现代材料分析方法 期末考试 要点总结.doc

1.X射线与物质的相互作用？光电效应？莫塞莱定律？作用：（1）宏观效应-X射线强度衰减 （2）微观机制-X射线被散射,吸收.1散射-相干散射,康谱顿散射2吸收-产生光电子,二次荧光,俄歇电子光电效应：原子中的电子处在不同的能级上，当入射光子的能量超过内层电子的轨道结合能，就可以发生光电离过程，产生光电子 2.X射线衍射的充分必要条件？极限条件？简单点阵的消光规律必要条件：满足布拉格方程充分条件：满足消光规律极限条件：能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射的晶面中最大面间距的二倍  <2d3.X射线衍射的方法及其特点？SAXS？衍射方法                               适用试样劳埃法                 变         不变         单晶转晶法              不变       变          单晶德拜-谢乐法 不变 变 多晶粉末法              不变       变       多晶如果试样具有不同电子密度的非周期性结构（晶区和非晶区），则X射线不被相干散射，有波长的改变，并在小角度上测定，称为小角X射线散射（SAXS）4.XRD的应用？晶粒度的测定公式？1、固体结构分析2、物相定性分析3、物相定量分析 4、晶粒大小分析5、非晶态结构分析，结晶度分析6、宏观应力与微观应力分析7、择优取向分析5 XRD定性分析的原理？1各种物质都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同。2当多种物质同时衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加。它们互不干扰，相互独立，逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。6 电磁透镜？TEM成像原理？TEM分辨率及其影响因素？景深及其影响因素？电磁透镜：在电子显微镜中由电磁线圈产生的磁场所构成的透镜，用以将电子枪的束斑缩小TEM成像原理：透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。（阿贝成像原理）1平行光(电子束)透过物后产生的衍射光，经透镜后在其后焦面上形成衍射图样。2这些衍射图上的每一点可看作是相干的次波源，这些次波源发出的光(电子束)在像平面上相干迭加，形成物体的几何像. 分辨率：对微区成分分析而言，是指能分析的最小区域；对成像而言，是指能分辨两点之间的最小距离。分辨本领为2-3 埃。影响因素：衍射效应，像差，球差 ，像散，色差，景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。电子束孔径角是决定扫描电镜景深的主要因素7 TEM的主要部件？ 成像方式及其特点？光栏（阑）的作用？通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成，其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。照明系统：电子枪，聚光镜成像系统：物镜，中间镜(1、2个)，投影镜(1、2个) 光阑作用：挡掉发散电子，保证电子束的相干性和照射区域物镜光栏：光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大。 在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像选区光栏：使电子束仅通过光栏限定的微区。第二聚光镜光栏：限制照明孔径角。8 电子衍射原理及其与XRD的异同点？选区电子衍射？原理：布拉格定律：2dsin=；  2d 通常的透射电镜的加速电压为100-200kv，即电子波的波长为10-2-10-3nm数量级，而常见晶体的晶面间距为0.1-1nm数量级，于是 sin=/2d10-2； =10-2rad<1°相同点：1都以满足布拉格方程为必要条件 2衍射花样特征大致相似不同点：1衍射角：电子衍射为10-2rad，X衍射可达0.5 2尺寸效应：薄样品倒易阵点沿厚度方向延伸成杆状，增加了倒易阵点与爱瓦尔德球的相交机会。即使略偏离布拉格条件的电子束也可以衍射 3分析方便：电子衍射的衍射斑大致分布在二维倒易截面内，使晶体产生的衍射花样可直观的反映晶体内各晶面的取向 4曝光时间短 5当晶体厚且完整时，可得由非弹性散射效应而生成的菊池衍射花样 6电子衍射强度适于研究薄膜，大块物体表面及小颗粒的单晶选区电子衍射：如果在物镜的像平面处加入一个选区光阑，只有AB范围内的成像电子能通过选区光阑,并最终在荧光屏上形成衍射花样, 这一部分花样实际上是由样品上AB区域提供的，所以在像平面上放置选区光阑的作用等同于在物平面上放置一个光阑。9电子衍射的基本公式？菊池花样？在恒定的实验条件下， L 是一个常数，称为衍射常数菊池花样：透射电镜操作过程中，如果样品晶体比较厚，样品内缺陷的密度较低，就经常会看到在其衍射花样中除了规则的斑点外，还常常出现一些亮暗成对的平行线条，10 SEM成像原理？成像种类及其特点？SEM的样品制备？ 成像原理：利用聚焦的非常细的高能电子束在试样上扫描激发出二次电子、背反射电子、X射线等各种物理信息，通过对这些信息的接收放大和显示成像，获得对试样表面形貌的观察。成像种类及特点：二次电子像，电子像的明暗程度取决于电子束的强弱，分辨率比较高；背散射电子像，监测深度比二次电子大，但由于只有面向探测器的背散射电子能够为监测器吸收，故而背散射电子像具有较大的反差，而且背散射电子像与样品成分有着密切的关系；吸收电子像，对样品中原子序数敏感的一种物理信号；透射电子像，它与样品的密度和厚度有着密切的关系；电子通道花样，在反射的情况下，所得到的衍射花样满足Bragg公式，并且都对晶体的取向非常敏感，它与样品的晶面指数、晶面间距和布拉格角有关。 样品制备：对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。常用金属镀膜法和组织导电法。11 OM成像原理？光学显微镜的成像研究和设计，是以人眼可见光光线（人们常说的：可见光）的物理现象为基础进行的。通过玻璃透镜将可见光束聚焦成像。光学显微镜的分辨力受可见光波长的限制，质量较好的光学显微镜的分辨极限约为0.2m。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。12 红外光谱的产生原理和选律？表示方法？提供的信息？制样方法？ 原理：红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即红外光谱。选律:使分子偶极矩发生改变的振动是红外活性的.表示方法：横坐标-波数（cm-1）。纵坐标-吸收率A或透射比T： I0是入射光强度，I是透射光强度。从谱图可得信息：吸收峰的位置（吸收频率）、吸收峰的强度 ,常用vs(very strong),s(strong),m(medium),w(weak),vw(very weak),b(broad),sh(sharp),v(variable)表示、吸收峰的形状(尖峰、宽峰、肩峰)。制样方法：样品要求：1 试样应为“纯物质”（>98%），通常在分析前，样品需要纯化 2 试样不含水（水能强吸收且侵蚀盐窗） 3试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围。 液体或溶液试样：（1）沸点低易挥发的样品：液体池法。（2）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。 （3）固体样品可溶于CS2或CCl4等无强吸收的溶液中。固体试样：（1）压片法：12mg样+200mg KBr干燥处理研细：粒度小于 2 µm（散射小）混合压成透明薄片直接测定；（2）石蜡糊法：试样磨细与液体石蜡混合夹于盐片间；石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃。（3）薄膜法：高分子试样加热熔融涂制或压制成膜；高分子试样溶于低沸点溶剂涂渍于盐片挥发除溶剂；样品量少时，采用光束聚光器并配微量池。13 拉曼散射和拉曼位移？拉曼光谱的产生原理、选律及其表示方法？拉曼光谱的特点？直读光谱仪中“通道” 的概念？拉曼散射：碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且改变频率 拉曼位移：斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差（v）产生原理：分子和光相互作用的散射光的频率与入射光不同。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。入射光的能量 stokes线的能量 Anti-Stokes线的能量 由于在通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线选律：拉曼散射光谱也同红外吸收光谱一样，遵守E=h的光谱选律。表示方法：纵坐标-相对强度，横坐标-波数（表示拉曼位移值）拉曼光谱的特点：（1）一些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出。（2）拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重原子的振动信息。（3）对于结构的变化，拉曼光谱有可能比红外光谱更敏感。（4）特别适合于研究水溶液体系。（5）比红外光谱有更好的分辨率。（6）固体样品可直接测定，无需制样。直读光谱仪中“通道” 的概念 发射光通过入射狭缝进入光室经过光栅的分光把不同波长的光分开，不同波长的光经出射狭缝进入光电倍增管接受光信号然后转换成电信号，电信号经过数据处理机转换成数字信号，数字信号通过机处理再连接打印机打印出数据一个波长的发射光对应一个通道仪器有多少个“通道”即可测量多少个元素。但是对于用CCD（电荷耦合传感器）检测器的直读光谱仪而言，没有“通道”可言，通常指在多少波长谱线内可有效测量多少个元素（由检出限而定）。14 电子跃迁的类型？紫外可见光谱的产生原理？朗伯-比尔定律？ 电子跃迁的类型：（1）- *跃迁：比如甲烷分子，只有C-H键，因此只能产生- *跃迁，在紫外光谱图上在125nm处有最大吸收。（2） -*跃迁：分子中含有不饱和基团。（3）n -*跃迁：分子中含有不饱和基团。（4） n - *跃迁：含有孤对电子的饱和化合物，可以产生n -*跃迁，吸收波长位于150-250nm。表示方法：横坐标-波长（nm），纵坐标-吸光度A或吸收系数 产生原理: 利用某些物质的分子中生色团及助色团吸收200800nm光谱区的辐射来进行分析测定，这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。 朗伯-比尔定律：描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物浓度的关系，: 摩尔吸光系数 (L · mol-1 · cm-1)l: 样品路径长度（cm)c : 溶液样品浓度（ mol· L-1） 透射率T15 NMR的原理？表示方法？化学位移？ 原理：原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。表示方法：横坐标-吸收峰（表示化学位移和耦合常数），纵坐标-吸收峰的强度。化学位移：不同化学环境中的氢核，受到的屏蔽或去屏蔽作用不同，它们的共振吸收出现在不同磁场强度下。表示：/ppm。16 热分析方法的种类（DTA、DSC、TG、DTG）及其表示方法？热分析曲线表达的含义？热分析方法的应用？DSC 在程控温度下，测量输入到物质和参比物之间的功率差与温度关系的技术横轴为温度或时间；纵轴为热流率，有两种：。（1）功率补偿DSC（2）热流DSC 应用：测反应焓、比热、观察熔点降低，测高纯有机物中杂质，测定聚合物的玻璃化温度DTA在程控温度下，测量物质和参比物之间的温度差与温度关系的技术。横轴为温度或时间，从左到右逐渐增加；纵轴为温度差，向上表示放热，向下表示吸热 TGA 在程控温度下，测量物质的质量与温度关系的技术。横轴为温度或时间，从左到右逐渐增加；纵轴为质量，自上向下逐渐减少 DTG将热重法得到的热重曲线对时间或温度一阶微商的方法。横轴同上；纵轴为重量变化速率 TMA在程控温度下，测量物质在非振动负荷下的形变与温度关系的技术。负荷方式有拉、压、弯、扭、针入等 DMA在程控温度下，测量物质在振动负荷下的动态模量和（或）力学损耗与温度关系的技术。其方法有悬臂梁法、振簧法、扭摆法、扭辫法和粘弹谱法等 应用：1) 材料的结晶行为 2) 材料液晶的多重转变 3) 材料的玻璃化转变Tg及共聚共混物相容性 4) 材料的热稳定性及热分解机理 5) 材料的剖析 6) 动态热机械分析评价材料的使用性能 17 XPS的原理及其表示方法？XPS中化学位移的概念？影响因素？谱线的识别方法？应用？.XPS ：X射线光电子能谱。原理：M + h M+* + e-（光电效应方程）EK = h EB （爱因斯坦光电子发射方程）EB表示内层电子的轨道结合能，EK表示被入射光子所激发出的光电子的动能，h表示入射光子（X射线或UV）能量。结合能是将特定能级上的电子移到固体费米能级或移到自由原子或分子的真空能级所需消耗的能量。 由于原子所处的化学环境不同（与之相结合的元素种类和数量以及原子的化学价态）内层电子结合能的是变化的（化学位移）。通过测定光电效应过程中结合能的变化作出“结合能强度”的图线表示方法：XPS谱有一组谱峰和背底谱线组成，它们包含了被分析物质元素组成和结构方面非常有价值的信息， 如化学位移、俄歇电子谱线、电子自旋-轨道分裂、价电子结构等。横坐标-结合能，纵坐标-强度或数量化学位移的定义：由于原子所处的化学环境不同（与之相结合的元素种类和数量以及原子的化学价态）而引起的内层电子结合能的变化。影响因素：化学位移是判定原子化合态的重要依据，影响化学位移的因素有是原子的初态效应和终态效应谱线的识别 （1）确定经常出现的光电子峰，如C, O的光电子谱线；（2）确定Auger线；（俄歇电子的动能和结合能是固定的所以通过改变激发源(如Al/Mg双阳极X射线源、Mg阳极X射线源)观察伴峰位置的改变与否来确定）（3）根据X射线光电子谱手册中的各元素的峰位表确定其他强峰，并标出其相关峰；（4）区分多重峰、震激、震离、能量损失峰等。 （5）对于 p，d，f 谱线的鉴别应注意它们一般应为自旋双线结构，它们应有一定的能量间隔和强度比，p 线的强度比约为1:2，d 线的强度比约为2:3，f 线的强度比约为3:4。光电子谱线 ：光电子谱线的特点是一般情况下比较窄而且对称。X射线的伴峰：一般情况下由于X射线源并非完全单一引起， 同时区别Auger电子峰和X射线光电子峰。 Auger谱线：由于Auger电子的动能是固定的，X射线光电子的结合能是固定的，因此，可以通过改变激发源(如Al/Mg双阳极X射线源、Mg阳极X射线源)观察伴峰位置的改变与否来确定X射线“鬼峰” ：由于X射源的阳极可能不纯或被污染，则产生的X射线不纯。“鬼峰” 为非阳极材料X射线所激发出的光电子谱线。 能量损失峰：光电子在离开样品表面的过程中有可能与表面的其它电子相互作用而损失一定的能量，从而在XPS低动能侧出现一些伴峰，即能量损失峰。 电子的振激（Shake up）在光电发射中，当内层电子被激发后会形成空穴。由于内层电位发生突然变化，会引起价电子云的重新分布，结果会有一定的几率将引起价壳层电子的跃迁，价壳层电子跃迁到更高能级的束缚态 电子的振离如果价电子被激发到连续态而成为自由电子应用：1.固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析,样品表面的微区2.选点分析,元素成分的深度分析（角分辨方式和氩离子刻蚀方式）。 3.固体样品表面的组成、化学状态分析，广泛应用于元素分析、多相研究、化合物4.结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。5.对氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包袱等微观机理研究。6.分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究等方面有所应用。7.反映出分子的外壳层分子轨道的特性，测试逸出功等。18 AES的原理及其表示方法？俄歇电子的产额与原子序数之间的关系？应用？原理：原子内某一内层电子被激发电离从而形成空位，一个较高能级的电子跃迁到该空位上，产生的能量使另一个电子被激发发射，形成无辐射跃迁过程，这一过程被称为Auger效应,表示方法：横坐标-电子能量，纵坐标-强度 产额随原子序数增加减少应用：1定性分析是进行AES分析的首要内容，方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进行对比，根据Auger电子谱峰的位置和形状来识别分析区域内的未知元素。2定量分析：从理论上说，如果知道Auger电子峰的强度，根据一定的理论和计算方法，就可确定元素在所分析区域内的含量。包括标样法和相对灵敏度因子法 19 SPM？STM和AFM的成像原理？对样品要求？分辨率？扫描探针显微镜（SPM）包括STM和AFM等，扫描隧道显微镜（STM）基于量子力学的隧道效应的相关理论。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与样品的表面作为两电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离1nm)时，两者的电子云略有重叠。隧道电流 I对针尖与样品表面之间的距离 极为敏感。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息原子力显微镜（AFM）当探针与样品表面间距小到纳米级时，由于探针尖端的原子和样品表面的原子间作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动，测定高度的偏移值。样品表面就能记录下来，构建出三维的表面图。横向分辨率可达0.1nm 纵向分辨率可达0.01nm样品环境：实环境、大气、溶液、真空 ，室温或低温 分辨率：原子级(0.1nm)20 FIM的原理？样品制备要求？分辨率？原理：量子力学中电子的穿隧效应及基本电学中导体表面电场与其曲率成正比等原理。在针尖状的金属或导体样品上，加上很高的正电压，造成强大的正电场；反之若加很高的负电压产生负电场，将造成电子发射，称为“场发射显微镜”，制样要求:1样品需处理成针状，末端曲率半径约200-1000埃2材料导电3样品放在真空环境中4控制低温（约30-80k），减少连续碰撞分辨率：原子级临近考试，总结一下，仅仅参考，圣诞快乐MERRY CHRISTMAS!GOD BLESS YOU!加入本文有错，想修改的话，就“文件”“属性” 然后“工具”“取消文档保护”输入本人的手机号