材料结构分析复习(最终版)(共15页)

1、材料结构分析(fnx)复习由 “漂亮的雷锋(li fng)们” 整理提供推动现代文明发展三大学科(xuk)是什么？答：材料、信息、能源材料研究的四大要素是什么？答：成分、结构、加工、性能材料结构分析常用的方法分为哪几类？答：组织形貌分析、晶体物相分析、成分价键分析、分子结构分析材料的结构与性能的关系是什么？答：结构决定性能，性能反映结构。什么是距离分辨率？在材料结构分析中，影响距离分辨率的因素有哪些？答：什么是菲涅尔衍射？什么是弗朗禾费衍射？衍射理论的核心是什么？答： 菲涅尔衍射：成像时，当光源或观察屏之一与孔径或障碍物之间的距离为有限是产生的衍射。弗朗禾费衍射：光源、障碍物、观察屏三者之间距

2、离为无限远时的衍射。衍射核心：指波遇到障碍物时，偏离原来直线传播的现象。什么是阿贝成像原理？答：简述为：1、平行光束受到具有周期性特征物体的散射作用形成衍射谱。2、各级衍射谱重新通过干涉在像表面上形成反映物体特征的像。光学显微镜所成的的像和物之间的相似性是由什么决定的？答：参与成像的衍射斑点越多，物像与物体的相似性越好。什么是数值孔径？什么是孔径角？在孔径角一定的情况下，如何增加数值孔径？答：数值孔径：简写NA，表示物镜分辨细节能力的参数，是物镜性能高低的作业标志。孔径角：物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效直径(zhjng)所形成的角度。增大NA方法(fngf)：增大介质的折射率n值。什么是埃

3、利斑?什么是瑞利判据？根据瑞利判据，一个(y )光学仪器的分辨率的定义是什么？答：埃利斑：由于衍射效应，一个点光源在像平面上形成一个具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成。瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R。定义：通常把两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0样品上相应的两个物像点间距离r0定义为透镜分辨率。什么是分辨本领？光学仪器的分辨本领是由哪些因素决定？答：分辨本领：透镜能分辨的两点间的最小距离。 决定因素：物镜的NA值、照明光源的波长。什么是阿贝极限？光学显微镜分辨率的极限是什么？为什么？答：即分辨率极限，大约是可见光波长的一半。 光学显微镜极限为0.2m。什么是像差

4、？形成像差的根本原因是什么？光学显微镜的像差包括哪些？它们的产生机理分别是什么？各种像差如何进行消除？答：像差：物体通过透镜形成不完全相似的像。形成原因：透镜本身存在各种像差。像差种类及消除方法：a、球面像差（组合透镜为物镜校正）b、色像差（不同的组合透镜为物镜校正）c、像域弯曲（特制的物镜校正）。什么是扫描电子显微镜？与光学显微镜相比，扫描电子显微镜的优势有哪些？答：是以类似电视或摄像机的成像方式，用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号调制成像的仪器。 优势：a、高的分辨率。b、有较高的放大倍数，在20-30万之间连续可调。c、有很大的景深、视野大、成像富有立体感，可之间观察各种

5、样品凹凸不平表面的细微结构。d、配有X射线能谱仪装置，可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析。e、样品制备简单。电子束与固体样品(yngpn)作用时产生散射的机制是什么？按照电子的动能是否变化区分，可分为哪几类？答：机制：电子束沿一方向入射到样品内时，受固体物质中晶格位场和原子库伦场作用(zuyng)，入射方向发生改变。 分类(fn li)：a、弹性散射。b、非弹性散射。电子束与固体样品作用时产生的信号深度及区域大小与分辨率的关系是什么？答：随着信号深度升高作用范围变宽，不利于空间分辨率。扫描电子显微镜的物理信号有哪些？各自产生的机理分别是什么？答：a、二次电子（被入射电子轰击出来的样品

6、中原子的核外电子）。b、背散射电子（反射回来的入射电子）。c、X射线（损失能量激发内层电子发生电离）。扫描电子显微镜的工作原理是什么？答：光栅扫描、逐点成像。扫描电子显微镜由哪些系统组成？各系统的作用是什么？答：a、电子光学系统（电子枪、电磁透镜、光阑、扫描系统、样品室）。作用：为获得扫描电子，作为信号的激发源。b、信号收集及图像显示和记录系统（信号收集系统、图像显示和记录系统）。作用：信号记录收集后调制成像。c、真空系统和电源系统。作用：保证电子光学系统正常工作，防止样品被污染提供高的真空度。电子枪分为哪几类？它们产生电子束的机理分别是什么？答：a、发卡式钨灯丝热阴极电子枪（依靠电流加热灯丝

7、，使灯丝发射热电子，并经过阳极和灯丝之间的强电场加速得到高能电子束）b、六硼化镧（LaB6）热阴极电子枪（同上）c、场发射电子枪（利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近端的强电场，使阴极尖端发射电子）21、什么是衬度像？为什么二次电子的形貌忖度像分辨率高于背散射电子忖度像？答：由于样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或位向等）的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上不同的区域呈现出不同的亮度，从而获得具有一定衬度的图像；由于形成原理相同，而背散射电子来自一个较大的作用体积，用背反射信号进行形貌分析时，分辨率远比二次电子低。22、如何获得背散电子的形貌忖度

8、(cn du)像和成分忖度像？答：在利用背散射电子成像时，样品表面的形貌(xn mo)存在差异时产生的衬度像；在利用背散射电子成像时，样品微区的原子序数或化学成分的差异产生的衬度像23、什么是扫描探针(tn zhn)显微镜？其特点是什么？答：扫描探针显微镜是一类仪器的总称，他们以从原子到微米级别的分辨率研究材料的表面特性。特点：具有宽广观察范围；具有空前高的3D分辨率；能进行试样表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦力、磁场和弹性模量等物理特性的测量。24、什么是扫描隧道显微镜？什么是“隧道效应”？扫描隧道显微镜的基本原理是什么？答：扫描隧道显微镜：利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的显微仪

9、器。隧道效应：在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。基本原理：STM使用一种非常锐化的导电针尖，而且在针尖和样品（导体或半导体）之间施加偏置电压，当针尖和样品接近至大约相距1nm时，根据偏置电压的极性，样品或针尖中的电子可以“隧穿”过间隙到达对方。由此产生的隧道电流随着针尖-样品间隙的变化而变化，故被用做得到STM图像的信号。25、扫描隧道显微镜的工作模式有哪几种？分别如何进行操作？各种工作模式的特点是什么？答：（1）恒定高度模式 针尖在样品上方的一个水平面上进

10、行，隧道电流随样品表面形貌和局域电子特性而变化。在样品表面每个局域检测到的隧道电流构成数据组，并进而转化成形貌图像。特点：扫描速率高，仅适用于相对平滑的表面。 （2）恒定电流模式 该模式下STM的反馈控制系统通过调整扫描器在每个测量点的高度动态地保证隧道电流不变。特点：可以较高的精确度测量不规则表面，但比较耗时。26、什么事原子力显微镜？其工作原理是什么？答：原子力显微镜：一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。 工作原理：它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖

11、接近(jijn)样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。27、原子力显微镜中对微悬臂(xunb)变形的测量方法有哪些？测量原理分别是什么？答：（1）光学(gungxu)技术法 一束激光被臂弯折射到位敏探测器（PSPD）,当悬臂弯曲时投射在传感器上的激光光斑的位置发生偏移，PSPD可以1nm的精度测量出这种偏移。干涉法 （3）隧道电流法 28、原子力显微镜的成像模式有哪些？各自的优缺点是什么？答：29、什么是相？相结构与材料物理、化学性能之间的关系

12、是什么？答：相：具有特定的结构和性能的物质状态。 关系：材料的物理、化学性能与材料的相组成有直接对应关系，如面心立方和体心立方结构的铁有完全不同的磁性；晶态和非晶态合金有着完全不同的力学性能、抗腐蚀性能、磁学性能。30、什么是物相分析？物相分析包括哪些类内容？物相分析的手段有哪些？它们共同的原理是什么？答：物相分析：指利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数，确定物质的相结构。内容：材料物相定性分析，定量分析不同物相的组织分布情况。 手段：X射线衍射、电子衍射和中子衍射。 原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得材料内部原子排列的信息，从而重组出物质

13、的结构。在晶体结构空间点阵中选取单位平行六面体的原则是什么？单位平行六面体总共有多少种？答：原则(yunz)：能同时反映出空间点阵的周期性和对称性； 在满足条件的前提(qint)下，有尽可能多的直角； 在满足条件和的前提(qint)下，体积最小。什么是倒易点阵？什么是倒易空间？倒易点阵的特点是什么？答：倒易点阵：相对于正空间中的晶体点阵而言的，它是衍射波的方向与强度在空间中的分布。 倒易空间：我们把晶体内部结构称为正空间，而晶体对X射线的衍射被称为倒易空间。 特点：倒易空间并不是客观实在的物理空间，而只是对一个物理空间的一种数学变换表达。倒易点阵中倒易基矢、倒易矢量和阵点的关系是什么？答：X射

14、线衍射产生的物理原因是什么？答：X射线与内层电子相互作用后却可以产生相干增强的衍射，具体有三个方面：电子对X射线的弹性散射。原子对X射线的散射。晶体对X射线的相干衍射。电子衍射产生的物理原因是什么？答：电子衍射是周期性排列的晶体结构对电子发生弹性散射的结果。试推导布拉格方程。答：53.判断X射线与晶体作用发生衍射的X射线方向的方法有哪些？试着说明这些方法是如何确定X射线衍射方向的？并说明这些方法的统一性。答：方法：（1）布拉格方程（2）厄瓦尔德图解说明：P53-55统一性：两种方法本质上是一样的，从不同角度阐述了衍射方向的规律。38、什么是X射线谱？试说明连续X射线和特征射线产生机理。答：1、

15、用X射线分光计测量从X射线管中发出的X射线强度，发现其波长不是单一(dny)的，而是包含许多不同波长，如果在比较高端管电压下使用X射线管，用X射线分光计测量其中各个波长的X射线的强度，所得X射线强度与波长关系的曲线称之为X射线谱。 2、当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时，产生极大的负加速度，有能量和损耗和一部分分动能以电辐射X射线释放能量。由于到达阳极的电子数目多，而到达靶的时间和条件不同。多次碰撞，逐步把能量释放为零，产生不同波长(bchng)的的电磁波。形成连续X射线。 3、X射线的产生与阳极靶物质的原子结构有关，当管电压达到激发电压时，X射线管阴极发射的电子所具有的动能，足以将阳极

16、的某些电子击出其所属的的电子壳层，迁移到能量较高的外部的壳层。导致原子的中能量升高处于激发状态。这种激发态不稳定，会自发越到内层(ni cn)填补空位，趋于稳定。跃迁时有特征X射线产生。39、劳埃法中，入射X射线是什么X射线？为什么它与晶体作用能产生衍射？答： 用连续X射线。 每一族晶面仍可以选择性的反射其中满足布拉格方程的特殊波长的X射线，这样不同的晶面族都以不同方向反射不同波长的X射线，从而在空间形成很多衍射线，（他们与底片相遇，就形成许多劳厄斑点。）40、德拜相机有哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：如图811所示。沿着圆筒形相机的直径方向，有一入射光阑与出射光阑，入射X射线经过光阑准

17、直后，照射到式样上，其中一部分穿过式样上，其中一部分穿过式样到达出射光阑，经荧光屏后被铅玻璃吸收。41、德拜相机中安装底片的方法有哪些？各种方法的特点是什么？如何计算2角？答：1、正装法：X射线从底片(dpin)接口射入，照射试样后从中心孔穿出，低角的弧线较接近于中心孔，高角的弧线则靠近端部，可观察到K双线，= 。 2、反装法 X射线从底片中心穿孔，照射试样(sh yn)后从中心孔穿出，高角度线条均集中在孔眼附近，故除角极高的线条(xintio)可被光阑遮挡外，几乎全可记录。 3、偏装法：在底片上不对称地开两个孔，X射线先后从这两个孔通过，衍射线条形成围绕进出光孔的两组弧对，此法也有反装法的优

18、点。42、X射线的衍射强度测量的方法有哪两种？分别在什么情况下使用？答：1、X射线仪和X射线物相分析法， 2、75页至86页43、什么是透射电子透射电子显微镜？透射电子显微镜的两种功能分别是什么?说明如何实现对应的两种工作模式？答：电子透射显微镜是以波长很短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨率本领，高放大倍数的电子光学仪器，同时具有两大功能：物相分析和组织分析。物相分析是利用电子和晶体物质作用可以发生衍射的特点，获得物相的衍射花样；而组织分析则是利用电子波遵循阿贝成像原理，可以通过干涉成像的特点，获得各种衬度图像。 44、透射电子显微镜有哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：

19、透射电镜由电子光学系统、真空系统及电源与控制系统三部分组成。作用：电子光学系统是透射电子显微镜的核心，其他两个系统为电子光学系统顺利工作提供支持。 45、电子透射显微镜中有哪些电磁透镜？ 说明他们各自的电磁性质。聚焦性质及在电子透射显微镜中的作用。答：聚光镜，物镜，中间镜，投影镜。46、电磁透镜有哪几种？他们各自的机构如何(rh)？说明电磁透镜的工作原理。答： 有三种电磁透镜：简单电磁透镜，带铁壳的电磁透镜，带有极靴和铁壳的电磁透镜。 a、简单电磁透镜： 只有一个线圈，产生(chnshng)非均匀轴对称磁场。b、带铁壳的电磁透镜：励磁效果较好的电磁透镜将线圈内部开口的铁壳封装起来，可以(ky)

20、降低磁通的泄露，同时使开口处的磁场增强。c、带有极靴和铁壳的电磁透镜：可以使磁场更强，开口的两侧有两个极靴，极靴是由软磁材料制成的中心穿孔的柱体芯子，当电流通过极靴时，极靴被磁化，使磁场线集中在上下极靴间隙附近区域。 原理：F=eV B(e为运动电子电荷，V为电子运动速度矢量，B为磁感应强度矢量，F为洛伦兹力)。47、透射电子显微镜中电磁透镜产生的像差有哪几种？它们各自形成的原因是什么？分别如何进行消除?答：像差有几何像差（球差、像散等）和色差 球差是由于电磁透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的；为了减少 由于球差的存在而引起的散焦斑，可以通过减小球差系数和缩小成像时的孔径半角

21、来实现 像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起的；透镜磁场不对称，可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不均匀以及极靴孔周围局部污染等原因导致的。像散可通过引入一个强度和方向都可以调节的矫正电磁消像散器来矫正色差是由于入射电子波长（或能量(nngling)）不同造成的；使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，也可以采取稳定加速电压的方法来有效减小色差。 48、透射电镜中，衬度的定义(dngy)是什么？按造成像机制分，衬度像分为哪几种？并简要说明其成像机制。答：所谓(suwi)衬度是指两个相邻部分的电子束强度差。即：C=(I1I2)/I2 图像包括：质厚衬度像、

22、衍射衬度像和相位衬度像。产生机制： a.质厚衬度像：是由于非晶试样中各部分厚度和密度差别导致对入射电子的散射程度不同而产生的衬度。 b.衍射衬度像：是基于晶体薄膜内各部分满足衍射条件的程度不同而形成的衬度。c.相位衬度像：是通过引入附加相位差，使散射波改变 ，则透射波与合成波的振幅有较大差别，从而产生相位衬度。d.原子序数衬度：衬度正比于Z2.。在原子序数衬度中同时包含相位衬度和振幅衬度的贡献。 49、成分与价键分析的目的是什么？成分与价键分析主要使用哪些物理信号?答： 目的是对各种样品进行化学成分的分析。物理信号包括：特征X射线、光电子、俄歇电子、特征能量损失电子。 50、试分别说明特征X射

23、线、俄歇电子、光电子及能量损失电子产生的机制分别是什么?为什么这些信号能用于成分与价键分析？答： 特征X射线：激发态和基态的能量差能够以X射线光子的形式放出，形成特征X射线。由于X射线光子的能量是元素种类的特征信息，而其产 率则元素含量相关，根据能谱仪所得的谱图即可实现材料化学成分的定性与定量的分析。 俄歇电子： 激发态和基态的能量差能够转移给外层电子，使该外层电子脱离原子核的束缚，成为自由电子发射出去，该电子称为俄歇电子。俄歇电子的动能(dngnng)主要由原子的跃迁种类和跃迁轨道所决定，但元素在样品中所处的化学环境同样会造成电子的结合能微小差异，导致俄歇电子的能量变化，因此根据俄歇电子的动

24、能可以确定元素类型，以及元素的化学环境。 光电子：当一束能量为hv的单色光与原子发生相互作用，而入射光量子的能量大于激发原子某一能级电子的结合能时，此光量子的能量很容易被电子吸收，获得能量的电子便可脱离原子核束缚，并带有一定的动能(dngnng)从内层逸出成为自由电子，这种效应称为光电效应，在光激发下发射的电子，称为光电子。由光电子的发射定律得知相应能级的结合能，来进行元素的鉴别、原子价态的确定以及原子所处的化学环境的探测。 特征能量损失电子：当入射电子与样品原子的核外电子相互作用时，入射电子的部分能量传递给核外电子，使核外电子跃迁到费米能级上的空能级，由于跃迁的终态与费米能级以上的空能级分布

25、有关，而始态与为核外电子的初始能级，因此于万千吸收能量由原子种类决定。并受周围化学环境的影响。检测透过样品的入射电子的能量，并按其损失能量的大小对透射电子进行分类可以的得到(d do)能量损失谱，根据能量损失谱进行元素分析。51、什么是X射线光谱分析？什么是X射线光谱？什么是X射线能谱？答：（当用X射线、高速电子或其他高能粒子轰击样品时，若试样中各元素的原子受到激发，将处于高能量状态；当它们向低能量状态转变时，将产生特征X射线。）产生的特征X射线按波长或能量展开，所得谱图即为波谱或能谱，从谱图中可辨认元素的特征谱线，并测得它们的强度，据此进行材料的成分分析，这就是X射线光谱分析。 X射线光谱(

26、gungp)： X射线能谱：52、什么是电子探针X射线显微分析？电子探针由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：P132、能使用微小的电子束轰击样品，使样品产生X射线光子，用能谱或波谱仪检测样品表面(biomin)某一微小区域的化学成分的仪器为电子探针X射线显微分析；组成部分有：（1）电子光学系统(xtng)（镜筒） 由电子枪发射并经过聚焦的极细的电子束打在样品表面的给定区域，激发产生X射线； （2）光学系统（显微镜） 为了便于选择和确定样品表面上的分析微区，镜筒内装有与电子束同轴的光学显微镜，确保从目镜中观察到微区位置与电子束轰击点精确地重合； （3）电源系统和真空系统 真空系统的作用是建立

27、能确保电子光学系统正常工作，防止样品污染所必须的真空度，一般保持优于10-2Pa的真空度，电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成； （4）波谱仪或能谱仪。波谱仪的工作原理是什么？弯曲晶体的聚焦方式有哪两类？它们有哪些不同？答：P134、工作原理：在电子探针中，X射线是由样品表面以下微米数量级的作用体积重激发出来的额，如果这个体积中的样品是由多种元素组成，则可激发出各个相应元素的特征X射线。若在样品上放置一块具有适当晶面间距d的晶体，入射X射线的波长、入射角和晶面间距三者符合布拉格方程时，这个特征波长的X射线就会发生强烈的衍射。波谱仪利用晶体衍射把不同波长的X射线分开，故称这种晶体为分光

28、晶体。被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光，即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被检测器接收。 弯曲晶体的聚焦方式：有约翰型聚焦法和约翰逊型聚焦法。约翰型聚焦法是将平板晶体弯曲但不加磨制，使其中心部分曲率半径恰好等于聚焦圆之半径；约翰逊型聚焦法是先将晶体磨制再加以弯曲，使之成为曲率半径等于聚焦圆半径的弯晶，这样的布置可以使A、B、C三点的衍射束正好聚焦在D点。54、波谱仪的结构有哪两种？各自的工作(gngzu)原理分别是什么？答：P136、波谱仪的结构(jigu)有回旋式波谱仪和直进式波谱仪。 a、回旋式波谱仪聚焦圆圆心不移动(ydng)分光晶体和检测器在聚焦圆的

29、圆周上以1:2的角速度运动，以保证满足布拉格条件。 b、进式波谱仪：分光晶体位置沿直线运动时，晶体本身应产生相应的转动，使不同波长的X射线以不同的角度入射，在满足布拉格条件的情况下，位于聚焦圆上协调滑动的检测器都能接收到经过聚焦的波长不同的衍射线。能谱仪的工作原理是什么？如何应用Si（Li）半导体探测器检测X射线光子的能量？答：P133、工作原理：由X射线发生器发射的连续辐射投射到样品上，使样品发射所含元素的荧光标识X射线和所含物相的衍射线束，这些谱线和衍射线被Si（Li）半导体探测器吸收，进入探测器中被吸收的每一个X射线光子都使硅电离成许多的电子-空穴对，构成一个电流脉冲，经放大器转变成电压

30、脉冲，脉冲高度与被吸收的光子能量成正比。被放大的电压脉冲输至多道脉冲高度分析器，按其脉冲高度分别进入相应的轨道而被储存起来并记录光子数。56、什么是X射线光电子能谱？其基本原理是什么？答：定义： 基本原理：（1）光电子的产生；（2）化学位移入射光子的能量一定，哪些情况下光电效应的几率会增大？答：P142、光电效应的几率与光电效应截面成正比。所以同一原子中轨道半径越小的壳层或同一壳层中原子序数越大的元素，都会使其光电效应的几率增大。什么是电子结合能？对于孤立的气态原子或分子，以及固态样品(yngpn)，如何得到它们的结合能？答：P143、电子结合能：将电子从它的量子化能级移到无穷远静止状态时所需要的能量(nngling)，这个能量等于自由电子的真空能级与电子所在能级的能量差。 对于孤立原子：结合能可理解为把一个(y )束缚电子从所在轨道移到完全脱离核势场束缚并处于最低能级时所需的能量，并假设原子在发生电离时其他电子维持原来的状态。对固体样品，必须考虑到晶体势场和表面势场对光电子的束缚作用以及样品导电特性所引起的附加项；电子的结合能可以定义为吧电子从所在能级移到费米能级所需的能量。59、光电子能谱中，什么是化学位移?其产生的原因及规律分别是什么？答：P144、同种原子处于不同的化学环境的电子结合能的变化，导致在谱线上的位移称为化学位移。 产生的原因：原子价态的变化、原