[现代材料测试方法]实验指导书

《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

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

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。

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）

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。

图1. JSM-5900扫描电镜的基本构造图

图2. JEM-5900扫描电镜剖面图

四、实验操作步骤

将仪器镜筒放气，打开样品室门，插入样品台，关闭样品室门。按下相应的抽真空按键，仪器自动抽真空到10τ，运行JSM-5900Main Menu，见图3所示的JSM-5900的用户图形界面：

-4

图3. JSM-5900操作界面

点击HT，逐级加高压至15KV或20KV，屏幕会出现图象，若未出现，则由于样品位置未在中央或电子束焦点未在样品上，移动样品或按住focus，上下移动鼠标即可得到清晰的图像，改变放大倍数可得到不同放大倍数的图像。用Scan3或Scan4都可得到清晰的照片，只是图像的像素不同而已。保存图片到文件夹即可。

扫描电镜的图像衬度：

扫描电镜图像衬度是信号衬度，根据其形成的依据，可分为形貌衬度、原子序数衬度和电压衬度。

形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数。二次电子像是最典型的形貌衬度。

原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。背散射电子像、吸收电子像都包含原子序数衬度。

电压衬度是由于试样表面电位差别而形成的衬度。这种局部电位将使样品和探测器之间的静电场分布发生变化，从而影响二次电子的轨迹和信号强度。如可用来检测集成电路芯片的表面电位分布像。

一般情况下，我们看到的是二次电子像（SEI），改变Singnal可看到背散射电子像(BEI)，背散射电子像有三种模式：组成像，形貌像，阴影像。

扫描电镜的成像信号：

聚焦电子束与样品作用产生一系列信号：二次电子、背散射电子，特征X射线、俄歇电子、X荧光等，

本仪器所使用的信号探测器有二次电子探测器、背散射电子探测器和能谱仪探测器（特征X射线探测器），所以通过本仪器可以看到二次电子像、背散射电子像和能量色散谱图。二次电子像为形貌像，而背散射电子信号既有形貌的信息又有原子序数的信息，因此背散射电子像采用背散射电子信号分离观察有三种模式：组成像、形貌像和阴影像。

背散射电子像（BEI）

五、数据处理

（略）

六、分析讨论题

1扫描电镜有哪些图像衬度？ 2扫描电镜有哪些成像信号？

（执笔人：施书哲）

实验三. 透射电子显微分析

学时：2 要求：必做 类型：设计 类别：专业基础

一、实验目的

1. 了解透射电子显微镜的结构和工作原理 2. 了解透射电子显微镜样品制备的方法。 3. 了解透射电镜的分析方法。

二、实验原理

透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。

图1 利用光学透镜表示电子显微像成像过程的光路图

三、实验仪器设备及流程

本实验用仪器为日本电子公司生产的JEM-2010 UHRTEM高分辨电镜。仪器性能指标：加速电压200KV，线分辨率1.43Å，点分辨率1.9Å。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统是透射电子显微镜的核心，它分为三部分，照明系统、成像系统和观察记录系统。

（1） 照明系统

照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。

其作用是提供一束

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。

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

部分，它们之间相位差为π/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π/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

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、

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）

实验四. X射线能谱显微成分分析

学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础

一、实验目的

通过演示实验，使学生了解X射线能谱仪（简称能谱仪，英文为：Energy Dispersive Spectrometer，缩写为EDS）的构造、工作原理、分析方法和应用。

二、实验原理

能谱仪利用电子束与样品作用，在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生X射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定，需要某些特殊的条件和技术。微区成分的定量分析，即把某元素的特征X射线强度换算成百分浓度。

能谱仪工作的基本原理为：

由试样出射的具有各种能量的X光子，相继经Be窗射入Si(Li)内，在1区产生电子空穴对.每产生一对电子空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量。因此每一个能量为E的入射光子产生的电子-空穴对数目N=E/3.8，入射X光子的能量越高，N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放大转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行记数，这样就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。

三、实验仪器设备及流程

能谱仪的基本结构: 锂漂移硅Si(Li)探测器, 数字脉冲信号处理器, 模数转换器,多道分析器及计算机。

四、实验操作步骤

1、试样准备：与SEM相同，然后放入SEM样品室中。

2、分析过程：打开SEM高压，调整SEM以观察样品的表面形貌，选择待分析的区域，

增加SEM的电子束束斑到能谱仪具有足够的X射线的强度（大于500cps），调整SEM的焦距，观察到清晰的图像，然后进行选区或点，用能谱仪采集图谱，然后进行定性和定量分析，还可进行元素的线、面的成分分布分析。

五、数据处理

能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U,但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定需要某些特殊的条件和技术,利用能谱仪进行微区成分的定量分析,即把元素成分经过一系列校正定量计算出来。

（1） 化学成分分析

扫描电镜的能谱分析可以把样品的成分和形貌、乃至结构结合在一起进行分析。既可对在较大范围区域内进行组分分析，也可对微小区域进行成分分析，最小分析区取决于X射线的空间分辨率（X射线在样品中的出射区域的大小）。

（2） 元素的X射线面分布

对于不同元素在试样中的分布以及它们含量的百分浓度，可以通过采集X射线得到面分布图（X-Ray Mapping）。

（3）元素的X射线线分布

在面分布图上沿着指定的直线段提取出的X射线信号的强度分布曲线，称为X射线线扫描（X-Ray Linescan），可以获得感兴趣元素的X射线强度沿这条线的分布图。

Accelerating Voltage: 20 KeV

Live Time: 55.42 seconds

Take Off Angle: 37.4694 Dead Time: 2.813

图1. 能谱仪的定性及定量分析结果

镀Cr层 金属基体

(a) 渗浸Si3N4陶瓷层活塞环横断面扫描电镜二次电子像

(SEI)

(b) 图(a)中横线位置的镀Cr层和金属基体中元素的线分布图

（c） 镀Cr层-金属基体中元素的面分布图（EDS）

图2. 能谱仪与SEM结合进行元素的线扫描、面扫描分布分析

1. 能谱仪的构造有哪些部分？其基本工作原理是什么？

2. 能谱仪具有哪些分析功能？

3. 能谱仪进行定性分析的基本原理是什么？

六、分析讨论题（执笔人：施书哲）

实验五 综合热分析

学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础

一、实验目的

（1）初步了解TG、DSC、DMA等热分析仪器的构造及工作原理； （2）熟悉热分析的实验步骤及应用范围。

二、实验原理

国际热分析协会（ICTAC）定义：热分析是在一定的气氛中测量样品的性质随温度的变化的关系的一组技术。

差示扫描量热法的基本原理是在程序控温下，样品和参比样之间的温度差或功率补偿值与样品温度的关系曲线，横坐标为时间或温度，纵坐标为热电势或功率，曲线的形状与样品的潜热和显热有关。潜热在曲线上显示出峰效应，而显热表现为基线。曲线的数学描述由日本学者神户博太郎给出：

a：基线 开始升温后，样品和参比物之间有温度差△T存在，一定时间平衡后，样品和参比物才按程序升温速度（V）升温，此时△T成为定值，形成差热曲线的基线（△T）a。

∆T=TS-TR=

当t较大时，（△T

T）a：

CR-CS

K

V[1-exp(-cst)]

（△T）a=

cR-cS

V K

b．峰 差热曲线热效应峰与基线所围城的面积正比于过程的热效应。

动态热机械分析法的基本原理是在程序控温下，测量物质在振动负荷下，动态模量和力学损耗与温度关系的一种方法。测量方式有拉伸、压缩、双悬、单悬、抗弯和剪切等。所给出的动态力学温度谱和频率谱对研究材料的使用条件和使用特性具有很大的指导意义。

四、实验操作步骤

（1）打开电源、电脑，运行STA449C测试软件，打开控制箱及测试主机，检查气体种类、

气流速度是否正确；

（2）打开水箱，设定其恒温值高出室温2―3℃； （3）设定正确的热电偶、坩埚和支架类型；

（4）由测试软件检测支架信号、重量信号，使仪器处于正常的工作状态；

（5）做基线：参比及试样位置上分别放置干净的坩埚，在测试程序中选定“Correction”，

输入相应的测试温度范围、升温速度、气体种类及流量等测试条件，启动程序进行测试；

（6）保存基线测试结果；

（7）测试样：在试样坩埚内装入4―30mg试样（根据测试要求可变动），记录精确质量，

在程序中输入与“Correction”相同的测试条件，启动程序自动测试； （8）保存测试结果，打开综合热分析软件；

（9）利用综合热分析软件对测试数据进行分析，给出一定温度范围内的失重、热量变化值

及特征温度； （10）打印分析结果。

五、数据处理

（1）仪器结构简图见图1和图2。请标出下列仪器结构图中各部分的名称。

图1 STA 449C/6/F同步热分析仪结构简图

图2 DSC 204/1/F差示扫描量热仪结构简图

（2）读图。说明下列试样在加热过程中的质量变化与温度的关系。

图3 铁氧体粉体的热重曲线

六、分析讨论题

（1）读图 聚四氟乙烯的DSC图如下。指出该材料的Tg及熔融温度。

图4 聚四氟乙烯DSC图

（2）热分析有哪些应用？举例说明。

（ 执笔人：李晓云、施井玲）

实验六. 傅立叶变换红外光谱

学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础

一 实验目地

（1） 初步了解傅立叶变换红外光谱仪的结构及工作原理 （2） 熟悉FT-IR的实验过程 （3） 初步学会读谱图

二 实验原理

傅立叶变换红外光谱仪 ⑴ 光学探测部分

迈克耳逊 (Mickelson)干涉仪，如图

图1 红外光谱仪的光路示意图

当光线经过分束器时，被分成相等的两部分，分别射向移动反射镜和固定反射镜，造成光程差X。由于光的相干原理，在检测器处产生光的相干信号。对于单色光，其变化方程为：

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)=

⎰

∞

B(ν)cos(2πνx)dν

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)=

⎰

∞

I(x)cos(2πνx)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

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

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？

（执笔人：韦亚兵）