材料結構分析作業(yè)參考

1、現(xiàn)代材料分析方法作業(yè)第一章作業(yè)X-射線的產(chǎn)生：高速運動的電子與物質碰撞時被突然減速或停止運動，其大部分動能（99%）轉變?yōu)闊崮苁刮矬w升溫，而一小部分動能（1%）則轉變?yōu)楣饽芤訶射線形式向外界釋放。產(chǎn)生X-射線必須具備的基本條件： 1. 產(chǎn)生自由電子（如加熱鎢絲發(fā)射熱電子） 2. 加速電子使其高速定向運動（在陰極、陽極間施加高壓） 3. 在電子運動路徑上設置障礙物（陽極靶）使其減速X-射線的本質是一種電磁波，它具有波粒二象性波動性：X-射線以一定的頻率和波長在空間傳播，在傳播過程中能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象。粒子性：X-射線是由大量以光速運動的粒子（光量子）組成的粒子流，具有一定的質量、動量和能量X-

2、射線的波長范圍為100.001nm；用于晶體結構分析的X-射線波長為0.250.05nm；用于材料探傷的X-射線波長為0.10.005nm。一般波長短的X-射線稱為硬X-射線(0.1nm)，波長長的X-射線稱為軟X-射線(100.1nm)。1、 描述X射線連續(xù)譜中的短波限產(chǎn)生的原因和影響因素。原因: 能量為eV的電子與陽極靶碰撞產(chǎn)生光子，因此光子的能量應小于或最多等于電子的能量。因此光子能量有其頻率上限（）或波長下限（短波限 ）。 式中：e 電子電荷，4.80310-10 靜電單位，1.60210-19 庫侖影響因素：管壓V，陽極靶材2、 敘述濾波片的選擇原則及其作用。濾波的選擇原則是其K吸收

3、限剛好位于入射X射線的K與K之間，并且盡量靠近K。這樣入射X射線中能量較高的K成分因能激發(fā)濾波片的K系熒光而被大部分吸收掉，而能量較低的K成分因不能激發(fā)濾波片的K系熒光被吸收的程度較小。濾波片過厚，它對K的吸收也增加。但是實踐表明， K的強度被吸收到原來的1/2時， K/K的強度比將由原來的1/5降至1/500左右。濾波片的材料應根據(jù)X射線源陽極靶材決定，濾波片的厚度可由吸收定律計算。 當Z靶40時，Z濾片=Z靶-2作用：吸收入射X射線的K成分，為避免同時出現(xiàn)由K及K的產(chǎn)生的兩套衍射圖案使衍射花樣過于復雜3、 繪制立方系111晶帶軸的過倒易點陣坐標原點的倒易陣點面（111）*。解: 1)用試探

4、法，并根據(jù)晶帶定律，可找出不共線的兩個倒易點。例如 ，代入晶帶定律，可得故這兩個點都屬于111晶帶。2） 計算這兩個點的倒易矢量的長度比及兩個倒易點代表的晶面的夾角；3）按及的長度與夾角，畫出三個倒易點：000，這三個點構成了倒易面的單元；4）根據(jù)點陣的周期特性，利用矢量平移法和向量加法，畫出整個倒易陣點平面上其他點。立方晶系倒易陣點平面4、推導勞厄方程。布拉格衍射幾何條件可以用矢量方程表示，即S-S0/=Hhkl 其中，S為散射基矢；S0為入射基矢，Hhkl為衍射晶面的法向基矢。如果將該矢量向晶體的三個基矢a、b、c投影，則得到勞厄方程。勞厄議程：a(cos-cos)= Hb(cos-cos

5、)= Kc(cos-cos)= L、為入射矢量與點陣三個軸的夾角；，、，、，為衍射矢量與點陣三個軸的夾角。第二章作業(yè) 1、X射線衍射都有哪三種主要的實驗方法？它們的主要區(qū)別是什么？最基本的衍射實驗方法有：粉末法、勞厄法、轉晶法三種。主要區(qū)別見下表。2、簡述勞厄法中，衍射花樣的特點及形成原因,以及指標化的一般過程。 衍射花樣特點：單晶勞埃斑點排列為一系列的二次曲線，比如：橢圓、拋物線、雙曲線。在非常巧合的情況下，可以得到直線。（多晶衍射花樣是晶體倒易球與反射球的交線，是一個個以透射斑為中心的同心圓環(huán)；單晶衍射花樣是晶體倒易點陣去掉結構消光的倒易桿與反射球的交點，這些點構成平行四邊形衍射花樣；當單

6、晶體較厚時，由于散射因素的影響會出現(xiàn)除衍射花樣外的一明一暗線對的菊池衍射花樣。）形成原因：同一晶帶各晶面的反射線，位于以晶帶軸為軸，以入射線與晶帶軸夾角為半頂角的一個圓錐上。衍射圓錐與底片相交，勞厄斑分布在相交曲線即圓錐曲線上。投射法時，45為雙曲線；=90時為直線。而背散射法時，只能與45圓錐相交，4590為雙曲線；=90時為直線。指標化的一般過程：1）建立底片坐標，按底片標記以入射線與底片相交處為原點建立直角坐標xOy,并以此作為試樣的宏觀坐標方向。在底片上選取3-5根最為清晰的二次曲線作為側量對象，將這些線條及其交點給予編號2）用格氏網(wǎng)測量底片，并在吳氏網(wǎng)上畫出極點。實際測通時不需逐個描

7、出各勞厄斑點對應的衍射而極點，只需得出各晶帶的經(jīng)線大圓和晶帶軸。將透明的格氏網(wǎng)覆蓋在底片上，格氏網(wǎng)與底片兩者的中心對準，轉動格氏網(wǎng)使其與一待測雙曲線食合，則由格氏網(wǎng)上可讀出晶帶大圈的經(jīng)度,若雙曲線的實軸Oy與底片上的Oy軸重合，則此時晶帶軸的方位角a=o0。用一張透明紙覆蓋在吳民網(wǎng)上，畫好xOy坐標戶，使Oy與吳氏網(wǎng)赤道重合，O點與基圓心重合。按測得的角描出相應的大圓弧，并在與此圓弧相距90o處標示其晶帶軸。兩者均應給予和底片相應的編號。3）標定晶帶軸和晶帶交點的指數(shù)。在描繪出的投影圖上取晶帶軸和晶帶大圓的交點(時屬于兩個或兩個以上晶帶的晶面)作為標定指數(shù)的對象。4）確定晶體方位。用吳氏網(wǎng)測量

8、待定的宏觀坐標N與三個主要結晶學方向夾角，并標示在標準三角形內。單晶定向完成。3當立方晶體勞厄相的斑點分布呈米字線時，確定各直線可能對應的晶帶，若試樣表面平行于底片，求表面法線的取向。(1) 假設入射光束沿-z即00-1方向入射，則由米字線的斑點可推測入射光與晶帶軸垂直，對應的衍射面為(001)，各直線可能對應于晶帶為1000101101-10。(2) 若試樣表面平行于底片,則表面平行于(001)面,表面法線取向為001.4在衍射儀上，為什么接受狹縫和探測器的運動角速度要2倍于試樣的角速度？ 入射線的方向不變時，滿足布拉格條件2dsin=時，產(chǎn)生衍射極大；當試樣轉動角時，滿足布拉格條件的衍射光

9、束轉動角=2，即W=2W。所以接受狹縫和探測器的運動角速度2倍于試樣角速度時才能充分接收到衍射光束。5、根據(jù)數(shù)據(jù)計算面間距，并確定晶系。某材料的衍射譜峰數(shù)值如下： 25.08（m），28.96 （vs）， 41.4 （s），48.5 （m）， 51.4 （w）， 60.08 （vw）， 78.04 （w）。（s=strong, m=medium, w=weak, v=very）,(采用Cu ka,波長為0.1504nm) 解：根據(jù)布拉格方程2dsin=，所以d=/2sin因此，2=25.08o，d1 =0.3463nm；1/ d12=3，(hkl)=(111)；2=28.96 o， d2=0.

10、3008nm；1/ d22=2，(hkl)=(200)；2=41.4o， d3=0.2127nm；1/ d32=8，(hkl)=(220)；2=48.5 o， d4=0.1831nm；1/ d42=11，(hkl)=(311)；2=51.4o，d5=0.1734nm；1/ d52=12，(hkl)=(222)；2=60.08 o， d6=0.1504nm；1/ d62=16，(hkl)=(400)；2=78.04 o， d7=0.1194nm；1/ d72=25，（hkl)=(500)。所以是面心立方，面間距如上。4、 簡述X射線應力測定方法，它們各有什么特點？ 固定0法，即以固定不同的入射線

11、與試樣表面法線之間夾角的形式進行測量的方法。由=K2/sin2i 可計算應力。特點：1）固定試樣法線與不同入射線之間的夾角；2）一般固定兩個或者四個不同的0角，分別測出相應的2。當選用四個不同角度進行測量時，一般可采用最小二乘法來進行數(shù)據(jù)處理。固定法，即以固定不同的衍射面法線與試樣表面法線之間的夾角形式進行應力測量的方法。特點：1）衍射面法線與試樣表面法線夾角固定；2）通常=0o、15o、30o、45o測量數(shù)次；3）=K2/sin2=k/n 可求出應力值。第三章作業(yè) 1、 簡述X射線透射過程中的動力學襯度產(chǎn)生原因。晶體中一般都會有缺陷（如位錯），而這些缺陷將會使布拉格條件放松，使本來不滿足布拉

12、格條件的晶面出現(xiàn)衍射斑點。這其中由于缺陷的存在導致了晶面的畸變（如彎曲），在形成衍射象時，衍射線由相干條件可成直接象，入射線與衍射線干涉而成象，這就是動力學襯度產(chǎn)生原因。2、計算采用銅靶時，金剛石透射投影貌相術試樣的厚度。（其中，金剛石對于Cu Ka波長的質量吸收系數(shù)是5.5cm2/g，密度3.51g/cm3）解：吸收系數(shù)=xp=5.5*3.51=19.305cm-1根據(jù)t1，因此t1/=0.0518cm所以金剛石試樣厚度就小于0.0518cm。3、在反射貌相術中，為什么對于Si（111）晶片只能選擇Cr靶（220）反射或者Fe靶（331）反射？而對GaAs和Si（100）晶片只能選Fe靶（3

13、31）反射？ LiF（100）晶片可選Cr靶（220）反射？（Cr靶波長為：0.228962nm；Fe靶為：0.193597nm） 解： 在反射貌相術中，35o55o，所以0.5736sin0.8191根據(jù)衍射公式2dsin=，所以sin=/2d，而對于Si，晶胞參數(shù)a=5.43Cr靶（220）反射，sin=/2d=0.5963，符合上述條件；如用Fe靶（220）反射，sin=/2d=0.5042，不符合上述條件，因此只能選用Cr靶。同理：Fe靶（331）反射，sin=/2d=0.7770，符合上述條件。對于GaAs，晶胞參數(shù)a=5.653Fe靶（331）反射，sin=/2d=0.7464，符

14、合上述條件。對于LiF，晶胞參數(shù)a=4.01Cr靶（220）反射，sin=/2d=0.8075，符合上述條件。第四章作業(yè)1、 同步輻射光源的特點是什么？（1）高強度,更確切講是高亮度,同步輻射X 射線亮度比60 kW旋轉陽極X 射線源所發(fā)出的特征輻射的亮度分別高出36個量級。（2）寬而連續(xù)分布的譜范圍，波譜的分布跨越了從紅外可見光紫外軟X射線硬X 射線整個范圍。試驗所用的波長能方便地使用光柵單色或晶單色器從連續(xù)譜中選出。（3）高度偏振（4）準直性好（5）同步輻射的相干性不斷提高（6）同步輻射實驗站的設備龐大,試樣周圍空間大,適宜于安裝如象高低溫、高壓、高磁場以及反應器等附件,能進行特殊條件下的

15、動態(tài)研究；還特別有利于安裝聯(lián)合試驗設備,用各種方法對試樣進行綜合測量分析和研究。（7）具有精確的可預算的特性,可以用作各種波長的標準光源。（8）絕對潔凈。因為它在超高真空產(chǎn)生,而沒有任何如陽極、陰極和窗口帶來的干擾。2、 NEXAFS與EXAFS的各自應用特點是什么？NEXAFS是由于激發(fā)的光電子經(jīng)受到周圍環(huán)境的多次散射而造成，分析這一譜結構,不僅能獲得圍繞吸收原子周圍的局域原子團(Cluster)的原子幾何配置情況的信息,而且還反映出費米能級之上低位的電子態(tài)結構。NEXAFS可以反映電子價態(tài)，也可以反映分子結構。EXAFS的產(chǎn)生是由于吸收原子與周圍近鄰原子相互作用的結果,吸收原子A內層電子激

16、發(fā)將產(chǎn)生向外發(fā)射的光電子波，稱為出射波。這種出射波遇到中心原子近鄰的周圍原子時,將受到散射而產(chǎn)生背散射波。由于出射波與背散射波的頻率相同,它們將在中心吸收原子處發(fā)生干涉,按照相位關系,合成波被增強或減弱,即光電子末態(tài)波函數(shù)隨能量的變化發(fā)生增強或減弱,導致吸收系數(shù)出現(xiàn)起伏振蕩的變化,形成EXAFS。應用主要特點：1） EXAFS現(xiàn)象來源于吸收光原子周圍最鄰近的幾個配位殼的作用，它決定于短程有序作用，不依賴晶體結構，因此可用于大量的非晶態(tài)材料的研究，像催化劑上活性中心、生物酶中金屬蛋白、表面層結構和無定形材料的研究，甚至溶液的研究等。2） X射線吸收邊具有原子特征，可以調節(jié)X射線光子能量到某一種原

17、子的吸收邊處，則只有該原子的環(huán)境可能探測，而不受其他元素原子的干擾。對不同元素的原子，可由只吸收邊位置不同，而得以分別研究。因此EXAFS不依賴于整體結構。3） 由散射振幅對于配位原子的依賴性可以探測配位原子的種類；由散射振幅的大小可知配位原子的個數(shù)，由Debye-Waller因子可知原子圍繞其平衡位置的變化。對原子間距的測定可精確到0.1nm。4） 利用同步輻射光源的偏振性，可探測吸附分子在表面的排列取向，對稱性低于三次的樣品，還可測其鍵角的大小。5） 在實驗上利用強X射線源和熒光探測技術可測量濃度很低的樣品。甚至對含量百萬分之幾的元素也能進行EXAFSI測定。6） EXAFS實驗所用樣品制

18、備比較簡單，數(shù)據(jù)收集時間短，在同步輻射實驗站上一般固體樣品只需幾分鐘，比四圓衍射儀短得不可比擬。 3、簡述同步輻射在自己的研究方向上的應用進展（如果尚無應用，請?zhí)接懣赡苄曰虿豢赡艿脑颍?。我的專業(yè)是凝聚態(tài)物理，方向為鋰離子電池關鍵材料。同步輻射的X射線部分在本方向上有廣泛的應用，可以做粉末XRD衍射進行物相分析，也可以做原位XRD研究鋰離子電池充放電過程中的反應機理，還可以通過XPS檢測材料中某元素的電子結構信息等。第五章作業(yè)1、 比較衍襯像的運動學和動力學解釋的異同。同：衍襯像的運動學和動力學假設都包括有（1）雙束近似：除了入射波之外，只有一束由一組接近布拉格衍射位置的晶面(hkl) 產(chǎn)生的

19、衍射波，所有其它晶面都遠離各自的衍射位置，而不產(chǎn)生其它衍射波；（2）柱體近似：假設晶體在理論上可以分割成平行于電子波傳播方向的一個個小柱體，這些小柱體在衍射過程中相互獨立，電子波在小柱體內傳播時，不受周圍晶柱的影響，即入射到小晶柱內的電子波不會被散射到相鄰的晶柱上去，相鄰晶柱內的電子波也不會散射到所考慮的晶柱上來，柱體出射面處衍射強度只與所考慮的柱體內的結構內容和衍射強度有關，一個像點對應一個小晶柱；（3）平面波近似。異：（1）運動學理論假設有運動學近似：又稱為單散射近似，認為衍射波的振幅遠小于入射波的振幅，因而在試樣內各處入射電子波振幅和強度都保持不變（常設為單位），只需計算衍射波的振幅和強

20、度變化；動力學理論假設有動力學近似：認為入射波與衍射波可以進行能量交換。（2）運動學理論中衍射束比透射束弱很多；動力學理論中衍射束可與透射束一樣強。（3）運動學理論中電子只能被衍射一次；動力學理論中電子可發(fā)生多次衍射。（4）運動學理論中電子不被吸收；動力學理論中電子的吸收是不可避免的?？傊?，運動學理論是在運動學近似、雙束近似以及柱體近似等近似的前提下通過計算形成的理論，運動學理論對于一般衍襯像的解釋是合理的，但是在某些特殊情況下理論與實際有較大差距；動力學理論是在運動學理論的基礎上發(fā)展起來的，它進一步考慮了入射束與衍射束之間的交互作用以及多次衍射對衍射襯度的影響，對衍射襯度像的解釋更加合理。2

21、、簡述球差、象散和色差的形成原因以及對電鏡分辨率的影響。球差是由于電子透鏡的中心區(qū)域和邊沿區(qū)域對電子的會聚能力不同而造成的。影響：透鏡分辨本領隨增大而迅速變壞，為孔徑角。象散是由磁場不對稱造成有的方向電子束的折射比別的方向強，因此圓形物點像就變成了橢圓形的漫散圓斑。象散降低了電鏡的分辨率。象散可由附加磁場的電磁消象散器來校正。影響：透鏡分辨本領隨fA增大而變差，fA為象散引起的最大焦距差。色差是由于電子的能量不同，從而波長不一造成的，電鏡的焦距隨著電子能量而改變。因此，能量不同的電子束將沿不同的軌跡運動。影響： 電子能量差別越大，造成的色差越大，電鏡的分辨率越小。使用薄試樣和小孔徑光闌將散射角

22、大的非彈性散射電子擋掉，將助于減小色散。3、 為什么不同的小晶體區(qū)域會有不同的倒易形狀？ 因為對于小晶體，在偏離布拉格條件下，仍有衍射線，強度弱點。晶體越小，允許偏離越大。小晶體的衍射振幅為=FG，2=(FG)2，F(xiàn)為結構振幅，干涉函數(shù)。由此可見，1）小晶體的衍射強度圍繞倒易點，存在一個分布范圍，這就相當于在正空間中，電子束偏率布拉格角，仍有一定強度衍射線出現(xiàn)；2）每個倒易點上，圍繞倒易點的曲線形狀相同，只與小晶體的尺寸和幾何形狀有關；3）各種晶形相應的倒易點寬化的情況如下：小立方體六角星芒；小球體大球加球殼；盤狀體桿；針狀體-盤6 作業(yè)： 高分辨電鏡都有哪幾種圖像？各自的成像原理是什么？1）

23、晶格條紋像；原因：采用物鏡后焦面的兩個波來成像，由于二者的干涉效應，得到一維方向上強度呈周期變化的條紋花樣。2）一維結構像；原因：當入射束平行于某一晶帶軸時，在最佳聚焦條件下，可以獲得包含晶體結構的一維條紋像，即像的襯度與原子排列存在對應關系。3）二維晶格像；原因：在衍射花樣中，套取原點和單胞晶面的衍射束，使之干涉成像，就可以獲得顯示單胞二維晶格的像，因為該像不包含原子尺度（單胞內原子排列的信息）。4）二維結構像；原因：保證分辨率的前提下，在衍射花樣中，套取原點和盡可能多的單胞晶面的衍射束，使之干涉成像，就可以獲得含有單胞內原子排列信息的單胞二維結構像。5）特殊像；原因：在衍射花樣中，選取特定

24、“晶面”的衍射束，使之與透射束干涉成像。7 作業(yè)：1、 簡述WDS與EDS的區(qū)別。WDS與EDS的區(qū)別可歸納為下表。WDSEDS分析方式用幾塊分光晶體順序進行分析用Si（Li）EDS進行多元素同時分析分析元素范圍Z4Z11(鈹窗)，Z6（無窗）分辨率與分光晶體有關，約5eV與能量有關，145eV-150eV（5.9keV）幾何收集效率改變，0.2%2%量子效率改變，30%約100%（2.5keV-15keV）瞬時接受范圍譜儀能分辨范圍全部有用能量范圍最大記數(shù)速率約50000c/s（在一條譜線上）與分辨率有關，使在全譜范圍內得到最佳分辨時，10%，Z10）1%-5%5%對表面要求平整，光滑較粗糙表面也適用典型數(shù)據(jù)收集時間10min2-3min譜失真少主要包括：逃逸峰、峰重疊、脈沖堆積、電子束散射、鈹窗吸收效應等最小束斑直徑約20nm約5nm探測極限0.01-0.1%0.1-0.5%對試樣損傷大小綜上所述，WDS（波長分散譜儀）分析的元素范圍廣、探測極限小、分辨率高