晶體學
晶體學,又稱
結晶學,是一門以確定
固體中
原子(或
離子)排列方式為目的的
實驗科學。“晶體學”(crystallography)一詞原先僅指對各種晶體性質的研究,但隨著人們對物質在
微觀尺度上認識的加深,其詞義已大大擴充。
在
X射線衍射晶體學提出之前(介紹見下文),人們對晶體的研究主要集中於晶體的
點陣幾何上,包括測量各
晶面相對於理論參考
坐標系(晶體坐標軸)的夾角,以及建立晶體點陣的
對稱關係等等。夾角的測量用
測角儀完成。每個晶面在三維空間中的位置用它們在一個立體球面坐標“網”上的投影點(一般稱為投影“
極”)表示。坐標網的又根據不同取法分為Wolff網和Lambert網。將一個晶體的各個晶面對應的極點在坐標網上畫出,並標出晶面相應的
密勒指數,最終便可確定晶體的對稱性關係。
現代晶體學研究主要通過分析晶體對各種
電磁波束或
粒子束的衍射圖像來進行。輻射源除了最常用的X射線外,還包括
電子束和
中子束(根據
德布羅意理論,這些基本粒子都具有
波動性,參見條目
波粒二象性),可以表現出和光波類似的性質)。晶體學家直接用輻射源的名字命名各種標定方法,如
X射線衍射(常用英文縮寫XRD),
中子衍射和
電子衍射。
以上三種輻射源與晶體學試樣的作用方式有很大區別:X射線主要被原子(或離子)的最外層
價電子所
散射;電子由於帶負電,會與包括
原子核和核外電子在內的整個空間電荷分布場發生相互作用;中子不帶電且質量較大,主要在與原子核發生碰撞時(碰撞的機率非常低)受到來自原子核的作用力;與此同時,由於中子自身的
自旋磁矩不為零,它還會與原子(或離子)
磁場相互作用。這三種不同的作用方式適應晶體學中不同方面的研究。
掃描電子顯微鏡
掃描電子顯微鏡(英語:Scanning Electron Microscope,縮寫為SEM),簡稱
掃描電鏡,是一種
電子顯微鏡,其通過用聚焦
電子束掃描樣品的表面來產生
樣品表面的圖像。
電子與樣品中的原子相互作用,產生包含關於樣品的表面測繪學形貌和組成的信息的各種信號。電子束通常以
光柵掃描圖案掃描,並且光束的位置與檢測到的信號組合以產生圖像。
掃描電子顯微鏡可以實現解析度優於1納米。樣品可以在高真空,低真空,濕條件(用環境掃描電子顯微鏡)以及寬範圍的低溫或高溫下觀察到。
最常見的掃描電子顯微鏡模式是檢測由電子束激發的原子發射的
二次電子(secondary electron)。可以檢測的
二次電子的數量,取決於樣品測繪學形貌,以及取決於其他因素。通過掃描樣品並使用特殊檢測器收集被發射的二次電子,創建了顯示表面的形貌的圖像。它還可能產生樣品表面的高解析度圖像,且圖像呈三維,鑑定樣品的表面結構。