5．TEM和SEM在成像的原理和调节放大倍数的原理上有何差异？TEM和SEM分析对制样有何要求？

答：1) TEM的成像原理：是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像，并一次成像。

  SEM的成像原理：是利用电磁透镜聚焦的细高能电子束，在扫描线圈的磁场作用下，电子束在样品表面逐点扫描时激发出的各种物理信号来调制成像。

2) TEM的调节放大倍数原理：样品与物镜之间的距离固定不变，通过改变物镜的焦距和像距来改变放大倍数；

   SEM的调节放大倍数原理：是通过调节扫描线圈的电流，改变电子束在试样上扫描的范围来改变放大倍数，其定义为电子束在荧光屏上的最大扫描距离与在样品表面的扫描距离之比。

3) TEM对制样的要求：试样必须很薄，电子才能透过试样成像，厚度不超过100nm，一般为50nm。

对薄膜样品的要求：① 薄膜样品的组织结构必须与大块样品相同；

② 样品要足够薄，以便电子束能够透过；

③ 样品应有一定的强度和刚度，以便在制备、夹持和操作过程中不产生形变和损伤。④ 在制样过程中表面不氧化、腐蚀或污染（影响透明度和产生假像）。

对粉末样品的要求：必须先制备一种很薄的支持膜才能送入电镜观察；支持膜需要有一定的强度，对电子的穿透性能好，并且不显示自身的结构，支持膜常用塑料支持膜、塑料-碳支持膜、碳支持膜三种。此外，将粉末均匀分散地撒在支持膜上也十分重要。

对于电子不透明的大块材料不能直接放入电镜中观察，可以选择适当的材料，将被研究材料的表面复制成薄膜形态，而把复制品放入电镜中观察。

  SEM 对制样的要求：样品大小要适合仪器专用样品座尺寸，一般为直径30-50mm，高度一般为5-10mm；样品必须无油污、无腐蚀、不释放气体、干燥，通常要对样品进行超声波清洗，以清除油污、尘埃、碎屑等，具体如下：

①试样应先烘干、表面洁净；②磁性试样应预先去磁；

③对块状样品，除满足样品台尺寸外，基本上不需要其他处理，用导电胶粘在样品台上即可；④对于块状非导体或导电性能差的试样，应进行镀膜处理，镀上导电膜；⑤对于粉末样品有直接制样和湿法制样两种，样品需先粘结在样品座上。

6．二次电子成像是最常用的形貌观察方法，简述其特点。

答：同上。

7．为什么能谱(EDS)更适合做“点”的元素全分析，而波普(WDS)更适合做“线”和“面”的元素分布分析和定量分析。

答：EDS在瞬间能探测各种能量的X射线，而不同元素具有不同的能级结构，发射出来的X射线光子的能量和波长也不同，因此在某个区域的各种元素都能被其探测到，故更适合做“点”分析；而WDS在瞬间只能探测波长满足某种条件的X射线，即只能探测某些特定的范围内的X射线，故不能完全探测到某个区域的全部元素，更适合做“线”和“面”的元素分析；此外，WDS分析精度高，元素含量>10%时，分析误差可控制在1%以内，故适合做定量分析，且是目前微区元素定量分析最准确的方法。

2011年试题及答案

1．X射线光电子能谱（XPS）

答：原理：用单色X射线照射样品，具有一定能量的X射 线光子把全部能量交给原子中某壳层上一个受束缚的电子。如果电子获得的能量超过该电子的结合能，这个电子就会被激发，而高出结合能的能量转化为电子的动 能，电子被发射出去，成为自由光电子，原子变成激发态。根据测得的光电子动能，可以确定表面存在什么元素和元素的化学状态；根据具有某种能量的光电子的数 量，可计算出该元素在试样表面的含量。

特点：通过XPS可获得丰富的化学信息，对样品损伤轻，微定量精度较好。缺点是X-ray照射面积较大，不适于做微区分析；一般检测极限（灵敏度）大约为0.1%，且一般用能量较低的软X射线（如Al和Mg的Kα线），穿透深度很浅，故是一种表面分析方法。

定性分析：不同元素、不同价态的电子结合能有其固定值，根据所测得的谱峰（主峰）位置，对照《X射线光电子能谱手册》，可确定试样表面含有哪些元素，以及这些元素存在于什么化合物中（元素的化学状态）。

定量分析：光电子的强度（数量）主要取决于样品中所测元素的含量，但由于不同元素的原子或同一原子不同壳层的电子对光照的敏感性不同，因此不能直接用谱线的强度来定量，一般采用元素灵敏度因子法来定量。定量准确性比俄歇能谱好，误差一般不超过20％，属于半定量分析。

样品的制备：通常只用于固体样品的分析。样品一般都需要经过一定的预处理：

样品大小：长宽小于10 mm，高度小于5 mm； 粉体样品：用双面胶带直接把粉体固定在样品台或把粉体样品压成薄片；含挥发性物质：加热或用溶剂清洗除掉挥发性物质；表面污染：通过溶剂清洗、抛光、离子 溅射去污；微弱磁性：弱磁性样品去磁，禁止分析磁性样品；对于不导电样品，由于荷电效应，经常会使结合能发生变化，导致定性分析得出不正确的结果。

运用：1). 固体材料表面元素全分析； 2). 样品元素组分沿纵深度变化的检测；

3). 离子化学态分析及不同离子价态的比例：如Ti4+和Ti3+； 4). 表面元素的定量分析

5). 高分子结构分析。

（补充）俄歇电子能谱 (AES)

答：原理：电子束（或X射线）激发试样表面原子的壳层电子，较外层电子跃迁填充较内层电子空位，多余的能量发射一个具有特征能量的俄歇电子，通过检测俄歇电子的能量和强度，进行样品表层化学成分的定性和定量分析。主要用于微区（～50 nm）表面化学成分分析。逸出的俄歇电子来源于表面～1 nm的深度范围，大于3 nm深度产生的俄歇电子会因非弹性散射而被样品吸收。可分析除H、He以外的所有元素，特别适合轻元素的分析。

分析技术分类：定性分析，定量分析（属半定量），深度分析（成分随着表面深度的变化）

微区分析（选点分析、线分析和面分析），价态分析。

定性分析：俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关，也就是说与激发源无关。对于特定元素及特定俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。由此，可以根据俄歇电子的动能用来定性分析样品表面物质的元素种类。定性分析可适用于除H、He以外的所有元素，且由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很高。因此，AES技术是适用于对所有元素进行一次全分析的有效定性分析方法，这对于未知样品的定性鉴定是非常有效的。

定量分析：俄歇电子的强度与样品中该原子的浓度有线性关系，定量分析是根据峰的强度来计算，以摩尔百分比含量表示。一般采用相对灵敏度因子法，精度较低，在常规情况下，误差在30%左右，属于半定量分析。AES定量分析影响因素多，样品表面的C、O污染以及吸附物的存在都会严重影响分析的结果。该法虽然准确性较低，但由于不需标样，因而仍有较广范的应用。

样品的制备：俄歇电子能谱通常只能分析固体导电样品，绝缘体固体需要经过特殊的处理。要求样品表面清洁、平整。粉体样品原则上不能进 行俄歇电子能谱分析，需经特殊的制样处理。可把粉体样品或小颗粒样品直接压到金属铟或锡的基材表面，既可固定样品，还可解决样品的荷电问题。由于俄歇电子 能谱具有较高的空间分辨率，因此，在样品固定方便的前提下，样品面积应尽量小，这样可以在样品台上多固定一些样品。

应用：表面元素的定性分析和半定量分析，如表面元素全分析、晶界成分分析、表面偏析分析、价态分析、薄膜成分分析、深度成分剖析、成分和价态分布等。

2．AFM的应用（最少写出三个）

答：工作原理：使用一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，针尖半径接近原子尺寸，当探针轻轻压在样品表面时微悬臂受 力的作用发生弯曲，将悬臂的形变信号转换成光电信号并放大，可以得到原子之间力的微弱变化的信号。恒定距离在试样表面上扫描，针尖随表面的凹凸作起伏运 动，可得到表面三维轮廓图。（在空气中测量时，横向分辩率达0.15 nm，纵向分辩率达0.05 nm。）

工作方式：1)接触式—探针一直与样品接触；通过调节探针与样品的距离使反馈保持恒定（悬臂的弯曲度或力的大小）；针尖－样品作用力：10-7～10-11 N；侧向力可能损伤软的和脆的样品。2)轻敲式—悬臂在共振频率发生振荡，“敲击”样品的表面，通过反馈调节保持恒定的振幅；降低了探针与样品之间垂直和侧向的作用力，可减小对软样品的损伤。

应用：可观察测量包括绝缘体在内的各种固体表面形貌，达到接近原子尺度的分辩率。

1)．观察样品纳米至微米的表面形貌（三维成像）；2)．粘弹性测定（粘性像和弹性像）；

3)．纳米压痕与微刻痕试验；4)．表面粗糙度分析；5)．电化学反应（表面形貌）观察；

6)．摩擦力、表面磁场力、表面静电力；7)．加热、冷却或在特定气氛下的AFM观察。

3．原子吸收光谱

答：定义：原子吸收光谱法是一种基于待测基态原子对特征谱线的吸收而建立的一种分析方法。

特点：1)、灵敏度高（火焰法：1 ng/ml；石墨炉：100-0.01 pg )

2)、准确度好（火焰法：RSD <1%，石墨炉：3-5%）

3)、选择性高（可测元素达70个，相互干扰很小）

缺点：不能多元素同时分析

原理：一、共振线

1).原子的能级与跃迁

基态→第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。产生共振吸收线（简称共振线） 吸收光谱

激发态→基态发射出一定频率的辐射。产生共振吸收线（也简称共振线） 发射光谱

2).元素的特征谱线

a.各种元素的原子结构和外层电子排布不同，基态→第一激发态—跃迁吸收能量不同—具有特征性。

b.各种元素的基态→第一激发态—最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。

c.利用特征谱线可以进行定量分析。

应用：1)．头发中微量元素的测定；2)．水中微量元素的测定；

3)．水果、蔬菜中微量元素的测定。

4．能直接表征元素分布的测试方法有哪几个？

答：BSE、WDS、AES

5．X射线荧光和俄歇电子发射 这两个竞争过程

答：1）X射线荧光效应(光电效应)：X射线与物质作用，具有足够能量的X射线光子激发掉原子K层的电子，外层电子跃迁填补，多余能量辐射出来，此时这里被X射线光子激发出来的电子称为光电子，所辐射的X射线称为荧光X射线。

俄歇效应：X射线与物质作用，原子中一个K层电子被入射的X射线光量子击出后，L层的一个电子跃入K层填补空位，辐射出的能量又能再激发另一L层电子来填补空位，结果一个K层空位被两个L层空位代替，该过程称为俄歇效应，被Kα荧光X射线激发出的电子称为俄歇电子。俄歇电子的能量与技法源的能留无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱，它是元素的固有特性，所以可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。

6．背散射电子和二次电子衬度的成像原理 特点 应用

答：同上。

7．TEM和SEM

答：同上。

8．高分辨电子显微技术（HREM）

答：利用高分辨特性对原子排列情况和原子的位置进行直接观察的技术就称为高分辨率电子显微术。它可以从原子尺度了解材料内部的结构，观察晶体和非晶体中的原子、原子排列、晶界、相界、畴界、晶体缺陷等；高分辨像研究的对象是1 nm左右或更小的微观结构，试样的厚度小于10 nm。常用于微晶和析出物的观察，揭示微晶的存在以及形状，面间距可通过衍射环的直径和晶格条纹间距来获得。

9．EDS  WDS 元素分析

答：同上。

10．红外光谱分析（原理和制样）

答：分析原理：红外光照射物质时，光与物质相互作用使分子吸收了红外光中与分子间振动能级差相当的能量，导致分子振动能级的跃迁，记录被吸收光子的频率或波长及相应的吸收强度，即形成红外光谱图。

制样方法：同上。

11．计算题：热重