固体物理实验方法

固体物理实验方法

一、物理主要的实验方法及其主要功能

1．X射线衍射分析技术

1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了X射线，后人为了纪念发现者也称它为“伦琴射线”。X射线技术目前在工业和科学技术中的应用十分广泛，在硅酸盐材料工业及材料科学中X射线物相分析是一种重要分析方法。

X射线衍射现象有两种可能的用途：①已知和求出；②已知和求出。前者是X射线衍射仪的主要功能，它能精确地测定晶体的晶格常数、晶格应变、晶体缺陷、晶粒直径和晶轴方向等，是研究金属、半导体和光学晶体的一种重要手段。后者类似于光谱仪器或电子微探针的功能，可测定被测晶体样品中所含的元素成分和含量。

2．透射电子显微术

透射电镜由电子枪，聚光镜，物镜，中间镜，投影影和荧光屏，底片盒等组成。整个镜筒的真空度约为10-7。电子束经聚光镜汇聚在薄试样上。由于电子能量一般为100eV，能透过的试样厚度一般为100Nm, 电子进入试样后发生散射或衍射，在试样的出射面产生振幅和相位衬度，物镜以下的透镜使这一衬度成象于荧光屏或底片上，调节中间镜焦距，还可以使物镜焦面上晶体衍射图样成象于荧光屏或底片上。

主要用于观察生物试样的薄切片，金属材料的表面复型和蒸发薄膜等。

3．扫描电子显微术

透射电镜由电子枪，聚光镜，电子束偏转线圈和信号探测系统等组成。镜筒真空度约10-3Pa。电子束经聚光镜，物镜聚焦到厚试样表面，最小束斑直径可达nm量级，电子进入试样后经过复杂的散射过程，产生二次电子，背散射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光等信号。普通扫描电镜利用前三种信号成像，增加一些附属装置后可以探测X射线，阴

极发光等信号。

用于薄试样和厚试样的散射均可。

4．LEED衍射法

LEED的衍射原理与X射线衍射相同。它们的差别除了被散射粒子不同外，散射体对被散射粒子的相互作用亦不同。LEED的入射电子由原子实的静电作用而形成弹性散射。电子能量小于1keV时，非弹性散射截面很大而不易透入体内，所以只有表面几层原子的结构决定衍射图样。LEED 实验装置由电子枪和分析器二部分构成，电子枪是一个低能电子光学系统。它的性能决定于电子束的相干长度。

对荧光屏的一次照相可取得全部衍射图。但这种方法不能直接获得衍射强度。较新的装置用通道板和光学多道分析器。并可记录在录象带中，它的测量灵敏度高，动态范围宽，电视屏上可再现二维结构的相变过程。5．核磁共振

核磁共振现象在1946年被发现以后，很快就成为研究各种物质结构的有力手段。为了适应各种用途生产了不同种类的核磁共振波谱仪，按实验方式可分为连续波方式和脉冲波方式，按研究对象和用途可分为液体高分辩谱仪和固体宽谱谱仪，近年来又出现了固体高分辨谱仪。

现在核磁共振技术在物理，化学，生物，医学等各方面都有广泛应用。6．电子顺磁共振

电子顺磁共振技术有广泛的应用，在固体物理学中，主要用于研究固体杂质和点缺陷的局域电子态，确定晶体的局部对称性分析电子与核的耦合方式等。在这里我们简要介绍电子顺磁共振波谱的测量和分析方法，以及如何从EPR实验确定顺磁晶体的晶场参数和超精细耦合常数。

1945年Zavoisky首先观察到固体样品中的电子顺磁共振现象。当时使用的交变磁场的频率太低，只能勉强看到信号。次年，Cummerow和Halliday把交变磁场的频率提高到2930MHz，观察到MnSO4·4H2O中的Mn2+离子的电子顺磁共振吸收现象。

7．离子束分析

离子束分析是指利用一定能量的离子与固体相互作用所发生的现象来分析固体表层的厚度，成分，合金元素深度分布以及固体的缺陷等。它是一种非破坏性分析手段。

离子束分析具有灵敏度高，样品制备简单，分析速度快等优点，所以它已被广泛应用于固体物理研究的各个领域。

二、 详细介绍X 射线衍射物相分析及差热分析法

1. X 射线衍射物相分析 1）

依据

X 射线衍射物相分析依据是任何一种晶态物质都有特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、单胞中原子的数目和位置等。

从布拉格(Bragg)方程知道，晶体的每一个衍射峰都和一组晶面间距为d 的晶面组联系着：

2sin d θλ=

式中，θ为入射线和晶面之间的夹角，λ为入射线的波长。另一方面，晶体的每一条衍射线的强度I 又与结构因子F 模量的平方成正比：

20I I KF V =

式中，I 为单位截面上入射X 射线的功率，K 为比例因子，与实验衍射几何条件，试样的形状，吸收性质，温度及一些物理常数有关；V 为参加衍射的晶体的体积；F 2称为结构因子，取决与晶体的结构结构，它是晶胞内原子坐标，由它决定衍射的强度。可见，d 和F 2都是由晶体的结构决定的，因此每种物质都是特有的衍射图谱。由此可以决定，混合物的衍射图谱不过是各组成物相图谱的简单叠合，我们必定可以通过混合物的解释、辨认，进行物相鉴定。 2）

物相定性

物相定性，就是说只要我们辨认出，样品的粉末衍射图分别能和哪些已知的晶体粉末衍射“相关”，那么我们就可以断定该样品是由哪些晶体物相混合而成的。这里的“相关”包括两层含义：一是样品的图中能找到组成物相应该出现的衍射，而且实验的d 值和相应的已知的d 值在实验误差范围内应该是一致的；二是各衍射线相对应的顺序是一致的。 3）

利用PDF 衍射卡进行物相分析

（a ） 基本方法

任何物质都反映该物质的衍射图谱，即衍射线具有一定的d 值和相对强

度I/I。当未知样品为多相混合物时，其中的各相分都将在衍射图上贡献自己所特有的一组衍射峰。因此，当样品中含有一定量的某种成分时，则其衍射图中的某些d值与相对强度，必定与这种相分所特有的一组d值与相对强度全部或者至少三强峰相吻合。

（b）PDF卡片介绍

目前，内容最丰富，规模最大的多晶衍射数据集是由JCPDS《粉末衍射卡片集》（PDF）。至1987年，JCPDS卡片集有32集，化合物已经超过50000中，并且PDF数据卡片的数目以每年2000张的速度在增长。

I）卡片左上角数字X－XXXX叫做卡号，头位数字为卡片属于PDF的第几集，后四位数字表示该卡片的编号。

II）卡片中左上方给出的物质粉末衍射图强度最大的d值：d

1，d

2

，d

3

，

和对应的I/I

1值：I

1

,I

2

,I

3

,其中，I1以100表示，其余类推。

III）卡片右下角给出的该物质粉末衍射图中全部线条的d值及其相对强度I/I

1

。

表1 PDF卡片形式

（c）卡片索引

I数字索引

数字索引是按照图样中三强线及对应的相对强度来表征每一种物质。索

引先按照d

1的数值范围分为许多组，在每一组内又按次强度d

2

减小的

顺序分为若干亚组，在同一亚组中d

2值相同时，则按d

3

减小的顺序排

列。

II文字索引

文字索引是按照物质英文名称的字母顺序来排列而成的。如果我们知道