现代结构分析方法20091

1、材料微结构分析方法(0910年度第一学期)授课人：董闯1教材电子显微分析 章晓中著 晶体学中的对称群 王仁卉,郭可信著 科学出版社 1990.10 可参考电子显微学（包括扫描及透射）、X光晶体学、X光衍射等方面的书籍2Reference books:“电子衍射图在晶体学中的应用” 郭可信 叶恒强 吴玉琨著 科学出版社 1983“高分辨电子显微学在固体科学中的应用”郭可信 叶恒强编著科学出版社1985“高空间分辨分析电子显微学” 朱静 叶恒强 王仁卉等编著科学出版社 1987“电子衍射物理教程” 王蓉著冶金工业出版社 2002 北京“电子衍衬分析原理与图谱” 黄效瑛 侯耀永 李理著 山东科学技术

2、出版社 2000 “电子显微镜图像分析原理与应用” 黄孝瑛著 宇航出版社 1989.9 “Electron microscopy of thin crystals” edited by M.A. Hirsch et al. Robert E. Krieger Publishing Co. Huntington 1965“Transmission Electron Microscopy - Basics by D.B.Williams and C.B.Carter3Reference books:“Transmission electron microscopy- Physics of imag

3、e formation and microanalysis”, Edited by L. Reimer Springer-Verlag 1980“Practical electron microscopy in materials science”, Edited by J.W. Edington Philips Technical Library 1975“Modern diffraction and imaging techniques in material science” edited by S. Amelinkx et al., North-Holland Publishing C

4、o. Amsterdam 1978“Diffraction physics” edited by J. M. Cowley North-Holland Publishing Co. New York 1967“ Electron microscopy and analysis ” / Peter J. Goodhew, John Humphreys, Richard Beanland. Taylor & Francis, 2001. 4目录第一章 微观结构分析基本原理第二章 晶体结构及晶体学第三章 衍射及成像原理第四章 电子衍射谱的种类及应用第五章 X光衍射原理及粉末X光衍射5课程安排第三周9

5、月15号： 第一章 微观结构分析基本原理第四周9月22号： 实验一 金相分析 徐卫平第五周9月29号： 实验二 扫描电镜 邹龙江第七周10月13号：实验三 电子探针 于凤云第八周10月20号：第二章 晶体结构及晶体学1第九周10月27号：实验四 X射线荧光光谱 史淑艳第十周11月 3号：实验五 X射线衍射 侯晓多 第十一周11月10号：第二章 晶体结构及晶体学2第十二周11月17号：第二章 晶体结构及晶体学3第十三周11月24号：实验六 透射电镜 戚琳 李春艳第十四周12月 1号：第三章 衍射及成像原理1第十五周12月 8号：第三章 衍射及成像原理2第十六周12月15号：第四章 电子衍射谱的种

6、类及应用1第十七周12月22号：第四章 电子衍射谱的种类及应用2第十八周12月29号：第五章 X光衍射原理及粉末X光衍射总共理论课10次、实验课6次。 每周二下午5-7节，研究生教学大楼104房间，3-18周6第一章微观结构分析基本原理一、 微观结构分析基本原理用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。电子、光子和中子是最常见的束源。入射束出射束物质7第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：透射电镜扫描电镜8第一章微观结构分析基本原理一、

7、电子与物质相互作用：扫描电镜9第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：1、弹性相互作用（DEDl=0）：入射电子在原子的库仑场作用下改变方向而无能量变化，产生衍射和成象与核外电子云作用的散射角0.2，可形成BRAGG衍射TEM: structure, morphology, composition）；The scattering of an electron is described as elastic if a negligible amount of energy is lost by the primary electron in the process. The dire

8、ction of the electron may be altered, but its energy remains essentially the same. 10原始铸铝材显微结构的明场像波纹衬度所穿过的晶界在波纹衬度所穿过的晶界处的选区电子衍射图，揭示出小角晶界的特征。11第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：1、弹性相互作用（DEDl=0）：与核作用为大角散射，为primary back scattered electrons SEM: morphology, composition。铸态合金Al72.5Fe14.5Ni13 的扫描电镜形貌，图中D(灰色)和H (浅灰

9、色)分别代表十次准晶D-Al72.6Fe14.6Ni12.8和Al5FeNi六角相(Al5Co2型)，D相中存在少量黑色相，其结构尚未确定，能谱测得的成分为Al77Fe5.5Ni17.5.（at.%）A primary electron is usually a high energy electron which starts outside the crystal (e.g. in the beam of an electron microscope). It may be elastically scattered or may excite various processes in t

10、he crystal by being inelastically scattered. 12第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：2、 非弹性相互作用（DE0）：入射（primary e）电子不仅改变方向，而且与物质交换能量，产生热、光、X射线及二次电子发射等等，主要用于分析样品的成分及电子结构。(1) phonon scattering (D-W factor)：抵消高角衍射A phonon is a quantum of lattice vibrational energy in a crystal. Phonons are the particle-type manife

11、station of thermal energy waves in solids.13第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：2、 非弹性相互作用（DE0）：入射（primary e）电子不仅改变方向，而且与物质交换能量，产生热、光、X射线及二次电子发射等等，主要用于分析样品的成分及电子结构。(2) plasmon: Coulomb forces between fast e and e cloud causes collective oscillationA plasmon is the quantum associated with waves in the conducti

12、on band (collective oscillations of many electrons). The energy associated with a plasmon is in the range 10 - 30eV for most materials.14第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：2、 非弹性相互作用（DE0）：(3) single e scattering: transfer of E to e in the cloud from a fast e.即电离。情形1：ejection of valence e (2nd e with low E, t

13、opography) SEMSecondary electrons of various types can be emitted from a solid following its bombardment with primary electrons. It arises as a result of the interaction of a primary electron with a specimen. In principle the term refers to all electrons emitted from a specimen after it has been bom

14、barded with primary electrons, X-rays or other radiation. In practice the phrase most commonly refers to low-energy electrons (kinetic energy less than 50eV) emitted from the specimen in a scanning electron microscope (SEM). Due to their low energy, 5eV, only secondaries that are very near the surfa

15、ce (10nm) can exit the sample and be examined. 15轰击表面熔化区内的微观典型形貌A. 火山坑状“熔孔” B. 颗粒状熔体轰击试样截面近表层腐蚀后的高倍电子扫描形貌二次电子像16第一章微观结构分析基本原理一、 电子与物质相互作用：2、 非弹性相互作用（DE0）：(3) 电离, 情形2：ejection of inner shell e EELS17(3) 电离, 情形3: ejection/promotion of inner shell e + a higher level e falling ValenceL3L2L1Kefree eKa2特征

16、X射线Auger eK激发态 发射K光子（重元素）平均自由程mm 发射俄歇电子（轻元素） 平均自由程,表面几层原子 Energy Dispersive Analysis of X-rays (EDAX)Wave length Dispersive Analysis of X-rays (Electron Microprobe)Auger spectroscopy18AluminiumSymbol:AlMetallic element with atomic number 13 and density 2,700 kg m-3. Its electronic configuration is 1

17、s2 2s2 2p6 3s2 3p1and it is therefore 3-valent.K1s (1 the principal quantum number)L12sL2, L32pM13sM2, M33pM4, M53d etc.19Electronic configuration of an Al atom 3s2 3p120Electronic configuration of an Al atom 21plasmon 等离子体振荡或振元22An incoming electron knocks out a valence electron23An incoming electr

18、on knocks out an L1-shell electron24An incoming electron knocks out an L1-shell electron25An incoming electron knocks out an L23-shell electron26An incoming electron knocks out a K-shell electron27Auger electron emission28An incoming electron knocks out a K-shell electron29Filling the vacancy with a

19、n L1 electron 30Emitting an L23 Auger electron31Auger electron emission32Auger electron emission33Auger electron emissionAuger electronAn Auger electron has characteristic energy related to the electronic transitions within the atom which have caused it to be emitted. Emission of an Auger electron i

20、s an alternative to the emission of a characteristic X-ray. The energy of an Auger electron, EA, is given by EA = E1 - E2 - E3, where E1 = E with inner-shell vacancy, E2 = E with outer-shell vacancy, E3 = binding energy of emitted e34Utilization of Auger electronAuger Electrons have a characteristic

21、 energy, unique to each element from which it was emitted from. These electrons are collected and sorted according to energy to give compositional information about the specimen. Since Auger Electrons have relatively low energy they are only emitted from the bulk specimen from a depth of 3 atomic la

22、yers 35Characteristic X-ray emission36Characteristic X-ray emission37Characteristic X-ray emission38Utilization of characteristic X-rayX-rays or Light emitted from the atom will have a characteristic energy which is unique to the element from which it originated. These signals are collected and sort

23、ed according to energy (EDAX) or wavelength (EPMA). 成分单色光源39Characteristic X-ray emissionCharacteristic X-rayA characteristic X-ray can be emitted from an excited atom when an outer-shell (e.g. L) electron jumps in to fill an inner-shell (e.g. K) vacancy. It has an energy characteristic of the atom

24、and can therefore be used for analytical purposes. Its energy is the difference between the energies of the atom with an inner-shell vacancy and the same atom with an outer-shell vacancy. 40一、 分析方法的种类及功能1、 按照束源分类：（1） 电子显微术：同时获得结构（衍射）、形貌（成象）和成分（X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等）信息；电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有结构尺度；高分辨率

25、。缺点主要是电子穿透能力弱（穿透能力为十分之一微米量级），带来样品制备和实验等方面的困难；电子与物质的作用十分强烈，致使结果分析较复杂。第一章微观结构分析基本原理透射电镜扫描电镜俄歇谱仪电子探针41一、 分析方法的种类及功能（2） X光衍射：属于利用光子进行物质分析的一种。X光的波长在0.01 0.1nm范围，正适合于分析物质的原子结构。X光与被辐射物质的电子云相互作用，但相互作用弱于电子束，穿透能力在多数金属里达数十个微米测量结果精确，实验简便，最常用的有效分析手段。缺点是只能给出平均的结构信息， 与轻原子作用很弱，不适于研究生物样品；不适合成像。第一章微观结构分析基本原理X 光衍射仪42一

26、、 分析方法的种类及功能第一章微观结构分析基本原理X-ray microscope? With soft x rays, we have to use diffraction rather than refraction for focusing. Kodak Introduces new Digital X-Ray Module for MultimodalImaging of Small AnimalsROCHESTER, NY November 16, 2004 43一、 分析方法的种类及功能（3） 中子衍射：没有电荷，因此直接与原子核和原子磁矩作用，相互作用比起电子和X光要弱很多。因此

27、中子衍射的第一个优点是强的穿透能力，可研究厘米量级的块状样品，避免了多重散射，样品的表面效应可忽略，数据处理变得很简便（衍射峰为高斯分部）。第二个优点是中子对不同种类的原子很敏感，可进行同位素互换、磁场影响等研究。中子衍射的缺点与X光衍射类似，并且费用高昂，实验场所只限于有原子反应堆的地方。随着核技术的发展，中子衍射在法国、美国等已成为一种广泛应用的研究手段。第一章微观结构分析基本原理A prototype microscope that uses neutrons instead of light to see magnified images has been demonstrated a

28、t the National Institute of Standards and Technology (NIST). 44一、 分析方法的种类及功能2、按照物质结构的分析模式分类：晶体结构（各类衍射仪diffractometers）；成像（透射电镜、扫描电镜等microscopes）；成分（X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等spectroscopes）；综合类（分析型电镜）。 第一章微观结构分析基本原理45其它分析方法：激光第一章微观结构分析基本原理Laser Diffractometer is a preferred method for particle size analysis of nebulized aerosols, size range 0.1 to 2000m .Laser microscope46第一章微观结构分析基本原理第一代: 光学显微镜 1830年代后期为施莱德（M. Schleide）和施曼（T. Schmann）所发明；它