材料测试分析方法要点

1、第一章x射线物理学基础1、x射线谱：连续谱：对x光管施加电压v,并维持-淀管电流i,得到x射线强度和波长的关系曲线，称为连续x射线 谱。（连续x射线：高速电子撞击阳极减速时产主的韧致辐射）特征谱：当光管电压v增高到大于阳极靶材相应的某个临界值vk时，即unu临，则在连续谱的某特定波 长处出现一些强度高，窄而尖锐的线形光谱峰。（特征x射线：阳极原子在高速电子作用下能级跃迁产生的） 短波限：极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子，此光子貝最高能量和最短波长（短波限入°2、连续x射线强度：i = kxizvxx射线管效率：若x射线管仅产生连续谱吋，若输入功率为iv,则产生连续x射

2、线效率或x射线管效率八。 _连续x射线总强度_ kmz/ = k zv则"一=。可见，管压f ,靶材zt ,管效率n t ;因常数kl=（l.l1.4） x10-9,很小，即使用w靶（z=74）,管压为lookv时,nl% （cu： 0.1%）,故效率是很低的。为提高光管发射连续x射线的效率： 选用重金属靶， 施以高电压，就是这个道理。3、/特征的影响因素：/特征= cz（uv激）"，罂 压v超过激发电压时，特征x射线强度随管电压u和管电流i的提高而增大。 特征x射线波长不受光管电压、电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原了序数。4、7连续与7舸的比值：x光管电压v= （35

3、） v激时，产生的特征x射线与连续x射线的比率为最大。5、x射线与物质的相互作用（穿透和吸收）：（1）x射线的散射：x射线照射物质上时，偏离了原來方向的现象。主要是核外电子与x射线的相互作用, 会产主两种散射效应。相干散射：入射x射线与物质原了屮内层电了作用，当x光了能量不足以使电了激发时，将其能量转给电了, 电了则绕其平衡位置发生受迫振动，成为发射源向四周辐射与入射x射线波长（振动频率）相同电磁波（即 电子散射波）。非相干散射（量子散射）：x光子与外层价电子和碰撞时的散射。（2）x射线的吸收：x光通过物质而强度衰减，或被物质吸收。a. 质量吸收系数u m cm2/g： 叶训p , ul为线吸

4、收系数。物理意义：x射线通过单位面积上单位质量物质后强度相对衰减量。um与物质密度p和状态无关；而与 物质原子序数z和x射线波长入有关。其经验公式为： /kkz二b. 多元素化合物、固溶体或混合物质量吸收系数计算：混合物、化合物的质量吸收系数：为各组分的质量吸收系数（umi ）与其质虽分数（wi ）乘积和。设含组分1、2的物质，质量分数：w】、w2；则混合物质量吸收系数：（w1 + w2）=l, “心+6、光电效应：当入射x光子能量等于或略大丁吸收体物质原子某壳层电子的结合能吋，将内层电子击出，成 为自由电子，原子则为激发态，外层电子向内层空位跃迁，并辐射出一定波长的特征x射线。（光电效应：使

5、 入射x射线消耗大量的能量，表现为物质对入射x射线的强烈吸收。）7、俄歇效应：当k层电了被击出，原了处k激发态，能量为e。若li层电了跃入k层填补空位。能量由 ek->el i ,且释放出多余能量。若能量被另_ l i电子或较外层电子所吸收，该电子受激发而逸出,即为俄 歇电子。第二章x射线衍射方向1、布拉格定律（1）x射线“反射”和光的反射的区别相似处：入射束、反射束、反射面法线处同一平面;入射角=反射角。故x射线衍射也称为x射线“反射” （reflection） o相异处：有四个方面本质区别。a. x射线衍射：由入射线在品体中所经路程上的所有原子散射波t涉的结果；光的反射：在极表层上产

6、生，且仅在两介质界面上。b. x射线衍射：只在满足布拉格定律的若干个特殊角度上产生（选择性反射）；光的反射：可在任意角度。c. 光镜而反射效率近100%；而x射线衍射强度却很弱。d. x射线衍射的反射角不同于光的反射角；x射线衍射的入射线与反射线的夹角永远是2 0 0（2）布拉格方程的讨论布拉格方程：2sin& =必（心1,2,3,），只是发生衍射的“必要条件”而非“充分条件”。衍射极限条件：因为sino< 1,可得产生衍射的必要条件：2<2d。可见，只有x射线波长入小于反射品 面面间距d的两倍时才能产生衍射。对一定波长入的x射线，品体屮有町能参加反射的品面族也是有限的,

7、须满足：d>入2,即：只有那些晶而间距d大于入射x射线半波长的晶面才能发生衍射。第三章x射线衍射强度1、布拉格方程是反射的必耍条件，而不是充分条件。2、结构因数：（1）一个电子对x射线的散射：一个电子对x射线散射的汤姆逊公式：厶=_（!l（±）2（£i）2（l + cos 20r2 4龙 m21 + cos2102 )被称为偏振因了或极化因了（2）一个原子对x射线的散射强度：原子散射因数f （原子对x射线的散射能力）：在相同条件下，一个原子散射波与一个电子散射波的波振幅或 /二一个原子散射波的振幅强度之比。原子散射因数表达为：兀二一个电子散射波的振幅。f也可理解为：以

8、一个电子散射波振幅为单位，來度量一个原子的散射波振幅，也称原子散射波振幅。f反映了一个原子将x射线向某个方向散射的效率，它与原子屮电子分布密度及衍射波长和方向（）（sin（）/ 入）有关。（3）一个晶胞对x射线的散射强度：引入一个以电子散射能力为单位、反映单胞散射能力的参量一一结构振幅，用fhkl表示。结构振幅fhkl：以一个电子散射波振幅ae为单位所表征的晶胞散射波振幅ab,即 儿。一般地，ifhki/称为结构因数，表征了晶胞内原了种类、原了个数、原了位置对（hkl）晶而衍射方向上衍 射强度的影响。3、x射线衍射充分条件：满足布拉格方程，且满足fhkloo若fhkl=0,则使衍射线消失，此现

9、彖称为系 统消光。4、粉末法中影响x射线强度的因子（除结构因数之外人述有：多重性因数、罗仑兹因数、吸收因数、温度因数。（1）多重性因数（p）：将等同晶面个数对衍射强度的影响因子叫多重性因数,用p来表示,p表示为等同 晶面的数目。（2）罗仑兹因数：是与衍射角8冇关，影响衍射线强度的因子。通常与极化因了合并组成一个罗仑兹极化因数，因与0角有关，故也叫角因子。罗仑兹因数反映了样品中参与衍射的晶粒大小，品粒数fi和衍射线位置 対衍射强度的影响。（3）吸收因子a （ o由于试样本身对x射线的吸收，使衍射强度实测值与计算值不符，为修正这一影响,引入吸收因子a （ 0） o（4）温度因子：以指数形式（c-2

10、、1）表达。5、多晶体（粉末）试样衍射积分强度公式：i = iovv%/ 相对=pfhki|2-（ 1第2：）歸）.严snr ocoso32欣相对强度简化公式:第四章多晶体分析方法（衍射仪）1、x射线衍射仪的结构（组成）：x射线发牛器、测角仪、辐射探测器、记录单元或白动控制单元等部分组 成。测角仪是仪器的中心部分。2、x射线衍射仪的工作原理：x射线管发出、并经滤波后的单色x射线照射粉末试样。其含冇各自不同位向 的（hkl）晶面总会有足够的（hkl）晶面满足布拉格方程，则在与入射x射线成2 8角的方向上产生衍射，利 用探测器接收x射线并记录。3、x射线测角仪：（1）结构：样品台、x射线源、狭缝（

11、5）、支架（2）狭缝：梭拉光阑s1和s2、发散狭缝k、防散射狭缝l、接收狭缝f狭缝作用：梭拉光阑s1和s2：控制射线在竖直方向的发散度；发散狭缝k :控制入射线在试样上照射面积；防散射狭缝l :可排斥来自样品以外辐射，改善峰背比；接收狭缝f：控制进入计数器的衍射强度。（3）聚焦条件：须使x光焦点s、样品表面、计数器接收光阑f位于同一个“聚焦圆”上。（聚焦儿何、 衍射几何）4、x射线探测器与纪录系统（1）结构：x射线探测器（计数器）、定标器、计数率计（2）计数器：正比计数器、盖革计数器；闪烁计数器、半导体计数器（3）定标器：在设定时i'可内，对从脉冲高度分析器传來的脉冲进行计数的电路，以

12、测量平均脉冲数。对脉冲 计数是间砍式，是测量一段时间内的脉冲数，计数较精确，在测最衍射强度时采用。（4）计数率计：计数率计核心部分：rc电路影响计数率计的因素：时间常数（取决于电阻r和电容c乘积）。时间常数越大：计数率计对衍射强度变化 越不灵敏，表现为衍射峰越平滑，但滞后也越严重，即衍射峰形状、位置受到歪曲越显著。吋间常数过小： 衍射峰起伏太大，弱峰识别困难。因此，实验中应根据需要合理设定时间常数rc值。5、实验参数的选择（1）发散狭缝选择：-般地：只要强度足够大，尽可能选用较小狭缝宽度。（2）接受狭缝选择：原则：由衍射工作h的来选择。1）要提高分辨率，选择较小接收光阑f； 2）耍提高衍 射强

13、度，应加人接收光阑fo（3）防散射狭缝选择：宽度l选择对衍射线无影响，只影响峰-背比，一般选用与发散狭缝相同角宽度。（4）时间常数的选择：应选用尽可能小（rc）,以提高测量精确度。（5）扫描速度的选择：扫描速度対实验结果的影响与时间常数（rc）相似。为提高测量梢确度，应选用小 的扫描速度。综述，提高分辨本领，须选用低速扫描和小接受光阑；提高强度测量精度：应用低速扫描和中 等接受光阑。第五章物相定性分析1、基本原理：各结品物质均有特定品体结构及参数，如：点阵类型、品胞大小、单胞原子（分子、离子）数 及其在品胞中的位置等。这些参数均反映在x射线衍射花样（方向8、强度1）中。尽管物质种类千万种， 却

14、没有物质衍射花样完全相同。某物质的多晶体衍射花样是该物质的特征，成为鉴别物相的标志。定性分析 实质：衍射花样（数据）采集、处理和杏找、核对标准花样（数据）。2、基本过程：制备待测样品；选择合适辐射，使荧光辐射最低，得到衍年线数目要多; 用衍射法或照相法获得待测样品的衍射花弔莎m从衍射花样或衍射图屮，测量衍射峰位（28）算岀启値川和对强度1/1/（ i为最强线强度）； 检索pdf卡片；核对pdf卡片与物相判定。3、应用：物相定性分析是十分有效且应用广泛的分析方法，在材料、冶金、机械、化工、环保、医药、食品等行业经常涉及。f = k °j （in）2第八章电子光学基础1、电子显微镜的工作

15、原理：电了波+电磁透镜（利用电磁透镜对电了波的聚焦成像）。2、电磁透镜的定义：在电镜中用磁场使电子束聚焦成像的装置。聚焦原理：通电短线圈即为最简单的电磁透镜，它能造成轴对称不均匀分布的磁场，磁力线围绕导线呈环 状。成像特点：（1）放人倍数：m=l2/l1,说明：当像距l2 一定吋，放大倍数m为焦距f成反比。当l1 >2 f时，mw1,为缩小像；当f vllv2f时，m>1,为放人像（2）电磁透镜的焦距：上式说明： 电磁透镜的焦距f为线圈的安匝数（in）成正比；“平方”：说明无论激磁 方向如何，其焦距f总是正的，表明：电磁透镜总是会聚透镜。一般线圈匝数n不变，只改变激磁电流 i ,焦

16、距f、放大倍数m也随之相应变化。因此,电磁透镜是-种变焦距或变倍数的会聚透镜。电磁透 镜成像时、物与像的相对位向将产生旋转一角度，称为磁转角。3、电磁透镜与光学透镜的不同：电磁透镜总是会聚透镜，而光学透镜有会聚透镜和发散透镜z分；电磁透镜是-种变焦距或变倍数的会聚透镜，而光学透镜一旦确定，焦距和放大倍数都不会改变； 电磁透镜成像时、物与像的相对位向将产生旋转一角度，称为磁转角。4、电磁透镜的像差：类型：几何像差和色差，其中儿何像差又分为球差和像散。（1）球差：因电磁透镜中心区和边缘区对电子折射能力不同而造成的，用ar表示。ar.v = csa3球差表示公式：4,cs球差系数；a为孔径半角（mc

17、l）。减小措施（依据）：要减小球差、提高分辨率，可通过减小cs值和缩小孔径角a来实现，且球差和孔径a半 角成三次方关系。因此，用小孔径角成像时，可使球差明显减小。（2）像散：由透镜磁场的非旋转対称引起的，用as表示。像散表示公式："=朋°, afa -电磁透镜磁场出现非旋转对称（椭圆）时造成的焦距差。减小措施（依据人可引入一个强度和方位都可调的矫正磁场来进行补偿，此产生矫止磁场的装置即消像散器（3）色差：因入射电子波长（或能量）的非单一性所造成的，用ar表示。aearc = cea罔11-电子束能量变化率：cc色差系数，约为焦距f。减小措施：可采取稳定加速电压方法，以减小色

18、差；使用“能量过滤器”。5、电磁透镜的景深与焦长：定义：透镜的景深（dq：在保持像清晰前提下，允许物平面（样品）沿透镜主轴移动最大距离。透镜焦长（dl）：指固定样品（物距）l1和焦距f,像平面沿透镜主轴移动吋，仍能保持像清晰的距 离范围。特点：景深人，焦长长（小孔径成像）。第九章tem透射电子显微镜1、tem结构：电子光学系统、电源少控制系统及真空系统三部分组成； 电子光学系统：照明系统、成像系统和观察记录系统；照明系统：由电子枪、聚光镜和电子束平移对屮、倾斜调节装置组成； 成像系统：由物镜、屮间镜和投影镜（1个或2个）组成； 观察记录系统：荧光屏、照相机。2、主要部件：（1）电子枪：热电子发

19、射电子枪、场发射电子枪；（2）光阑：有聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。聚光镜光阑：光阑常装在第二聚光镜下方；作用：限制照明孔径角，双聚光镜系统屮。物镜光阑（又叫衬度光阑）：在物镜后焦面（物镜下方）；作用：增加图像衬度：电了束通过薄膜样 品后，会产生散射和衍射；散射角（衍射角）大的电子被光阑挡住。 减小物镜孔径角：能减小像差，得到 高质量显微图像。在后焦血上套取衍射朿斑点（副焦点）成像，即暗场像。用明、暗场显微照片对照，可 进行物相鉴定和缺陷分析。选区光阑（又称场限光阑或视场光阑）：常在物镜像平而上，效果与光阑放在样品上一样，但孔径可做 得较大。作用：进行选区衍射分析。3、tem成像方式：显微图

20、像成像操作和电子衍射操作。显微图像成像操作：调节屮间镜激磁电流，使其物平面和物镜像平面重合，则荧光屏上得一輔放人像。 电子衍射操作：调节中间镜激磁电流，使屮间镜物平面和物镜背焦面重合，则荧光屏上得一幅电子衍射花样。 显微图像成像和电了衍射操作光路比较：电了衍射操作wit*面-平 at显微图像成像操作中第十章电子衍射1、电子衍射与x射线衍射的区别:相同点：（1）电子衍射原理和x射线衍射相似：以满足（或基本满足）布拉格方程+反射定律作为产生衍射的必要 条件，并遵循系统消光规律。（2）两种衍射所得衍射花样特征相似。不同点（电子衍射和x射线衍射相比）：（1）衍射角小，其衍射角2 b很小，约<1&

21、#176;；（2）电子衍射更容易；（3）电子衍射衍射斑点：大致分布在二维倒易截面内。其衍射花样，能比较直观地反映品体内各品血的位向, 给分析带來不少方便；（4）原子对电子的散射能力远高于对x射线散射（1（/倍），故电了衍射束强度高，摄取衍射花样曝光时间仅 数秒钟；（5）电子束穿透物质能力弱：因原子对电子散射能力很强。电子衍射：只适用丁材料表层或薄膜样品的结构 分析；（6）透射电镜的电了衍射:可使薄膜样品的结构分析与形貌观察冇机结合起來，这是x射线衍射无法比拟的。2、倒易点阵：概念：将晶体空间点阵（正点阵）倒易变换一倒易点阵。其量纲为长度倒数、外形也像点阵的三维空间称 倒易空间（倒易点阵：是为正

22、点阵相对应的、量纲为长度倒数的一个三维空间（倒易空间）点阵）。倒易关系：点子与品面有倒易关系。（也即倒易点阵中的阵点代表正空间中的品面）倒易矢量：从原点o到phki点的矢量ghki称为倒易矢量。若正、倒易点阵具有共同的坐标原点，贝山（1）正点阵晶面：可用倒易点阵中一个倒易结点表示。倒易结点指数：用它所代表的品面指数（干涉指数）标定。（2）在晶体点阵中：品面取向和面间距两参最；在倒易点阵屮，用一个倒易矢最（ghkl）就能综合地表示。 即：倒易矢量m方向：垂直于正点阵中相应的（hkl）晶面，或平行于相应晶面的法向nhki。倒易矢量的长度：等于正点阵屮和应晶面间距d的倒数，shk，= 1 1 dhk

23、l o3、晶带定理：因零层倒易面上的各倒易矢m ghkl都和晶带轴r=uvw垂直，ghkl丄故冇gltkl ? = 0 > 口j得: hu + kv + lw = o （同一晶带中所有晶面法线都与晶带轴垂直,uvw晶带的晶面,其指数（hkl）都满足此式）。4、相机常数：电子衍射的基木公式，r7l防心,k=入l称为相机常数。相机常数k是协调正、倒 空间的比例常数，也是电了衍射装置的重要参数；称为电子衍射“放人率”。（证明过程见课件）5、有效相机常数：tem屮电了衍射基木公式，r =，其屮k'称为有效和机常数。第十一章晶体薄膜衍衬成像分析1、衍射衬度定义：由于样品中不同位向晶体的衍射

24、条件（位向）不同而造成的衬度差别叫“衍射衬度”。2、“衍射衬度成像”原理:取决于入射束试样内各品面相对位向不同所导致的衍射强度差界。3、明场像：让透射束（000）通过物镜光阑，而把衍射束（hkl）挡掉得到图像衬度的方法，称明场成像。所 得到的像叫明场像。4、暗场像：移动物镜光阑位置,使光阑孔套住（hkl）斑点，只让衍射束ihkl通过成像，而把透射束（000） 挡掉，所成的衍衬图像即为暗场（df）像。5、中心暗场：把入射束倾斜2 b角度，使b晶粒（hkl）晶面组处于强烈衍射位向，而物镜光阑仍在光轴上, 仅b品粒的衍射朿通过光阑孔，而透射朿（000）被挡掉。6、等厚条纹：若衍射晶面位向确定，即偏离

25、矢量s =常数，则衍射强度ig随晶体厚度t发卞周期性振荡。 衍射强度ig随t周期性振荡规律，可定性解解薄膜样孔洞边缘呈楔形（厚度变化区域）出现的厚度消光 条纹。7、等倾条纹：当厚度t 一定，ig随s也呈周期性变化。当厚度t 一定，ig随s周期性变化，可解释薄 品样品中弹性变形（弯曲、隆起或凹陷）区出现弯曲消光轮廓。第十三章扫描电子显微镜1、电子束与固体样品作用时产生的信号的类型、特点及作用：（1）背散射电子：指被固体样品中原子反弹回的一部分入射电子。 弹性背散射电子：指被样品物质中原子核反弹冋来，散射角90。的部分入射电子，其能量基本无损失， 只改变方向。（特点：能量高，能达数千数万电子伏）

26、非弹性背散射电子：入射电子和核外电子相互作用，不仅方向改变、能量有不同程度损失，经多次散射后 仍能回表面（散射角90o ）的电子。背散射电子特点：能量：从数十ev数千ev很宽。数量：弹性的远比非弹性的所占份额多。來源：样品表层儿百rnn深度。产额：随原子序数z增大而增多。背散射电子作用：可用来显示原了序数衬度，定性地用作成分分析。（2）二次电子：指被入射电子击出，并离开样品表面的样品物质核外电子。二次电子特点： 大多（90%）是來自样品原了外层的价电了。 能量较低«5（）ev）,人多只有几个ev。一个能量很高的入射电了射入样品，可产生许多二次电了。 从表层510nm深度内发射的，对样

27、晶表而形貌十分敏感，因此，能有效地显示样晶的表而形貌。 其产额和原子序数无明显的关系，故不能用来进行成分分析。二次电子的应用：用作显微形貌分析。（3）吸收电子：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽，最后被样品吸收。若在样品和地 之间接一个高灵敏度电流表，就可测到吸收电了信号。（4）透射电子：若样品很薄，就会冇一部分入射电了穿过薄样品而成为透射电了。透射电子的应用：特征能量损失ae的非弹性散射电子能量：和分析区域成分有关，配合电子能量分析器可 对微区成分分析。（tem的特征能量损失谱）（5）特征x射线：当入射电子能量足够高，激发样品原子的内层电子，使原子处能量较高电离或激发态，则

28、外层电子（高能量）将向内层（低能量）跃迁，从而释放出具有特征能量的x射线。特征x射线的应用：用x射线探测器检测x射线特征波长，就可判定这个微区中存在着相应的元索。（6）俄歇电子：若在原子内层电子能级跃迁过程屮，释放出來能量并不以x射线形式发射，而用这部分能 量把空位层内的另一个电子（或使空位层的外层电子），发射岀去这个被电离出来的电子称为俄歇电子。俄歇电子特点： 能量具有特征值、能量低约为501500 ev范围。 平均自由程很小（约lrnn）,特别适用做表面层成分分析。在距表面inm （儿个原了层厚度）内产生的俄歇电了才具备特征能虽。而较深处的俄/电了，在向表层运动时 必会损失能量，使z失去了

29、具有特征能量的特点。俄歇电子的应用：俄歇电子能谱仪：根据俄歇电子能量测定试样成分的仪器。（俄歇电子的产额：随原子序数 z増人而减少，故特别适用于分析轻元索。）2、sem基本结构：由（1）电了光学系统；（2）信号收集处理、图像显示和记录系统；（3）真空系统；（4） 电气系统四个基本部分组成。3、成像原理：分为表面形貌衬度和原子序数衬度（成分衬度）。（1）表面形貌衬度二次电子成像二次电子信号：主要用于分析样品的表面形貌。因它只能从样品表面层510nm深度范围内被入射电子束激 发出来。成像原理：二次电了数量和原了序数无明显的关系，但对微区表面的儿何形状十分敏感。样品表面的倾斜度 不同，而导致产生的二次电子的数量不同，从而导致明暗程度的不同，形成衬度。应用：最大的用途是观察断口形貌，也可用作抛光腐蚀后的金相表血及烧结样品的自然表血的分析，并可以 用于断裂过程的动态原位观察。（2）原子序数衬度背散射电子衬度背散射电