 r1和r2，通常 r1=3cm，若光阑使电子发 射角为4218，样品上S点发射的能量为E 的电子，将聚焦 于距S 点 L = 6.19r1的 F点，并满足
2
第十六章 其他显微结构分析方法
本章主要内容 第八节 激光拉曼光谱
第九节 紫外-可见吸收光谱
第十节 原子发射光谱
第十一节 原子吸收光谱
材料分析方法课后答案周玉
材料分析方法课后答案周玉【篇一：材料分析方法考试重点】纹衍射的图样，条纹间距随小孔尺寸的变大，衍射的图样的中心有最大的亮斑，称为埃利斑。
2、差热分析是在程序的控制条件下，测量在升温、降温或恒温过程中样品和参比物之间的温差。
3、差示扫描量热法（dsc）是在程序控制条件下，直接测量样品在升温、降温或恒温过程中所吸收的或放出的热量。
4、倒易点阵是由晶体点阵按照一定的对应关系建立的空间点阵，此对应关系可称为倒易变换。
5、干涉指数在（hkl）晶面组（其晶面间距记为dhkl）同一空间方位，设若有晶面间距为dhkl/n（n为任意整数）的晶面组（nh，nk，nl）即（h,k,l）记为干涉指数。
6、干涉面简化布拉格方程所引入的反射面（不需加工且要参与计算的面）。
7、景深当像平面固定时（像距不变）能在像清晰地范围内，允许物体平面沿透镜轴移动的最大距离。
8、焦长固定样品的条件下，像平面沿透镜主轴移动时能保持物象清晰的距离范围。
9、晶带晶体中，与某一晶向【uvw】平行的所有（hkl）晶面属于同一晶带，称为晶带11、数值孔径子午光线能进入或离开纤芯（光学系统或挂光学器件）的最大圆锥的半顶角之余弦，乘以圆锥顶所在介质的折射率。
12、透镜分辨率用物理学方法(如光学仪器)能分清两个密切相邻物体的程度 13 衍射衬度由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度成为衍射衬度。
15质厚衬度由于样品不同区间存在原子序数或厚度的差异而形成的非晶体样品投射电子显微图像衬度，即质量衬度，简称质厚衬度。
制造水平。
（√）二、填空题6）按入射电子能量的大小，电子衍射可分为（高能电子衍射）、（低能电子衍射）及（反射式高能电子衍射）。
18）阿贝成像原理可以简单地描述为两次（干涉）：平行光束受到有周期性特征物体的衍射作用形成（衍射波），各级衍射波通过（物镜）重新在像平面上形成反映物的特征的像。
12）按照出射信号的不同，成分分析手段可以分为两类：x光谱和电子能谱），出射信号分别是（x射线，电子）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ag的光电子能谱图（Mg K激发）
二、X射线光电子能谱仪
主要组成部分：X光源(激发源)，样品室，电子能量分 析器和信息放大、记录(显示)系统。
(X射线)光电子能谱仪方框图
三、X射线光电子能谱分析与应用
1．元素(及其化学状态)定性分析 方法：利用光电子结合能或动能的特征值，以实测 光电子谱图与标准谱图相对照，根据元素特征峰位 置(及其化学位移)确定样品(固态样品表面)中存在哪 些元素(及这些元素存在于何种化合物中)。 常用Perkin-Elmer公司的X射线光电子谱手册 定性分析原则上可以鉴定除氢、氦以外的所有元素。 过程：对样品(在整个光电子能量范围)进行全扫描， 根据最强峰能量，对照手册，确定强峰元素。剔除 确定元素峰，余下峰重复上述过程，以确定样品中 存在的元素；然后再对所选择的峰进行窄扫描，得 出较精确的能量值，根据手册元素各化学态的元素 光电子能量值，以确定该元素的化学状态。
一、基本原理
■ 原理：X射线激发物质发生光电离、光电子发射过程 有产生、输运和逸出。其能量变化： hν=Eb +EK+Φs 光电子进入谱仪接收器，除克服自身的逸出功外，还 应克服接收器与试样间的电位差（ ΦA －Φs).接收的 光电子动能 EK’= hν － Eb － Φs － （ ΦA －Φs) = hν － Eb － ΦA ΦA-----为谱仪接收器材料的逸出功，一般为4ev. 接收器测量光电子的动能EK’，便知光电子的结合能Eb。 根据光电子的动能或结合能，对元素进行定性分析。 ■ 光电子能谱：光电子强度对光电子动能或电子结合能 的分布。
◆ 局限性
①不能分析氢和氦元素； ②定量分析的准确度不高； ③对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数 0.1%~1.0%； ④电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、 生物样品和某些陶瓷材料中的应用； ⑤对样品要求高，表面必须清洁(最好光滑)等。
§14.2 X射线光电子能谱法
X射线光电子能谱法（XPS）：最初以化学领域应用
◆ 俄歇电子能谱在材料科学研究中的应用
①材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析； ②金属、半导体、复合材料等界面研究； ③薄膜、多层膜生长机理的研究； ④表面的力学性质(如摩擦、磨损、粘着、断裂等)研究； ⑤表面化学过程(如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢 脆、氧化等)研究； ⑥集成电路掺杂的三维微区分析； ⑦固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。
A1的2p电子能谱的化 学位移
◆ 物理位移
由于固体的热效应与表面荷电效应等物理因素 引起电子结合能改变，从而导致光电子谱峰位 移，此称之为物理位移。 在应用X射线光电子谱进行化学分析时，应尽 量避免或消除物理位移。
2．伴峰与谱峰分裂 ◆ 伴峰
能谱中出现的非光电子峰称为伴峰。
如光电子(从产生处向表面)输远过程中因非 弹性散射(损失能量)而产生的能量损失峰， X射线源(如Mg靶的K1与K2双线)的强伴线 (Mg靶的K3与K4等)产生的伴峰，俄歇电 子峰等。
三、俄歇电子能谱分析
1．定性分析 任务：根据实测的直接谱(俄歇峰)或微分谱上的 负峰的位置识别元素。 方法：与俄歇电子标准谱进行对比。 注意：由于电子轨道之间可实现不同的俄歇跃迁 过程，所以每种元素都有丰富的俄歇谱，由此可 能出现不同元素间俄歇峰的干扰。 对于原子序数为3~14的元素，最显著的俄歇峰是 由KLL跃迁形成的；对于原子序数14~40的元素， 最显著的俄歇峰则是由LMM跃迁形成的。
一、基本原理
■光电效应和俄歇效应 入射电子使样品原子K系激发，产生K系荧光X射线 和俄歇电子。 ■俄歇电子的种类 俄歇效应可同时产生不同的跃迁，发射出不同能量的 俄歇电子。如K系激发，可能产生KLL系列六种俄歇 电子（KL1L1、KL1L2、KL1L3、KL2L2、KL2L3、 KL3L3）,跃迁几率高的俄歇电子能量大－－主峰。 ■俄歇电子特征能量－－照射原子的特性 如俄歇电子WiXpYq
◆ X射线光电子标准谱图示例
◆ 应用实例
下图为已标识的(C3H7)4NS2PF2的X射线光电子谱图。 由图可知，除氢以外，其它元素的谱峰均清晰可见。 图中氧峰可能是杂质峰，或说明该化合物已部分氧 化。
◆ 注意
XPS谱中，C、O的峰较明显，分析时一般先根据C、 O的谱图，确定杂质C、O等的特征峰及伴线。 定性分析时一般利用元素的主峰(该元素最强最尖锐 的特征峰)。 自旋-轨道分裂形成的双峰结构情况有助于识别元素。 特别是当样品中含量少的元素的主峰与含量多的另 一元素非主峰相重叠时，双峰结构是识别元素的重 要依据。同时利用“自旋-轨道耦合双线”验证分析 结果。
本章主要介绍 俄歇电子能谱法(AES) X射线光电子能谱法(XPS) 紫外光电子能谱法(UPS)
§14.1 俄歇电子能谱分析
■ 俄歇电子能谱分析（AES） 用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品， 产生俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强 度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的 信息的方法。 ■ AES与XPS（光电子能谱分析）、SIMS （二次离子质谱分析）为三种重要的表面成分 分析法。
X射线光电子能谱图
能谱中表征样 品内层电子结 合能的一系列 光电子谱峰称 为元素的特征 峰
Ag的光电子能谱图（MgK激发）
1．化学位移
因原子所处化学环境 不同，使原子内层电 子结合能发生变化， 则X射线光电子谱谱 峰位置发生移动，称 之为谱峰的化学位移。 图示为带有氧化物钝 化层的Al的2p光电子 能谱图，原子价态的 变化导致A1的2p峰位 移。
◆ 自旋-轨道分裂
自旋-轨道分裂：一个处于原子闭壳层(闭壳层指 不存在未成对电子的电子壳层)的电子被激发,基态 原子光电离后，生成的离子中必有一个未成对电 子。若此未成对电子角量子数L＞0，则必然会产 生自旋-轨道偶合(相互作用)，使未考虑此作用时 的能级发生能级分裂(对应于内量子数j的取值j＝ L+1/2和j＝L-1/2形成双层能级)，从而导致光 电子谱峰分裂。出现同一支壳层的光电子产生两 个能量峰 (P1/2, P3/2) (D3/2, D5/2) 。。。。 图所示Ag的光电子谱峰图除3S峰外，其余各峰均 发生自旋-轨道分裂，表现为双峰结构(如3P1/2与 3P3/2)。
化学位移示例
Mo(110)面俄歇能谱
◆ 伴峰
由于俄歇电子逸出固体表面时，有可能产生不连 续的能量损失，从而造成在主峰的低能端产生伴 峰的现象。 如：入射电子引起样品内壳层电子电离而产生伴 峰(称为电离损失峰)；又如：入射电子激发样品 (表面)中结合较弱的价电子产生类似等离子体振 荡的作用而损失能量，形成伴峰(称等离子体伴峰) 等。
为主要目标，又称化学分析用电子能谱法（ESCA）。 特点： (1)X射线照射，照射面积大(＜100um)，不宜微区分析。 (2)表面分析深度（3λcosθ) ,0.5~2.5nm(对于金属及其氧 化物)或4~10nm(对于有机物和聚合材料) 。 (3)测量主峰光电子特征能量的化学位移，可分析元素的 化学状态。 (4)无损、超微量样品分析技术，但只能检测出样品中含 量在0.1%以上的组分，相对灵敏度不高，定量分析精 度与俄歇电子能谱相当。 (5) 小面积分析区及成像是近年的发展趋势。
◆ 谱峰分裂
能谱峰分裂有多重态分裂与 自旋-轨道分裂等 多重分裂：如果原子、分子 或离子外壳层有未成对电子 存在，则X射线照射时，光 电子的发射内壳层空位，缺 电子的内壳层与未填滿的外 壳层发生相互作用，使光电 子能级发生分裂，导致出现 多个谱峰。 如图电离前O2分子价壳层有 两个未成对电子，内层能级 氧分子O1s多重分裂 (O1s)电离后谱峰发生分裂， (a)氧原子O1s峰； 分裂间隔为1.1eV。 (b)氧分子中O1s峰分裂
二、俄歇电子能谱仪
主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子 探测器、（样品）分析室、溅射离子枪和信号处 理与记录系统等。 样品和电子枪装置需置于10-7~10-8Pa的超高真 空分析室中。
◆ 俄歇谱仪示意图
俄
◆ 俄歇电子能谱仪发展
初期的俄歇谱仪只能做定点的成分分析。 70年代中，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱 仪结合构成扫描俄歇微探针(SAM)，可实现样品 成分的点、线、面分析和深度剖面分析。 由于配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探 头，使这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能。
原子“化学环境”指原子的价态或在形成化合物时， 与该(元素)原子相结合的其它(元素)原子的电负性等 情况 原子“化学环境”变化，不仅可能引起俄歇峰的位 移(称化学位移)，也可能引起其强度的变化，这两种 变化的交叠，则将引起俄歇峰(图)形状的改变.---化学 环境不同，俄歇电子逸出过程不同。 利用元素俄歇电子的化学位移，即特征能量的变化 可探知元素的化学构成及相关化学信息。但目前掌 握各元素的化学位移特征值不全，且较复杂，尚不 成熟。
2．直接谱与微分谱
◆ 直接谱
俄歇电子强度[密度(电子数)]N(E)对其能量E的分布 [N(E)－E]。 1-5kev入射电子照射试样，俄歇电子发射深度2nm以 内。由于元素的俄歇电子能量在50－2000ev, 能量分析 器接受含俄歇电子在内的二次电子谱，其中俄歇电子 为分析信号，其余二次电子为本底或干扰峰， [N(E)－ E｝谱存在强大的本底，需提高信背比。
K
=1－K
◆ 俄歇电子产额与原子序数的关系
由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇电子的几 率在90％以上；随Z的增加，X射线荧光产额增加， 而俄歇电子产额下降。Z<33时，俄歇发射占优势。
◆ 俄歇分析的选择
荧光跃迁几率小，则俄歇跃迁几率大。结合 主峰俄歇电子特征能量图，通常 ■ 对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析； ■ 14<Z<42的元素，采用LMM俄歇电子较合适； ■ Z>42时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。