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(diǎn)G的方向，當(dāng)該衍射線于底片（或熒光屏）相交時(shí)，形成一個(gè)衍射斑點(diǎn)G，所有參與衍射晶面的衍射斑點(diǎn)構(gòu)成了一張電子衍射花樣。電子衍射花樣實(shí)際上是晶體的倒易點(diǎn)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(diǎn)相對(duì)于衍射球面的分布情況。由于晶體樣品的點(diǎn)陣單胞參數(shù)是確定的它的倒易陣點(diǎn)的空間分布也是確定的與衍射球面相交的倒

2、易陣點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)度約為5nm-1衍射球的半徑比低指數(shù)晶面的倒易矢量長(zhǎng)度大50多倍。在倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)附近的低指數(shù)倒易點(diǎn)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(gè)平面的情況下，它與三維倒易點(diǎn)陣交截得到的曲面為一個(gè)平面，即一個(gè)二維倒易點(diǎn)陣平面。在這個(gè)倒易平面上的低指數(shù)倒易陣點(diǎn)都和衍射球面相交，滿(mǎn)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(gè)二維倒易點(diǎn)陣平面相同。4.2 電子衍射的基本公式由于電子束波

3、長(zhǎng)很短，衍射球的半徑很大，在倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)O附近，衍射球面非常接近平面 。在恒定的實(shí)驗(yàn)條件下， 是一個(gè)常數(shù)，稱(chēng)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(diǎn)，G是衍射斑點(diǎn)。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(diǎn) (a)111; (b)011; (c) 001; (d) 112衍射斑點(diǎn)形成規(guī)則的二維網(wǎng)格形狀衍射花樣與二維倒易點(diǎn)陣平面上倒易陣點(diǎn)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(diǎn)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(duì)應(yīng)的倒易陣點(diǎn)在倒易空間中的分布是等幾率的，形成以倒易原點(diǎn)為中心，hkl晶面間距的倒數(shù)為半徑的倒易球面。無(wú)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(gè)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(shí)，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(diǎn)。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(diǎn)是短程有

5、序、長(zhǎng)程無(wú)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(diǎn)陣和單胞由于單個(gè)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(duì)應(yīng)這種原子近鄰距離的一或兩個(gè)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(gè)半徑恒定的，并且以倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)為中心的同心圓環(huán)。由于單個(gè)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(gè)或兩個(gè)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(gè)晶粒的選區(qū)衍射通過(guò)選區(qū)衍射電子衍射可以對(duì)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(duì)整個(gè)觀察區(qū)進(jìn)行物相分析，只能得到多晶環(huán)，無(wú)法知道每個(gè)晶體具體屬于哪種物相；通過(guò)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(diǎn)。如果在物鏡的像平面處加入一個(gè)選區(qū)光闌，只有AB范圍內(nèi)的成像電子能通過(guò)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi)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?yàn)镹都是整數(shù) ，所以立方晶體的電子衍射花樣中各個(gè)衍射環(huán)半徑的平方比值一定滿(mǎn)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(lèi)型的立方晶系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生衍射指數(shù)：簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)量了衍射環(huán)半徑，并對(duì)其平方之比進(jìn)行對(duì)照后，可以確定晶格類(lèi)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(cè)量環(huán)的半徑R 計(jì)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(lèi)型，可寫(xiě)出衍射環(huán)指數(shù) 根據(jù)L和Ri值可計(jì)算出不同晶面族的di。根據(jù)衍射環(huán)的強(qiáng)度確定三個(gè)最大強(qiáng)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(qiáng)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(gè)相臨部分的電子束強(qiáng)度差對(duì)于光學(xué)顯微鏡，襯度來(lái)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(shí)，由于試樣對(duì)電子束的作用，使得透射到熒光屏

10、上的強(qiáng)度是不均勻的，這種強(qiáng)度不均勻的電子象稱(chēng)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(qiáng)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(mǎn)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(diǎn)對(duì)入射電子作用不同，導(dǎo)致它們?cè)谠嚇映隹诒砻嫔舷辔徊灰?，?jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強(qiáng)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(shí)存在。 5

11、.2 四種襯度試樣厚度10 nm時(shí)，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(duì)電子散射能力不同，使得透射電子數(shù)目不同，而引起強(qiáng)度差異，形成襯度。對(duì)于非晶樣品，入射電子透過(guò)樣品時(shí)碰到的原子數(shù)目越多（或樣品越厚），樣品原子核庫(kù)侖電場(chǎng)越強(qiáng)（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(guò)物鏡光闌參與成像的電子強(qiáng)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(qiáng)度IA=I0晶粒B與入射束滿(mǎn)足布拉格衍射，衍射束強(qiáng)度為Ihkl，透射束強(qiáng)度IB=I0-Ihkl如果讓透射束通過(guò)物鏡光闌，擋住衍射束，A晶粒比B晶粒亮(明場(chǎng)象)。如果讓hkl衍射束通過(guò)物鏡光闌，擋住透射束，B晶粒比A晶粒亮（暗場(chǎng)像）TEM衍襯分析必須的條件必須有一個(gè)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(shí)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(chǎng)象），目前多用電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(chǎng)探測(cè)器 STEM的像來(lái)源于當(dāng)精細(xì)聚焦電子束(2 )掃描樣品時(shí)，逐一照射每個(gè)原子柱，在環(huán)形探測(cè)器上產(chǎn)生強(qiáng)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(zhǎng)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(diǎn)，稱(chēng)為勞厄斑點(diǎn)。所有的勞厄斑點(diǎn)構(gòu)成晶體的X射線衍射圖樣。可見(jiàn)勞厄斑點(diǎn)與倒易陣點(diǎn)一一對(duì)

14、應(yīng)，勞厄斑點(diǎn)的分布可以反映出倒易陣點(diǎn)的分布信息。倒易陣點(diǎn)是晶體相應(yīng)晶面的法線方向，晶格的對(duì)稱(chēng)性與倒易陣點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)性相對(duì)應(yīng)。當(dāng)X光入射方向與晶體的某對(duì)稱(chēng)軸平行時(shí)，勞厄斑點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)性即反映出晶格的對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)性。當(dāng)X光波長(zhǎng)和入射方向一定時(shí)，由球心到球面上的倒格點(diǎn)連線方向，都是X光衍射極大方向，或稱(chēng)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(diǎn)是X射線波長(zhǎng)不變，使晶體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而倒易點(diǎn)陣也轉(zhuǎn)動(dòng)。由于不變，所以只有一個(gè)反射球，且固定不動(dòng)。但樣品單晶在轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣其倒易點(diǎn)陣將相對(duì)的反射球轉(zhuǎn)動(dòng)，于是就有倒易陣點(diǎn)不斷轉(zhuǎn)到反射球上，從而發(fā)生布喇格反射。由于倒易點(diǎn)陣的周期性，這些點(diǎn)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(diǎn)當(dāng)它們轉(zhuǎn)動(dòng)到反射球上時(shí)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(diǎn)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(diǎn)都在膠片上形成幾條平行的橫線。通常通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)單晶