材料表征技术
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材料表征技术(一)
金灯仁
参考书：无机非金属材料测试方法 材料现代分析方法
X射线衍射分析原理、方法、应用 （周上祺）等
(英文版)
绪论(一)
现代分析测试技术:是研究物质的微观状 态与宏观性能之间关系的一种手段.
人们能通过改变分子或晶体的结构来达 到控制物质宏观特性的目的,所以科学 技术的发展离不开分析测试.
Ex,t
E0
s
inห้องสมุดไป่ตู้
2
(
x
vt)
H x,t
H
0
s
in
2
(
x
vt)
c
X射线具波粒二象性
作为光子流：用光子的能量E及动量P来表征；经验公式
E
h
h
c
,
P
hK
K
1
波矢，方向为沿波的传播方向。
X射线作为一种电磁波，在其传播的过程中是携带 一定的能量的，即表示其强弱的程度。通常以单位 时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积上 的能量来表示。
是利用同步辐射光源进行科学 研究的装置，对社会开放的大 型公用科学设施，是我国凝聚 态物理、材料科学、化学、生 命科学、资源环境及微电子等 交叉学科开展科学研究的重要 基地。
1.3 X射线的产生及X射线管
1.3 X射线的产生及X射线管
X射线的产生：高速运动着的带电（或不带电）粒子与某种物质相撞击 后猝然减速，且与该物质中的内层电子相作用
微观结构：原子结构、晶体结构、缺陷等原子、 分子水平上的构造状况。
显微结构：材料内部不同的晶相、玻璃相及气孔 的形态、大小、取向、分布等结构状况。从尺度 范围上来讲一般电子显微镜及光学显微镜所观察 到的范围。
绪论(二)
• 材料的组织结构与性能 • 显微组织结构的内容：显微化学成分(不同相成分，
基体与析出相的成分、偏析等)、晶体结构与晶体缺陷、晶 粒大小与形态、相（成分、结构、形态、含量及分布）、 界面
• 传统的显微组织结构与成分分析测试方法
光学显微镜：100nm, 表面形态，难以实现同位微 区分析 化学分析：平均成分，不能给出元素分布
• X射线衍射与电子显微分析
• XRD:晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。
• 局限性：无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结 合；微 米、纳米级选择性分析
• 电子显微镜(EM,Electron Microscope)：用高能电子束 作光源，用磁场作透镜，高分辨率和高放大倍数
residual stress analysis • Influence of non-ambient conditions on these properties
All these investigations can be carried out on samples of varying dimensions: Powders, from bulk samples to very small amounts Solid materials of varying shapes and size, such as machined metallic or ceramic components or pills Well plates for combinatorial analysis
入射线
X射线
X射线 晶体结构 衍射规律
试样(晶
体)？
衍射线
分析（结构）
XRD谱 I:强度
d(2)：位置
XRD分析
结构
尺度：埃量级—核外电子结构；微米级的晶粒度。 尺度更大的孔隙、裂纹等
结构（或组织结构）（广义）包括从原子结构到 肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的 通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结 构等。
当X射线当作波时，根据经典物理学，其强度I与电 场强度向量的振幅E0的平方成正比。
I
c
8
E02
当将X射线看作光子流时，则其强度为光子密度 和每个光子的能量的乘积。
1.3 X射线的产生及X射线管
1.3 X射线的产生及X射线管
同步辐射光源： 同步辐射光源是在同步辐射加速器中产生的高强度光 源，是高能带电粒子加速运动产生的副产物
第一章 X射线的性质 1.1 引言
• 1895， （德，物）伦琴发现X射线 • 1912，（德，物）劳厄发现X射线在晶体
中的衍射
X射线：电磁波 晶体：格子构造；
研究晶体材料开辟道 路
X射线衍射（XRD）的应用
• 单晶材料：晶体结构；对称性和取向方位 • 金属、陶瓷：物相分析（定性、定量） • 测定相图或固溶度（定量、晶格常数随固溶
2 2 4
特征X射线产生
原子能级结构
莫塞莱定律
X射线荧光光谱分析和电子探 针微区成分分析的理论基础
En
Rhc n2
(Z
)2
T2-16 K射线的双重 线
W靶: 0.0709nm 0.0714nm
K波长=？ 加权平均
产生特征（标识）X射线的根 本原因：内层电子的跃迁
• 激发源：高速电子、质子、中子、 X射 线;
入射线 X射线
X射线 晶体结构 衍射规律
试样(晶
体)？
衍射线
分析（结构）
XRD谱 I:强度
d(2)：位置
XRD分析
XRD部分安排
X射线物理基础、晶体结构 X射线衍射基本理论（衍射几何、强度） 单晶、多晶衍射、衍射仪法 应用：物相分析
1.2 X射线的本质
T1-1电磁波谱
电磁波：振动电磁场的传播，可用交变振动着的电场强度向 量和磁场强度向量来表征；它们以相同的位相在两个互相垂 直的平面上振动，而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直， 并为右手螺旋法则所确定，真空中的传播速度为3x108m/s
[ur负电子对撞机[/uPC)： 通过高能加速器加速正负 电子，利用高速正负电子的对撞研究高能物理的基本 过程；同时高能带电粒子加速运动产生的副产物—— 同步辐射可提供真空紫外线至硬X光波段的高强度光 源，可用来开展各领域的研究工作。
1.3 X射线的产生及X射线管
北京同步辐射装置(BSRF)简介 北京同步辐射装置(BSRF)
• 每种元素都有特定波长的标识X射线：X 射线光谱分析的原理
1.5 X射线与固体物质相互作用
内层电子 外层电子、 价电子、自 由电子
真吸收
X射线的吸收
1. X射线的吸收与吸收系数
T2-18 X射线衰减
X射线衰减规律It
:线吸收系数。 意义：在X射线传播方向上，单位长度 上的X射线强度衰减程度[cm-1].与物质种 类、密度、X射线波长有关。
• TEM：微观组织形态与晶体结构鉴定（同位分析）；10-
1nm,106 • SEM:表面形貌，1nm, 2x105, 表面的成分分布 • EPMA：SEM、EPMA结合，达到微观形貌与化学成分的同位
分析 • STEM：SEM+TEM双重功能，+EPMA， 组织形貌观察、
晶体结构鉴定及化学成分测试三位一体的同位分析
• 其它
X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、 扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等
• 要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础
• 课程安排
第一章 X射线的性质
• •1.1 引言 • •1.2 X射线的本质 • •1.3 X射线的产生及X射线管 • •1.4 X射线谱 • •1.5 X射线与固体物质相互作用
表4-1 X射线衍射分析方法的应 用
材料表征 （本课程的）主要内容
元素成份分析（AAS，AES，XRF， EDX） 化学价键分析（IR，LRS） 结构分析（XRD，ED） 形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM） 表面与界面分析（XPS，AES，SIMS）
本课程内容与要求
• X射线衍射、电子显微分析（重点掌握）
材料现代分析方法，是关于材料成分、结构、 微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其 有关理论基础的科学。
内容：材料（整体的）成分、结构分析，也包 括材料表面与界面、微区分析、形貌分析等
一般原理：通过对表征材料的物理性质或物理 化学性质参数及其变化（称为测量信号或特征 信息）的检测实现的。即材料的分析原理是指 测量信号与材料成分、结构等的特征关系。采 用不同测量信号（相应地具有于材料的不同特 征关系）形成了各种不同的材料分析方法。
1-6 X射线的安全防护
• 0.77x10-4C/Kg.W:局部组织损伤、坏死及 由此带来的疾患
• 避免直接暴露于X射线光束：调整 • 铅屏、铅玻璃及眼镜、手套、围裙
第二章 X射线衍射方向
2.1 引言 晶体结构与XRD 2.2 晶体几何学基础
一 晶体结构
晶体:由组成它的原子有规律排列的固体。
1.空间点阵
T2-15 特征X射线谱及 管电压对特征谱的影
响
特征X射线产生：能量阈值
En Rhc (Z )2
n2
h n2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL L K
辐射出来的光子能量
KL h hc /
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
eVk =-Ek=Wk
特征X射线产生
m = / [cm2/g] 质量吸收系数：物质固有值 物理意义：单位质量物质对X射线的衰 减量。与物质密度和物质状态无关。
m K3Z3
含多种元素物质的质量吸收系数 m
m i (m)i
为各元素的质量百分比
应用：
生物体透视 工业产品探伤
2.二次特征辐射
m = / m K3Z3
逸出功
hWk = eVk hc/ eVk=1.24/Vk = k
• 1.漫散射式：原子对X射线的漫散射，向四 周发散；极少一部分
• 2. 真吸收：电子在原子内的迁移所引起的， 是一个很大的能量转换过程（见前图）。
• 这两种吸收构成由质量吸收系数表征的全吸 收。
1.5.3吸收限的应用
滤波片与靶的选择（吸收与荧光）
图6—5 按样品的化学成分选靶 （a）Z靶<Z样 （b）Z靶=Z样+1 （c）Z靶》Z样
and indexing, structure refinement and ultimately structure solving • Degree of orientation of the crystallites: texture analysis. • Deformation of the crystallites as a result of the production process:
hc / k wk k
图6—4 质量吸收系数(／jm)与 波长(A)关系示意图
光子能量
吸收限：（光电吸收） K系激发限：光电效应
3. 俄歇（Auger）效应
k
k- LII
能量取决于原子能级结构： 元素特征值
能量低：几百电子伏特— 表面分析
k- LII- LII KLL俄歇电子
物质对X射线的吸收方式
度的变化） • 多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况
Structural analysis for materials research and crystallography
X-ray powder diffractometry (XRPD) is a valuable tool for the research and development of advanced materials. It can be used for investigation of the following properties:
此外，还有旋转阳 极X射线管、 细聚焦X射线管
1.4 X射线谱 （连续X射线、特征X射线) T2-13 连续X射线谱特征及辐射 管电压对连续连辐射续谱影响 I连积分公式
0
曲线连续变化
• 短波极限 eV=hmax =hc/0
0 =1.24/V (nm) V(kV)
在X射线谱中某个波长处出现强度峰，峰窄而 尖锐；此波长放映了物质的原子序数特征----特征X射线
• Identification of the phase(s) present: is it a pure phase or does the material contain impurities as a result of the production process?
• Quantification of mixtures of phases • Degree of crystallinity of the phase(s) • Crystallographic structure of the material: space group determination
F1-8空间点阵
阵胞与基矢 空间点阵的描述 重复单元、相邻结点间距
c
b
a
2.阵胞与点阵类型
T1-5布拉菲点阵
金灯仁
参考书：无机非金属材料测试方法 材料现代分析方法
X射线衍射分析原理、方法、应用 （周上祺）等
(英文版)
绪论(一)
现代分析测试技术:是研究物质的微观状 态与宏观性能之间关系的一种手段.
人们能通过改变分子或晶体的结构来达 到控制物质宏观特性的目的,所以科学 技术的发展离不开分析测试.
Ex,t
E0
s
inห้องสมุดไป่ตู้
2
(
x
vt)
H x,t
H
0
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(
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vt)
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X射线具波粒二象性
作为光子流：用光子的能量E及动量P来表征；经验公式
E
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h
c
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P
hK
K
1
波矢，方向为沿波的传播方向。
X射线作为一种电磁波，在其传播的过程中是携带 一定的能量的，即表示其强弱的程度。通常以单位 时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积上 的能量来表示。
是利用同步辐射光源进行科学 研究的装置，对社会开放的大 型公用科学设施，是我国凝聚 态物理、材料科学、化学、生 命科学、资源环境及微电子等 交叉学科开展科学研究的重要 基地。
1.3 X射线的产生及X射线管
1.3 X射线的产生及X射线管
X射线的产生：高速运动着的带电（或不带电）粒子与某种物质相撞击 后猝然减速，且与该物质中的内层电子相作用
微观结构：原子结构、晶体结构、缺陷等原子、 分子水平上的构造状况。
显微结构：材料内部不同的晶相、玻璃相及气孔 的形态、大小、取向、分布等结构状况。从尺度 范围上来讲一般电子显微镜及光学显微镜所观察 到的范围。
绪论(二)
• 材料的组织结构与性能 • 显微组织结构的内容：显微化学成分(不同相成分，
基体与析出相的成分、偏析等)、晶体结构与晶体缺陷、晶 粒大小与形态、相（成分、结构、形态、含量及分布）、 界面
• 传统的显微组织结构与成分分析测试方法
光学显微镜：100nm, 表面形态，难以实现同位微 区分析 化学分析：平均成分，不能给出元素分布
• X射线衍射与电子显微分析
• XRD:晶体结构、晶胞参数、晶体缺陷、相等。
• 局限性：无法形貌观察与晶体结构分析微观同位结 合；微 米、纳米级选择性分析
• 电子显微镜(EM,Electron Microscope)：用高能电子束 作光源，用磁场作透镜，高分辨率和高放大倍数
residual stress analysis • Influence of non-ambient conditions on these properties
All these investigations can be carried out on samples of varying dimensions: Powders, from bulk samples to very small amounts Solid materials of varying shapes and size, such as machined metallic or ceramic components or pills Well plates for combinatorial analysis
入射线
X射线
X射线 晶体结构 衍射规律
试样(晶
体)？
衍射线
分析（结构）
XRD谱 I:强度
d(2)：位置
XRD分析
结构
尺度：埃量级—核外电子结构；微米级的晶粒度。 尺度更大的孔隙、裂纹等
结构（或组织结构）（广义）包括从原子结构到 肉眼能观察到的宏观结构各个层次的构造状况的 通称。原子结构、分子结构、晶体结构、电畴结 构等。
当X射线当作波时，根据经典物理学，其强度I与电 场强度向量的振幅E0的平方成正比。
I
c
8
E02
当将X射线看作光子流时，则其强度为光子密度 和每个光子的能量的乘积。
1.3 X射线的产生及X射线管
1.3 X射线的产生及X射线管
同步辐射光源： 同步辐射光源是在同步辐射加速器中产生的高强度光 源，是高能带电粒子加速运动产生的副产物
第一章 X射线的性质 1.1 引言
• 1895， （德，物）伦琴发现X射线 • 1912，（德，物）劳厄发现X射线在晶体
中的衍射
X射线：电磁波 晶体：格子构造；
研究晶体材料开辟道 路
X射线衍射（XRD）的应用
• 单晶材料：晶体结构；对称性和取向方位 • 金属、陶瓷：物相分析（定性、定量） • 测定相图或固溶度（定量、晶格常数随固溶
2 2 4
特征X射线产生
原子能级结构
莫塞莱定律
X射线荧光光谱分析和电子探 针微区成分分析的理论基础
En
Rhc n2
(Z
)2
T2-16 K射线的双重 线
W靶: 0.0709nm 0.0714nm
K波长=？ 加权平均
产生特征（标识）X射线的根 本原因：内层电子的跃迁
• 激发源：高速电子、质子、中子、 X射 线;
入射线 X射线
X射线 晶体结构 衍射规律
试样(晶
体)？
衍射线
分析（结构）
XRD谱 I:强度
d(2)：位置
XRD分析
XRD部分安排
X射线物理基础、晶体结构 X射线衍射基本理论（衍射几何、强度） 单晶、多晶衍射、衍射仪法 应用：物相分析
1.2 X射线的本质
T1-1电磁波谱
电磁波：振动电磁场的传播，可用交变振动着的电场强度向 量和磁场强度向量来表征；它们以相同的位相在两个互相垂 直的平面上振动，而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直， 并为右手螺旋法则所确定，真空中的传播速度为3x108m/s
[ur负电子对撞机[/uPC)： 通过高能加速器加速正负 电子，利用高速正负电子的对撞研究高能物理的基本 过程；同时高能带电粒子加速运动产生的副产物—— 同步辐射可提供真空紫外线至硬X光波段的高强度光 源，可用来开展各领域的研究工作。
1.3 X射线的产生及X射线管
北京同步辐射装置(BSRF)简介 北京同步辐射装置(BSRF)
• 每种元素都有特定波长的标识X射线：X 射线光谱分析的原理
1.5 X射线与固体物质相互作用
内层电子 外层电子、 价电子、自 由电子
真吸收
X射线的吸收
1. X射线的吸收与吸收系数
T2-18 X射线衰减
X射线衰减规律It
:线吸收系数。 意义：在X射线传播方向上，单位长度 上的X射线强度衰减程度[cm-1].与物质种 类、密度、X射线波长有关。
• TEM：微观组织形态与晶体结构鉴定（同位分析）；10-
1nm,106 • SEM:表面形貌，1nm, 2x105, 表面的成分分布 • EPMA：SEM、EPMA结合，达到微观形貌与化学成分的同位
分析 • STEM：SEM+TEM双重功能，+EPMA， 组织形貌观察、
晶体结构鉴定及化学成分测试三位一体的同位分析
• 其它
X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、 扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等
• 要求与目标 正确选择方法、制订方案、分析结果 为以后掌握新方法打基础
• 课程安排
第一章 X射线的性质
• •1.1 引言 • •1.2 X射线的本质 • •1.3 X射线的产生及X射线管 • •1.4 X射线谱 • •1.5 X射线与固体物质相互作用
表4-1 X射线衍射分析方法的应 用
材料表征 （本课程的）主要内容
元素成份分析（AAS，AES，XRF， EDX） 化学价键分析（IR，LRS） 结构分析（XRD，ED） 形貌分析（SEM,TEM,AFM,STM） 表面与界面分析（XPS，AES，SIMS）
本课程内容与要求
• X射线衍射、电子显微分析（重点掌握）
材料现代分析方法，是关于材料成分、结构、 微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技术及其 有关理论基础的科学。
内容：材料（整体的）成分、结构分析，也包 括材料表面与界面、微区分析、形貌分析等
一般原理：通过对表征材料的物理性质或物理 化学性质参数及其变化（称为测量信号或特征 信息）的检测实现的。即材料的分析原理是指 测量信号与材料成分、结构等的特征关系。采 用不同测量信号（相应地具有于材料的不同特 征关系）形成了各种不同的材料分析方法。
1-6 X射线的安全防护
• 0.77x10-4C/Kg.W:局部组织损伤、坏死及 由此带来的疾患
• 避免直接暴露于X射线光束：调整 • 铅屏、铅玻璃及眼镜、手套、围裙
第二章 X射线衍射方向
2.1 引言 晶体结构与XRD 2.2 晶体几何学基础
一 晶体结构
晶体:由组成它的原子有规律排列的固体。
1.空间点阵
T2-15 特征X射线谱及 管电压对特征谱的影
响
特征X射线产生：能量阈值
En Rhc (Z )2
n2
h n2 n1 En2 En1
激发--跃迁--能量降低
KL L K
辐射出来的光子能量
KL h hc /
激发所需能量--与原子核的结合能Ek
eVk =-Ek=Wk
特征X射线产生
m = / [cm2/g] 质量吸收系数：物质固有值 物理意义：单位质量物质对X射线的衰 减量。与物质密度和物质状态无关。
m K3Z3
含多种元素物质的质量吸收系数 m
m i (m)i
为各元素的质量百分比
应用：
生物体透视 工业产品探伤
2.二次特征辐射
m = / m K3Z3
逸出功
hWk = eVk hc/ eVk=1.24/Vk = k
• 1.漫散射式：原子对X射线的漫散射，向四 周发散；极少一部分
• 2. 真吸收：电子在原子内的迁移所引起的， 是一个很大的能量转换过程（见前图）。
• 这两种吸收构成由质量吸收系数表征的全吸 收。
1.5.3吸收限的应用
滤波片与靶的选择（吸收与荧光）
图6—5 按样品的化学成分选靶 （a）Z靶<Z样 （b）Z靶=Z样+1 （c）Z靶》Z样
and indexing, structure refinement and ultimately structure solving • Degree of orientation of the crystallites: texture analysis. • Deformation of the crystallites as a result of the production process:
hc / k wk k
图6—4 质量吸收系数(／jm)与 波长(A)关系示意图
光子能量
吸收限：（光电吸收） K系激发限：光电效应
3. 俄歇（Auger）效应
k
k- LII
能量取决于原子能级结构： 元素特征值
能量低：几百电子伏特— 表面分析
k- LII- LII KLL俄歇电子
物质对X射线的吸收方式
度的变化） • 多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况
Structural analysis for materials research and crystallography
X-ray powder diffractometry (XRPD) is a valuable tool for the research and development of advanced materials. It can be used for investigation of the following properties:
此外，还有旋转阳 极X射线管、 细聚焦X射线管
1.4 X射线谱 （连续X射线、特征X射线) T2-13 连续X射线谱特征及辐射 管电压对连续连辐射续谱影响 I连积分公式
0
曲线连续变化
• 短波极限 eV=hmax =hc/0
0 =1.24/V (nm) V(kV)
在X射线谱中某个波长处出现强度峰，峰窄而 尖锐；此波长放映了物质的原子序数特征----特征X射线
• Identification of the phase(s) present: is it a pure phase or does the material contain impurities as a result of the production process?
• Quantification of mixtures of phases • Degree of crystallinity of the phase(s) • Crystallographic structure of the material: space group determination
F1-8空间点阵
阵胞与基矢 空间点阵的描述 重复单元、相邻结点间距
c
b
a
2.阵胞与点阵类型
T1-5布拉菲点阵