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[课件]清华大学材料分析-2005-05结构分析PPT
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表面与材料实验室
清华大学化学系
图2 X射线管剖面示意图
5
X-射线
灯丝
金属聚焦罩
出口 冷却水 进口 接灯丝及负高压电源
电子 金属阳极(靶)
X-射线
铍窗
玻璃或陶瓷外壳
清华大学化学系
表面与材料实验室 7
清华大学化学系
连续X射线谱
射线谱射线强度波长的关系如图 所示
X射线谱由连续谱和特征谱组成.
连续谱，又称白色X射线，它包括 一个连续的X射线波长范围，有X射线的总能量随管电 流、阳极靶原子序数和管电压的 增加而增大。
清华大学化学系 表面与材料实验室 15
X射线的吸收
X射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这种能量 转换主要包括光电效应和俄歇效应。 光电效应 ：当入射X光子的能量足够大时，还可将原子内层 电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电子的受激原子将 产生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出一定波长的特 征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发 出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 俄歇效应：如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁， 其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻 近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子----俄歇电子。
表面与材料实验室 2
清华大学化学系
X射线衍射分析
发展历史
1895年发现 X射线 1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明 了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性 1912年 ，小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实。解释 了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式： 2dsinθ＝nλ ，表明用X射线可以获取晶体结构的信息。 1913年老布拉格设计出第一台X射线分光计，并发现了特 征X射线以及成功地测定出了金刚石的晶体结构
国立清华大学材料科学工程学系
(1) Hot-electron injection
(2) F -N tunneling
8-15 nm
10-20 nm 5-7 nm
Drain
For the case of floating gate devices, a single defect can discharge the stored memory charge of the devices due to the conductive properties of the floating polysilicon gate
Both positive and negative charges can be stored in discrete deep traps in the silicon nitride (SiN) layer.
Because for SONOS, a single defect will not cause the discharge as the stored charge lies in isolated sites within the silicon nitride dielectric.
Outline
1. nonvolatile memory introduction 2. Pt nanocrystal self-assembled fabrication 3. characterization of Pt nanocrystal memory 4. Summary
Electroceramic thin films Lab. 427R NTHU. MSE
Electroceramic thin films Lab. 427R NTHU. MSE
1. Introduction
材料科学基础(清华大学)总结
1.空间点阵:代表晶体中原子、原子团或分子分布规律(周期性)的几何点的集合.三维空间点阵即在三维空间内表示原子或原子集团排列规律的几何点所构成的阵列.2.晶体结构:把晶体中原子的集合(或分布)称为晶体结构.3.复式点阵:有时人们把实际晶体结构也看在是一个点阵,但不是单一的布拉维点阵,而是由几个布位维点阵穿插成的复杂点阵.4.结构胞:反映点阵对称性的晶胞.即在反映对称性的前提下选取体积最小的晶胞.5.原胞:只要求晶胞的体积最小,而不一定反映点阵的对称性.5.晶胞:反映晶格特征的小的平行六面体.6.晶面:穿过晶体的原子面(平面).晶向:连接晶体中任意原子列的直线方向.7.晶面族:晶体中,往往存在一些位向不同,但原子排列情况完全相同的晶面,这些在晶体学上等价的晶面构晶面族. 8.晶向族:原子排列相同,空间位向不同的所有晶向,即在晶体学上等价的晶向.9.配位数:一个原子最近邻的原子数.10.晶带:相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成晶带.此直线叫晶带轴.11.主量子数n是决定能量的主要参数,n=1，2，…。
轨道角量子数l决定轨道角动量大小,l=0，1，2，…，(n-1)。
轨道磁量子数m决定轨道角动量在外磁方向的投影值,m=0，+-1，+-2，…+-l。
自旋磁量子数m S决定了自旋角动量在外磁方向的投影值, m S=+-1/2。
12.简并：在没有外场的情形下，能量是与轨道磁量子数无关的，这样，n,l,和m S相同而m不同的状态将具有相同的能量，我们把不同状态对应着相同能量的现象称为简并。
13.短周期：包括第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ周期，其特点是所有元素的电子态均为s或p态（称为sp元素）。
14.长周期：包括第Ⅳ－Ⅶ周期，特点是不仅包含sp态，还包含d或f态元素，即电子填充在d或f轨道。
15.凡是外层电子填充在d轨道的元素都称为过渡族元素。
16.凡是外层电子填充在4f轨道上的元素称为镧系元素。
17.凡是外层电子填充在5f轨道上的元素称为锕系元素。
清华大学材料化学课件04
大多数金属晶体都具有排列紧密对称性高的简单晶 体结构。典型金属通常具有面心立方 (A1 或 FCC)、 体心立方 (A2 或 BCC)、简单六方 (A3 或 HCP) 等 类型的晶体结构。
可以把金属晶体中的原子看作刚性的圆球，于是这 三类结构就分别相当于前面介绍的等大球体堆积中 的立方最紧密堆积、体心立方堆积和六方最紧密堆 积。
所有的 Na+ 构成了一套面心立方点阵， 所有的Cl也构成了一套面心立方点阵。
氯化钠结构是离子晶体中很典型的一种结构， 属于氯化钠结构的离子晶体很多，除了 NaCl 晶 体外，其他一些碱金属卤化物 (如 LiF、NaF 等)、 碱土金属氧化物 (如 MgO、CaO 等)、碱土金属硫 化物 (如 MgS 等) 以及某些间隙相化合物 (如 TiC、 TiN、ZrN 等)。其中 LiF、NaF 等是玻璃及陶瓷 助烧剂的主要原料，MgO、TiC 和 TiN 等则是很 重要的高温材料。
首先可以算出在一个体心立方晶胞中钨原子的质量W。 1 个晶胞中含有 2 个钨原子，因此有
W 2 183.9 6.111022 g 6.02 1023
然后根据晶体的密度计算出晶胞体积 V：
V W 6.111022 3.166 1023 cm3 0.03166 nm3
当发生同素异构转变时，金属的许多性 能 (如热容、塑性、强度、磁性、导电 性等) 都将发生突变
同素异构转变对于金属能否通过热处理 来改变其性能具有重要意义
2.5 离子晶体
2.5.1 离子晶体概述
离子晶体是由正负离子通过离子键按一定 的方式堆积而形成的。
当两种电负性相差较大的原子相互靠近时，电负 性较小的原子将失去电子而形成阳离子，而电负 性较大的原子则获得电子而形成阴离子；阴阳离 子之间由于库仑力的作用而相互吸引。但当阴阳 离子之间相互充分接近时，离子的电子云之间又 相互排斥。当吸引力和排斥力达到平衡时便形成 了稳定的离子键。
清华大学材料科学基础物理化学专业课核心资料剖析
跨考教育常规辅导系列内部讲义常规辅导专业课核心资料跨考教育常规辅导中心编著跨考教育内部资料严禁外传违者必究目录第一讲清华大学材料系综合信息介绍 (5)第二讲复习规划指导 (7)第三讲重难点分析 (9)第一部分材料科学基础 (9)第一章晶体学基础及晶体结构 (9)1.1 要点扫描91.1.1 空间点阵和晶胞 (9)1.1.2 常见纯金属（FCC、BCC、HCP）的晶体结构（★★★★★常考点） (11)1.1.3 晶面指数和晶向指数及其标注（★★★★★一定要熟练掌握多做练习） (14)1.1.4 标准投影 (17)1.1.5 倒易点阵和晶体学公式 (18)1.1.6 离子晶体结构 (20)1.2 难点释疑221.2.1 7大晶系包含的点阵类型为什么不是28种，而是14种？ (22)1.2.2 为什么没有底心正方和面心正方点阵？ (22)1.2.3 确定晶面指数时应注意哪些问题？ (23)1.3 解题示范24第二章晶体的范性形变 (26)2.1 要点扫描262.1.1 金属及合金的变形 (26)2.1.2 单晶体的塑性变形 (26)2.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (32)第三章晶体中的缺陷 (33)3.1 要点扫描333.1.1 点缺陷及其平衡浓度（★★） (33)3.1.2 位错的基本类型及柏氏矢量 (35)3.1.3 位错的应力场（若考到，会给出应力场公式） (39)3.1.4 位错的弹性能和线张力 (41)3.1.5 作用在位错上的力和Peach-Koehler公式 (42)3.1.6 位错间的交互作用（★★★★） (45)3.1.7 位错交割 (51)3.1.8 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (54)3.1.9 FCC晶体中的位错（★★★★） (56)3.1.10 位错反应 (60)第四章相图与材料热力学 (61)4.1 材料热力学614.2 相图（★★★）614.2.1 相图的定义及类型结构 (61)4.2.2 相图的建立（热分析法-画冷却曲线） (61)4.2.3 相律和杠杆定律 (62)4.2.4 匀晶相图 (63)4.2.5 二元共晶相图 (64)4.2.6 离异共晶及伪共晶 (65)4.2.7 相图与性能的关系 (66)4.2.8 相区接触法则（用于判断相图正误。
清华大学化学系
元素像
清华大学化学系 材料与表面实验室
形貌信息
34
背反射电子象
• 反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形 貌的信息。 • 反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。 由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反 之轻元素的发射率小，图像也就暗。 • 此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大 关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于 反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子 的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。
清华大学化学系
材料与表面实验室
26
充电现象
1. 当样品的导电性差时，在 样品表面可以积累电荷， 使表面产生电压降，入射 电子的能量将发生变化， 同时二次电子的产率也可 以发生变化。 2. 充电过程可以在样品表面 形成电场，不仅影响电子 束的扫描过程，还会改变 图像的亮度，对二次电子 象产生严重影响。
清华大学化学系 材料与表面实验室 12
表面电子信息
• 当高速电子照射到固体 样品表面时，就可以发 生相互作用，产生一次 电子的弹性散射，二次 电子，等信息。 • 这些信息与样品表面的 几何形状以及化学成份 等有很大的关系。 • 通过这些信息的解析就 可以获得表面形貌和化 学成份的目的。
清华大学化学系 材料与表面实验室 13
38
吸收电子象
• 样品表面的吸收电子的电流等于入射电子电流 减去反射电子和二次电子的电流。 • 吸收电子象的衬度的明暗正好与发射电子象中 的衬度相反。 • 此外，吸收电子象中同样也包含了样品的表面 化学成份和表面形貌信息。 • 对吸收电子的检测没有专门的检测器，主要是 对流经样品中的电流进行放大测量。通过改变 透镜激磁的大小能使吸收电流在10－6～10－2A 之间变化。
材料化学ppt课件(完整版)
2. fHm代数值越小, 化合物越稳定。
3.必须注明温度，若为298.15K时可省略。
2022/1/10
标准摩尔反应焓变的计算 化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物 的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标
准摩尔生成焓的总和。 化学反应： cC + dD = yY + zZ • (任一物质均处于温度T的标准态)
第1篇 材料化学基本原理 第1章 热化学基础
课题1.1 热化学与反应热的测量
第1章 热化学基础
课题1.2 反应热的理论计算
新课引入
• 通常实验采用弹式量热计测得的是恒容反应热，但实际 反应多为恒压条件下进行，如何由Qv——Qp？两者关系 如何？
• 对于有些新反应难以实验测得，也无法由已有的实验数 据推算，该如何得到该类反应的反应热？
2022/1/10
化学反应的自发过程
自发过程
在一定条件下不需外界作功，一经引发就 能自动进行的过程。
要使非自发过程得以进行, 外界必须作功。
例如: 水总是自动地从高处向低处流,铁在 潮湿的空气中易生锈。
例如：欲使水从低处输送到高处，可借助 水泵作机械功来实现。
注意 ：能自发进行的反应，并不意味着其
rHm——摩尔反应焓变
2022/1/10
几者之间的关系
U = Q+ W
Qv= U, Qp.m = rHm， Qp= H （数值上相等）
Qp= U+p V= H U+pV= H p V= nRT
nB= ξv(Bg)
n= ξ∑v(Bg)
∑v(Bg)为反应前后气态物质化学计量数的变化
∴ Qp-Qv= p V =ξ∑v(Bg)·RT，（应用见习题）
清华大学工程材料第五版第二章!!!
2.1.2 同素异构转变 ●许多金属在固态下只有一种晶体结构。 如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低， 均为面心立方晶格。 钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。 ●有些金属在固态下，存在两种或两种以上 的晶格形式。 如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶 格形式会发生变化。 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转 变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
二、铸锭晶粒形状的影响因素
●柱状晶 由外往里顺序结晶，较致密。 柱状晶性能： 二个垂直柱状晶的接触面常有非金属夹 柱状晶性能具有明显的方向性。 杂或低熔点杂质成为弱面，在热轧、锻造时 沿柱状晶晶轴方向的强度较高。 容易开裂。 主要受单向载荷的机器零件，如汽轮机 铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶； 叶片等，柱状晶结构是非常理想的。 熔点低、不含易熔杂质、塑性较好的金 属，即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热 轧、热锻。铝、铜及其合金，希望铸锭得到 柱状晶结构。
2.1
纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶
金属材料要经过液态和固态的加工过程。 钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工 和热处理等工艺过程。
金属浇注、冷却 后，液态金属转变为 固态金属，获得一定 形状的铸锭或铸件。
冶炼注锭
液态金属中金属原子作不 规则运动。在小范围内，原子 会出现规则排列，称短程有序。 短程有序的原子集团是不 稳定的，瞬时出现瞬时消失。
(2)树枝状长大 冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热 快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一 次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶 枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶 轴。 树枝状长大 结晶后得到具有树枝 状的晶体。 实际金属结晶时，晶体多 以树枝状长大方式长大。
树枝状长大的树枝状晶体
材料化学（ＰＤＦ）
一、材料的分类与化学有关二、材料科学和材料化学随着材料化学的发展，在新材料的研制中，可以进三、材料化学的用途(湿法冶金，干法冶炼，电解冶炼3) 去除粗金属中杂质的精炼、提纯过程利用水溶液的冶炼利用高温化学反应的冶炼二、热还原法和赤铜矿(Cu2O)制取锡和铜：反应需要高温，称为火法冶金矿石是硫化物，先在空气中煅烧成氧化物，再用碳用氢还原三氧化钨：铝电解槽示意图SdT + VdP 纯物质自由能和焓随温度的变化dG = -SdT + VdP ; (dG / dP)μº（T ）------1 atm 标准温度达到Tb自发变化的方向物沸点附近纯物质化学势随温度变化质从μ较大的相流向μ较小的相，直到μ相等。
对于熔点附近纯物蒸气压与温度的关系各种压力下液体及气体化学势随温度变化大，即曲线变陡。
溶液中成分A的化学势和lnx A的关系溶液中成分A及固体物质A的化学势和组成的关系固溶体的溶解度：利用溶液中析出固体的现象,使其中一种成分浓缩、富聚区域精练区域熔炼示意图5、理想溶液的双液体系推导公式: 气相和液相平衡时分压定义º > P 气相线P-x g B6、挥发精炼和蒸馏精炼x B < x B挥发精炼Cd+ZnPb, Cd, Cu, Fe热分解+ΔG =+1/22= (P O 21/2)平衡分解压RTlnPo 1/2G = -RTlnK p + RTlnPo 2+ RTlnPo 2分解压氧化物的吉布斯自由能图０，说明这个温度氧化物会自动分解。
1500℃以上Fe3O4不可能氧化，因为在1500℃以上，Fe O氧化物的稳定性和其ΔGº值大小直接有关稳定性差的氧化物ΔGº负值小，直线位于图上方O,HgO，稳定性高的氧化物ΔGº负值大，直235)一个氧化物在低温下其ΔGº值可能比另一氧化物的要大些，但在高温下变得比后者小些。
例如，在220℃以下MnO能被Na还原，在220℃以上6(1)+(2)和碳相比，H2作为还原剂应用范围就小得多，这不仅因为H2生成氧化物的直线位置较高，减少了与一些金属线相交的可能，还由于使用上的安全以及在高温形成金属铁矿有：赤铁矿（Fe(1)铁的冶炼原理CO助熔剂800-1000ºC红热的焦碳利用(绝缘材料，铺路材料、水泥等)。
2015年清华大学材料科学与工程考博(化学工程系)参考书、真题、报录比、复试分数线、招生专业目录
同上
郭朝霞 05 高分子物理化学与新型材料 郭宝华
同上
谢续明
06 软物质纳米结构的自组织过 谢续明 程
07 精细与功能高分子
唐黎明
同上 同上
兼收日语考生，要求英 语通过四级
阚成友
08 环境友好高分子材料
庹新林 郭宝华
同上
09 超分子聚合物 10 医药高分子材料
徐军 唐黎明 郭宝华
同上 同上
11 高性能高分子材料
本专业培养的学生立足于服务于石油化工、环境保护、能源、食品等传统石油化学工业 及生物工程与技术、生物化学工程、生物医药工程等新兴产业。使学生掌握化学、生物学基 本原理，同时掌握化学工程的工艺过程和工程设计的基本原理、使其成为能在化学工程及生 物技术领域从事产品及过程设计、新技术研发、生产管理的工程技术人才。本专业在加强学 生化学、生物学的科学基础的同时，保证学生坚实的工程技术基础，力求将学生带到科学研 究和产业发展的前沿，使学生能够利用现代生物科技手段服务于化工产业，同时推进生物科 技的产业化。本专业于 2006 年通过了首批国内的专业认证(试点)。
盛世清北教育
朱兵
王亭杰
王晓琳
07 材料化学工程及膜技术
王德峥 王保国
同上
李继定
于养信
魏飞
骆广生
王涛
王亭杰
王垚
向兰
王晓琳
罗国华
王玉军
骞伟中
吕阳成
08 超临界流体技术
徐建鸿 王涛
同上
09 环境生物技术
王亭杰 刘铮
同上
专注清华大学考博辅导 地址：清华东门财智国 04 化工热力学与动力学 05 能源化学工程 06 生态化工与环境技术
魏飞 王垚 王金福 向兰 韩明汉 罗国华 王德峥 骞伟中 程易 王铁峰 陈丙珍 赵劲松 李继定 陈健 于养信 陈丙珍 王金福 程易 赵劲松 金涌 胡山鹰
清华大学材料科学基础
第二章目录2.1 要点扫描 (1)2.1.1 点缺陷及其平衡浓度 (1)2.1.2 位错的基本类型及柏氏矢量 (6)2.1.3 位错的应力场 (14)2.1.4 位错的弹性能和线张力 (16)2.1.5 作用在位错上的力和Peach-Koehler公式 (19)2.1.6 位错间的交互作用 (23)2.1.7 位错的起动力——Peirls-Nabarro力 (30)2.1.8 FCC晶体中的位错 (31)2.1.9 位错反应 (37)2.1.10 HCP、BCC及其他晶体中的位错 (40)2.1.11 晶体中的界面与表面 (42)2.1.12 位错的观察及位错理论的应用 (45)2.2 难点释疑 (47)2.2.1 柏氏矢量的守恒性 (47)2.3 解题示范 (48)2.4 习题训练 (53)第二章晶体中的缺陷2.1 要点扫描2.1.1 点缺陷及其平衡浓度1.点缺陷的类型在实际情况中，晶体内并不是所有原子都严格地按照周期性规律排列。
因为晶体中总存在一些微笑区域，这些区域的原子排列周期收到破坏。
这些偏离原子周期性排列的区域，都称为缺陷。
如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，因而可以忽略不计，那么这种缺陷就叫做点缺陷。
点缺陷有以下三种基本类型：①空位实际晶体中某些晶格结点的原子脱离原位，形成的空着的结点位置就叫做空位，如图2-1所示。
空位的形成于原子的热振动有关。
在一定温度下，晶体中的原子都是围绕其平衡位置做热振动的，由于热振动的无规性，一些原子在某一瞬间获得足以克服周围原子束缚的振动能，因而脱离其平衡位置，在原有位置出现空位。
因此，温度越高，原子脱离平衡位置的几率也越大，空位也越多。
②间隙原子进入点阵间隙中的原子称为间隙原子，如图2-2所示。
间隙原子的形成使其周围的原子偏离平衡位置，造成晶格胀大而产生晶格畸变。
图2-2 晶体中的间隙原子 ③ 置换原子那些占据原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。
清华大学工程材料第五版第一章
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
清华大学工程材料第五版第一章
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反。
如[110]与 。 若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
清华大学工程材料第五版第一章
清华大学工程材料第五版第一章
面心立方晶胞的特征：
（1）晶格常数
a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个) 4
（3）原子半径
（4）致密度 0.74 (74%)
清华大学工程材料第五版第一章
（5）空隙半径
●四面体空隙半径: r四=0.225r原子 ●八面体空隙半径: r八=0.414r原子
（6）配位数 12
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 由于原子排列紧密程度不一样， 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格 转变时, 体积会发生变化。
钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 使它们的形变能力不同。
清华大学工程材料第五版第一章
二、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面； 通过原子中心的直线为原子列，代表的方 向叫做晶向。 晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
清华大学工程材料第五版第一章
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。