材料科學研究方法-透射電子顯微成像分析

材料科學爭論方法-透射電子顯微成像分析透射電子顯微鏡成象原理與圖象解釋 金相顯微鏡及掃描電鏡均只能觀看物質外表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試樣后，將與試樣內部原子發(fā)生相互作用，從而轉變其能量及運動方向。息來了解試樣內部的構造由于試樣構造和相互作用的簡單性因此所獲得的圖象也很簡單。它不象外表形貌那樣直觀、易懂。 因此，如何對一張一套相應的理論才能對透射電子象作出正確的解釋如前所述電子束透過試樣所得到的透射電子束的強度及方向均發(fā)生了變化，由于試樣各部位的組織構造不同因而透射到熒光屏上的各點強度是不均勻的這種強度的不均勻分布現象就稱為襯度，所獲得的電子象稱為透射電子襯度象。臨局部的電子束強度差對于光學顯微鏡襯度來源是材料各局部反射光的力量不同。?當電子逸出試樣時，由于試樣對電子束的作用，使得透射到熒光屏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。其形成的機制有兩種： 1.相位襯度假設透射束與衍射束可以重組合從而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構造象僅適于很薄的晶體試樣≈100?。――高區(qū)分像原子序數襯度2.振幅襯度變化，引起反差。振幅襯度主要有質厚襯度和衍射襯度兩種：①質厚襯度射程度不同，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。第一節(jié)質厚襯度原理透過試樣不同部位時，散射和透射強度的比例不同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取與散射由于試樣很薄，吸取很少。襯度主要取決于散射電子〔吸取主要取于厚度，也可歸于厚度，當散射角大于物鏡的孔徑角α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,透射電子少的局部所形成的象要暗些,反之則亮些.對于透射電鏡試樣,由于樣品較厚則質厚襯度可近似表示為: GρtNδ02ρ2t2/A2-δ01ρ1t1/A1 4-1 其中 δ01---原子的有效散射截面 A2. A1 --- 試樣原子量ρ2.ρ1 ---樣品密度 t2, t1 --- 試樣厚度N ---阿佛加德羅常數對于復型試樣 σ02σ01 A1A2ρ1ρ2則有Gρt Nδ0ρt2-t1 /A N δ0ρ△t/A4-2 即復型試樣的質厚襯度主要取決于厚度,對于常數復型,則其襯度差由式4-1打算,即由質量與厚度差共同打算,故4-1稱為質量襯度表達式。散射截面:彈性:rnz??e/u??αбnπrn2πz2e2/u2α非彈性:ree/u??αбeπre2zбezπre2 бoбn+zбeбn/zбez說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根底而彈性散射主要引起背底增加，圖象反差下降。其次節(jié) 衍射襯度形成機理明場像與暗場像衍射襯度是來源于晶體試樣各局部滿足布拉格反射條件不同和構造振幅的差異。 晶體中的取向：多晶、析出物、缺欠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IO，hkl衍射強度為Ihkl，則A晶粒的強度為IA IO，其反差為IA/IB 明場像――上述承受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，所得的圖象稱為明場像。 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。 暗場成像有兩種方法：偏心暗場像與中心暗場像。 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。衍射襯度理論衍射襯度理論簡稱為衍襯學理論運動學近似成立的條件：樣品足夠薄，入射電子受到屢次散射的時機削減到可以無視的程度；衍射處于足夠偏離布拉格條件的位向，衍射束強度遠小于透射束強度衍射襯度動力學理論完整晶體衍射強度 完整晶體運動學柱體近似 其中 ， ， 是單胞的基矢∵IDΦ??Φ* 寫成積分形式式中 －單胞體積－衍射角之半 －構造振幅 －電子波長－消光距離等厚條紋像 〔s常數t變化〕等厚條紋 〔s常數，t變化〕等傾干預 〔t常數，s變化〕四、不完整晶體中衍襯像運動學理論處理畸變晶體方法：1、體看成是完整晶體的晶胞位置矢量發(fā)生變化，位置矢量由抱負晶體4.1不完整晶體的運動學理論缺陷晶體衍射波合波的振幅為 缺陷晶體衍射波合成振逸出的散射波振幅是：爭論點缺陷線缺陷位錯與入射方向垂直，為始終線。此時具有最大襯度的刃位錯像g‖b位錯的理論解釋刃型位錯襯度的產生及其特征位錯引起它四周晶面的局部轉動意味著在此應變場范圍內〔hkl晶面存在著額外的附加偏差 。位錯線的像將消滅在其實際位置的另一側。位錯線的像總是有肯定的寬度對應“應變場襯度” 面缺陷1〕平行于薄膜外表的層錯衍襯圖像上，存在層錯的區(qū)域與無層錯的區(qū)域消滅不同的亮度，層錯區(qū)顯示為均勻的亮或暗2傾斜于薄膜外表的層錯晶柱I的總振幅? 晶柱Ⅱ的總振幅：? 衍射強度將發(fā)生連續(xù)變化，假設某晶柱Q點位置正好是消光距離的整數倍，這個晶柱雖然包括了層錯，但它和非層錯區(qū)的亮度相等于是在層錯區(qū)內就形成明暗相間的條紋。體缺陷體缺陷――其次相粒子襯度這里指的其次相粒子主要是指那些和基體之間處于共格或半共格狀態(tài)的粒子。它們的存在會使基體晶格發(fā)生畸變，由此就引入了缺陷矢量R，使產生畸變的晶體局部和不產生畸變的局部之間消滅襯度的差異，因此，這類襯度被稱為應變場襯度。其次相粒子襯度以球形共格粒子為例，粒子四周基體中晶格的結點原子產生位移結果使原來的抱負晶柱彎曲成弓形兩者衍射波振幅必定存在差異。但是，凡通過粒子中心的晶面都沒有發(fā)生畸變,這些晶面上不存在任何缺陷矢量〔即R0，α0，從而使帶有穿過粒子中心晶面的基體局部也不消滅缺陷襯度。球形共格沉淀相的明場像中，粒子分裂成兩gg90°角。其次相粒子襯度要是以下緣由造成的。1成這種襯度的緣由和形成質厚襯度的緣由相類似。另一方面由于散射因子不同，二者的構造因數也不一樣，由此造成了所謂構造因數襯度。復習題1.透射電鏡襯度像分類及原理2.3.什么是衍射襯度?它與質厚襯度有什么區(qū)分?4.畫圖說明衍襯成像原理，并說明什么是明場像、暗明場像和5.什么是消光距離?影響晶體消光距離的主要物性參數和外界條件是什么?6.衍襯運動學的根本假設及其意義是什么?怎樣做才能滿足或接近7.舉例說明抱負晶體衍襯運動學根本方程在解釋衍襯圖像中的應用8.用非抱負晶體衍襯運動學根本方程解釋層錯與位錯的襯度形成原理。BurgersivvvvvivvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvivviriiiviivvriivivvvrirrivrvrirvivvD10D9D8D5D4D3D2D1g位錯編號v:visible; i:invisible;r:residualcontrast0abcAAAAAAABBBCCC正常排列： ABCABCABCACABC層錯相當于A原子層上面的一層由B位置平移到C位置，位移矢量為 層錯Rz0tt/2t1設?0＝1層錯的理論分析Rz0tt/2t11.Ig隨t/2-t1作周期性變化，故層錯像為平行于層錯與膜面交線的條紋；2.?＝2n?時層錯條紋不行見, 由此可測定R;層錯柱體近似模型電子束由試樣上外表A入射，在樣品下外表P點出射，透射束與衍射束相應的距離為：000厚度均勻的單相多晶金屬薄膜樣品：內有假設干個晶粒，它們沒有厚度差，同時又足夠的薄，以致可不考慮吸取效應，兩者的平均原子序數一樣，唯一差異在于它們的晶體位向不同。晶體的衍襯像由于晶體的取向不同導致各個晶粒對電子的衍射力量不同所產生的襯度變化。 如何解釋襯度的變化？將薄晶體分成很多小的晶柱，晶柱平行于Z方向。每個晶柱內都含有一列元胞。假設每個晶柱內電子衍射波不進入其他晶柱這樣只要把每個晶柱中的各個單胞的衍射波的和波求出則和波振幅的平方即為晶柱下面P點衍射波強度。各個晶柱下外表衍射波強度的差異則構成衍襯度像源 由于KKg-K0 對于所考慮的晶柱來說，而，RnZnC故，P0處的合成波振幅為其中Fπ/ξg衍射波振幅的微分形式是衍射波強度公式：其中透射波I0和衍射波Ig和在晶體深度方向上發(fā)生周期性的振蕩此振蕩的深度周期叫消光距離。?這里“消光的意義指的是盡管滿足衍射條件但由于動力學相互作用而在晶體肯定深度處衍射波和透射波的實際強度為0。試樣斜面和錐形孔產生等厚條紋示意圖等傾消光當厚度t不變化時，ID隨s而變化。當tconst.,S0,衍射強度有極大值,sn/t n為整數，ID0。這稱為等傾消光，相應的衍襯象稱為等傾消光輪廓線。對于完整晶體，樣品各處的衍射強度ID一樣，不顯示襯度。而實際晶體是不完整的，包括由取向關系轉變引起的。例如：晶界、孿晶界、沉淀物與基體界面。晶體缺陷引起的彈性位移。例如：點、線、面、體缺陷。相變引起的不完整性。例如：成分轉變而組織不變，如Spindals組織轉變而成分不變，如馬氏體相變相界面〔共格、半共格、非共格〕由于缺陷的存在，使得晶體中某一區(qū)域的原子偏離了原來正常位置而產生畸變畸變使缺陷處晶面與電子束相對方向發(fā)生了變化在有缺陷區(qū)域和無缺陷區(qū)域滿足布拉格條件的程度不一樣產生了襯度。依據這種襯度效應，人們可以推斷晶體內存在什么缺陷和相變。四、不完整晶體中衍襯像運動學理論對不完整晶體的暗場象，可承受與完整晶體相像的處理方法，其衍射振幅 22”nnnRrsgiggrkiggeiei???????+??+-??-?ppxxpxpiszRgigrsiRgiggeeieei?nnppppxpxp2222-??-??-??-??????dzeei?isztRgiggppxp202-??-ò??位錯與入射平行，物襯度。此時，位錯襯度趨于零 g⊥b刃位錯bub?uubu//b螺位錯*假設g??b0，則位錯的衍襯像不行見。由此規(guī)章可以確定位錯的Burgers矢量：由g1??b0g2??b0則b//g1×g2? ? ?ubBguSrTiO3**相位襯度―原子射波與透射波的相位差為?/2夠大，合成波與入射波相位位置稍有不同，但振幅沒變，沒有襯度。假設引入顯示。HighresolutiontransmissionelectronmicroscopyofBaTiFeOnaturalmagneticmultilayers.ThehighlyperiodicFe-richlayersyellowphaseblue〔?fDC－DC’-0.5?f?22n－1?／2，就可使相位差轉換成強度差，使相位襯度得以顯現。再移動?／2，兩者相位差就可為?ABCABC＝C4欠焦量和樣品厚度對圖像的影響exampleofimagesimulation“thicknessdefocusmap”ofspinelMgAl2O4inprojectionHRTEMImageofaT1PrecipitatePlateoneunit-cellthickinanAl-Cu-LiAlloy相位襯度―原子像相位襯度―原子像多孔硅的截面像〔a〕低倍像，〔b〕到〔e〕為漸次離開外表處的高區(qū)分像。多孔硅的電子能量損失譜∶〔a〕硅L2,3峰和〔b〕氧k峰 相位襯度―原子像CarbonNanotube GaAs1.4?AsGa Z31 Z33 [001]取向Al-3.3wt%Cu合金GP區(qū)，較亮像點對應于Cu原子2.3原子序數襯度Z襯度基于掃描透射電子顯微術〔STEM〕:電子束掃描，環(huán)形暗場探測器STEM的像來源于當精細聚焦電子束2?掃描樣品時，逐一照耀像。原子序數襯度當探測高角度散射信號時,探測器上的強度主要來自聲子散射項每一個被照明的原子柱的強度與熱漫反射散射截面 直接相關，的值等于在探測器的環(huán)形范圍內對原子類型因子進展積分 為原子對于彈性數成正比，因此STEM供給了原子序數襯度，襯度比andthicknesscontrastofInxGa12xAsQDsonaGaAssurface.二、衍襯像：明場