《材料現(xiàn)代分析技術》實驗指導書

一、試驗目的了解掃描電鏡的根本構造和工作原理，把握掃描電鏡的功能和用途；了解能譜儀的根本構造、原理和用途；了解掃描電鏡對樣品的要求以及如何制備樣品。二、試驗原理〔一〕掃描電鏡的工作原理和構造掃描電鏡的工作原理工作原理：掃描電子顯微鏡利用聚焦得格外細的高能電子束在試樣上掃描，與樣品相互作用產(chǎn)生各種物理信號〔X射線電子等，這些信號30KeV〔1-10nm〕〔。入射電子與樣品物質相互作用產(chǎn)生二次電子，背反射電子，X樣品射線等信號。二次電子收集極可將向各方向放射的二次電子集合起現(xiàn)一幅亮暗程度不同的反映樣品外表形貌的二次電子圖像。電子束與樣品的相互作用具有高能量的入射電子束轟擊樣品外表時，入射電子束和樣品間發(fā)生相互作用，將有991％的入射電子束能量將從樣品中激發(fā)多種物理信號?！?〕二次電子：被入射電子轟擊出來的核外電子。原子核和外層價電子間的結合能很小結合能的能量后，可脫離原子成為自由電子，即二次電子，這種散射過程發(fā)生在樣品外表10nm左右深度范圍內。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它對試樣外表狀態(tài)格外敏感，能有效地顯示試樣外表的微觀形貌?！?〕背散射電子：被樣品原子反射回來的一局部入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子，其能量接近入射電子。100nm～1μm發(fā)出彈性背反射電子是指被樣品中原子反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其占的份額多。背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背反射電子作為成像信號不僅能分析貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度。X射線：是原子的內層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。X500nm-5μm俄歇電子：假設原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。一般從距樣品外表幾?掃描電鏡的構造掃描電鏡由電子光學系統(tǒng)，信號收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。電子光學系統(tǒng)掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號的激發(fā)源。電子槍其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束〔LaB6〕1nm。電磁透鏡其作用主要是把電子槍的束斑漸漸縮小成數(shù)nm的細小束斑。一般有三個聚光鏡，前兩該透鏡下方放置樣品可避開磁場對二次電子軌跡的干擾。掃描線圈其作用是供給入射電子束在樣品外表上以及陰極射線管內電子束在熒光屏上的同步掃掃描電鏡的一個重要組件，它一般放在最終二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內。樣品室樣品室中主要部件是樣品臺。它能進展三維空間的移動，還能傾斜和轉動。信號收集及顯示系統(tǒng)其作用是檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號由閃耀體，光導管和光電倍增器所組成。當信號電子進入閃耀體時將引起電離；當離子與像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是依據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調制映樣品外表狀態(tài)的調制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉換成一幅與樣品外表特征全都的放大的掃描像。真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)從電子槍到樣品外表之間的整個電子路徑都必需保持真空狀態(tài)高的真空度?！捕衬茏V儀的工作原理和構造能量色散譜儀簡稱能譜儀〔EDS〕，為掃描電鏡或透射電鏡普遍應用的附件。它與主機學成分。原理能譜儀是利用不同元素X光量子的能量不同來進展元素分析的方法。不同元素的特征XX坐標表示X〔反映元素種類〕；縱坐標表示具有該能量的X〔反映元素的含量〕，也稱譜線強度就得到了能譜曲線。能譜儀構造：半導體探頭、多道脈沖高度分析器〔MCA〕X來了很大的負擔?，F(xiàn)在市面上推出了一些不需要液氮維護的探測器。不同元素的X光量子經(jīng)探頭接收多道脈沖高度分析器〔MCA〕作用在于將主放大器輸出的，具有不同幅值的電壓脈沖〔對應于不同的X光子能量〕按其能量大小進展分類和統(tǒng)計，將結果送入存儲器或輸出給計算機。缺點Si(Li)探測器目前大多還需長期連續(xù)保持在液氮的低溫下工作和運行。能譜儀的區(qū)分本領差，常常有譜線重疊現(xiàn)象，特別在低能局部。定量分析尚存在一些問題，當含量大于205％；在低含量時，分析準確度很差?！踩硺悠芬笈c制備樣品要求樣品可以為粉體、薄膜、片狀、塊狀等。有磁性的樣品可能會對儀器有所損害，而且圖像質量不佳，一般狀況下對強磁性的樣品不賜予測試。樣品測試前確定要充分枯燥，不能含有有機溶劑和水等雜質。不能導電的樣品最好鍍金以防止放電產(chǎn)生和得到虛假的圖像。樣品制備以直接進展觀看。但在有些狀況下需對樣品進展必要的處理。樣品外表銹蝕或嚴峻氧化，承受化學清洗或電解的方法處理。清洗時可能會失去一些外表形貌特征的細節(jié)，操作過程中應當留意。對于不導電的樣品，觀看前需在外表噴鍍一層導電金屬如鉑或金，鍍膜厚度把握5-10nm〔四〕掃描電鏡和能譜儀的功能和用途各種固體材料〔如金屬，陶瓷，聚合物，半導體等〕的外表形貌分析，微區(qū)成分分析。三、試驗儀器與試劑試驗儀器：JEOLJSM-6700F場放射掃描電子顯微鏡，OXFORDEDS-7401能譜儀試驗材料：無機材料如氧化鋅、二氧化鈦等四、試驗步驟樣品制備將樣品送入電鏡樣品室，抽真空；觀看樣品的形貌，并進展成分分析；測試完畢，保存數(shù)據(jù)，取出樣品。五、試驗報告的內容與要求掃描電鏡和能譜儀的根本工作原理掃描電鏡和能譜儀的功能對兩個樣品的掃描電鏡圖和能譜圖和測試結果進展分析

試驗二X射線衍射原理與材料物相分析學習了解X射線衍射儀的構造和工作原理；把握X射線衍射物相定性分析的方法和步驟；學會用PDF〔ASTM〕卡片及索引以及JADE軟件對多相物質進展物相分析X每一種結晶物質都有各自獨特的化學組成和晶體構造。沒有任何兩種物質，它們的晶胞大小、質點種類及其在晶胞中的排列方式是完全全都的。因此，當X射線被晶體衍射時，每一種結晶物質都有自己獨特的衍射把戲d和衍射線的相對強度I／I1來表征。其中晶面間距d與晶胞的外形和大小有關，相對強度則與質點的種dI／I1是其晶體構造的必定反映，因而可以依據(jù)它們來鑒別結晶物質的物相。依據(jù)晶體對X射線衍射峰的位置、強度及數(shù)量來鑒定結晶物質之物相的方法，就是X射線物相分析法。三.試驗儀器及其構造本試驗使用的儀器是日本理學D/max-2500XX射線衍射儀主要由X射線發(fā)生器〔X射線管、測角儀、X射線探測器、計算機把握處理系統(tǒng)等組成。衍射儀的構造如以以以以下圖所示。1.X射線 管X,由陰極燈絲、陽極、聚焦罩等組成,功率大局部在1～2X射線管又稱旋轉陽極靶,其功率比密閉式大很多倍,一般為12～60千瓦。常用的X射線靶材有W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X1×10平方毫米,3～6度。選擇陽極靶的根本要求：盡可能避開靶材產(chǎn)生的特征X射線激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射把戲的背底，使圖樣清楚。測角儀測角儀是粉末X射線衍射儀的核心部件，主要由索拉光闌、發(fā)散狹縫、接收狹縫、防散射狹縫、樣品座及閃耀探測器等組成。衍射儀一般利用線焦點作為XSSX射線，其水平方向的發(fā)散角被第一個狹縫限制之后，照耀試樣，這個狹縫稱為發(fā)散狹縫(DS)。從試樣上衍射的X射線束，F(xiàn)(RS)。第三個狹縫是防止空氣散射X射線進入計數(shù)管，稱為防散射狹縫(SS)。SSDS配對，生產(chǎn)廠供給與發(fā)散狹縫的放射角一樣的防散射狹縫。S1、S2稱為索拉狹縫，是由一組等間距相互平行的薄金屬片組成，它限制入射X射線和衍射線的垂直方向發(fā)散。索拉狹縫裝在叫做索拉狹縫盒的框架里。這個框架兼作其他狹縫插座用，即插入DS，RS和SS。RS DS SS 濾波片 X射線探測記錄裝置衍射儀中常用的探測器是閃耀計數(shù)器(SC)X射線能在某些固體物質(磷光體)和計數(shù)器吸取的X光子能量成正比，因此可以用來測量衍射線的強度。閃耀計數(shù)管的發(fā)光體一般是用微量鉈活化的碘化鈉(NaI)單晶體。這種晶體經(jīng)X射線激增管的光電面(光陰極)而發(fā)出光電子(一次電子)10個左右的聯(lián)極構成，出幾個毫伏的脈沖。計算機把握、處理裝置d值計算，衍射峰強度計算等。四.樣品制備X則樣品制備方法也不同。粉末樣品44微米(350目)，定量分析時應將試樣研細至10微米左右。較便利地確定10致為10微米。依據(jù)粉末的數(shù)量可壓在玻璃制的通框或淺框中。壓制時一般不加粘結劑，所在玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。塊狀樣品鋁樣品支架外表平齊。微量樣品〔切割單晶硅樣品支架時使其外表不滿足衍射條件散均勻，待乙醇完全揮發(fā)后即可測試。薄膜樣品將薄膜樣品剪成適宜大小，用膠帶紙粘在玻璃樣品支架上即可。五.樣品測試開機前的預備和檢查X光管窗口應關閉，管電流管電壓表指示應在最小位置；接通總電源，接通穩(wěn)壓電源。開機操作開啟衍射儀總電源，啟動循環(huán)水泵；待數(shù)分鐘后，接通X光管電源。緩慢上升管電壓、管電流至需要值。翻開計算機X射線衍射儀應用軟件，設置適宜的衍射條件及參數(shù)，開頭樣品測試。停機操作測量完畢，緩慢降低管電流、管電壓至最小值，關閉X光管電源；取出試樣；15分鐘后關閉循環(huán)水泵,關閉水源；關閉衍射儀總電源、穩(wěn)壓電源及線路總電源。數(shù)據(jù)處理測試完畢后，可將樣品測試數(shù)據(jù)存入磁盤供隨時調出處理。原始數(shù)據(jù)需經(jīng)過曲線平滑，Ka2扣除，譜峰查找等數(shù)據(jù)處理步驟，最終打印出待分析試樣衍射曲線和d值、2θ、強度、衍射峰寬等數(shù)據(jù)供分析鑒定。X射線衍射物相定性分析方法有以下幾種：三強線法〔2θ＜900d值按強度遞減的次序排列。在數(shù)字索引中找到對應的d1(最強線的面間距〕組。按次強線的面間距d2找到接近的幾列。檢查這幾列數(shù)據(jù)中的第三個d值是否與待測樣的數(shù)據(jù)對應，再查看第四至第八強線數(shù)據(jù)并進展比照，最終從中找出最可能的物相及其卡片號。dI/I1物相鑒定即告完成?！?〕～〔5〕的檢索手續(xù)。如為多相物質，當找出第一物相之后，可將其線條剔出，并將留下線條的強度重歸一化，再按過程〔1〕～〔