《现代材料测试方法》实验指导书 - 图文

《材料现代测试方法》实验指导书

材料科学与工程学院

《材料现代测试方法》教学小组

实验一. X射线衍射分析

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学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础

1. 目的要求：

1. 初步了解多晶体（粉末）X射线衍射分析仪器的构造及工作原理； 2. 熟悉和掌握标准粉末衍射（PDF）卡片、索引及使用方法

2. 实验原理：

多晶体（粉末）X射线衍射分析仪是用单色X射线照射多晶体（粉末）样品，在满足布拉格公式（2dsinθ=nλ）条件时产生衍射，把衍射图谱记录下来用以分析晶体结构的仪器，主要用于以下几个方面：

1． X射线物相分析，就是根据样品的衍射线的位置、数目及相对强度等确定样品中包

含有那些结晶物质。

2． 进行X射线定量物相分析以及根据晶格常数随固溶度的变化来测定相图或固溶度等 3． 根据X射线衍射线的线形及宽化程度等来测定多晶试样中晶粒大小、应力和应变情

况等。

3. 实验仪器设备：

该仪器为日本理学公司生产的Dmax/rB型多晶体（粉末）X射线衍射分析仪，由X射线发生器、测角仪、计数记录仪和控制运算部分构成。

Dmax/rB型多晶体（粉末）X射线衍射分析仪外

形图

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X射线衍射分析仪光路图

封闭式X射线管结构图

4.操作步骤：

1． 按仪器说明书规定顺序打开电源、冷却水和衍射仪。

2． 按仪器说明书中规定步骤和时间逐步将X射线管的电压、电流升到所需数值。 3． 将粉末样品压入样品板里，去掉多余样品，将样品板插入样品台。 4． 根据样品和测试要求设定扫描条件。 5． 按“开始”键开始样品测试。

6． 在样品测试结束后，按仪器说明书中规定步骤和时间逐步降低电压、电流，关闭仪

器，关闭冷却水，关闭电源。

5.数据处理：

1. 用得到的样品衍射图谱进行平滑、去背底、检峰等处理和计算，得到各个衍射峰的

角度、d值、半高宽、绝对强度、相对强度的数据。

2. 根据得到的衍射峰数据和其他样品的信息用不同的索引进行检索，找到样品里所含

各种结晶物质及对应的PDF卡片

3. 根据测试目的，用得到的衍射峰数据和PDF卡片数据进行计算，得到所需要的结果。

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X射线衍射图谱和数据

标准粉末衍射（PDF）卡片

6.问题分析：

1． 布拉格公式（2dsinθ=nλ）中的d、θ、λ各代表什么意思？ 2． 索引分为几种？怎样使用？

3． 卡片分成几个区域？和衍射图谱检索有关的主要有那些区域的数据？

（执笔人：钱同生）

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实验二. 扫描电子显微分析

学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础

一．实验目的：

1、了解扫描电子显微镜的基本构造和工作原理 2、了解电镜的样品制备 3、了解扫描电镜的一般操作过程

4、了解扫描电镜的图像衬度和图像分析方法

二 实验原理：

以二次电子的成像为例，由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在偏转线圈作用下于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号调制显示器的亮度。

三、实验仪器设备及流程

该实验用仪器为日本电子公司(JEOL)生产的JSM-5900，其主要性能指标：分辨率3nm，最大加速电压30KV。由真空系统、电子控制系统和电子光学系统组成。电子光学系统由电子枪、聚光镜、物镜、物镜光阑和样品室等部件组成，扫描电镜基本构造外型如图一。

本实验选取两个样品观察二次电子像和背散射电子像。

样品制备：对于导电样品，选取适合样品台大小的尺寸，用导电胶粘在样品台上放入即可。对于块状非导电样品或粉末样品，则需先用导电胶或双面胶粘在样品台上用离子溅射仪镀上导电层如金、铂或碳。注意样品中不能含有挥发性物质或腐蚀性物资，如水，乙醇，丙酮等。

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亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。

电子枪是透射电子显微镜的电子源，常用的是热阴极三极电子枪。本机用的是六硼化镧电子枪。

聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角、和束斑大小。一般采用双聚光镜系统

（2） 成像系统

成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。

物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。物镜的分辨本领主要决定于极靴的形状和加工精度。物镜的后焦面上安放的是物镜光阑。

中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是电子衍射操作。

投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上。

目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。

（3） 观察记录系统

观察和记录装置包括荧光屏、照相机构和计算机。 2、透射电镜的主要部件

（1） 样品平移与倾斜装置（样品台） （2） 电子束倾斜与平移装置

（3） 光阑：1、聚光镜光阑。2、物镜光阑。3、选区光阑。

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图2 JEM-2010透射电镜剖面图

3、透射电镜的成像衬度

透射电镜的成像衬度分为质厚衬度、衍射衬度和相位衬度。

质厚衬度是由于非晶试样中各部分厚度和密度差别导致对入射电子的散射程度不同而形成的衬度.

衍射衬度是基于晶体薄膜内各部分满足衍射条件的不同而形成的衬度。根据衍射衬度原理形成的电子图像称为衍衬像.在实验中，既可以选择特定的像区进行电子衍射(选区电子衍射)，也可以选择一定的衍射束成像,称为选择衍射成像.选择单光束用于晶体的衍衬像, 选择多光束用于晶体的晶格像。若物镜光阑套住其后焦面的中心透射斑，形成的电子图像称为明场像(BF)，若物镜光阑套住其后焦面的某一衍射斑,形成的电子图像称为暗场像(DF)。

相位衬度：衍射束和透射束或衍射束和衍射束由于物质的传递引起的波的相位的差别而形成的衬度。

入射电子波照射到极薄试样上后，入射电子受到试样原子散射，分为透射波和散射波两

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部分，它们之间相位差为?/2。如果物镜没有像差，且处于正焦状态，透射波与散射波相干结果产生的合成波振幅相同或相接近，强度差很小，所以不能形成像衬度。如果引入附加的相位差，使散射波改变?/2位相，那么，透射波与合成波的振幅就有较大差别从而产生衬度，这种衬度称为相位衬度。常用方法是利用物镜的球差和散焦。在加速电压、物镜光阑和球差一定时，适当选择散焦量使这两种效应引起的附加相位变化是(2n-1)π/2，n=0，1，2……,就可以使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显示出来。

高分辨电子显微像是相位衬度的一种，相位衬度还包括波纹像、费涅尔条纹、层错条纹等。高分辨电子显微像种类包括一维条纹像、二维晶格像、一维结构像、二维结构像和原子像等。钛酸钠铋的高分辨显微像如图3所示。

图3. 钛酸钠铋的高分辨显微像

4、电子衍射方法

（1）

选区电子衍射：选择特定像区的各级衍射束成谱。选区是通过置于物镜像平面的选区光阑来进行的。

（2）

微束电子衍射：是利用经聚光镜系统会聚的、很细的电子束对试样进行衍射。电子束直径最小可达50nm。

（3） （4）

高分辨电子衍射

高分散性电子衍射（小角度电子衍射）：为了拉开大间距晶面衍射斑点或小角度衍射束斑点和透射斑点之间的距离，一便于分辨和

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分析。物镜关闭增大了有效相机长度

（5）

会聚束电子衍射：是用会聚成一定会聚角的电子束对试样进行衍射会聚角由第二聚光镜光阑孔直径决定。会聚束经晶体试样衍射后成透射束的明场圆盘和衍射束的暗场圆盘，这些衍射盘中的强度分布细节极其对称性给出晶体结构的三维信息。

5、试样的制备方法

（1） 粉碎方法 （2） 电解减薄方法 （3） 化学减薄方法 （4） 化学减薄方法 （5） 超薄切片方法 （6） 离子减薄方法 （7） 聚焦离子束方法 （8） 真空蒸涂方法

四、实验操作步骤

自己选定两种方案的一种：

方案一：纳米材料表征

一、试样的准备：自己选定一种一维纳米材料，如碳纳米管、纳米线或纳米带。 二、透射电镜试样制备。自己选定以下的方法：

1. 粉末法。自己设计工艺路线。所用设备：真空镀膜仪、真空干燥箱等。 2. 切片法。自己包埋试样，然后进行切片。所用设备：超薄切片机、制刀机、冰

箱、加热板和真空干燥箱等。

三、电镜观察。在指导老师的指导下，选择区域，获得高质量的高分辨电子显微像。所

用设备：200kV高分辨透射电镜。

方案二：晶体材料的物相分析

一、试样准备：自己选定一种固体结晶质材料，如方解石、石英、萤石、SrTiO3、BaTiO3

等。

二、试样制备：机械磨薄和离子减薄。所用设备：离子减薄仪、Φ3mm冲片器、磨片机、

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凹坑研磨机和加热板等。

三、用透射电子显微镜进行电子衍射，获得二到三张电子衍射图。所用设备：200kV透

射电镜。

五、数据处理

1、 衍射图谱分析。根据所得的电子衍射图，自己设计分析方案，编制计算机

程序，确定物相结构。

2、 高分辨电子显微像分析：从图像上测定晶面间距，根据JCPDS卡片确定晶

面指数，然后确定图像的方向；如果图像能观察到晶体缺陷，简单指出缺陷的类型、晶体中的取向等信息，并对性能的影响加以讨论。

六、分析讨论题

1. TEM的图像衬度有哪些？ 2. TEM有哪些分析功能？

3. 选区电子衍射的基本公式是什么？如何进行电子衍射图谱的标定？

（执笔人：施书哲）

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I(x)=B(ν)cos(2πνX)

其中 I(x)__干涉光的强度 （光程差的函数） 由检测器测定 x__光程差

B(ν)__入射光的强度 （频率的函数） ν__频率

对于多色光，I(x)是所有频率产生信号的总和，其干涉图包含着所有频率及其强度信息： I(x)=

??0B(?)cos(2??x)d?

当样品吸收某频率的能量→干涉图曲线发生相应的变化

⑵ 干涉图的傅立叶变换

包含每个频率强度信息的干涉图，可凭借数学的傅立叶变换技术，对每个频率的光强进行计算，从而得到红外光谱：

B(ν)=

??0I(x)cos(2??x)dx

图2 干涉图及光谱图 (a) 单色光 (b) 多色光

三、实验仪器设备及流程

实验仪器设备：美国热电集团尼高力分子光谱仪器公司生产的Nexus 670型 傅里叶变换红外光谱仪

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试样：聚苯乙烯薄膜及其他状态样品

流程： 用傅立叶变换红外光谱仪测量样品的红外光谱包括下述程序：

（1） 分别采集背景（无样品时）的干涉图及样品的干涉图。 （2） 分别通过傅立叶变换，将上述干涉图转化为单光束红外光谱。 （3） 将样品的单光束光谱除以背景的单光束光谱，即得到样品的吸收光谱。

四、实验操作步骤

（1）开机步骤

1 开启电源 2 开启计算机 3 开启光谱仪开关 4 启动OMNIC 7.1a

5 待Bench State 窗口显示正常后，既可开始样品测定

（2） 测定步骤

1 采集背景

2 根据样品状态进行制样，并放入样品舱 3 采集样品

4 对谱图进行数据处理并保存至文件夹

（3） 注意事项

1 制样时样品不可过厚或太薄。如样品制得过薄或浓度过低，常常使弱的甚

至中等强度的吸收谱带显示不出来；如果样品太厚或过浓，会使许多主要吸收谱带彼此连成一片，看不出准确的波数位置和精细结构 2 3 4

样品中不应含有游离水。

对于多组分的试样，在进行红外光谱测绘前应尽可能将组分分离。 样品表面反射引起能量损失，造成谱带变形。并产生干涉条纹。消除的方法是使样品表面粗糙些。

五、数据处理

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1 对谱图进行基线校正，标出各谱带的位置（波数），并对照教材等参考书，了解所标出谱带对应的化学键。

2 对试样在谱库中进行检索，并根据检索结果查找和分析标准样品的谱图，考察试样和标准样品的匹配程度。

六、分析讨论题

1 用傅立叶变换红外光谱仪测量样品的红外光谱时应有哪些注意事项？ 2 红外光谱的特征频率的具体含义是什么？

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（执笔人：韦亚兵）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iyl8.html