第三章-薄晶体衍衬原理与分析

YuxiChenHunanUniv.1第三章薄晶体衍衬原理与分析YuxiChenHunanUniv.2目录§3.1衍衬成像原理§3.1.1质量厚度衬度§3.1.2衍射衬度成像§3.2衍衬成像的运动学理论§3.2.1运动学理论的一般讨论§3.2.2理想晶体的衍射强度§3.2.3非理想晶体的衍射衬度YuxiChenHunanUniv.3§3.1衍衬成像原理质量厚度衬度简称质厚衬度，就是样品中不同部位由于原子序数不同或者密度不同、样品厚度不同，入射电子被散射后能通过物镜光阑参与成像的电子数量不同，从而在图像上体现出的强度的差别。§3.1.1质量厚度衬度YuxiChenHunanUniv.4衍射衬度：由于样品中不同晶体或者同一晶体位向不同，其满足布拉格条件程度必存在差异，因此各处衍射程度不同而造成图像衬度差异，这种衬度称为衍射衬度。影响衍射强度的主要因素是晶体取向和结构振幅。§3.1.2衍射衬度成像例如(1)衍衬像中两个晶粒一明一暗，说明亮的不处于布拉格位置，而暗的处于布拉格位置。(2)缺陷能显示衬度，是由于缺陷的存在，致使局部晶格发生畸变，改变了这些部位的衍射条件，从而被显示出来。(3)合金中第二相能显示衬度，是由于第二相和合金基体的组成成分不同，对电子散射本领不同，结构振幅不同，从而引起衬度差异。YuxiChenHunanUniv.5IA≈I0，亮IB≈I0-Ihkl暗几种主要衍衬成像模式假设样品由A和B两个晶粒组成，衍射接近双光束条件晶粒B满足布拉格条件，而A不满足明场像：让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法，叫做明场（BF）成像。YuxiChenHunanUniv.6IA≈0，暗；IB≈Ihkl亮IA≈0，暗；IB≈Ihkl亮暗场像：让衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法，叫做暗场（DF）成像。中心暗场像：把入射电子束方向倾斜2θ角度，使衍射束的负ghkl通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法，叫做中心暗场（CDF）成像。YuxiChenHunanUniv.7暗场像的衬度明显地高于明场像，暗场成像是一种十分有用的技术。特别是在纳米晶材料的衍衬分析中，暗场像可以清晰显示出晶粒的大小和分布。YuxiChenHunanUniv.8在实验中，为获得中心暗场像，应采取以下步骤：(1)正确合轴,平移,使电子束正确地沿着透镜的光轴入射到试样上；(2)倾斜试样,以获得所要求的衍射条件,如双光束；(3)使用倾斜装置,即用电磁偏转线圈,将入射束拉斜,这时电镜应处于衍射工作方式,在倾斜电子束时应注意荧光屏,将透射斑点移到原先主衍射斑(hkl)位置,而将对面的弱衍射斑移到中心,这时它将变为亮衍射斑。YuxiChenHunanUniv.9明场像中心暗场像YuxiChenHunanUniv.10明场像暗场像YuxiChenHunanUniv.11本节重点质量厚度衬度、衍射衬度的定义。明场像、暗场像以及中心暗场像的定义YuxiChenHunanUniv.12§3.2衍衬成像的运动学理论电子显微镜下直接观察薄晶体样品所获得的显微图象，其衬度主要是由电子和试样中的原子相互作用产生的衍射效应提供的，称为衍衬象，解释图象衬度的理论就是衍衬理论，衍衬理论有两种：一种运动学理论，一种动力学理论。无论运动学理论还是动力学理论，目的都是对试样下表面各处的电子强度进行分析，即计算各处的衍射束的振幅，由此进一步求出它的强度，因为衍衬象的衬度就是试样下表面各处的衍射束强度不同造成的。§3.2.1运动学理论的一般讨论YuxiChenHunanUniv.13运动学理论：电子束进入样品时随着深度的增加，在不考虑吸收的条件下，透射束不断减弱而衍射束不断加强。不考虑衍射束和透射束之间的相互作用Io2q'IoIgxgIgIo'Ioq2动力学理论：随着电子束深入样品，透射束和衍射束之间的能量是交替变换的。能精确地解释晶体中地衍射效应，但是数学推导繁琐。YuxiChenHunanUniv.14运动学理论的基本假设（1）双光束近似：除了透射束外只有一束衍射束，即I0＝IT+Ig=1，同时由于不处于精确的衍射条件（即存在一个偏离矢量s），衍射束的强度远比透射束弱。不考虑透射束和衍射束之间的相互作用。（2）柱体近似：试样由截面积略大于一个单胞尺寸的柱体组成。这些柱体贯穿上下表面。每个柱体只产生一只衍射束，相邻柱体衍射束互不干扰。总的衍射束就是各个柱体中产生的衍射束的加和，称为柱体近似。（3）认为试样非常薄，吸收和多重散射忽略不计。YuxiChenHunanUniv.15§3.2.2理想晶体的衍射强度透射束衍射束toskok具有单位振幅的入射波ko垂直入射完整晶体表面，经过晶体后电子波相位发生变化，其衍射振幅为])(2exp[jojgrkkiYuxiChenHunanUniv.16这里sgkko则得到]2exp[jjgris对整个晶体积分以后得到2222sintstsIgggx222sin1tstsIgTx这里gcgFVqxcos称为消光距离YuxiChenHunanUniv.17结论：理想晶体的衍射强度Ig随样品的厚度t和衍射晶面与精确的布拉格位向之间偏离参量s而变化。YuxiChenHunanUniv.18消光距离双光束条件：即当晶体的(hkl)晶面处于精确的布拉格位向时，入射束只被激发成为透射束和(hkl)晶面的衍射束的情况。入射电子受原子强烈的散射作用，因而在晶体内透射波和衍射波之间必然存在相互作用，从而使得图像上电子的强度出现变化。YuxiChenHunanUniv.19双光束条件下AqkTkgxg/2xgIgIT2qkYuxiChenHunanUniv.20消光：是指尽管满足衍射条件，但由于动力学互补作用而在晶体内一定深度处衍射波（或透射波）的强度实际为零。消光距离（ξg）：使I0和Ig在晶体深度方向上发生周期性的振荡的深度周期。gcgFVqxcosVc：晶胞体积；θ：布拉格角；Fg：结构因子YuxiChenHunanUniv.21大多数金属的低指数反射的消光距离典型值为20－50nm。消光距离具有长度的量纲，它是对应于一定的布拉格反射的。YuxiChenHunanUniv.22等厚条纹当衍射晶面偏离量S保持恒定，则衍射强度为：衍射强度Ig随晶体厚度t的变化规律等厚条纹形成原理的示意图tg=ζg＝1/stg=ζg＝1/s当s=常数时，随样品厚度t的变化，衍射强度发生周期性振荡，振荡周期为tssIggx22sin1YuxiChenHunanUniv.23等厚条纹的应用：因为同一条纹上晶体的厚度是相同的，通过计算偏离矢量s以及条纹数目来估算薄晶体的厚度。倾斜晶界可利用等厚条纹原理来分析。YuxiChenHunanUniv.24等倾条纹当试样厚度保持恒定，如果把没有缺陷的薄晶体稍加弯曲，则在衍衬图像上可出现等倾条纹。YuxiChenHunanUniv.25在计算弯曲消光条纹的强度时，强度公式改写如下：Ig＝（t)2Sin2(ts)/xg2(ts)2因为t=常数，故Ig随s而变，其变化规律如右图。右图反映了倒易空间中衍射强度的变化规律。由于二次衍射强度峰已经很小，所以把±1/t的范围看作是偏离布拉格条件后能产生衍射强度的界限。因此倒易杆的长度为：s=2/tYuxiChenHunanUniv.26等倾条纹的特点等倾条纹大都不具有对称的特征；当把样品稍加倾动，弯曲消光条纹就会发生大幅度的扫动，这是由于晶面转动引起的偏离矢量s大小改变而造成的。YuxiChenHunanUniv.27本节重点运动学理论基本假设消光距离、等厚条纹、等倾条纹YuxiChenHunanUniv.28§3.2.3非理想晶体的衍射衬度引入缺陷矢量R非理想晶体是存在缺陷的晶体。缺陷的存在使得布拉格反射平面发生弯曲或出现不连续性，其衍射矢量随之改变，在图像上体现为衍射衬度的变化。不同晶体缺陷引起的衍射衬度变化规律有所不同，因此可通过衍射衬度图像来分析晶体中所存在的缺陷。晶体缺陷主要是三种：层错、位错和第二相粒子在基体上造成的畸变。YuxiChenHunanUniv.29（1）层错层错发生在确定的晶面上，层错面上、下方分别是位向相同的两块理想晶体，但下方晶体相对于上方晶体存在一个恒定的位移R。当入射束穿越层错区时发生＝2gR的相位变化；若＝2nπ时，层错将不显示衬度。YuxiChenHunanUniv.30Rghklhkl1311121311123Rghklhkl1611221611232xgPP'PPP''P'''rr'r'rRRt1t2R=+1/3111R=+1/6112层错位置例如面心立方晶体的层错面为{111}，其位移矢量R＝±111/3或±112/6。YuxiChenHunanUniv.31平行于薄膜表面的层错在一般情况下，衍射图像存在层错的区域与无层错区域出现不同的亮度，即构成了衬度。层错区显示为均匀的亮区或暗区。当层错的深度是消光距离的整数倍时，将不显示衬度。倾斜于薄膜表面的层错与其它的倾斜界面（如晶界等）相似，显示为平行于层错与上下表面交线的亮暗相间的条纹。YuxiChenHunanUniv.32层错与等厚条纹的区别层错衬度图象上的条纹线一定是笔直的，内外侧条纹都非常清晰；等厚条纹不一定是直线，而且相应于薄边一侧颜色较深且比较清晰，伸向内部较厚一侧，则逐渐变淡以至模糊消失。另外层错区域的选区电子衍射花样有层错的衍射斑点。等厚条纹区域不可能产生附加的电子衍射斑点。SSYuxiChenHunanUniv.33孪晶的形态不同于层错，孪晶是由黑白衬度相间宽度不等的平行条带构成，相同的衬度条带为同一位向，而另一条带为相对称的位向。层错是等间距的条纹。孪晶F-层错;L-孪晶界FL孪晶与层错的区别YuxiChenHunanUniv.34•孪晶界与普通晶界的区别：孪晶界是结晶学平面，且孪晶界两侧晶体为镜面对称，所以其晶界条纹是笔直的，且条纹两侧晶体衬度往往相反，而一般晶界却无此特征YuxiChenHunanUniv.3520-N-Cr-700℃×10h扩散层内γN孪晶TEM形貌YuxiChenHunanUniv.36（2）位错位错并不是几何意义上的线，而是在位错线附近有应变区，使晶体发生微区畸变，在一定方位下体现衍射衬度。位错线像的特点：位错线总是出现在它实际位置的一侧或另一侧，说明其衬度本质上是由位错附近的点阵畸变所产生的，又叫“应变场衬度”。bb螺位错刃位错滑移面YuxiChenHunanUniv.37左侧s≠0右侧s≈0晶体中存在一个刃型位错⊥其左侧不符合布拉格条件而右侧符合。这样位错右侧产生强的布拉格衍射，而左侧衍射没有或者很弱，这样在位错两侧的衬度将显示出差别。如左图所示，在衍衬像中位错像位于真实位错位置的右侧。YuxiChenHunanUniv.38位错柏格斯矢量的测定衍衬像中缺陷是否可见的判据是缺陷引起的附加相位因子a=2πg•R=N(2π)这里g是操作反射矢量；R是缺陷引起的位移当g•R=0R在反射平面内，即使有点阵位移，对振幅ψg也没有贡献，看不出衬度。作为缺陷是否可见的判据。对一般缺陷来说，R是位置的函数；对一定类型的层错来说，R是一个常数，即层错矢量。YuxiChenHunanUniv.39利用g•b=0来测定位错柏氏矢量的步骤（1）拍摄至少三张对应于操作反射矢量g1,g2和g3的位错的衍衬照片。其中g1对应位错存在，而g2和g3对应于位错消失。（2）显然，此位错即在g2反射面上也在g3反射面上所以位错的柏氏矢量一定是g2和g3的晶带轴方向。b//[g2]x[g3]YuxiChenHunanUniv.40区分位错线和等倾条纹的方法：倾动试样时，位错衬度只在原地变化，或隐或现或弱，而不会移动位置；等倾条纹随着各处位向连续变化