材料现代研究方法PPT课件

1、材料科学与工程学院主讲人: 桑德利 材料材料现代现代研究研究方法方法12课程内容课程内容第一第一章：绪章：绪 论论第二第二章：组织形貌分析章：组织形貌分析第三第三章章：物质结构分析：物质结构分析第四第四章章：成分和价健分析：成分和价健分析第五章第五章：物质的化学组成及分子结构分析：物质的化学组成及分子结构分析第六章第六章：物质的热现象分析：物质的热现象分析第七章第七章：综合案例分析：综合案例分析物相分析物相分析概述概述物相分析手段物相分析手段第三章第三章 物质结构分析物质结构分析 -物相分析物相分析倒易点阵倒易点阵物相分析概述 物相：物质中成分、结构相同，性能一致的均匀物相：物质中成分、结构相

2、同，性能一致的均匀的组成部的组成部分。物质中具有特定的物理化学性质的分。物质中具有特定的物理化学性质的相。相。 材料物相分析以衍射方法为主，主要有材料物相分析以衍射方法为主，主要有X射线衍射射线衍射、电子电子衍射衍射、中子衍射、穆斯堡谱、中子衍射、穆斯堡谱、射线衍射等。射线衍射等。 衍射：晶体中大量原子散射波衍射：晶体中大量原子散射波相互干涉相互干涉的结果。的结果。 干涉条件（干涉条件（X射线射线-电磁波、电子电磁波、电子-物质波）：物质波）：频率频率相等，相等，位位相差相差恒定，恒定，振动方向振动方向一致。一致。X射线衍射射线衍射1.1.宏观分析手宏观分析手段段晶相晶相玻璃相玻璃相晶界晶界缺

3、陷缺陷气孔气孔52.2.抽象，不直观抽象，不直观物相分析手段物相分析手段 电子衍射能在同一试样上将电子衍射能在同一试样上将形貌观形貌观察与结构分析察与结构分析结合起来。结合起来。 电子波长短，单晶的电子衍射花样电子波长短，单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点阵的一个二维截婉如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以电子衍射花样可以直观直观地辨认出一地辨认出一些晶体的些晶体的结构和有关取向关系结构和有关取向关系，使，使晶体结构的研究比晶体结构的研究比X X射线简单。射线简单。 物质对电子散射主要是核散射，因物质对电子散射主要是核散射，因

4、此此散射强散射强，约为，约为X X射线一万倍，射线一万倍，曝光曝光时间短时间短。电子衍射电子衍射物相分析手段 许多物质在加热或冷却过程中许多物质在加热或冷却过程中会发生会发生熔化、凝固、晶型转变、熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附分解、化合、吸附、脱附等物等物理化学变化。这些变化必将伴理化学变化。这些变化必将伴随有体系焓的改变，因而产生随有体系焓的改变，因而产生热效应。热效应。热分析热分析物相分析手段利用利用光电转换或其它电子器光电转换或其它电子器件件测定测定之后的辐射强度之后的辐射强度等等光学特性光学特性，进行物质的定性和，进行物质的定性和定量分析的方法定量分析的方法。光谱分析光谱

5、分析倒易点阵E为了便于处理晶体结构同其为了便于处理晶体结构同其 X射线衍射效应的关射线衍射效应的关系，最初由系，最初由P.P.厄瓦尔德引进的概念。厄瓦尔德引进的概念。E倒易倒易点阵点阵是由被称为是由被称为倒易点倒易点的点所构成的一种点的点所构成的一种点阵，它也是描述晶体结构的一种几何方法，和空阵，它也是描述晶体结构的一种几何方法，和空间点阵具有间点阵具有倒易关系倒易关系。E倒易点阵中的一倒易点阵中的一倒易点倒易点对应着空间点阵中一族晶对应着空间点阵中一族晶面间距相等的面间距相等的点格平面点格平面。 概述概述倒易点阵AOBCPn从从O出发，沿着晶面法线方向，到达出发，沿着晶面法线方向，到达P点使

6、得点使得OP的大小为晶面间距的倒数，由此定出的点子组成的大小为晶面间距的倒数，由此定出的点子组成新的点阵称为倒易点阵。新的点阵称为倒易点阵。定义定义倒易点阵真实晶体结构与倒易点阵真实晶体结构与倒易点阵晶体显微图像是真实晶体结构在坐标空间的映像。晶体显微图像是真实晶体结构在坐标空间的映像。 晶体的衍射图像则是晶体倒易点阵的映像。晶体的衍射图像则是晶体倒易点阵的映像。 假设 a1, a2, a3是一个晶体点阵的基矢 该点阵的格矢为：321awavaur晶晶胞体积是胞体积是123()aaa)(321321aaaaaa)(321132aaaaaa)(321213aaaaaa定义一组基矢定义一组基矢,

7、,和晶胞基矢的关系为和晶胞基矢的关系为: :321,aaa 构构成了倒易空间的基矢成了倒易空间的基矢对应干涉指数为对应干涉指数为(HKL)(HKL)的倒的倒格矢为格矢为: :321aLaKaHrHKL倒易点阵倒易点阵基矢表达式倒易点阵基矢表达式 倒易点阵倒易点阵基矢表达式倒易点阵基矢表达式 由正点阵参数表达为 a*1=(a2a3sin)/V =1/a1cosa*2=(a3a1sin)/V =1/a2cosa*3=(a1a2sin)/V =1/a3cos例例:立方，正方和斜方晶系立方，正方和斜方晶系 =1/a11/a2 , 1/a3方向分别和同名正格基矢相同方向分别和同名正格基矢相同倒易点阵倒易

8、点阵与正点阵关系倒易点阵与正点阵关系 1）倒易点阵基矢和晶体点阵（正点阵）基矢之间倒易点阵基矢和晶体点阵（正点阵）基矢之间有如下关系：有如下关系：ijjiaa1 当i=j时0 当ij时2 2）正点阵晶面与对应倒易点阵格矢相互垂直。）正点阵晶面与对应倒易点阵格矢相互垂直。3 3）倒格矢大小的倒数是所对应的平行晶面之间的距离）倒格矢大小的倒数是所对应的平行晶面之间的距离倒易点阵倒易点阵与正点阵关系倒易点阵与正点阵关系4）正点阵和倒易点阵是互易的）正点阵和倒易点阵是互易的5）同一晶格的正格子和倒格子有相同的点）同一晶格的正格子和倒格子有相同的点 群对称性群对称性6）正空间中一族平行晶面对应于倒空间中

9、）正空间中一族平行晶面对应于倒空间中 一个直线点列一个直线点列倒易点阵倒易点阵物理意义倒易点阵物理意义正格子的量纲是长度正格子的量纲是长度l, 称作坐标空间，倒格子的量称作坐标空间，倒格子的量纲是长度的倒数纲是长度的倒数l-1，称作波矢空间。，称作波矢空间。 例如：正点阵取例如：正点阵取nm,倒易点阵是倒易点阵是nm-1倒易点阵是在晶体点阵（布拉菲格子）的基础上倒易点阵是在晶体点阵（布拉菲格子）的基础上定义的，所以定义的，所以每一种晶体结构，都有每一种晶体结构，都有2个点阵与其个点阵与其相联系相联系，一个是，一个是晶体点阵，反映了构成原子在三晶体点阵，反映了构成原子在三维空间做周期排列的图像维

10、空间做周期排列的图像；另一个是；另一个是倒易点阵，倒易点阵，反映了周期结构物理性质的基本特征反映了周期结构物理性质的基本特征。倒易点阵倒易点阵物理意义倒易点阵物理意义 同一物理量在正点阵中的表述和在倒易点阵中的表述之间服从Fourier变换关系。倒易点阵是晶体点阵的倒易点阵是晶体点阵的FourierFourier变换变换，晶体点阵则是倒易点阵的晶体点阵则是倒易点阵的FourierFourier逆变逆变换换。倒易点阵倒易点阵实例倒易点阵实例倒易点阵倒易点阵实例倒易点阵实例倒易点阵倒易点阵实例倒易点阵实例倒易点阵晶带定律晶带定律晶体晶体中，与某一晶向中，与某一晶向uvw平行的所有（平行的所有（HK

11、L）晶面属）晶面属于同一晶带，称为于同一晶带，称为uvw晶晶带带。 晶向晶向uvw中过（点阵坐标）中过（点阵坐标）原点的直线称为原点的直线称为晶带轴晶带轴，其，其矢量坐标表达式为矢量坐标表达式为 cwbvauruvwuvw晶带晶带倒易点阵晶带定律晶带定律 由于同一由于同一uvw晶带各晶带各（HKL）晶面中法线与）晶面中法线与晶带轴垂直，也即各晶带轴垂直，也即各（HKL）面对应的倒易）面对应的倒易矢量矢量r*HKL与晶带轴垂与晶带轴垂直，故有直，故有 Hu+Kv+Lw=0 得到得到晶带定理晶带定理() () 0uvwHKLrrua vb wcHaKbLc 倒易点阵晶带定律晶带定律已知晶带中任意两晶面(H1K1L1)与(H2K2L2)，求晶带轴指数uvw。解：根据晶带定理，有 H1u+K1v+L1w=0 H2u+K2v+L2w=0 解此联立方程，得 )( : )( : )(:12211221122