現(xiàn)代材料分析方法

1、現(xiàn)代材料分析方法期末試卷1三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）掃描電鏡的分辨率和哪些因素有關(guān)？為什么？和所用的信號(hào)種類和束斑尺寸有關(guān)，因?yàn)椴煌盘?hào)的擴(kuò)展效應(yīng)不同，例如二次電子產(chǎn)生的 區(qū)域比背散射電子小。束斑尺寸越小，產(chǎn)生信號(hào)的區(qū)域也小，分辨率就高。原子力顯微鏡的利用的是哪兩種力，又是如何探測(cè)形貌的？ 范德華力和毛細(xì)力。 以 上兩種力可以作用在探針上，致使懸臂偏轉(zhuǎn)，當(dāng)針尖在樣品上方掃描時(shí)，探測(cè)器可實(shí)時(shí)地檢 測(cè)懸臂的狀態(tài)，并將其對(duì)應(yīng)的表面形貌像顯示紀(jì)錄下來。 在核磁共振譜圖中出現(xiàn)多重峰的原因是什么？多重峰的出現(xiàn)是由于分子中相鄰氫核自 旋互相偶合造成的。在外磁場(chǎng)中，氫核有兩種取向，與外磁場(chǎng)同向的起增強(qiáng)外

2、場(chǎng)的作用， 與外磁場(chǎng)反向的起減弱外場(chǎng)的作用。根據(jù)自選偶合的組合不同，核磁共振譜圖中出現(xiàn)多重 峰的數(shù)目也有不同，滿足“n+1”規(guī)律什么是化學(xué)位移，在哪些分析手段中利用了化學(xué)位移？ 同種原子處于不同化學(xué)環(huán)境 而引起的電子結(jié)合能的變化，在譜線上造成的位移稱為化學(xué)位移。在XPS、俄歇電子能譜、 核磁共振等分析手段中均利用化學(xué)位移。拉曼光譜的峰位是由什么因素決定的，試述拉曼散射的過程。拉曼光譜的峰位是由分 子基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)差決定的。在拉曼散射中，若光子把一部分能量給樣品分子，使一 部分處于基態(tài)的分子躍遷到激發(fā)態(tài)，則散射光能量減少，在垂直方向測(cè)量到的散射光中，可 以檢測(cè)到頻率為（vO- A v）的譜線

3、，稱為斯托克斯線。相反，若光子從樣品激發(fā)態(tài)分子中 獲得能量，樣品分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，則在大于入射光頻率處可測(cè)得頻率為（V0+ v） 的散射光線，稱為反斯托克斯線四、問答題 （10分）說明阿貝成像原理及其在透射電鏡中的具體應(yīng)用方式。答：阿貝成像原理（5分）：平行入射波受到有周期性特征物體的散射作用在物鏡的后焦面上形成 衍射譜，各級(jí)衍射波通過干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。在透射電鏡中的具 體應(yīng)用方式（5分）。利用阿貝成像原理，樣品對(duì)電子束起散射作用，在物鏡的后焦面上可 以獲得晶體的衍射譜，在物鏡的像面上形成反映樣品特征的形貌像。當(dāng)中間鏡的物面取在物 鏡后焦面時(shí)，則將衍射譜放大，則在熒光

4、屏上得到一幅電子衍射花樣；當(dāng)中間鏡物面取在物 鏡的像面上時(shí)，則將圖像進(jìn)一步放大,這就是電子顯微鏡中的成像操作。五、計(jì)算題（10分） 用CuKa X射線（X=0.15405nm）的作為入射光時(shí)，某種氧化鋁的樣品的XRD圖譜如下, 譜線上標(biāo)注的是2。的角度值，根據(jù)譜圖和PDF卡片判斷該氧化鋁的類型，并寫出XRD物 相分析的一般步驟。答：確定氧化鋁的類型（5分）根據(jù)布拉格方程2dsin 0 =n X ,d= X /（2sin 0 ）對(duì)三強(qiáng)峰進(jìn)行計(jì)算：0.2090nm,0.1604nm,0.2588nm,與卡片 10-0173 a-AI2O3符合，進(jìn)一步比對(duì)其他衍射峰的結(jié)果可以確定是a -Al203o

5、 XRD物相分析的一 般步驟。（5分） 測(cè)定衍射線的峰位及相對(duì)強(qiáng)度1/11： 再根據(jù)2dsin 0 =n X求出對(duì)應(yīng)的 面間距d值。 （1）以試樣衍射譜中三強(qiáng)線面間距d值為依據(jù)查Hanawalt索引。 按索引給出的卡片號(hào)找出幾張可能的卡片，并與衍射譜數(shù)據(jù)對(duì)照。（3）如果試樣譜線與卡 片完全符合，則定性完成。六、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分） 1,透射電鏡中如何獲 得明場(chǎng)像、暗場(chǎng)像和中心暗場(chǎng)像？答：如果讓透射束進(jìn)入物鏡光闌，而將衍射束擋掉，在成像模式下，就得到明場(chǎng)象。如果把物鏡光闌孔套住一個(gè)衍射斑，而把透射束擋掉，就得 到暗場(chǎng)像，將入射束傾斜，讓某一衍射束與透射電鏡的中心軸平行，旦通過物鏡光闌就得

6、到 中心暗場(chǎng)像。簡(jiǎn)述能譜儀和波譜儀的工作原理。答：能量色散譜儀主要由Si（Li）半導(dǎo)體探測(cè)器、在電 子束照射下，樣品發(fā)射所含元素的熒光標(biāo)識(shí)X射線，這些X射線被Si（Li）半導(dǎo)體探測(cè)器吸 收，進(jìn)入探測(cè)器中被吸收的每一個(gè)X射線光子都使硅電離成許多電子一空穴對(duì)，構(gòu)成一個(gè)電流脈沖，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，脈沖高度與被吸收的光子能量成正比。最后得到以能 量為橫坐標(biāo)、強(qiáng)度為縱坐標(biāo)的X射線能量色散譜。在波譜儀中，在電子束照射下，樣品發(fā)出所含元素的特征x射線。若在樣品上方水平放置一塊具有適當(dāng)晶面間距d的晶體，入 射X射線的波長(zhǎng)、入射角和晶面間距三者符合布拉格方程時(shí)，這個(gè)特征波長(zhǎng)的X射線就會(huì) 發(fā)生強(qiáng)烈衍射。波譜

7、儀利用晶體衍射把不同波長(zhǎng)的X射線分開，即不同波長(zhǎng)的X射線將在 各自滿足布拉格方程的20方向上被檢測(cè)器接收，最后得到以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)、強(qiáng)度為縱坐 標(biāo)的X射線能量色散譜。3.電子束與試樣物質(zhì)作用產(chǎn)生那些信號(hào)？說明其用途。（1） 二次電子。當(dāng)入射電子和樣品中原子的價(jià)電子發(fā)生非彈性散射作用時(shí)會(huì)損失其部分能量 （約3050電子伏特），這部分能量激發(fā)核外電子脫離原子，能量大于材料逸出功的價(jià)電子 可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。二次電子對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏 感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。（2）背散射電子。背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子。既包括與樣品中原子核作用而

8、形成的彈性背散射電子，又 包括與樣品中核外電子作用而形成的非彈性散射電子。利用背反射電子作為成像信號(hào)不僅能 分析形貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度，進(jìn)行定性成分分析。（3） X射線。當(dāng)入射電子和原子中內(nèi)層電子發(fā)生非彈性散射作用時(shí)也會(huì)損失其部分能量（約幾百電子伏特），這 部分能量將激發(fā)內(nèi)層電子發(fā)生電離，失掉內(nèi)層電子的原子處于不穩(wěn)定的較高能量狀態(tài)，它們 將依據(jù)一定的選擇定則向能量較低的量子態(tài)躍遷，躍遷的過程中將可能發(fā)射具有特征能量的 x射線光子。由于x射線光子反映樣品中元素的組成情況，因此可以用于分析材料的成分。 七、問答題 1.根據(jù)光電方程說明X射線光電子能譜（XPS）的工作原理。（5分） 以

9、 MgKa射線（能量為1253.8eV）為激發(fā)源，由譜儀（功函數(shù)4eV）測(cè)某元素電子動(dòng)能為981.5eV, 求此元素的電子結(jié)合能o （5分）答：在入射X光子的作用下，核外電子克服原子核和樣 品的束縛，逸出樣品變成光電子。入射光子的能量hu被分成了三部分：（1）電子結(jié)合能EB；（2）逸出功（功函數(shù)）S和（3）自由電子動(dòng)能Ek。hu= EB + EK+OS因此，如果知 道了樣品的功函數(shù)，則可以得到電子的結(jié)合能。X射線光電子能譜的工資原理為，用一束單 色的X射線激發(fā)樣品，得到具有一定動(dòng)能的光電子。光電子進(jìn)入能量分析器，利用分析器 的色散作用，可測(cè)得起按能量高低的數(shù)量分布。由分析器出來的光電子經(jīng)倍增器

10、進(jìn)行信號(hào)的 放大，在以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示、記錄，得到XPS譜圖，根據(jù)以上光電方程，求出電子的結(jié)合 能，進(jìn)而判斷元素成分和化學(xué)環(huán)境。 此元素的結(jié)合能EB = h u - EK 中S = 1253.8-981.5-4=268.3eV 2.面心立方結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因子和消光規(guī)律是什么？ （8分）如果 電子束沿面心立方的【100】晶帶軸入射，可能的衍射花樣是什么，并對(duì)每個(gè)衍射斑點(diǎn)予以 標(biāo)注？（7分）二、名詞解釋名詞解釋名詞解釋名詞解釋（每小題4分 共20分） 1.標(biāo) 識(shí)X射線和熒光X射線： 標(biāo)識(shí)X射線：只有當(dāng)管電壓超過一定的數(shù)值時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，旦波 長(zhǎng)與X射線管的管電壓、管電流等工作條件無關(guān)，只決定于陽極材料，這種

11、X射線稱為標(biāo)識(shí) X射線。 熒光X射線：因?yàn)楣怆娢蘸?，原子處于高能激發(fā)態(tài)，內(nèi)層出現(xiàn)了空位，外層 電子往此躍遷，就會(huì)產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線這種由X射線激發(fā)出的X射線稱為熒光X射線。2.布拉格角和衍射角布拉格角：入射線與晶面間的交角。衍射角：入射線與衍射線的交角。背散射電子和透射電子 背散射電子：電子射入試樣后，受到原子的彈性和非彈性散射， 有一部分電子的總散射角大于90o,重新從試樣表面逸出，稱為背散射電子。透射電子：當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時(shí)，入射電子將穿透試樣，從另一表面射出，稱為透射 電子。4.差熱分析法和示差掃描量熱法差熱分析法：把試樣和參比物置于相同的加 熱條件下，測(cè)定兩者的溫度差對(duì)溫

12、度或時(shí)間作圖的方法。示差掃描量熱法：把試樣和參比 物置于相同的加熱條件F，在程序控溫F，測(cè)定試樣與參比物的溫差保持為零時(shí)，所需要的能量對(duì)溫度或時(shí)間作圖的方法。5.紅外吸收光譜和激光拉曼光譜紅外吸收光譜和激光拉曼光譜：物質(zhì)受光的作用時(shí)，當(dāng)分子或原子基團(tuán)的振動(dòng)與光發(fā)生共振，從而產(chǎn)生對(duì)光 的吸收，如果將透過物質(zhì)的光輻射用單色器色散，同時(shí)測(cè)量不同波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，得到吸收 光譜。如果光源是紅外光，就是紅外吸收光譜；如果光源是單色激光，得到激光拉曼光譜。三、問答題（共40分）1.X射線衍射的幾何條件是d、。、人必須滿足什么公式？寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說明d、。、X的意義。（5分） 答：.X射線衍射的幾何條件是

13、d、。、人必須滿足布拉格公式。（1分）其數(shù)學(xué)表達(dá)式：2dsin 0 = X （1分）其 中d是晶體的晶面間距。（1分）。是布拉格角，即入射線與晶面間的交角。（1分）X是 入射X射線的波長(zhǎng)。（1分）2.在X射線衍射圖中，確定衍射峰位的方法有哪幾種？各適用于什么情況？（ 7分）答：（1）.峰頂法：適用于線形尖銳的情況。（1分）（2）.切線法：適用于線形頂部平坦，兩側(cè)直線性較好的情況。（1分）（3）.半高寬中點(diǎn)法：適 用于線形頂部平坦，兩側(cè)直線性不好的情況。（1分）（4） .7/8高度法：適用于有重疊峰 存在，但峰頂能明顯分開的情況。（1分）（5） .中點(diǎn)連線法：（1分） （6）.拋物線擬 合法：適

14、用于衍射峰線形漫散及雙峰難分離的情況。（1分）（7）.重心法：干擾小，重復(fù) 性好，但此法計(jì)算量大，宜配合計(jì)算機(jī)使用。（1分）3.為什么說d值的數(shù)據(jù)比相對(duì)強(qiáng)度的 數(shù)據(jù)更重要？（ 2分） 答：由于吸收的測(cè)量誤差等的影響，相對(duì)強(qiáng)度的數(shù)值往往可以 發(fā)生很大的偏差，而d值的誤差一般不會(huì)太大。因此在將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與卡片上的數(shù)據(jù)核對(duì)時(shí)， d值必須相當(dāng)符合，一般要到小數(shù)點(diǎn)后第二位才允許有偏差。4.二次電子是怎樣產(chǎn)生的？其主要特點(diǎn)有哪些？二次電子像主要反映試樣的什么特征？用什么襯度解釋？該襯度 的形成主要取決于什么因素？ （ 6分） 答：二次電子是單電子激發(fā)過程中被入射電子 轟擊出的試樣原子核外電子。（1分） 二次

15、電子的主要特征如下：（1）二次電子的能量小于50eV,主要反映試樣表面10nm層內(nèi)的狀態(tài)，成像分辨率高。（1分） （2）二次 電子發(fā)射系數(shù)$與入射束的能量有關(guān)，在入射束能量大于一定值后，隨著入射束能量的增加, 二次電子的發(fā)射系數(shù)減小。（1分） （3 ）二次電子發(fā)射系數(shù)8和試樣表面傾角0有關(guān)： 6 （ 0 ）= 6 O/cos 0 （1分） （4）二次電子在試樣上方的角分布，在電子束垂直試樣表面 入射時(shí)，服從余弦定律o （1分）二此電子像主要反映試樣表面的形貌特征，用形貌襯度來解釋，形貌襯度的形成主要取決于試樣表面相對(duì)于入射電子束的傾角。（1分）5.透射電鏡分析的特點(diǎn)？透射電鏡可用于對(duì)無機(jī)非金屬

16、材料進(jìn)行哪些分析？用透射電鏡觀察形貌時(shí)，怎樣制備試樣？（ 7分） 答：透射電 鏡分析的特點(diǎn)：高分辨率（r=0.104-0.25nm）（ 1分）高放大倍數(shù)（100-80萬倍）。（1分）透 射電鏡可用于對(duì)無機(jī)非金屬材料進(jìn)行以下分析 （1）.形貌觀察：顆粒（晶粒）形貌、表面 形貌。（1分）（2）.晶界、位錯(cuò)及其它缺陷的觀察。（1分） （3）.物相分析：選區(qū)、 微區(qū)物相分析，與形貌觀察相結(jié)合，得到物相大小、形態(tài)和分布信息。（1分）（4）.晶體 結(jié)構(gòu)和取向分析。（1分）透射電子顯微鏡觀察形貌時(shí)，制備復(fù)型樣品。（1分） 6.影響差熱分析的因素有哪些？并說明這些因素的影響怎樣？ （ 4分） 答：（1）.升溫

17、速 度:升溫速度快,峰形窄而尖;升溫速度慢，峰形寬而平，且峰位向后移動(dòng)。（1分）（2）.粒度和形狀：顆粒形狀不同，反應(yīng)峰形態(tài)亦不同。（1分）（3）.裝填密度：.裝填密度不同，導(dǎo)熱率不同。（1分）（4）.壓力與氣氛：壓力增大，反應(yīng)溫度向高溫移動(dòng)；壓力減小，反應(yīng)向低溫移動(dòng)。（1分）不同的氣氛會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)。7.紅外光的波長(zhǎng)X是多少？近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外的波長(zhǎng)X又是多少？紅外光譜分析常 用哪個(gè)波段？紅外光譜分析主要用于哪幾方面、哪些領(lǐng)域的研究和分析？ （ 5分）答: 紅外光的波長(zhǎng)X =0.771000 Um, （1分） 近紅外X =0.773.0 U m,中紅外入=3.030 um,遠(yuǎn)紅外X =

18、301000 u mo （1分） 紅外光譜分析常用中紅外區(qū)，更多地用2.525 um。（1分） 紅外光譜分析主要用于化學(xué)組成和物相分析，分子結(jié)構(gòu)研究：（1分） 較多的應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于無機(jī)化合物和礦物的鑒定開始較晚。（1分）8,表面分析可以得到哪些信息？（ 4分） 答：（1）.物質(zhì)表面層的化學(xué)成分，（1分）（2）.物質(zhì) 表面層元素所處的狀態(tài)，（1分）（3）.表面層物質(zhì)的狀態(tài)，（1分）（4）.物質(zhì)表面層的 物理性質(zhì)。（1分一、填空在光學(xué)系統(tǒng)中除衍射效應(yīng)影響其分辨本領(lǐng)外，像差的存在是影響透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素, 磁透鏡的像差主要有：（像散、球差、色差）X射線衍射儀是由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、探

19、測(cè)器、控制與記錄單元等組成的聯(lián)合裝置， 所用的試樣形狀是平板二、名詞解釋1、連續(xù)X射線：當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子（帶電粒子）與原子核內(nèi)電場(chǎng)作用而減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻 射，這種輻射所產(chǎn)生的X射線波長(zhǎng)是連續(xù)的,故稱之為。2、二次特征輻射（X射線熒光）：由X射線所激發(fā)出的二次特征X射線叫X射線熒光。二簡(jiǎn)答題1、提高復(fù)型樣品圖像的襯度用何方法？為什么？ 一般的情況，通過以一定的角度投影（蒸發(fā)） 密度較大的重金屬原子提高復(fù)型樣品圖像的襯度，如Cr、Au等o （3分）對(duì)于復(fù)型試樣來說，其襯度來源主要是質(zhì)厚襯度。復(fù)型膜試樣雖有一定的厚度差別，但由于 整個(gè)試樣的密度、質(zhì)量基本一樣，襯度很小。通過以一定的角度投影（蒸發(fā)）

20、密度較大的重金 屬原子，以增加試樣不同部位的密度、質(zhì)量的差別，從而大大改善圖像的襯度。（3分）2、區(qū)分密勒指數(shù)（晶面指數(shù)）與干涉晶面指數(shù)的異同點(diǎn)。答：干涉指數(shù)HKL與Miller指數(shù)hkl之間的關(guān)系有:H= nh , K = nk, L = nl不同點(diǎn)：（1）密勒指數(shù)是實(shí)際晶面的指數(shù)，而干涉晶面指數(shù)不一定；（2）干涉指數(shù)HKL與晶面指數(shù)（Miller指數(shù)）hkl之間的明顯差別是：干涉指數(shù)中有公約數(shù)。 而晶面指數(shù)只能是互質(zhì)的整數(shù)。相同點(diǎn)：當(dāng)干涉指數(shù)也互為質(zhì)數(shù)時(shí)，它就代表一族真實(shí)的晶面。所以說，干涉指數(shù)是晶面指數(shù)的推廣， 是廣義的晶面指數(shù)。四、問答題1、電子衍射形成的原理是什么？為何能進(jìn)行相分析？（8分）布拉格定律告訴我們，當(dāng)一束平行的相干電子波射向一晶體時(shí)，在滿足布拉格定律的情況下, 將會(huì)產(chǎn)生一定的衍射，這些衍射線在通過透鏡后，在焦面上將會(huì)聚于一點(diǎn)。如果一個(gè)晶體同 時(shí)有幾族晶面產(chǎn)生衍射，在物鏡后焦面上均會(huì)聚成一些衍射斑點(diǎn)，這些衍射斑點(diǎn)經(jīng)后級(jí)透鏡 成像后就記錄下來，它們之間具有一定的規(guī)律，構(gòu)成一定的花樣，這就是我們所記錄的衍射