材料分析方法(贺毅)

Ｘ射线：波长很短的电磁波
特征Ｘ射线：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。

连续Ｘ射线：是具有连续变化波长的X射线，也称多色X射线。

荧光Ｘ射线：当入射的X射线光量子的能量足够大时，可以将原子内层电子击出，被打掉了内层的受激原子将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线
二次特征辐射：利用X射线激发作用而产生的新的特征谱线
Ka辐射：电子由L层向K层跃迁辐射出的K系特征谱线
相干辐射：X射线通过物质时在入射电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射。

由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，称为相干散射
非相干辐射：散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，故这种散射是不相干的
俄歇电子：原子中一个K层电子被激发出以后，L层的一个电子跃迁入K层填补空白，剩下的能量不是以辐射
原子散射因子：为评价原子散射本领引入系数f (f≤E)，称系数f为原子散射因子。

他是考虑了各个电子散射波的位相差之后原子中所有电子散射波合成的结果
结构因子：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响
多重性因素：同一晶面族{ hkl}中的等同晶面数
系统消光：原子在晶体中位置不同或种类不同引起某些方向上衍射线消失的现象
吸收限：当入射X射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应。

与此能量阈值相应的波长称为物质的吸收限。

分辨率：是指成像物体上能分辨出的两个物点的最小距离
明场像：用另外的装置来移动物镜光阑，使得只有未散射的透射电子束通过他，其他衍射的电子束被光阑挡掉，由此得到的图像
暗场像：或是只有衍射电子束通过物镜光阑，投射电子束被光阑挡掉，由此得到的图像
景深：是指当成像时，像平面不动，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：焦长是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。

像差：由于透镜几何形状和电磁波波长变化对电磁透镜聚焦能力不一样造成的图像差异
等厚干涉条纹：在电镜下我们会看到整个楔形晶体是亮暗相间的条纹，这些条纹很像地图上的等高线，每一条纹对应晶体的相等厚度区域所以叫等厚干涉条纹
弯曲消光条纹：当样品厚度一定时，衍射束强度随样品内反射面相对布拉格位置偏移矢量S变化而呈周期摆动，相应的投射束强度按相反周期摆动，摆动周期为1／T，因而在电镜内显示出相应的条纹。

衬度：像平面上各像点强度的差别
质厚衬度：样品上的不同微区无论是质量还是厚度的差别，均可引起相应区域投射电子强度的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域这一现象叫质厚衬度效应
双束近似：假定电子束透过晶体试样成像时，除投射束外只存在一束较强的衍射束，而其他衍射束则大大偏离布拉格条件，他们的强度都可以视为零
衍射衬度：把薄晶体下表面上每点的衬度和晶柱结构对应起来的处理方法称柱体近似
消光距离：表示在精确符合布拉格条件时透射波与衍射波之间能量交换或强度振荡的深度周期。

柱体近似：把成像单元缩小到一个晶胞相当的尺度。

只有把各个晶柱底部的衍射强度记录下来，就可以推测出晶体下表面的衍射强度，这种把薄晶体像表面上的衬度和结构对应起来处理。

二次电子：是指被入射电子轰击出来的核外电子。

背散射电子;是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。

表面形貌衬度:是由于试样表面形貌差别而形成的衬度
原子度数衬度：是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度
1.布拉格方程和衍射强度不等于零
2.温度差
3.波长很短的电磁波
4.定点分析、线分析、面分析
5.物镜
6.球差、像散、色差
7.聚光镜光阑装在（第二聚光镜的下方）-物镜光阑安放在（物镜的后焦面上）-选区光阑放在（物镜的像平面位置）
8.λθn d =sin 2
9.一系列同心圆环
1)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)。

2)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。

3)按照出射信号的不同，成分分析手段可以分为两类:（x 光谱和电子光谱），出射信号分别是（x 射线，电子）
4)表面形貌分析技术经历了(光学显微分析)、(透射电镜分析）、扫描探针显微分析）的发展。

5）材料性能主要决定于其(化学成分)、(物相组成)、(微观组织）。

6)常用的热分析法有(差热分析法)、(差热扫描量热法)、（热重法）及（动态热机械法）和（热机械分析法）。

7)电子能谱包括(光电子能谱)、(俄歇电子能谱)、(电子能量损失能谱）、（离子中和谱)。

8)光谱分析方法包括各种(吸收光谱分析)和（发射光谱分析）以及（散射光谱分析）。

9)光谱分析仪器主要由(光源)、(光谱仪)、(检测器)。

10)材料分析的三个基本方面:(成分分析)、(结构分析)和（形貌分析）。

11)光学透镜的像差包括(球差)、(色差)及(像散)。

12）光学光学系统包括(目镜)、(物镜)、（光源）及(聚光器)。

13)获取衍射花样的三种基本方法是(劳埃法)(周转晶体法)(粉末法)
14)利用电磁线圈激磁的电磁透镜，通过调节(磁电流)可以很方便地调节(磁场强度)，从而调节(透镜焦距和放大倍数)。

15)德拜相机底片安装方法包括(正装法)、(反装法)、(偏装法）。

16)入射X 射线可使样品产生(相干散射)和(非相干散)。

（相干散射）是X 射线衍射分析方法的技术基础。

17)热电偶实际上是一种(测温元件)，它将热能转换为(热电流），利用所产生的（热电势）测量温度。

18)通常有三种抛光的方法，即(机械抛光)、(电解抛光）、（化学抛光）。

19）通常透射电镜由(成像系统)、电源系统、(记录系统 ）、循环冷却系统和（真空系统）组成
20)依据差热分析曲线特征，可定性分析物质的(物理或化学）变化过程，还可依据（峰面积）半定量的测定（反应热）。

21)衍射波的两个基本特征一衍射线在空间分布的(方位)和（强度），与晶体内原子（分布规律）密切相关。

22)质谱分析可用于测定化合物的(相对分子质量)，推测（分子式）和（结构式）。

23)主要的物相分析手段有三种:(X 射线衍射)、(电子衍射）、（种子衍射）。

1.X射线衍射进行物像定性分析和定量分析的依据是啥？
定性分析依据：任何一种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，每一种物质和他的衍射花样都是一一对应的，不可能有两种物质给出完全相同的衍射花样。

如果在试样中存在两种以上不同结构的物质时，每种物质所特有的花样不变，多相试样的衍射花样只是由他所含物质的衍射花样机械叠加而成
2.比较光学和投射电子显微镜成像的异同？
不同点1）光镜用可见光作照明束，电镜以电子束作照明束。

2）光镜用玻璃透镜，电镜用电磁透镜。

3）光镜对组成相形貌分析，电镜兼有组成相形貌和结构分析
相同点成像原理相似
3.DSC的原理及应用？
原理：差示扫描量热法DSC是在程序控制温度下，测量输给试样和参比物的功率差与温度关系的一种技术。

在这种方法下，试样在加热过程中发生热效应，产生热量的变化，而通过输入电能及时加以补偿，而使试样和参比物的温度又恢复平衡。

所以，只要记录所补偿的电功率大小，就可以知道试样热效应(吸收或放出)热量的多少。

应用:玻璃化转变、熔点和沸点、结晶时间和温度、结晶度、多种形态、熔化和反映热
4.简述选区电子的衍射操作的步凑
1）按成像操作得到清晰的图像
2)加入选区光阑将感兴趣的区域围起来调节中间镜电流使光阑边缘像在荧光屏上清晰。

3)调整物镜电流使选区光阑内的像清晰。

4)抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面上移到物镜后焦面处，使中心斑点变到最小最圆。

1.终结简单点阵、体心点阵、面心点阵衍射线的系统消光规律?
简单点阵：不存在系统消光。

体心点阵：当（h+k+l）=偶数时出现反射，当（h+k+l）=奇数时消光。

面心点阵：当h,k,l全为奇数或全为偶数时出现反射，当h,k,l有奇有偶时消光。

2.投射电镜中有哪些主要的光阑在啥位置作用如何
在透射电镜中主要有三种光阑：聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑。

聚光镜光阑装在第二聚光镜的下方，其作用是限制照明孔径角。

物镜光阑安放在物镜的后焦面上，其作用是使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像；在后焦面上套取衍射束的斑点成暗场像。

选区光阑放在物镜的像平面位置，其作用时对样品进行微小区域分析，即选区衍射。

3.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因数是啥如何提高电磁透镜的分辨率
光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长。

电磁透镜的分辨率由衍射效应和球面像差来决定，球差是限制电磁透镜分辨本领的主要因素。

提高方法:1.提高加速电压，使电子波长减小，达到使艾利斑减小的目的，从而提高分辨率。

2.适当提高孔径半角，而提高分辨率：3.运用适当的矫正器来减小像差对分辨率的影响。

4.试比较波溥仪和能谱仪在进行化学成分分析是的优缺点
波谱仪；分析的元素范围广、探测极限小、分辨率高，适用于精确的定量分析。

其缺点是要求试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。

能谱仪：虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率、谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等方面不如波谱仪，但其分析速度快（元素分析时能谱是同时测量所有元素），可用较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使用。

5.扫描电镜的分辨率受哪些因数的影响，如何提高
因素及提高：1）扫描电子束的束斑直径：束斑直径越小，分辨率越高。

2）入射电子束在样品中的扩展效应：与样品原子序数有关，轻元素样品，梨形作用体积；重元素样品，半球形作用体积。

3）操作方式及所用的调制信号4）还受信噪比、杂散磁场、机械振动等因素影响。

6. 二次电子像的衬度和背射电子像的衬度各有啥特点
二次：特别适用于显示形貌衬度。

一般来说，凸出的尖棱、小粒子、较陡斜面二次电子产额多，图像亮；平面上二次电子产额小，图像暗；凹面图像暗。

背散射电子：无法收集到背散射电子而成一片阴影，图像衬度大，会掩盖许多细节。

7.扫描电镜的分辨率受哪些因数的影响，如何提高
因素及提高：1）扫描电子束的束斑直径：束斑直径越小，分辨率越高。

2）入射电子束在样品中的扩展效应：与样品原子序数有关，轻元素样品，梨形作用体积；重元素样品，半球形作用体积。

3）操作方式及所用的调制信号4）还受信噪比、杂散磁场、机械振动等因素影响。

8.说明透射电镜的工作原理及在材料科学研究中的应用
工作原理:电子枪发射的电子束在阳极加速电压作用下加速，经聚光镜会聚成平行电子束照明样品，穿过样品的电子束携带样品本身的结构信息，经物镜、中间镜、投影镜接力聚焦放大，以图像或衍射谱形式显示于荧光屏。

应用：早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶体结构。

具有能将形貌和晶体结构原位观察的两个功能是其它结构分析仪器（如光镜和X射线衍射仪）所不具备的。

9.简述DTA的原理
原理：差热分析是在程序控制温度下，测量试样与参比物质之间的温度差ΔT与温度T（或时间t）关系的一种分析技术，所记录的曲线是以ΔT为纵坐标,以T（或t）为横坐标的曲线，称为差热曲线或DTA曲线，反映了在程序升温过程中，ΔT与T或t的函数关系：ΔT = f ( T ) 或f ( t ) DTA检测的是ΔT与温度的关系.
10.简述热重分析的特点和原理
热重法是在程控温度下，测量物质的质量与温度或时间关系的一种热分析法。

由热重法所记录的曲线称为热重曲线或TG曲线，它以质量m（或质量参数）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，反映了在均匀升温或降温过程中物质质量与温度或时间的函数关系：m = f (T) 或 f ( t )
应用：材料的热稳定性的研究，材料的热膨胀、收缩、拉伸、剪切、扭曲的研究；含能材料的热反应性的研究等；
11.电磁透镜的像差是怎样产生的，如何来消除或减小像差？
电磁透镜的像差可以分为两类：几何像差和色差。

几何像差是因为投射磁场几何形状上的缺陷造成的，色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。

几何像差主要指球差和像散。

球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律造成的，像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。

消除或减小的方法：
球差：减小孔径半角或缩小焦距均可减小球差，尤其小孔径半角可使球差明显减小。

像散：引入一个强度和方向都可以调节的矫正磁场即消像散器予以补偿。

色差：采用稳定加速电压的方法有效地较小色差。

3.式比较说明复型样品和金属薄膜样品在透射电镜中的形成图像衬度原理
质厚衬度建立在非晶体样品中原子对入射电子的散射和透射电镜小孔径角成像的基础上，是解释非晶体样品电镜图像衬度的理论依据。

1、原子对入射电子的散射原子核对入射电子的散射：原子核对入射电子的散射，引起电子改变运动方向，而能量没有变化的散射，是弹性散射。

散射能力可用来描述。

2、小孔径角成像物镜背焦面上沿径向插入一小孔径物镜光阑。

物镜孔径半角a
明场象：直射束成像。

暗场象：散射束成像。

散射角大于a的电子被光阑挡掉，
只允许散射角小于a的电子通过
物镜光阑参与成像。

在明场象时，Z高或样品较厚的区域在荧光屏上显示为较暗的区域，反之，Z低或样品较薄的区域在荧光屏上显示为较亮的区域。

暗场象反之。

于是形成衬度.
4.扫描电镜的工作原理及其在材料研究中的应用
工作原理：由电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。

在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。

应用：扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频传号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

包括其在观察材料表面形貌，第二相粒子，材料界面和断口中应用。

1说明多晶单晶及非晶电子衍射花样的特征及形成原
1.单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征
因电子衍射的衍射角很小，故只有O*附近落在厄瓦尔德球面上的那些倒易结点所代表的晶面组满足布拉格条件而产生衍射束，产生衍射的厄瓦尔德球面可近似看成一平面。

电子衍射花样即为零层倒易面中满足衍射条件的那些倒易阵点的放大像。

花样特征：薄单晶体产生大量强度不等、排列十分规则的衍射斑点组成，
2.多晶体的电子衍射成像原理和花样特征
多晶试样可以看成是由许多取向任意的小单晶组成的。

故可设想让一个小单晶的倒易点阵绕原点旋转，同一反射面hkl的各等价倒易点（即（hkl）平面族中各平面）将分布在以1/dhkl为半径的球面上，而不同的反射面，其等价倒易点将分布在半径不同的同心球面上，这些球面与反射球面相截，得到一系列同心园环，自反射球心向各园环连线，投影到屏上，就是多晶电子衍射图。

花样特征：多晶电子衍射图是一系列同心园环，园环的半径与衍射面的面间距有关。

3.非晶体的花样特征和形成原理
点阵常数较大的晶体，倒易空间中倒易面间距较小。

如果晶体很薄，则倒易杆较长，因此与爱瓦尔德球面相接触的并不只是零倒易截面，上层或下层的倒易平面上的倒易杆均有可能和爱瓦尔德球面相接触，从而形成所谓高阶劳厄区。

2.衍衬运动学理论的最基本假设是什么？怎样做才能满足或接近基本假设？
1）入射电子在样品内只可能受到不多于一次散射
2）入射电子波在样品内传播的过程中，强度的衰减可以忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很小。

可以通过以下途径近似的满足运动学理论基本假设所要求的实验条件：
1)采用足够薄的样品，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。

同时由于参与散射作用的原子不多，衍射波强度也较弱。

2)让衍射晶面处于足够偏离布拉格条件的位向，即存在较大的偏离，此时衍射波强度较弱。

3.波谱仪和能谱仪的工作原理
能谱仪（EDS）是用较细聚集的高能电子束照射样品表面所需分析的微区，激发出物质的特征X射线，其能量决定于组成该物质的元素种类，其强度决定元素的含量，能谱仪用半导体探测器检测X射线的能量并按其大小展谱，根据能量大小确定产生该能量特征X射线的元素。

波谱仪（WDS）是用细聚集的高能量电子束照射样品表面所需的分析微区，激发出物质的特征X射线，其波长决定组成该物质的元素种类，其强度决定于元素的含量，波谱仪根据晶体对X射线的衍射效应，利用已知面间距的分光晶体据不同波长的X射线按衍射角展谱，根据角度，由布拉格方程计算出X射线波长，确定产生该波长特征X射线的元素。

4.扫描隧道显微镜的工作原理和应用
原理：电子隧道效应是扫描隧道显微镜的工作基础。

扫描隧道显微镜以原子尺度的极细探针（针尖）及样品（表面）作为电极，当针尖与样品表面非常接近时（约1nm）时，在偏压作用下产生隧道电流。

隧道电流强度随针尖与样品间距（d）成指数规律变化；d减小0.1nm，隧道电流增大10～1000倍。

应用：a.最初观察半导体表面的结构缺陷与杂质 b.金属、半导体和超导体等的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析。

c.直接观察样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷。

d.原位观察、分析表面吸附和催化，研究表面外延生长和界面状态。

e.超高真空高温扫描隧道显微镜还可观察、分析相变及上述现象的动力学过程。

5.制备薄膜样品的基本要求是啥具体工艺过程如何双喷减薄与离子减薄各适用于制备啥样品
答：基本要求：1.薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，这些组织结构不发生变化。

2.薄膜样品厚度必须足够薄，只有能被电子束透过，才有可能进行观察和分析。

3.薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备，夹持和操作过程中，在一定的机械力作用下不会引起变形或损坏。

4.在样品制备过程中不容许表面产生氧化和腐蚀。

氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假象。

工艺过程：第一步是从大块试样上切割厚度为0.3—0.5mm厚的薄片
第二步骤是样品的预先减薄。

预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。

第三步骤是最终减薄。

最终减薄方法有两种，即双喷减薄和离子减薄。

适用的样品
双喷减薄金属与部分合金
离子减薄矿物、陶瓷、半导体及多相合金。