材料现代分析测试方法复习题

材料现代分析测试方法

复习题

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

《近代材料测试方法》复习题

1．材料微观结构和成分分析可以分为哪几个层次分别可以用什么方法分析

答：化学成分分析、晶体结构分析和显微结构分析

化学成分分析——常规方法（平均成分）：湿化学法、光谱分析法

——先进方法（种类、浓度、价态、分布）：X射线荧光光谱、电子探针、

光电子能谱、俄歇电子能谱

晶体结构分析：X射线衍射、电子衍射

显微结构分析：光学显微镜、透射电子显微镜、扫面电子显微镜、扫面隧道显微镜、原

子力显微镜、场离子显微镜

2．X射线与物质相互作用有哪些现象和规律利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用

答：除贯穿部分的光束外，射线能量损失在与物质作用过程之中，基本上可以归为两大类：一

部分可能变成次级或更高次的X射线，即所谓荧光X射线，同时，激发出光电子或俄歇电子。另一部分消耗在X射线的散射之中，包括相干散射和非相干散射。此外，它还能变成热量逸出。

（1）现象/现象：散射X射线（想干、非相干）、荧光X射线、透射X射线、俄歇效

应、光电子、热能

（2）①光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产

生光电效应。

应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。光电效应

使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是

X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。

②二次特征辐射（X射线荧光辐射）：当高能X射线光子击出被照射物质原子的

内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。

应用：X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射和非相干散射。相干散射

是X射线衍射分析方法的基础。

3．电子与物质相互作用有哪些现象和规律利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用

答：当电子束入射到固体样品时，入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。（1）现象/规律：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射线

（2）获得不同的显微图像或有关试样化学成分和电子结构的谱学信息

4．光电效应、荧光辐射、特征辐射、俄歇效应，荧光产率与俄歇电子产率。特征X射线产生机理。

光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。

荧光辐射：被打掉了内层电子的受激原子，将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出

波长严格一定的特征X射线。这种利用X射线激发而产生的特征辐射为二次特

征辐射，也称为荧光辐射。

特征辐射：

俄歇效应：原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差被邻近电子或较外层电子所吸收，使之受激发而成为自由电子。这种过程就是俄歇效应，这个自由电子

就称为俄歇电子。

荧光产率：激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。

俄歇电子产率：

5．拉曼光谱分析的基本原理及应用。什么斯托克斯线和反斯托克斯线什么是拉曼位移（振动能级）

原理：光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分,非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应。

应用：拉曼光谱对研究物质的骨架特征特别有效。红外和拉曼分析法结合，可更完整地研究分子的振动和转动能级，从而更可靠地鉴定分子结构。可以进行半导体、陶瓷等无机材料的分析。是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。在燃烧物和大气污染物分析等方面有重要应用。

有两种情况：

（1）分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，从光子中获取能量达到较高的能级。若与此相应的跃迁能级有关的频率是ν1，那么分子从低能级跃到高能级从入射光中得到的能量为hν1，而散射光子的能量要降低到hν0-hν1，频率降低为ν0-ν1。

（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光子相碰时可以把hν1的能量传给光子，形成一条能量为hν0+hν1和频率为ν0+ν1的谱线。

通常把低于入射光频的散射线ν0-ν1称为斯托克斯线。高于入射光频的散射线ν0+ν1称为反斯托克斯线。

6．X射线荧光光谱定性、定量分析的基本原理及应用（适用），什么是基本体吸收效应如何消除

定性分析：在谱仪上配上计算机，可以直接给出试样内所有元素的名称。

1、确定某元素的存在，除要找到易识别的某一强线外，最好找出另一条强度高的线条，以免误认。

2、区分哪些射线是从试样内激发的，那哪射线是靶给出的，靶还可能有杂质，也会发出X射线。

3、当X射线照射到轻元素上时，由于康普顿效应，还会出现非相干散射。可通过相应的实验将它们识别。

定量分析：如果没有影响射线强度的因素，试样内元素发出的荧光射线的强度与该元素在试样内的原子分数成正比。但是实际上存在影响荧光X射线强度的因素，这些因素叫做基体吸收效应和增强效应。

元素A的荧光X射线强度不但与元素A的含量有关，还与试样内其他元素的种类和含量有关。当A元素的特征x射线能量高于B元素的吸收限(或相反)时，则A元素的特征X射线也可以激发B 元素，于是产生两种影响，其中A元素的特征x荧光照射量率削弱的为吸收效应。吸收包括两部分：一次X射线进入试样时所受的吸收和荧光X射线从试样射出时所受的吸收。

实验校正法：外标法、内标法、散射线标准法，增量法

数学校正法：经验系数法、基本参数法

7．波谱仪与能谱仪的展谱原理及特点。（特征X射线检测）

波谱仪：利用X射线的波长不同来展谱。

1）能量分辨率高——突出的优点，分辨率为5eV

2）峰背比高：这使WDS所能检测的元素的最低浓度是EDS的1/10，大约可检测100 ppm。

3）采集效率低，分析速度慢。

4）由于经晶体衍射后，X射线强度损失很大，其检测效率低。

5）波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，因此其空间分辨率低且难与高分辨率的电镜（冷场场发射电镜等）配合使用。

能谱仪：利用X射线的能量不同来展谱。

优点：

1）分析速度快：同时接收和检测所有信号，在几分钟内分析所有元素。

2）灵敏度高：收集立体角大，不用聚焦，探头可靠近试样，不经衍射，强度没有损失。可在低束流（10-11 A）条件下工作，有利于提高空间分辨率。

3）谱线重复性好：没有运动部件，稳定性好，没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析。

缺点：

1）能量分辨率低：在130 eV左右，比WDS的5eV低得多，谱线的重叠现象严重。

2）峰背比低：探头直接对着样品，在强度提高的同时，背底也相应提高。EDS所能检测的元素的最低浓度是WDS的十倍，最低大约是1000 ppm。

3）工作条件要求严格：探头必须保持在液氦冷却的低温状态，即使是在不工作时也不能中断，否则导致探头功能下降甚至失效。

8．XPS的分析原理是什么（什么效应）

光电效应：在外界光的作用下，物体（主要指固体）中的原子吸收光子的能量，使其某一层的电子摆脱其所受的束缚，在物体中运动，直到这些电子到达表面。如果能量足够、方向合适，便可离开物体的表面而逸出，成为光电子。

光电子动能为：Ec =hv- E B -(-w)

9．XPS的应用及特点，XPS中的化学位移有什么用

分析表面化学元素的组成、化学态及其分布，特别是原子的价态、表面原子的电子密度、能级结构。

最大特点是可以获得丰富的化学信息，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。

(1) 可以分析除H和He以外的所有元素，可以直接得到电子能级结构的信息。

(2) 它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道能级，而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，互相干扰少，元素定性的标志性强。

(3) 是一种无损分析。

(4) 是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8g即可，绝对灵敏度高达10-18g，样品分析深度约2 nm。

由于原子处于不同的化学环境里而引起的结合能位移称为化学位移。化学位移的量值与价电子所处氧化态的程度和数目有关。氧化态愈高，则化学位移愈大。

10．紫外光电子能谱原理及应用。（激发什么电子）

紫外光电子能谱仪与X射线光电子能谱仪非常相似，只需把激发源变换一下即可。真空紫外光源只能激发样品中原子、分子的外层价电子或固体的价带电子。测量固体表面价电子和价带分布、气体分子与固体表面的吸附、以及化合物的化学键、研究振动结构。

11．俄歇电子能谱分析的原理、应用及特点。（俄歇电子与什么有关）

原理：俄歇效应。俄歇电子的能量与参与俄歇过程的三个能级能量有关。能量是特定的，与入射X射线波长无关，仅与产生俄歇效应的物质的元素种类有关。

应用：可以做物体表面的化学分析、表面吸附分析、断面的成分分析。

1）材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析；

2）金属、半导体、复合材料等界面研究；

3）薄膜、多层膜生长机理的研究；

4）表面化学过程（如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等）研究；

5）集成电路掺杂的三维微区分析；

6）固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。

特点：

1）作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度（电子平均自由程）。对于能量为50eV-2keV范围内的俄歇电子，逸出深度为，深度分辨率约为l nm,，横向分辨率取决于入射束斑大小。

2）可分析除H、He以外的各种元素。

3）对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。

4）可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。

12．扫描隧道显微镜基本原理及特点、工作模式。（量子隧道效应，如何扫描恒高、恒电流工作模式，隧道谱应用）

基本原理：尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。金属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷（Px、Py、Pz）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；

隧道谱应用：可对样品表面显微图像作逐点分析，以获得表面原子的电子结构（电子态）等信息。在样品表面选一定点，并固定针尖与样品间的距离，连续改变偏压值从负几V~正几V，同时测量隧道电流，便可获得隧道电流随偏压的变化曲线，即扫描隧道谱。

特点：

1）STM结构简单。

2）其实验可在多种环境中进行：如大气、超高真空或液体（包括在绝缘液体和电解液中）。

3）工作温度范围较宽，可在mK到1100K范围内变化。这是目前任何一种显微技术都不能同时做到的。

4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分辨率可以分别达到和。因此可直接观察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三维结构图像。

5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表面的扫描隧道谱（STS），从而可以研究材料表面化学结构和电子状态。

6）不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。

工作模式：

恒电流模式：扫描时，在偏压不变的情况下，始终保持隧道电流恒定。适于观察表面起伏较大的样品。

恒高模式：始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫描，随样品表面高低起伏，隧道电流不断变化。适于观察表面起伏不大的样品。

13．原子力显微镜工作原理、成像模式及应用。（微小力测量如何实现纳米量级力学性能测量）

原理：利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。

成像模式：

应用：已成为表面科学研究的重要手段。

（1）几十到几百纳米尺度的结构特征研究

（2）原子分辨率下的结构特征研究

（3）在液体环境下成像对材料进行研究

（4）测量、分析表面纳米级力学性能（吸附力、弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等)：通过测量微悬臂自由端在针尖接近和离开样品过程中的变形（偏转），对应一系列针尖不同位置和微悬臂形变量作图而得到力曲线。当针尖被压入表面时，那点曲线斜率可以决定材料的弹性模量，从力曲线上也能很好的反映出所测样品的弹性、塑性等性质。

（5）实现对样品表面纳米加工与改性

14．什么是离子探针离子探针的特点及应用。

离子探针微区分析仪，简称离子探针。

离子探针的原理是利用细小的高能（能量为1~20keV）离子束照射在样品表面，激发出正、负离子（二次离子）；利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比（m/e）和强度，确定固体表面所含元素的种类及其含量。

特点：

1）可作同位素分析。

2）可对几个原子层深度的极薄表层进行成分分析。利用离子束溅射逐层剥离，得到三维的成分信息。

3）一次离子束斑直径缩小至微米量级时，可拍摄特定二次离子的扫描图像。并可探测极微量元素（50ppm）。

4）可高灵敏度地分析包括氢、锂在内的轻元素，特别是可分析氢。

15．场离子显微镜的成像原理（台阶边缘的原子）。

1）隧道效应：若气体原子的外层电子能态符合样品中原子的空能级能态，该电子将有较高的几率通过“隧道效应”而穿过表面位垒进入样品，从而使成像气体原子变为正离子——场致电离。2）导体表面电场与其曲率成正比：E≈U/5r，相同的电压加上相同的导体，曲率越大，也就是越尖，导体上的电荷越密集，产生的电场越强。

3）场离化原理：当成像气体进入容器后，受到自身动能的驱使会有一部分达到阳极附近，在极高的电位梯度作用下气体原子发生极化，使中性原子的正、负电荷中心分离而成为一个电偶极子。16．DTA的基本原理，DTA在材料研究中有什么用处（定量比热）

基本原理：当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于参比物的温度，从而相应地在差热曲线上得到放热或吸热峰；

应用：

1）如果试样在升温过程中热容有变化，则基线ΔTa就要移动，因此从DTA曲线便可知比热发生急剧变化的温度，这个方法被用于测定玻璃化转变温度；

2）合金状态变化的临界点及固态相变点都可用差热分析法测定；

3）可以定量分析玻璃和陶瓷相态结构的变化；

4）被广泛地用于包括非晶在内的固体相变动力学研究；

5）可以用于研究凝胶材料烧结进程；

17．DSC的基本原理及应用。（纵坐标是什么）

差示扫描量热法（DSC）基本原理：根据测量方法的不同，有两种DSC法，即功率补偿式差示量热法和热流式差示量热法。

功率补偿式差示量热法：

1）试样和参比物具有独立的加热器和传感器，仪器由两条控制电路进行监控，一条控制温度，使样品和参比物在预定的速率下升温或降温；另一条用于补偿样品和参比物之间所产生的温差，通过功率补偿电路使样品与参比物的温度保持相同；

2）功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使试样与参比物的温度始终维持相同；

3）只要记录试样放热速度随T（或t）的变化，就可获得DSC曲线。纵坐标代表试样放热或吸热的速度，横坐标是温度T（或时间t）。

应用：1）样品焓变的测定；2）样品比热的测定；3）研究合金的有序-无序转变

18．影响DTA和DSC曲线形态的因素主要有哪些（加热速度，样品比热，气氛）

影响DTA（差热分析）曲线形态的因素：实验条件、仪器因素、试样因素等；

实验条件：

①升温速率：程序升温速率主要影响DTA曲线的峰位和峰形，升温速率越大，峰位越向高温方向迁移以及峰形越陡；

②不同性质的气氛如氧化性、还原性和惰性气氛对DTA曲线的影响很大，有些场合可能会得到截然不同的结果；

③参比物：参比物与样品在用量、装填、密度、粒度、比热及热传导等方面应尽可能相近，否则可能出现基线偏移、弯曲，甚至造成缓慢变化的假峰。

影响DSC（量热分析）曲线形态的因素：实验条件、仪器因素、试样因素等；

实验条件：

①升温速率：一般升温速率越大，峰温越高、峰形越大和越尖锐，而基线漂移大，因而一般采用10℃/min；

②气氛对DSC定量分析中峰温和热焓值的影响是很大的。

③参比物：参比物的影响与DTA相同。

19．热重分析应用

1）主要研究在空气中或惰性气体中材料的热稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变化；

2）还广泛用于研究涉及质量变化的所有物理过程，如测定水分、挥发物和残渣，吸附、吸收和解吸，气化速度和气化热，升华速度和升华热；

3）可以研究固相反应，缩聚聚合物的固化程度，有填料的聚合物或共混物的组成；

4）以及利用特征热谱图作鉴定等。

20． 什么是穆斯堡尔效应穆斯堡尔谱的应用。（横坐标低温）

无反冲核γ射线发射和共振吸收现象称为穆斯堡尔效应：若要产生穆斯堡尔效应，反冲能量ER 最好趋向于零；大多数核只有在低温下才能有明显的穆斯堡尔效应；

应用：

1）可用于测定矿石、合金和废物中的总含铁量和总含锡量；

2）可用于研究碳钢淬火组织、淬火钢的回火、固溶体分解；

3）可以用于判断各种磁性化合物结构的有效手段（可用于测定反铁磁性的奈尔点、居里点和其它各种类型的磁转变临界点；也可用于测定易磁化轴，研究磁性材料中的非磁性相）；4）可用于研究包括红血蛋白、肌红蛋白、氧化酶、过氧化酶、铁氧还原蛋白和细胞色素等范围极广的含铁蛋白质的结构和反应机理研究。

21． 产生衍射的必要条件（布拉格方程）及充分条件。（衍射角由什么

决定几何关系）

必要条件：

1）满足布拉格方程 λθn dsin 2=

2）能够被晶体衍射的X 射线的波长必须小于或等于参加反射的衍射面中最大面间距的二倍； 充分条件：

1）衍射角：由晶胞形状和大小确定

22． 影响衍射强度的因素。

1）晶胞中原子的种类、数量和位置；

2）晶体结构、晶粒大小、晶粒数目；

3）试样对X 射线的吸收；

4) 衍射晶面的数目；

5）衍射线的位置；

6）温度因子；

23． 物相定性分析、定量分析的原理。（强度与什么有关正比含量吗如

何校正基体吸收系数变化对强度的影响）

物相定性分析：每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子（离子或分子）的数目及其位置等等，而这些参数在X 射线衍射花样中均有所反映；某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及强度，是该种物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。 物相定量分析原理：各相衍射线的强度，随该相含量的增加而提高；由于试样对X 射线的吸收，使得“强度”并不正比于“含量”，而须加以修正。

1）采用单线条法（外标法）：混合样中j 相某线与纯j 相同一根线强度之比，等于j 相的重量百分数；

2）采用内标法：将一种标准物掺入待测样中作为内标，并事先绘制定标曲线。

3）采用K 值法及参比强度法：它与传统的内标法相比，不用绘制定标曲线；

4）采用直接对比法：不向样品中加入任何物质而直接利用样品中各相的强度比值实现物相定量的方法。

24． 晶粒大小与X 射线衍射线条宽度的关系。

德拜-谢乐公式： θ

γcos B K D = D 为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B 为实测样品衍射峰半高宽度、θ为衍射角、γ为X 射线波长

晶粒的细化能够引起X 射线衍射线条的宽化；

25． 内应力的分类及在衍射图谱上的反映。

第一类：在物体较大范围（宏观体积）内存在并平衡的内应力，此类应力的释放，会使物体的宏观体积或形状发生变化。第一类内应力又称“宏观应力”或“残余应力”。宏观应力使衍射线条位移。 第二类：在数个晶粒范围内存在并平衡的内应力，一般能使衍射线条变宽，但有时亦会引起线条位移。

第三类：在若干个原子范围内存在并平衡的内应力，如各种晶体缺陷（空位、间隙原子、位错等）周围的应力场、点阵畸变等，此类应力的存在使衍射强度降低。

26． 扫描电镜二次电子像与背散射电子像。（应用及特点）

1. 二次电子像（SEI）：

1）特点：图像分辨率比较高；二次电子信号强度与原子序数没有明确的关系，仅对微区刻面相对于入射电子束的角度十分敏感；二次电子能量较低，其运动轨迹极易受电场和磁场的作用从而发生改变，不易形成阴影；二次电子信号特别适用于显示形貌衬度，用于断口检测和各种材料表面形貌特征观察；SE本身对原子序数不敏感，但其产额随（BSE产额）增大而略有上升；SE能反映出表面薄层中的成分变化；通常的SE像就是形貌衬度像

应用：SE研究样品表面形貌最有用的工具；SE也可以对磁性材料和半导体材料进行相关的研究2. 背散射电子像（BSEI）：

1）特点：样品表面平均原子序数大的微区，背散射电子强度较高，而吸收电子强度较低，形成成分衬度；样品表面不同的倾斜角会引起BSE数量的不同，样品表面的形貌对其也有一定的影响；倾角一定，高度突变，背散射电子发射的数量也会改变；背散射电子能量高，离开样品后沿直线轨迹运动；样品表面各个微区相对于探测器的方位不同，使收集到的背散射电子数目不同；检测到的信号强度远低于二次电子，粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。

应用：背散射电子像衬度应用最广泛的是成分衬度像，与SE形貌像（或BSE形貌相）相配合，可以方便地获得元素和成分不同的组成相分布状态。

27．扫描电镜图像衬度（形貌衬度、原子序数衬度）。（产额）

1）表面形貌衬度；电子束在试样上扫描时任何两点的形貌差别表现为信号强度的差别，从而在图像中显示形貌衬度。SE形貌衬度像的一大特点是极富立体感。

原理：利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。

应用：二次电子和背散射电子信号强度是试样表面倾角的函数，均可用形成样品表面形貌衬度。SE的产额随样品各部位倾斜角θ（电子束入射角）的不同而变化

2）原子序数衬度：原子序数衬度是试样表面物质原子序数（化学成分）差别而形成的衬度。

原理：利用对试样表面原子序数（或化学成分）变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到原子序数衬度图像。

应用：背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有原子序数衬度，而特征X射线像的衬度就是原子序数衬度。

28．什么是电子探针电子探针的原理、特点及工作方式。(检测的信号)

电子探针X射线显微分析仪是一种微区成分分析的仪器。检测的信号是特征X射线。利用电子束照射在样品表面，激发出正、负离子（二次离子），用X射线分析器进行分析。特征X射线的波长（能量）——确定待测元素；特征X射线强度——确定元素的含量。