材料现代分析方法练习题及答案(XRD,EBSD,TEM,SEM,表面分析)

8. 什么是弱束暗场像？与中心暗场像有何不同？试用Ewald图解说明。

答：弱束暗场像是通过入射束倾斜，使偏离布拉格条件较远的一个衍射束通过物镜光阑，透射束和其他衍射束都被挡掉，利用透过物镜光阑的强度较弱的衍射束成像。

与中心暗场像不同的是，中心暗场像是在双光束的条件下用的成像条件成像，即除直射束外只有一个强的衍射束，而弱束暗场像是在双光阑条件下的g/3g的成像条件成像，采用很大的偏离参量s。中心暗场像的成像衍射束严格满足布拉格条件，衍射强度较强，而弱束暗场像利用偏离布拉格条件较远的衍射束成像，衍射束强度很弱。采用弱束暗场像，完整区域的衍射束强度极弱，而在缺陷附近的极小区域内发生较强的反射，形成高分辨率的缺陷图像。图：PPT透射电子显微技术1页

10. 透射电子显微成像中，层错、反相畴界、畴界、孪晶界、晶界等衍衬像有何异同？用什么办法及根据什么特征才能将它们区分开来？

答：由于层错区域衍射波振幅一般与无层错区域衍射波振幅不同，则层错区和与相邻区域形成了不同的衬度，相应地出现均匀的亮线和暗线，由于层错两侧的区域晶体结构和位相相同，故所有亮线和暗线的衬度分别相同。层错衍衬像表现为平行于层错面迹线的明暗相间的等间距条纹。

孪晶界和晶界两侧的晶体由于位向不同，或者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件不可能是完全相同的，也可能是处于无强衍射的情况，就相当于出现等厚条纹，所以他们的衍衬像都是间距不等的明暗相间的条纹，不同的是孪晶界是一条直线，而晶界不是直线。

反相畴界的衍衬像是曲折的带状条纹将晶粒分隔成许多形状不规则的小区域。

层错条纹平行线直线间距相等

反相畴界非平行线非直线间距不等

孪晶界条纹平行线直线间距不等

晶界条纹平行线非直线间距不等

11.什么是透射电子显微像中的质厚衬度、衍射衬度和相位衬度。形成衍射衬度像和相位衬度像时，物镜在聚焦方面有何不同？为什么？

答：质厚衬度：入射电子透过非晶样品时，由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异，导致透过不同区域落在像平面上的电子数不同，对应各个区域的图像的明暗不同，形成的衬度。

衍射衬度：由于样品中的不同晶体或同一晶体中不同部位的位向差异导致产生衍射程度不同而形成各区域图像亮度的差异，形成的衬度。

相位衬度：电子束透过样品，试样中原子核和核外电子产生的库伦场导致电子波的相位发生变化，样品中不同微区对相位变化作用不同，把相应的相位的变化情况转变为相衬度，称为相位衬度。

物镜聚焦方面的不同：透射电子束和至少一个衍射束同时通过物镜光阑成像时，透射束和衍射束相互干涉形成反应晶体点阵周期的条纹成像或点阵像或结构物象，这种相位衬度图像的形成是透射束和衍射束相干的结果，而衍射衬度成像只用透射束或者衍射束成像。

XRD部分

4. 什么是物相分析？物相定性分析的基本依据与步骤如何？

答：物相分析是指确定材料中有哪些相组成和确定各组成相的含量。

基本依据：

组成物质的各种相都具有各自特定的晶体结构，因而具有各自的X射线衍射花样特征，对于多相物质，其衍射花样则由各组成相的衍射花样简单叠加而成，制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相。步骤：

（1）制备待分析物质样品，用衍射仪法或照相法获得样品的衍射花样。

（2）确定各衍射线条d值及相对强度I/I1值。照相法，测定θ后则可得到d值，I/I1值根据底片上衍射线条的感光情况目测估计；衍射仪法，以I-2θ曲线峰位求得d，以曲线高或积分面积得I/I1 。

（3）检索PDF卡片，将各线条的d值按强度递减顺序排列；按三强线条d1d2d3的d- I/I1数据查数值索引，找到吻合条目后，核对八强线的d- I/I1值，基本符合则取出PDF卡片。（4）核对PDF卡片与物相判定，将衍射花样的全部d-I/I1值与检索到的PDF卡片核对，若一一吻合，这卡片所示相即为待分析相。

5. 为什么可以利用x-射线衍射测定晶块尺寸和晶格畸变？试简述测定的方法和主要步骤。答：衍射线宽与晶体尺寸存在关系β=kλ/(D cos?θ )（其中β为衍射线形的半高宽，D为反射面上晶体尺寸的平均值，k为系数）只要从x-ray的实验数据中测得衍射线的半高宽β就可算出晶块尺寸D。

晶块尺寸范围内的微观应力或晶格畸变能导致晶面间距发生对称性改变d±?d，有如下关系：β=4 tan?θ(?d/d)，从x-ray衍射实验中测得衍射线的半高宽β，便可计算晶格畸变量?d/d 的值。

测定方法和主要步骤：

单峰测法：如果确定样品中无晶粒细化，选一个高角度峰做慢速扫描，再选一个无畸变样品做标样，做同样的扫描，标样的衍射峰要与样品的衍射峰角度相同或相近，此种方法简单，计算容易，可手工算。

双峰测法：当样品既有晶粒细化，又有微观畸变时，要选用同向晶面的两个衍射峰来做，同样的，标样也可测这两个峰。

多峰测法：先做一个标样的全谱，测出标样的所谓“仪器宽度与衍射的角关系曲线”，有了这条曲线就可以算出任何仪器宽度，测量出样品的全谱，拟合，从而得到所有衍射角下面的样品宽度。

6. 什么是Rietveld全谱拟合结构精修？该方法修能解决材料中哪些结构问题？

解：全谱拟合是指：在假设晶体结构模型和结构参数基础上，结合某种峰形函数耒计算多晶衍射谱、调整结构参数与峰值参数使计算出的衍射谱与实验谱相符合，从而获得结构参数与峰值参数的方法，这一逐步逼近的过程称拟合，因是对全谱进行的故称全谱拟合。

全谱拟合精修晶体结构应用几乎解决了所有结晶学问题，在多晶体衍射分析的各个领域中占有重要地位。

摈弃多晶衍射谱上的三要素，而是利用衍射谱上每一步的衍射数据（因此需要高质量的衍射数据，要采用步进扫描）。衍射谱上某2θi点处实测的强度记为y i，计算强度记为yc,i(αi )，根据初始结构模型可计算。利用最小二乘法拟合全谱，通过迭代不断调整精修参数，使下式残差值χ2达到最小。收敛时得到的结构参数即为精修后的结构，此即Rietveld结构精修。

Rietveld精修能得到：精确的点阵参数、定量物相分析结果、原子占位、晶块尺寸及晶格畸变、原子占位几率、无公度结构、Debye 温度、结构因子、结晶度、相变问题、磁结构。

7. 何谓标准投影图、极图、反极图？如何分析一张极图？

答：标准投影图：选择晶体中对称性高的低指数晶面，如（001）、（011）等作为投影面，将晶体中各个晶面的极点都投影到所选的投影面上，这样的投影图称为标准投影图。

极图：晶体在三维空间中晶体取向分布的二维极射赤面投影，称为极图，有正极图和反极图。反极图：材料中各晶粒对应的外观方向在晶体学取向坐标系中所作的极射赤面投影分布图，由于和极图的投影坐标系及被投影的对象刚好相反，故称为反极图。

极图分析：

极图给出的是试样中各晶粒的某一晶面在试样外观坐标系中的投影，必须再通过分析才能给出织构的类型和数量。

分析织构的类型，称为定性分析；

分析织构的离散度和各织构组分的百分数，称为定量分析。

定性分析采用尝试法：将所测得的{HKL}极图与该晶体的标准投影图（立方晶系通用）对照，找到标准投影图中的{HKL}点全部落在极图中极密度分布集中区的标准投影图，此标准投影图中心点的指数即为轧面指数(hkl)，与极图中轧向投影点重合的极点指数即为轧向指数[uvw]，从而确定(hkl)[uvw]织构。

若有几张标准投影图能满足上述对照，说明存在多重织构。

校核极图分析的正确与否，或极图复杂时，可采用对同一试样测绘几个不同{HKL}指数的极图，来验证或对照分析。

8. 织构一般如何表达？不同表达形式之间关系如何？

答：织构的表示方法有：晶体学指数表示；极图表示（正极图、反极图）；取向分布函数表示。

极图所使用的是一个二维空间，它上面的一个点不足以表示三维空间内的一个取向，用极图分析多晶体的织构或取向时会产生一定的局限性和困难。取向分布函数建立了一个利用三维空间描述多晶体取向分布的方法，细致精确并定量地分析织构。尽管极图有很大的局限性，但它通常是计算取向分布函数的原始数据基础，所以不可缺少。因为计算取向分布函数非常繁杂，实际工作中，极图还是经常使用，极图分析和取向分布函数法二者可以互相补充。11. 请你说出四种以上多晶x-射线衍射技术在晶体材料研究中的应用，并简要说出应用原理及步骤

答：

（一）物质结构的测定

1．分子和晶体结构的测定

在过去，这主要通过单晶体衍射和某些光谱技术来进行，自全谱拟合数据分析方法提出以后，用多晶体衍射来测分子和晶体结构已经可能，目前还在发展。

2．晶体内微结构的测定

晶体具有周期性结构，但实际晶体的周期性是被破坏的，存在着各种各样的缺陷，这些缺陷即为实际晶体的微结构。除X射线多晶体衍射外，其他可用来测定微结构的方法还不多。3．聚集体结构的测定

人们使用的材料在绝大多数情况下不是一块单晶体，而是由无数个小单晶聚集在一起的大块材料，这种多晶聚集体的性能不仅与构成聚集体的分子或晶体结构有关，还和聚集体结构有关。所谓聚集体结构是指此聚集体中包含了几个物相？这些物相是什么？它们的相对量是多少？每一个物相所含小晶粒的平均尺寸有多大？尺寸分布又怎样？这些小晶粒聚集时晶粒取向是混乱的，还是存在着择优取向？若聚集体包含几个物相，则这些物相的晶粒是均

匀混合的还是偏聚在某个位置，取不均匀分布等这样一些问题。

（二）结构和性能关系的确定

测定不同层次的各种结构，这本身不是目的，目的应该是搞清楚结构和性能的关系，因为性能是和材料的使用密切相关的，人们之需要材料正在于使用。

（三）材料制备、加工和改性条件的选择及产品质量的控制

材料的结构与制备过程的各种条件密切有关，如组成配方、温度压力、加料速度、溶剂浓度等，而且在加工的过程中，还会发生变化的，只有合适的条件才能制得合乎要求的材料。XPD常用来跟踪制备过程，检测中间产品及最终产品的状况，从而选择适当的制备条件。为了获得更优异的性能，需要对已有的材料进行改性，XPD也常常作为改性过程的检测手段，以获得最佳改性条件。

（四）物体在运用或存在的过程中结构变化的检测

物体在某种过程（一个物理过程、化学反应或若干地质年代等）中，性能常会慢慢地变化，如催化剂催化活性的降低，金属材料的疲劳，地层中应力的变化等，有时会造成严重事故的发生。性能的变化常常伴随有结构的变化，利用XPD可检测结构的变化，弄清性能变化与结构变化的关系，从而检测和了解这些变化，采取适当措施以避免或减缓结构的变化，达到控制性能变化的目的。

SEM部分：

1. 扫描电镜中一般用哪些对样品进行表面形貌观察、结构和微区成分分析？什么信息像的分辨率最高？为什么？

答：表面形貌观察：背散射电子、二次电子；

结构分析：特征X射线；

微区成分分析：背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射线。

二次电子和俄歇电子的分辨率最高。这是因为当电子束进入轻元素样品表面后会造成一个滴状作用体积，入射电子书在被样品吸收或散射出样品表面之前将在这个体积内活动，而二次电子和俄歇电子因其本身能量较低以及平均自由程很短，只能在样品的浅层表面逸出。在一般情况下能激发出俄歇电子的样品表层厚度约为0.5~2nm，激发出二次电子的层深为5~10nm。入射电子束进入浅层表面时，尚未向横向扩展开来。因此，俄歇电子和二次电子只能在一个和入射电子束斑直径相当的圆柱体内被激发出来，因为束斑直径就是一个成像检测单元（像点）的大小，所以这两种电子的分辨率就相当于束斑的直径。所以，二次电子和俄歇电子的分辨率最高。

2. 分析合金断口形貌时，一般采用扫描电镜中哪种信号成像？为什么？若发现断口上有夹杂物，如何原位分析其成分？

答：二次电子成像分析合金断口形貌。因为：a二次电子只能从样品表面层5~10nm深度范围内被入射电子束激发出来b二次电子数量和原子序数没有明显的关系，但是二次电子对激区表面的几何关系十分敏感。当倾斜角小时，二次电子产额少，亮度低，反之，倾斜角大时，亮度高；c凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处，二次电子产额较多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上的二次电子产额小，亮度低；在深的凹槽底部虽然也能产生较多的二次电子，但是这些二次电子不易被检测器收集到，故槽底的衬度也较暗。

若发现断口上有夹杂物，采用一对检测器同一点的被散射电子，将信息处理，两个信号相加为成分像；两个信号想减为形貌像。

3. 利用特征x射线进行元素分析的定性、定量依据是什么？采用能谱法（EDS）和波谱法（WDS）展谱各有何特点？

X射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数有一确定的关系，只要测出特征X射线的波长（能量）就可确定相应元素的原子序数。分析特征X射线的波长或能量可知元素种类；分析X射线的强度可知元素的含量。这就是利用X射线做定性定量分析的依据。特征X射线的波长和能量并不随入射电子的能量（或加速电压）不同而改变，而是由构成物质元素种类（原子序数）所决定的，在元素定性分析时，检测激发所产生的特征X射线波长（或光子的能量）即可作为其中所含元素的可靠依据，定量分析是根据特征X射线的相对强度。

EDS：定性分析，确定试样中含有什么元素。

优点：（1）分析速度快探测元素范围（2）灵敏度高（3）谱线重复性好

缺点：（1）能量分辨率低，峰背比低（2）工作条件要求要严格

WDS：优点：波长分辨率高。

缺点：但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半径要足够大，这是玩去X 射线光源的距离就会变大，它对X射线光源所张得立体角会很小，因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也很低，使其X射线信号利用率低。由于晶体衍射后，强度损失很大，估WDS难以在低束流和低激发下使用。

4. SEM+EBSD技术是如何实现多晶样品中晶粒取向测量的？取向图中的取向差、晶界以及晶粒大小形态是如何界定的？

解：晶体取向图必须揭示出样品表面所有晶粒和晶界的位置，这与普通金相或扫描电镜形貌图不同；在晶体取向图中，一个晶粒是被这样定义的：毗邻像素点间取向差低于一个阈值角度的像素点集合区；晶粒尺寸的分布可在mapping上直接测量。

5. 试比较x-射线衍射测量法和EBSD技术在材料织构测试研究中各自的利弊。

答：XRD法适合于对材料织构信息的整体测量,可定量分析织构，由于被测量的晶粒数达几千个, 因此得到的织构信息是一个宏观统计值, 能较全面反映出材料的所有不同织构信息。XRD法测量织构具有制样简单、仪器操作方便、信息量大等优点。

EBSD 法对试样有一定的要求, 试样要有良好的导电性, 如果试样有残余应力或存在晶格畸变, 将导致菊池线宽化或模糊, 影响结果的准确性, 严重时可能导致实验无法进行。制样也比XRD 要严格, 要对样品表面进行抛光处理。在实际分析中, 只需很少的几步操作, 即可得到一张EBSP 谱。EBSD 法的特点是能对材料中的每一个晶粒进行取向测定, 并能直观地表示出晶体材料的微观组织形态以及相对应的晶体取向分布图等信息, 这是XRD 法所无法比拟的。

表面分析部分：

1. . 简述下列符号之意义。

（1）Ni的λK吸收限；（2）Mg3P1/2和Mg3P3/2光电子；（3）Na的LM1M2俄歇电子；（4）Cu的Kα和Kβ射线；（5）M4能级。

答：(1)使Ni原子中K层的电子击出的阈值波长

（2）Mg原子中M2层和M3层上的光电子

（3）Na原子受激发后，L层上的电子迁移，在L层上留下空位，M1的电子向L层跃迁，

辐射出的能量将M2层的电子激发出去，这个M2层的电子为Na的LM1M2俄歇电子俄歇电

子。（4）Cu的Kα:Cu的L层的电子向K层跃迁所产生的X射线。

Cu的Kβ：Cu的M层的电子向K层跃迁所产生的X射线.

(5)主量子数n为3，角量子数l为2，j=l-=,电子数为4，s-p-d结构为3d的能级

5. AES和XPS主要用途是什么？与常规化学成分分析和x-射线能谱(EDS) 成分分析相比，其间有何不同？

XPS主要用于成分和化学态的分析。

AES为解释各种和界面化学分析成分有光的材料性能特点提供有效的分析手段。

AES和XPS都属于电子能谱分析技术，基本原理是用单色射线照射样品，使样品中形成的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。

EDS是扫描电镜的一个重要条件，利用其可比对试样进行元素定性，半定量和定量分析。其特点是探测效率高，可同时分析出各种元素。

6. 何谓化学位移？请举例说明化学位移在固体表面元素分析中的重要意义。

解：一定元素的芯电子结合能会随原子的化学态(氧化态、晶格位和分子环境等)发生变化(典型值可达几个eV)即化学位移。这一化学位移的信息是元素状态分析与相关结构分析的主要依据

原子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。这种结合能上的微小差异就是元素的化学位移

表面元素的化学价态分析〔4-10〕：定性分析主要是利用俄歇电子的特征能量值来确定固体表面的元素组成。

对元素的结合状态的分析称为状态分析。AES 的状态分析是利用俄歇峰的化学位移，谱线变化（包括峰的出现或消失），谱线宽度和特征强度变化等信息。根据这些变化可以推知被测原子的化学结合状态。一般而言，由AES 解释元素的化学状态比XPS 更困难。实践中往往需要对多种测试方法的结果进行综合分析后才能作出正确的判断。虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道所决定，但由于原子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。这种轨道结合能上的微小差异可以导致俄歇电子能量的变化，这种变化就称作元素的俄歇化学位移，它取决于元素在样品中所处的化学环境。一般来说，由于俄歇电子涉及到 3 个原子轨道能级，其化学位移要比XPS 的化学位移大得多。利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式。由于俄歇电子能谱的分辨率低以及化学位移的理论分析的困难，俄歇化学效应在化学价态研究上的应用未能得到足够的重视。随着俄歇电子能谱技术和理论的发展，俄歇化学效应的应用也受到了重视，甚至可以利用这种效应对样品表面进行元素的化学成像分析。与XPS 相比，俄歇电子能谱虽然存在能量分辨率较低的缺点, 但却具有XPS 难以达到的微区分析优点。此外, 某些元素的XPS 化学位移很小, 难以鉴别其化学环境的影响, 但它们的俄歇化学位移却相当大, 显然，后者更适合于表征化学环境的作用。同样在XPS中产生的俄歇峰其化学位移也比相应XPS 结合能的化学位移要大得多。因此俄歇电子能谱的化学位移在表面科学和材料科学的研究中具有广阔的应用前景。