電子背散射衍射的歷史與現(xiàn)狀

電子背散射衍射的歷史與現(xiàn)狀

1電子背散射衍射ebsd1928年，kikuchi在透射電鏡中觀察到了帶衍射圖案的帶狀衍射，即菊池線。然而，菊池線是由透射電子形成的。直到1954年,Alam,Blackman和Pashley同樣利用透射電鏡,用膠片記錄了解理LiF,KI,NaCl,PbS2晶體的大角度菊池花樣,這是第一次嚴(yán)格意義上的電子背散射衍射。1973年,Venables和Harland在掃描電鏡上用電子背散射衍射花樣對材料進(jìn)行晶體學(xué)研究,開辟了EBSD在材料科學(xué)方面的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后期,Dingley使用熒光屏和電視相機接收與采集電子背散射衍射花樣。20世紀(jì)90年代,實現(xiàn)了花樣的自動標(biāo)定。隨著數(shù)碼相機、計算機和軟件的快速發(fā)展,現(xiàn)在的商品EBSD實現(xiàn)了從花樣的接收、采集到標(biāo)定完全自動化。每秒能獲得多于100幀的菊池花樣及標(biāo)定結(jié)果,廣泛用于地質(zhì)、微電子學(xué)、材料科學(xué)等方面。2ebsp的表面分析手段和與樣品相關(guān)的問題電子背散射衍射儀一般安裝在掃描電鏡或電子探針上。樣品表面與水平面呈70o左右。當(dāng)入射電子束進(jìn)入樣品后,會受到樣品內(nèi)原子的散射,其中有相當(dāng)部分的電子因散射角大逃出樣品表面,這部分電子稱為背散射電子。背散射電子在離開樣品的過程中與樣品某晶面族滿足布拉格衍射條件2dsinθ=λ的那部分電子會發(fā)生衍射,形成兩個頂點為散射點、與該晶面族垂直的兩個圓錐面,兩個圓錐面與接收屏交截后形成一條亮帶,即菊池帶。每條菊池帶的中心線相當(dāng)于發(fā)生布拉格衍射的晶面從樣品上電子的散射點擴展后與接收屏的交截線,如圖1所示。一幅電子背散射衍射圖稱為一張電子背散射衍射花樣(EBSP)。一張EBSP往往包含多根菊池帶。接收屏接收到的EBSP經(jīng)CCD數(shù)碼相機數(shù)字化后傳送至計算機進(jìn)行標(biāo)定與計算。值得指出的是,EBSP來自于樣品表面約幾十納米深度的一個薄層。更深處的電子盡管也可能發(fā)生布拉格衍射,但在進(jìn)一步離開樣品表面的過程中可能再次被原子散射而改變運動方向,最終成為EBSP的背底。因此,電子背散射衍射是一種表面分析手段。其次,樣品之所以傾斜70o左右是因為傾斜角越大,背散射電子越多,形成的EBSP花樣越強。但過大的傾斜角會導(dǎo)致電子束在樣品表面定位不準(zhǔn),降低在樣品表面的空間分辨率等負(fù)面效果,故現(xiàn)在的EBSD都將樣品傾斜70o左右。電子背散射衍射花樣包含4個與樣品有關(guān)的信息:晶體對稱性信息;晶體取向信息;晶體完整性信息;晶格常數(shù)信息。圖2為作者獲得的一張典型EBSP花樣?；由习舾膳c不同晶面族對應(yīng)的菊池帶。只有結(jié)構(gòu)因子不為零的晶面族才會發(fā)生布拉格衍射形成菊池帶,而結(jié)構(gòu)因子為零的晶面族由于衍射強度為零而不形成菊池帶。不同的菊池帶相交形成菊池極。由于菊池帶與晶面族相對應(yīng),故菊池極相當(dāng)于各相交菊池帶所對應(yīng)各晶面族的共有方向,即晶帶軸方向。從圖2可以看出,菊池極具有旋轉(zhuǎn)對稱性。這種旋轉(zhuǎn)對稱性與晶體結(jié)構(gòu)的對稱性直接相關(guān)。具體地說,相當(dāng)于相應(yīng)晶帶軸旋轉(zhuǎn)對稱性加上了中心對稱性即2次旋轉(zhuǎn)對稱性。如立方晶體方向為三次旋轉(zhuǎn)對稱,而EBSP花樣上菊池極呈6次對稱。晶體結(jié)構(gòu)依對稱性可分為230種空間群。由布拉格衍射形成的電子背散射衍射花樣不能區(qū)分空間群中的平稱操作分量,同時由于(h,k,l)與(-h,-k,-l)的結(jié)構(gòu)因子相同,衍射強度相同而引入了二次旋轉(zhuǎn)對稱性,故EBSP不能區(qū)分32種點群,只能區(qū)分其中具有二次旋轉(zhuǎn)對稱的11種勞厄群。換句話說,EBSP花樣只可能具有11種不同的旋轉(zhuǎn)對稱性。如前所述,每條菊池帶的中心線相當(dāng)于樣品上受電子束照射處相應(yīng)晶面擴展后與接收屏的交截線,每個菊池極相當(dāng)于電子束照射處相應(yīng)晶面延長后與接收屏交截形成的,因此,EBSP包含了樣品的晶體學(xué)取向信息。在樣品的安放、入射電子束位置、接收屏三者的幾何位置已知的情況下,可以采用單菊池極或三菊池極法計算出樣品的晶體學(xué)取向。晶格的完整性與EBSP花樣質(zhì)量有明顯的關(guān)系。晶格完整時,形成的EBSP花樣中菊池帶邊緣明銳,甚至可觀察到高階衍射(如圖2);晶格經(jīng)受嚴(yán)重變形導(dǎo)致晶格扭曲、畸變,存在大量位錯等缺陷時,形成的菊池帶邊緣模糊、漫散(如圖3)。究其原因是因為菊池帶由布拉格衍射形成,反映的是原子周期性排列信息,晶體越完整,布拉格衍射強度越高,形成的菊池帶邊緣越明銳。從圖1可以看出,菊池帶寬度W與相應(yīng)晶面族晶面間距d間有如下關(guān)系:其中R為接收屏上菊池帶與樣品上電子束入射點之間的距離,λ為入射電子束的波長。3在材料研究中應(yīng)用磁體數(shù)據(jù)3.1ebsd的晶體學(xué)檢測EBSD熒光屏接收到的花樣經(jīng)CCD數(shù)碼相機采集后傳送至計算機,計算機將花樣進(jìn)行Hough變換以探測各菊池帶的位置,并計算菊池帶間的夾角,然后與產(chǎn)生該花樣相的各晶面夾角理論值進(jìn)行比較,從而對各菊池帶和菊池極加以標(biāo)定。圖4為一張已標(biāo)定的EBSP花樣。圖中“十”表示接收熒光屏中心,即電子束在樣品上的入射位置與接收熒光屏垂線在熒光屏上的交點。如果已知電子束在樣品上的入射位置與熒光屏的垂直距離,就可以用單菊池極或三菊池極法計算出晶粒的晶體學(xué)取向。通過仔細(xì)地設(shè)定測試條件,EBSD測定晶體取向的絕對準(zhǔn)確度可以達(dá)到≤0.25o。若電子束在樣品上每隔一定距離作一點的EBSP花樣,在樣品表面一定面積上作mapping,可以測定多晶樣品中各晶粒的取向,經(jīng)統(tǒng)計計算,可以測定晶體取向的統(tǒng)計分布——即織構(gòu)。由于CCD相機、計算機和軟件的快速發(fā)展,新型EBSD可以以極快的速度測定EBSP花樣并給出晶粒的取向結(jié)果。如英國牛津公司的Crystal每秒可采集多于100幀的EBSP花樣并給出取向結(jié)果。在樣品的一個視場最多可測定512×384個點的取向。通過改變放大倍數(shù),可測定樣品上從mm2至μm2面積上的織構(gòu)。EBSD的空間分辨率一般為0.5μm左右,若安裝在場發(fā)射掃描電鏡上時,空間分辨率可以小于10nm。因此,用EBSD可以測定nm晶粒的取向。在高放大倍數(shù)下測定的織構(gòu)常被稱為微區(qū)織構(gòu)。同時,EBSD也可用于測定大面積的宏觀織構(gòu)。一般是在低放大倍數(shù)下測定鄰近區(qū)域的織構(gòu)后,用蒙太奇方法將不同區(qū)域拼接起來獲得大面積的織構(gòu)。如HKL公司的CHANNAL5在電鏡自動樣品臺配合下可測定20mm×20mm范圍的織構(gòu)。EBSD測定的織構(gòu)可以用多種形式表達(dá)出來,如極圖、反極圖、ODF等(見圖5)。同X-ray衍射測織構(gòu)相比,EBSD具有能測微區(qū)織構(gòu)、選區(qū)織構(gòu)并將晶粒形貌與晶粒取向直接對應(yīng)起來的優(yōu)點。另外,X射線測織構(gòu)是通過測定衍射強度后反推出晶粒取向情況,計算精確度受選用的計算模型、各種參數(shù)設(shè)置的影響,一般測出的織構(gòu)與實際情況偏差15%以上。而EBSD通過測定各晶粒的絕對取向后進(jìn)行統(tǒng)計來測定織構(gòu),可以認(rèn)為EBSD是目前測定織構(gòu)最準(zhǔn)確的手段。當(dāng)然與X-ray比,EBSD存在制樣麻煩等缺點。用EBSD同時測定兩個相的晶體學(xué)取向時,可以確定兩個相之間的晶體學(xué)關(guān)系。為了確定兩相間的晶體學(xué)關(guān)系,一般需要測定30處以上兩相各自的晶體學(xué)取向。并將所有測定結(jié)果同時投影在同一極射赤面投影圖上進(jìn)行統(tǒng)計,才能確立兩相間的晶體學(xué)關(guān)系。與透射電鏡和X-ray相比,采用EBSD測定兩相間晶體學(xué)取向關(guān)系具有顯著的優(yōu)越性。用于EBSD測試的樣品表面平整、均勻,可以方便地找到30個以上兩相共存的位置。同時晶粒取向可以用軟件自動計算。而透射電鏡由于樣品薄區(qū)小的關(guān)系,難于在同一樣品上找到30個以上兩相共存位置。另外,其晶粒取向需手動計算。X-ray一般由于沒有成像裝置,難于準(zhǔn)確將X-ray定位在所測定的位置上,當(dāng)相尺寸細(xì)小時,采用X-ray難于確定相間晶體學(xué)關(guān)系。另外,當(dāng)?shù)诙嗯c基體間的慣習(xí)面、孿生面、滑移面等在樣品表面留下跡線,尤其在兩個以上晶粒表面留下跡線時,可以采用EBSD確定這些面的晶體學(xué)指數(shù)。3.2能譜條件的掌握EBSD用于物相鑒定是1999年后CCD數(shù)碼相機發(fā)展的結(jié)果。物相鑒定要求相機具有足夠多的灰度級數(shù)和足夠高的空間分辨率,以便能探測到強度很弱的菊池線?，F(xiàn)在的CCD相機一般具有12bit灰度,即212級灰度,且空間分辨率能達(dá)1300×1024,能滿足物相鑒定的要求。用EBSD鑒定物相必需借助能譜EDS的幫助。一般先用能譜測定出待鑒定物相由哪些元素組成,然后采集該相的EBSP花樣。用這些元素可能形成的所有物相對花樣進(jìn)行標(biāo)定,只有完全與花樣相符合的物相才是所鑒定的物相(見圖6)。需要指出的是EBSD的物相鑒定與TEM和X-ray衍射進(jìn)行物相鑒定的原理是不同的。EBSD主要是根據(jù)晶面間的夾角來鑒定物相,因為一張EBSP上包含約70°范圍內(nèi)的晶體取向信息,而TEM則是依據(jù)晶面間距及晶面夾角來鑒定物相,X-ray是根據(jù)晶面間距和各晶面相對衍射強度來鑒定物相。由于X-ray能準(zhǔn)確測定晶面間距,故X-ray進(jìn)行物相鑒定不需要事先知道物相成分;而EBSD和TEM在測定晶面間距方面誤差較大,必需先測定出待鑒定相成分以縮小候選范圍。盡管如此,3種衍射手段關(guān)于某一晶面是否發(fā)生衍射的條件方面是相同的,即該晶面的結(jié)構(gòu)因子必需不為零。3.3absd-ton分布參數(shù)3.3.1低花色質(zhì)量在EBSD中,每一張衍射花樣根據(jù)其明銳程度用一花樣質(zhì)量數(shù)值來表示,且可用于作圖。明亮的點對應(yīng)高花樣質(zhì)量,暗的點對應(yīng)低花樣質(zhì)量。低花樣質(zhì)量意味著晶格不完整,存在大量位錯等缺陷?；淤|(zhì)量圖法適合于單個晶粒內(nèi)應(yīng)變分布的測量,不適合于具有不同晶體取向的各個晶?；虿煌嘀g應(yīng)變分布的測定,因為即使不存在應(yīng)變,不同晶體取向的晶?；虿煌嗑哂胁煌幕淤|(zhì)量數(shù)值。3.3.2晶體界面圖其依據(jù)是變形區(qū)具有大量的低角度晶界(如錯配度為2°～10°的晶界)。3.3.3阿利克侖主要晶界如表5計算每個測量點與其周圍8個近鄰間錯配角的平均值,計算時不考慮高角度晶界(例如>5o的晶界)。這種圖能突出局部應(yīng)變變化,而與晶粒尺寸無關(guān)。3.3.4計算變形最小的點在每個晶粒內(nèi),計算出錯配角梯度最小的點(即變形最小的點)。以此點的取向作為參考取向,計算出晶內(nèi)所有其它點相對于此點的錯配角。這種圖能清楚地顯示應(yīng)變最大的晶粒。3.3.5粒尺寸給予不同權(quán)重計算每一晶粒內(nèi)的取向分布,并根據(jù)晶粒尺寸給予一定權(quán)重。然后,用一平滑因子加以平滑,得到整個區(qū)域的等應(yīng)變分布圖,這種圖能突出高應(yīng)變區(qū)(見圖7)。3.4根據(jù)重合節(jié)數(shù)模型在測定各晶粒晶體學(xué)取向的情況下,可以方便地計算出晶粒間錯配角,區(qū)分大角度晶界、小角度晶界、亞晶界等,并能根據(jù)重合點陣模型(CSL’s)研究晶界是否為共格晶界。如∑3,∑9,∑27等重合點陣晶界一般為孿晶界。此外,可以研究各種錯配角所占比例。3.5晶面間距測量通過測量菊池帶寬度,可以計算出相應(yīng)晶面族的晶面間距。需要指出的是,每條菊池帶的邊緣相當(dāng)于兩根雙曲線,因此在菊池帶不同位置測得的寬度值不同。一般應(yīng)測菊池帶上最窄處的寬度值來計算晶面間距。由于測量過程中存在誤差,用EBSD測晶面間距誤差一般達(dá)1.5%左右。故EBSD并不是測量晶格常數(shù)的專門方法。除上述用途外,由于E