電子顯微鏡的顯微結構表征

1、 3.4 電子顯微鏡的顯微結構表征(bio zhn)3.4.1 對材料的形貌的表征3.4.2透射電子顯微鏡成象原理與圖象解釋3.4.3 掃描電鏡的圖象襯度原理3.4.4 對材料的結構(jigu)的表征3.4.5高分辨顯微像對材料結構的表征共一百零三頁 3.4 電子顯微鏡的顯微結構表征(bio zhn) 電子顯微鏡可以表征納米材料的形貌和微結構。普通的光學顯微鏡的放大倍數不高，僅能觀察(gunch)微米級的材料，如果要表征納米材料必須使用高放大倍數的儀器，電鏡正好滿足這一要求。共一百零三頁3.4.1 對材料(cilio)的形貌的表征1 對納米材料(n m ci lio)的表征1 納米顆粒材料圖

2、3.4.1 液相法制備ZnSe的量子點TEM照片JPCB 2004共一百零三頁圖 3.4.2 液相法制備ZnS納米球和微米球TEM照片 湖南大學學報2007共一百零三頁圖 3.4.3 水熱法ZnO納米棒TEM照片JACS2003共一百零三頁圖 3.4.4 CVD法制備ZnO納米線SEM照片CPL 2002共一百零三頁圖 3.4.5 CVD法ZnO納米絲SEM照片Journal of Crystal Growth 2003共一百零三頁圖 3.4.7 溶膠凝膠法制備Eu2O3納米管TEM照片（左）和SEM照片（右）JACS 2005共一百零三頁圖 3.4.8 溶膠凝膠法制備Eu2O3納米線陣列TE

3、M圖J SolGel Sci Technol 2008共一百零三頁圖 3.4.9 CVD法制備ZnO納米梳TEM 照片JACS2003共一百零三頁圖 3.4.10 溶解熱方法制備納米玉米棒的SEM(a)和TEM(b)照片CPL 2005共一百零三頁2 觀察(gunch)晶界和缺陷1 晶界圖 3.4.11 晶界的觀測共一百零三頁圖 3.4.12 小角度晶界的觀測共一百零三頁2 晶體(jngt)中的位錯圖 3.4.13 晶體中的位錯和位錯糾纏共一百零三頁3 晶體(jngt)中的層錯圖 3.4.14 Ti合金中的層錯共一百零三頁3 包覆(bo f)分析圖 3.4.15 Ni包裹Si3N4粉體包裹粉體

4、的斷面形貌的SEM將Ni包裹的Si3N4粉體經鑲嵌拋光后在SEM下觀察包裹粉體的斷面的形貌。圖中可以看出在Si3N4顆粒周圍包裹有一層亮亮的金屬層，結合上面的測定結果，這個金屬層是NiP合金層，NiP合金層均勻的包裹在Si3N4顆粒周圍，已經達到了良好(lingho)的包裹效果。共一百零三頁1 對納米材料(n m ci lio)的表征TEM和SEM都能對材料進行形貌表征，但是，一般說來，TEM的放大(fngd)倍數高，觀察到的細節(jié)更多一些。但是SEM的視場更大，觀察到的范圍更大一些。TEM一般是將納米材料分散到酒精中進行超聲，而SEM是將樣品粘在導電膠上，因此SEM觀察到的材料會緊密一些。在觀

5、測試樣的表面時，可以直接在SEM上觀測，不需要復型，因此制樣方便一些，而且SEM的樣品臺一次可以裝十多個樣品，效率也高一些。SEM要求材料必須有一定的導電性，如果材料本身不導電，需要對材料噴碳或噴金，保證足夠的放大率。TEM一般可以做電子衍射，用來分析材料的結構，SEM一般帶能譜分析材料的成分?，F(xiàn)在TEM也能帶附件，分析材料的成分。目前材料學院的電鏡還沒有這項功能。 共一百零三頁3.4.2透射電子顯微鏡成象原理與圖象(t xin)解釋 相顯微鏡及掃描電鏡均只能觀察物質表面的微觀形貌，它無法獲得物質內部的信息。而透射電鏡由于入射電子透射試樣后，將與試樣內部原子(yunz)發(fā)生相互作用，從而改變其

6、能量及運動方向。顯然，不同結構有不同的相互作用。這樣，就可以根據透射電子圖象所獲得的信息來了解試樣內部的結構。由于試樣結構和相互作用的復雜性，因此所獲得的圖象也很復雜。它不象表面形貌那樣直觀、易懂。共一百零三頁透射電鏡的成像機制(jzh)有兩種1.相位(xingwi)襯度2. 振幅襯度共一百零三頁1.相位(xingwi)襯度 如果透射束與衍射束可以重新組合，從而(cng r)保持它們的振幅和位相，則可直接得到產生衍射的那些晶面的晶格象，或者一個個原子的晶體結構象。相位襯度僅適于很薄的晶體試樣(100)。共一百零三頁2. 振幅(zhnf)襯度振幅(zhnf)襯度 由于入射電子通過試樣時，與試樣內

7、原子發(fā)生相互作用而發(fā)生振幅的變化，引起反差(fnch)。 振幅襯度主要有質厚襯度和衍射襯度兩種：質厚襯度 由于試樣的質量和厚度不同，各部分對入射電子發(fā)生相互作用，產生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束的強度分布不同，形成反差，稱為質-厚襯度。衍射襯度 衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射條件程度差異以及結構振幅不同而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結構物質，對于非晶體試樣是不存在的。共一百零三頁1 質厚襯度原理(yunl) 由于質厚襯度來源于入射電子與試樣物質發(fā)生相互作用而引起的吸收與散射。由于試樣很薄，吸收很少。襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚度，也可歸于厚度），當散射角大于物鏡

8、的孔徑角時,它不能參與成象而相應地變暗.這種電子越多,其象越暗.或者說,散射本領大,透射電子少的部分所形成的象要暗些,反之則亮些。 對于透射電鏡試樣,由于樣品(yngpn)較厚，則質厚襯度可近似表示為: Gt= N(022t2/A2 -011t1/A1) 其中：02，01-原子的有效散射截面，A2，A1-試樣原子量，2，1 -樣品密度t2, t1-試樣厚度，N -阿佛加德羅常數。 對于復型試樣： 02=01，A1=A2，1=2則有Gt= N(0(t2-t1) /A)= N (0t /A )共一百零三頁1 質厚襯度原理(yunl) 即復型試樣的質厚襯度主要取決于厚度,對于常數復型,則其襯度差由質

9、量與厚度差共同(gngtng)決定,故公式： Gt= N(022t2/A2-011t1/A1)稱為質量襯度表達式。散射截面的公式如下：對于彈性散射: n= ze/un=n2= (z2e2/ u2) 非彈性: e= e/ue= e2ze= ze2，0= n + ze， n / ze = z 表明原子序數越大,彈性散射的比例就越大，彈性散射是透射電子成像的基礎,而非彈性散射主要引起背底增強，圖象反差下降。共一百零三頁2 明場像與暗場(nchng)像圖3.4.16 明場像與暗場像 a 明場像 b暗場像共一百零三頁2 明場像與暗場(nchng)像 設入射電子束恰好與試樣OA晶粒的(h1k1l1)平面交

10、成精確的布拉格角，形成強烈衍射，而OB晶粒則偏離Bragg反射，結果在物鏡的背焦面上出現(xiàn)強的衍射斑 h1k1l1。若用物鏡光欄將該強斑束h1k1l1擋 住，不讓其通過，只讓透射束通過，這樣，由于(yuy)通過OA晶粒的入射電子受到h1k1l1晶面反射并受到物鏡光欄擋住，因此，在熒光屏上就成為暗區(qū)，而OB晶粒則為亮區(qū)，從而形成明暗反差。由于這種襯度是由于存在布拉格衍射造成的，因此，稱為衍射襯度。設入射電子強度為I0，(hkl)衍射強度為Ihkl，則A晶粒的強度為IA= I0-Ihkl，B晶粒的為IB= I0，其反差為IA/ IB= (I0-Ihkl)/ I0。得的圖象稱為明場像。共一百零三頁2

11、明場像與暗場(nchng)像 明場像上述采用(ciyng)物鏡光欄將衍射束擋掉，只讓透射束通過而得到圖象襯度的方法稱為明場成像，所暗場像用物鏡光欄擋住透射束及其余衍射束，而只讓一束強衍射束通過光欄參與成像的方法，稱為暗場成像，所得圖象為暗場像。共一百零三頁暗場(nchng)成像方法 暗場成像有兩種方法：偏心暗場像與中心暗場像。必須指出： 只有晶體試樣形成的衍襯像才存明場像與暗場像之分，其亮度是明暗反轉的，即在明場下是亮線，在暗場下則為暗線，其條件是，此暗線確實是所造用的操作反射斑引起的。 它不是表面形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作用后的反映。為了使衍襯像與晶體內部結構關系有機的

12、聯(lián)系起來，從而能夠根據衍襯像來分析晶體內部的結構，探測晶體內部的缺陷，必須建立一套理論(lln)，這就是衍襯運動學理論(lln)和動力學理論(lln)。共一百零三頁3 象運動理論的基本(jbn)假設 衍襯襯度與布拉格衍射有關(yugun)，衍射襯度的反差，實際上就是衍射強度的反映。因此，計算襯度實質就是計算衍射強度。它是非常復雜的。為了簡化，需做必要的假定。由于這些假設，運動學所得的結果在應用上受到一定的限制。但由于假設比較接近于實際，所建立的運動學理論基本上能夠說明衍襯像所反映的晶體內部結構實質，有很大的實用價值。共一百零三頁3 象運動理論(lln)的基本假設1.采用雙束近似處理方法，即所謂

13、的“雙光束條件”2. 入射束與衍射(ynsh)束不存在相互作用，二者之間無能量交換。3. 假設電子束在晶體試樣內多次反射與吸收可以忽略不計。4. 假設相鄰兩入射束之間沒有相互作用共一百零三頁1.采用雙束近似處理(chl)方法，即所謂的“雙光束條件”除透射束外，只有一束較強的衍射束參與成象，忽略其它衍射束，故稱雙光成象。這一強衍射束相對于入射束而言仍然是很弱的。這在入射電子束波長較弱以及晶體試樣較薄的情況(qngkung)下是合適的。因為波長短，球面半徑1/大，垂直于入射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的“倒易桿”效應，因此，試樣雖然處于任意方位，仍然可以在不嚴格滿足布拉格反射條件下與反射球

14、相交而形成衍射斑點。由于強衍射束比入射束弱得多，因此認為這一衍射束不是完全處于準確得布拉格反射位置，而存在一個偏離矢量S，S表示倒易點偏離反射球的程度，或反映偏離布拉格角2的程度。共一百零三頁2. 入射束與衍射束不存在(cnzi)相互作用，二者之間無能量交換。 入射束與衍射(ynsh)束不存在相互作用，二者之間無能量交換。共一百零三頁3. 假設電子束在晶體試樣內多次反射(fnsh)與吸收可以忽略不計。假設電子束在晶體(jngt)試樣內多次反射與吸收可以忽略不計。共一百零三頁 4. 假設(jish)相鄰兩入射束之間沒有相互作用 每一入射束范圍可以看作在一個圓柱體內，只考慮沿柱體軸向上的衍射強度的

15、變化，認為dx、dy方向(fngxing)的位移對布拉格反射不起作用，即對衍射無貢獻。這樣變三維情況為一維情況，這在晶體很薄，且布拉格反射角2很小的情況下也是符合實際的。根據布拉格反射定律，這個柱體截向直徑近似為：Dt 2，t為試樣厚度。設t=1000，10-2弧度，則D=20 ，也就是說，柱體內的電子束對范圍超過20 以外的電子不產生影響。若把整個晶體表面分成很多直徑為20 左右的截向，則形成很多很多柱體。計算每個柱體下表面的衍射強度，匯合一起就組成一幅由各柱體衍射強度組成的衍襯象，這樣處理問題的方法，稱為柱體近似。共一百零三頁5 衍射(ynsh)波強度公式圖 3.4.17 晶體衍射運動學解

16、釋共一百零三頁5 衍射波強度(qingd)公式 根據上述假設,將晶體分成許多晶粒,晶粒平行于Z方向(fngxing),每個晶粒內部含有一列單胞，每個單胞的結構振幅為F，相當于一個散射波源,各散射波源相對原點的位置矢量為： R n= x n a+ y n b+ z n ca, b , c 單胞基矢,分別平行于x,y,z軸; x n ,y n ,z n為各散射波源坐標. 對所考慮的晶格來說x n = y n=0. 各散射波的位相差=kR n.因此,P0處的合成振幅為:g=F n e-2i kR n= F n e-2i k(Znc)運動學條件s0, 所以k = g + s, s = s x a +s

17、 y b +s z c共一百零三頁5 衍射(ynsh)波強度公式因為薄品試樣只有Z分量,所以s = s z c Zn是單胞間距的整數倍, gR n=整數e 2i gR n = 1所以g=F n e-2i kR n= F n e-2i Sz ZnID = g g設ID= F2sin2(sz t)/ sin2(sz )S z 很小,上式可寫成ID= F2sin2(sz t)/ (s z )上兩式里簡化處理的運動學強度公式(gngsh)。若令入射電子波振幅0=1,則根據費涅耳衍射理論,得到衍射波振幅的微分形式:共一百零三頁5 衍射(ynsh)波強度公式 根據上述假設,將晶體分成許多晶粒,晶粒平行于Z

18、方向,每個晶粒內部含有一列單胞，每個單胞的結構振幅為F，相當于一個(y )散射波源,各散射波源相對原點的位置矢量為： R n= x n a+ y n b+ z n c a, b , c 單胞基矢,分別平行于x,y,z軸; x n ,y n ,z n為各散射波源坐標. 對所考慮的晶格來說x n = y n=0. 各散射波的位相差=kR n.共一百零三頁5 衍射波強度(qingd)公式因此,P0處的合成振幅為:g=F n e-2i kR n= F n e-2i k(Znc)運動學條件(tiojin)s0, 所以k = g + s, s = s x a +s y b +s z c因為薄品試樣只有Z分

19、量,所以s = s z c Zn是單胞間距的整數倍, gR n=整數e 2i gR n = 1所以g=F n e-2i kR n= F n e-2i Sz ZnID = g g設ID= F2sin2(sz t)/ sin2(sz )S z 很小,上式可寫成ID= F2sin2(sz t)/ (s z )上兩式里簡化處理的運動學強度公式。共一百零三頁5 衍射(ynsh)波強度公式若令入射電子波振幅0=1,則根據費涅耳衍射理論,得到衍射波振幅的微分形式:dg = iF g e-2 iszdz/ Vc cos令g = V ccos/ F g , 并稱為消光距離.將該微分式積分并乘以共軛復數,得到衍射

20、波強度公式為:ID=2sin2(s2)/ g2(s)2 V c單胞體積, : 半衍射角, Fg結構振幅,電子波長, sin2(sz)/(s)2稱為干涉函數.公式表明,Ig是厚度t與偏離矢量S的周期性函數,下面(xi mian)討論此式的物理意義.1. 等厚消光條紋，衍射強度隨樣品厚度的變化.如果晶體保持確定的位向,則衍射晶面的偏離矢量保持恒定,此時上式變?yōu)?Ig = sin2(s t)/(s g )2共一百零三頁5 衍射波強度(qingd)公式將Ig隨晶體厚度(hud)t的變化畫成如圖3.4.17所示。顯然，當S =常數時，隨著樣品厚度t的變化衍射強度將發(fā)生周期性的振蕩。振蕩的深度周期：tg

21、= 1/s 這就是說，當t=n/s (n為整數）時，Ig =0。當t=(n+1/2)/s時，Ig = Ig max=1/(sg )2Ig隨t的周期性振蕩這一運動學結果。定性地解釋了晶體樣品的鍥形邊緣處出現(xiàn)的厚度消光條紋。 圖 3.4.18 等厚消光條紋a 等厚條紋形成示意圖，b 傾斜界面示意圖，c 晶界電鏡照片abc共一百零三頁2. 等傾消光(xio un)條紋 現(xiàn)在我們討論(toln)衍射強度Ig 隨晶體位向的變化，公式可改寫成為： Ig =2 t2sin2(t s)/ g2(t s)2 當t=常數時，衍射強度I g 隨衍射晶面的偏離參量s的變化如圖 3.4.19所示。圖 3.4.19 等厚

22、消光條紋共一百零三頁2. 等傾消光(xio un)條紋 由此可見，隨著s絕對值的增大，Ig 也發(fā)生(fshng)周期性的強度振蕩，振蕩周期為： sg=1/t, 如果s=1/t、2/t,I g=0,發(fā)生消光.而s=0、3/2t、5/2t, Ig有極大值,但隨著s的絕對值的增大,極大值峰值強度迅速減小。 圖 3.4.19 等厚消光條紋共一百零三頁2. 等傾消光(xio un)條紋現(xiàn)在(xinzi)我們討論衍射強度Ig 隨晶體位向的變化，公式可改寫成為：Ig =2t2sin2(ts)/ g2(ts)2 當t=常數時，衍射強度Ig 隨衍射晶面的偏離參量s的變化如圖 3.4.20所示。圖 3.4.20

23、Ig隨衍射晶面的偏離參量s的變化共一百零三頁2. 等傾消光(xio un)條紋由此可見，隨著s絕對值的增大，Ig 也發(fā)生周期性的強度振蕩，振蕩周期為：s g=1/t, 如果s=1/t、2/t,I g=0,發(fā)生消光.而s=0、3/2t、5/2t, I g有極大值但隨著s的絕對值的增大,極大值峰值強度迅速減小.s=0, Ig max= 2 t2/ g現(xiàn)在可以定性的解釋倒易陣點在晶體尺寸最小方向上的擴展.當只考慮到衍射強度主極大值的衰減周期(-1/t1/t)時,倒易陣點的擴展范圍即2/t大致相當于強度峰值包括線的半高寬s, 與晶體的厚度成反比.這就是通常晶向發(fā)生衍射所能允許的最大偏離范圍(s0,則在

24、遠離位錯線D的區(qū)域(如A和C位置,相當于理想晶體)衍射波強度I(即暗場中的背景強度)。位錯引起它附近晶面的局部轉動,意味著在此應變場范圍內,(hkl)晶面存在著額外( wi)的附加偏差S。離位錯線愈遠, S愈小,在位錯線右側S0,在其左側SS0,使衍襯強度IBI; 而在左側,由于S0與S符號相反,總偏差S0+SS0,且在某個位置(例如D)恰巧使S0+S=0,衍射強度ID=Imax. 圖3.4.23位錯引起的襯度共一百零三頁3 位錯引起(ynq)的襯度 這樣,在偏離位錯線實際位置的左側,將產生位錯線的象(暗場中為亮線,明場相反).不難理解,如果衍射晶面的原始偏離參量S020后，其信號強度隨Z變化

25、很小。用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，并可確定元素定性、定量分析點。共一百零三頁圖3.4.24背散射電子與二次電子的信號強度與Z的關系及二次電子像共一百零三頁2 二次電子像 二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號作為調節(jié)信號得到的一種象襯度。因為二次電子信號主要來處樣品表層510nm的深度范圍，它的強度與原子序數沒有明確的關系，便對微區(qū)表面相對于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。在掃描電鏡中，二次電子檢測器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上。 凸凹不平的樣品表面所產生的二次電子，用二次電子探測器很

26、容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(xioyng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產額 K/cosK為常數，為入射電子與樣品表面法線之間的夾角， 角越大，二次電子產額越高，這表明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感。 共一百零三頁3 背散射電子(dinz)像 背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量( E0)。背射電子的產額隨樣品的原子序數增大而增加，所以背散射電子信號(xnho)的強度與樣品的化學組成有關，即與組成樣品的各元素平均原子序數有關。 背散射電子的信號強度I與原子序數Z的關系為 式中Z為原子序數

27、，C為百分含量(Wt%)。 背散射電子像的形成，就是因為樣品表面上平均原子序數Z大的部位而形成較亮的區(qū)域，產生較強的背散射電子信號；而平均原子序數較低的部位則產生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數襯度。 共一百零三頁圖3.4.25 ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均(pngjn)原子序數遠高于Al2O3相和SiO2相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來石混合區(qū)為莫來石斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來石。共一百零三頁3.4.4 對材料的結構(jigu)的表征1 電子衍射 電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射

28、線完全相同,都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關系. 衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出.因此,許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理.即 電子衍射與X射線衍射相比，優(yōu)點有：電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結構分析結合起來；電子波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影(tuyng)，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結構和有關取向關系，使晶體結構的研究比X射線簡單；物質對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。共一百零三頁圖 3.4.26 單晶衍射斑的形成1 電子衍射共一百零三頁1 電子衍射 與X射線衍射相

29、比不足之處是電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強度分析變得復雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結構。此外，散射強度高導致電子透射能力(nngl)有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復雜；在精度方面也遠比X射線低。 物鏡后焦面上形成一幅斑點花樣經物鏡下面的各透鏡再次放大后投射到觀察屏上，形成我們觀察到的衍射花樣。 設樣品到底片的距離為L，觀察屏上衍射斑距透射斑的距離為R，衍射角為，則： 由于很小，tan2 2 2sin 根據布拉格公式 2dsin=, sin = /2d R/L = tan2 2sin =2/2d/d R=L/dK/

30、d 稱K=L為相機常數 寫成矢量形式為R=Lg/2Kg/2 共一百零三頁1 電子衍射 可以看成電子衍射是晶體中的晶面的倒格子在底片上的投影。而相機常數通?？梢岳媒鹉ぱ苌浠踊蛘呃靡阎w結構單晶體的衍射花樣測定。 獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微束選區(qū)衍射，前者多在5平方微米以上(yshng)，后者可在0.5平方微米以下，我們這里主要講述前者。光闌選區(qū)衍射是是通過物鏡象平面上插入選區(qū)光闌限制參加成象和衍射的區(qū)域來實現(xiàn)的。另外，電鏡的一個特點就是能夠做到選區(qū)衍射和選區(qū)成象的一致性。 共一百零三頁圖 3.4.27 選區(qū)成像與選取衍射共一百零三頁1 電子衍射 為了盡可能減小選區(qū)誤差，應遵循如

31、下操作步驟：1. 插入選區(qū)光欄，套住欲分析的物相，調整中間(zhngjin)鏡電流使選區(qū)光欄邊緣清晰，此時選區(qū)光欄平面與中間(zhngjin)鏡物平面生重合；2. 調整物鏡電流，使選區(qū)內物象清晰，此時樣品的一次象正好落在選區(qū)光欄平面上，即物鏡象平面，中間鏡物面，光欄面三面重合3. 抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡背焦面，熒光屏上可觀察到放大的電子衍射花樣 4. 用中間鏡旋鈕調節(jié)中間鏡電流，使中心斑最小最園，其余斑點明銳，此時中間鏡物面與物鏡背焦面相重合。 5. 減弱第二聚光鏡電流，使投影到樣品上 的入射束散焦（近似平行束），攝照（30s左右）共一百零三頁2常見(chn ji

32、n)的幾種電子衍射譜 電子衍射譜分為(fn wi)單晶電子衍射譜，多晶電子衍射譜和復雜電子衍射譜。圖 3.4.28 幾種電子衍射譜a 單晶電子衍射譜 b 多晶電子衍射譜 c 復雜電子衍射譜 d復雜電子衍射譜abcd共一百零三頁2常見(chn jin)的幾種電子衍射譜 單晶電子衍射(ynsh)譜為點，多晶電子衍射(ynsh)譜為環(huán)，復雜的電子衍射(ynsh)譜為復雜的斑點。非晶體的電子衍射(ynsh)點（或環(huán)）一般很弱，在電子衍射(ynsh)圖上并不明顯。雖然單晶的電子衍射(ynsh)是斑點，但是并不是所有的的電子衍射(ynsh)斑點照片都代表樣品是單晶，因為衍射(ynsh)僅僅是一個小范圍內給

33、出的結果。共一百零三頁3 電子衍射花樣(huyng)的標定花樣分析分為兩類： 一是結構已知，確定晶體缺陷及有關數據或相關過程中的取向關系； 二是結構未知，利用它鑒定物相。指數(zhsh)標定是基礎。共一百零三頁1 多晶體電子衍射花樣(huyng)的標定（1） 花樣 與X射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由一系列不同半徑(bnjng)的同心園環(huán)組成，是由輻照區(qū)內大量取向雜亂無章的細小晶體顆粒產生，d值相同的同一(hkl)晶面族所產生的衍射束，構成以入射束為軸，2為半頂角的園錐面，它與照相底板的交線即為半徑(bnjng)為R=L /dK/d的園環(huán)。 R和1/d存在簡單的正比關系 對立方晶系： 1/

34、d2=（h2+k2+l2）/a2N/a2 通過R2比值確定環(huán)指數和點陣類型。共一百零三頁（2）分析方法晶體結構已知：測R、算R2、分析R2比值的遞增規(guī)律、定N、求(hkl)和a。如已知K,也可由d=K/R求d對照XRD卡片求(hkl)。晶體結構未知：測R、算R2、Ri2R12，找出最接近的整數比規(guī)律、根據消光規(guī)律確定(qudng)晶體結構類型、寫出衍射環(huán)指數(hkl)，算a。如已知K, 也可由d=K/R求d對照XRD卡片求(hkl)和a,確定(qudng)樣品物相。共一百零三頁（3）主要用途已知晶體結構，標定相機常數，一般用Au, FCC, a=0.407nm，也可用內標。物相鑒定：大量彌散的

35、萃取(cuq)復型粒子或其它粉末粒子共一百零三頁1 多晶體電子衍射花樣(huyng)的標定例：圖3.4.19是在150kv加速電壓下拍得金環(huán)，從里向外測環(huán)直徑得2R1=17.6mm，2R2=20.5mm，2R3=28.5mm， 已知金是面心立方結構，點陣(din zhn)常數a=0.402nm，（1）對這三個環(huán)進行標定。（2）求電鏡常數圖 3.3.29 金得電子衍射譜共一百零三頁1 多晶體電子衍射花樣(huyng)的標定解：（1） 由2R1=17.6mm，2R2=20.5mm，2R3=28.5mm，可得：R1=8.8mm， R2=10.3mm， R3=14.3mm，利用公式電子衍射公式：R=L

36、/dK/d，注意(zh y)到立方晶體有1/d2=（h2+k2+l2）/a2N/a2， 可得：R=那么有： R1：R2：R3：= ： ： ：=8.8：10.3：14.3：= ： ： ：有 N1=3, N2=4, N3=8即所求個衍射環(huán)為111，200，220，然后標在各衍射環(huán)上R= 共一百零三頁1 多晶體電子衍射花樣(huyng)的標定d111= = =0.235nm, d200= = =0.204nm,d220= = =0.144nm, 共一百零三頁1 多晶體電子衍射花樣(huyng)的標定（2）因此(ync)電鏡常數: (L)1=Rd111=8.8*0.235=2.07mm*nm (L)2

37、=Rd200=10.3*0.202=2.10mm*nm (L)3=Rd220=14.3*0.144=2.06mm*nm取平均值：L=2.06 mm*nm共一百零三頁2 單晶體電子衍射花樣(huyng)的標定 微區(qū)晶體分析往往是單晶或為數不多的幾個單晶復合衍射(ynsh)花樣。（1）花樣特征 規(guī)則排列的衍射斑點。它是過倒易點陣原點的一個二維倒易面的放大像。 RKg 大量強度不等的衍射斑點。有些并不精確落在Ewald球面上仍能發(fā)生衍射，只是斑點強度較弱。倒易桿存在一個強度分布。（2）花樣分析 在于確定花樣中斑點的指數及其晶帶軸方向u v w，并確定樣品的點陣類型和位向。 主要有(嘗試校核法)、標準

38、衍射圖法 選擇靠近中心透射斑且不在一條直線上的斑點，測量它們的R，利用R2比值的遞增規(guī)律確定點陣類型和這幾個斑點所屬的晶面族指數(hkl)等。共一百零三頁嘗試(chngsh)校核法 根據Ri/R1比值查表或者根據Ri算出的d值查XRD卡片, 再利用Ri之間的夾角(ji jio)來校驗。任取(h1k1l1)，而第二個斑點的指數(h2k2l2),應根據R1與R2之間的夾角的測量值是否與該兩組晶面的夾角相苻來確定。 夾角公式為： 再根據矢量加和公式，求出全部的斑點指數。R3R1R2， 與只相對的斑點R3R3 任取不在一條直線上的兩斑點確定晶帶軸指數B = RB RA 共一百零三頁嘗試(chngsh)

39、校核法 例：圖3.4.20是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，中心附近A、B、C、D四斑點，測得RA7.1mm，RB10.0mm，RC12.3mm，RD21.5mm，同時用量角器測得R之間的夾角分別為:(RA, RB)90o, (RA, RC)55o, (RA, RD)71o,對衍射斑點進行(jnxng)標定。圖 3.3.30 低碳合金鋼基體的電子衍射花樣底版負片描制圖共一百零三頁嘗試(chngsh)校核法解：求得R2比值為2：4：6：18，RB/RA=1.408, RC/RA=1.732, RB/RA=3.028,表明樣品該區(qū)為體心立方點陣, A斑N為2，110,假定A為(10)。

40、B斑點(bndin)N為4，表明屬于200晶面族，初選（200），代入晶面夾角公式得夾角為45o（實際為90o），不符，發(fā)現(xiàn)（002）與之相符，所以B為（002）RC= RARB，C為（1 1），N6與實測R2比值的N一致，查表或計算夾角為54.74o,與實測的55o相符，RE2RB, E為（004）RDRARE（14），共一百零三頁嘗試(chngsh)校核法 查表或計算（10）與（14）的夾角為70.53o,依此類推可標定其余(qy)點。已知K14.1mmA,用公式 d=K/R,得 dA=1.986 , dB=1.410 , dC=1.146 , dD=0.656 , 查PDF卡發(fā)現(xiàn)與-Fe

41、的標準d值相符，由此確定樣品上該微區(qū)為鐵素體。選取R1=RB=(002), R2=RA=(10),求得晶帶軸指數B = RB RA= 110共一百零三頁嘗試(chngsh)校核法 雖然上述例子能給出物象，但是物象的分析不是十分容易，一般要綜合XRD和高分辨透射顯微鏡的數據才能(cinng)得出結論。就電子衍射而言，一般要有幾套斑點才能(cinng)分析未知物相：衍射花樣為平行四邊形，七個晶系均可，衍射花樣正方形，可能為四方或立方 衍射花樣六角形，可能晶系為六方，三角、立方如果上述三個花樣均由同一試樣同一部位產生，則 此晶體只能屬于立方晶系共一百零三頁3 單晶花樣(huyng)的不唯一性 在對電

42、子衍射花樣進行標定時，同一衍射花樣有不同的指數化結果，這主要是由于頭兩個斑點的任意性，同時由于二次對稱性和偶合不唯一性。偶合不唯一性常出現(xiàn)于立方晶系的中高指數，如(352)和(611)，(355)和(173)等。單晶花樣的不唯一性影響物相分析、取向(q xin)關系的決定以及缺陷矢量的分析。消除辦法是轉動晶體法，讓斑點自洽。同時可以借助復雜電子衍射花樣分析，如雙晶帶衍射花樣、高階勞厄帶花樣分析，使衍射花樣唯一。共一百零三頁4 復雜(fz)衍射花樣1 雙晶帶引起的斑點花樣 雙晶帶引起的斑點花樣產生的原因是Ewald球是一個有一定曲率的球面，可能使兩個晶帶軸指數相差不大的晶帶的0層倒易面同時與球面相截，產生分屬于兩個晶帶的兩套衍射斑點。產生些情況必須具備的條件為：r1,r2夾角很?。籫1.r2 0, g2.r10 雙晶帶引起的斑點花樣如圖3.4.21所示，圖樣的特點是在中心斑點的兩側(lin c)，一邊產生一套衍射斑。 標定方法與簡單花樣的標定相同，驗證標定結果采用上述必備條件。 共一百零三頁圖3.4