西南大學(xué)材料分析

西南大學(xué)材料分析西南大學(xué)材料分析 名詞解釋X射線相干散射與非相干散射答相干散射當(dāng)X射線與原子中 束縛較緊的內(nèi)層電子相撞時 電子振動時向四周發(fā)射電磁波的散射 過程 非相干散射當(dāng)X射線光子與束縛不大的外層電子或價電子或金屬晶體 中的自由電子相撞時的散射過程 光電子 熒光X射線以及俄歇電子光電子 熒光X射線以及俄歇電子 答光電子光電效應(yīng)中由光子激發(fā)所產(chǎn)生的電子 或入射光量子與物 質(zhì)原子中電子相互碰撞時被激發(fā)的電子 熒光X射線由X射線激發(fā)所產(chǎn)生的特征X射線 俄歇電子原子外層電子躍遷填補(bǔ)內(nèi)層空位后釋放能量并產(chǎn)生新的空 位 這些能量被包括空位層在內(nèi)的臨近原子或較外層電子吸收 受 激發(fā)逸出原子的電子叫做俄歇電子 X射線吸收規(guī)律 線吸收系數(shù)答X射線吸收規(guī)律強(qiáng)度為I的特征X射線 在均勻物質(zhì)內(nèi)部通過時 強(qiáng)度的衰減與在物質(zhì)內(nèi)通過的距離x成比例 即 dI I dx 線吸收系數(shù)即為上式中的 指在X射線傳播方向上 單位長度上的 X射線強(qiáng)弱衰減程度 衍射矢量與倒易矢量答衍射矢量當(dāng)束X射線被晶面P反射時 假定N為 晶面P的法線方向 入射線方向用單位矢量S0表示 衍射線方向用單 位矢量S表示 則S S0為衍射矢量 倒易矢量從倒易點陣原點向任一倒易陣點所連接的矢量叫倒易矢量 表示為r Ha Kb L c 結(jié)構(gòu)因子答定量表征原子排布以及原子種類對衍射強(qiáng)度影響規(guī)律 的參數(shù) 即晶體結(jié)構(gòu)對衍射強(qiáng)度的影響因子焦深 指在保持影像較為 清晰的前提下 焦點 焦平面 沿著鏡頭光軸所允許移動的距離 二次電子二次電子入射電子從固體中直接擊出的的原子的核外電子 和激發(fā)態(tài)原子退回基態(tài)時產(chǎn)生的電子發(fā)射 前者叫二次電子 后者 叫特征二次電子質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度非晶樣品透射電子顯微圖像襯度 是由于樣品不同微區(qū)間存在的原子序數(shù)或厚度的差異而形成的 即 質(zhì)量厚度襯度 質(zhì)量厚度定義為試樣上表面單位面積以下柱體中的 質(zhì)量 也叫質(zhì)厚襯度明場像與暗場像明場像與暗場像在電子顯微 鏡中 用透明樣品的非散射電子以及在物鏡孔徑角區(qū)域內(nèi)的散射電 子的電子束對樣品所形成的像 在電子顯微鏡中 僅利用透過樣品的散射電子束對樣品所形成的像 球差球差亦稱球面像差 軸上物點發(fā)出的光束 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后 與光軸夾不同角度的光線 交光軸于不同位置 因此 在像面上形成一個圓形彌散斑 這就是 球差 一般是以實際光線在像方與光軸的交點相對于近軸光線與光軸交點 即高斯像點 的軸向距離來度量它 場深背散射電子場深背散射電子入射電子與固體作用后又離開固體 的總電子流 衍射襯度衍射襯度由于晶體對電子的衍射效應(yīng)而形成的襯度 熱分析 thermal analysis 熱分析 thermal analysis 是指用熱力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行分 析的方法 程序控制溫度 指按一定的速率升溫 或降溫 n Sind 2 Sinnd 2差熱分析 DTA 是指在程序控制溫度下測量物 質(zhì)和參比物的溫度差與溫度關(guān)系的技術(shù)參比物 或基準(zhǔn)物 中性體 指在分析溫度范圍內(nèi)不產(chǎn)生熱效應(yīng) 既不吸熱 也不放熱 的物 質(zhì) 差示掃描量熱法 DSC 差示掃描量熱法 DSC 差示掃描量熱法 DSC 是 在程序控制溫度下 測量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的 一種技術(shù) 熱重法 TG或TGA 熱重法 TG或TGA 在程序控溫下 測量物質(zhì)的 質(zhì)量與溫度關(guān)系的技術(shù) 簡答題1闡述多晶體X射線衍射強(qiáng)度影響因素及其應(yīng)用多重性因子等 同晶面對衍射強(qiáng)度的影響吸收規(guī)律試樣形狀和衍射方向的不同 衍 射線在試樣中穿行的路徑便不同 引起吸收效果的不一樣 解參考P42 P50影響X射線衍射強(qiáng)度的因素有如下5項 結(jié)構(gòu)因子 角因子包括極 化因子和洛侖茲因子 多重性因子 吸收因子 溫度因子 應(yīng)用利用各影響因子對衍射強(qiáng)度的影響 可判斷出晶胞內(nèi)原子的種 類 原子個數(shù) 原子位置 結(jié)構(gòu)因子 消光規(guī)律的判斷 金屬間化合物的有序度的判斷 角因子利用謝樂公式研究晶粒尺寸溫度因子研究晶體的熱運動 測 定熱膨脹系數(shù)等 2電子束與試樣物質(zhì)作用產(chǎn)生那些信號 說明其用途 1 二次電子 當(dāng)入射電子和樣品中原子的價電子發(fā)生非彈性散射作用時會損失其 部分能量 約30 50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也會損失其部 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 3給出物相定性分析與定量分析的原理及一般步驟 答定性分析原理目前所知結(jié)晶物質(zhì) 之所以表現(xiàn)出種類的差別 是 由于不同的物質(zhì)個具有自己特定的原子種原子排列方式和點陣常數(shù) 進(jìn)而呈現(xiàn)出特定的衍射花樣 多相物質(zhì)的衍射花樣互不干擾 相 互獨立 只是機(jī)械的疊加 衍射花樣可以表明物相中元素的化學(xué)結(jié) 合態(tài) 這樣只要把晶體全部進(jìn)行衍射或照相再將衍射花樣存檔 試驗時 只要把試樣的衍射花樣和標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣相對比 從中選出相同者就 可以確定了 步驟先求出晶面間距d和相對強(qiáng)度I I1后有以下三個程序 1 根據(jù)待測相得衍射數(shù)據(jù) 得出三強(qiáng)面的晶面間距值d 1 d 2 d3 2 根據(jù)d1值 在數(shù)值索引中檢索適當(dāng)d組 找出與d 1 d 2 d3值復(fù)合較好的一些卡片 3 把待測相的三強(qiáng)線的d值和I I1值與這些卡片上各物質(zhì)的三強(qiáng) 線d值和I I1值相比較 淘汰不相符的卡片 最后獲得與試驗數(shù)據(jù) 一一吻合的卡片 卡片上所示物質(zhì)即為待測相 4 若待測試樣為復(fù)相混合物時 需反復(fù)測試定量分析原理87頁 1 透射電鏡主要由幾大系統(tǒng)構(gòu)成 各系統(tǒng)之間關(guān)系如何 透射電鏡 主要由幾大系統(tǒng)構(gòu)成 各系統(tǒng)之間關(guān)系如何 答四大系統(tǒng) 電子光學(xué)系 統(tǒng) 真空系統(tǒng) 供電控制系統(tǒng) 附加儀器系統(tǒng) 其中電子光學(xué)系統(tǒng)是其核心 其他系統(tǒng)為輔助系統(tǒng) 2 透射電鏡中有哪些主要光闌 在什么位置 其作用如何 答主要 有三種光闌 聚光鏡光闌 在雙聚光鏡系統(tǒng)中 該光闌裝在第二聚光鏡下方 作用 限制照明孔徑角 物鏡光闌 安裝在物鏡后焦面 作用 提高像襯度 減小孔徑角 從而減小像差 進(jìn)行暗場成像 選區(qū)光闌 放在物鏡的像平面位置 作用 對樣品進(jìn)行微區(qū)衍射分析 3 分析電子衍射與x射線衍射有何異同 解相同點1 都是以滿足布 拉格方程作為產(chǎn)生衍射的必要條件 2 兩種衍射技術(shù)所得到的衍射花樣在幾何特征上大致相似 不同點1 電子波的波長比x射線短的多 2 在進(jìn)行電子衍射操作時采用薄晶樣品 增加了倒易陣點和愛瓦爾 德球相交截的機(jī)會 使衍射條件變寬 3 因為電子波的波長短 采用愛瓦爾德球圖解時 反射球的半徑很 大 在衍射角 較小的范圍內(nèi)反射球的球面可以近似地看成是一個 平面 從而也可以認(rèn)為電子衍射產(chǎn)生的衍射斑點大致分布在一個二 維倒易截面內(nèi) 4 原子對電子的散射能力遠(yuǎn)高于它對x射線的散射能力 故電子衍 射束的強(qiáng)度較大 攝取衍射花樣時曝光時間僅需數(shù)秒鐘 4 說明多晶 單晶及非晶衍射花樣的特征及形成原理 解多晶體的電子眼奢華樣式一系列不同班靜的同心圓環(huán)單晶衍射花 樣是由排列得十分整齊的許多斑點所組成的非晶態(tài)物質(zhì)的衍射花樣 只有一個漫散中心斑點單晶花樣是一個零層二維倒易截面 其倒易 點規(guī)則排列 具有明顯對稱性 且處于二維網(wǎng)絡(luò)的格點上 因此表達(dá)花樣對稱性的基本單元為平行四邊形 單晶電子衍射花樣就是 uvw 0零層倒易截面的放大像 多晶試樣可以看成是由許多取向任意的小單晶組成的 故可設(shè)想讓一個小單晶的倒易點陣?yán)@原點旋轉(zhuǎn) 同一反射面hkl的各 等價倒易點 即 hkl 平面族中各平面 將分布在以1 dhkl為半徑 的球面上 而不同的反射面 其等價倒易點將分布在半徑不同的同 心球面上 這些球面與反射球面相截 得到一系列同心園環(huán) 自反 射球心向各園環(huán)連線 投影到屏上 就是多晶電子衍射圖 非晶的衍射花樣為一個圓斑 5 什么是衍射襯度 它與質(zhì)厚襯度有什么區(qū)別 5 什么是衍射襯度 它與質(zhì)厚襯度有什么區(qū)別 答由于樣品中不同位 相的衍射條件不同而造成的襯度差別叫衍射襯度 它與質(zhì)厚襯度的區(qū)別 1 質(zhì)厚襯度是建立在原子對電子散射的理論基礎(chǔ)上的 而衍射 襯度則是利用電子通過不同位相晶粒是的衍射成像原理而獲得的襯 度 利用了布拉格衍射角 2 質(zhì)厚襯度利用樣品薄膜厚度的差別和平均原子序數(shù)的差別來獲 得襯度 而衍射襯度則是利用不同晶粒的警惕學(xué)位相不同來獲得襯 度 3 質(zhì)厚襯度應(yīng)用于非晶體復(fù)型樣品成像中 而衍射襯度則應(yīng)用于 晶體薄膜樣品成像中 6 透射電鏡中如何獲得明場像 暗場像和中心暗場像 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 象 如果把物鏡光闌孔套住一個衍射斑 而把透射束擋掉 就得到暗場 像 將入射束傾斜 讓某一衍射束與透射電鏡的中心軸平行 且通 過物鏡光闌就得到中心暗場像 7 在透射電子顯微分析中 電子圖像的襯度有哪幾種 分別適用于 哪種試樣和成像方法 7 在透射電子顯微分析中 電子圖像的襯度有哪幾種 分別適用于 哪種試樣和成像方法 二 簡答題1 掃描電鏡的成像原理與透時電鏡有何不同 答兩者完 全不同 投射電鏡用電磁透鏡放大成像 而掃描電鏡則是以類似電視機(jī)攝影 顯像的方式 利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)出的各種物 理信號來調(diào)制而成 2 二次電子像和背散射電子像在顯示表面形貌襯度時有何相同與不 同之處 答相同處均利用電子信號的強(qiáng)弱來行成形貌襯度不同處 1 背散射電子是在一個較大的作用體積內(nèi)被入射電子激發(fā)出來的 成像單元較大 因而分辨率較二次電子像低 2 背散射電子能量較高 以直線逸出 因而樣品背部的電子無法被 檢測到 成一片陰影 襯度較大 無法分析細(xì)節(jié) 利用二次電子作 形貌分析時 可以利用在檢測器收集光柵上加上正電壓來吸收較低 能量的二次電子 使樣品背部及凹坑等處逸出的電子以弧線狀運動 軌跡被吸收 因而使圖像層次增加 細(xì)節(jié)清晰 3 3 二次電子像景深很大 樣品凹坑底部都能清楚地顯示出來 從 而使圖像的立體感很強(qiáng) 其原因何在 3 二次電子像景深很大 樣品 凹坑底部都能清楚地顯示出來 從而使圖像的立體感很強(qiáng) 其原因 何在 用二次電子信號作形貌分析時 在檢測器收集柵上加以一定大 小的正電壓 一般為250 500V 來吸引能量較低的二次電子 使它們以弧線路線進(jìn)入閃爍 體 這樣在樣品表面某些背向檢測器或凹坑等部位上逸出的二次電 子也對成像有所貢獻(xiàn) 圖像景深增加 細(xì)節(jié)清楚 4 電子探針儀與掃描電鏡有何異同 電子探針儀如何與掃拖電鏡和 透射電鏡配合進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學(xué)成分的同位分析 電子探針 儀與掃描電鏡有何異同 電子探針儀如何與掃拖電鏡和透射電鏡配 合進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學(xué)成分的同位分析 相同點1兩者鏡筒和樣 品室無本質(zhì)區(qū)別 2都是利用電子束轟擊固體樣本產(chǎn)生的信號進(jìn)行分析 不同點1電子探針檢測的是特征X射線 掃描電鏡可以檢測多種信號 一般利用二次電子信號進(jìn)行形貌分析 2電子探針得到的是元素分布的圖像 用于成分分析 掃描電鏡得到 的是表面形貌的圖像 電子探針用來成分分析 透射電鏡成像操作用來組織形貌分析 衍 射操作用來晶體結(jié)構(gòu)分析 掃描電鏡用來表面形貌分析 5 波譜儀和能譜儀各有什么缺點 能譜儀1能譜儀分辨率比波譜儀低 能譜儀給出的波峰比較寬 容易重疊 在一般情況下 Si Li 檢測器的能量分辨率約為160eV 而波譜儀 的能量分辨率可達(dá)5 10eV 2能譜儀中因Si Li 檢測器的鈹窗口限制了超輕元素X射線的測量 因此它只能分析原子系數(shù)大于11的元素 而波譜儀可測定原子序 數(shù)4 92之間所有的元素 3能譜儀的Si Li 探頭必須保持在低溫狀態(tài) 因此必須時時用液氮 冷卻 波譜儀1波譜儀由于通過分光體衍射 探測X射線效率低 因而靈敏 度低 2波譜儀只能逐個測量每種元素的特征波長 3波譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜 4波譜儀對樣品表面要求較高6 直進(jìn)式波譜儀和回轉(zhuǎn)式波譜儀各有什 么優(yōu)特點 答直進(jìn)式波譜儀優(yōu)點是X射線照射分光晶體的方向是固定 的 即出射角 保持不變 這樣可以使X射線穿出樣品表面過程中所 走的路線相同 也就是吸收條件相同 回轉(zhuǎn)式波譜儀結(jié)構(gòu)比直進(jìn)式 波譜儀簡單 但出射方向改變很大 在表面不平度較大的情況下 由于X射線在樣品內(nèi)行進(jìn)路線不同 往往會因吸收條件變化而造成分 析上的誤差 7 要分析鋼中碳化物成分和基體中碳含量 應(yīng)該選用哪種電子探針 儀 為什么 分析鋼中碳化物成分可用能譜儀 分析基體中碳含量 可用波譜儀 分析鋼中碳化物的成分屬于定性分析 用能譜儀靈敏度高且?guī)追昼?就可得到結(jié)果 分析基體中碳含量屬于定量分析 波譜儀的能量分 辨率達(dá)5 10eV 而能譜儀能量分辨率約為160eV故用波譜儀分析較好 8 舉例說明電子探針的三種工作方式 點 線 面 在顯微成分分析 中的應(yīng)用定點分析 如需分析ZrO2 Y2O3 陶瓷析出相與基體含量 成分高低 用定點分析幾分鐘便可得到結(jié)果 線分析 如需分析BaF2晶界上元素的分布情況 只需進(jìn)行線掃描分 析即可方便知道其分布 面分析 如需分析Bi元素在ZnO Bi2O3陶瓷燒結(jié)表面的面分布 只需將譜儀固定在接受其元素特征X 射線信號的位置上 即可得到其面分布圖像 9 何為波譜儀和能譜儀 說明其工作的三種基本方式及其典型應(yīng)用 并比較波譜儀和能譜儀的優(yōu)缺點 要分析鋼中碳化物成分和基體中碳含量 應(yīng)選用哪種電子探針儀 為 什么 9 何為波譜儀和能譜儀 說明其工作的三種基本方式及其典型 應(yīng)用 并比較波譜儀和能譜儀的優(yōu)缺點 要分析鋼中碳化物成分和基體中碳含量 應(yīng)選用哪種電子探針儀 為 什么 波譜儀用來檢測X射線的特征波長的儀器能譜儀用來檢測X射線 的特征能量的儀器實際中使用的譜儀布置形式有兩種直進(jìn)式波譜儀X 射線照射分光晶體的方向固定 即出射角 保持不變 聚焦園園心O 改變 這可使X射線穿出樣品表面過程中所走的路線相同也就是吸收 條件相等回轉(zhuǎn)式波譜儀聚焦園的園心O不動 分光晶體和檢測器在聚 焦園的園周上以12的角速度轉(zhuǎn)動 以保證滿足布拉格條件 這種波譜儀結(jié)構(gòu)較直進(jìn)式簡單 但出射方向改變很大 在表面不平 度較大的情況下 由于X射線在樣品內(nèi)行進(jìn)的路線不同 往往會造成 分析上的誤差優(yōu)點 1 能譜儀探測X射線的效率高 2 在同一時間對分析點內(nèi)所有元素X射線光子的能量進(jìn)行測定和計 數(shù) 在幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果 而波譜儀只能逐個測量每種 元素特征波長 3 結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性都很好 4 不必聚焦 對樣品表面無特殊要求 適于粗糙表面分析 缺點1 分辨率低 2 能譜儀只能分析原子序數(shù)大于11的元素 而波 譜儀可測定原子序數(shù)從4到92間的所有元素 3 能譜儀的Si Li 探頭必須保持在低溫態(tài) 因此必須時時用液氮冷 卻 分析鋼中碳化物成分可用能譜儀 分析基體中碳含量可用波譜儀 10 10 簡述能譜儀和波譜儀的工作原理 能量色散譜儀主要由Si Li 半導(dǎo)體探測器 在電子束照射下 樣品 發(fā)射所含元素的熒光標(biāo)識X射線 這些X射線被Si Li 半導(dǎo)體探測器 吸收 進(jìn)入探測器中被吸收的每一個X射線光子都使硅電離成許多電 子 空穴對 構(gòu)成一個電流脈沖 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 入射角和晶面間距三者符合布拉格方程時 這個特征波長 的X射線就會發(fā)生強(qiáng)烈衍射 波譜儀利用晶體衍射把不同波長的X射線分開 即不同波長的X射線 將在各自滿足布拉格方程的2 方向上被檢測器接收 最后得到以波 長為橫坐標(biāo) 強(qiáng)度為縱坐標(biāo)的X射線能量色散譜 11 11 根據(jù)光電方程說明X射線光電子能譜 XPS 的工作原理 以Mg K 射線 能量為1253 8eV 為激發(fā)源 由譜儀 功函數(shù)4eV 測某元 素電子動能為981 5eV 求此元素的電子結(jié)合能 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h 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 自由電子動能Ek h EB EK S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)倍增器進(jìn)行信號的放大 在以適當(dāng)?shù)姆绞?顯示 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 EK S 1253 8 981 5 4 268 3eV12 12 原子力顯微鏡的利用的是哪兩種力