材料特性表征：第21節(jié) 第九章 電子衍射

1、4. 電子衍射物相分析5. 電子顯微襯度像6. 衍射襯度理論解釋第九章 電子衍射及顯微分析4. 電子衍射物相分析4.1電子衍射花樣的形成4.2 電子衍射的基本公式4.3 各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣4.4 選區(qū)電子衍射4.5 衍射花樣分析4.1電子衍射花樣的形成 衍射線沿著球心O1到倒易點G的方向，當(dāng)該衍射線于底片（或熒光屏）相交時，形成一個衍射斑點G，所有參與衍射晶面的衍射斑點構(gòu)成了一張電子衍射花樣。電子衍射花樣實際上是晶體的倒易點陣與衍射球面相截部分在熒光屏上的投影.電子衍射圖取決于倒易陣點相對于衍射球面的分布情況。由于晶體樣品的點陣單胞參數(shù)是確定的它的倒易陣點的空間分布也是確定的與衍射球面相交的倒

2、易陣點取決于衍射球曲率1/的大小高能電子衍射情況下，100KV加速電壓產(chǎn)生的電子束的波長是0.0037nm，衍射球的半徑是270nm-1典型金屬晶體低指數(shù)晶面間距約為0.2 nm，相應(yīng)的倒易矢量長度約為5nm-1衍射球的半徑比低指數(shù)晶面的倒易矢量長度大50多倍。在倒易點陣原點附近的低指數(shù)倒易點陣范圍內(nèi)，衍射球面非常接近平面。在衍射球面近似為一個平面的情況下，它與三維倒易點陣交截得到的曲面為一個平面，即一個二維倒易點陣平面。在這個倒易平面上的低指數(shù)倒易陣點都和衍射球面相交，滿足衍射方程，產(chǎn)生相應(yīng)的衍射電子。所以電子衍射圖的幾何特征與一個二維倒易點陣平面相同。4.2 電子衍射的基本公式由于電子束波

3、長很短，衍射球的半徑很大，在倒易點陣原點O附近，衍射球面非常接近平面 。在恒定的實驗條件下， 是一個常數(shù)，稱為衍射常數(shù)?？捎蒖值求出d值?？筛鶕?jù)衍射普求出晶面間距及某些晶面的夾角。 O是熒光屏上的透射斑點，G是衍射斑點。4.3 各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣1） 單晶體的衍射花樣。 不同入射方向的CZrO2衍射斑點 (a)111; (b)011; (c) 001; (d) 112衍射斑點形成規(guī)則的二維網(wǎng)格形狀衍射花樣與二維倒易點陣平面上倒易陣點分布是相同的不同的入射電子束方向，晶體取向不同，與衍射球相交得到的二維倒易點陣不同，因此衍射花樣也不同。4.3 各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣2）多晶材料的電子衍射。 NiFe

4、多晶納米薄膜的電子衍射 (a) 晶粒細(xì)小的薄膜 (b)晶粒較大的薄膜 晶粒尺度很小，晶粒的結(jié)晶學(xué)取向在三維空間是隨機(jī)分布的，任意晶面組hkl對應(yīng)的倒易陣點在倒易空間中的分布是等幾率的，形成以倒易原點為中心，hkl晶面間距的倒數(shù)為半徑的倒易球面。無論電子束沿任何方向入射，hkl倒易球面與反射球面相交的軌跡都是一個圓形環(huán)，由此產(chǎn)生的衍射束為圓形環(huán)線。多晶的衍射花樣是一系列同心的環(huán)，環(huán)半徑正比于相應(yīng)的晶面間距的倒數(shù)。當(dāng)晶粒尺寸較大時，參與衍射的晶粒數(shù)減少，使得這些倒易球面不在連續(xù)，衍射花樣為同心圓弧線或衍射斑點。4.3 各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣3）非晶態(tài)物質(zhì)衍射。 典型的非晶衍射花樣非晶態(tài)物質(zhì)特點是短程有

5、序、長程無序但非晶態(tài)材料中原子團(tuán)形成的這些多面體在空間的取向是隨機(jī)分布的，不具有平移周期性，不再有點陣和單胞由于單個原子團(tuán)或多面體中的原子只有近鄰關(guān)系，反映到倒空間也只有對應(yīng)這種原子近鄰距離的一或兩個倒易球面。反射球面與倒易球面相交得到的軌跡都是一或兩個半徑恒定的，并且以倒易點陣原點為中心的同心圓環(huán)。由于單個原子團(tuán)或多面體的尺度非常小，其中包含的原子數(shù)目非常少，倒易球面也遠(yuǎn)比多晶材料的厚。所以非晶材料的電子衍射圖只含有一個或兩個非常彌散的衍射環(huán)。4.4 選區(qū)電子衍射（a）NiAl多層膜的組織(b)形貌大范圍衍射花樣(c)單個晶粒的選區(qū)衍射通過選區(qū)衍射電子衍射可以對特定微小區(qū)域的物相進(jìn)行分析。多

6、層膜中含有很多晶粒，如果對整個觀察區(qū)進(jìn)行物相分析，只能得到多晶環(huán)，無法知道每個晶體具體屬于哪種物相；通過選取特定區(qū)域（如白色環(huán)內(nèi)區(qū)域）進(jìn)行衍射分析，可得到該區(qū)域的物相信息。4.4 選區(qū)電子衍射電子束的光路具有可逆回溯的特點。如果在物鏡的像平面處加入一個選區(qū)光闌，只有AB范圍內(nèi)的成像電子能通過選區(qū)光闌,并最終在熒光屏上形成衍射花樣, 這一部分花樣實際上是由樣品上AB區(qū)域提供的，所以在像平面上放置選區(qū)光闌的作用等同于在物平面上放置一個光闌。選區(qū)光闌的直徑約為20-300m之間，若物鏡放大倍數(shù)50倍，那么在物鏡的像平面上放直徑為50m的選區(qū)光闌就相當(dāng)于在物平面上放1m的視野光闌，可以套取樣品上任何直

7、徑1m的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，可實現(xiàn)對1m范圍的微區(qū)做選區(qū)衍射。4.5 多晶體結(jié)構(gòu)衍射花樣分析多晶體的衍射花樣為一系列同心的環(huán)，根據(jù)電子衍射基本公式L為相機(jī)常數(shù)，環(huán)半徑正比于相應(yīng)的晶面間距的倒數(shù)，即R比值與晶面間距的關(guān)系鑒別不同結(jié)構(gòu)類型晶體的依據(jù)：每種結(jié)構(gòu)顯示自己特征的衍射環(huán)以立方晶系為例，討論結(jié)構(gòu)與衍射花樣的關(guān)系。立方晶體的晶面間距因為N都是整數(shù) ，所以立方晶體的電子衍射花樣中各個衍射環(huán)半徑的平方比值一定滿足整數(shù)比。4.5 多晶體結(jié)構(gòu)衍射花樣分析四種不同類型的立方晶系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生衍射指數(shù)：簡單立方結(jié)構(gòu)：100，110，111，200，210，220，221，體心立方結(jié)構(gòu)：110，200，112，220，3

8、10，222，312，面心立方結(jié)構(gòu)：111，200，220，311，222，400，金剛石立方結(jié)構(gòu)： 111，220，311，400，331，422，相應(yīng)的，各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣中，衍射環(huán)半徑之比遵循如下規(guī)律：簡單立方結(jié)構(gòu)：1:2:3:4:5:6:8:9:10:11 體心立方結(jié)構(gòu)：2:4:6:8:10:12:14:16:18 面心立方結(jié)構(gòu)：3:4:8:11:12:16:19:20:24 金剛石立方結(jié)構(gòu)：3:8:11:16:19:24:27 因此在測量了衍射環(huán)半徑，并對其平方之比進(jìn)行對照后，可以確定晶格類型。4.5 多晶體結(jié)構(gòu)衍射花樣分析多晶衍射花樣分析，基本程序如下： 測量環(huán)的半徑R 計算Ri2

9、及Ri2/R12，其中R1為直徑最小的衍射環(huán)的半徑，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律，由此確定了晶體的結(jié)構(gòu)類型，可寫出衍射環(huán)指數(shù) 根據(jù)L和Ri值可計算出不同晶面族的di。根據(jù)衍射環(huán)的強度確定三個最大強度的衍射環(huán)的d值，借助索引可以找到相應(yīng)的ASTM卡片。全面比較d值和強度，就可最終確定晶體是什么物相。5. 電子顯微襯度像1. 襯度定義2. 四種襯度2.1 質(zhì)厚襯度2.2 衍射襯度 2.3 相位襯度2.4 原子序數(shù)襯度5.1 襯度定義襯度（contrast）定義：兩個相臨部分的電子束強度差對于光學(xué)顯微鏡，襯度來源是材料各部分反射光的能力不同。當(dāng)電子逸出試樣下表面時，由于試樣對電子束的作用，使得透射到熒光屏

10、上的強度是不均勻的，這種強度不均勻的電子象稱為襯度象。5.2 四種襯度質(zhì)量厚度襯度（Mass-thickness contrast)：是由于材料的質(zhì)量厚度差異造成的透射束強度的差異而產(chǎn)生的襯度（主要用于非晶材料）。衍射襯度(Diffraction contrast)：由于試樣各部分滿足布拉格條件的程度不同以及結(jié)構(gòu)振幅不同而產(chǎn)生的（主要用于晶體材料）。相位襯度(Phase contrast)：試樣內(nèi)部各點對入射電子作用不同，導(dǎo)致它們在試樣出口表面上相位不一，經(jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強度差而形成的。原子序數(shù)襯度（Z contrast）： 襯度正比于Z2。相位襯度和振幅襯度同時存在。 5

11、.2 四種襯度試樣厚度10 nm時，振幅襯度為主；試樣厚度2 nm分辨率 2 nmZ contrast質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度的形成：由于試樣各部分對電子散射能力不同，使得透射電子數(shù)目不同，而引起強度差異，形成襯度。對于非晶樣品，入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)目越多（或樣品越厚），樣品原子核庫侖電場越強（或原子序數(shù)或密度越大），被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而通過物鏡光闌參與成像的電子強度就越低，即襯度與質(zhì)量、厚度有關(guān)，故叫質(zhì)厚襯度。 質(zhì)厚襯度The mass and thickness contrast of InxGa12xAs QDs on a GaAs surface. 質(zhì)厚襯度的公式襯度與

12、原子序數(shù)Z，密度，厚度t有關(guān)。用小的光闌（?。┮r度大；降低電壓V，能提供高襯度 衍射襯度晶粒A與入射束不成布拉格角，不產(chǎn)生衍射，透射束強度IA=I0晶粒B與入射束滿足布拉格衍射，衍射束強度為Ihkl，透射束強度IB=I0-Ihkl如果讓透射束通過物鏡光闌，擋住衍射束，A晶粒比B晶粒亮(明場象)。如果讓hkl衍射束通過物鏡光闌，擋住透射束，B晶粒比A晶粒亮（暗場像）TEM衍襯分析必須的條件必須有一個孔徑足夠小的物鏡光闌（d10-30m）樣品必須在適當(dāng)?shù)慕嵌确秶鷥?nèi)可任意傾斜，以便利用晶體位向的變化選擇適于成像的合適條件。TEM應(yīng)有方便的選區(qū)衍射裝置，以便隨時觀察和記錄衍射花樣，選擇用以成像的衍射束

13、。必須有可傾斜的照明系統(tǒng)（中心暗場象），目前多用電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來實現(xiàn)。相位襯度原子像相位襯度原子像Carbon Nanotube原子序數(shù)襯度Z襯度基于掃描透射電子顯微術(shù)（STEM）: 電子束掃描，環(huán)形暗場探測器 STEM的像來源于當(dāng)精細(xì)聚焦電子束(2 )掃描樣品時，逐一照射每個原子柱，在環(huán)形探測器上產(chǎn)生強度的變化圖，從而提供原子分辨水平的圖像。 GaAs1.4AsGa Z=31 Z=331勞厄法勞厄法是用波長可連續(xù)變化的X射線，射擊入固定的單晶體而產(chǎn)生衍射的一種方法。 由晶體出射的衍射線束在底片上形成的一系列斑點，稱為勞厄斑點。所有的勞厄斑點構(gòu)成晶體的X射線衍射圖樣?？梢妱诙虬唿c與倒易陣點一一對

14、應(yīng)，勞厄斑點的分布可以反映出倒易陣點的分布信息。倒易陣點是晶體相應(yīng)晶面的法線方向，晶格的對稱性與倒易陣點的對稱性相對應(yīng)。當(dāng)X光入射方向與晶體的某對稱軸平行時，勞厄斑點的對稱性即反映出晶格的對稱性。因此，勞厄法不便于研究晶體的晶格常數(shù)，而特別適用于確定晶體的對稱性。當(dāng)X光波長和入射方向一定時，由球心到球面上的倒格點連線方向，都是X光衍射極大方向，或稱光的反射方向。 晶體物相分析方法2旋轉(zhuǎn)單晶法旋轉(zhuǎn)單晶法的特點是X射線波長不變，使晶體轉(zhuǎn)動，從而倒易點陣也轉(zhuǎn)動。由于不變，所以只有一個反射球，且固定不動。但樣品單晶在轉(zhuǎn)動，這樣其倒易點陣將相對的反射球轉(zhuǎn)動，于是就有倒易陣點不斷轉(zhuǎn)到反射球上，從而發(fā)生布喇格反射。由于倒易點陣的周期性，這些點可被認(rèn)為分布在一系列垂直于轉(zhuǎn)軸的平面上。晶體物相分析方法同一平面上的倒易陣點當(dāng)它們轉(zhuǎn)動到反射球上時產(chǎn)生的反射光的方向與轉(zhuǎn)軸的夾角固定不變，這樣不同面上的倒易陣點的反射線就構(gòu)成以轉(zhuǎn)軸為軸的，夾角各不相同的圓錐面。若照相膠卷成以轉(zhuǎn)軸為軸的圓筒，這樣衍射斑點都在膠片上形成幾條平行的橫線。通常通過轉(zhuǎn)動單晶