材料现代分析方法,Modern Analysis Methods of Materials,与其他课程关系,先修课程： 1、大学物理 (电磁学、波动与光学、量子物理)； 2、材料科学基础。,X射线衍射学电子显微分析仪器分析电子能谱分析,材料现代分析方法,1、定义： 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。2、方法： (1)基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用。 (2)基于其它物理性质或电化学性质与材料的关系。,主要章节,第一章 电磁辐射与材料结构第二章 电磁辐射与材料的相互作用第三章 粒子束与材料的相互作用第四章 材料现代分析方法概述第五章 X射线衍射原理第六章 X射线衍射方法第七章 X射线衍射分析的应用实验一、 X射线实验第九章 透射电子显微分析第十章 扫描电子显微分析与电子探针实验二、扫描电镜及其观察第十三章 电子能谱分析法第十七章 热分析法,第一篇 总论(材料现代分析方法基础与概述),第一章 电磁辐射与材料结构(3学时)第二章 电磁辐射与材料的相互作用(1学时)第三章 粒子束与材料的相互作用(1学时)第四章 材料现代分析方法概述(1学时),第一章 电磁辐射与材料结构,1.1 电磁辐射与物质波1.2 材料结构基础(一)1.3 材料结构基础(二),1.1 电磁辐射与物质波,一、电磁辐射与波粒二象性 1、定义 指在空间传播的交变电磁场，也称电磁波。 2、波动性 (1)传播遵循波动方程； 表现出反射、折射、干涉、衍射、偏振等。 (2)主要物理参数有： 波长()或波数(或K)、频率()及相位()等。 =C=3.0108 m/s（真空）,1.1 电磁辐射与物质波,3、微粒性 电磁波是由光子所组成的光子流。 光子始终以光速运动； 是静止质量为零的一种粒子。 因为光速不变，因此光子的质量不会是零。 主要物理参数有：光子能量(E)和光子动量(p)等。4 、波动性与微粒性关系： E=h p= h/ （ h =6.62610-34Js）5、电磁波与物质相互作用。,1.1 电磁辐射与物质波,二、电磁波谱 将电磁波按波长(或频率)顺序排列即构成电磁波谱。,1.1 电磁辐射与物质波,三、物质波(德布罗意波)1、定义 运动的实物粒子（电子、中子等）具有波粒二象性。2、实物粒子 静止质量为m0，高速(v)运动时，为相对论质量m:,3、物质波波长()： = h/p = h/mv4、电子波波长()：（加速电压为V）,1.1 电磁辐射与物质波,5、不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）,1.1 电磁辐射与物质波,*电子波与X射线的比较： 相同点： 波且波长范围大致相同，0.001nm10nm。 不同点： 1、X射线由光子组成， 光子不带电，静止质量为零； 2、电子波由电子组成， 电子带负电，静止质量不为零。,1.2 材料结构基础(一),一、原子能态及其表征二、分子运动与能态（略）三、原子的磁距和原子核自旋（略）四、固体的能带结构,一、原子能态及其表征,材料原子(离子) ； 原子分子(高分子)态、晶态和非晶态等。1原子结构与电子量子数 (1)原子结构原子核和电子组成。 (2)电子量子数: 核外电子的运动状态 由n (主量子数)、 l (角量子数)、 m (磁量子数)、 s (自旋量子数)和ms (自旋磁量子数)表征。,一、原子能态及其表征,(3)能级图 按一定比例，以一定高度的水平线代表一定的能量， 并把电子各个运动状态的能量(能级)， 按大小顺序排列(由下至上能量增大)，而构成的梯级图形。,一、原子能态及其表征,2原子能态与原子量子数(自学)3原子基态、激发态、电离及能级跃迁 (1)基态: 核外电子分布于各个能级上，原子处于能量最低状态。 (2)激发态: 一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上， 这时的原子状态称激发态，是高能态； 原子由基态转变为激发态的过程称为激发。 激发所需要的能量称为激发能； 常以电子伏特表示，称为激发电位。 激发能的大小等于 电子被激发后所处(高)能级与激发前所处能级(能量)之差。,一、原子能态及其表征,(3)电子跃迁(或能级跃迁) 原子中电子受激向高能级跃迁； 或由高能级向低能级跃迁称为电子跃迁(或能级跃迁) 。 跃迁分为两种方式： 多余的能量以电磁辐射的方式放出，称之为辐射跃迁； 若多余的能量转化为热能等形式，则称之为无辐射跃迁。(4)电离： 原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束缚，产生电离。 使原子电离所需的能量称之为电离能， 常以电子伏特表示，称为电离电位。 原子失去一个电子，称为一次电离； 再次电离，使原子再失去一个电子，称为二次电离； 三次电离等，依次类推。,一、原子能态及其表征,能级图,四、固体的能带结构,1能带的形成,N个原子中原先能量值相同的能级(如各原子的2s能级), 将分裂成N个能量各不相同的能级； 但分裂的各能级能量差值不大， 以致于可以视为连续分布，即形成有一定宽度的能带。,一般晶体的能带宽度(Eg)约为几个ev(最多不过几十个ev)。,四、固体的能带结构,2能带结构的基本类型及相关概念,能带可沿用能级分裂以前的原子能级名称命名，如2s能带、2p能带等 原子不同能级分裂的能带之间可能存在间隙，称之为禁带； 禁带宽度又称为能隙 原子不同能级分裂的能带之间也可能发生重叠。 与原于基态价电子能级相应的能带称为价带， 与原子激发态能级(指高于基态价电子能级的高能级)相应的能带称为导带。,原子内层能级(常称芯能级)仍保持孤立原子的特征。各个能级中的分布也遵从包利不相容原理， 即每一能级分布两个电子,四、固体的能带结构,2能带结构的基本类型及相关概念,能带中所有能级(能态)都己被电子填满则称为满带能带中各能态尚无电子填充，则称为空带在电子末被激发的正常情况下，导带没有电子填入，因而是空带价带中各能态均为电子填充则称为满带；价带中有时只有一部分放电子填满，此部分成为满带；其未填充的部分也称为导带。,四、固体的能带结构,2能带结构的基本类型及相关概念,四、固体的能带结构,2能带结构的基本类型及相关概念,绝对零度时，固体中电子占据的最高能级称为费米能级， 其能量称费米能。对于导体，费米能处于价带与导带的分界处对于非导体(禁带中无杂质能级时)，费米能则位于禁带中央。,1.3 材料结构基础(二),一、晶体结构二、倒易点阵三、晶带（略）,一、晶体结构,1空间点阵:2晶胞与点阵类型 点阵基矢(a,b,c) ; (,); 任意阵点（x,y,z）的矢量 rxyz xa+yb+zc （布拉菲点阵）3晶体结构与空间点阵4晶向指数与晶面指数 ，； （），。 5. 晶面间距dhkl。晶面夹角等。,一、晶体结构,5干涉指数(广义的晶面指数) (1)出于衍射分析等工作的实际需要。 (2) A1，A2，A3，为(010)晶面组 (面间距记为d010)； 分别插入B1，B2，； 形成晶面间距为d010/2的A1，B1，A2，B2，晶面(组)。 表示为(020) 干涉指数,干涉指数是对晶面空间方位与晶面间距的标识。,一、晶体结构,(3)干涉指数与晶面指数的关系 若将(hkl)晶面间距记为dhkl ， 则晶面间距为dhkl/n的晶面干涉指数为(nh nk nl), 记为(HKL), dhkl/n记为dHKL(4)干涉指数(HKL)可以认为是可带有公约数(n)的晶面指数 即(nh nk nl)，或写为n (hkl)，即广义的晶面指数。(5) 干涉指数表示的晶面上不一定有原子分布。,二、倒易点阵,1定义 (1) 一个由点阵基矢ai (i=1，2，3;即a,b,c)定义的点阵(正点阵)， (2)若有另一个由点阵基矢aj* (j1，2，3，可记为a*,b*,c*）定义的点阵， (3)满足 i=j时，aj* ai = K(K为常数，一般为1) ； ij时，aj* ai = 0。 (4) 则称由aj*定义的点阵为ai定义的点阵的倒易点阵。 (5)对应关系： a1* a1 = a2* a2 = a3* a3 = K a1* a2 = a1* a3 = a2* a1 = a2* a3 = a3* a1 = a3* a2 =0 *正点阵与倒易点阵互为倒易。,二、倒易点阵,2倒易点阵基矢表达式,立方晶系： 正点阵： a=b=c，=90 ； 倒易点阵： a*=b*=c*=1/a，*=*=*=90。,二、倒易点阵,3倒易矢量及其基本性质 (1)倒易矢量： 由倒易原点向任意倒易阵点的连接矢量称为倒易矢量，用r*表示。 以a1*、a2*、 a3*分别为三坐标轴单位矢量， 若r*终点(倒易点)坐标为(H，K，L)，则 r*HKL Ha1*+Ka2*+La3* (2)基本性质（推导过程P18-19自学）： r*HKL垂直于正点阵中相应的(HKL)晶面， r*HKL等于(HKL)之晶面间距dHKL的倒数。,1.3 材料结构基础(二),(2)基本性质： r*HKL垂直于正点阵中相应的(HKL)晶面， r*HKL等于(HKL)之晶面间距dHKL的倒数。,推导： 正点阵中每一(HKL)面对应着一个倒易点 (H,K,L) ； 一个倒易点(H,K,L)对应正点阵中一组(HKL)面。 正点阵(HKL)方位与晶面间距由该倒易点相应的r*HKL决定。,