现代材料分析方法

1、现代材料分析方法期末试卷1三、简答题（每题5分，共25分）扫描电镜的分辨率和哪些因素有关？为什么？和所用的信号种类和束斑尺寸有关，因为不同信号的扩展效应不同，例如二次电子产生的 区域比背散射电子小。束斑尺寸越小，产生信号的区域也小，分辨率就高。原子力显微镜的利用的是哪两种力，又是如何探测形貌的？ 范德华力和毛细力。 以 上两种力可以作用在探针上，致使悬臂偏转，当针尖在样品上方扫描时，探测器可实时地检 测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。 在核磁共振谱图中出现多重峰的原因是什么？多重峰的出现是由于分子中相邻氢核自 旋互相偶合造成的。在外磁场中，氢核有两种取向，与外磁场同向的起增强外

2、场的作用， 与外磁场反向的起减弱外场的作用。根据自选偶合的组合不同，核磁共振谱图中出现多重 峰的数目也有不同，满足“n+1”规律什么是化学位移，在哪些分析手段中利用了化学位移？ 同种原子处于不同化学环境 而引起的电子结合能的变化，在谱线上造成的位移称为化学位移。在XPS、俄歇电子能谱、 核磁共振等分析手段中均利用化学位移。拉曼光谱的峰位是由什么因素决定的，试述拉曼散射的过程。拉曼光谱的峰位是由分 子基态和激发态的能级差决定的。在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，使一 部分处于基态的分子跃迁到激发态，则散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可 以检测到频率为（vO- A v）的谱线

3、，称为斯托克斯线。相反，若光子从样品激发态分子中 获得能量，样品分子从激发态回到基态，则在大于入射光频率处可测得频率为（V0+ v） 的散射光线，称为反斯托克斯线四、问答题 （10分）说明阿贝成像原理及其在透射电镜中的具体应用方式。答：阿贝成像原理（5分）：平行入射波受到有周期性特征物体的散射作用在物镜的后焦面上形成 衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。在透射电镜中的具 体应用方式（5分）。利用阿贝成像原理，样品对电子束起散射作用，在物镜的后焦面上可 以获得晶体的衍射谱，在物镜的像面上形成反映样品特征的形貌像。当中间镜的物面取在物 镜后焦面时，则将衍射谱放大，则在荧光

4、屏上得到一幅电子衍射花样；当中间镜物面取在物 镜的像面上时，则将图像进一步放大,这就是电子显微镜中的成像操作。五、计算题（10分） 用CuKa X射线（X=0.15405nm）的作为入射光时，某种氧化铝的样品的XRD图谱如下, 谱线上标注的是2。的角度值，根据谱图和PDF卡片判断该氧化铝的类型，并写出XRD物 相分析的一般步骤。答：确定氧化铝的类型（5分）根据布拉格方程2dsin 0 =n X ,d= X /（2sin 0 ）对三强峰进行计算：0.2090nm,0.1604nm,0.2588nm,与卡片 10-0173 a-AI2O3符合，进一步比对其他衍射峰的结果可以确定是a -Al203o

5、 XRD物相分析的一 般步骤。（5分） 测定衍射线的峰位及相对强度1/11： 再根据2dsin 0 =n X求出对应的 面间距d值。 （1）以试样衍射谱中三强线面间距d值为依据查Hanawalt索引。 按索引给出的卡片号找出几张可能的卡片，并与衍射谱数据对照。（3）如果试样谱线与卡 片完全符合，则定性完成。六、简答题（每题5分，共15分） 1,透射电镜中如何获 得明场像、暗场像和中心暗场像？答：如果让透射束进入物镜光阑，而将衍射束挡掉，在成像模式下，就得到明场象。如果把物镜光阑孔套住一个衍射斑，而把透射束挡掉，就得 到暗场像，将入射束倾斜，让某一衍射束与透射电镜的中心轴平行，旦通过物镜光阑就得

6、到 中心暗场像。简述能谱仪和波谱仪的工作原理。答：能量色散谱仪主要由Si（Li）半导体探测器、在电 子束照射下，样品发射所含元素的荧光标识X射线，这些X射线被Si（Li）半导体探测器吸 收，进入探测器中被吸收的每一个X射线光子都使硅电离成许多电子一空穴对，构成一个电流脉冲，经放大器转换成电压脉冲，脉冲高度与被吸收的光子能量成正比。最后得到以能 量为横坐标、强度为纵坐标的X射线能量色散谱。在波谱仪中，在电子束照射下，样品发出所含元素的特征x射线。若在样品上方水平放置一块具有适当晶面间距d的晶体，入 射X射线的波长、入射角和晶面间距三者符合布拉格方程时，这个特征波长的X射线就会 发生强烈衍射。波谱

7、仪利用晶体衍射把不同波长的X射线分开，即不同波长的X射线将在 各自满足布拉格方程的20方向上被检测器接收，最后得到以波长为横坐标、强度为纵坐 标的X射线能量色散谱。3.电子束与试样物质作用产生那些信号？说明其用途。（1） 二次电子。当入射电子和样品中原子的价电子发生非弹性散射作用时会损失其部分能量 （约3050电子伏特），这部分能量激发核外电子脱离原子，能量大于材料逸出功的价电子 可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子对试样表面状态非常敏 感，能有效地显示试样表面的微观形貌。（2）背散射电子。背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子。既包括与样品中原子核作用而

8、形成的弹性背散射电子，又 包括与样品中核外电子作用而形成的非弹性散射电子。利用背反射电子作为成像信号不仅能 分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，进行定性成分分析。（3） X射线。当入射电子和原子中内层电子发生非弹性散射作用时也会损失其部分能量（约几百电子伏特），这 部分能量将激发内层电子发生电离，失掉内层电子的原子处于不稳定的较高能量状态，它们 将依据一定的选择定则向能量较低的量子态跃迁，跃迁的过程中将可能发射具有特征能量的 x射线光子。由于x射线光子反映样品中元素的组成情况，因此可以用于分析材料的成分。 七、问答题 1.根据光电方程说明X射线光电子能谱（XPS）的工作原理。（5分） 以

9、 MgKa射线（能量为1253.8eV）为激发源，由谱仪（功函数4eV）测某元素电子动能为981.5eV, 求此元素的电子结合能o （5分）答：在入射X光子的作用下，核外电子克服原子核和样 品的束缚，逸出样品变成光电子。入射光子的能量hu被分成了三部分：（1）电子结合能EB；（2）逸出功（功函数）S和（3）自由电子动能Ek。hu= EB + EK+OS因此，如果知 道了样品的功函数，则可以得到电子的结合能。X射线光电子能谱的工资原理为，用一束单 色的X射线激发样品，得到具有一定动能的光电子。光电子进入能量分析器，利用分析器 的色散作用，可测得起按能量高低的数量分布。由分析器出来的光电子经倍增器

10、进行信号的 放大，在以适当的方式显示、记录，得到XPS谱图，根据以上光电方程，求出电子的结合 能，进而判断元素成分和化学环境。 此元素的结合能EB = h u - EK 中S = 1253.8-981.5-4=268.3eV 2.面心立方结构的结构因子和消光规律是什么？ （8分）如果 电子束沿面心立方的【100】晶带轴入射，可能的衍射花样是什么，并对每个衍射斑点予以 标注？（7分）二、名词解释名词解释名词解释名词解释（每小题4分 共20分） 1.标 识X射线和荧光X射线： 标识X射线：只有当管电压超过一定的数值时才会产生，旦波 长与X射线管的管电压、管电流等工作条件无关，只决定于阳极材料，这种

11、X射线称为标识 X射线。 荧光X射线：因为光电吸收后，原子处于高能激发态，内层出现了空位，外层 电子往此跃迁，就会产生标识X射线这种由X射线激发出的X射线称为荧光X射线。2.布拉格角和衍射角布拉格角：入射线与晶面间的交角。衍射角：入射线与衍射线的交角。背散射电子和透射电子 背散射电子：电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射， 有一部分电子的总散射角大于90o,重新从试样表面逸出，称为背散射电子。透射电子：当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另一表面射出，称为透射 电子。4.差热分析法和示差扫描量热法差热分析法：把试样和参比物置于相同的加 热条件下，测定两者的温度差对温

12、度或时间作图的方法。示差扫描量热法：把试样和参比 物置于相同的加热条件F，在程序控温F，测定试样与参比物的温差保持为零时，所需要的能量对温度或时间作图的方法。5.红外吸收光谱和激光拉曼光谱红外吸收光谱和激光拉曼光谱：物质受光的作用时，当分子或原子基团的振动与光发生共振，从而产生对光 的吸收，如果将透过物质的光辐射用单色器色散，同时测量不同波长的辐射强度，得到吸收 光谱。如果光源是红外光，就是红外吸收光谱；如果光源是单色激光，得到激光拉曼光谱。三、问答题（共40分）1.X射线衍射的几何条件是d、。、人必须满足什么公式？写出数学表达式，并说明d、。、X的意义。（5分） 答：.X射线衍射的几何条件是

13、d、。、人必须满足布拉格公式。（1分）其数学表达式：2dsin 0 = X （1分）其 中d是晶体的晶面间距。（1分）。是布拉格角，即入射线与晶面间的交角。（1分）X是 入射X射线的波长。（1分）2.在X射线衍射图中，确定衍射峰位的方法有哪几种？各适用于什么情况？（ 7分）答：（1）.峰顶法：适用于线形尖锐的情况。（1分）（2）.切线法：适用于线形顶部平坦，两侧直线性较好的情况。（1分）（3）.半高宽中点法：适 用于线形顶部平坦，两侧直线性不好的情况。（1分）（4） .7/8高度法：适用于有重叠峰 存在，但峰顶能明显分开的情况。（1分）（5） .中点连线法：（1分） （6）.抛物线拟 合法：适

14、用于衍射峰线形漫散及双峰难分离的情况。（1分）（7）.重心法：干扰小，重复 性好，但此法计算量大，宜配合计算机使用。（1分）3.为什么说d值的数据比相对强度的 数据更重要？（ 2分） 答：由于吸收的测量误差等的影响，相对强度的数值往往可以 发生很大的偏差，而d值的误差一般不会太大。因此在将实验数据与卡片上的数据核对时， d值必须相当符合，一般要到小数点后第二位才允许有偏差。4.二次电子是怎样产生的？其主要特点有哪些？二次电子像主要反映试样的什么特征？用什么衬度解释？该衬度 的形成主要取决于什么因素？ （ 6分） 答：二次电子是单电子激发过程中被入射电子 轰击出的试样原子核外电子。（1分） 二次

15、电子的主要特征如下：（1）二次电子的能量小于50eV,主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高。（1分） （2）二次 电子发射系数$与入射束的能量有关，在入射束能量大于一定值后，随着入射束能量的增加, 二次电子的发射系数减小。（1分） （3 ）二次电子发射系数8和试样表面倾角0有关： 6 （ 0 ）= 6 O/cos 0 （1分） （4）二次电子在试样上方的角分布，在电子束垂直试样表面 入射时，服从余弦定律o （1分）二此电子像主要反映试样表面的形貌特征，用形貌衬度来解释，形貌衬度的形成主要取决于试样表面相对于入射电子束的倾角。（1分）5.透射电镜分析的特点？透射电镜可用于对无机非金属

16、材料进行哪些分析？用透射电镜观察形貌时，怎样制备试样？（ 7分） 答：透射电 镜分析的特点：高分辨率（r=0.104-0.25nm）（ 1分）高放大倍数（100-80万倍）。（1分）透 射电镜可用于对无机非金属材料进行以下分析 （1）.形貌观察：颗粒（晶粒）形貌、表面 形貌。（1分）（2）.晶界、位错及其它缺陷的观察。（1分） （3）.物相分析：选区、 微区物相分析，与形貌观察相结合，得到物相大小、形态和分布信息。（1分）（4）.晶体 结构和取向分析。（1分）透射电子显微镜观察形貌时，制备复型样品。（1分） 6.影响差热分析的因素有哪些？并说明这些因素的影响怎样？ （ 4分） 答：（1）.升温

17、速 度:升温速度快,峰形窄而尖;升温速度慢，峰形宽而平，且峰位向后移动。（1分）（2）.粒度和形状：颗粒形状不同，反应峰形态亦不同。（1分）（3）.装填密度：.装填密度不同，导热率不同。（1分）（4）.压力与气氛：压力增大，反应温度向高温移动；压力减小，反应向低温移动。（1分）不同的气氛会发生不同的反应。7.红外光的波长X是多少？近红外、中红外、远红外的波长X又是多少？红外光谱分析常 用哪个波段？红外光谱分析主要用于哪几方面、哪些领域的研究和分析？ （ 5分）答: 红外光的波长X =0.771000 Um, （1分） 近红外X =0.773.0 U m,中红外入=3.030 um,远红外X =

18、301000 u mo （1分） 红外光谱分析常用中红外区，更多地用2.525 um。（1分） 红外光谱分析主要用于化学组成和物相分析，分子结构研究：（1分） 较多的应用于有机化学领域，对于无机化合物和矿物的鉴定开始较晚。（1分）8,表面分析可以得到哪些信息？（ 4分） 答：（1）.物质表面层的化学成分，（1分）（2）.物质 表面层元素所处的状态，（1分）（3）.表面层物质的状态，（1分）（4）.物质表面层的 物理性质。（1分一、填空在光学系统中除衍射效应影响其分辨本领外，像差的存在是影响透镜分辨本领的主要因素, 磁透镜的像差主要有：（像散、球差、色差）X射线衍射仪是由X射线发生器、测角仪、探

19、测器、控制与记录单元等组成的联合装置， 所用的试样形状是平板二、名词解释1、连续X射线：当高速运动的电子（带电粒子）与原子核内电场作用而减速时会产生电磁辐 射，这种辐射所产生的X射线波长是连续的,故称之为。2、二次特征辐射（X射线荧光）：由X射线所激发出的二次特征X射线叫X射线荧光。二简答题1、提高复型样品图像的衬度用何方法？为什么？ 一般的情况，通过以一定的角度投影（蒸发） 密度较大的重金属原子提高复型样品图像的衬度，如Cr、Au等o （3分）对于复型试样来说，其衬度来源主要是质厚衬度。复型膜试样虽有一定的厚度差别，但由于 整个试样的密度、质量基本一样，衬度很小。通过以一定的角度投影（蒸发）

20、密度较大的重金 属原子，以增加试样不同部位的密度、质量的差别，从而大大改善图像的衬度。（3分）2、区分密勒指数（晶面指数）与干涉晶面指数的异同点。答：干涉指数HKL与Miller指数hkl之间的关系有:H= nh , K = nk, L = nl不同点：（1）密勒指数是实际晶面的指数，而干涉晶面指数不一定；（2）干涉指数HKL与晶面指数（Miller指数）hkl之间的明显差别是：干涉指数中有公约数。 而晶面指数只能是互质的整数。相同点：当干涉指数也互为质数时，它就代表一族真实的晶面。所以说，干涉指数是晶面指数的推广， 是广义的晶面指数。四、问答题1、电子衍射形成的原理是什么？为何能进行相分析？（8分）布拉格定律告诉我们，当一束平行的相干电子波射向一晶体时，在满足布拉格定律的情况下, 将会产生一定的衍射，这些衍射线在通过透镜后，在焦面上将会聚于一点。如果一个晶体同 时有几族晶面产生衍射，在物镜后焦面上均会聚成一些衍射斑点，这些衍射斑点经后级透镜 成像后就记录下来，它们之间具有一定的规律，构成一定的花样，这就是我们所记录的衍射