材料物理之材料结构理论

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1、,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,材料物理,,一.材料结构理论,,,,一.概论,,材料物理：,是介于物理学和材料学之间的一门边缘学科，它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。,,其内容包括：,多种材料的微观组织结构、运动状态、物理性质、化学成分以及它们之间的相互关系。,,材料的种类,：，金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料，复合材料、半导体材料、超导材料、电介质材料、铁电材料、非晶态材料、低维材料、光电材料、生物材料、智能材料、能源材料、生态环境材料等等。,,,材料的行为及特征,：晶体和玻璃的结构

2、及 它们之间的关系、缺陷行为、平衡热力学、扩散、界面结构与行为、材料相变机理、不同类型材料中的电子迁移及禁锢等。,,－－－,需要从物理学角度来解释,,材料工程,：主要论及材料的加工工艺。目 前，它已变成一门极复杂的技艺,,,材料科学,：构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。,,－－－材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联系而形成材料科学 。,,,,,材料物理是和材料生产实践(材料加工工艺)息息相关、互相促进和共同发展的。,,a. 从材料工程角度来说，实际需要推动了对材料物理性质的研究。,,金属结构材料－－强度和范性；,,陶瓷－－烧结(或烧

3、成)技术；,,薄膜和超微粉等低维材料－－尺寸效应；,,“金属玻璃”－－力学性质、磁性、超导电性研究；,,由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩展到研究物质的电极化过程；,,耐高温的材料－－金属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究等等。,,,,,b.另一方面，将材料物理的基本研究成果推动应用：,,利用非晶硒的光导特性的研究成果，发展了新的静电复印技术；,,集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应用开发。,,c. 研究材料本身的性质和它在各种外界条件(如力、热、光、气、电、磁、各种微粒子束的辐照乃至各种极端条件)下发生的变化，常常可以发现多种多样

4、的物理现象和效应，揭示出新的规律，形成新的概念。例如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应的发现，以及由此导出的新概念和规律性，显然是有赖于对各种电介质材料进行长期的、逐步的和系统的科学研究。,,,,,材料物理涉及的范围,:金属物理学、半导体物理学、电介质物理学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。,,材料物理的发展－－促进了实验技术和基本物理理论的进展：,,如XRD，SEM，TEM，NMR等测试技术；,,相变理论的建立与发展。,,,,,材料物理与其他学科的关系：,,其基础牵涉到许多不同的学科：晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能，以及物理学中的一些分支(

5、热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学)等。,,a.晶体学－－材料的微观组织结构；,,b. 材料科学基础－－各种材料之间的相互内在联系；,,c. 量子力学、统计物理及弹性力学方法－－材料中的电子、原子以及各种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交互作用；,,d. 固体物理学－－原于键合、原于振动、电子结构、能带结构等的基础知识；,,e. 热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能－－－材料一些宏观的规律和材料特性。,,,二．材料结构理论,2.1 概述,,决定材料性能的主要因素: 有成分、结构、组织、形状等。,,材料的成分是最重要的，是决定材料性质的主要因素，其他因素对材料性能的影响较为有限

6、。,,材料的结构通常是指材料中原子的排列方式，金刚石、石墨、C,60,―――同素异构体。,,材料中的原子按一定方式排列而构成晶体。材料中晶粒的取向以及他们的尺寸等有关晶体特征的概念，就是材料的组织,,薄膜或一维材料的有限维度可能对电子结构和输运性质有强烈的影响――尺寸效应。,,,2．2 原子结合与结合键,,原子之间的结合方式是决定材料晶体结构的内在因素，而温度和压力等参数则是决定材料晶体结构的外在因素。,,原子之间的结合方式，又称为结合键，主要取决于各种原子的电子结构，尤其是取决于原子的外层电子结构。,,原于结合键主要有离子键、共价键、金属键和极化键等4种类型。,,2.2.1 离子键,,当正电

7、性元素和负电性元素结合时，正电性元素失去电子，同时负电性元素得到电子，从而各自形成正离子和负离子。这两种元素依靠静电作用结合起来，这种结合方式就称为离子键,。,,,,如，NaCl，离子键物质的导电性一般不好 。,,,,,,,,2.2.2 共价键,,有些元素得失电子的趋势大体相同，既可以形成正离子，也可以形成负离子。这些元素在不同条件下能以不同的结合方式与其他元素结合。这类元素自身之间相互结合时，则多以共价键的方式结合。,,,,共价键,，是指相邻原子各借出一个电子，作为这两个原于的公共电子，又称为共价电子。,,,,,,如，硅，锗,,结合力强，导电性、导热性都不好*。,,电阻随温度升高而降低*,,

8、材质较脆,,,2.2.3 金属键,,,处于凝聚状态的金属原子，将它们的价电子贡献出来，作为整个原子基体的共有电子。,,金属键本质上与共价键有类似的地方，只是此时其外层电子的共有化程度远远大于共价键。,,失去了价电子的金属原子成为正离子，镶嵌在这种电子云中，并依靠与这些共有化的电子的静电作用而相互结合．这种结合方式就称为金属键。,,,例如，铝原子就会失去它的履外层的3个价电子，而成为由原子核和内层电子组成的带有3个正电荷的铝离子。,,金属键材料具有良好的导电性，延展性,,,2.2.4 极化键,,,极化：,一些本身不易得失电子的中性原子或分子互相结合时，其内部的电子可能发生不均匀的重新分布。这种电

9、荷的不均匀性使其一端呈现负电性，另一端呈现正电性，这种现象称为原子或分子的极化。,,,极化键：,被极化了的原子或分子之间，依靠正负极的相互作用而结合起来，即为极化键，也称范德瓦尔斯键。,,,,,*,极化键是二次键，结合能较低,。,,极化键对材料性能的影响,，,,如，PVC：一次键是共价键－－脆性大*,,二次键－－－塑性*,,,,事实上，在材料中离子键、共价键、金属键和极化键这,4,种结合键并不能截然分开。任意两种类型的结合键之间都有不同程度的过渡型或中间型。,,,例如：,,A. 石墨在层内是共价键与金属键之间的中间键型，而层与层之间却是极化键,,纯铁中的原子之间的结合也是由金属键和共价键混

10、合组成的，所以纯铁中的原子不能实现最紧凑的排列方式。,,金属间化合物：电负性差别较大时，包含金属键和离子键。如,Li,和,Al,形成的,LiAl,*,。,,元素间电负性差别越大，包含的离子键成分就越多。,,,上述4种结合键的共同点：都起源于静电作用，即都包含引力和斥力。*,,引力或斥力等于势能对原子间距的微分，而原子之间的平衡距离可以从引力和斥力的平衡点来求得，即等于势函数的最小值处。,,图中的作用势的最低能量表示结合能，即使该结合键发生断裂所需的能量。,,,还可以根据图计算弹性模量和热膨胀系数,,,结合能大的材料，其强度和溶点也高。,,离子键材料具有特别大的结合能，金属键材料的结合能则比较小

11、。,,下表2．1给出4种结合键的结合能的大概值,。,,,,2.3 晶体结构与晶体学,,,原子的排列方式对子材料的结构和性能有着十分重要的作用。,,铝原子排列方式――良好的塑性；,,铁原子排列方式――－良好的强度；,,聚乙烯――易于塑性变形；,,橡胶――良好的弹性；,,环氧树脂――有一定的强度且脆,,,原子的排列方式：,,A. 完全无序排列：如氩气,；,,B.,短程有序：只在原子的最近邻处存在某种排列规则；如,,水蒸汽,*,,非晶材料*,,,C.,晶体,：组成材料的原子不仅具有短程有序，同时还具有长程有序。,,晶格,：规则排列的原子，其排列方式用晶格来表示。晶格是由周期排列的格点组成，一个格点对

12、应着材料中的一个或几个原子。,,晶胞：表示晶格结构特征的基本单元，整个晶格是无数晶胞有规则重复排列而成的。,,,按照对称性来分类，目前已知共存在14种不同的晶胞――布喇菲晶胞，这14种晶胞又分别属于7个晶系,。,晶胞必须反映整个晶,,格的对称性,,如，密排六方不能进一步切割成简单三斜晶胞*,,,与晶格有关的一些概念,,,(1),晶格常数：,晶格常数是表示晶格尺寸和形状的参数，包,,括晶胞的边长和边之间的夹角,,最常见的晶胞有面心立方,(,facc,-centered cubic,，,fcc,),，,,体心立方,(body-centered cubic,，,bcc),和密排六方,(hexagon

13、al-,,close-packed,，,hcp,),。,,,,,,,,,,,致密度：,,面心立方结构 中，完全属于一个晶胞的原子有4个 ，如果原子半径为r，则面心立方晶胞的边长为，面心立方结构中的原子致密度为:,致密度,同理可得体心立方结构原子密度为0.68；密排六方结构的致密度为0.74,,,面心立方与密排六方：,面心立方：ABCABC 即第四排原子位于A的正上方,,密排六方：ABABAB，或ACACAC，第三排原子位于A,,的正上方,,数学上证明：等直径球堆垛所能获得的最大值密度就,,是0.74，且只有面心立方与密排六方这两,,种堆垛方式可以得到这一最大值。,全部由金属键结合的材料具有最

14、大密度值，而由各种不同结合键结合的材料不能得到最大密度值。,,,理想的密排六方结构，C,0,/,a,0,=1.633 。实际密排六方结构C,0,/,a,0,小于这一数值，因为他们都是由不同结合键结合成的。,,多型性：有些材料具有不止一种的晶体结构，但每种晶体,,结构仅仅在一定的温度范围内才是稳定的。,,铁就是一个例子。在低于910℃和高于1400℃的时候，铁呈现体心立方结构。而在910℃和1400℃之间，铁为面心立方结构。,,这种结构的变化也是一种同素异构现象，并常常伴随着体积的变化,,,（2）晶向,,,,为了表示晶胞中的点、平而和方向，引入一个如图2．12的右旋坐标系。坐标系的长度单位用晶格

15、常数来表示。每个格点的坐标可以用被逗号分开的3个数值来表示,。,,晶格内连接两个原子的矢量方向称作晶向。,,晶向通常用密勒指数表示：,,,1）．在坐标系中确定位于该晶向上的两个格点的坐标。,,2）．将两个格点对应坐标值相减，可以得到该晶向在3个轴上的投影比值。,,3）．使3个轴上的投影比值实现最小整数化。,,4）．在这3个投影比值外加〔〕，负号写在该数值的上端。,,即得到该晶向的密勒指数。,,注意：,,1）．晶向的密勒指数代表一个矢量，其负方向是不同的方向；,,2）．一个晶向和他的倍数是相同的，如〔100〕和〔200〕是相同的。密勒晶向指数需要最小整数化。,,3）．一些晶向是等价的，如实际上代

16、表了完全等价的12个晶向。〔110〕，〔101〕，〔011〕…..,,,(3)晶面,,晶格内原子排列组成的平面，称作晶面。金属的变形通常会在原子密排的晶面上发生。,,晶面指数的确定：,,1）．选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。,,2）．以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。,,3）．求三个截距值的倒数。,,4）．将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。,,,,注意：,,1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。如（020）

17、和（）是相同的晶面。,,2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。,,3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。,,4）一个晶面和它的倍数是不同的。如（200）和（400）不是同一个晶面。且二者晶面间距也是不同的。,,5）在晶格常数为a的立方晶格中，晶面（,hkl,）的晶面间距：,,,密排六方结构的晶面与晶向指数：晶向A1,A2,A3指数分别为〔100〕、〔010〕、 。这三个晶向是即使完全等价，但从晶向指数上来看是不等价的；同样六方体3个侧面的晶面密勒指数分别为：（100）、（010）、 ，但从密勒指数上看不出其在晶体学上

18、的等价特征。,,,,引入密勒－布喇菲指数：基面上用三个坐标轴，加上纵轴，共用4个指数，即（,hkil,），晶面指数则采取晶面在4个轴上截矩的倒数,。,,,,且有：,i,=-(,h,+,k,),,h,=-(,i,+,k,),,k,=-(,h,+,i,)。,,,,,则上述三个晶面指数分别为,：,（,）,,，保持了晶体学的等价意义。,六方晶系的晶面密勒指,,数〔,UVW,〕和密勒－布,,喇菲指数〔,uvtw,〕间的换,,算关系：,u,=,U,，,,v,＝,V,，,,w,＝,W,，,,t,＝－（,u,+,v,）,,,密勒－布喇菲晶向指数必须满足两个要求：①,i,=-(,h,+,k,)；②移动平行于4个

19、轴的矢量,hkil,后应该达到该晶向的矢量终点。,,晶向〔 〕,,,晶向 [ ],,晶向 [ ],,,缺点：已知密勒－布喇菲晶向指数，比较容易确定该晶向。但如果在立体的六方晶系的晶胞中先画出一个晶向，然后要得到密勒－布喇菲晶向指数却不那么容易。,,,实际中，可先求密勒指数，再换算成密勒－布喇菲指数：,,U=,u,-,t,，V=,v,-,t,，W=,w,；,,,,,w,＝W,,注意：六方晶系的晶向与其密勒－布喇菲指数间的关系不象密勒晶向指数那样直观。,,如：密勒指数〔110〕和 互相垂直而密勒－布喇菲,,指数〔11

20、00〕和〔 〕点积虽然为0，但却不互相垂,,直。,,,,同样晶面指数（112）的法线的密勒晶向指数就是,,〔112〕，但密勒－布喇菲晶面指数（1100）的法线的,,密勒－布喇菲指数就不是〔1100〕。,,,3.晶面及晶向的原子密度,,不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的,。,,,,体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为{110}，称密排面；原子密度最大的晶向族是〈111〉，称密排方向。在面心立方晶格中，密排面为{111}，密排方向为〈110〉,,2.4．晶体学,,晶体学中的对称图形是通过对称操作来体现的,,对称操作：平移对称操作（有公度的、无公度

21、的）,,点对称操作,:,（旋转、反映、反伸）,,2.4.1．晶体学的对称操作,,一．平移,,平移是晶体学中最基本的对称操作。它表示通过平移这种操作使晶体中的某个点或图形,,在某些晶体学方向上作有规律的重复。晶体学的周期性正是平移操作的结果。,,,,点阵的平移群可用下式表示：,Tmnp,＝,ma,＋,nb,＋,pc,，其中,m,、,n,、,p,是整数。,,对晶胞内的平移对称操作而言，平移可与旋转或倒反操作结合起来形成,,螺旋轴及滑移面，此时平移周期可以是一个分数值（,t,/,m,）。上述两种平移称,,为有公度平移。,,二．旋转,,旋转对称操作是指一个点或基本图案绕一个轴的重复。,,经360°间隔

22、的重复使图案回到原位置，为1次旋转轴,,经180°间隔的重复需两次动作才能回到原位置，为2次旋转轴,,间隔120°、90°、60°重复相对应的称为3、4、6次旋转轴,,即，一个角度间隔α就与一个n次的旋转相对应，,n,=360°/α。,,式中n为轴次，α为基转角。,,传统晶体学中，有公度的平移对称性严格限制了旋转轴的轴次只有5中：1,2,3,4,6,,次旋转轴。,,,单位平移长度为,t,，绕A轴，旋转α，AC旋转，得到B，同,,样绕C轴旋转，A可旋到D；由于是平移对称，BD必定是,t,的,,整数倍,m,。即有：,,＝,mt,＝,t,＋2,x,,由,x,＝,t,sin,γ,，,,从而得出：,mt

23、,=,t,+2,t,sin,γ= t,+2,t,sin(α-90°)＝t－2tcosα,,,也就是,m,＝1-2,cos,α,,所以m取值，只能是－1、0、1、2、3,,,即在平移与对称两个条件同时满足时，只存在1、2、3、4、6次旋转轴。可得到衍射效应,,而点对称操作（旋转，反映，反伸），可存在5、8、10、12次旋转轴，不存在平移操作，得不到衍射效应。,,后者称为准晶，如Mn－Al速冷合金中存在5次对称。,,旋转对称操作：可用矩阵形式表示点的坐标变换关系，如2次旋转轴,，,,,三．反映,,一个图案或者一个点在空间通过反映进行重复的操作称为反映。,,镜面一侧的全部二维空间被镜像反映到另一侧，

24、即基本图案A和B、C和D呈镜像反 映关系，因此是等效的。,,第二套镜面m2沿对角线方向穿过星形图案、从而产生两套相交于星形图案中心的等效平面族。,,,必须注意的是，图中的每个星形图案都是通过平移操作而产生的，因而也是等效的。既然某一个星形图案存在有二套等效的相互垂直相交的镜面族，则所有的每个星形图案都存在有这二套镜面族。,,,,,对于宏观对称要素的组合(如晶体外形上的对称要素的组合)来说，对称要素的组合集中在某个点上，因此称作点对称群（即点群）。,,由于平移对称操作的存在，对称元素的组合可以分布在整个晶体空间的无限个等效位置上，这样的对称元素组合称为空间对衬群（空间群）,,晶体结构研究是以空间

25、群为理论基础的。,,,在上图中，m’和m分别标记为a，b的晶轴向，与a，b平面相垂直的方向标为c，则变换关系可表示为：,，,,,四．反伸,,反伸：在该操作中，一个点或基本图案通过一点做等距离投影来进行重复。这个操作可以想象为通过一个点的反映。改点称作反伸中心，以记号,i,来标记。,,,,,,,,,反伸对称操作的矩阵变换坐标关系：,，,,,五．复合对称操作,,1．螺旋旋转：有两个基本操作组成：旋转和平移。,,为了与点阵相容，平移分量τ必须是平行于轴的单位 平移的约数。,,2．滑移反映：包含平移及反映的复合操作称作滑移反映。,,滑移面限制在与镜面相同的位置上。,,,3．旋转反伸：该操作包含一个旋

26、转轴和一个反伸中心,一次旋转反伸轴,L,i,1,二次旋转反伸轴,L,i,2,,,三次旋转反伸轴,L,i,3,四次旋转反伸轴,L,i,4,,,六次旋转反伸轴,L,i,6,值得指出的是，除,Li4,外，其余各种旋转反伸轴都可以用其它简单的对称要素或它们的组合来代替，其间关系如下：,,,Li1 = C， Li2 = P， Li3 = L3 +C，,,Li6 = L3 + P,,,,4.,旋转反映轴,–,L,s,n,,,操作为旋转+反映的复合操作。,一次旋转反映轴,L,s,1,二次旋转反映轴,L,s,2,,,三次旋转反映轴,L,s,3,四次旋转反映轴,L,s,4,,,六次旋转反映轴,L,s,6,,,2

27、.4.2 点群,,晶体外形上可能出现的对称要素称为点对称要素，包括对称中心、对称面、旋转轴以及旋转反伸轴。,,这些对称要素的特点是在进行对称操作过程中至少有一点是不动的。,,二维空间的对称要素：,,旋转点：2、3、4、6,,反映线：m,,三维空间的对称要素：,,旋转轴：2、3、4、6,,反伸（对称）中心：i,,镜（对称）面：m,,旋转倒反轴：,、 、 、 、,,,三维空间的点群：,三维空间点对称操作中对称要素的组合所得到的对称群称为点群。,,这些对称要素的组合共有32个。,,国际符号表示法：简单对称轴以轴次的数字表示；旋转反伸轴亦用轴次的数目表示，但在数字上加“－”号；对称面以m表

28、示；当镜面垂直4次轴时，写作4/m；而镜面包含（平行）4次轴时，则写成4mm,,圣佛利斯符号 :,,,,,,4.晶体的各向异性,,晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。,,,2.4 准晶、非晶和液晶,,2.4.1 准晶,,晶格的基本性质有两个：平移周期性和旋转对称性。,,平移周期性：是指沿着连接两个格点的方向，平行移动整数倍该两个格点的距离以后，得到的所有格点均能与未平移前的格点重合。,,,,,,准晶,：具有规则排列，但不具有平移周期性,,,如，在急速冷却的A1—Mn合金中却发现了5次对称性的合金。,,,此外还有8次对称性和10次对称性等准晶,,,,,2.4.2 非晶,,,非晶是

29、一种无序结构。在非晶态材料中，原子的排列只有短程有序，没有长程有序。,,非晶具有各向同性，没有规则的外形和固定的熔点。,,,,,典型的非晶态材料，玻璃－－SiO2，冷却中晶核形成及长大率低－－非晶*,,,金属快速冷却－－非晶，金属玻璃。,,,,非晶态的长程无序，使得组成它的元素种类选择可以比较广泛，其成分也可以大幅度地变化，某些不能制备的晶态材料，能以非晶态存在。,,,如氧化硅，晶态时只能是SiO2。而非晶态时其成分比可以变化。,,通过改变材料的元素种类或成分比，可以大幅度地改变材料的物理特性，如密度、硬度、耐热性、电导率、磁性、折射率和禁带宽度等。,,,,2.4.3 液晶,,晶体是各向异性的

30、，而液体则是各向同性的。然而在晶体和液体之间，存在着一些中问状态，其中之一就是液晶。,,,液晶具有液体的流动性，又具有晶体的某些各向异性。,,,液晶不是固体，它的分子的质心位置没有完全的周期性。但液晶又不是液体，它的分子有着明显的取向性。,,,液晶分子的这种定向排列将会影响液晶的光学性能，而且液晶分子的排列状态可以受到外在电场的调控。所以液晶常用来制作液晶显示器。,,,2.5 材料结构的试验研究,,衍射法,，可以显示点阵结构的主要特点－－点阵参数和结构类型；以及其他的细节：原子的排列方式、缺陷的存在、晶粒的取向、亚晶粒和晶粒的尺寸、析出物的大小、密度、点阵畸变状态等。,,,2.5.1 X射线衍

31、射,,如果光栅是等距的，光栅间隔与光的波长具有相等的数量级，则通过测量衍射束的角度，可以得到光栅间隔。,,,,反射增强的条件*：,,,－－－－布拉格定律,,,,,该公式表明：当晶格参数与入射波长在同一量级时，在入射角满足布拉格定律时，可以获得从各个相继晶面反射的射线彼此增强,,,,,,,,(1)劳厄法,,固定单晶置放在波长连续变化的辐射束中,,,,可以采用透射照相法，也可以采用背反射照相法。,,产生的斑点图在透射的情况下位于椭圆上，在背反射的情况下位于双曲线上。,,曲线上的一切斑点都是由某个晶带的晶面反射的，所以劳厄图可以表示出晶体的对称性。,,劳厄法广泛应用于测定单晶的取向。,,,(2)周转

32、晶体法,,,在单一波长的X射线束中旋转或摆动的晶体。,,,,,,,,,,,亦即，该方法采用固定波长，而变化入射角的方式，满足布拉格定律的条件。,,,,衍射班排列在层线上，层线上的斑点又依次形成一系列行线。因此，所有平行于旋转轴的晶面把X射线反射到零层线上。,,以晶体的c轴作为旋转轴，用此法获得的照相具有从(,hk,0)类型晶面反射构成的零层线。,,(,hk,l)和(,hk,)类型晶面分别把X射线反射入中心线上下的第一层线。,,很容易看出，从层线间隔可以得出晶体的参数,c,。,,,,(3)粉末法,,,,粉末法中使用单一波长的X射线和细粉末状试样。*,,,,,,,,,,如图2．20所示，则由成千上

33、万个晶粒产生的成千上万条射线组成了逐次的衍射圆锥，这些衍射圆锥与底片相交产生了围绕着入射孔和出射孔的同心曲线。通过准确测定这些衍射线的位置和强度，可以得到有关被测材料晶体结构的信息。,,,X射线实验中，除了采用照相记录外，还可以利用计数器直接记录衍射强度。如图2．21所示*。,,,,如图2．22的X衍射谱是最常见的X射线衍射实验数据。从图中的各个衍射峰的高度和位置，可以获得被测试样的晶体学特征。,,,2.5.2 电子衍射,,在透射电子显微镜和扫描电子显微镜中，可以采用电子衍射方法来分析材料结构。,,由于电子的穿透能力很弱，所以利用透射电子显微镜进行电子衍射时，只能分析十分薄的试样。,,,X射线

34、的穿透能力很强，但是X射线难以聚焦，它只能用来分析宏观试样的结构，不能分析微小区域的结构。,,,电子束则可以聚焦，在透射电子显微镜中利用电子衍射技术可以分析小至数纳米的区域的结构。,,由于透射电子显微镜实验要求试样必须很薄，制备起来比较麻烦，因而扫描电子显微镜的电子背散射衍射花样(EBSP，Electron Back—Scattered Pattern)最近得到广泛的应用。,,,,2.5.3 中子衍射,,中子束具有超过X射线和电子束的优点。首先，中子束的穿透能力极强，它分析的是整个材料的整体，而不只是其表面处的少数区域。,,,X射线是由材料原子的电子进行散射的，而中于主要是由原子核进行散射的。

35、,,,利用X射线的时候，由于轻原子的衍射强度较弱，因而被重原子的衍射强度所掩盖。,,,利用中子射线进行衍射时，所有的原子的散射本领却大致相同。由此可以研究包括轻重两种不同原子的物质(如氢化物或者碳化物)的结构。,,,中子衍射中，散射作用来自于原子核和电子自旋的共同作用。,,原因是中子磁矩可以和原子具有的任何磁矩相互作用。,,,因此，顺磁性材料－－宽阔的漫散射背景。,,磁性材料－－不相干散射消失,,,2.5.4 场离子显微镜,,利用各种衍射技术－－分析材料的结构；,,场离子显微镜－－观测到单独的空位或间隙原子。,,场离于显微镜的不足之处是，由于针尖截面积太小，可观察的范围尺寸很小。而且要求被观察

36、的试样应具有良好的导电性，否则电压无法加到针尖与荧光屏之间。,,,,在场离于显微镜分析中，将需要研究的材料制成半径为50一200nm的针尖。处于真空室的针尖试样作为阳极，荧光屏则作为阴极。然后在真空室中充以低压氦气，在针尖与荧光屏之间施加高电压。在针尖附近电离的氦将在电场的加速下，撞向荧光屏。由于针尖表面的原子的位置与电离场有关，所以荧光屏上的图像就直接反应了针尖表面原子的排列与缺陷的分布。,,,2.5.5 扫描隧道显微镜,,STM只密外加1V电压，且不需要高真空，可以在室温大气以及溶液中进行测量，具有电子显微镜所没有的特长。从原理上，它可以观察金属、半导体等导电性试样的最表面的形状。,,金属针与导电性试样之间的距离小到数纳米时，即使二者不接触，也会有电流流过。这一电流可以穿过真空的间隙，所以称为隧道电流。,,隧道电流与金属针和试样之间的间距成指数函数衰减。,,恒电流法:使隧道电流维持一定，而上下移动金属针。这一与金属针的高低位置相对应的平面即可表示试样表面的凹凸状态。这一方法又称为恒电流法。,,沿试样表面移动金属针，通过测定隧道电流的变化可以获得有关试样表面起伏的信息。这一测试方法称为变电流法(又称恒高度法),,,,,,