晶體薄膜衍襯成象分析課件

第十章

晶體薄膜衍襯成像分析

2/6/20231概述薄膜樣品的制備衍襯成像原理相位襯度簡(jiǎn)介2/6/20232HNU-ZLP概述由與樣品內(nèi)結(jié)晶學(xué)性質(zhì)有關(guān)的電子衍射特征所決定的襯度，稱(chēng)為衍射襯度適用于薄晶樣品的圖象分析，主要用于晶體缺陷的分析2/6/20233HNU-ZLP1.粉末樣品制備隨著材料科學(xué)的發(fā)展，超細(xì)粉體及納米材料發(fā)展很快，而粉末的顆粒尺寸大小、尺寸分布及形態(tài)對(duì)最終制成材料的性能有顯著影響，因此，如何用透射電鏡來(lái)觀察超細(xì)粉末的尺寸和形態(tài)便成了電子顯微分析的一的一項(xiàng)重要內(nèi)容。其關(guān)鍵工作是是粉末樣品的制備，樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開(kāi)來(lái)，各自獨(dú)立而不團(tuán)聚。2/6/20235HNU-ZLP粉末樣品制備需透射電鏡分析的粉末顆粒一般都小于銅網(wǎng)小孔，應(yīng)此要先制備對(duì)電子束透明的支持膜。常用支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。粉末或顆粒樣品制備的關(guān)鍵取決于能否使其均勻分散到支持膜上。

2/6/20236HNU-ZLP

通常用超聲波攪拌器，把要觀察的粉末或顆粒樣品加水或溶劑攪拌為懸浮液，然后用滴管把懸浮液滴在粘附有支持膜的樣品銅網(wǎng)上，靜置干燥后即可供觀察，為了防止粉末被電子束打落污染鏡筒，可在粉末上再?lài)娨粚颖∧ぬ?，使粉體夾在兩層膜中間。2/6/20237HNU-ZLP近年來(lái)掃描電鏡顯微鏡分析技術(shù)和金屬薄膜技術(shù)發(fā)展很快，復(fù)型技術(shù)幾乎為上述兩種分析方法所代替。但是，用復(fù)型觀察斷口比掃描電鏡的斷口清晰以及復(fù)型金相組織和光學(xué)金相組織之間的相似，致使復(fù)型電鏡分析技術(shù)至今為人們所采用。2/6/20239HNU-ZLP制備復(fù)型的材料應(yīng)具備以下條件材料本身必須是非晶態(tài)材料，晶體在電子束照射下，某些晶面將發(fā)生布拉格衍射，衍射產(chǎn)生的襯度會(huì)干擾復(fù)型表面形貌的分析。復(fù)型材料的粒子尺寸必須很小，復(fù)型材料的粒子尺寸越小，分辨率就越高。復(fù)型材料應(yīng)具備耐電子轟擊的性能，即在電子束照射下，能保持穩(wěn)定，不發(fā)生分解和破壞。真空蒸發(fā)形成的碳膜通過(guò)澆鑄蒸發(fā)形成的塑料膜2/6/202310HNU-ZLP一級(jí)復(fù)型法

在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴上幾滴體積濃度為1%的火棉膠醋酸戍酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平，多余的溶液用濾紙吸掉，待溶劑蒸發(fā)后樣品表面即留下一層100nm左右的塑料薄膜。把這層塑料薄膜小心地從樣品表面揭下來(lái)就是塑料一級(jí)復(fù)型樣品.

但塑料一級(jí)復(fù)型因其塑料分子較大，分辨率較低；塑料一級(jí)復(fù)型在電子束照射下易發(fā)生分解和破裂。2/6/202311HNU-ZLP2/6/202313HNU-ZLP二級(jí)復(fù)型法二級(jí)復(fù)型是目前應(yīng)用最廣的一種復(fù)型方法。它是先制成中間復(fù)型（一次復(fù)型），然后在中間復(fù)型上進(jìn)行第二次碳復(fù)型，再把中間復(fù)型溶去，最后得到的是第二次復(fù)型。塑料—碳二級(jí)復(fù)型可以將兩種一級(jí)復(fù)型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，克服各自的缺點(diǎn)。制備復(fù)型時(shí)不破壞樣品的原始表面；最終復(fù)型是帶有重金屬投影的碳膜，其穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性都很好，在電子束照射下不易發(fā)生分解和破裂；但分辨率和塑料一級(jí)復(fù)型相當(dāng)。

2/6/202314HNU-ZLP二級(jí)復(fù)型法右圖為二級(jí)復(fù)型制備過(guò)程示意圖。圖(A)為塑料中間復(fù)型，圖(b)為在揭下的中間復(fù)型上進(jìn)行碳復(fù)型。為了增加襯度可在傾斜15-45°的方向上噴鍍一層重金屬，如Cr、Au等（稱(chēng)為投影）。一般情況下，是在一次復(fù)型上先投影重金屬再?lài)婂兲寄?，但有時(shí)也可噴投次序相反，圖(c)表是溶去中間復(fù)型后的最終復(fù)型。

2/6/202315HNU-ZLP二級(jí)復(fù)型照片2/6/202317HNU-ZLP萃取復(fù)型

在需要對(duì)第二相粒子形狀、大小和分布進(jìn)行分析的同時(shí)對(duì)第二相粒子進(jìn)行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析時(shí)。常采用萃取復(fù)型的方法。這種復(fù)型的方法和碳一級(jí)復(fù)型類(lèi)似，只是金相樣品在腐蝕時(shí)應(yīng)進(jìn)行深腐蝕，使第二相粒子容易從基體上剝離。此外，進(jìn)行噴鍍碳膜時(shí)，厚度應(yīng)稍厚，以便把第二相粒子包絡(luò)起來(lái)。

2/6/202318HNU-ZLP質(zhì)厚襯度原理

質(zhì)厚襯度成像原理：是建立在非晶體樣品中原子對(duì)入射電子的散射和透射電鏡小孔徑角成像基礎(chǔ)上的；它是解釋非晶態(tài)樣品(如復(fù)型)電子顯微圖像襯度的理論依據(jù)。原子對(duì)電子的散射

小孔徑角成像

52/6/202319HNU-ZLP一、單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射（2）1.彈性散射:

入射電子與原子核相互作用。

散射電子運(yùn)動(dòng)方向與原來(lái)入射方向之間的夾角叫做散射角，用α來(lái)表示，如圖所示。散射角α的大?。?/p>

取決于瞄準(zhǔn)距離

，原子核電荷Ze和入射電子加速電壓U，其關(guān)系為：

或（9-1）

式中：Z－原子序數(shù)。電子受原子核彈性散射

72/6/202321HNU-ZLP一、單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射（3）可見(jiàn)：所有以原子核為中心，為半徑的圓內(nèi)的入射電子將被散射到大于α的角度以外的方向上去。可用來(lái)衡量一個(gè)孤立的原子核把入射電子散射到比α角度大的方向上去的能力，習(xí)慣上叫做彈性散射截面，用σn來(lái)表示，即電子受原子核彈性散射82/6/202322HNU-ZLP一、單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射（4）2.非彈性散射：入射電子與核外電子相互作用。

非彈性散射的散射角α可由下式來(lái)定

或（9-2）

式中：

—入射電子對(duì)核外電子的瞄準(zhǔn)距離；e—電子電荷。

電子被核外電子非彈性散射

92/6/202323HNU-ZLP一、單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射（6）3.一個(gè)孤立原子對(duì)入射電子的散射：一個(gè)原子序數(shù)為Z的原子有Z個(gè)核外電子，因此，

一個(gè)孤立原子把電子散射到α以外的散射截面，用σ0來(lái)表示，等于原子核彈性散射截面σn

和所有核外電子非彈性散射截面Zσe

之和，即原子序數(shù)Z越大，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大（平方關(guān)系）。彈性散射：是透射電鏡成像的基礎(chǔ)；非彈性散射：引起的色差將使背景強(qiáng)度增高，圖像襯度降低。112/6/202325HNU-ZLP二、透射電鏡小孔徑角成像（1）

為了確保透射電子顯微鏡的高分辨本領(lǐng)，采用小孔徑角成像。小孔徑角成像：是通過(guò)在物鏡背焦面上沿徑向插入一個(gè)小孔徑的物鏡光闌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。這樣可把散射角大于α的電子擋掉，只允許散射角小于α的電子通過(guò)物鏡光闌參與成像，增加了圖像的襯度。

小孔徑角成像122/6/202326HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（1）

1.襯度：是指在熒光屏或照相底片上，眼睛能觀察到的光強(qiáng)度或感光度的差別。2.電子顯微鏡圖像的襯度：取決于投射到熒光屏或照相底片上不同區(qū)域的電子強(qiáng)度差別。3.非晶體樣品的質(zhì)厚襯度成像原理：入射電子透過(guò)樣品時(shí)，若樣品越厚→碰到的原子數(shù)目越多；或樣品原子序數(shù)Z越大或密度越大→樣品原子核庫(kù)侖電場(chǎng)越強(qiáng)，則散射角α越大→被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而參與成像的電子強(qiáng)度也就越低，從而在熒光屏顯示出不同的襯度，這就是質(zhì)厚襯度成像原理

。132/6/202327HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（3）如果入射到1cm2樣品表面積的電子數(shù)為n，當(dāng)其穿透dt厚度樣品后有dn個(gè)電子被散射到光闌外，即其減小率為dn／n，因此有(9-4)若入射電子總數(shù)為no(t=0)，由于受到t厚度的樣品散射作用，最后只有n個(gè)電子通過(guò)物鏡光闌參與成像。將上式積分得到(9-5)由于電子束強(qiáng)度I=ne(e為電子電荷)。152/6/202329HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（4）則電子束強(qiáng)度：

(9-6)上式表明：強(qiáng)度為I0的入射電子穿透總散射截面為Q，厚度為t的樣品后，通過(guò)物鏡光闌參與成像的電子束強(qiáng)度I隨Qt乘積增大而呈指數(shù)衰減。當(dāng)

Qt=1

時(shí)，tc叫臨界厚度，即電子在樣品中受到單次散射的平均自由程。因此，可認(rèn)為，t≤tc

的樣品對(duì)電子束是透明的。則(9-8)162/6/202330HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（5）因?yàn)椋汗嗜舳xρt為質(zhì)量厚度，那么參與成像的電子束強(qiáng)度I隨樣品質(zhì)量厚度ρt增大而衰減。即當(dāng)

Qt=1

時(shí)，

稱(chēng)(ρt)c為臨界質(zhì)量厚度，隨加速電壓U的↑→臨界質(zhì)量厚度(ρt)c

↑。172/6/202331HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（6）5.質(zhì)厚襯度表達(dá)式：設(shè)通過(guò)樣品上A、B區(qū)投射到熒光屏或照相底片上相應(yīng)的電子強(qiáng)度分別為IA、IB。

則：其電子強(qiáng)度差ΔIA=IB－IA習(xí)慣上以ΔIA／IB來(lái)定義圖像中

A區(qū)域的襯度(或反差)。

(IB為像背景強(qiáng)度)

因此：

質(zhì)厚襯度原理a)未經(jīng)投影的復(fù)型(b)經(jīng)投影的復(fù)型抽取復(fù)型182/6/202332HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（7）因?yàn)?、代入下式則說(shuō)明：不同區(qū)域的Qt值差別越大，復(fù)型的圖像襯度越高。圖9-3質(zhì)厚襯度原理192/6/202333HNU-ZLP三、質(zhì)厚襯度成像原理（8）1.若復(fù)型是同種材料制成的，則QA=QB=Q，如圖(a)。此時(shí)復(fù)型圖像襯度為：說(shuō)明：復(fù)型的材料的總散射截面Q值越大或復(fù)型相鄰區(qū)域厚度t差別越大，復(fù)型圖像襯度越高。

2.若復(fù)型是由兩種材料組成的，如圖(b)，設(shè)凸起部分總散射截面為QA，此時(shí)復(fù)型圖像襯度為：202/6/202334HNU-ZLP3.薄膜樣品的制備薄膜樣品的制備必須滿(mǎn)足以下要求：1.薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過(guò)程中，這些組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。2.薄膜樣品厚度必須足夠薄，只有能被電子束透過(guò)，才有可能進(jìn)行觀察和分析。3.薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在制備，夾持和操作過(guò)程中，在一定的機(jī)械力作用下不會(huì)引起變形或損壞。4.在樣品制備過(guò)程中不容許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。氧化和腐蝕會(huì)使樣品的透明度下降，并造成多種假象。2/6/202335HNU-ZLP大塊材料上制備薄膜樣品大致為三個(gè)步驟：第一步是從大塊試樣上切割厚度為0.3—0.5mm厚的薄片。電火花線切割法是目前用得最廣泛的方法，見(jiàn)圖。電火花切割可切下厚度小于0.5mm的薄片,切割時(shí)損傷層比較淺,可以通過(guò)后續(xù)的磨制或減薄除去.電火花切割只能用導(dǎo)電樣品.對(duì)于陶瓷等不導(dǎo)電樣品可用金剛石刃內(nèi)圓切割機(jī)切片.2/6/202336HNU-ZLP第二步驟是樣品的預(yù)先減薄機(jī)械法化學(xué)法通過(guò)手工研磨來(lái)完成的，把切割好的薄片一面用黏結(jié)劑粘接在樣品座表面，然后在水砂紙上進(jìn)行研磨減薄。如果材料較硬，可減薄至70μm左右；若材料較軟，則減薄的最終厚度不能小于100μm。把切割好的金屬薄片放入配好的試劑中，使它表面受腐蝕而繼續(xù)減薄。優(yōu)點(diǎn)是表面沒(méi)有機(jī)械硬化層，薄化后樣品的厚度可以控制在20-50μm。但是，化學(xué)減薄時(shí)必須先把薄片表面充分清洗，去除油污或其他不潔物。2/6/202337HNU-ZLP第三步驟是最終減薄最終減薄方法有兩種即雙噴減薄和離子減薄。用這樣的方法制成的薄膜樣品，中心空附近有一個(gè)相當(dāng)大的薄區(qū)，可以被電子束穿透，直徑3mm圓片周邊好似一個(gè)厚度較大的剛性支架，因?yàn)橥干潆娮语@微鏡樣品座的直徑也是3mm，因此，用雙噴拋光裝置制備好的樣品可以直接裝入電鏡，進(jìn)行分析觀察。常用雙噴減薄液見(jiàn)表7-1。效率最高和最簡(jiǎn)便的方法是雙噴減薄拋光法；下圖為一臺(tái)雙噴式電解拋光裝置的示意圖。2/6/202338HNU-ZLP離子減薄離子減薄是物理方法減薄，它采用離子束將試樣表層材料層層剝?nèi)ィ罱K使試樣減薄到電子束可以通過(guò)的厚度。圖7-7是離子減薄裝置示意圖。試樣放置于高真空樣品室中，離子束（通常是高純氬）從兩側(cè)在3-5KV加速電壓加速下轟擊試樣表面，樣品表面相對(duì)離子束成0-30o角的夾角。離子減薄方法可以適用于礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金等電解拋光所不能減薄的場(chǎng)合。離子減薄的效率較低，一般情況下4μm/小時(shí)左右。但是離子減薄的質(zhì)量高薄區(qū)大。2/6/202339HNU-ZLP雙噴減薄和離子減薄的比較

適用的樣品效率薄區(qū)大小操作難度儀器價(jià)格雙噴減薄 金屬與部分合金 高 小 容易 便宜離子減薄 礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金 低 大 復(fù)雜 昂貴2/6/202340HNU-ZLP超薄切片機(jī)2/6/202341HNU-ZLP真空鍍膜機(jī)2/6/202342HNU-ZLP離子鍍膜機(jī)2/6/202343HNU-ZLP薄膜樣品的制備2/6/202344HNU-ZLP透射電鏡對(duì)樣品的要求試樣最大尺寸，直徑不超過(guò)3mm；樣品厚度足夠薄，使電子束可以通過(guò)，一般厚度為100－200nm；樣品不含水、易揮發(fā)性物質(zhì)及酸堿等腐蝕性物質(zhì)；樣品具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；清潔無(wú)污染2/6/202345HNU-ZLP制樣技術(shù)—薄膜生物樣品、高分子材料—超薄切片金屬樣品：電火花切割——預(yù)減薄——電解雙噴減薄陶瓷樣品：金剛石刃內(nèi)圓切割機(jī)切片——預(yù)減薄——離子減薄2/6/202346HNU-ZLP衍襯成象原理成象原理三個(gè)參數(shù)2/6/202347HNU-ZLP衍射襯度成像非晶態(tài)復(fù)型樣品：依據(jù)“質(zhì)量厚度襯度”的原理成像。即利用非晶態(tài)復(fù)型膜上不同區(qū)域厚度或平均原子的差別，使進(jìn)入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子強(qiáng)度的不同，從而產(chǎn)生了圖像的反差。晶體薄膜樣品：其厚度t大致均勻，且平均原子序數(shù)Z也無(wú)差別（即使多相材料差別也不太大），薄膜上不同部位對(duì)電子的散射或吸收作用大致相同，故不能利用“質(zhì)厚襯度”來(lái)獲得滿(mǎn)意的圖像反差。更重要的是，若讓散射電子與透射電子在像平面上復(fù)合成像的亮點(diǎn)，則圖像除能顯示樣品形貌特征外，所有其他的如晶體學(xué)的信息將完全丟失。為此，須尋找新的成像方法，即“衍射襯度成像”，簡(jiǎn)稱(chēng)“衍襯成像”。

202/6/202348HNU-ZLP衍射襯度成像原理“衍射襯度成像”原理：“衍射襯度成像”主要取決于入射束與試樣內(nèi)各晶面相對(duì)位向不同所導(dǎo)致的衍射強(qiáng)度差異。當(dāng)電子束穿過(guò)金屬薄膜時(shí)，

嚴(yán)格滿(mǎn)足布拉格條件的晶面，產(chǎn)生強(qiáng)衍射束，

不嚴(yán)格滿(mǎn)足布拉格條件的晶面，產(chǎn)生弱衍射束，

不滿(mǎn)足布拉格條件的晶面，不產(chǎn)生衍射束。當(dāng)電壓一定時(shí)，入射束強(qiáng)度一定為I0，衍射束強(qiáng)度為Ihkl，則透射束強(qiáng)度為（I0-Ihkl）（吸收不計(jì)）。若只讓透射束通過(guò)物鏡光闌成像，那就會(huì)因試樣各晶面產(chǎn)生衍射與否、衍射強(qiáng)弱、使透射束強(qiáng)度不一，而在熒光屏上形成襯度。212/6/202349HNU-ZLP以單相的多晶體薄膜樣品為例說(shuō)明。設(shè)：薄膜內(nèi)兩晶粒A和B，其唯一差別在于晶體學(xué)位向不同。在入射束照射下，B晶粒的某(hkl)晶面組恰好與入射束滿(mǎn)足精確的布拉格角θB，產(chǎn)生強(qiáng)烈衍射；

而其余晶面均與衍射束存在較大的偏差，不產(chǎn)生衍射。即：B晶粒的位向滿(mǎn)足：“雙光束條件”。衍襯成像原理

衍射束透射束A區(qū)域B區(qū)域222/6/202350HNU-ZLP則：在B晶粒的選區(qū)衍射花樣中，hkl斑點(diǎn)特別亮，也即其(hkl)晶面的衍射束最強(qiáng)。若樣品足夠薄，入射電子受到的吸收效應(yīng)可不計(jì)，且在“雙光束條件”下忽略其它較弱的衍射束。則入射電子束I0

在B晶粒區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)散射之后，將成為

衍射束I

hkl

和透射束(I0－Ihkl)兩部分。即衍襯成像原理－明場(chǎng)像透射束衍射束232/6/202351HNU-ZLP同時(shí)，A晶粒所有晶面組與B晶粒位向不同，均與布拉格條件存在較大的偏差。即:在A晶粒的選區(qū)衍射花樣中將不出現(xiàn)任何強(qiáng)衍射斑點(diǎn)，而只有中心透射斑點(diǎn)，或者說(shuō)其所有衍射束的強(qiáng)度均為零。于是，A晶粒區(qū)域的透射束強(qiáng)度仍近似等于入射束強(qiáng)度I0。

衍襯成像原理－明場(chǎng)像

衍射束透射束242/6/202352HNU-ZLP在電鏡(TEM)中衍射花樣出現(xiàn)在物鏡的背焦面上，加進(jìn)一個(gè)尺寸足夠小的物鏡光闌。物鏡光闌作用：把B晶粒的hkl衍射束擋掉，而只讓透射束通過(guò)光闌孔成像，即成一幅放大像。則

B晶粒較暗、A晶粒較亮。

B晶粒的像襯度為：衍襯成像原理－明場(chǎng)像

衍射束透射束252/6/202353HNU-ZLP衍射襯度：由于樣品中不同位向的晶體的衍射條件〔位向〕不同而造成的襯度差別叫“衍射襯度”。1.明場(chǎng)(BF)成像：把這種讓透射束通過(guò)物鏡光闌而把衍射束擋掉得到圖像襯度的方法，叫做明場(chǎng)(BF)成像。所得到的像叫明場(chǎng)像。

衍襯成像原理－明場(chǎng)像透射束衍射束262/6/202354HNU-ZLP正方Zr02多晶的明場(chǎng)像

272/6/202355HNU-ZLP2.暗場(chǎng)(DF)像：移動(dòng)物鏡光闌的位置一下，使光闌孔套住hkl斑點(diǎn)，只讓衍射束(Ihkl)通過(guò)參與成像，而把透射束擋掉而成的衍襯圖像，即為暗場(chǎng)(DF)像。則有：但是，此時(shí)成像由于是離軸光線，所得圖像質(zhì)量不高，有較嚴(yán)重的像差。故常以另一方式產(chǎn)生暗場(chǎng)像－－中心暗場(chǎng)(CDF)成像法。

衍射束透射束282/6/202356HNU-ZLP3.中心暗場(chǎng)(CDF)成像方法：把入射束傾斜2θ角度，使B晶粒的(hkl)晶面組處于強(qiáng)烈衍射的位向，而物鏡光闌仍在光軸位置。則僅B晶粒的(hkl)衍射束通過(guò)光闌孔，而透射束被擋掉。B晶粒的像亮度為IB≈Ihkl；

A晶粒在該方向的散射度極小，像亮度IA≈0；圖像襯度恰好與明場(chǎng)像相反，

B晶粒－－較亮，A晶粒－－很暗。透射束衍射束衍射束292/6/202357HNU-ZLP上述說(shuō)明：1.在晶體衍襯成像中，起決定作用的是晶體對(duì)電子的衍射，即某一最符合布拉格條件的(hkl)晶面組強(qiáng)衍射束起著關(guān)鍵的作用，它決定了圖像的襯度。2.在暗場(chǎng)條件下，像點(diǎn)的亮度直接等于樣品上相應(yīng)物點(diǎn)在光闌孔所選定的那個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度。3.暗場(chǎng)像的襯度是與明場(chǎng)像互補(bǔ)的，且暗場(chǎng)像的襯度將明顯地高于明場(chǎng)像。在金屬薄膜的透射電鏡分析中，暗場(chǎng)成像是一種十分有用的技術(shù)。4.衍襯圖像完全是由衍射強(qiáng)度的差別所產(chǎn)生的，故這種圖像必將是樣品內(nèi)不同部位晶體學(xué)特征的直接的反應(yīng)。302/6/202358HNU-ZLP不難看出，欲使薄晶樣品通過(guò)衍射襯度成像，電鏡須具備的基本操作條件：1.

須有一個(gè)孔徑足夠小的物鏡光闌（20～30μm）。2.樣品臺(tái)須在適當(dāng)?shù)慕嵌确秶扇我鈨A斜，以便利用晶體位向的變化選擇適于成像的入射條件（雙光束條件下可獲較好的襯度）。3.電鏡應(yīng)有較方便的選區(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(透射束)。4.必須有可傾斜的照明系統(tǒng)，目前大都采用電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。312/6/202359HNU-ZLP

消光距離

322/6/202360X射線衍射：是由原子的核外電子（內(nèi)層電子）對(duì)X射線的彈性相干散射的結(jié)果。因散射強(qiáng)度與引起散射的粒子質(zhì)量m平方成反比，原子核的質(zhì)量是電子的1800多倍，故引起的散射極弱。電子衍射：主要是由晶體內(nèi)規(guī)則排列的原子（原子核）對(duì)入射電子波的彈性相干散射的結(jié)果。因此原子對(duì)電子的散射作用很強(qiáng)，遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)X射線的散射（約為104倍）。故電子的穿透深度比X射線小得多。對(duì)晶體材料，因電子散射強(qiáng)度大，由同相位的散射波干涉產(chǎn)生的衍射波強(qiáng)度也很強(qiáng)，可與透射束相當(dāng)。故應(yīng)考慮它們之間的相互作用關(guān)系即動(dòng)力學(xué)關(guān)系。332/6/202361HNU-ZLP晶體中，透射波和衍射波之間的相互作用。在雙光束條件下，即晶體某(hkl)晶面處于布拉格位向，入射波只激發(fā)成透射波和(hkl)晶面的衍射波。則這兩個(gè)波間的相互作用。

入射波矢量為k、衍射波矢量為kˊ。1.在近表面：參與散射的原子或晶胞數(shù)量有限，衍射強(qiáng)度很小；

2.在OA階段：隨向晶體內(nèi)深度傳播，

透射波強(qiáng)度↓，衍射波的強(qiáng)度↑。

342/6/202362HNU-ZLP3.

在A位置：電子波傳播到一定深度時(shí)，有足夠的原子或晶胞參與了散射，使透射波的振幅φo下降為零，衍射波振幅φg上升為最大，全部能量轉(zhuǎn)移到衍射方向，其強(qiáng)度

透射波Io＝φo2↓衍射波Ig＝φg2↑也相應(yīng)地發(fā)生變化，如圖。衍射波振幅衍射波振幅電子波在晶體內(nèi)深度方向上的傳播(b)振幅變化

(c)強(qiáng)度變化

352/6/202363HNU-ZLP4.到A位置后，由于衍射波也與該晶面成同樣的布拉格角θ，故必將作為新的入射波激發(fā)同一晶面的二次衍射，其方向恰與透射波的方向相同。5.在AB階段：能量轉(zhuǎn)移過(guò)程將以與OA階段相反的方式被重復(fù)，

透射波強(qiáng)度Io↑，衍射波的強(qiáng)度Ig↓。

(a)布拉格位向下的衍射

362/6/202364HNU-ZLP6.消光距離：記作ξg，

這種透射波與衍射波強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)相互作用的結(jié)果，使其強(qiáng)度Io和Ig在晶體深度方向上發(fā)生周期性的振蕩，如圖所示。振蕩的深度周期叫做消光距離ξg；所謂“消光”：指的是盡管滿(mǎn)足衍射條件，但因動(dòng)力學(xué)互相作用而在晶體內(nèi)一定深度處衍射波(或透射波)的強(qiáng)度實(shí)際為零。372/6/202365HNU-ZLP衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)理論簡(jiǎn)介

衍襯理論所要處理的問(wèn)題是通過(guò)對(duì)入射電子波在晶體樣品內(nèi)受到的散射過(guò)程作分析，計(jì)算在樣品底表面射出的透射束和衍射束的強(qiáng)度分布，即計(jì)算底表面對(duì)應(yīng)于各物點(diǎn)處電子波的振幅進(jìn)而求出它們的強(qiáng)度，這也就相當(dāng)于求出了衍襯圖像的襯度分布。借助衍襯理論，可以預(yù)示晶體中某一特定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的圖像襯度特征；反過(guò)來(lái)，又可以把實(shí)際觀察到的衍襯圖像與一定的結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來(lái)，加以分析、詮釋和判斷。2/6/202366HNU-ZLP衍襯理論的兩種處理方法衍襯理論可有兩種處理方法?？紤]到電子波與物質(zhì)的交互作用十分強(qiáng)烈（與X射線相比，電子的原子散射因子要大四個(gè)數(shù)量級(jí)），所以在晶體內(nèi)透射波與衍射波之間的能量交換是不容忽視的，以此為出發(fā)點(diǎn)的衍襯動(dòng)力學(xué)理論成功地演釋出了接近實(shí)際情況的結(jié)果，是衍襯圖像定量襯度計(jì)算的必要方法。然而，如果只需要定性地了解衍襯圖像的襯度特征，可應(yīng)用簡(jiǎn)化了的衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)理論。運(yùn)動(dòng)學(xué)理論簡(jiǎn)單明了，物理模型直觀，對(duì)于大多數(shù)衍襯現(xiàn)象都能很好地定性說(shuō)明。下面我們將講述衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念和應(yīng)用。2/6/202367HNU-ZLP1．運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的近似運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是討論晶體激發(fā)產(chǎn)生的衍射波強(qiáng)度的簡(jiǎn)單方法，其主要特點(diǎn)是不考慮入射波與衍射波之間的動(dòng)力學(xué)相互作用。從入射電子受到樣品內(nèi)原子散射過(guò)程的分析中我們知道，此種散射作用在本質(zhì)上是非常強(qiáng)烈的，所以忽略了動(dòng)力學(xué)相互作用的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論只能是一種相當(dāng)近似的理論。運(yùn)動(dòng)學(xué)理論所包含的基本近似是：1）入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射；2）入射電子波在樣品內(nèi)傳播的過(guò)程中，強(qiáng)度的衰減可以忽略，這意味著衍射波的強(qiáng)度與透射波相比始終是很小的。2/6/202368HNU-ZLP實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)先決條件結(jié)合晶體薄膜樣品的透射電子顯微分析的具體情況，我們可以通過(guò)以下兩條途徑近似地滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)學(xué)理論基本假設(shè)所要求的實(shí)驗(yàn)條件：（1）采用足夠薄的樣品，使入射電子受到多次散射的機(jī)會(huì)減少到可以忽略的程度。同時(shí)由于參與散射作用的原子不多，衍射波強(qiáng)度也較弱；（2）或者讓衍射晶面處于足夠偏離布喇格條件的位向，即存在較大的偏離參量S，此時(shí)衍射波強(qiáng)度較弱。正是由于我們采用較薄的樣品，由非彈性散射引起吸收效應(yīng)一般也不必在運(yùn)動(dòng)學(xué)理論中加以認(rèn)真的考慮。2/6/202369HNU-ZLP兩個(gè)基本假設(shè)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化衍襯圖像襯度的計(jì)算，我們還必須引入兩個(gè)近似的處理方法。首先，我們通常僅限于在“雙光束條件”下進(jìn)行討論樣品平面內(nèi)位于座標(biāo)（x，y）處、高度等于厚度t、截面足夠小的一個(gè)晶體柱內(nèi)原子或晶胞的散射振幅疊加而得。該柱體外的散射波并不影響g，這叫做“柱體近似”。2/6/202370HNU-ZLP2．理想晶體的衍射強(qiáng)度考慮圖7-10所示的厚度為t完整晶體內(nèi)晶柱OA所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度。首先要計(jì)算出柱體下表面處的衍射波振幅Φg，由此可求得衍射強(qiáng)度。晶體下表面的衍射振幅等于上表面到下表面各層原子面在衍射方向k′上的衍射波振幅疊加的總和，考慮到各層原子面衍射波振幅的相位變化，則可得到Φg的表達(dá)式如下

（7-1）=式中，是r處原子面散射波相對(duì)于晶體上表面位置散射波的相位角差2/6/202371HNU-ZLP消光距離ξg引入消光距離則得到

ξg是衍襯理論中一個(gè)重要的參數(shù)，表示在精確符合布拉格條件時(shí)透射波與衍射波之間能量交換或強(qiáng)度振蕩的深度周期。

2/6/202372HNU-ZLP衍射波振幅與強(qiáng)度

考慮到在偏離布拉格條件時(shí)（圖7-10b），衍射矢量K′為K′=k′+k=g+s故相位角可表示如下:==其中g(shù)·r=整數(shù)（因?yàn)間=ha*+kb*+lc*，而r必為點(diǎn)陣平移矢量的整數(shù)倍，可以寫(xiě)成r=ua+vb+wc），s//r//z。且r=z，于是有:整理,積分得:衍射波振幅:衍射波強(qiáng)度:2/6/202373HNU-ZLP3．缺陷晶體的衍射強(qiáng)度與理想晶體相比，不論是何種類(lèi)型缺陷的存在，都會(huì)引起缺陷附近某個(gè)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)陣發(fā)生畸變。此時(shí)，圖7-10中的晶柱在OA也將發(fā)生某種畸變，柱體內(nèi)位于z深度處的體積元dz因受缺陷的影響發(fā)生位移R，其坐標(biāo)矢量由理想位置的r變?yōu)閞′：r′=r+R（7-6）顯然，當(dāng)考慮樣品平面內(nèi)一個(gè)確定位置（x,y）的物點(diǎn)處的晶體柱時(shí)，R僅是深度z的函數(shù)；在一般情況下，R當(dāng)然也與柱體離開(kāi)缺陷的位置有關(guān)。至于R（z）函數(shù)的具體形式，因缺陷的類(lèi)型而異。2/6/202374HNU-ZLP缺陷晶體的衍射強(qiáng)度晶體柱發(fā)生畸變后，位于r′處的體積元dz的散射振幅為

==因?yàn)間hkl·r等于整數(shù)，s·R數(shù)值很小，有時(shí)s和R接近垂直可以略去，又因s和R接近平行，故s·R=sr，所以

=據(jù)此，式（7-7）可改為

令α=2πg(shù)hkl·R與理想晶體相比，可發(fā)現(xiàn)缺陷晶體附近的點(diǎn)陣畸變范圍內(nèi)衍射振幅的表達(dá)式中出現(xiàn)了一個(gè)附加位相角α=2πg(shù)·R。

2/6/202375HNU-ZLP缺陷的襯度一般地說(shuō)，附加位相因子e-iαα=2πg(shù)·R。引入將使缺陷附近物點(diǎn)的衍射強(qiáng)度有別于無(wú)缺陷的區(qū)域，從而使缺陷在衍襯圖像中產(chǎn)生相應(yīng)的襯度。對(duì)于給定的缺陷，R（x,y,z）是確定的；g是用以獲得衍射襯度的某一發(fā)生強(qiáng)烈衍射的晶面倒易矢量，即操作反射。通過(guò)樣品臺(tái)的傾轉(zhuǎn)，選用不同的g成像，同一缺陷將呈現(xiàn)不同的襯度特征。如果g·R=整數(shù)(0,1,2,…)（7-10）則e-iα=1，(α=2π的整數(shù)倍。)此時(shí)缺陷的襯度將消失，即在圖像中缺陷不可見(jiàn)。如果g·R≠整數(shù),則e-iα≠1，(α≠2π的整數(shù)倍。)此時(shí)缺陷的襯度將出現(xiàn)，即在圖像中缺陷可見(jiàn)。由式（7-10）所表示的“不可見(jiàn)性判據(jù)”，是衍襯分析中用以鑒定缺陷的性質(zhì)并測(cè)定缺陷的特征參量的重要依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。2/6/202376HNU-ZLP衍襯圖像的基本特征

等厚條紋和等傾條紋

當(dāng)操作反射的偏離參量s恒定時(shí),強(qiáng)度衍射強(qiáng)度將隨樣品的厚度t發(fā)生周期性的震蕩，其深度或厚度周期為tg=1/s當(dāng)試樣厚度t恒定時(shí),強(qiáng)度衍射強(qiáng)度也將發(fā)生周期性震蕩：震蕩周期為sg=1/t

2/6/202377HNU-ZLP等厚條紋和等傾條紋

2/6/202378HNU-ZLP晶界和相界的襯度

等厚條紋襯度不只出現(xiàn)在楔形邊緣等厚度發(fā)生變化的地方，兩塊晶體之間傾斜于薄膜表面的界面上，例如晶界、孿晶界和相界面，也常?？梢杂^察到。2/6/202379HNU-ZLP晶界和相界的襯度這是因?yàn)榇祟?lèi)界面兩側(cè)的晶體由于位向不同，或者還由于點(diǎn)陣類(lèi)型不同，一邊的晶體處于雙光束條件時(shí)，另一邊的衍射條件不可能是完全相同的，也可能是處于無(wú)強(qiáng)衍射的情況，那么這另一邊的晶體只相當(dāng)于一個(gè)“空洞”，等厚條紋將由此而產(chǎn)生。當(dāng)然，如果傾動(dòng)樣品，不同晶粒或相區(qū)之間的衍射條件會(huì)跟著變化，相互之間亮度差別也會(huì)變化，因?yàn)槟橇硪贿叺木w畢竟并不是真正的孔洞。

2/6/202380HNU-ZLP堆垛層鏡的襯度

層錯(cuò)是晶體中最簡(jiǎn)單的平面型缺陷，是晶體內(nèi)局部區(qū)域原子面的堆垛順序發(fā)生了差錯(cuò)，即層錯(cuò)面兩側(cè)的晶體發(fā)生了相對(duì)位移R。所以，層錯(cuò)總是發(fā)生在密排的晶體學(xué)平面上，典型的如面心立方晶體的{111}平面上，層錯(cuò)面兩側(cè)分別是位向相同的兩塊理想晶體。對(duì)于面心立方晶體的{111}層錯(cuò)，R可以是±1/3〈111〉或者±1/6〈112〉，它們分別代表著層錯(cuò)生成的兩種機(jī)制。

2/6/202381HNU-ZLP堆垛層鏡的襯度在衍襯成像條件下，層錯(cuò)區(qū)域內(nèi)的晶體柱被層錯(cuò)面分割成兩部分，下部晶體相對(duì)于上部晶體存在整體的位移R。根據(jù)式（7-8），可以計(jì)算下部晶體的附加位相角α=2πg(shù)·R，如果把R±1/3〈111〉或者±1/6〈112〉代入，可得或者考慮到面心立方晶體的操作反射g為hkl全奇或全偶，則α只有0、和±2π/3三種可能的值。顯然，當(dāng)α=0時(shí)，層錯(cuò)將不顯示襯度，即不可見(jiàn)；而當(dāng)α=

±2π/3時(shí)，將在圖像中觀察到它們的襯度

2/6/202382HNU-ZLP堆垛層鏡的襯度盡管也有層錯(cuò)面正好與薄膜的上、下表面平行的特殊情況，此時(shí)如果附加位相角α≠0，層錯(cuò)所在的區(qū)域會(huì)有不同于無(wú)層錯(cuò)區(qū)域的亮度；更經(jīng)常遇到傾斜于薄膜表面的層錯(cuò)，見(jiàn)圖7-14，在α≠0的條件下，表現(xiàn)為平行于層錯(cuò)面與薄膜上、下表現(xiàn)交線的亮暗相間條紋，其襯度機(jī)理可簡(jiǎn)單說(shuō)明如下。柱體OA被層錯(cuò)面分割為上、下兩部分，OS=t1和SA=t2（薄膜總厚度t=t1+t2），在層錯(cuò)面處下部晶體整體位移R。當(dāng)t1=ntg=n/s時(shí)，合成振幅與無(wú)層錯(cuò)區(qū)域的理想晶體柱沒(méi)有差別，而在t1≠n/s處，合成振幅發(fā)生變化，從而形成了與孿晶界等厚條紋十分相似的規(guī)則平行亮暗條紋；因?yàn)閷渝e(cuò)面兩側(cè)晶體取向相同，兩側(cè)像亮度即使在樣品傾轉(zhuǎn)時(shí)也始終保持一致，可以與孿晶界條紋襯度加以區(qū)別。

2/6/202383HNU-ZLP堆垛層鏡的襯度傾斜于薄膜表面的層錯(cuò)，見(jiàn)圖7-14，在α≠0的條件下，表現(xiàn)為平行于層錯(cuò)面與薄膜上、下表現(xiàn)交線的亮暗相間條紋2/6/202384HNU-ZLP條紋襯度特征比較界面條紋平行線非直線間距不等孿晶條紋平行線直線間距不等層錯(cuò)條紋平行線直線間距相等2/6/202385HNU-ZLP四、位錯(cuò)的襯度非完整晶體衍射襯運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程可以很清楚地用來(lái)說(shuō)明螺位錯(cuò)線的成像原因。圖7-15是一條和薄晶體表面平行的螺型位錯(cuò)線，螺型位錯(cuò)線附近有應(yīng)變場(chǎng)，使晶體PQ畸變成P‘Q’。根據(jù)螺型位錯(cuò)線周?chē)拥奈灰铺匦裕梢源_定缺陷矢量R的方向和布氏矢量b方向一致。

2/6/202386HNU-ZLP位錯(cuò)的襯度圖中x表示晶柱和位錯(cuò)線之間的水平距離，y表示位錯(cuò)線至膜上表面的距離，z表示晶柱內(nèi)不同深度的坐標(biāo)，薄晶體的厚度為t。因?yàn)榫е挥诼菪臀诲e(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)之中，晶柱內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變量都不相同，因此各點(diǎn)上R矢量的數(shù)值均不相同，即R應(yīng)是坐標(biāo)z的函數(shù)。為了便于描繪晶體的畸變特點(diǎn)，把度量R的長(zhǎng)度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成角坐標(biāo)β，其關(guān)系如下從式中可以看出晶柱位置確定后（x和y一定），R是z的函數(shù)。因?yàn)榫w中引入缺陷矢量后，其附加位相角α=2πg(shù)hkl·R，故2/6/202387HNU-ZLP位錯(cuò)的襯度ghkl·b可以等于零，也可以是正、負(fù)的整數(shù)。如果ghkl·b=0，則附加位相角就等于零，此時(shí)即使有螺位錯(cuò)線存在也不顯示襯度。如果