1、大三-材料科學-材料X射線衍射與電子顯微學 第一部分X射線衍射分析 第一章X射線物理學基礎 1.1 X射線的本質 1. X射線本質：電磁輻射 2. X射線性質：波長較短；具有波粒二象性；穿透力極強；對生物細胞有很強的破壞作用。 1.2 X射線的產生 1. 產生原理：高速運動的電子與物體碰撞時，發生能量轉換，電子的運動受阻失去動能, 其中一小部分能量轉變為 X射線，而絕大部分能量轉變成熱能使物體溫度升高。 2. 產生條件：產生自由電子；使電子作定向的高速運動；在其運動的路徑上設置一個障礙 物使電子突然減速或停止。 3. X射線管：陰極（發射電子），陽極（靶），窗口和焦點。 1.3 X射線譜 1.

2、 連續X射線 1） 特點：由一系列波長不同的X射線組成的；它有一個最短波長入0;在大于最短波 長的某一圍，其波長是連續變化的。 2）成因：高速運動的電子撞到陽極時突然減速，動能轉變為光能釋放出來。 3） 連續X射線的最短波長入。（短波限）只與管電壓 有關，與管電流和陽極材料無關。 4）連續X射線的強度與管電壓、管電流和陽極材料有關。 2. 特征X射線譜 1）成因：原子的層電子被激發造成電子躍遷。 2） 特點：由若干條特定波長的 X射線構成，波長不連續。 3）特征X射線的頻率和波長是恒定不變的。 4）種類：K系特征X射線；L系特征X射線；M系特征X射線等 5）波長只與陽極材料的原子種類有關，與外

3、界條件無關 6） 特征X射線的相對強度決定于電子在各能級間的躍遷幾率（Ka KB; Ka 1 Ka 2 ）。 7） 特征X射線的絕對強度隨 X射線管的電流 和電壓的增加而增大。 8）用途：X射線衍射分析的主要光源；元素成分分析。 1.4 X射線與物質的相互作用 X射線與物質相互作用時，可發生散射、透射、吸收以及光電效應等現象。 1. 散射 1）相干散射：當X光子與原子的緊束縛電子碰撞時，X光子僅改變運動方向，能量沒 有損失。散射線的波長與入射線的波長相同，并具有一定的相位關系，可以互相干 涉，形成衍射圖樣。用于 X射線衍射分析。 2）非相干散射：當X光子與自由電子或束縛很弱的電子碰撞時，運動方

4、向和能量發生 變化。不相干散射線由于波長各不相同，因此不會互相干涉形成衍射線。 2. 光電效應 1）熒光X射線：光電吸收后，原子處于激發態，層出現空位。這時，外層電子就要往 層的空位躍遷，多余的能量會以特征X射線的形式釋放出來，這種特征 X射線稱為 熒光X射線。 2） 俄歇電子：當外層電子往層空位躍遷時，其多余的能量不是以X射線的形式釋放出 來，而是傳給原子的外層電子使之脫離原子，變成自由電子。這個過程稱為俄歇 作用。由俄歇作用產生的自由電子稱為俄歇電子。 3. 吸收：線吸收系數 卩I，質量吸收系數 卩m （與X射線的波長以及吸收物質的原子序數 有關，可以反映不同元素吸收X射線的能力）。 4.

5、 吸收限：對于一定的元素而言，隨著入射X射線波長縮短，質量吸收系數減小，到達某 一波長值，卩m突然增加，然后又逐漸減小，質量吸收系數突變點的波長值稱為該元素 的吸收限。應用：X射線濾波片的濾波原理。 第二章 X射線衍射的幾何原理 2.1晶體幾何學簡介 1. 2. 晶面和晶向指數 布喇菲點陣結點坐標：簡單點陣：000;底心點陣：000，1/2 1/2 0;體心點陣：000， 1/2 1/2 1/2;面心點陣：000，1/2 1/2 0，1/2 0 1/2，0 1/2 1/2。 3. 晶面間距：立方晶系二汀 2.2倒易點陣 1. 倒易點陣的定義 設a、b、c代表正點陣S的基矢量，a*、b*、c*代

6、表相應的倒易點陣 S*的基矢量 a*b=O, a*c=0 b*b=1, c*b=O, a*a=1， b*c=0 c*c =1 x c - , c x d * a x h b*a =0， c*a =0， 2. 倒易點陣的性質 1） 在倒易點陣S*中，由原點指向倒易點陣點hkl的向量為Hhki, H =ha*+kb*+lc* , Hhki必和點陣S中的平面點陣（hkl）相垂直。 2）向量Hhkl的長度Hhkl和點陣S中的dhkl成反比，即Hikl=1/dhkl 3. 晶帶：在晶體結構或空間點陣中，與某一取向平行的所有晶面均屬于同一個晶帶。 晶帶軸：同一晶帶中所有晶面的交線互相平行，通過坐標原點的那

7、條直線稱為晶帶軸。 晶帶定律：Hu+Kv+Lw=O 晶帶定律的應用：u=k1l2-k1，v=l 1h2-l 2h1，w=hk2-k1h2 2.3布拉格定律 布拉格定律 2d sin 0 =n入，n反應級數,2 0衍射角 反映出晶體結構中晶胞大小及形狀的變化 2.4衍射矢量方程和厄爾瓦德圖解 1. 衍射矢量|S-S o|= 2sin 0 = X / d hki , S入射線單位矢量，S0衍射線單位矢量 2. 厄爾瓦德圖解 以入-1為半徑畫一圓，0點為倒易點陣原點，BP和晶體點陣S中的一族平面(hkl)平行, 取0P的長度為1/ dhki,這時向量0P即為倒易點陣S*中的向量H。 衍射矢量方程r

8、=5，-5o = Ha 十Kb *十撫帝 第三章 X射線衍射的強度 1.電子對X射線散射后空間p點強度 1 + coe22.9 3.1 電子和原子對衍射強度的影響 常數項電子散射因數，偏振因數 J = 2.原子對X射線散射后P點的強度 九_ 一個原千中所有電子菇干敢射波的合成柢幅 原子散射因數 =個電子相干敵射波的振幅 原子散射因數決定于原子中電子分布密度以及散射波的波長和方向(sin 0 / X)。 3.2 單胞對衍射強度的影響 1. 結構振幅%毗 F _ 個晶胞的相干散射液振帽 卡燈=兀=不電卒相干嘏射肢的振幅 PUKf = ；二 Jf昭2瓦（旳 + Kuf 十 LwJ + isin2nH

9、v + Ku + 丄旳） 2. 結構因素1 ；:l2| 2表征了單胞的衍射強度，反映了單胞中原子種類、原子數目及原子位 置對（HKL 晶面衍射方向上衍射強度的影響 %訂降嚴吋+明嚴竹f 3.消光規律 布拉菲點陣 出現的反射 消失的反射 簡單立方 全部 沒有 體心立方 H+K+L為偶數 H+K+L為奇數 面心立方 H K、L為全奇或全偶 H K、L奇偶混雜 把由于 =0而使衍射線消失的現象稱為系統消光。 結構因素只與原子的種類及在單胞中的位置有關，而不受單胞形狀和大小的影響。 4. 消光規律 1）點陣消光：在復雜點陣中，由于面心、體心或底心上有附加陣點而引起的=0的 現象稱為點陣消光。 2） 結

10、構消光：對于那些由兩類以上等同點構成的復雜晶體結構，除遵循它 們所屬的布 喇菲點陣消光外，還有附加的消光條件，稱為結構消光。 3.3 一個小晶體對X射線的散射 晶粒叫2對門2在同一 B值處，陽 愈大者，山（） 值愈小。 平板狀試樣的吸收: 3.溫度因數 B定時，溫度 T越高M越大，廠越小，衍射強度減小；T 一定時，衍射角B越大 -2M M越大，疋越小,衍射強度減小，所以背反射時的衍射強度較小。 4.多晶體衍射的積分強度公式 相對積分強度 叩加雹O宀 sinzQcos& 第四章 X射線衍射實驗方法 4.1勞厄法：用連續X射線照射固定的單晶，用垂直入射 X射線的照相底片來紀錄衍射 花樣。 4.2粉

11、末照相法 1.德拜照相法 1）安裝方法 a正裝法：底片中心是安放承光管的位置，圓筒底 片開口在光闌兩側。衍射角2 從底片中心向兩側 逐漸增加 b反裝法：底片中心有一個孔，是安放光闌的位置，圓筒底片開口在承光管兩側。衍 射角2耳從底片中心向兩側逐漸減小。 c不對稱裝法：底片上有兩個孔，分別為安放光闌和承 光管的位置，圓筒底片開口在光闌和承光管之間。 2）計算步驟 ? 對各弧對標號 測量有效周長%/ + 測量并計算弧對間距 2L 40 21 匚亦 360 ? 估計各線條的相對強度值 ? 查卡片 2.標注晶面指數，判別點陣類型和計算點陣參數（物質屬立方晶系） stnff2 3 4 + /C 十 ?

12、計算判別物質的點陣類型 簡單立方點陣面指數平方和之比是1:2:345:6:8:9 體心立方點陣 2:4:6:8:10:12:14:16:18或者是 1:2:3:4:5:6:7:8:9 面 心 立 方 點 陣 應 為3:4:8:11:12:16:19:20 1:1.33:2.67:3.67:4:5.33:6.33:6.67 人射fcft 或者是 點陣參數計算：-心廣孑亠： 4.3粉末衍射儀法（分析方法見第五章） 第五章X射線衍射物相分析 5.1物相定性分析 1. 物相分析步驟 1）取得樣品的粉末衍射圖 了解試樣的來源，化學成分和物理特性有助于作出正確的結論。 5.2物相定量分析 1.外標法：是首

13、先將所測物相的純物質另外單獨標定，然后與多相混合物中待測相的相應 衍射強度相比較而進行的。 你 _ 叫（叫h 匕）。十沖（如b 2.標法：試樣中加入已知含量的標準物相S （標物），由未知相A與已知相S的強度比 ，可求未知相A的含量。 3. 4. K值法：K值法又稱基底沖洗法，是在改進標法的基礎上發展起來的 匚-J 直接比較法：直接對比法不需要向被測試樣中摻入標準物質而是以兩相的強度比為基 礎。 第六章 X射線衍射分析應用 6.1點陣常數的精確測定 “2爲嘰3 點陣常數測量的精確度 -AO d 匸) a 1.點陣常數精確測定原理 2. 6.2多晶體試樣晶體點陣類型確定 sin:0 = t W-

14、+ A: + /J 4a 1.簡單立方點陣多晶體試樣衍射線分布規律 =1:2:345:6:7:8 2.體心立方點陣多晶體試樣衍射線分布規律 第二部分電子顯微分析 第七章電子與物質的交互作用 1.電子束與固體物質相互作用產生的物理信號 皙理信號 產生深度 產生廣度 用逢 分耕率 反RS 10A 等于電f哦it 用面枳 Rilii瞻貌和成倚椽 10 100 A 憤世電子譜 次電子 100 A 拘等十電子咽 30 100 A 掃描電（ft 背枚射電于 較大 大于電子束 形貌像、戒齡像 5U 2(X)0 A 扌由血尬 電子探針 吸收電子 電子穿透深 度 大于電子柬 1000 10000 A 扌|屈f電愷、 電子探針 遷射電于 矗覩、鮎構像 14 100 A 透射電鏡 持 iiEXWffc 略小于電子 大于電予電 元素定定件井