2016《材料现代分析测试方法》复习题

《近代材料测试方法》复习题1．材料微观结构和成分分析可以分为哪几个层次？分别可以用什么方法分析？答：化学成分分析、晶体结构分析和显微结构分析化学成分分析——常规方法（平均成分）：湿化学法、光谱分析法——先进方法（种类、浓度、价态、分布）：X射线荧光光谱、电子探针、光电子能谱、俄歇电子能谱晶体结构分析：X射线衍射、电子衍射显微结构分析：光学显微镜、透射电子显微镜、扫面电子显微镜、扫面隧道显微镜、原子力显微镜、场离子显微镜2．X射线与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？答：除贯穿部分的光束外，射线能量损失在与物质作用过程之中，基本上可以归为两大类：一部分可能变成次级或更高次的X射线，即所谓荧光X射线，同时，激发出光电子或俄歇电子。

另一部分消耗在X射线的散射之中，包括相干散射和非相干散射。

此外，它还能变成热量逸出。

（1）现象/现象：散射X射线（想干、非相干）、荧光X射线、透射X射线、俄歇效应、光电子、热能（2）①光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。

应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。

光电效应使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。

②二次特征辐射（X射线荧光辐射）：当高能X射线光子击出被照射物质原子的内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。

应用：X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射和非相干散射。

相干散射是X射线衍射分析方法的基础。

3．电子与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？答：当电子束入射到固体样品时，入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。

伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。

（1）现象/规律：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射线（2）获得不同的显微图像或有关试样化学成分和电子结构的谱学信息4．光电效应、荧光辐射、特征辐射、俄歇效应，荧光产率与俄歇电子产率。

特征X射线产生机理。

光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。

荧光辐射：被打掉了内层电子的受激原子，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。

这种利用X射线激发而产生的特征辐射为二次特征辐射，也称为荧光辐射。

特征辐射：俄歇效应：原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差被邻近电子或较外层电子所吸收，使之受激发而成为自由电子。

这种过程就是俄歇效应，这个自由电子就称为俄歇电子。

荧光产率：激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。

俄歇电子产率：5．拉曼光谱分析的基本原理及应用。

什么斯托克斯线和反斯托克斯线？什么是拉曼位移？（振动能级）原理：光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应。

应用：拉曼光谱对研究物质的骨架特征特别有效。

红外和拉曼分析法结合，可更完整地研究分子的振动和转动能级，从而更可靠地鉴定分子结构。

可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分析。

是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。

在燃烧物和大气污染物分析等方面有重要应用。

有两种情况：（1）分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，从光子中获取能量达到较高的能级。

若与此相应的跃迁能级有关的频率是ν1，那么分子从低能级跃到高能级从入射光中得到的能量为hν1，而散射光子的能量要降低到hν0-hν1，频率降低为ν0-ν1。

（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光子相碰时可以把hν1的能量传给光子，形成一条能量为hν0+hν1和频率为ν0+ν1的谱线。

通常把低于入射光频的散射线ν0-ν1称为斯托克斯线。

高于入射光频的散射线ν0+ν1称为反斯托克斯线。

6．X射线荧光光谱定性、定量分析的基本原理及应用（适用），什么是基本体吸收效应？如何消除？定性分析：在谱仪上配上计算机，可以直接给出试样内所有元素的名称。

1、确定某元素的存在，除要找到易识别的某一强线外，最好找出另一条强度高的线条，以免误认。

2、区分哪些射线是从试样内激发的，那哪射线是靶给出的，靶还可能有杂质，也会发出X 射线。

3、当X射线照射到轻元素上时，由于康普顿效应，还会出现非相干散射。

可通过相应的实验将它们识别。

定量分析：如果没有影响射线强度的因素，试样内元素发出的荧光射线的强度与该元素在试样内的原子分数成正比。

但是实际上存在影响荧光X射线强度的因素，这些因素叫做基体吸收效应和增强效应。

元素A的荧光X射线强度不但与元素A的含量有关，还与试样内其他元素的种类和含量有关。

当A元素的特征x射线能量高于B元素的吸收限(或相反)时，则A元素的特征X射线也可以激发B元素，于是产生两种影响，其中A元素的特征x荧光照射量率削弱的为吸收效应。

吸收包括两部分：一次X射线进入试样时所受的吸收和荧光X射线从试样射出时所受的吸收。

实验校正法：外标法、内标法、散射线标准法，增量法数学校正法：经验系数法、基本参数法7．波谱仪与能谱仪的展谱原理及特点。

（特征X射线检测）波谱仪：利用X射线的波长不同来展谱。

1）能量分辨率高——突出的优点，分辨率为5eV2）峰背比高：这使WDS所能检测的元素的最低浓度是EDS的1/10，大约可检测100 ppm。

3）采集效率低，分析速度慢。

4）由于经晶体衍射后，X射线强度损失很大，其检测效率低。

5）波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，因此其空间分辨率低且难与高分辨率的电镜（冷场场发射电镜等）配合使用。

能谱仪：利用X射线的能量不同来展谱。

优点：1）分析速度快：同时接收和检测所有信号，在几分钟内分析所有元素。

2）灵敏度高：收集立体角大，不用聚焦，探头可靠近试样，不经衍射，强度没有损失。

可在低束流（10-11 A）条件下工作，有利于提高空间分辨率。

3）谱线重复性好：没有运动部件，稳定性好，没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析。

缺点：1）能量分辨率低：在130 eV左右，比WDS的5eV低得多，谱线的重叠现象严重。

2）峰背比低：探头直接对着样品，在强度提高的同时，背底也相应提高。

EDS所能检测的元素的最低浓度是WDS的十倍，最低大约是1000 ppm。

3）工作条件要求严格：探头必须保持在液氦冷却的低温状态，即使是在不工作时也不能中断，否则导致探头功能下降甚至失效。

8．XPS的分析原理是什么？（什么效应）光电效应：在外界光的作用下，物体（主要指固体）中的原子吸收光子的能量，使其某一层的电子摆脱其所受的束缚，在物体中运动，直到这些电子到达表面。

如果能量足够、方向合适，便可离开物体的表面而逸出，成为光电子。

光电子动能为：Ec =hv- E B -(-w)9．XPS的应用及特点，XPS中的化学位移有什么用？分析表面化学元素的组成、化学态及其分布，特别是原子的价态、表面原子的电子密度、能级结构。

最大特点是可以获得丰富的化学信息，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。

它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。

(1) 可以分析除H和He以外的所有元素，可以直接得到电子能级结构的信息。

(2) 它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级，而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，互相干扰少，元素定性的标志性强。

(3) 是一种无损分析。

(4) 是一种高灵敏超微量表面分析技术。

分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2 nm。

由于原子处于不同的化学环境里而引起的结合能位移称为化学位移。

化学位移的量值与价电子所处氧化态的程度和数目有关。

氧化态愈高，则化学位移愈大。

10．紫外光电子能谱原理及应用。

（激发什么电子？）紫外光电子能谱仪与X射线光电子能谱仪非常相似，只需把激发源变换一下即可。

真空紫外光源只能激发样品中原子、分子的外层价电子或固体的价带电子。

测量固体表面价电子和价带分布、气体分子与固体表面的吸附、以及化合物的化学键、研究振动结构。

11．俄歇电子能谱分析的原理、应用及特点。

（俄歇电子与什么有关？）原理：俄歇效应。

俄歇电子的能量与参与俄歇过程的三个能级能量有关。

能量是特定的，与入射X射线波长无关，仅与产生俄歇效应的物质的元素种类有关。

应用：可以做物体表面的化学分析、表面吸附分析、断面的成分分析。

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）表面化学过程（如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等）研究；5）集成电路掺杂的三维微区分析；6）固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。

特点：1）作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度（电子平均自由程）。

对于能量为50eV-2keV范围内的俄歇电子，逸出深度为0.4-2nm，深度分辨率约为l nm,，横向分辨率取决于入射束斑大小。

2）可分析除H、He以外的各种元素。

3）对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。

4）可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。

12．扫描隧道显微镜基本原理及特点、工作模式。

（量子隧道效应，如何扫描？恒高、恒电流工作模式，隧道谱应用）基本原理：尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。

金属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷（Px、Py、Pz）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；隧道谱应用：可对样品表面显微图像作逐点分析，以获得表面原子的电子结构（电子态）等信息。

在样品表面选一定点，并固定针尖与样品间的距离，连续改变偏压值从负几V~正几V，同时测量隧道电流，便可获得隧道电流随偏压的变化曲线，即扫描隧道谱。

特点：1）STM结构简单。

2）其实验可在多种环境中进行：如大气、超高真空或液体（包括在绝缘液体和电解液中）。

3）工作温度范围较宽，可在mK到1100K范围内变化。

这是目前任何一种显微技术都不能同时做到的。

4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分辨率可以分别达到0.1nm和0.01nm。

因此可直接观察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三维结构图像。

5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表面的扫描隧道谱（STS），从而可以研究材料表面化学结构和电子状态。