材料结构分析复习(最终版)

材料结构分析复习由“漂亮的雷锋们”整理提供1、推动现代文明发展三大学科是什么？答：材料、信息、能源2、材料研究的四大要素是什么？答：成分、结构、加工、性能3、材料结构分析常用的方法分为哪几类？答：组织形貌分析、晶体物相分析、成分价键分析、分子结构分析4、材料的结构与性能的关系是什么？答：结构决定性能，性能反映结构。5、什么是距离分辨率？在材料结构分析中，影响距离分辨率的因素有哪些？答：6、什么是菲涅尔衍射？什么是弗朗禾费衍射？衍射理论的核心是什么？答：菲涅尔衍射：成像时，当光源或观察屏之一与孔径或障碍物之间的距离为有限是产生的衍射。弗朗禾费衍射：光源、障碍物、观察屏三者之间距离为无限远时的衍射。衍射核心：指波遇到障碍物时，偏离原来直线传播的现象。7、什么是阿贝成像原理？答：简述为：1、平行光束受到具有周期性特征物体的散射作用形成衍射谱。2、各级衍射谱重新通过干涉在像表面上形成反映物体特征的像。8、光学显微镜所成的的像和物之间的相似性是由什么决定的？答：参与成像的衍射斑点越多，物像与物体的相似性越好。9、什么是数值孔径？什么是孔径角？在孔径角一定的情况下，如何增加数值孔径？答：数值孔径：简写NA，表示物镜分辨细节能力的参数，是物镜性能高低的作业标志。孔径角：物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。增大NA方法：增大介质的折射率n值。10、什么是埃利斑?什么是瑞利判据？根据瑞利判据，一个光学仪器的分辨率的定义是什么？答：埃利斑：由于衍射效应，一个点光源在像平面上形成一个具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成。瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R。定义：通常把两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0样品上相应的两个物像点间距离Δr0定义为透镜分辨率。11、什么是分辨本领？光学仪器的分辨本领是由哪些因素决定？答：分辨本领：透镜能分辨的两点间的最小距离。决定因素：物镜的NA值、照明光源的波长。12、什么是阿贝极限？光学显微镜分辨率的极限是什么？为什么？答：即分辨率极限，大约是可见光波长的一半。光学显微镜极限为0.2μm。13、什么是像差？形成像差的根本原因是什么？光学显微镜的像差包括哪些？它们的产生机理分别是什么？各种像差如何进行消除？答：像差：物体通过透镜形成不完全相似的像。形成原因：透镜本身存在各种像差。像差种类及消除方法：a、球面像差（组合透镜为物镜校正）b、色像差（不同的组合透镜为物镜校正）c、像域弯曲（特制的物镜校正）。14、什么是扫描电子显微镜？与光学显微镜相比，扫描电子显微镜的优势有哪些？答：是以类似电视或摄像机的成像方式，用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号调制成像的仪器。优势：a、高的分辨率。b、有较高的放大倍数，在20-30万之间连续可调。c、有很大的景深、视野大、成像富有立体感，可之间观察各种样品凹凸不平表面的细微结构。d、配有X射线能谱仪装置，可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析。e、样品制备简单。15、电子束与固体样品作用时产生散射的机制是什么？按照电子的动能是否变化区分，可分为哪几类？答：机制：电子束沿一方向入射到样品内时，受固体物质中晶格位场和原子库伦场作用，入射方向发生改变。分类：a、弹性散射。b、非弹性散射。16、电子束与固体样品作用时产生的信号深度及区域大小与分辨率的关系是什么？答：随着信号深度升高作用范围变宽，不利于空间分辨率。17、扫描电子显微镜的物理信号有哪些？各自产生的机理分别是什么？答：a、二次电子（被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子）。b、背散射电子（反射回来的入射电子）。c、X射线（损失能量激发内层电子发生电离）。18、扫描电子显微镜的工作原理是什么？答：光栅扫描、逐点成像。19、扫描电子显微镜由哪些系统组成？各系统的作用是什么？答：a、电子光学系统（电子枪、电磁透镜、光阑、扫描系统、样品室）。作用：为获得扫描电子，作为信号的激发源。b、信号收集及图像显示和记录系统（信号收集系统、图像显示和记录系统）。作用：信号记录收集后调制成像。c、真空系统和电源系统。作用：保证电子光学系统正常工作，防止样品被污染提供高的真空度。20、电子枪分为哪几类？它们产生电子束的机理分别是什么？答：a、发卡式钨灯丝热阴极电子枪（依靠电流加热灯丝，使灯丝发射热电子，并经过阳极和灯丝之间的强电场加速得到高能电子束）b、六硼化镧（LaB6）热阴极电子枪（同上）c、场发射电子枪（利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近端的强电场，使阴极尖端发射电子）21、什么是衬度像？为什么二次电子的形貌忖度像分辨率高于背散射电子忖度像？答：由于样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或位向等）的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上不同的区域呈现出不同的亮度，从而获得具有一定衬度的图像；由于形成原理相同，而背散射电子来自一个较大的作用体积，用背反射信号进行形貌分析时，分辨率远比二次电子低。22、如何获得背散电子的形貌忖度像和成分忖度像？答：在利用背散射电子成像时，样品表面的形貌存在差异时产生的衬度像；在利用背散射电子成像时，样品微区的原子序数或化学成分的差异产生的衬度像23、什么是扫描探针显微镜？其特点是什么？答：扫描探针显微镜是一类仪器的总称，他们以从原子到微米级别的分辨率研究材料的表面特性。特点：具有宽广观察范围；具有空前高的3D分辨率；能进行试样表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦力、磁场和弹性模量等物理特性的测量。24、什么是扫描隧道显微镜？什么是“隧道效应”？扫描隧道显微镜的基本原理是什么？答：扫描隧道显微镜：利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的显微仪器。隧道效应：在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。基本原理：STM使用一种非常锐化的导电针尖，而且在针尖和样品（导体或半导体）之间施加偏置电压，当针尖和样品接近至大约相距1nm时，根据偏置电压的极性，样品或针尖中的电子可以“隧穿”过间隙到达对方。由此产生的隧道电流随着针尖-样品间隙的变化而变化，故被用做得到STM图像的信号。25、扫描隧道显微镜的工作模式有哪几种？分别如何进行操作？各种工作模式的特点是什么？答：（1）恒定高度模式针尖在样品上方的一个水平面上进行，隧道电流随样品表面形貌和局域电子特性而变化。在样品表面每个局域检测到的隧道电流构成数据组，并进而转化成形貌图像。特点：扫描速率高，仅适用于相对平滑的表面。（2）恒定电流模式该模式下STM的反馈控制系统通过调整扫描器在每个测量点的高度动态地保证隧道电流不变。特点：可以较高的精确度测量不规则表面，但比较耗时。26、什么事原子力显微镜？其工作原理是什么？答：原子力显微镜：一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。工作原理：它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。27、原子力显微镜中对微悬臂变形的测量方法有哪些？测量原理分别是什么？答：（1）光学技术法一束激光被臂弯折射到位敏探测器（PSPD）,当悬臂弯曲时投射在传感器上的激光光斑的位置发生偏移，PSPD可以1nm的精度测量出这种偏移。（2）干涉法（3）隧道电流法28、原子力显微镜的成像模式有哪些？各自的优缺点是什么？答：29、什么是相？相结构与材料物理、化学性能之间的关系是什么？答：相：具有特定的结构和性能的物质状态。关系：材料的物理、化学性能与材料的相组成有直接对应关系，如面心立方和体心立方结构的铁有完全不同的磁性；晶态和非晶态合金有着完全不同的力学性能、抗腐蚀性能、磁学性能。30、什么是物相分析？物相分析包括哪些类内容？物相分析的手段有哪些？它们共同的原理是什么？答：物相分析：指利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数，确定物质的相结构。内容：材料物相定性分析，定量分析不同物相的组织分布情况。手段：X射线衍射、电子衍射和中子衍射。原理：利用电磁波或运动电子束、中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结构。31、在晶体结构空间点阵中选取单位平行六面体的原则是什么？单位平行六面体总共有多少种？答：原则：①能同时反映出空间点阵的周期性和对称性；②在满足条件①的前提下，有尽可能多的直角；③在满足条件①和②的前提下，体积最小。32、什么是倒易点阵？什么是倒易空间？倒易点阵的特点是什么？答：倒易点阵：相对于正空间中的晶体点阵而言的，它是衍射波的方向与强度在空间中的分布。倒易空间：我们把晶体内部结构称为正空间，而晶体对X射线的衍射被称为倒易空间。特点：倒易空间并不是客观实在的物理空间，而只是对一个物理空间的一种数学变换表达。33、倒易点阵中倒易基矢、倒易矢量和阵点的关系是什么？答：34、X射线衍射产生的物理原因是什么？答：X射线与内层电子相互作用后却可以产生相干增强的衍射，具体有三个方面：（1）电子对X射线的弹性散射。（2）原子对X射线的散射。（3）晶体对X射线的相干衍射。35、电子衍射产生的物理原因是什么？答：电子衍射是周期性排列的晶体结构对电子发生弹性散射的结果。36、试推导布拉格方程。答：Ｐ53.37、判断X射线与晶体作用发生衍射的X射线方向的方法有哪些？试着说明这些方法是如何确定X射线衍射方向的？并说明这些方法的统一性。答：方法：（1）布拉格方程（2）厄瓦尔德图解说明：P53-55统一性：两种方法本质上是一样的，从不同角度阐述了衍射方向的规律。38、什么是X射线谱？试说明连续X射线和特征射线产生机理。答：1、用X射线分光计测量从X射线管中发出的X射线强度，发现其波长不是单一的，而是包含许多不同波长，如果在比较高端管电压下使用X射线管，用X射线分光计测量其中各个波长的X射线的强度，所得X射线强度与波长关系的曲线称之为X射线谱。2、当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时，产生极大的负加速度，有能量和损耗和一部分分动能以电辐射——X射线释放能量。由于到达阳极的电子数目多，而到达靶的时间和条件不同。多次碰撞，逐步把能量释放为零，产生不同波长的的电磁波。形成连续X射线。3、X射线的产生与阳极靶物质的原子结构有关，当管电压达到激发电压时，X射线管阴极发射的电子所具有的动能，足以将阳极的某些电子击出其所属的的电子壳层，迁移到能量较高的外部的壳层。导致原子的中能量升高处于激发状态。这种激发态不稳定，会自发越到内层填补空位，趋于稳定。跃迁时有特征X射线产生。39、劳埃法中，入射X射线是什么X射线？为什么它与晶体作用能产生衍射？答：用连续X射线。每一族晶面仍可以选择性的反射其中满足布拉格方程的特殊波长的X射线，这样不同的晶面族都以不同方向反射不同波长的X射线，从而在空间形成很多衍射线，（他们与底片相遇，就形成许多劳厄斑点。）40、德拜相机有哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：如图8—11所示。沿着圆筒形相机的直径方向，有一入射光阑与出射光阑，入射X射线经过光阑准直后，照射到式样上，其中一部分穿过式样上，其中一部分穿过式样到达出射光阑，经荧光屏后被铅玻璃吸收。41、德拜相机中安装底片的方法有哪些？各种方法的特点是什么？如何计算2θ角？答：1、正装法：X射线从底片接口射入，照射试样后从中心孔穿出，低角的弧线较接近于中心孔，高角的弧线则靠近端部，可观察到Kα双线，θ=。2、反装法X射线从底片中心穿孔，照射试样后从中心孔穿出，高角度线条均集中在孔眼附近，故除θ角极高的线条可被光阑遮挡外，几乎全可记录。3、偏装法：在底片上不对称地开两个孔，X射线先后从这两个孔通过，衍射线条形成围绕进出光孔