功材例題2011

1、填空1 現(xiàn)代材料分析技術(shù)按照應(yīng)用大體可以分為結(jié)構(gòu)分析、形貌分析和成份分析 三大類。2個(gè)衍射花樣的特征可以認(rèn)為由兩個(gè)方面組成，一方面是衍射線在空間的 分布規(guī)律，另一方面是衍射線束的強(qiáng)度。前者是由晶胞的大小、形狀和位 _ 向決定的，而后者則取決于原子在晶胞中的位置、數(shù)量和種類。3. 判斷X射線衍射方向的方法有:布拉格方程、勞厄方程和愛瓦爾德圖解。4. X射線衍射的具體方法有：勞埃法、轉(zhuǎn)晶法、多晶體衍射方法（粉末衍射 法）和衍射儀法。5. X射線探測(cè)器有：正比計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器、位敏正比計(jì)數(shù)器和新型固體 探測(cè)器。6. X射線衍射儀有連續(xù)掃描和步進(jìn)掃描兩種操作方式。7. X射線物相定量分析的方法有：內(nèi)

2、標(biāo)法、外標(biāo)法、K值法（基體沖洗法）、 自沖洗法四種。8. 用X射線測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，為了提高信噪比應(yīng)采用掠角入射方法。9. 可以用小角度X射線方法測(cè)量超晶格周期結(jié)構(gòu)。10. 測(cè)量分子結(jié)構(gòu)的光學(xué)方法有：紅外光譜和拉曼光譜。簡(jiǎn)答題1. 簡(jiǎn)述表面分析技術(shù)的基本原理一般地說(shuō)，它是利用一種探測(cè)束 如電子束、 離子束、光子束、中性粒子 束等，有時(shí)還加上電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱等的作用，來(lái)探測(cè)材料的形貌、化學(xué)組成、 原子結(jié)構(gòu)、原子狀態(tài)、電子狀態(tài)等方面的信息2. 簡(jiǎn)述特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)一個(gè)外來(lái)電子將K層的一個(gè)電子擊出成為自由電子（二次電子），這時(shí)原子 就處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。此時(shí)位于外層較高能量

3、的 L層電子可以躍遷到K層。能量差厶E=EL-EK=h v將以X射線的形式放射出 去，其波長(zhǎng)入二h/A E必然是個(gè)僅僅取決于原子序數(shù)的常數(shù)。這種由 L-K的 躍遷產(chǎn)生的X射線我們稱為Ka輻射，同理還有K B輻射，K丫輻射。不過(guò)應(yīng) 當(dāng)知道離開原子核越遠(yuǎn)的軌道產(chǎn)生躍遷的幾率越小，所以高次輻射的強(qiáng)度也將越來(lái)越小。3. 簡(jiǎn)述X射線與物質(zhì)的相互作用射線入8F （濾片）熱能入t 電子mI 0透射X射線1=1 oe-1 m pt，散射X射線入入=入0,反沖電子 俄歇電子 光電子入=入o相干散射非相干散射康普頓效應(yīng)，俄歇效應(yīng)光電效應(yīng)熒光X射線入K4. 簡(jiǎn)述衍射花樣的特征有哪兩方面信息組成，并說(shuō)明影響這兩方面信

4、息的因 素。一個(gè)衍射花樣的特征可以認(rèn)為由兩個(gè)方面組成， 一方面是衍射線在空間的分布 規(guī)律，另一方面是衍射線束的強(qiáng)度。前者是由晶胞的大小、形狀和位向決定的, 而后者則取決于原子在晶胞中的位置、數(shù)量和種類。5. 試比較晶體衍射與可見光的鏡面反射差別光鏡面反射任何投射角表面反射效率可達(dá)100%晶體衍射有一定數(shù)目投射角內(nèi)層原子參與 衍射束強(qiáng)度？入射束物理實(shí)質(zhì)不同，表現(xiàn)規(guī)律相同6. 為什么X射線衍射峰有一定寬度（即為什么在偏離布拉格角的一個(gè)小范圍 內(nèi)也有衍射強(qiáng)度）？在研究衍射方向時(shí)，是把晶體看作理想完整的，但實(shí)際晶體并非如此。既使一 個(gè)小的單晶體也會(huì)有亞結(jié)構(gòu)存在，他們是由許多位相差很小的亞晶塊組成。另

5、外，實(shí)際X射線也并非嚴(yán)格單色（具有一個(gè)狹長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍），也不嚴(yán)格平行（或多或少有一定發(fā)散度），使得晶體中稍有位相差的各個(gè)亞晶塊有機(jī)會(huì)滿足衍射條件，在B±范圍內(nèi)發(fā)生衍射，從而使衍射強(qiáng)度并不集中于布拉格角9處，而是有一定的角分布。因此，衡量晶體衍射強(qiáng)度要用積分強(qiáng)度的概念。7. 從愛瓦耳德圖解出發(fā)剖析X射線衍射的實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)方法。愛瓦耳德圖解原理圖見下圖。 樣品放于0位置，以0為圓心，1/入為半徑做*Ewarld球（任何從球心到球面的矢量代表可能的散射方向），以0為原點(diǎn)做倒 易點(diǎn)陣，則只有落在球面上的倒易陣點(diǎn)矢量方向才是X射線的衍射方向。從產(chǎn)生衍射的條件可以看出，并不是隨便把一個(gè)單晶體置

6、于X射線照射下都能 產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，因?yàn)镋warld球面完全有可能不與倒易點(diǎn)陣相交。因此，在設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)方法時(shí)，一定要保證干涉球面能有充分的機(jī)會(huì)與倒易點(diǎn)陣相交，才能產(chǎn) 生衍射現(xiàn)象。這就必須使干涉球或晶體之一處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，符合這樣條件的實(shí)驗(yàn)方案有三種：1）轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法：用單色（特征）X射 線照射轉(zhuǎn)動(dòng)的單晶體，使干涉球永遠(yuǎn)有機(jī)會(huì)與某些倒易陣點(diǎn)相交；2）勞埃法:用多色（連續(xù)）X射線照射固定不動(dòng)的單晶體。由于射線有一定波長(zhǎng)范圍，即 有一系列與之相對(duì)應(yīng)的干涉球連續(xù)分布在一定的區(qū)域，凡是落到這個(gè)區(qū)域內(nèi)的倒易陣點(diǎn)都滿足衍射條件。這種情況相當(dāng)于干涉球在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而有 機(jī)會(huì)與某些倒易陣點(diǎn)相

7、交；3）多晶體衍射方法（粉末衍射法）：用單色（特征） X射線照射多晶體試樣。多晶體中各晶粒的取向是任意分布的，因此，固定不 動(dòng)的多晶體就其晶粒間的位相關(guān)系而言，相當(dāng)于單晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。8. 簡(jiǎn)述閃爍計(jì)數(shù)器原理。固有電子發(fā)射伏特級(jí)， 105cps少量鉈活化的碘化鈉9. 以立方晶系為例說(shuō)明如何利用 X射線衍射方法精確測(cè)定多晶體的點(diǎn)陣常 數(shù)，并給出相應(yīng)的誤差分析及誤差消除方法。精確測(cè)定已知多晶材料點(diǎn)陣常數(shù)的基本步驟：用照相法或者衍射儀法獲取待測(cè)試樣的粉末衍射譜；1）用照相法或者衍射儀法獲取待測(cè)試樣的粉末衍射譜；2）根據(jù)衍射線的角位置計(jì)算相應(yīng)晶面間距 d （Bragg方程：2dsin）;3）標(biāo)定各衍射

8、線條的干涉指數(shù)hkl （指標(biāo)化）;4）由d及相應(yīng)的hkl計(jì)算點(diǎn)陣常數(shù)（a、b、c等）； 對(duì)立方晶系來(lái)說(shuō)：丄（疋d2a25）消除誤差。晶體內(nèi)部各種因素引起的點(diǎn)陣常數(shù)的變化非常小，往往在10-4數(shù)量級(jí)，這就要求測(cè)量精度非常高；6）得到精確的點(diǎn)陣常數(shù)值。其中，晶胞參數(shù)未知時(shí)立方晶系衍射線的指標(biāo)化方法如下（此節(jié)也可以定性加以分析）：立方晶系：sin2 /（2a）2?（h2 k2 l2）對(duì)同一物質(zhì)的同一個(gè)衍射花樣,X射線波長(zhǎng)和晶胞參數(shù)是常數(shù)，故有:2 2 2 2 sin 1: sin 2: sin 3: sin k:（hK kK Ik）（h2 kj ij）：（h2 k2 i；）：（h3 k3 lf）:根

9、據(jù)晶體結(jié)構(gòu)因子和點(diǎn)陣消光法則，立方晶系中能產(chǎn)生衍射的晶面歸納如下:簡(jiǎn)單立方晶體：100，110，111，200，210，211，220，2212 2 2 2sin 1: si n 2: si n 3: : sin K 1:2:3:4:5:6:8:9:體心立方晶體：110, 200, 211, 220, 310, 222, 312, 400sin2 1 :sin2 2 :sin2 3: :sin2 K 2:4:6:8:10:12:14:16:面心立方晶體：111, 200, 220, 311, 222, 400, 331, 420sin2 1: sin2 2: sin2 3 : sin2 K 3

10、:4:8:11:12:16:19:20精確測(cè)定多晶體點(diǎn)陣常數(shù)的誤差分析:對(duì)Bragg方程微分得到:sincosd cosdsin2d2 dctg對(duì)于立方晶系：d/d= a/a=-ctg當(dāng) 趨于90o時(shí)，Ctg趨于0例如若用85o數(shù)據(jù)求d其準(zhǔn)確度比=50o時(shí)高100倍。所以精確求算晶胞參數(shù) 的數(shù)據(jù)要求：強(qiáng)度大；衍射角度測(cè)量準(zhǔn)確；單一面指數(shù)；高角度。一般用外推法消除測(cè)量誤差：根據(jù)若干條衍射線測(cè)得的點(diǎn)陣常數(shù)，外推至0 =90a10. 寫出利用X射線衍射方法估算納米薄膜材料晶粒尺寸的方法，給出誤 差產(chǎn)生的原因及消除方法。納米級(jí)晶粒尺寸往往導(dǎo)致晶面間距的不確定性，引起 X射線衍射圓錐的發(fā) 散，從而使衍射

11、峰形加寬，因而納米薄膜平均晶粒尺寸大小 D可用Scherrer 公式進(jìn)行估算：kD cos其中K為常數(shù)，用銅靶時(shí)近似為0.89 , X射線波長(zhǎng)入為0.154056nm, B是薄膜 衍射峰的物理寬化以弧度為單位。平均晶粒尺寸的誤差主要由衍射峰半高寬的測(cè)量引入。薄膜的實(shí)際XRD衍 射峰半高寬B (FWHM是由物理寬化B和儀器寬化 b卷積合成的:bg(x) f (x)dx其中，g(x)代表幾何線形，f(x)代表了物理結(jié)構(gòu)線形。物理寬化是由于晶粒細(xì) 化等因素引起的，儀器寬化則是由于 X射線的不平行性、試樣的吸收和光闌尺 寸等儀器因素造成的。我們可以通過(guò)近似函數(shù)的方法，在儀器寬化b和被測(cè)試 樣衍射峰半高

12、寬B已知的情況下，分離出物理加寬B。g（x）和f（x）的近似函數(shù)2都取柯西函數(shù)：1/（1 x ），此時(shí)，B = B-b。儀器寬化b在測(cè)試用的X射線衍 射儀上（相同實(shí)驗(yàn)條件下）用99.99%的無(wú)晶格畸變的高純多晶硅標(biāo)樣測(cè)得。將 扣除儀器寬化的衍射峰半高寬代入 Scherrer公式即可得到較為準(zhǔn)確的薄膜平 均晶粒尺寸。11. 寫出用X射線衍射方法檢測(cè)薄膜宏觀內(nèi)應(yīng)力的原理及方法。用X射線方法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試是通過(guò)測(cè)定應(yīng)變量然后通過(guò)彈性力學(xué)推算出應(yīng) 力的。由布拉格方程的微分式 Ad/d=cotB ?可知，只要知道試樣表面上某個(gè)衍 射方向上某晶面的衍射線位移量 0既可算出晶面間距的變化量，再根據(jù)彈性力學(xué)定律

13、就可計(jì)算出該方向上的應(yīng)力值。將以上拉格方程的微分式帶入彈性力學(xué)公式可以推導(dǎo)出薄膜的宏觀內(nèi)應(yīng)力為：K （2 ） / sin2 KM，可以看出2帥與sin2書呈線性關(guān)系。只要在不同的書角度下測(cè)量2驅(qū)然后將2 0對(duì)sin2書作圖，從直線斜率中就可求出 。 實(shí)際應(yīng)用中，通常采用sin2法和0745?法。sin2書法：取 滬0?, 15?, 30?, 45?,測(cè)量各書角所對(duì)應(yīng)的2切角，繪制2毎sin2書 關(guān)系圖。然后運(yùn)用最小二乘法原理，將各數(shù)據(jù)點(diǎn)回歸成直線方程，并計(jì)算關(guān)系 直線的斜率M，再由=M?K求得。0245?法:如果2 與 sin2書的線性關(guān)系較好，可以只取2 0舸n2書關(guān)系直線的 首尾兩點(diǎn)，即

14、忙0?和45?。0745?法是sin2書法的簡(jiǎn)化法，但一定要注意，使用 0245?法時(shí)如果20旳sin 2書偏離線性關(guān)系時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，此時(shí)不能 使用這種方法。12. 列舉紅外區(qū)的劃分以及基團(tuán)振動(dòng)與紅外光區(qū)的關(guān)系（包括基團(tuán)振動(dòng)類型），說(shuō)明各紅外光區(qū)的應(yīng)用范圍。紅外光譜在可見光區(qū)和微波光區(qū)之間，波長(zhǎng)范圍約為 0.751000卩m根據(jù) 儀器技術(shù)和應(yīng)用不同，習(xí)慣上又將紅外光區(qū)分為三個(gè)區(qū)：近紅外光區(qū)（0.752.5卩m ）,中紅外光區(qū)（2.525卩m ）遠(yuǎn)紅外光區(qū)（251000卩m ）近紅外光區(qū)的吸收帶主要是由低能電子躍遷、含氫原子團(tuán)（如C H N-H、C H）伸縮振動(dòng)的倍頻吸收等產(chǎn)生的。該區(qū)的

15、光譜可用來(lái)研究稀土和其它過(guò)渡 金屬離子的化合物，并適用于水、醇、某些高分子化合物以及含氫原子團(tuán)化合 物的定量分析。中紅外光區(qū) 主要是絕大多數(shù)有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)離子的基頻吸收帶。 由于基頻振 動(dòng)是紅外光譜中吸收最強(qiáng)的振動(dòng)， 所以該區(qū)最適于進(jìn)行紅外光譜的定性和定量 分析。同時(shí)，由于中紅外光譜儀最為成熟、簡(jiǎn)單，而且目前已積累了該區(qū)大量 的數(shù)據(jù)資料，因此它是應(yīng)用極為廣泛的光譜區(qū)。通常，中紅外光譜法又簡(jiǎn)稱為 紅外光譜法。遠(yuǎn)紅外光區(qū) 的吸收帶主要是由氣體分子中的純轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷、 振動(dòng) -轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷、液體 和固體中重原子的伸縮振動(dòng)、某些變角振動(dòng)、骨架振動(dòng)以及晶體中的晶格振動(dòng) 所引起的。 由于低頻骨架振動(dòng)能很靈敏地反

16、映出結(jié)構(gòu)變化，所以對(duì)異構(gòu)體的 研究特別方便。此外，還能用于金屬有機(jī)化合物（包括絡(luò)合物） 、氫鍵、吸附 現(xiàn)象的研究。 但由于該光區(qū)能量弱， 除非其它波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)沒(méi)有合適的分析譜帶， 一般不在此范圍內(nèi)進(jìn)行分析。13 簡(jiǎn)單描述紅外光譜和激光拉曼光譜基本原理及其光譜選律。 樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收了某些頻率的輻射，并 由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到 激發(fā)態(tài)的躍遷 , 使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。 記錄紅外光的百分透 射比與波數(shù)或波長(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外光譜。當(dāng)一束激光照射到樣品時(shí)發(fā)生散射，大部分光子僅是改變了方向，而光的 頻率仍與激發(fā)光

17、源一致，這種散射稱為瑞利散射。但也存在很微量的光子不僅 改變了光的傳播方向，而且也改變了光波的頻率，這種散射稱為拉曼散射。拉 曼散射是由樣品分子在電場(chǎng)作用下極化率的變化引起的， 對(duì)這種變化進(jìn)行記錄 就得到了拉曼光譜。對(duì)任何分子可以粗略地用下面的選律來(lái)判斷其拉曼或紅外活性：1）相互排斥規(guī)則： 凡具有對(duì)稱中心的分子， 若其分子振動(dòng)對(duì)拉曼是活性的， 則其紅外就是非活性的。反之，若對(duì)紅外是活性的，則對(duì)拉曼就是非活性 的。2）相互允許規(guī)則：凡是沒(méi)有對(duì)稱中心的分子，若其分子振動(dòng)對(duì)拉曼是活性 的。3）相互禁阻規(guī)則：對(duì)于少數(shù)分子振動(dòng)，其紅外和拉曼光譜都是非活性的。 如乙稀分子的扭曲振動(dòng)，既沒(méi)有偶極距變化也沒(méi)有

18、極化率的變化。14.比較X射線能譜儀和波譜儀各自的特點(diǎn)。項(xiàng)目波譜儀能譜儀探測(cè)效率低立體角，探測(cè)效率低，需要大束流咼立體角，探測(cè)效率咼，可用小束流能量分辨率（5.9eV處）10eV150eV探測(cè)靈敏度塊狀試樣峰背比高，最小探測(cè)限度可達(dá)到0.001%塊狀試樣峰背比低，最小探測(cè)限度可達(dá)到0.01%可分析兀素范圍從鈹（Z=4）到鈾（Z=92）一般從鈉（Z-11）到鈾（Z-92）好的儀器可分析到鈹（Z-4）機(jī)械設(shè)計(jì)具有復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)基本無(wú)可動(dòng)部件需分析時(shí)間幾分鐘甚至幾小時(shí)幾分鐘定性分析擅長(zhǎng)作“線分布”和“面分布”圖，由于成譜掃描速度慢， 作未知成分點(diǎn)分析不太好獲得全譜速度快，作點(diǎn)分析很方 便。由于峰

19、背比較低，作“線分布”和“面分布”不太好疋量分析分析精度高，可作痕量兀素輕兀 素和有重疊峰存在的元素分析對(duì)痕量兀素，輕兀素和有重疊峰的元素的分析精度不高15.敘述透射電鏡衍射襯度概念，并繪圖說(shuō)明如何獲得明場(chǎng)和暗場(chǎng)。場(chǎng)像和 暗場(chǎng)像。在觀察結(jié)晶性試樣時(shí)（如右圖所示） 在結(jié)晶試樣斜線部分，引起布拉格反射, 衍射的電子聚焦于物鏡后面的一點(diǎn)，被 物鏡光闌擋住，只有透射電子通過(guò)光闌 參與成像而形成襯度稱為衍射襯度。這 時(shí)，試樣中斜線部分在像中是暗的，所 得到得像稱為明場(chǎng)像。當(dāng)移動(dòng)光闌使衍 射電子通過(guò)光闌成像，而透射電子被光 闌擋住時(shí)，貝U得到暗場(chǎng)像。16說(shuō)明掃描電子像的特點(diǎn)、類型和用途。二次電子像，用于表

20、面形貌分析，掃描電鏡；背散射電子像，主要用于表面成分分析，盧瑟福背散射譜儀; 吸收電子像，用于成分分析，吸收電子成像儀；俄歇電子像，用于點(diǎn)、線、面和三維立體元素分析，俄歇電子能譜儀。17如何區(qū)分X射線光電子譜中的光電子線和俄歇線。如果在XPS譜中感到不好區(qū)分光電子線和俄歇線時(shí)，可以利用換靶的方法 來(lái)區(qū)分它們。換靶前后，在以結(jié)合能為橫坐標(biāo)的 XPS譜中光電子線的線位固定 不變，而俄歇線的位置要改變。18寫出制備透射電鏡試樣時(shí)應(yīng)考慮那些問(wèn)題？具體敘述金屬材料和無(wú)機(jī)非金 屬材料薄膜試樣的制備方法。制樣時(shí)應(yīng)考慮到在進(jìn)行電鏡觀察時(shí)，樣品會(huì)受到下面幾方面的影響：1) 真空的影響2) 電子損傷的影響3) 電

21、子束透射能力的影響金屬試樣的制備：先用機(jī)械法或是化學(xué)和電化學(xué)法將樣品減薄到 100卩m以 下，再用電解拋光、化學(xué)拋光、超薄切片和雙離子刻蝕等方法將樣品最終減薄 到100 nm以下。無(wú)機(jī)非金屬材料薄膜試樣的制備：將試樣切割成薄片，再用機(jī)械拋光法預(yù) 減薄到30-40卩將薄片放入雙離子刻蝕儀中，經(jīng)氬離子長(zhǎng)期轟擊穿孔，在穿 孔邊緣處的厚度很薄可用電鏡觀察。19.欲利用試樣的X射線特征譜分析試樣成分，請(qǐng)給出可選用的實(shí)驗(yàn)方法及各自的特點(diǎn)。方法名稱入射束檢測(cè)束分析靈敏度可分析的兀素電子探針電子束X射線特征譜10-11 -10-16gZ>5X射線熒光分析X射線X射線特征譜10-5-10-6 gZ>

22、 12在真空中Z>9帶電粒子束激發(fā)X射線分析帶電粒子束X射線特征譜10-9_10-12gZ> 11三、 綜述題1 從物理本質(zhì)出發(fā)，綜述 X 射線衍射、電子衍射和中子衍射的特點(diǎn)以及相應(yīng) 的應(yīng)用特色。X 射線衍射、電子衍射和中子衍射都遵循勞埃方程或布拉格方程所規(guī)定的衍 射條件和幾何關(guān)系。但是它們與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)并不相同。X射線是一種電磁波，在它的電磁場(chǎng)影響下，物質(zhì)原子的外層電子開始振動(dòng)， 成為新的電磁波源，當(dāng)X射線通過(guò)時(shí)受到它的散射，而原子核及其正電荷則幾 乎不發(fā)生影響。因此對(duì)X射線進(jìn)行傅立葉分析可反映出晶體電子密度分布。電子是一種帶電粒子，物質(zhì)原子的核和電子都和一定庫(kù)侖靜電場(chǎng)

23、相聯(lián)系， 當(dāng)電子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，便受到這種庫(kù)侖場(chǎng)的散射，可見對(duì)電子衍射結(jié)果進(jìn)行傅立 葉分析，反映的是晶體內(nèi)部靜電場(chǎng)的分布狀況。由于物質(zhì)對(duì)電子散射強(qiáng)，所以 電子衍射束的強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)。 因此電子衍射要考慮二次衍射和其 他動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。而 X 射線衍射中次級(jí)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)弱，往往可以忽略。中子衍射和X射線衍射雖然相似，本質(zhì)上卻并不一樣，X射線衍射是X射線 的能量子與原子中的電子相互作用的結(jié)果， 而中子衍射則是中子與原子核相互 作用的結(jié)果，所以中子衍射可以觀測(cè)到 X射線衍射觀測(cè)不到的物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 特別有利的是中子衍射可以確定原子，特別是氫原子，在晶體中的位置和分辨 周期表中鄰近的各種元素。中

24、子不帶電而具有磁矩，對(duì)磁性有特殊的靈敏度， 因此中子磁散射對(duì)分析物質(zhì)的磁特性具有突出的意義，是X射線衍射無(wú)法取代的。2 列舉電子束與固體物質(zhì)的相互作用時(shí)產(chǎn)生的各種信號(hào)，簡(jiǎn)要說(shuō)明各自的基 本特性及相對(duì)應(yīng)的材料表征方法。(1) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(感應(yīng)電導(dǎo))：當(dāng)在試樣上加一個(gè)電壓時(shí)，試樣中會(huì)產(chǎn)生電 流，在電子束照射下，由于試樣中電子電離和電荷積累，試樣的局部 電導(dǎo)率發(fā)生變化，于是試樣中產(chǎn)生的電流有所變化，這就是感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)。這種現(xiàn)象對(duì)研究半導(dǎo)體材料很有用。(2) 熒光(陰極發(fā)光)：當(dāng)入射電子與試樣作用時(shí)，電子被電離，高能級(jí)的 電子向低能級(jí)躍遷并發(fā)出可見光稱為熒光或陰極發(fā)光，各種元素具有 各自特征顏色的熒光

25、，因此可做光譜分析。（3）特征 X 射線：入射電子與試樣作用，被入射電子激發(fā)的電子空位由高 能級(jí)的電子填充時(shí)，其能量以輻射形式放出，產(chǎn)生特征 X 射線。各元 素都具有自己的特征 X 射線，因此可用來(lái)進(jìn)行微區(qū)成分分析。可用 X 射線能譜儀（EDS）和波譜儀（WDS）表征。（4）二次電子：入射電子射到試樣以后，使表面物質(zhì)發(fā)生電離，被激發(fā)的 電子離開試樣表面而形成二次電子。二次電子的能量較低，在電場(chǎng)的 作用下可呈曲線運(yùn)動(dòng)翻越障礙進(jìn)入檢測(cè)器，因而能使試樣表面凹凸的 各個(gè)部分都能清晰成像。二次電子的強(qiáng)度與試樣表面的幾何形狀、物 理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。可用掃描電鏡（SEM）表征。（5）背散射電子：入射電子與試

26、樣作用，產(chǎn)生彈性或非彈性散射后離開試樣表面的電子稱為背散射電子。通常背散射電子的能量較高，基本上 不受點(diǎn)場(chǎng)的作用而呈直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)器。背散射電子的強(qiáng)度與試樣 表面形貌和組成兀素有關(guān)?？捎帽R瑟福背散射譜儀（RBS）表征。（6）俄歇電子：在入射電子束的作用下，試樣中原子某一層電子被激發(fā)， 其空位由高能級(jí)的電子來(lái)填充，使高能級(jí)的另一個(gè)電子電離，這種由 于從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)而電離逸出試樣表面的電子稱為俄歇電子。 每一種兀素都有自己的特征俄歇能譜，因此可以利用俄歇電子能譜進(jìn) 行輕兀素和超輕兀素的分析 （氫和氦除外）。可用俄歇電子能譜儀（ AES） 表征。（7）吸收電子：入射電子與試樣作用后，由于非彈

27、性散射失去了一部分能 量而被試樣吸收，稱為吸收電子，吸收電子與入射電子強(qiáng)度之比和試 樣的原子序數(shù)、入射電子的入射角、試樣的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。（8）透射電子：當(dāng)試樣很薄時(shí)，入射電子與試樣作用引起彈性或非彈性散 射透過(guò)試樣的電子稱為透射電子?？捎猛干潆婄R（TEM）表征。3.分別敘述掃描電子顯微鏡（SEM、掃描隧道顯微鏡（STM和原子力顯微 鏡（AFM的基本工作原理，并比較各自的特點(diǎn)。掃描電子顯微鏡（SEM、是本世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種分析測(cè)試儀器， 它不用透鏡放大成像，而是用類似電視攝影的顯示方式，用細(xì)聚焦電子束在樣 品表面時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號(hào)（主要為二次電子）調(diào)制成像。掃描電子顯 微鏡具有樣品

28、制備簡(jiǎn)單，放大倍數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，景深大，分辨本領(lǐng)高等特點(diǎn)。掃描隧道顯微鏡（ STM ）的工作原理是基于量子隧道效應(yīng)。將原子線度的 極細(xì)針尖和被研究物質(zhì)作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常 小于1 nm）,在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極間的絕緣層（或真空 勢(shì)壘）流向另一電極，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。針尖與樣品表面距離對(duì)隧道效 應(yīng)產(chǎn)生的隧道電流強(qiáng)度非常敏感。 電子反饋系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描時(shí)使 隧道電流的恒定，亦即控制隧道間隙的恒定，則針尖在掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接 表征了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖像。 但是， STM 不能區(qū)分不同種 類的原子或原子團(tuán)，并且不能用于絕緣體，

29、只能用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體，這使得它 在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大的局限。 同時(shí)， STM 是依據(jù)隧道效應(yīng)原理獲取表面 結(jié)構(gòu)信息的，嚴(yán)格的說(shuō)，它觀察到的是物質(zhì)表面費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度，當(dāng)表面 存在非單一電子態(tài)時(shí)， STM 得到的并不是真實(shí)的表面形貌， 而是表面形貌和表 面電子態(tài)性質(zhì)的綜合效果。原子力顯微鏡（ AFM ）是一種新型的表面檢測(cè)儀器，它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品 表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間作用來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié) 構(gòu)。這種具有原子級(jí)分辨率的儀器彌補(bǔ)了前幾年發(fā)展起來(lái)的掃描隧道顯微鏡只 能研究導(dǎo)體和半導(dǎo)體的不足，可用于導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料表面的結(jié)構(gòu)研 究，因而在表面科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)

30、等領(lǐng)域的研究中有其特殊的重要意 義。原子力顯微鏡的原理建立在探針尖端頭的原子與樣品表面原子在足夠接 近時(shí)存在相互作用力的基礎(chǔ)之上。 一個(gè)對(duì)微力極其敏感的微懸臂的一端與壓電 陶瓷固定在一起，另一端有一微小探針，當(dāng)針尖與樣品輕輕接觸（即接近至原 子級(jí)間距），針尖與樣品表面原子之間存在極其微弱的作用力，掃描時(shí)，通過(guò) 控制這種力的恒定， 帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力 的等勢(shì)面在垂直于樣品表面的方向起伏運(yùn)動(dòng)。 而微懸臂的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)電學(xué)或 光學(xué)方法檢測(cè)，常用的是懸臂反射激光光點(diǎn)位移方法即光杠桿法。4 列舉出至少三種測(cè)量納米多層膜周期性的測(cè)試方法（定性和定量方法均可），并比較各自的優(yōu)

31、缺點(diǎn)X 射線衍射分析（ XRD ）：利用納米多層膜調(diào)制結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的小角度衍射 峰和高角度晶面衍射的 “衛(wèi)星峰 ”測(cè)定納米多層膜的調(diào)制周期。兩材料反復(fù)重 疊，形成調(diào)制界面，當(dāng) x 射線入射時(shí)，周期良好的調(diào)制界面會(huì)與平行于薄膜表 面的晶面一樣，在滿足 Bragg 條件時(shí)，產(chǎn)生相干衍射，形成明銳的衍射峰。由 于多層膜的調(diào)制周期比金屬和化合物的最大晶面間距大得多， 所以只有小周期 多層膜調(diào)制界面產(chǎn)生的 XRD 衍射峰可以在小角度衍射時(shí)觀察到，而大周期多 層膜調(diào)制界面的 XRD 衍射峰則因其衍射角度更小而無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)。因此對(duì) 制備良好的小周期納米多層膜可以用小角度 XRD 方法測(cè)定其調(diào)幅。透射電鏡（TE

32、M ）:采用TEM對(duì)納米多層膜的橫截面進(jìn)行觀察，既可以測(cè) 量納米多層膜的調(diào)制周期，又可以測(cè)量其調(diào)制比，是最為直觀、全面的表征方 法。但是納米多層膜橫截面 TEM 試樣的制備非常困難，成本也很高。采用薄 膜橫截面樣品進(jìn)行 TEM 分析，主要是用于研究納米多層膜的調(diào)制界面及其它 微結(jié)構(gòu)。俄歇電子能譜（ AES）：AES 的深度分析也可以表征納米多層膜的調(diào)制結(jié) 構(gòu)，但進(jìn)行深度分析時(shí)，離子槍對(duì)于兩種不同調(diào)制層及調(diào)制界面的轟擊速率的 不同一性，使得在調(diào)制層厚度方向的定量分析準(zhǔn)確性低，所以使用者僅看重它 的定性結(jié)果。X射線能譜分析（EDS）:當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子束入射到固體試樣后， 將以一定的幾率使試樣原子某內(nèi)殼層電子被擊出，原子電離而處于激發(fā)態(tài)，這 時(shí)原子外層電子將填充該內(nèi)殼層中空的狀態(tài)并將多余的能量以 X 射線量子或 俄歇電子形式釋放出來(lái)。 所發(fā)射的 X 射線量子的能量等于該原子的始態(tài)和終態(tài) 的位能差，它是一個(gè)元素原子結(jié)構(gòu)的特征，幾乎與元素的物理化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)。 如果用探測(cè)器將試樣發(fā)射出來(lái)的特征 X 射線的能量值與其強(qiáng)度檢測(cè)出來(lái)， 經(jīng)過(guò) 修正就得到試樣中元素種類和濃度。采用 EDS 成分分析方法，表征納米多層 膜的調(diào)制比，它具有準(zhǔn)確、方便的優(yōu)點(diǎn)。X射線能量分散譜（EDS）具有較高的 測(cè)量精度（Oat%）和較深的成分激發(fā)區(qū)（約1um）和高的空間