材料表征技術(shù)ppt課件

1、1材料表征技術(shù)材料表征技術(shù)(一一)參考書(shū)：無(wú)機(jī)非金屬材料測(cè)試方法參考書(shū)：無(wú)機(jī)非金屬材料測(cè)試方法 材料現(xiàn)代分析方法材料現(xiàn)代分析方法X射線(xiàn)衍射分析原理、方法、應(yīng)用射線(xiàn)衍射分析原理、方法、應(yīng)用 （周上祺）等（周上祺）等(英文版英文版)2緒論緒論(一一)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù):是研究物質(zhì)的微觀狀態(tài)與宏觀性能之間關(guān)系的一種手段是研究物質(zhì)的微觀狀態(tài)與宏觀性能之間關(guān)系的一種手段.人們能通過(guò)改變分子或晶體的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到控制物質(zhì)宏觀特性的目的人們能通過(guò)改變分子或晶體的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到控制物質(zhì)宏觀特性的目的,所以科學(xué)技術(shù)所以科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)分析測(cè)試的發(fā)展離不開(kāi)分析測(cè)試.3材料現(xiàn)代分析方法，是關(guān)于材料成分、結(jié)

2、構(gòu)、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測(cè)試技術(shù)及其材料現(xiàn)代分析方法，是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、微觀形貌與缺陷等的現(xiàn)代分析、測(cè)試技術(shù)及其有關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)。有關(guān)理論基礎(chǔ)的科學(xué)。內(nèi)容：材料（整體的）成分、結(jié)構(gòu)分析，也包括材料表面與界面、微區(qū)分析、形貌分析等內(nèi)容：材料（整體的）成分、結(jié)構(gòu)分析，也包括材料表面與界面、微區(qū)分析、形貌分析等一般原理：通過(guò)對(duì)表征材料的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)及其變化（稱(chēng)為測(cè)量信號(hào)或特征一般原理：通過(guò)對(duì)表征材料的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)及其變化（稱(chēng)為測(cè)量信號(hào)或特征信息）的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。即材料的分析原理是指測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系。采信息）的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。即材料的分析原理是指

3、測(cè)量信號(hào)與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系。采用不同測(cè)量信號(hào)（相應(yīng)地具有于材料的不同特征關(guān)系）形成了各種不同的材料分析方法。用不同測(cè)量信號(hào)（相應(yīng)地具有于材料的不同特征關(guān)系）形成了各種不同的材料分析方法。4入射線(xiàn)入射線(xiàn)衍射線(xiàn)衍射線(xiàn)XRDXRD譜譜I:I:強(qiáng)度強(qiáng)度d(2d(2 ) )：位置：位置試樣試樣( (晶體晶體) )？X X射線(xiàn)射線(xiàn)X X射線(xiàn)射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)衍射規(guī)律衍射規(guī)律分析（結(jié)構(gòu)）分析（結(jié)構(gòu)）XRDXRD分析分析5尺度：埃量級(jí)尺度：埃量級(jí)核外電子結(jié)構(gòu)；微米級(jí)的晶粒度。尺度更大的孔隙、裂紋等核外電子結(jié)構(gòu)；微米級(jí)的晶粒度。尺度更大的孔隙、裂紋等結(jié)構(gòu)（或組織結(jié)構(gòu)）（廣義）包括從原子結(jié)構(gòu)到肉眼能觀

4、察到的宏觀結(jié)構(gòu)各個(gè)層次的構(gòu)結(jié)構(gòu)（或組織結(jié)構(gòu)）（廣義）包括從原子結(jié)構(gòu)到肉眼能觀察到的宏觀結(jié)構(gòu)各個(gè)層次的構(gòu)造狀況的通稱(chēng)。原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、電疇結(jié)構(gòu)等。造狀況的通稱(chēng)。原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、電疇結(jié)構(gòu)等。微觀結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等原子、分子水平上的構(gòu)造狀況。微觀結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等原子、分子水平上的構(gòu)造狀況。顯微結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部不同的晶相、玻璃相及氣孔的形態(tài)、大小、取向、分布等結(jié)構(gòu)狀況。顯微結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部不同的晶相、玻璃相及氣孔的形態(tài)、大小、取向、分布等結(jié)構(gòu)狀況。從尺度范圍上來(lái)講一般電子顯微鏡及光學(xué)顯微鏡所觀察到的范圍。從尺度范圍上來(lái)講一般電子顯微鏡及光學(xué)顯微鏡所

5、觀察到的范圍。結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)6緒論(二)材料的組織結(jié)構(gòu)與性能材料的組織結(jié)構(gòu)與性能顯微組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：顯微化學(xué)成分顯微組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：顯微化學(xué)成分(不同相成分，基體與析出相的成分、偏析等不同相成分，基體與析出相的成分、偏析等)、晶、晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷、晶粒大小與形態(tài)、相（成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布）、界面體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷、晶粒大小與形態(tài)、相（成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布）、界面?zhèn)鹘y(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測(cè)試方法傳統(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測(cè)試方法 光學(xué)顯微鏡：光學(xué)顯微鏡：100nm, 表面形態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)同位微區(qū)分析表面形態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)同位微區(qū)分析 化學(xué)分析：平均成分，不能給出元素分布化學(xué)分析：平均

6、成分，不能給出元素分布7X射線(xiàn)衍射與電子顯微分析射線(xiàn)衍射與電子顯微分析 XRD:晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶體缺陷、相等。晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶體缺陷、相等。 局限性：無(wú)法形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位結(jié)局限性：無(wú)法形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位結(jié) 合；微米、納米級(jí)選擇合；微米、納米級(jí)選擇性分析性分析電子顯微鏡電子顯微鏡(EM,Electron Microscope)：用高能電子束作光源，用磁場(chǎng)作透鏡，高：用高能電子束作光源，用磁場(chǎng)作透鏡，高分辨率和高放大倍數(shù)分辨率和高放大倍數(shù) TEM：微觀組織形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)鑒定（同位分析）；：微觀組織形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)鑒定（同位分析）；10-1nm,106 SEM:表

7、面形貌，表面形貌，1nm, 2x105, 表面的成分分布表面的成分分布 EPMA：SEM、EPMA結(jié)合，達(dá)到微觀形貌與化學(xué)成分的同位分析結(jié)合，達(dá)到微觀形貌與化學(xué)成分的同位分析 STEM：SEM+TEM雙重功能，雙重功能，+EPMA， 組織形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)鑒定及組織形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)鑒定及化學(xué)成分測(cè)試三位一體的同位分析化學(xué)成分測(cè)試三位一體的同位分析8表4-1 X射線(xiàn)衍射分析方法的應(yīng)用n元素成份分析（元素成份分析（AAS，AES，XRF，EDX）n化學(xué)價(jià)鍵分析（化學(xué)價(jià)鍵分析（IR，LRS）n結(jié)構(gòu)分析（結(jié)構(gòu)分析（XRD，ED）n形貌分析（形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM）n表面與界面分析（

8、表面與界面分析（XPS，AES，SIMS）材料表征材料表征（本課程的）主要內(nèi)容（本課程的）主要內(nèi)容9 9;.;.10本課程內(nèi)容與要求X射線(xiàn)衍射、電子顯微分析（重點(diǎn)掌握）射線(xiàn)衍射、電子顯微分析（重點(diǎn)掌握） 其它其它 X射線(xiàn)光電子能譜（射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（）、俄歇電子能譜（AES）、掃描隧道顯微鏡（）、掃描隧道顯微鏡（STM）、）、原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）等）等要求與目標(biāo)要求與目標(biāo) 正確選擇方法、制訂方案、分析結(jié)果正確選擇方法、制訂方案、分析結(jié)果 為以后掌握新方法打基礎(chǔ)為以后掌握新方法打基礎(chǔ)課程安排課程安排 111.1 引言引言1.2 X射線(xiàn)的本質(zhì)射線(xiàn)的本質(zhì)1.3

9、X射線(xiàn)的產(chǎn)生及射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管射線(xiàn)管1.4 X射線(xiàn)譜射線(xiàn)譜1.5 X射線(xiàn)與固體物質(zhì)相互作用射線(xiàn)與固體物質(zhì)相互作用 第一章第一章 X X射線(xiàn)的性質(zhì)射線(xiàn)的性質(zhì)121.1 引言引言1895， （德，物）倫琴發(fā)現(xiàn)（德，物）倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)射線(xiàn)1912，（德，物）勞厄發(fā)現(xiàn)，（德，物）勞厄發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)在晶體射線(xiàn)在晶體 中的衍射中的衍射 X射線(xiàn)：電磁波射線(xiàn)：電磁波 晶體：格子構(gòu)造；晶體：格子構(gòu)造； 研究晶體材料開(kāi)辟道研究晶體材料開(kāi)辟道 路路第一章第一章 X X射線(xiàn)的性質(zhì)射線(xiàn)的性質(zhì)13X射線(xiàn)衍射（XRD）的應(yīng)用單晶材料：晶體結(jié)構(gòu)；對(duì)稱(chēng)性和取向方位單晶材料：晶體結(jié)構(gòu)；對(duì)稱(chēng)性和取向方位金屬、陶瓷：金屬、陶瓷：物相

10、分析物相分析（定性、定量）（定性、定量）測(cè)定相圖或固溶度（定量、晶格常數(shù)隨固溶度的變化）測(cè)定相圖或固溶度（定量、晶格常數(shù)隨固溶度的變化）多晶試樣中晶粒大小、應(yīng)力和應(yīng)變情況多晶試樣中晶粒大小、應(yīng)力和應(yīng)變情況14Structural analysis for materials research and crystallographyX-ray powder diffractometry (XRPD) is a valuable tool for the research and development of advanced materials. It can be used for inves

11、tigation of the following properties:Identification of the phase(s) present: is it a pure phase or does the material contain impurities as a result of the production process? Quantification of mixtures of phasesDegree of crystallinity of the phase(s)Crystallographic structure of the material: space

12、group determination and indexing, structure refinement and ultimately structure solvingDegree of orientation of the crystallites: texture analysis. Deformation of the crystallites as a result of the production process: residual stress analysis Influence of non-ambient conditions on these properties

13、All these investigations can be carried out on samples of varying dimensions: Powders, from bulk samples to very small amounts Solid materials of varying shapes and size, such as machined metallic or ceramic components or pills Well plates for combinatorial analysis15入射線(xiàn)入射線(xiàn)衍射線(xiàn)衍射線(xiàn)XRDXRD譜譜I:I:強(qiáng)度強(qiáng)度d(2d

14、(2 ) )：位置：位置試樣試樣( (晶體晶體) )？X X射線(xiàn)射線(xiàn)X X射線(xiàn)射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)衍射規(guī)律衍射規(guī)律分析（結(jié)構(gòu)）分析（結(jié)構(gòu)）XRDXRD分析分析16X X射線(xiàn)物理基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)射線(xiàn)物理基礎(chǔ)、晶體結(jié)構(gòu)XRD部分安排X X射線(xiàn)衍射基本理論（衍射幾何、強(qiáng)度）射線(xiàn)衍射基本理論（衍射幾何、強(qiáng)度）單晶、多晶衍射、衍射儀法單晶、多晶衍射、衍射儀法應(yīng)用：物相分析應(yīng)用：物相分析17T1-1電磁波譜電磁波譜1.2 X1.2 X射線(xiàn)的本質(zhì)射線(xiàn)的本質(zhì)18電磁波：振動(dòng)電磁場(chǎng)的傳播，可用交變振動(dòng)著的電場(chǎng)強(qiáng)度向量和磁場(chǎng)強(qiáng)度向量來(lái)表征；它電磁波：振動(dòng)電磁場(chǎng)的傳播，可用交變振動(dòng)著的電場(chǎng)強(qiáng)度向量和磁場(chǎng)強(qiáng)度向量來(lái)表征

15、；它們以相同的位相在兩個(gè)互相垂直的平面上振動(dòng)，而其傳播方向與電場(chǎng)、磁場(chǎng)向量方向垂直，們以相同的位相在兩個(gè)互相垂直的平面上振動(dòng)，而其傳播方向與電場(chǎng)、磁場(chǎng)向量方向垂直，并為右手螺旋法則所確定，真空中的傳播速度為并為右手螺旋法則所確定，真空中的傳播速度為3x103x108 8m/sm/s)(2sin0,vtEExtx)(2sin0,vtHHxtxcX X射線(xiàn)具波粒二象性射線(xiàn)具波粒二象性作為光子流：用光子的能量作為光子流：用光子的能量E E及動(dòng)量及動(dòng)量P P來(lái)表征；經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表征；經(jīng)驗(yàn)公式KhPhhEc,1K波矢，方向?yàn)檠夭ǖ膫鞑シ较颉２ㄊ?，方向?yàn)檠夭ǖ膫鞑シ较颉?9X X射線(xiàn)作為一種電磁波，在其傳播

16、的過(guò)程中是攜帶一定的能量的，即表示其強(qiáng)弱的程度。射線(xiàn)作為一種電磁波，在其傳播的過(guò)程中是攜帶一定的能量的，即表示其強(qiáng)弱的程度。通常以單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于通常以單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于X X射線(xiàn)傳播方向的單位面積上的能量來(lái)表示。射線(xiàn)傳播方向的單位面積上的能量來(lái)表示。當(dāng)當(dāng)X X射線(xiàn)當(dāng)作波時(shí)，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，其強(qiáng)度射線(xiàn)當(dāng)作波時(shí)，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，其強(qiáng)度I I與電場(chǎng)強(qiáng)度向量的振幅與電場(chǎng)強(qiáng)度向量的振幅E E0 0的平方成正比。的平方成正比。208EIc當(dāng)將當(dāng)將X X射線(xiàn)看作光子流時(shí)，則其強(qiáng)度為光子密度和每個(gè)光子的能量的乘積。射線(xiàn)看作光子流時(shí)，則其強(qiáng)度為光子密度和每個(gè)光子的能量的乘積。201.3 X射線(xiàn)的產(chǎn)生

17、及射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管射線(xiàn)管211.3 X射線(xiàn)的產(chǎn)生及射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管射線(xiàn)管同步輻射光源：同步輻射光源： 同步輻射光源是在同步輻射加速器中產(chǎn)生的高強(qiáng)度光源，是高能帶電粒子加速同步輻射光源是在同步輻射加速器中產(chǎn)生的高強(qiáng)度光源，是高能帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物 urur負(fù)電子對(duì)撞機(jī)負(fù)電子對(duì)撞機(jī)/uPC)/uPC)： 通過(guò)高能加速器加速正負(fù)電子，利用高速正負(fù)電子的通過(guò)高能加速器加速正負(fù)電子，利用高速正負(fù)電子的對(duì)撞研究高能物理的基本過(guò)程；同時(shí)高能帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)撞研究高能物理的基本過(guò)程；同時(shí)高能帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物同同步輻射可提供真空紫外線(xiàn)至硬步輻射可提供真

18、空紫外線(xiàn)至硬X X光波段的高強(qiáng)度光源，可用來(lái)開(kāi)展各領(lǐng)域的研究光波段的高強(qiáng)度光源，可用來(lái)開(kāi)展各領(lǐng)域的研究工作。工作。 22北京同步輻射裝置北京同步輻射裝置(BSRF)(BSRF)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介北京同步輻射裝置北京同步輻射裝置(BSRF)(BSRF)是利用是利用同步輻射光源進(jìn)行科學(xué)研究的裝置，同步輻射光源進(jìn)行科學(xué)研究的裝置，對(duì)社會(huì)開(kāi)放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是對(duì)社會(huì)開(kāi)放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是我國(guó)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、我國(guó)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子等交叉生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子等交叉學(xué)科開(kāi)展科學(xué)研究的重要基地。學(xué)科開(kāi)展科學(xué)研究的重要基地。 1.3 X射線(xiàn)的產(chǎn)生及射線(xiàn)的產(chǎn)生及

19、X射線(xiàn)管射線(xiàn)管231.3 X射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管241.3 X射線(xiàn)的產(chǎn)生及射線(xiàn)的產(chǎn)生及X射線(xiàn)管射線(xiàn)管X X射線(xiàn)的產(chǎn)生：高速運(yùn)動(dòng)著的帶電（或不帶電）粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與射線(xiàn)的產(chǎn)生：高速運(yùn)動(dòng)著的帶電（或不帶電）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)層電子相作用該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用此外，還有旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極此外，還有旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X X射線(xiàn)管、射線(xiàn)管、細(xì)聚焦細(xì)聚焦X X射線(xiàn)管射線(xiàn)管25T2-13 連續(xù)X射線(xiàn)譜及管電壓對(duì)連續(xù)譜影響 I連積分公式1.4 X射線(xiàn)譜（連續(xù)（連續(xù)X射線(xiàn)、特征射線(xiàn)、特征X射線(xiàn)射線(xiàn))曲線(xiàn)連續(xù)變化曲線(xiàn)連續(xù)變化0連續(xù)輻射連續(xù)輻射特征輻射特征輻射26短波極限短波極限 e

20、V=h max =hc/ 0 0 =1.24/V (nm) V(kV)27T2-15 特征X射線(xiàn)譜及管電壓對(duì)特征譜的影響在在X射線(xiàn)譜中某個(gè)波長(zhǎng)處出現(xiàn)強(qiáng)度峰，峰窄而尖銳；此波長(zhǎng)放映了物質(zhì)的原子序數(shù)射線(xiàn)譜中某個(gè)波長(zhǎng)處出現(xiàn)強(qiáng)度峰，峰窄而尖銳；此波長(zhǎng)放映了物質(zhì)的原子序數(shù)特征特征-特征特征X射線(xiàn)射線(xiàn)28特征特征X射線(xiàn)產(chǎn)生：能量閾值射線(xiàn)產(chǎn)生：能量閾值22)(ZnRhcEn1212nnnnEEhKLKL/hchKL激發(fā)激發(fā)-躍遷躍遷-能量降低能量降低輻射出來(lái)的光子能量輻射出來(lái)的光子能量激發(fā)所需能量激發(fā)所需能量-與原子核的結(jié)合能與原子核的結(jié)合能EkEkeVeVk k =-E=-Ek k=W=Wk k29特征X

21、射線(xiàn)產(chǎn)生22430特征X射線(xiàn)產(chǎn)生原子能級(jí)結(jié)構(gòu)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)31莫塞萊定律22)(ZnRhcEnX X射線(xiàn)熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分射線(xiàn)熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)析的理論基礎(chǔ)32T2-16 K射線(xiàn)的雙重線(xiàn)K K 波長(zhǎng)波長(zhǎng)= =？加權(quán)平均加權(quán)平均W W靶靶: 0.0709nm: 0.0709nm 0.0714nm 0.0714nm33產(chǎn)生特征（標(biāo)識(shí)）產(chǎn)生特征（標(biāo)識(shí)）X射線(xiàn)的根本原因：內(nèi)層電子的躍遷射線(xiàn)的根本原因：內(nèi)層電子的躍遷激發(fā)源：高速電子、質(zhì)子、中子、激發(fā)源：高速電子、質(zhì)子、中子、 X射線(xiàn)射線(xiàn);每種元素都有特定波長(zhǎng)的標(biāo)識(shí)每種元素都有特定波長(zhǎng)的標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)：射線(xiàn)：X射線(xiàn)光譜分

22、析的原理射線(xiàn)光譜分析的原理341.5 X射線(xiàn)與固體物質(zhì)相互作用內(nèi)層電子外層電子、價(jià)電子、自由電子真吸收35T2-18 X射線(xiàn)衰減X X射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)的吸收1. X射線(xiàn)的吸收與吸收系數(shù)射線(xiàn)的吸收與吸收系數(shù)36X射線(xiàn)衰減規(guī)律It37mm = m m / cm2/g 質(zhì)量吸收系數(shù)：物質(zhì)固有值質(zhì)量吸收系數(shù)：物質(zhì)固有值物理意義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)對(duì)物理意義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線(xiàn)的衰減量。與物質(zhì)密度和物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。射線(xiàn)的衰減量。與物質(zhì)密度和物質(zhì)狀態(tài)無(wú)關(guān)。m m:線(xiàn)吸收系數(shù)。線(xiàn)吸收系數(shù)。意義：在意義：在X射線(xiàn)傳播方向上，單位長(zhǎng)度上的射線(xiàn)傳播方向上，單位長(zhǎng)度上的X射線(xiàn)強(qiáng)度衰減程度射線(xiàn)強(qiáng)度衰減程度cm-1.與物質(zhì)種類(lèi)

23、、密度、與物質(zhì)種類(lèi)、密度、X射線(xiàn)波長(zhǎng)有關(guān)。射線(xiàn)波長(zhǎng)有關(guān)。mm K3Z338含多種元素物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)含多種元素物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)mmimim)(mm 為各元素的質(zhì)量百分比為各元素的質(zhì)量百分比生物體透視生物體透視工業(yè)產(chǎn)品探傷工業(yè)產(chǎn)品探傷應(yīng)用：應(yīng)用：39圖64 質(zhì)量吸收系數(shù)(jm)與 波長(zhǎng)(A)關(guān)系示意圖mm = m /mm K3Z3吸收限：（光電吸收）吸收限：（光電吸收）K系激發(fā)限：光電效應(yīng)系激發(fā)限：光電效應(yīng)2.二次特征輻射二次特征輻射 hc/ eVk=1.24/Vk= kkkkwhc/hWk = eVk逸出功逸出功光子能量光子能量403. 俄歇（俄歇（Auger）效應(yīng)）效應(yīng) k k k k-

24、 - LIILII k k- - LIILII- - LIILIIKLLKLL俄歇電子俄歇電子能量取決于原子能級(jí)結(jié)構(gòu)：元素特征值能量取決于原子能級(jí)結(jié)構(gòu)：元素特征值能量低：幾百電子伏特能量低：幾百電子伏特表面分析表面分析41物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X射線(xiàn)的吸收方式射線(xiàn)的吸收方式1.漫散射式：原子對(duì)漫散射式：原子對(duì)X射線(xiàn)的漫散射，向四周發(fā)散；極少一部分射線(xiàn)的漫散射，向四周發(fā)散；極少一部分2. 真吸收：電子在原子內(nèi)的遷移所引起的，真吸收：電子在原子內(nèi)的遷移所引起的， 是一個(gè)很大的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程（見(jiàn)前圖）。是一個(gè)很大的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程（見(jiàn)前圖）。這兩種吸收構(gòu)成由質(zhì)量吸收系數(shù)表征的全吸收。這兩種吸收構(gòu)成由質(zhì)量吸收系數(shù)表征

25、的全吸收。42圖65 按樣品的化學(xué)成分選靶（a）Z靶d透射區(qū)透射區(qū)背射區(qū)背射區(qū)128衍射花樣的指標(biāo)化衍射花樣的指標(biāo)化各衍射弧對(duì)各衍射弧對(duì)布格方程布格方程d d探知被測(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)探知被測(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)標(biāo)定每條衍射線(xiàn)的晶面指數(shù)（干涉指數(shù)）：標(biāo)定每條衍射線(xiàn)的晶面指數(shù)（干涉指數(shù)）：？不同晶系的指標(biāo)化方法是不同的。我們以立方晶系為例。（復(fù)習(xí)上次的內(nèi)容）不同晶系的指標(biāo)化方法是不同的。我們以立方晶系為例。（復(fù)習(xí)上次的內(nèi)容）指標(biāo)化指標(biāo)化222lkhahkld)(sin222422lkha129識(shí)別識(shí)別K 和和K 衍射線(xiàn)衍射線(xiàn)入射線(xiàn)的波長(zhǎng)入射線(xiàn)的波長(zhǎng)-根據(jù)布拉格方程：根據(jù)布拉格方程： ；入射線(xiàn)的強(qiáng)度：入射線(xiàn)

26、的強(qiáng)度：K 比比K 大大35倍，相應(yīng)的衍射線(xiàn)強(qiáng)度也大得多。這是鑒別倍，相應(yīng)的衍射線(xiàn)強(qiáng)度也大得多。這是鑒別K 、K 的重要依據(jù)。的重要依據(jù)。consantsinsin130三三 相機(jī)的分辨本領(lǐng)相機(jī)的分辨本領(lǐng)衍射花樣中兩條相鄰線(xiàn)條的分離程度來(lái)定量表征：晶面間距變化所引起衍射線(xiàn)條衍射花樣中兩條相鄰線(xiàn)條的分離程度來(lái)定量表征：晶面間距變化所引起衍射線(xiàn)條位置相對(duì)改變的靈敏程度。位置相對(duì)改變的靈敏程度。 與波長(zhǎng)的關(guān)系與波長(zhǎng)的關(guān)系tan2/RLorLdddd布拉格方程的微分布拉格方程的微分， 弧對(duì)間距弧對(duì)間距-布拉格角布拉格角222)(4sin1sin22ndnRR131三三 相機(jī)的分辨本領(lǐng)相機(jī)的分辨本領(lǐng) 相

27、機(jī)半徑相機(jī)半徑R越大，分辨本領(lǐng)越高；但曝光時(shí)間與空氣散射越大，分辨本領(lǐng)越高；但曝光時(shí)間與空氣散射 越大，越大，分辨本領(lǐng)越高：雙線(xiàn)分離分辨本領(lǐng)越高：雙線(xiàn)分離 越大，越大，分辨本領(lǐng)越高分辨本領(lǐng)越高d越大，越大，分辨本領(lǐng)越低：大晶胞分辨本領(lǐng)越低：大晶胞tan2R22)(42ndnR132圖69 對(duì)稱(chēng)背射塞曼。波林相機(jī)其他照相法133圖68 塞曼-波林相機(jī)134圖610 x射線(xiàn)測(cè)角儀 結(jié)構(gòu)示意圖4.3 衍射儀法測(cè)角儀構(gòu)造135圖611 測(cè)角儀聚焦幾何衍射花樣均來(lái)自與試樣表衍射花樣均來(lái)自與試樣表面平行的那些反射面的反面平行的那些反射面的反射射 -2-2 136圖612 正比計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖探測(cè)器的工作原

28、理137典型樣品的XRD衍射1384.5 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定2.誤差校正方法誤差校正方法圖解外推法圖解外推法最小二乘法最小二乘法1. 誤差來(lái)源分析誤差來(lái)源分析主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：139一、一般介紹點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定相關(guān)應(yīng)用：點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定相關(guān)應(yīng)用：固溶體：晶格常數(shù)隨溶質(zhì)濃度變化固溶體：晶格常數(shù)隨溶質(zhì)濃度變化溶質(zhì)含量；晶格中的位置溶質(zhì)含量；晶格中的位置熱膨脹系數(shù)：高溫相機(jī)熱膨脹系數(shù)：高溫相機(jī)相變過(guò)程、晶體缺陷相變過(guò)程、晶體缺陷 點(diǎn)陣常數(shù)變化很?。c(diǎn)陣常數(shù)變化很?。?0-5 nm）需精確測(cè)定需精確測(cè)定-？140點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定1.哪一條衍射線(xiàn)所確定的點(diǎn)陣常

29、數(shù)最接近值哪一條衍射線(xiàn)所確定的點(diǎn)陣常數(shù)最接近值?由布拉格方程可知，其精確度取決于由布拉格方程可知，其精確度取決于sin 精確度精確度,非非 141點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定1.哪一條衍射線(xiàn)所確定的點(diǎn)陣常數(shù)最接近值哪一條衍射線(xiàn)所確定的點(diǎn)陣常數(shù)最接近值?由布拉格方程可知，其精確度取決于由布拉格方程可知，其精確度取決于sin 精確度精確度,非非 布拉格方程微分分析：布拉格方程微分分析：不考慮波長(zhǎng)的誤差，有不考慮波長(zhǎng)的誤差，有對(duì)立方晶系物質(zhì)，有對(duì)立方晶系物質(zhì)，有 接近于接近于 90O是誤差接近于零。是誤差接近于零。 60O區(qū)域內(nèi)盡可能出現(xiàn)較多、強(qiáng)度較高衍射線(xiàn)區(qū)域內(nèi)盡可能出現(xiàn)較多、強(qiáng)度較高衍射

30、線(xiàn)cos2sin2ddctgddctgddaa142點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定2.實(shí)驗(yàn)中誤差實(shí)驗(yàn)中誤差 系統(tǒng)誤差：由實(shí)驗(yàn)條件所決定，隨某一函數(shù)有規(guī)則變化系統(tǒng)誤差：由實(shí)驗(yàn)條件所決定，隨某一函數(shù)有規(guī)則變化 偶然誤差：由于測(cè)量者的主觀判斷錯(cuò)誤及測(cè)量?jī)x表的偶然波動(dòng)或干擾引起，無(wú)固定變化規(guī)律。偶然誤差：由于測(cè)量者的主觀判斷錯(cuò)誤及測(cè)量?jī)x表的偶然波動(dòng)或干擾引起，無(wú)固定變化規(guī)律。多次測(cè)量降至最小。多次測(cè)量降至最小。點(diǎn)陣常數(shù)的確測(cè)定的兩個(gè)基本問(wèn)題：研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各系統(tǒng)誤差的來(lái)源及其性質(zhì)，并加以修正；點(diǎn)陣常數(shù)的確測(cè)定的兩個(gè)基本問(wèn)題：研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各系統(tǒng)誤差的來(lái)源及其性質(zhì)，并加以修正；關(guān)注高角度衍射線(xiàn)的測(cè)

31、量關(guān)注高角度衍射線(xiàn)的測(cè)量143點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定二、德拜二、德拜-謝樂(lè)法中系統(tǒng)誤差的來(lái)源謝樂(lè)法中系統(tǒng)誤差的來(lái)源相機(jī)半徑誤差相機(jī)半徑誤差底片收縮誤差底片收縮誤差試樣偏心誤差試樣偏心誤差試樣對(duì)試樣對(duì)X射線(xiàn)吸收誤差射線(xiàn)吸收誤差X射線(xiàn)折射誤差射線(xiàn)折射誤差144點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定二、德拜二、德拜-謝樂(lè)法的誤差誤差校正方法謝樂(lè)法的誤差誤差校正方法1.采用精密實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用精密實(shí)驗(yàn)技術(shù)2.應(yīng)用數(shù)學(xué)處理方法應(yīng)用數(shù)學(xué)處理方法圖解外推法圖解外推法最小二乘法最小二乘法1454.5 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定圖解外推法圖解外推法 分析德拜分析德拜-謝樂(lè)法中相機(jī)半徑誤差、底片收縮誤差、試樣偏心

32、誤差和試樣對(duì)謝樂(lè)法中相機(jī)半徑誤差、底片收縮誤差、試樣偏心誤差和試樣對(duì)X射線(xiàn)吸收誤射線(xiàn)吸收誤差可，知其綜合誤差為差可，知其綜合誤差為90cossin)(,RXRRSSACRS222cossincossincossin)90.(sin)(cossin)(KKctgRXRRSSRXRRSSdd（同一底片中各衍射線(xiàn)的各種誤差來(lái)源相同）（同一底片中各衍射線(xiàn)的各種誤差來(lái)源相同）1464.5 點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)的精確測(cè)定圖解外推法圖解外推法 對(duì)立方晶系物質(zhì)對(duì)立方晶系物質(zhì)2cosKddaa注意，欲得到較好的結(jié)果，需：注意，欲得到較好的結(jié)果，需：1.在在 =6090O之間有數(shù)目多、分布均勻的衍射線(xiàn)之間有

33、數(shù)目多、分布均勻的衍射線(xiàn)2.至少有一個(gè)很可靠的衍射線(xiàn)在至少有一個(gè)很可靠的衍射線(xiàn)在80O以上。以上。在滿(mǎn)足以上條件且角測(cè)量精度優(yōu)于在滿(mǎn)足以上條件且角測(cè)量精度優(yōu)于0.01度時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)二萬(wàn)分之一。度時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)二萬(wàn)分之一。147P78,題8h2+k2+l2sin2(theta)sin(theta)cos2(theta)da380.9114 0.9546730.08860.08075 0.497778400.9563 0.9779060.04370.078832 0.498576410.9761 0.9879780.02390.078028 0.499623420.998 0.9989990

34、.0020.077167 0.5001010.000.020.040.060.080.100.49700.49750.49800.49850.49900.49950.50000.5005a(nm)cos2(theta)0.50023nm題：題： 在德拜圖形上獲得了某簡(jiǎn)單立方物質(zhì)的如下四條衍射線(xiàn)，所給出的在德拜圖形上獲得了某簡(jiǎn)單立方物質(zhì)的如下四條衍射線(xiàn)，所給出的sin2 數(shù)值均數(shù)值均為為CuK 1衍射的結(jié)果。試用衍射的結(jié)果。試用“a-cos2 ”圖解外推法確定晶格常數(shù)，有效數(shù)字為圖解外推法確定晶格常數(shù)，有效數(shù)字為4位。位。P78,題8系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差偶然誤差：偶然誤差： 最佳直線(xiàn)的技巧最佳直線(xiàn)的

35、技巧1482. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1492. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1502. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1512. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1.將將n組實(shí)驗(yàn)值的組實(shí)驗(yàn)值的x和和y代入關(guān)系式，代入關(guān)系式，得到含常數(shù)得到含常數(shù)a和和b的的n個(gè)方程；個(gè)方程；2.將將a的系數(shù)乘的系數(shù)乘n個(gè)方程后相加，得個(gè)方程后相加，得第一正則方程；第一正則方程；3.將將b的系數(shù)乘的系數(shù)乘n個(gè)方程后相加，得個(gè)方程后相加，得第二正則方程；第二正則方程；1522. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差

36、平方和最小。1532. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1542. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1552. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1562. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。1572. 最小二乘法最小二乘法誤差平方和最小。誤差平方和最小。158習(xí)題有關(guān)參數(shù)（CuK1、CuK2特征輻射的波長(zhǎng)分別為1.54051和1.54433）CrK1、 CrK2的波長(zhǎng)分別為2.28962、2.29351 單位：埃159引言引言我們熟悉的：材料的元素組成及其含量的分析我們熟悉的：材料的元素組成及其含量的分析 化學(xué)分析（

37、光譜、化學(xué)分析（光譜、X射線(xiàn)熒光分析）射線(xiàn)熒光分析）本章：分析物質(zhì)是有哪些本章：分析物質(zhì)是有哪些“相相”組成組成-物相分析物相分析 元素的結(jié)合狀態(tài)和相的狀態(tài)元素的結(jié)合狀態(tài)和相的狀態(tài) 如：同素異構(gòu)體：如：同素異構(gòu)體： 氧化鋁氧化鋁什么是物相？什么是物相？為什么能夠進(jìn)行物相分析？為什么能夠進(jìn)行物相分析？ 第五章第五章 X射線(xiàn)衍射物相分析射線(xiàn)衍射物相分析160 第五章第五章 X射線(xiàn)衍射物相分析射線(xiàn)衍射物相分析物相：材料中一種結(jié)晶物質(zhì)稱(chēng)為一個(gè)相（廣義，包括均勻非晶態(tài)物質(zhì)）物相分析原理：物相分析原理：衍射線(xiàn)位置：晶胞形狀與大?。ㄑ苌渚€(xiàn)位置：晶胞形狀與大?。╠hkl）; 強(qiáng)度：晶胞內(nèi)原子的種類(lèi)、數(shù)目及排列

38、方強(qiáng)度：晶胞內(nèi)原子的種類(lèi)、數(shù)目及排列方式式 XRD-晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)每種晶態(tài)物質(zhì)有其特有的結(jié)構(gòu)，因而有其獨(dú)特的衍射花樣每種晶態(tài)物質(zhì)有其特有的結(jié)構(gòu)，因而有其獨(dú)特的衍射花樣試樣含多種物相時(shí)，其衍射花樣同時(shí)出現(xiàn)，不會(huì)相互干涉試樣含多種物相時(shí)，其衍射花樣同時(shí)出現(xiàn)，不會(huì)相互干涉混合物中某相的衍射強(qiáng)度取決于其試樣中的相對(duì)含量混合物中某相的衍射強(qiáng)度取決于其試樣中的相對(duì)含量161定性分析定性分析步驟：步驟：獲得XRD譜，得到d, I；查閱索引查閱索引；核對(duì)卡片索引：卡片：JCPDS(The Joint Committee on Powder Diffraction Standards)：104字順?biāo)饕猪標(biāo)饕?/p>

39、(Alphabetical Index)戴維無(wú)機(jī)索引Hanawalt MethodFink Method162CAR163定性分析過(guò)程中注意事項(xiàng)定性分析過(guò)程中注意事項(xiàng)面間距面間距d值比相對(duì)強(qiáng)度重要（擇優(yōu)取向）值比相對(duì)強(qiáng)度重要（擇優(yōu)取向）低角度所得的低角度所得的d值誤差大一些值誤差大一些多相混合的衍射線(xiàn)條可能會(huì)有重疊現(xiàn)象（低角度線(xiàn)條比高角度重疊機(jī)會(huì)較少）多相混合的衍射線(xiàn)條可能會(huì)有重疊現(xiàn)象（低角度線(xiàn)條比高角度重疊機(jī)會(huì)較少）混合物中某相含量很少或其各晶面反射能力很弱時(shí)，可能難于顯示其衍射線(xiàn)條?；旌衔镏心诚嗪亢苌倩蚱涓骶娣瓷淠芰苋鯐r(shí)，可能難于顯示其衍射線(xiàn)條。（探測(cè)極限）（探測(cè)極限）有時(shí)需與其它分

40、析手段結(jié)合，綜合分析考慮有時(shí)需與其它分析手段結(jié)合，綜合分析考慮164物相定量分析物相定量分析基本原理物相定量分析基本原理定量分析任務(wù)：確定混合物中各相的相對(duì)含量。定量分析任務(wù)：確定混合物中各相的相對(duì)含量。衍射理論指出，各相衍射線(xiàn)條的強(qiáng)度隨該相在混合物中相對(duì)含量的增加而增強(qiáng)。衍射理論指出，各相衍射線(xiàn)條的強(qiáng)度隨該相在混合物中相對(duì)含量的增加而增強(qiáng)。能否直接測(cè)量衍射峰的面積來(lái)求物相濃度？否。能否直接測(cè)量衍射峰的面積來(lái)求物相濃度？否。所測(cè)得的衍射強(qiáng)度所測(cè)得的衍射強(qiáng)度I I 是經(jīng)試樣吸收之后表現(xiàn)出來(lái)的，即衍射強(qiáng)度還強(qiáng)烈依賴(lài)于吸收系數(shù)是經(jīng)試樣吸收之后表現(xiàn)出來(lái)的，即衍射強(qiáng)度還強(qiáng)烈依賴(lài)于吸收系數(shù)m ml，而吸收

41、系數(shù)也依賴(lài)于相濃度而吸收系數(shù)也依賴(lài)于相濃度C C ，故欲測(cè)，故欲測(cè) 相含量相含量C C 必須明確必須明確I I 、C C 、m ml之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。165物相定量分析m21cossin2cos1322222034240mePFVVRcmeII物相定量分析基本原理物相定量分析基本原理m21cossin2cos113222222034240mjjePFVVvRcmeII多相混合時(shí)，多相混合時(shí)，V Vj j=V=V* *v vj jmjjjvBCI mjjjjBCIm/只有在待測(cè)試樣是由同素已構(gòu)體組成的情況下，才呈線(xiàn)性關(guān)系只有在待測(cè)試樣是由同素已構(gòu)體組成的情況下，才呈線(xiàn)性關(guān)系166直接對(duì)比法

42、直接對(duì)比法外標(biāo)法：將所需分析物相的純物質(zhì)另外單獨(dú)標(biāo)定，然后與多相混合物中待測(cè)相的外標(biāo)法：將所需分析物相的純物質(zhì)另外單獨(dú)標(biāo)定，然后與多相混合物中待測(cè)相的相應(yīng)衍射線(xiàn)強(qiáng)度相比較（原則上使用于兩相）相應(yīng)衍射線(xiàn)強(qiáng)度相比較（原則上使用于兩相）內(nèi)標(biāo)法：在待測(cè)試樣中摻入一定含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，把試樣中待測(cè)相的某根衍射線(xiàn)內(nèi)標(biāo)法：在待測(cè)試樣中摻入一定含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，把試樣中待測(cè)相的某根衍射線(xiàn)強(qiáng)度與摻入試樣中含量已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的某根衍射線(xiàn)強(qiáng)度相比較，從而獲得待測(cè)強(qiáng)度與摻入試樣中含量已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的某根衍射線(xiàn)強(qiáng)度相比較，從而獲得待測(cè)相含量（多于兩相，質(zhì)量吸收系數(shù)不同）相含量（多于兩相，質(zhì)量吸收系數(shù)不同）K值法（基體沖洗法）：內(nèi)標(biāo)法的一種，但不需繪制定標(biāo)曲線(xiàn)值法（基體沖洗法）