近代材料分析答案概要

第一章：电子光学基础

1 Ariy斑如何形成？

Airy斑：物体上的点通过透镜成像时，在像平面上得到的是一个中心最亮、周围带有明暗相间同心圆环的圆斑，即所谓Airy斑

2 简述产生像差的三种原因。

像差可分为几何像差和色差，而几何像差主要指球差和像散

球差：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同造成，离开透镜主轴较远的电子比主轴附近的电子被折射程度大。

像散：由透镜磁场的非旋转对称而引起的，使其在不同方向上的聚集能力不同。

色差：由于入射电子波长(或能量)的非单一性所造成的，能量大的电子在距透镜光心比较远的地方聚焦，能量低的电子在较近的地方聚焦。

3 何为电磁透镜的焦长及景深，有何用途？

焦长：当物平面固定时，像平面前后移动成清晰像时允许移动的最大距离。（当透镜焦距和物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦引起的失焦斑尺寸不超过透镜因衍射和像差引起的散焦斑大小，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像的分辨率没有影响。我们把透镜像平面允许的轴向偏差定义为透镜的焦长，）用DL表示用途：底片移动范围在焦长范围内都可呈清晰像。

景深：当像平面固定时，物平面前后移动能呈清晰像时所允许的最大移动范围。用Df来表示用途：如果样品厚度适合，那么在透镜景深范围之内，可以移动物平面，从而使样品各部位的细节都能得到清晰的图像

4 对比光学显微镜与电磁显微镜分辨率。

光学显微镜：△r0=0.61λ/n*sinα；λ=3900—7600Å，孔径半角α=70—75°，n=1.5，得△r0=2000 Å

电磁显微镜：分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。当衍射效应Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等时△r0=A*λ3/4 Cs1/4, A=0.4-0.55，λ=0.0251 Å，得△r0=2 Å

可见电磁透镜比光学显微镜分辨率要高至少103的数量级

补充题：光学显微镜与透射电镜成像区别

第二章：透射电子显微镜

6 画出电镜结构原理图，简述每个部件的作用。

7 何谓点分辨率、晶格分辨率、放大倍数，其测定方法？

点分辨率：能分清两个独立粒子之间的最小间距。方法：碳膜喷金（将金属用真空蒸发的方法得到粒度为5-10 Å，间距为2-10 Å的粒子，将其均匀分布在碳支持膜上，在高

放大倍数下拍摄这些粒子像）Au真空蒸发镀膜

晶格分辨率：能分清两晶面的最小间距。方法：利用定向单晶薄膜做标样，利用晶格衍衬像测定。

放大倍数：像平面与物平面距离之比。方法：利用光栅测定。用衍射光栅作为标样，在一定条件下拍摄标样的放大像，然后从底片上测量光栅条纹像的平面间距，与实际条

纹相比，即可得到放大倍数。

第三章：复型技术

8 简述塑料一级复型、碳一级复型、塑料－碳－喷铬二级复型制作步骤，对比各有何特点。塑料一级复型：材料：塑料，厚100－200nm

A、配塑料溶液

B、滴溶液与样品上

C、取下薄膜 d、剪切（3mm小方块）特点：易分解、烧损，分辨率20nm。

碳一级复型：材料：碳，厚10nm

A、真空垂直喷碳

B、分割（对角线小于3mm小方块）、电解腐蚀溶下

C、烘干。特点：破坏试样表面，膜易碎，分辨率2-5nm，衬度差

塑料－碳－喷铬二级复型：材料：塑料，碳，铬

A、做塑料一级复型

B、在塑料一级复型上做碳一级复型

C、真空倾斜喷铬 d、溶解塑料

特点：衬度好，不破坏样品。稳定，不易分解，分辨率与塑料一级复型相同

9 简述质后衬度成像原理。

对于非晶薄膜样品，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多(或样品越厚)，样品原子核库仑电场越强(或样品原子序数越大或密度越大)，被散射到物镜光阑外的电子就越多，而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低。即强度为I0的入射电子穿透样品后，参与成像的电

子强度I随总散射面积Q和样品厚度t的乘积呈指数衰减，I= I0*e-Qt

10 计算2种复型样品相对衬度（见书）。

若复型是同种材料制成，以IB 为像背景强度，则强度差△I A =I B -I A 当Q Δt 远小于1时，

()t Q e I e I I I t Q t t Q B

A

B A ∆≈-=-=∆∆---

如果复型是由两种材料组成，假定凸起部分（多出的第二种材料）总散射截面为A Q ，则

I A

=I 0

*e-(Q A

△t+Q B t b

),当t Q A ∆远小于1时，t

Q e I I I

A t Q

B A ∆≈-=∆∆-

第四章 电子衍射

11 简述透射电镜的主要用途。

（1）衍射花样像（单晶、多晶结构分析）（用中间镜的物平面与物镜背焦面重合） （2）组织形貌像（复型薄膜）（用中间镜的物平面与物镜像平面重合） 12 写出劳埃方程，简述其用途。

设空间点阵的三个平移向量为a ,b 和c,入射的X 射线与它们的交角分别为α0，β0和γ0。衍射方向与它们的交角分别为α，β和γ 。根据上述讨论可知，衍射角α，β和γ在x, y, z 三个轴上应满足以下条件：

a(cos α-cos α0) = H λ b(cos β-cos β0) = K λ c(cos γ-cos γ0) = L λ 用途：找到斑点位置

13 写出布拉格方程，简述其用途。

a(cos α-cos α0) = H λ 当相邻原子的散射X 射线光程差等于入射X 射线波长整数倍时发生衍射 （一维）

2dsin θ=n λ（n=0,1,2……）

用途：（1）找到

斑点的方向，说明一组晶面对应一个衍射斑点；（2）结构分析：利用已知波长的特征x 射线，通过测量θ，可以计算出晶面间距；（3）x 射线光谱学：利用已知晶面间距d 的晶体，通过测量θ，计算位置x 射线的波长

14 已知简单立方

晶体晶格常数为3A °，分别在正空间和倒易空间中画出(101)、(210)、(111)晶面及倒易点，并计算出晶面的面间距和倒易失量的大小。

15 画出面心立方及体心立方[011]晶带轴的标准电子衍射花样，标出最近的三个斑点指数及夹角。

16 画出爱瓦尔德球简述其用途。

在倒易空间中，画出衍射晶体的倒易点阵，以倒易原点O*为端点作入射波的波矢量k(矢量OO* )，该矢量平行于入射束方向，长度等于波长的倒数，即1/λ。 以O 为中心，1/λ 为半径作一个球，这就是爱瓦尔德球。

用途：找到倒易点与衍射斑点的关系

17 体心立方和简单立方晶体的消光条件

简单立方：F hkl 恒不等于零，无消光现象。 面心立方：h 、k 、L 为异性数时，F hkl =0 体心立方：h+K+L=奇数时，F hkl =0 18 何谓标准电子衍射花样。 定义：各种晶体点阵主要晶带的倒

易截面，即零层倒易面 (uvw)*

0的比例像。

19 为何不精确满足布拉格方程时，也会在底片上出现衍射斑点。 因为实际的样品晶体都有确定的形

θ

θ

θ

S

S 0