XRD 、SEM 、EDS 对材料物相、
实验名称：
表面形貌及微区组分的测试分析
实验组号： 学生专业： 学生学号： 学生学号：
1
电子科学与技术
一、 实验目的：
1、 了解和学习使用XRD 定性分析物相的原理和方法、了解X 射线衍射仪的基本结构及工作
原理、了解X 射线衍射仪的基本使用操作、了解X 射线衍射仪的测试分析范围及样品制备要求、了解X 射线衍射数据处理的程序与方法。
2、 了解SEM 的结构和工作原理、了解SEM 的主要性能、学习和掌握SEM 的基本使用方法
和实验流程、学习二次电子成像原理和了解二次电子形貌衬度的应用、观测样品表面形貌。
3、 了解EDS 的结构和工作原理，掌握实验的流程和操作，了解能谱仪成分分析的方法和特
点。
二、实验仪器：
1、X 射线衍射仪（XRD 衍射仪）。 2、扫描电子显微镜（SEM ）。 3、能谱仪（EDS ）
三、实验原理：
1、定量分析的基本任务是要确定混合物中的各相的相对含量。要测α物相的含量首先必须明确Iα、Cα、μl之间的关系。衍射强度的基本关系式（衍射仪）为：
λ3e2V1−2M
2
I=I0（）P|F|φ﹙θ﹚e c1
当需要测定两相(α＋β) 混合物中的α相时，只要将衍射强度公式乘以α相的体积分数C α，再用混合物的吸收系数μ来替代α相中的吸收系数μα，即可得出α想的表达式。即衍射强度为:
Cα
Iα=K1其中K1=I032πr（mc2）
λ3
e2
2VVc2
P|F|2φ﹙θ﹚2e−2M与含量无关。
1
α、β两相，各自密度为ρα、ρβ，线吸收系数为μα、μβ，质量百分比为Wα、Wβ，则混
μm=
μβμμα
=W+W ααββμβμα
W+W） ααββ
V∙ρWαρα
合物的质量吸收系数为：
所以混合物的线吸收系数为：
μ=ρ（
在进一步把Cα与α的相的质量联系起来，则α相的质量为V=ρWα相的体积为α，这样
=Vα，
Cα=
综上得
VV∙ρWρWαα1α
=∙=αα
K1Wα
Iα=
有因为Wβ=1−Wα，所以
Iα=
βρα（ραW+W）αβρ
α
β
K1Wα
ρα Wα
μαρα
−
μβρβ
+
μβρβ
有这个公式可知，待测相的衍射强度随着该相在混合物中的含量的增加而增强；但是，衍射强度还是与混合物的总体吸收系数有关，而总体吸收系数又随浓度而变化。因此，一般来说，强度和相对含量之间并非直线关系，只有在待测样品是由同素异构体组成的特殊情况下（此时ρα=ρβ），待测相的衍射强度才与该相的相对含量成直线关系。
α
β
μμ
2、SEM 信号的收集和和图像显示系统：二次电子、背散射电子、和透射电子的信号都可以采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成了调制信号。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的形态各不相同，所以接收到的信号也不同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点心态的扫描电子显微图像。 二次电子成像原理：二次电子只能从样品表面层5-10nm 深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm 时，将被样品吸收。二次电子对微区表面的几何形状十分敏感。下图示意地说明了样品表面和电子束相对位置与二次电子产额之间的关系。入射束和样品表面法线平行时（图a ）即θ=0°，二次电子的产额最少；若样品表面倾斜45°，则电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加到1.414倍（图b ），入射电子使距离表面5-10nm 的作用体积内的逸出表面的二次电子数量增多。通常电子束相对于试样表面的入射角选在45°左右。
二次电子成像示意图：图为根据上述原理画出的造成二次电子形貌衬度的示意图。图中样品上B 面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低；反之C 面的倾斜度最大，亮度也最大。
实际样品中的二次电子激发过程示意图：
上图分别为突出尖端、小颗粒、侧面和凹槽的激发过程示意图。突出尖端、小颗粒以及比较陡的斜面出二次电子产额较多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上二次电子产额较少，亮度较低；在深的凹槽底部虽然也能产生较多二次电子，但这些二次电子不易被检测器收集到，因此凹槽底的衬度也会较暗。 3、能谱定性分析原理：
X 射线的能量为E =h ν，不同元素发出的特征X 射线具有不同的频率，即具有不同的能量，只要检测不同的光子的能量（频率ν），即可确定元素——定性分析。 分析方法：（1）、有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各元素的X 射线强度，通过强度比，在经过修正后可求出各元素的百分含量。有标样分析准确度高。（2）、无标样定量分析：标样X 射线强度是通过理论计算或者数据进行定量计算。
（1）中试样中A 元素特征X 射线的强度I A 与试样A 元素的含量成比例，所以只要在相同的条件下，测出试样A 元素的X 射线强度I A 与标样中A 元素的X 射线强度I （A ）比，近似等于浓度比：
Ka=IA I(A) ∼CA C(A) 当试样与标样的元素及含量相近时，上式基本成立，一般情况下必须进行修正才能获得试样中元素的浓度。
Ka=CA C(A) ×（ZAF）A （ZAF）(A)
（ZAF）A和（ZAF）(A) 分别为试样和标样的修正系数。
（2）中是X 射线显微分析的一种快速定量方法。强度比K=IS IStd。表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计算，或用标样数据库给定的，适应于不同的实验条件。其计算精度不如有标样定量分析。
四、实验结果与分析讨论：
1、XRD 结果如下：
经过谱图的对比，我面确定我们组的样品为Al 2Ti 4C 2，然后在PDF 卡片中找出对应的卡片，标出了主要的强峰如图所示 。因为坐标轴的精度体，存在一定的细小误差。 2、SEM 在各放大倍数的表面形貌如下： 20倍：
1000倍：
2000倍： 5000倍：
3、EDS 的结果如下： 第一次：
第二次：
第三次：
五、实验结论：
1、通过XRD 对物相的分析，最中可以确定物质的成分，在PDF 卡片库中可以找出对应的卡片就可以标出对应的晶面参数，通过PDF 还可以知道个衍射峰的衍射强度和晶面距。在本实验中可以确定样品成分为Al 2Ti 4C 2，主要的强峰对应的晶面如结果图所示。
2、通过本次试验，了解和掌握了表面形貌的的观测方法，通过对样品的表面形貌分析，了解样品表面的断口的细微情况，该实验原理有很多的实际意义。在不同的放大倍数下，观测到的表面形貌也大不相同。通过各点的明暗程度，定性了解到样品表面的凹凸和斜面的倾斜情况。
3、通过EDS 对样品能谱的分析，可以定性定量分析出样品的元素组分。能谱仪的工作原理就是利用不同元素X 射线光子特征能量不同这一特点来对样品进行分析。和WDS 相比，可知EDS 具有很多方面的优点。但是也有自己的不足之处。在进行多次多点测量得出的数值也有一些差异存在，但总体来看，元素的组成、质量百分比和原子百分比大致相同。
六、总结（意见、建议或心得体会）：
通过这些实验，我们掌握了XRD 衍射仪、SEM 、EDS 的基本操作，掌握了样品的制备方法和实验的操作流程，学习到了物相的分析方法和表面形貌的分析方法以及能谱微分组分的方法。学习到了各实验的原理，了解各仪器的基本结构和工作原理，巩固了对理论知识的理解和掌握。锻炼了我们的动手操作能力，增强我组队的合作协作以及分工能力，还增强了我们对数据的分析和讨论能力。
通过这些实验，我们还学会了相关软件的使用，掌握了物相的分析流程，学会了物相输出图的制作和标定，学会了表面形貌的分析操作步骤，学会了通过样品形貌图分析样品表面形貌，学会了通过能谱仪来分析样品的元素组成和大致了解元素的质量百分数和原子百分数，学会读结果输出图。
意见：学校的实验仪器存在问题，导致有几次实验都无法进行，只能拖后和补做。 还有学校实验室有点落后，条件不太够，仪器少，学生只能通过分组和排队进行实验，实验室稍窄，还比较凌乱。各仪器也没有得到足够完善的保护。
建议：加强对仪器的保护，请保持实验室的清洁整齐，加强对仪器的定期全面检查，保证学生的实验顺利进行，尽量想办法添加仪器以满足实验人数较多的要求。
XRD 、SEM 、EDS 对材料物相、
实验名称：
表面形貌及微区组分的测试分析
实验组号： 学生专业： 学生学号： 学生学号：
1
电子科学与技术
一、 实验目的：
1、 了解和学习使用XRD 定性分析物相的原理和方法、了解X 射线衍射仪的基本结构及工作
原理、了解X 射线衍射仪的基本使用操作、了解X 射线衍射仪的测试分析范围及样品制备要求、了解X 射线衍射数据处理的程序与方法。
2、 了解SEM 的结构和工作原理、了解SEM 的主要性能、学习和掌握SEM 的基本使用方法
和实验流程、学习二次电子成像原理和了解二次电子形貌衬度的应用、观测样品表面形貌。
3、 了解EDS 的结构和工作原理，掌握实验的流程和操作，了解能谱仪成分分析的方法和特
点。
二、实验仪器：
1、X 射线衍射仪（XRD 衍射仪）。 2、扫描电子显微镜（SEM ）。 3、能谱仪（EDS ）
三、实验原理：
1、定量分析的基本任务是要确定混合物中的各相的相对含量。要测α物相的含量首先必须明确Iα、Cα、μl之间的关系。衍射强度的基本关系式（衍射仪）为：
λ3e2V1−2M
2
I=I0（）P|F|φ﹙θ﹚e c1
当需要测定两相(α＋β) 混合物中的α相时，只要将衍射强度公式乘以α相的体积分数C α，再用混合物的吸收系数μ来替代α相中的吸收系数μα，即可得出α想的表达式。即衍射强度为:
Cα
Iα=K1其中K1=I032πr（mc2）
λ3
e2
2VVc2
P|F|2φ﹙θ﹚2e−2M与含量无关。
1
α、β两相，各自密度为ρα、ρβ，线吸收系数为μα、μβ，质量百分比为Wα、Wβ，则混
μm=
μβμμα
=W+W ααββμβμα
W+W） ααββ
V∙ρWαρα
合物的质量吸收系数为：
所以混合物的线吸收系数为：
μ=ρ（
在进一步把Cα与α的相的质量联系起来，则α相的质量为V=ρWα相的体积为α，这样
=Vα，
Cα=
综上得
VV∙ρWρWαα1α
=∙=αα
K1Wα
Iα=
有因为Wβ=1−Wα，所以
Iα=
βρα（ραW+W）αβρ
α
β
K1Wα
ρα Wα
μαρα
−
μβρβ
+
μβρβ
有这个公式可知，待测相的衍射强度随着该相在混合物中的含量的增加而增强；但是，衍射强度还是与混合物的总体吸收系数有关，而总体吸收系数又随浓度而变化。因此，一般来说，强度和相对含量之间并非直线关系，只有在待测样品是由同素异构体组成的特殊情况下（此时ρα=ρβ），待测相的衍射强度才与该相的相对含量成直线关系。
α
β
μμ
2、SEM 信号的收集和和图像显示系统：二次电子、背散射电子、和透射电子的信号都可以采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成了调制信号。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的形态各不相同，所以接收到的信号也不同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点心态的扫描电子显微图像。 二次电子成像原理：二次电子只能从样品表面层5-10nm 深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm 时，将被样品吸收。二次电子对微区表面的几何形状十分敏感。下图示意地说明了样品表面和电子束相对位置与二次电子产额之间的关系。入射束和样品表面法线平行时（图a ）即θ=0°，二次电子的产额最少；若样品表面倾斜45°，则电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加到1.414倍（图b ），入射电子使距离表面5-10nm 的作用体积内的逸出表面的二次电子数量增多。通常电子束相对于试样表面的入射角选在45°左右。
二次电子成像示意图：图为根据上述原理画出的造成二次电子形貌衬度的示意图。图中样品上B 面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低；反之C 面的倾斜度最大，亮度也最大。
实际样品中的二次电子激发过程示意图：
上图分别为突出尖端、小颗粒、侧面和凹槽的激发过程示意图。突出尖端、小颗粒以及比较陡的斜面出二次电子产额较多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上二次电子产额较少，亮度较低；在深的凹槽底部虽然也能产生较多二次电子，但这些二次电子不易被检测器收集到，因此凹槽底的衬度也会较暗。 3、能谱定性分析原理：
X 射线的能量为E =h ν，不同元素发出的特征X 射线具有不同的频率，即具有不同的能量，只要检测不同的光子的能量（频率ν），即可确定元素——定性分析。 分析方法：（1）、有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各元素的X 射线强度，通过强度比，在经过修正后可求出各元素的百分含量。有标样分析准确度高。（2）、无标样定量分析：标样X 射线强度是通过理论计算或者数据进行定量计算。
（1）中试样中A 元素特征X 射线的强度I A 与试样A 元素的含量成比例，所以只要在相同的条件下，测出试样A 元素的X 射线强度I A 与标样中A 元素的X 射线强度I （A ）比，近似等于浓度比：
Ka=IA I(A) ∼CA C(A) 当试样与标样的元素及含量相近时，上式基本成立，一般情况下必须进行修正才能获得试样中元素的浓度。
Ka=CA C(A) ×（ZAF）A （ZAF）(A)
（ZAF）A和（ZAF）(A) 分别为试样和标样的修正系数。
（2）中是X 射线显微分析的一种快速定量方法。强度比K=IS IStd。表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计算，或用标样数据库给定的，适应于不同的实验条件。其计算精度不如有标样定量分析。
四、实验结果与分析讨论：
1、XRD 结果如下：
经过谱图的对比，我面确定我们组的样品为Al 2Ti 4C 2，然后在PDF 卡片中找出对应的卡片，标出了主要的强峰如图所示 。因为坐标轴的精度体，存在一定的细小误差。 2、SEM 在各放大倍数的表面形貌如下： 20倍：
1000倍：
2000倍： 5000倍：
3、EDS 的结果如下： 第一次：
第二次：
第三次：
五、实验结论：
1、通过XRD 对物相的分析，最中可以确定物质的成分，在PDF 卡片库中可以找出对应的卡片就可以标出对应的晶面参数，通过PDF 还可以知道个衍射峰的衍射强度和晶面距。在本实验中可以确定样品成分为Al 2Ti 4C 2，主要的强峰对应的晶面如结果图所示。
2、通过本次试验，了解和掌握了表面形貌的的观测方法，通过对样品的表面形貌分析，了解样品表面的断口的细微情况，该实验原理有很多的实际意义。在不同的放大倍数下，观测到的表面形貌也大不相同。通过各点的明暗程度，定性了解到样品表面的凹凸和斜面的倾斜情况。
3、通过EDS 对样品能谱的分析，可以定性定量分析出样品的元素组分。能谱仪的工作原理就是利用不同元素X 射线光子特征能量不同这一特点来对样品进行分析。和WDS 相比，可知EDS 具有很多方面的优点。但是也有自己的不足之处。在进行多次多点测量得出的数值也有一些差异存在，但总体来看，元素的组成、质量百分比和原子百分比大致相同。
六、总结（意见、建议或心得体会）：
通过这些实验，我们掌握了XRD 衍射仪、SEM 、EDS 的基本操作，掌握了样品的制备方法和实验的操作流程，学习到了物相的分析方法和表面形貌的分析方法以及能谱微分组分的方法。学习到了各实验的原理，了解各仪器的基本结构和工作原理，巩固了对理论知识的理解和掌握。锻炼了我们的动手操作能力，增强我组队的合作协作以及分工能力，还增强了我们对数据的分析和讨论能力。
通过这些实验，我们还学会了相关软件的使用，掌握了物相的分析流程，学会了物相输出图的制作和标定，学会了表面形貌的分析操作步骤，学会了通过样品形貌图分析样品表面形貌，学会了通过能谱仪来分析样品的元素组成和大致了解元素的质量百分数和原子百分数，学会读结果输出图。
意见：学校的实验仪器存在问题，导致有几次实验都无法进行，只能拖后和补做。 还有学校实验室有点落后，条件不太够，仪器少，学生只能通过分组和排队进行实验，实验室稍窄，还比较凌乱。各仪器也没有得到足够完善的保护。
建议：加强对仪器的保护，请保持实验室的清洁整齐，加强对仪器的定期全面检查，保证学生的实验顺利进行，尽量想办法添加仪器以满足实验人数较多的要求。