微观结构分析基本原理.ppt
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1、第一章 微观结构分析基本原理,第一章 微观结构分析基本原理,用载能粒子作为入射束轰击样品,在与样品相互作用后便带有样品的结构信息,分为吸收和发射光谱。所用波长应该与要分析的结构细节相应,例如要想分析原子排列,必须用波长接近或小于原子间距的入射束。电子、X-射线、离子束、光子和中子是最常见的束源。,入射束,出射束,物质,我们向平静的湖面上投入一个小石子,可以看到石子激起的水波形成圆形的波纹,并向周围传播当波纹遇到障碍物(如芦苇)以后的情况后会怎样?,波的衍射现象 波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫做波的衍射,【演示动画】,【演示实验】,在水波槽里放一个较大的挡板,让波源发出的圆形波遇到挡板,观
2、察波还能否绕到挡板后面?,现象:水波绕不到挡板后面而继续传播,说明:发生衍射现象的条件与障碍物的大小有关。,猜想:那么障碍物的大小与波的那个参量有关?,发生明显的波的衍射的条件,实验:(1)使波长相同的水波通过宽度不同的窄缝。(2)使波长不同的水波通过宽度相同的窄缝。(3)波长不断变小的水波通过宽度不断增大的窄缝(4)水波绕障碍物的情形。,实验表明:,只有缝、孔的宽度或阻碍物的尺寸跟波长相差不多,或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象,【演示实验】,在水波槽里放两块挡板,当中留一窄缝,保持水波的波长不变,观察水波通过不同宽度的窄缝后传播的情况,演示结论,在波长不变的条件下,将障碍屏的孔由较
3、大逐渐变小。可以看到波的衍射现象越来越明显。由此得出结论:窄缝越小,衍射现象越明显。,当窄缝的大小与波长相差不多时,波的衍射现象较明显。,甲中波长是窄缝宽度的3/10,照片乙中波长是窄缝宽度的5/10,照片丙中波长是窄缝宽度的7/10,保持窄缝的宽度不变,改变水波的波长,波的传播情况有什么变化呢?,障碍物的情形,结论:障碍物宽度跟波长相差不多时,有明显的衍射现象;障碍物宽度比波长大得越多,衍射现象越不明显;障碍物宽度跟波长相比非常大时,水波将直线传播,观察不到明显的衍射现象,声波的波长在1.7cm到17m之间,可以跟一般障碍物的尺寸相比,所以声波能绕过障碍物,使我们听到障碍物另一侧的声音光也是
4、一种波,但光波的波长约在0.4m-0.8m的范围内,跟一般障碍物的尺寸相比非常小,所以在通常的情况下看不到光的衍射,光沿直线传播,拓宽:用惠更斯原理解释衍射现象,1、惠更斯原理 媒质中波动传到的各点,都可以看作是新的次波源,这些新波源发射的波称为子波,其后任一时刻这些子波的包络面就是该时刻的新波阵面。,拓宽:用惠更斯原理解释衍射现象,2、波传到小孔狭缝时,缝上各点都可看作子波源,小孔仿佛一个新的波源,由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后的边缘处,波的传播方向发生改变传播,于是,就出现了偏离直线传播方向的衍射现象当狭缝缩小,与波长相近时,衍射效果显著。,惠 更 斯,C.Huygens,荷兰
5、物理学家,(1629-1695),1656年造出了人类历史上第一架摆钟,1666年当选为荷兰科学院院士。,1690年出版光论,提出了著名的惠更斯原理。,微观粒子的波粒二象性,.德布罗意假设,那么实物粒子也应具有波动性。,L.V.de Broglie(法,1892-1986),从自然界的对称性出发,认为:,既然光(波)具有粒子性,,1924.11.29.,德布洛意把题为“量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学。,与粒子相联系的波称为物质波,或德布罗意波。,一个能量为E,动量为 P 的实物粒子同时具有波动性,且:,德布罗意波长。,他在论文中指出:,若 U=100伏=1.225,(),经爱因斯坦的推
6、荐,物质波理论受到了关注。,答辩会上有人问:“这种波怎样用实验来证实呢?”,估算电子的波长:,设电子动能由U伏电压加速产生,X射线波段,德布洛意答:“用电子在晶体上的衍射实验可以做到。”,实验验证电子衍射实验,(1)戴维逊革末实验(1927年),实验装置示意图,假如电子具有波动性,应满足布喇格公式,实验结果:,(2)G.P.汤姆逊(1927年)电子通过金属多晶薄膜的衍射实验.,1929年 德布洛意获诺贝尔物理奖。,1937年 戴维逊 与 G.P.汤姆逊获诺贝尔物理奖。,一、电子与物质相互作用:,透射电镜,扫描电镜,第一章 微观结构分析基本原理,一、电子与物质相互作用:,第一章 微观结构分析基本
7、原理,一、电子与物质相互作用:当高速运动的电子穿过固体物质时,会受到原子中的电子作用,或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用,从而改变了电子的运动方向-电子散射。1、弹性相互作用(DEDl=0):,入射电子在原子的库仑场作用下改变方向而无能量变化,产生衍射和成象与核外电子云作用的散射角0.2,可形成BRAGG衍射TEM:structure,morphology,composition);,第一章 微观结构分析基本原理,一、电子与物质相互作用:1、弹性相互作用(DEDl=0):,第一章 微观结构分析基本原理,当一束等能量(或单一波长)的电子垂直穿透一薄膜样品时,如果样品为晶体,由于原子排列的
8、规律性,入射电子波与各原子的弹性散射波不但波长相同,而且有一定的相位关系,即它们之间相互干涉,把这种散射称为相干弹性散射。如果样品中只含有一种元素,且原子是任意分布的(即样品是非晶态的),那么散射是随机的,并且相互无关,故称此种散射为不相干弹性散射。由于干涉结果,在空间某些方向上弹性散射波相互减弱或相消,在另一些方向上,弹性散射波互相加强。干涉加强的极大值方向,就称为晶体的衍射线方向,这就是电子衍射。弹性散射是透射电子显微镜的成象基础。,Figure 4-9 Bright-field image of the as-cast Al sample.图4-9原始铸铝材显微结构的明场像。,一、电子与
9、物质相互作用:2、非弹性相互作用(DE0):入射(primary e)电子不仅改变方向,而且与物质交换能量,产生热、光、X射线及二次电子发射等等,主要用于分析样品的成分及电子结构。(1)单电子激发,样品内原子的核外电子在受到入射电子轰击时,有可能被激发到较高的空能级甚至被电离。价电子与核的结合能很小,被激发时只引起入射电子少量的能量损失和小角度散射。内层电子的结合能较大,受到入射电子激发时需要消耗它较多的能量,并发生大角散射。,第一章 微观结构分析基本原理,K激发态,发射K光子(重元素)平均自由程mm,发射俄歇电子(轻元素)平均自由程,表面几层原子,Energy Dispersive Anal
10、ysis of X-rays(EDAX)Wave length Dispersive Analysis of X-rays(Electron Microprobe),Auger spectroscopy,Figure 4-6 Typical SEM morphology on near-surface cross section of pure aluminum(1006mm)bombarded with 15 EB pulses 图4-6 轰击表面熔化区内的微观典型形貌A.火山坑状“熔孔”B.颗粒状熔体,Figure 4-7 SEM image for the cross section a
11、t near-surface layer after chemical corrosion 图4-7 轰击试样截面近表层腐蚀后的高倍电子扫描形貌,二次电子像,一、电子与物质相互作用:2、非弹性相互作用(DE0):(2)等离子激发(plasmon):,晶体是由处于点阵固定位置上的带正电的原子实(即剥去价电子的正离子)和漫散在整个晶体空间的价电子云所组成的电中性体系,因此可把它看成等离子体;高能电子入射晶体时,会瞬时地破坏入射区域的电中性。在其周围的价电子受到排斥,作径向发散运动。在入射点附近产生带正电的区域,而在较远的区域由于价电子的多余,出现带负电的区域。然后在两区域库仑电场作用下,使负电区域
12、多余的价电子向正电区域运动,当其超过平衡位置后,正电区域变成负电区,而负电区域变成正电区域,如此往复不已,引起价电子云的集体振荡。,第一章 微观结构分析基本原理,一、电子与物质相互作用:2、非弹性相互作用(DE0):(3)声子发射:,晶体振动的能量也是量子化的,其能量量子叫声子;热运动很容易产生声子,在常温下晶体中有许多的声子;声子波长比较短(约几个埃),比等离子要小23个数量级,动量相当大。入射电子与晶格相互作用可以看作是激发或吸收声子的过程;虽然入射电子激发或吸收声子后能量变化甚微,但是动量相当大,将使入射电子发生大角度散射。,第一章 微观结构分析基本原理,一、电子与物质相互作用:2、非弹
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