材料研究方法-复习提纲-2016 (1)

1、第一章 晶体学基础1. 晶体及其基本性质l 晶体的概念（三维周期性排列）l 空间点阵（结构基元、反映晶体的三维周期排列规律；阵点、阵列、阵面、阵胞）l 晶体结构 = 空间点阵 + 结构基元l 布拉菲晶胞（反映晶体结构的周期性和对称性；晶胞选取的4大原则；7大晶系；4大类型；14种晶胞；表1-1）l 典型晶体结构Ø 简单结构：简单立方结构；体心立方结构；面心立方结构；Ø 复式结构（两个点阵结构套构）：密排六方结构；NaCl结构；CsCl结构；闪锌矿结构；金刚石结构2. 晶向和晶面的表征l 晶向指数u v wl 晶向族u v w；写出各晶系晶向族的等同晶面，计算重复因子Pl 晶

2、面指数h k ll 晶面族h k l；写出各晶系晶面族的等同晶面，计算重复因子Pl 六方晶系的三指数与四指数的变换公式3. 倒易点阵（重点）l 倒易点阵基矢量和正空间点阵基矢量的关系：Ø 同名基矢点积为1，异名基矢点积为0Ø a*=b×cV;b*=c×aV; c*=a×bVl 倒空间的倒空间即为正空间l 正倒空间的单胞体积互为倒数l 正倒空间矢量的点积为一整数l 正空间的一族晶面对应于倒空间的一个点l 倒易矢量ghkl=ha*+kb*+lc*垂直于正空间的(hkl)晶面l 倒易矢量ghkl的大小等于(hkl)晶面间距的倒数l 倒易阵面的法线为正

3、空间的某一晶向矢量；正空间晶面的法线为倒空间的某一倒易矢量4. 晶带与晶带定律（重点）l 晶带：空间点阵平行于同一晶轴的所有晶面l 晶带轴：正空间的某一晶向，其指数为晶带轴指数l 同一u v w晶带的所有晶面(h k l)的法线均垂直于晶带轴：晶带定律：uh+vk+wl=0l 同一晶带所有晶面对应的倒易点落在一个通过倒易原点的倒易平面上，表示为u v w0*，该平面的法线即为晶带轴l 已知两个晶面(h1 k1 l1)和(h2 k2 l2)，求其所在晶带轴指数u v wl 广义晶带定律：uh+vk+wl=N (整数)其所有晶面对应的倒易阵点也落在一个倒易平面上，表示为u v wN*第二章 X射线

4、的物理基础1. X射线的性质l 电磁波，以光速传播l 软X射线 vs 硬X射线l 波粒二相性E=h=hcP=h=hcl 折射率低l 穿透性强2. X射线谱l 连续谱（短波限0=hceU=1240UV；管流、管压；原子序数的影响）l 特征X射线谱Ø 莫塞莱定律Ø 原子结构模型(K、L、M、N)Ø K, K, K, L等辐射的含义Ø 不同波长的比较，（K、K、KI、K2、短波限等）3. X射线与物质的交互作用l 相干散射（内层电子）l 非相干散射（外层电子）、康普顿效应l X射线光电效应（产生光电子(XPS)）l 吸收限K=hceVK=1240VKV (nm

5、); Ø 与电子能级的关系，K系只有一个吸收限，L系有三个吸收限Ø 选靶材：避免X射线被样品大量吸收；Z靶=Z样+1或Z靶Z样Ø 选滤片：过滤掉K; Z滤片=Z靶-1 Z<40; Z滤片=Z靶-2 Z>40l X射线荧光效应（二次特征X射线）l X射线俄歇效应（俄歇电子）；俄歇电子的表示方式：KLL, LMM, MNNl X射线强度衰减规律Ø dII=-ldx ITI0=e-ltØ 线吸收系数lØ 质量吸收系数m=l/；与波长和原子序数Z的关系(m=K3Z3)Ø 多元素物质的质量吸收系数的计算第三章 X射线的衍射

6、原理1. X射线衍射的方向l 劳埃方程(标量式)a cos-a cos0=hb cos-b cos0=kc cos-c cos0=ll 劳埃方程(矢量式)a(s-s0)=hb(s-s0)=kc(s-s0)=ll 布拉格方程2dhklsin=n反射级数；衍射发生条件（2d）；选择反射；衍射方向与晶体结构l 衍射矢量方程：s-s0ghkl=ha*+kb*+lc*l 埃瓦尔德图解（重要）l 证明：布拉格方程与劳埃方程的一致性（利用衍射矢量方程）l 证明：厄瓦尔德球图解与布拉格方程等价l 布拉格方程的应用：1）结构分析；2）X射线光谱分析l

7、常见的衍射方法：1）劳埃法；2）转晶法；3）粉末法2. X射线衍射的强度l 原子散射因子f，为sin/的函数l 反常散射P67l 单胞散射的结构振幅FHKL和结构因子FHKL2l 结构因子的计算与消光规律的分析（重要）l 复杂点阵结构因子的计算（重要）1) 金刚石结构：2) 密排六方结构3) NaCl结构4) 超点阵结构2.4 单晶体的衍射强度与干涉函数l 干涉函数G2(, , )的物理意义l 干涉函数G2有值的区域(倒易点附近倒空间，又称倒易点域)确定于参与衍射的晶体形状：理想晶体 ： 倒易点晶体薄片 ： 倒易杆晶体杆 ： 倒易片晶体微粒 ： 倒易体l 单晶体的积分强度：衍射强度在G2(,

8、, )有值范围内的积分Im=I0re2R21+cos222sin2FHKL23V02V2.5 多晶体的积分强度l 倒易球，倒易点均匀分布于倒易球上l 单位弧长的衍射强度：I=I032Re4402m2c4R2FHKL23V021+cos22sin2cosVP2.6 影响多晶体衍射的其他因子l 吸收因子Al 温度因子e-2M第四章 X射线的多晶衍射分析及其应用4.1 X射线衍射仪l X射线衍射仪主要由那些部分组成？l X射线衍射的扫描方式有哪两种？4.2 X射线物相分析(1) 定性分析l 基本原理 (2) 定量分析l 基本原理：Ij=FHKL21+cos22sin2cosP12le-2MVjV0j

9、2Ij=Cj1lfjl 物相定量分析的两个基本公式：体积分数：Ij=Cj1mfj质量分数：Ij=Cj1jmwjl 定量分析的方法：(计算公式)1. 外标法；单线条法；直接对比法2. 内标法3. K值法4. 绝热法5. 参比强度法4.3 点阵常数的确定测定l 布拉格公式：2dsin=; 结合晶面间距计算公式l 误差源分析：高角度的衍射线测量误差小l 外延函数法：把点阵常数由可测量的角度位置直线外推到=90°l 外推函数：f=cos2；或者f=cos2sin+cos24.4 宏观应力的测定l 内应力的概念；l 内应力的三大分类及其对衍射峰的影响l 宏观应力测定的基本原理l 平面应力情况下

10、，残余应力与衍射峰峰位位移量关系式：=-E21+cot01802sin2应力常数K：材料的弹性模量、泊松比、衍射面HKL在没有残余应力时的衍射半角0K=-E21+cot0180M=2sin2为衍射峰位置2与直线sin2的斜率。l 宏观应力测定按所用仪器可分为X射线衍射仪法和X射线应力仪法。4.5 淬火钢残余奥氏体的测量第五章 电子显微分析的基础5.3 电子与固体物质的作用(重点) (1) 电子散射（机制）。根据电子能量是否变化，电子散射分为弹性散射和非弹性散射；根据电子波动特性，电子散射分为相干散射和非相干散射。 (2) 散射的表征：散射截面 (3) 电子的吸收（现象） (4) 电子与固体作用

11、时激发的信息（重点）要求了解：具体产生机制，信号特点，有那些用途，表5-2l 二次电子l 背散射电子l 吸收电子l 透射电子l 特征X射线l 俄歇电子5.4 电子衍射l 电子衍射定义l 电子衍射与X射线衍射的异同点重点n 相同点：方向；结构因子和消光规律；干涉函数和倒易点扩展n 不同点：原子散射机制不同；波长；反射球半径；散射强度；样品形状；衍射斑点位置精度；微区结构和形貌分析等l 电子衍射方向：布拉格方程l 电子衍射的埃瓦尔德图解l 电子衍射花样的形成原理及电子衍射的基本公式推导 R=Kghkl相机常数；相机长度l 衍射花样的作图（重要！）（考虑消光规律）l 零层倒易平面的作图（不要考虑消光

12、规律）l 偏移矢量为什么电子衍射时，零层倒易面倒易原点附近的倒易都可以发生衍射？l 高阶劳埃带第六章 透射电子显微镜6.1 电磁透镜l 透射电镜的核心部件6.2 电磁透镜的像差（重点）l 几何像差l 球差l 像散l 色差l 什么是影响透射电子显微镜分辨率的控制因素？l 景深l 焦长l 电镜的分辨率：点分辨率和线分辨率（晶格分辨率）6.3 电镜的主要结构l 透射电镜主要由那些部分构成？l 透射电镜的核心？它包含那些部分？l 照明系统主要由那些部分组成？各部分的作用？l 成像系统主要由那些部分组成？l 中间镜的作用？l 电镜的主要附件：1.样品台；2.平移和倾斜装置；3.消像散器；4.光阑l 电镜

13、主要哪几种光阑，分别装在什么位置，有什么作用？l 衍射操作与成像操作l 明场操作和暗场操作l 选区操作6.4 透射电镜的电子衍射l 电子衍射花样：单晶、多晶、非晶有什么特点？l 多晶电子衍射花样的标定（连比法，记住立方晶系的连比规律）6.5 透射电镜的图像衬度理论l 衬度（概念）l 电子显微图像的衬度可分为振幅衬度和相位衬度。l 根据产生振幅衬度的差异，振幅衬度又可分为质厚衬度和衍射衬度。l 质厚衬度产生机制l 相位衬度产生机制l 衍射衬度产生机制l 明场像、暗场像、中心暗场像的衍射衬度产生原理l 衍射衬度运动学理论：n 两个基本假设n 两个近似：双光束；晶柱近似n 消光距离n 理想晶体晶柱底

14、部的衍射束强度可以表示为：Ig=2g2sin2(st)s2n 利用以上公式解释等厚条纹和等倾条纹的衬度形成机制。n 非理想晶体的缺陷衬度：u 缺陷位移矢量R，附加相位差=2gR。当附加相位差为2的整数倍,则缺陷无衬度u 层错的衬度原理：u 位错的衬度原理：定性描述u 如何确定位错的Burgers矢量u 第二相颗粒的衬度原理，为什么会形成与操作矢量g垂直的亮条纹？第七章 薄晶体的高分辨像l 高分辨电子显微术是基于什么原理的成像技术？l 高分辨像的成像原理l 高分辨操作l 物镜光阑可以完成哪四种操作？l 高分辨像的分类：1）晶格条纹像；2）一维结构像；3）二维晶格像；4）二维结构像;l 高分辨像的

15、衬度主要影响因素？第八章 扫描电子显微镜及电子探针8.1 扫描电镜的结构l 扫描电镜主要由那些系统构成？扫描电镜的主要组成部分？l 扫描电镜的电子光学系统主要由那些部分组成？理解各部分的作用8.2扫描电镜的主要性能参l 分辨率，影响分辨率的参数l 放大倍数l 景深8.3表面成像衬度l 二次电子衬度：作用、原理l 背散射电子衬度：作用、原理8.4 电子探针l 信号（特征X射线）l 电子探针波谱仪（WDS）：波长n 原理：通过晶体对不同波长的特征X射线进行展谱、鉴别和测量n 系统组成：分光晶体+信号检测记录系统l 电子探针能谱仪（EDS）：能量n 原理：通过检测特征X射线的能量，来确定样品的微区成分；将特征能量按其能量展谱n 系统组成：检测器+分析电路第九章 表面分析技术理解基本原理l 俄歇电子能谱分析n 信号：俄歇电子（原理；能测量的最低元素是Li, 其俄歇电子表示为KVV）n 探测粒子：电子l X射线光电子能谱仪n 信号：光电子（原理：光电效应）n 探测粒子：X光子l 扫描隧道