现代物质结构测试技术

现代物质结构测试技术

姓名：陈宝成

学号：1100865

课程名称：现代物质结构测试技术

课程编号：y09521077

目录

1引言 (1)

2 物质结构测试方法 (1)

2.1X-射线衍射分析 (1)

2.1.1 X-射线 (1)

2.1.2 X射线衍射方法 (3)

2.1.3 X射线衍射仪的运行方式 (5)

2.1.4 X射线衍射的应用 (6)

2.2拉曼光谱 (7)

2.2.1 拉曼效应和拉曼散射 (7)

2.2.2拉曼散射光谱的特征 (8)

2.2.3拉曼光谱技术的优越性 (8)

2.2.4拉曼光谱仪 (9)

2.2.5拉曼光谱的应用 (10)

2.3扫描隧道显微镜 (11)

2.3.1隧道效应 (11)

2.3.2扫描隧道显微镜的工作模式 (12)

2.3.3扫描隧道显微镜的优点 (13)

2.3.4扫描隧道显微镜的局限性 (13)

2.3.5扫描隧道显微镜的应用 (14)

3小结 (15)

参考文献 (16)

现代物质结构测试技术

摘要：现代物质结构测试技术水平的提高直接推动了人类科学技术的发展，同时人类科学技术的发展进一步促进了物质结构测试技术的不断前进。不同物质结构测试技术的测试原理以及具体测试过程和相应的测试仪器是不同的，但是各种技术的分析检测过程大体分为信号发生、信号检测、信号处理和信号读出等几个步骤。依据检测信号和材料的特征关系，分析处理读出信号，即可实现物质结构测试分析的目的。

关键词：测试；原理；应用

1引言

现代物质结构测试技术是关于材料成分、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。不仅包括材料成分、结构分析，也包括材料表面与界面分析、微区分析、形貌分析等诸多内容。

物质结构测试的基本原理是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系，采用不同的测量信号形成了各种不同的测试方法。基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种物理效应所建立的各种测试方法已成为物质测试技术的重要组成部分，大体可分为：光谱分析、电子能谱分析、衍射分析和电子显微分析等。此外，基于其他物理性质和电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质朴分析、电化学分析以及热分析等方法也是比较重要的方法。

2 物质结构测试方法

现代物质结构测试技术主要包括：

（1）利用波谱进行测试的技术：拉曼光谱、红外光谱、穆斯堡尔谱、X-射线衍射、X-射线荧光、Arger谱；

（2）利用成像进行测试的技术：电子显微镜（透射、扫描）、电子探针、扫描隧道显微镜。

2.1 X-射线衍射分析

X射线衍射分析可以详细而准确地揭示材料中原子组成、位置、占有率和能量状态，有助于有效地揭示材料的性能，改进生产工艺和扩大其应用范围，这些参数可以通过X射线衍射提供的二维倒易空间信息得到。

2.1.1 X-射线

X射线学是利用X射线与物质的相互作用，研究物质的成分、缺陷、组织、结构和结构变化的一门科学。目前，X射线学主要有三个分支：

（1）X射线透视学——主要用于医学和工业生产中的检验与检测；

（2）X射线衍射学——研究晶体和非晶体物质的结构测定以及研究结构与变化相关的各种问题；

（3）X射线光谱学——利用结构已知的的单晶体为分析晶体，测出种种物质发出的X射线的波长和强度，从而确定物质的化学成分。

X射线是一种波长为0.01～100 Å的电磁波，用X射线晶体结构分析的波一般选用0.5～2.5 Å。X射线最初是伦琴在研究阴极管放电现象时发现的。后来经大量实验证实：在高真空中，凡高速运动的电子碰到任何障碍物时，均能产生X 射线。

X射线的产生可以有多种方式，常规X射线衍射仪器所配备的X射线发射器都是高速电子流轰击金属耙的方式获得X射线。X射线管结构如图1所示。

图1 X射线管剖面示意图

加热阴极产生热电子，在两极之间几万伏高压的作用下，电子被加速向阳极靶上撞击，电子的运动受阻失去动能，其中小部分能量转变为X射线的能量产生X射线，绝大部分能量转变成热能使物体温度升高。

由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型，一种是连续X射线（白色X射线）：由高真空的X射线管产生。波长连续变化（相当于白色光），由电子动能转化而得，也称多色X射线；另一种是特征X射线：波长为一固定的特征值(单色X射线)，产生的原因是阴极高速电子打出阳极材料内层电子，外层电子补此空位而辐射出的能量，也称单色X射线。

（1）连续X射线

若轰击原子或分子的高能粒子是电子（如X射线管），则当加在两极间的加速电压较低时，仅产生连续X光谱；当电压超过阳极靶材料的激发电位时，就有靶材料的特征X射线迭加在连续光谱上。

在X射线光管中加速电压的电场势能转为电子的动能，电子被加速。电子所获的总动能为：

2

mv

==

Ee eV

2

式中：m为电子质量，e为电子的电荷，V为加速电压。

当高速电子轰击靶面时，受到靶材料原子核的库仑力的作用而突然减速，使电子周围的电磁场发生了急剧的变化。电子的动能部分地变成了X光辐射能，产生了具有一定波长的电磁波。

（2）特征（标识）X射线

当加于X射线管的高电压增加到一定的临界数值，使高速运动的电子的动能足以激发靶原子的内层电子时，便产生几条具有一定波长的、强度很大的谱线，迭加在连续X射线谱上。如图2所示。

图2 产生标识谱时原子能级跃迁示意图

当加速电压低于25kV时，只有连续谱线，当达到25kV时，则在连续谱的基础上产生波长特定的X射线的尖锐峰，构成标识X射线谱。这些谱线的波长取决于靶材料，与入射电子的能量无关（但要达到临界值），反映了靶材料的特征，故称为特征X射线。

特征X射线产生的原因是原子的内层电子被激发。当电压增到某一临界值，高速电子将金属靶原子的内层轨道（K、L等）上的电子激发到较高的外层轨道，甚至打出原子。这时处于受激状态或电离态，外层电子立即跃迁到能级较低内层轨道上，填补空位，放出能量，以X射线光量子的形式辐射出来，即为特征X 射线。

2.1.2 X射线衍射方法

2.1.2.1多晶体衍射方法

多晶体X射线衍射方法包括照相法和衍射仪法。

1.照相法