材料表征方法思考題答案.doc

第一章 XRD1. X射線的定義、性質(zhì)、連續(xù)X射線和特征X射線的產(chǎn)生、特點。 答：X射線 定義：高速運動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。 性質(zhì)：看不見；能使氣體電離，使照相底片感光，具有很強的穿透能力，還能使物質(zhì)發(fā)出熒光；在磁場和電場中都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當穿過物體時只有部分被散射；能殺傷生物細胞。連續(xù)X射線 產(chǎn)生：經(jīng)典物理學解釋由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時間和條件不相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。 量子力學解釋大量的電子在到達靶面的時間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強度的光子序列，即形成連續(xù)譜。 特點：強度隨波長連續(xù)變化特征X射線 產(chǎn)生：當管電壓達到或高于某一臨界值時，陰極發(fā)出的電子在電場的加速下，可以將物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。此時的原子處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子有自發(fā)回到激發(fā)態(tài)的傾向，此時外層電子將填充內(nèi)層空位，相應伴隨著原子能量降低。原子從高能態(tài)變?yōu)榈湍軕B(tài)時，多出的能量以X射線的形式釋放出來。因物質(zhì)一定，原子結構一定，兩特定能級間的能級差一定，故輻射出波長一定的特征X射線。 特點：僅在特定的波長處有特別強的強度峰。2. X射線與物質(zhì)的相互作用答：X射線與物質(zhì)的相互作用，如圖所示一束X射線通過物體后，其強度因散射和吸收而被衰減，并且吸收是造成強度衰減的主要原因。散射分為兩部分，即相干散射和不相干散射。當X射線照射到物質(zhì)的某個晶面時可以產(chǎn)生反射線，當反射線與X射線的頻率、位相一致時，在相同反射方向上的各個反射波相互干涉，產(chǎn)生相干散射；當X射線經(jīng)束縛力不大的電子或自由電子散射后，產(chǎn)生波長比入射X射線波長長的X射線，且波長隨著散射方向的不同而改變，這種現(xiàn)象稱為不相干散射。其中相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎。物質(zhì)對X射線的吸收是指X射線通過物質(zhì)時，光子的能量變成了其它形式的能量，即產(chǎn)生了光電子、俄歇電子和熒光X射線。當X射線入射到物質(zhì)的內(nèi)層時，使內(nèi)層的電子受激發(fā)而離開物質(zhì)的殼層，則該電子就是光電子，與此同時產(chǎn)生內(nèi)層空位。此時，外層電子將填充到內(nèi)層空位，相應伴隨著原子能量降低，放出的能量就是熒光X射線。當放出的熒光X射線回到外層時，將使外層電子受激發(fā)，從而產(chǎn)生俄歇電子而出去。產(chǎn)生光電子和熒光X射線的過程稱為光電子效應，產(chǎn)生俄歇電子的過程稱為俄歇效應。示意圖見下：散射 X射線（相干、非相干散射）； 電子（反沖電子、俄歇電子、光電子、熒光 X射線）； 透過射線； 熱能。3. X射線衍射原理。布拉格方程的物理意義答：X射線衍射原理，即布拉格定律：2dsin=n 式中d為晶面間距，為入射束與反射面的夾角，為X射線的波長，n為衍射級數(shù)，其含義是：只有照射到相鄰兩鏡面的光程差是X射線波長的n倍時才產(chǎn)生衍射。4. X射線衍射實驗方法。粉末衍射儀的工作方式、工作原理。答：在各種衍射實驗方法中，基本方法有單晶法、多晶法和雙晶法。單晶X射線衍射分析的基本方法為勞埃法與周轉(zhuǎn)晶體法。多晶X射線衍射方法包括照相法與衍射儀法。 粉末衍射儀的工作方式中，常用的有兩種，即連續(xù)式掃描和步進式掃描。5. X射線粉末衍射法物相定性分析過程及注意的問題答：物相分析過程： 首先用粉末照相法或粉末衍射儀法獲取被測試樣物相的衍射花樣或圖譜。通過對所獲衍射圖譜或花樣的分析和計算，獲得各衍射線條的 2、d值及相對強度大小 I/I。使用檢索手冊，查尋物相 PDF 卡片號。若是多物相分析，則在上一步完成后，對剩余的衍射線重新根據(jù)相對強度排序，重復上述步驟，直至全部衍射線能基本得到解釋。應注意的問題： （1） 一般在對試樣分析前，應盡可能詳細地了解樣品的來源、化學成分、工藝狀況，仔細觀察其外形、顏色等性質(zhì)，為其物相分析的檢索工作提供線索。 （2）盡可能地根據(jù)試樣的各種性能，在許可的條件下將其分離成單一物相后進行衍射分析。 （3）由于試樣為多物相化合物，為盡可能地避免衍射線的重疊，應提高粉末照相或衍射儀的分辨率。 （4）對于數(shù)據(jù) d值，由于檢索主要利用該數(shù)據(jù)，因此處理時精度要求高，而且在檢索時，只允許小數(shù)點后第二位才能出現(xiàn)偏差。 （5）特別要重視低角度區(qū)域的衍射實驗數(shù)據(jù)，因為在低角度區(qū)域，衍射所對應 d 值較大的晶面，不同晶體差別較大，衍射線相互重疊機會較小。 （6）在進行多物相混合試樣檢驗時，應耐心細致地進行檢索，力求全部數(shù)據(jù)能合理解釋。 （7）在物相定性分析過程中，盡可能地與其它的相分析結合起來，互相配合，互相印證。 6. 簡述現(xiàn)代材料研究的X射線實驗方法在材料研究中有哪些主要應用。答：研究晶體材料，X射線衍射方法非常理想非常有效，而對于液體和非晶態(tài)物固體，這種方法也能提供許多基本的重要數(shù)據(jù)。所以X射線衍射法被認為是研究固體最有效的工具。主要應用如下：物相分析；多晶體點陣常數(shù)的精確測定；應力的測定；晶粒尺寸和點陣畸變的測定；單晶取向和多晶織構測定。7. 試推導布拉格方程，并對方程中的主要參數(shù)范圍確定進行討論。（必考） 討論如下：（1）布拉格方程描述了“選擇反射”的規(guī)律。產(chǎn)生“選擇反射”的方向是各原子面反射線干涉一致加強的方向，即滿足布拉格方程的方向；（2）布拉格方程表達了反射線空間方位（）與反射晶面間距（d）及入射方位（）和波長（）的相互關系；（3）入射線照射各原子面產(chǎn)生的反射線實質(zhì)是各原子面產(chǎn)生的反射方向上的相干散射線，而被接收記錄的樣品反射線實質(zhì)是各原子面反射方向上散射線干涉一致加強的結果，即衍射線； （4）布拉格方程由各原子面散射線干涉條件導出，即視原子面為散射基元，原子面散射是該原子面上各原子散射相互干涉（疊加）的結果。 (5) 衍射產(chǎn)生的必要條件 “選擇反射”即反射定律布拉格方 程是衍射產(chǎn)生的必要條件。 布拉格方程由原子面反射方向上散射線的干涉(一致)加強條 件導出，而各原子面非反射方向上散射線是否可能因干涉(部分) 加強從而產(chǎn)生衍射線呢? “選擇反射”作為衍射的必要條件，意味著即使?jié)M足“選擇反 射”條件的方向上也不一定有反射線。 由于sin1， 所以n/2d = sin1, 即n2d，對于衍射而言，n的最小值為1，所以在任何可觀測的衍射角度下，產(chǎn)生衍射的條件為：/2，即：只有那些晶面間距大于入射X射線波長一半的晶面才能發(fā)生衍射。思考題：1 如何提高顯微鏡分辨本領，電子透鏡的分辨本領受哪些條件的限制？答：所謂分辨本領，是指顯微鏡能分辨的樣品上兩點間的最小距離。通常，我們以物鏡的分辨本領來定義顯微鏡的分辨本領。確定光學透鏡分辨本領d0的公式為d0=0.61/(nsin)=0.61/(NA) 透鏡的分辨本領主要取決于照明束波長。 電子透鏡的分辨本領隨加速電壓的提高而提高。 透鏡的實際分辨本領除了與衍射效應有關以外，還與透鏡的像差有關。對于光學透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來矯正像差，使之對分辨本領的影響遠遠小于衍射效應的影響，但是電子透鏡只有會聚透鏡，沒有發(fā)散透鏡，所以至今還沒有找到一種能矯正球差的辦法。這樣，像差對電子透鏡分辨本領的限制就不容忽略了。 像差分球差、像散、畸變等，其中，球差是限制電子透鏡分辨本領最主要的因素。 2 透射電子顯微鏡的成像原理是什么？答：它的成像原理與阿貝衍射像原理一樣，經(jīng)過兩個過程：物衍射線物。陰極燈絲產(chǎn)生的電子經(jīng)過陽極加速，然后被柵極和聚光鏡會聚成一束亮度高、相干性好的電子束斑，電子束斑通過一定的角度入射到晶體樣品表面從而得到衍射線，衍射線經(jīng)過物鏡和中間鏡，再經(jīng)過投影鏡的多次成倍的放大（總放大倍率為M總=M物*M中*M投），將圖像投影到熒光屏上。通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，當中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合時，在熒光屏上出現(xiàn)衍射花樣；中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合時，則出現(xiàn)顯微像。3.掃描電子顯微鏡的工作原理是什么？答：掃描電鏡的成像原理和透射電鏡大不相同，它不用什么透鏡來進行放大成像，而是象閉路電視系統(tǒng)那樣，逐點逐行掃描成像。4.相對光學顯微鏡和透射電子顯微鏡、掃描電鏡各有哪些優(yōu)點？答： 掃描電鏡： （1）目前大多數(shù)商品掃描電鏡放大倍數(shù)為 2020000 倍，并且連續(xù)可調(diào)。介于光學顯微鏡和透射電鏡之間。這就使掃描電鏡在某種程度上彌補了光學顯微鏡和透射電鏡的不足。 （2）掃描電鏡以景深大而著名。 （3）樣品制備簡單。5為什么透射電鏡的樣品要求非常薄，而掃描電鏡無此要求？答：在透射電鏡中，電子束是透過樣品成像的，而電子束的穿透能力不大，這就要求要將試樣制成很薄的薄膜樣品。而掃描電鏡是收集的電子束與樣品作用后從表面溢出的各種信息。6與X射線衍射相比，（尤其透射電鏡中的）電子衍射的特點是什么？答：晶體對電子波的衍射現(xiàn)象，與 X 射線衍射一樣，一般簡單地用布喇格定律加以描述。當波長為的單色平面電子波以掠射角照射到晶面間距為dhkl的平行晶面組(hkl)時(圖4.21)，若滿足布喇格(Bragg)方程2d sin=n則在與入射方向成 2角方向上，相鄰平行晶面反射波之間的波程差為波長的整數(shù)倍，各層晶面的原子的散射在2方向上具有相同位相，它們因相互加強而產(chǎn)生該晶面組的衍射束。由于入射束S0、衍射束S與衍射晶面的法線Nhkl在同一平面內(nèi)，與幾何光學上的反射規(guī)律相似，所以習慣上常把晶體的衍射說成是滿足布喇格條件的晶面對入射束的反射。 特點： 1)透射電鏡常用雙聚光鏡照明系統(tǒng)，束斑直徑為 12m，經(jīng)過雙聚光鏡的照明束相干性較好。 2)透射電鏡有三級以上透鏡組成的成像系統(tǒng)，借助它可提高電子衍射相機長度。普通電子衍射裝置相機長度一般為 500mm 左右，而透射電鏡相機長度可達 10005000mm。 3)可以通過物鏡和中間鏡的密切配合，進行選區(qū)電子衍射，使成像區(qū)域和電子衍射區(qū)域統(tǒng)一起來，達到樣品微區(qū)形貌分析和原位晶體學性質(zhì)測定的目的。7選區(qū)電子衍射和選區(qū)成像的工作原理是什么，這兩種工作方式有什么應用意義？ 簡單地說，選區(qū)電子衍射借助設置在物鏡像平面的選區(qū)光欄，可以對產(chǎn)生衍射的樣品區(qū)域進行選擇，并對選區(qū)范圍的大小加以限制，從而實現(xiàn)形貌觀察和電子衍射的微觀對應。選區(qū)電子衍射的基本原理見圖。選區(qū)光欄用于擋住光欄孔以外的電子束，只允許光欄孔以內(nèi)視場所對應的樣品微區(qū)的成像電子束通過，使得在熒光屏上觀察到的電子衍射花樣僅來自于選區(qū)范圍內(nèi)晶體的貢獻。實際上，選區(qū)形貌觀察和電子衍射花樣不能完全對應，也就是說選區(qū)衍射存在一定誤差，選區(qū)域以外樣品晶體對衍射花樣也有貢獻。選區(qū)范圍不宜太小，否則將帶來太大的誤差。對于100kV的透射電鏡，最小的選區(qū)衍射范圍約0.5m；加速電壓為1000kV時，最小的選區(qū)范圍可達0.1m。8掃描電鏡應用的物理信號主要有哪些？二次電子，背散射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子等。9掃描透射電鏡(STEM)有哪些特點？STEM是既有透射電子顯微鏡又有掃描電子顯微鏡的顯微鏡。象SEM一樣，STEM用電子束在樣品的表面掃描，但又象TEM，通過電子穿透樣品成像。STEM能夠獲得TEM所不能獲得的一些關于樣品的特殊信息。STEM技術要求較高，要非常高的真空度，并且電子學系統(tǒng)比TEM和SEM都要復雜。優(yōu)點1. 利用掃描透射電子顯微鏡可以觀察較厚的試樣和低襯度的試樣。2. 利用掃描透射模式時物鏡的強激勵，可以實現(xiàn)微區(qū)衍射。3. 利用后接能量分析器的方法可以分別收集和處理彈性散射和非彈性散射電子。10電子探針儀與X射線譜儀從工作原理和應用上有哪些區(qū)別？電子探針儀：電子探針(EPMA)利用高速運動的電子經(jīng)電磁透鏡聚焦成直徑為微米量級的電子束探針，從試樣表面微米量級的微區(qū)內(nèi)激發(fā)出X射線再經(jīng)過WDS分析，從而進行微區(qū)成分分析。X射線譜儀：1能量色散譜儀（Energy Disersive Spectrometer，簡稱能譜儀/EDS）是用X光量子的能量不同來進行元素分析的方法，能譜儀的方框圖如圖81。X光量子由鋰漂移硅探測器（Si(Li)detector）接受后給出電脈沖信號，由于X光量子的能量不同，產(chǎn)生的脈沖高度（幅度）也不同，經(jīng)過放大器放大整形后送入多道脈沖高度分析器。在這里，嚴格區(qū)分光量子的能量和數(shù)目，每一種元素的X光量子有其特定的能量，例如銅KaX光量子能量為8.02keV，鐵的KaX光量子的能量為6.40keV，X光量子的數(shù)目是用作測量樣品中鐵元素的相對百分比，即不同能量的X光量子在多道分析器的不同道址出現(xiàn)，然后在XY記錄儀或顯像管上把脈沖數(shù)能量曲線顯示出來，這是X光量子的能譜曲線。橫坐標是X量子的能量（道址數(shù)），縱坐標是對應某個能量的X光量子的數(shù)目。區(qū)別：SEM追求高分辨本領，用三個透鏡的電子光學系統(tǒng)以得到直徑為幾個納米，束流足夠強的細聚焦的電子。EPMA以成分分析為主，試樣室上應放置多個WDS，要求有相當?shù)碾娮邮骷ぐl(fā)X射線（電子束粗），并裝以光鏡以尋找觀察范圍和精確調(diào)整試樣的高低位置。所以物鏡和試樣室要特殊考慮。11電子探針X射線顯微分析儀有哪些工作模式?一、能譜定性分析；二、能譜定量分析：1、定點定性分析，2、線掃描分析，3、面掃描分析。12何為掃描隧道顯微鏡，它的工作原理是什么？ 掃描隧道顯微鏡是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質(zhì)表面結構的儀器。它是用一個極細的尖針，針尖頭部為單個原子去接近樣品表面，當針尖和樣品表面靠得很近，即小于納米時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定，并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關表面信息記錄下來。二、掃描隧道顯微鏡基本原理掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子力學理論中的隧道效應。對于經(jīng)典物理學來說，當一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V時，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不能等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這個現(xiàn)象稱為隧道效應。掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近（約為1到10nm）時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。電流I與兩電極的距離S成負指數(shù)關系：IVexp(KS)其中(2/)Kmh=F，m為自由電子的質(zhì)量，為有效平均勢壘高度，V為針尖與樣品間的偏置電壓。隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對xy方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。13簡述差熱分析的原理，并畫出DTA裝置示意圖。原理：差熱分析是在程序控溫下，測量物質(zhì)和參比物的溫度差隨時間或溫度變化的一種技術。當試樣發(fā)生任何物理或化學變化時，所釋放或吸收的熱量使樣品溫度高于或低于參比物的溫度，從而相應地在差熱曲線上得到放熱或吸熱峰。差熱分析儀主要由加熱爐、溫差檢測器、溫度程序控制儀、訊號放大器、量程控制器、記錄儀和氣氛控制設備等所組成。14熱分析用的參比物有何性能要求？整個測溫范圍無熱反應，比熱與導熱性與試樣相近，粒度與試樣相近。15影響差熱分析的儀器、試樣、操作因素是什么？答：儀器因素（爐子的結構和尺寸、坩堝材料和形狀、熱電偶性能與位置） 試樣方面的因素（熱容量和熱導率變化、試樣的顆粒度、用量及裝填程度、試樣的結晶度與純度、參比物）操作因素（升溫速率、爐內(nèi)壓力和氣氛）16為何DTA僅能進行定性和半定量分析？DSC是如何實現(xiàn)定量分析的？答：在 DTA分析中試樣與參比物之間時常存在著溫度差，兩者之間存在著熱損失、熱交換，且測溫靈敏度較低，因此難以進行準確的定量分析。DSC 技術利用功率補償法使試樣與參比物溫度始終保持一致，盡量避免兩者之間的熱交換和熱損失差異，或者利用熱流法精確控制儀器的測溫靈敏度，從而達到準確的定量分析目的。17闡述DSC技術的原理和特點。示差掃描量熱法是在程序控制溫度下,測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度之間關系的一種技術。原理：示差掃描量熱法對試樣產(chǎn)生的熱效應能及時得到相應補償，使得試樣與參比物之間無溫差，無熱交換；而且試樣升溫速率始終跟隨爐溫呈線性升溫，保證補償校正系數(shù)K值恒定。因此，不僅使測量靈敏度和精密度都大大提高，而且能進行熱量的定量分析。特點：使用的溫度范圍較寬、分辨能力高和靈敏度高，在測試的溫度范圍內(nèi)除了不能測量腐蝕性物質(zhì)外，示差掃描量熱法不僅可以替代差熱分析儀，還可以定量的測定各種熱力學參數(shù)，所以在科學領域中獲得廣泛應用。18簡述DTA、DSC分析樣品要求和結果分析方法。對樣品的要求：樣品用量：通常用量不宜過多，因為過多會使樣品內(nèi)部傳熱慢、溫度梯度大，導致峰形擴大和分辨率下降。樣品用量以少為原則，一般用量最多至毫克。樣品用量0.510mg。樣品粒度：粒度的影響比較復雜。大顆粒和細顆粒均能使熔融溫度和熔融熱焓偏低。樣品顆粒越大，峰形趨于扁而寬。反之，顆粒越小，熱效應溫度偏低，峰形變小。顆粒度要求：100目-300目（0.04-.15mm）樣品的幾何形狀：增大試樣與試樣盤的接觸面積，減少試樣的厚度，可獲得比較精確的峰溫值。樣品的結晶度、純度和離子取代：結晶度好，峰形尖銳；結晶度不好，峰面積小。純度、離子取代同樣會影響DTA曲線。樣品的裝填：裝填要求薄而均勻，試樣和參比物的裝填情況一致。結果分析方法：根據(jù)峰溫、形狀和峰數(shù)目定性表征和鑒別物質(zhì)。方法：將實測樣品DTA曲線與各種化合物的標準（參考）DTA曲線對照。根據(jù)峰面積定量分析，因為峰面積反映了物質(zhì)的熱效應（熱焓），可用來定量計算參與反應的物質(zhì)的量或測定熱化學參數(shù)。借助標準物質(zhì)，可以說明曲線的面積與化學反應、轉(zhuǎn)變、聚合、熔化等熱效應的關系。在DTA曲線中，吸熱效應用谷來表示，放熱效應用峰來表示；在DSC曲線中，吸熱效應用凸起正向的峰表示(熱焓增加)，放熱效應用凹下的谷表示(熱焓減少)。19簡述熱重分析的特點和影響因素。熱重法是對試樣的質(zhì)量隨以恒定速率變化的溫度或在等溫條件下隨時間變化而發(fā)生的改變量進行測量的一種動態(tài)技術特點:熱重法的特點是定量性強，能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化和變化的速率，例如物質(zhì)在加熱過程中出現(xiàn)的升華、氣化、吸附或解吸以及有氣體產(chǎn)生或有氣體參加的化學反應等均可以通過熱重分析儀上物質(zhì)質(zhì)量的改變得到反映。所以，熱重法可以用來研究物質(zhì)的熱分解、固態(tài)反應、吸濕和脫水、升華或揮發(fā)等多種物理和化學過程，并可用于研