现代结构分析方法

现代结构分析方法第1页，课件共53页，创作于2023年2月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第2页，课件共53页，创作于2023年2月Referencebooks:“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

“Electronmicroscopyofthincrystals”editedbyM.A.Hirschetal.RobertE.KriegerPublishingCo.Huntington1965“TransmissionElectronMicroscopy-BasicsbyD.B.WilliamsandC.B.Carter第3页，课件共53页，创作于2023年2月Referencebooks:“Transmissionelectronmicroscopy-Physicsofimageformationandmicroanalysis”,EditedbyL.ReimerSpringer-Verlag1980“Practicalelectronmicroscopyinmaterialsscience”,EditedbyJ.W.EdingtonPhilipsTechnicalLibrary1975“Moderndiffractionandimagingtechniquesinmaterialscience”editedbyS.Amelinkxetal.,North-HollandPublishingCo.Amsterdam1978“Diffractionphysics”editedbyJ.M.CowleyNorth-HollandPublishingCo.NewYork1967“Electronmicroscopyandanalysis”/PeterJ.Goodhew,JohnHumphreys,RichardBeanland.Taylor&Francis,2001.

第4页，课件共53页，创作于2023年2月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

第5页，课件共53页，创作于2023年2月课程安排第三周9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周第6页，课件共53页，创作于2023年2月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。入射束出射束物质第7页，课件共53页，创作于2023年2月第一章微观结构分析基本原理 一、

电子与物质相互作用：

透射电镜扫描电镜第8页，课件共53页，创作于2023年2月第一章微观结构分析基本原理 一、

电子与物质相互作用：

扫描电镜第9页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE＝Dl=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）；Thescatteringofanelectronisdescribedaselasticifanegligibleamountofenergyislostbytheprimaryelectronintheprocess.Thedirectionoftheelectronmaybealtered,butitsenergyremainsessentiallythesame.第10页，课件共53页，创作于2023年2月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。第11页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE＝Dl=0）： 与核作用为大角散射，为primarybackscatteredelectronsSEM: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.%）Aprimaryelectronisusuallyahighenergyelectronwhichstartsoutsidethecrystal(e.g.inthebeamofanelectronmicroscope).Itmaybeelasticallyscatteredormayexcitevariousprocessesinthecrystalbybeinginelasticallyscattered.第12页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE≠0）：入射（primarye）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)phononscattering(D-Wfactor)：抵消高角衍射Aphononisaquantumoflatticevibrationalenergyinacrystal.Phononsaretheparticle-typemanifestationofthermalenergywavesinsolids.第13页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE≠0）：入射（primarye）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:CoulombforcesbetweenfasteandecloudcausescollectiveoscillationAplasmonisthequantumassociatedwithwavesintheconductionband(collectiveoscillationsofmanyelectrons).Theenergyassociatedwithaplasmonisintherange10-30eVformostmaterials.第14页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE≠0）：(3)singleescattering:transferofEtoeinthecloudfromafaste. 即电离。情形1：ejectionofvalencee(2ndewithlowE,topography)SEMSecondaryelectronsofvarioustypescanbeemittedfromasolidfollowingitsbombardmentwithprimaryelectrons.Itarisesasaresultoftheinteractionofaprimaryelectronwithaspecimen.Inprinciplethetermreferstoallelectronsemittedfromaspecimenafterithasbeenbombardedwithprimaryelectrons,X-raysorotherradiation.Inpracticethephrasemostcommonlyreferstolow-energyelectrons(kineticenergylessthan50eV)emittedfromthespecimeninascanningelectronmicroscope(SEM).Duetotheirlowenergy,5eV,onlysecondariesthatareverynearthesurface(<10nm)canexitthesampleandbeexamined.第15页，课件共53页，创作于2023年2月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第16页，课件共53页，创作于2023年2月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（DE≠0）：(3)电离,情形2：

ejectionofinnershelleEELS第17页，课件共53页，创作于2023年2月(3)电离,情形3:ejection/promotionofinnershelle+ahigherlevelefallingValenceL3L2L1KefreeeKa2特征X射线AugereK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Å,表面几层原子EnergyDispersiveAnalysisofX-rays(EDAX)WavelengthDispersiveAnalysisofX-rays(ElectronMicroprobe)Augerspectroscopy第18页，课件共53页，创作于2023年2月AluminiumSymbol:

AlMetallicelementwithatomicnumber13anddensity2,700kgm-3.Itselectronicconfigurationis1s22s22p63s23p1anditistherefore3-valent.K1s(1＝theprincipalquantumnumber)L12sL2,L32pM13sM2,M33pM4,M53detc.第19页，课件共53页，创作于2023年2月ElectronicconfigurationofanAlatom3s23p1第20页，课件共53页，创作于2023年2月ElectronicconfigurationofanAlatom第21页，课件共53页，创作于2023年2月plasmon等离子体振荡或振元第22页，课件共53页，创作于2023年2月Anincomingelectronknocksoutavalenceelectron第23页，课件共53页，创作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL1-shellelectron第24页，课件共53页，创作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL1-shellelectron第25页，课件共53页，创作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutanL23-shellelectron第26页，课件共53页，创作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutaK-shellelectron第27页，课件共53页，创作于2023年2月Augerelectronemission第28页，课件共53页，创作于2023年2月AnincomingelectronknocksoutaK-shellelectron第29页，课件共53页，创作于2023年2月FillingthevacancywithanL1electron第30页，课件共53页，创作于2023年2月EmittinganL23Augerelectron第31页，课件共53页，创作于2023年2月Augerelectronemission第32页，课件共53页，创作于2023年2月Augerelectronemission第33页，课件共53页，创作于2023年2月AugerelectronemissionAugerelectron

AnAugerelectronhascharacteristicenergyrelatedtotheelectronictransitionswithintheatomwhichhavecausedittobeemitted.EmissionofanAugerelectronisanalternativetotheemissionofa

characteristicX-ray.Theenergy

ofanAugerelectron,EA,isgiven

byEA=E1-E2-E3,where

E1=Ewithinner-shellvacancy,

E2=Ewithouter-shellvacancy,

E3=bindingenergyofemittede

第34页，课件共53页，创作于2023年2月UtilizationofAugerelectronAugerElectronshaveacharacteristicenergy,uniquetoeachelementfromwhichitwasemittedfrom.Theseelectronsarecollectedandsortedaccordingtoenergytogivecompositionalinformationaboutthespecimen.SinceAugerElectronshaverelativelylowenergytheyareonlyemittedfromthebulkspecimenfromadepthof<3atomiclayers

第35页，课件共53页，创作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第36页，课件共53页，创作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第37页，课件共53页，创作于2023年2月CharacteristicX-rayemission第38页，课件共53页，创作于2023年2月Utilization

ofcharacteristicX-ray

X-raysorLightemittedfromtheatomwillhaveacharacteristicenergywhichisuniquetotheelementfromwhichitoriginated.Thesesignalsarecollectedandsortedaccordingtoenergy(EDAX)orwavelength(EPMA).成分单色光源第39页，课件共53页，创作于2023年2月CharacteristicX-rayemissionCharacteristicX-ray

AcharacteristicX-raycanbeemittedfromanexcitedatomwhenanouter-shell(e.g.L)electronjumpsintofillaninner-shell(e.g.K)vacancy.Ithasanenergycharacteristicoftheatomandcanthereforebeusedforanalyticalpurposes.Itsenergyisthedifferencebetweentheenergiesoftheatomwithaninner-shellvacancyandthesameatomwithanouter-shellvacancy.

第40页，课件共53页，创作于2023年2月一、

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。 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第41页，课件共53页，创作于2023年2月一、

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光衍射仪第42页，课件共53页，创作于2023年2月一、

分析方法的种类及功能第一章微观结构分析基本原理X-raymicroscope?Withsoftxrays,wehavetousediffractionratherthanrefractionforfocusing.KodakIntroducesnewDigitalX-RayModuleforMultimodal

ImagingofSmallAnimalsROCHESTER,NYNovember16,2004

www.biox.kth.se/research/xraymicroscopy第43页，课件共53页，创作于2023年2月一、

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Aprototypemicroscopethatusesneutronsinsteadoflightto"see"magnifiedimageshasbeendemonstratedattheNationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST).第44页，课件共53页，创作于2023年2月一、

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第45页，课件共53页，创作于2023年2月其它分析方法：激光第一章微观结构分析基本原理LaserDiffractometerisapreferredmethodforparticlesizeanalysisofnebulizedaerosols,sizerange0.1to2000µm.Lasermicroscope第46页，课件共53页，创作于2023年2月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；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具；现代光学显微镜第47页，课件共53页，创作于2023年2月第一章微观结构分析基本原理电子显微镜第二代