材料研究方法-EM-第二章

1、1.電子衍射分析：電子衍射分析： 透射電子衍射透射電子衍射；會(huì)聚束衍射；微束衍射。；會(huì)聚束衍射；微束衍射。 2. 電子顯微成像分析：電子顯微成像分析： 質(zhì)厚（質(zhì)量厚度）襯度像；質(zhì)厚（質(zhì)量厚度）襯度像； 振幅（衍射）襯度像（明場像振幅（衍射）襯度像（明場像; 暗場像）暗場像） 高分辨像；高分辨像；Z-襯度像；二次電子像；電子全息成襯度像；二次電子像；電子全息成 像。像。 3、材料成份測(cè)定、材料成份測(cè)定: X-射線能譜；射線能譜； 電子能量損失譜。電子能量損失譜。 透射電子顯微分析對(duì)材料的主要表征方法： 第二章第二章 電子衍射電子衍射 電子衍射電子衍射 明場像明場像 高分辨像高分辨像 從電子槍發(fā)射

2、的一束電子，沿一定入射方向 進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部與物質(zhì)的相互作用，發(fā)生： 電子與物質(zhì)相互作用 彈性散射：電子只改變方向，無能量改變彈性散射：電子只改變方向，無能量改變 非彈性散射：電子不僅改變方向，并且能量減少非彈性散射：電子不僅改變方向，并且能量減少 參照參照X-ray與物質(zhì)相互作用時(shí)的散射過程。與物質(zhì)相互作用時(shí)的散射過程。 核外電子對(duì)入射電子的散射主要是非 彈性的，每次散射的能量損失一般只 有幾個(gè)電子伏特，入射電子束方向的 改變也不大。 原子核對(duì)電子的散射可分為彈性和 非彈性兩類，其中彈性散射是電子 衍射的基礎(chǔ)。 非彈性散射與彈性散射的比值由原子序數(shù)Z決定，即電 子在物質(zhì)中的非彈性散射部分僅為彈性

3、部分的1/Z，原 子序數(shù)愈大的原子，非彈性散射的比列愈小。 物質(zhì)原子對(duì)電子的散射物質(zhì)原子對(duì)電子的散射 sin )( 2 )( 2 2 2 2 x e fZ h me f 原子散射因數(shù)隨散射角增大而單調(diào)減小，隨波長 減?。铀匐妷涸黾樱┒鴾p小。 原子散射因數(shù)原子散射因數(shù) 對(duì)照對(duì)照X-ray原子散射因數(shù)，理解原子散射因數(shù)，理解 電子衍射電子衍射 電子衍射光路電子衍射光路 電子衍射花樣電子衍射花樣 多晶體多晶體 單晶體單晶體 厄瓦爾德球圖解衍射幾何厄瓦爾德球圖解衍射幾何 滿足衍射幾何條件 （布拉格公式）和 物理?xiàng)l件（結(jié)構(gòu)因 子） 電子衍射和X射線衍射相同之處 正空間點(diǎn)陣基矢量 a、b、c 倒空間點(diǎn)陣

4、基矢量 a*、b*、c* 定義： aa*=bb*=cc*=1 ab*=a*b=bc*=b*c=ca*=c*a=0 正空間點(diǎn)陣體積 V=a(bxc) a*= bxc/V, b*= cxa/V, c*= axb/V 倒易點(diǎn)陣知識(shí)回顧 倒易點(diǎn)陣是晶體幾何學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)衍射分析、 衍射物理和固體物理中應(yīng)用廣泛的概念。 倒易點(diǎn)陣的性質(zhì)倒易點(diǎn)陣的性質(zhì) 倒易矢量的性質(zhì)倒易矢量的性質(zhì) 倒易矢量垂直于正空間同名的點(diǎn)陣平面。倒易矢量垂直于正空間同名的點(diǎn)陣平面。 倒易矢量長度等于正空間點(diǎn)陣平面面間距倒易矢量長度等于正空間點(diǎn)陣平面面間距 的倒數(shù)。的倒數(shù)。 cbaglkh hkl 倒易點(diǎn)陣倒易點(diǎn)陣 )(*hklhkl h

5、kl hkl d 1 g 晶帶定理和零層倒易面 倒易點(diǎn)陣中的一個(gè)過原點(diǎn)倒易點(diǎn)陣中的一個(gè)過原點(diǎn) 的面（零層倒易面），對(duì)的面（零層倒易面），對(duì) 應(yīng)著正點(diǎn)陣中的一個(gè)晶帶。應(yīng)著正點(diǎn)陣中的一個(gè)晶帶。 滿足布拉格方程只是晶 體對(duì)電子散射產(chǎn)生衍射 的必要條件，而不是充 分條件。 電子衍射電子衍射 衍射幾何：與衍射幾何：與X射線衍射相比，電子衍射同樣射線衍射相比，電子衍射同樣 遵從布拉格方程遵從布拉格方程 四種基本類型點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光規(guī)律 點(diǎn)陣點(diǎn)陣出現(xiàn)的反射出現(xiàn)的反射消光規(guī)律消光規(guī)律 簡單點(diǎn)陣簡單點(diǎn)陣(P)全部全部無無 底心點(diǎn)陣底心點(diǎn)陣(C)h, k 全奇或全偶全奇或全偶h, k 奇偶混雜奇偶混雜 體心點(diǎn)陣體心

6、點(diǎn)陣(I)h+k+l 為偶數(shù)為偶數(shù)h+k+l 為奇數(shù)為奇數(shù) 面心點(diǎn)陣面心點(diǎn)陣(F)h, k, l 全奇或全偶全奇或全偶h, k, l 奇偶混雜奇偶混雜 與X射線衍射對(duì)比，電子衍射的特點(diǎn) 1、原子對(duì)電子的散射能力遠(yuǎn)大于對(duì)、原子對(duì)電子的散射能力遠(yuǎn)大于對(duì)X射線的散射線的散 射能力，電子衍射束的強(qiáng)度較大。射能力，電子衍射束的強(qiáng)度較大。 2、電子的波長很短，衍射角很?。s為、電子的波長很短，衍射角很?。s為10-2 rad） 3、電子波長很短，厄瓦爾德反射球半徑很大，、電子波長很短，厄瓦爾德反射球半徑很大， 在衍射角較小的范圍內(nèi)，反射球的球面可近在衍射角較小的范圍內(nèi)，反射球的球面可近 似為平面，電子衍射

7、斑點(diǎn)分布在一個(gè)二維倒似為平面，電子衍射斑點(diǎn)分布在一個(gè)二維倒 易截面內(nèi)。易截面內(nèi)。 4、薄晶試樣的影響，倒易陣點(diǎn)拉長為倒易桿，增、薄晶試樣的影響，倒易陣點(diǎn)拉長為倒易桿，增 加了倒易陣點(diǎn)與厄瓦爾德球相交的機(jī)會(huì)。加了倒易陣點(diǎn)與厄瓦爾德球相交的機(jī)會(huì)。 對(duì)應(yīng)于某一晶帶軸，u v w，其零層倒易面 上的各倒易陣點(diǎn)的指數(shù)，滿足兩個(gè)條件 1、0lwkvhu 2、無系統(tǒng)消光的晶面， 才有對(duì)應(yīng)的倒易陣點(diǎn) 晶體形狀對(duì)電子衍射的影響 有限大小的晶體導(dǎo)致其倒易陣點(diǎn)寬化；有限大小的晶體導(dǎo)致其倒易陣點(diǎn)寬化； 晶體是一個(gè)長度為晶體是一個(gè)長度為l的一維生長的晶須，其倒的一維生長的晶須，其倒 易陣點(diǎn)在與晶須垂直的平面內(nèi)延展成一個(gè)

8、厚易陣點(diǎn)在與晶須垂直的平面內(nèi)延展成一個(gè)厚 度為度為2/l的二維倒易薄片；的二維倒易薄片； 晶體是一個(gè)厚度為晶體是一個(gè)厚度為t的二維晶體薄片，倒易陣的二維晶體薄片，倒易陣 點(diǎn)在此晶片的法線方向拉長成一個(gè)長度為點(diǎn)在此晶片的法線方向拉長成一個(gè)長度為2/t 的倒易桿；考慮衍射強(qiáng)度的變化，可以認(rèn)為的倒易桿；考慮衍射強(qiáng)度的變化，可以認(rèn)為 有效的倒易桿長度為有效的倒易桿長度為1/t 。 倒易陣點(diǎn)的變化倒易陣點(diǎn)的變化 倒易陣點(diǎn)是數(shù)學(xué)意義的幾何點(diǎn)倒易陣點(diǎn)是數(shù)學(xué)意義的幾何點(diǎn) 真實(shí)晶體的大小都是有限的，相真實(shí)晶體的大小都是有限的，相 應(yīng)的倒易陣點(diǎn)變?yōu)榫哂幸欢ù笮?yīng)的倒易陣點(diǎn)變?yōu)榫哂幸欢ù笮?和幾何形狀的倒易體。和幾

9、何形狀的倒易體。 與X射線衍射對(duì)比，電子衍射的特點(diǎn) 1、原子對(duì)電子的散射能力遠(yuǎn)大于對(duì)、原子對(duì)電子的散射能力遠(yuǎn)大于對(duì)X射線的散射線的散 射能力，電子衍射束的強(qiáng)度較大。射能力，電子衍射束的強(qiáng)度較大。 2、電子的波長很短，衍射角很小（約為、電子的波長很短，衍射角很?。s為10-2 rad） 3、電子波長很短，厄瓦爾德反射球半徑很大，、電子波長很短，厄瓦爾德反射球半徑很大， 在衍射角較小的范圍內(nèi)，反射球的球面可近在衍射角較小的范圍內(nèi)，反射球的球面可近 似為平面，電子衍射斑點(diǎn)分布在一個(gè)二維倒似為平面，電子衍射斑點(diǎn)分布在一個(gè)二維倒 易截面內(nèi)。易截面內(nèi)。 4、薄晶試樣的影響，倒易陣點(diǎn)拉長為倒易桿，增、薄晶試

10、樣的影響，倒易陣點(diǎn)拉長為倒易桿，增 加了倒易陣點(diǎn)與厄瓦爾德球相交的機(jī)會(huì)。加了倒易陣點(diǎn)與厄瓦爾德球相交的機(jī)會(huì)。 偏離矢量 S 大小：倒易桿中心到倒易桿與 厄瓦爾德球面交截點(diǎn)的距離 方向：由倒易陣點(diǎn)中心指向球 面為其方向。 S: 表示倒易陣點(diǎn)到厄瓦爾德球面距離的參量，稱為偏表示倒易陣點(diǎn)到厄瓦爾德球面距離的參量，稱為偏 離矢量。倒易陣點(diǎn)在厄瓦爾德球的內(nèi)側(cè)時(shí)，定義離矢量。倒易陣點(diǎn)在厄瓦爾德球的內(nèi)側(cè)時(shí)，定義s為為 正；而倒易陣點(diǎn)在厄瓦爾球的外側(cè)時(shí)，定義正；而倒易陣點(diǎn)在厄瓦爾球的外側(cè)時(shí)，定義s為負(fù)。為負(fù)。 s 0時(shí)，為精確地符合布拉格條件，此時(shí)在 倒易陣點(diǎn)中心處有最大的衍射強(qiáng)度 入射電子束嚴(yán)格平行晶帶軸

11、衍射圖 即使倒易陣點(diǎn)中心不落在厄瓦爾德球球面上， 倒易陣點(diǎn)的擴(kuò)展部分與厄瓦爾德球相截也能 產(chǎn)生衍射 入射電子束偏離晶帶軸 衍射圖 倒易點(diǎn)陣，是用衍射花樣分析晶體點(diǎn)陣 和結(jié)構(gòu)的橋梁。 如何理解上述說法？如何理解上述說法？ RdL 相機(jī)常數(shù) L 相機(jī)長度 L 電子衍射基本公式 推導(dǎo)出： 電子衍射公式的另一種表示方式 R(L)gKg 衍射斑點(diǎn)R矢量就是產(chǎn)生這一斑點(diǎn)晶面組的倒易矢 量g的比例放大。 單晶花樣中的斑點(diǎn)可以直接被看成是相應(yīng)衍射晶面 的倒易陣點(diǎn)，各個(gè)斑點(diǎn)的R矢量也就是相應(yīng)的倒易 矢量g。 因此，兩個(gè)衍射斑點(diǎn)坐標(biāo)矢量R之間的夾角就等于 產(chǎn)生衍射的兩個(gè)晶面之間的夾角。 當(dāng)加速電壓一定時(shí)，電子波長

12、就是恒定值， 這時(shí)相機(jī)長度L與電子波長的乘積為常數(shù)： K=L（相機(jī)常數(shù)） 若已知相機(jī)常數(shù)K，即可從花樣上斑點(diǎn)（或 環(huán)）測(cè)得的R值計(jì)算出衍射晶面組（或晶面 族）得d值： dL/RK/R 中間鏡所處的狀態(tài)： 改變中間鏡的電流就可使中間鏡的物平面上下移動(dòng)。 中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合即為成像方式， 與物鏡的背焦面重合即為衍射方式。 成像方式與衍射方式成像方式與衍射方式 磁轉(zhuǎn)角：衍射花樣和形貌圖像之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角 原因：電子在電磁透鏡作用下的運(yùn)動(dòng)方式 選區(qū)電子衍射（選區(qū)電子衍射（selected-area diffraction） 只有在AB微區(qū)以內(nèi)物點(diǎn)散射的電子束可以通過選 區(qū)光闌孔徑進(jìn)入下面透

13、鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了選區(qū)形貌 觀察和電子衍射結(jié)構(gòu)分析的微區(qū)對(duì)應(yīng)。 多晶體電子衍射多晶體電子衍射 晶面間距不同的晶面族 產(chǎn)生衍射得到以中心斑 點(diǎn)為圓心的不同半徑的 圓環(huán)。 NiFe多晶薄膜的電子衍射 如果選區(qū)光闌套住的多晶顆粒足夠多，就能獲得比較 完整、連續(xù)的環(huán)花樣。如果粒子不十分多，得到的是 不連續(xù)的環(huán)花樣。 確定各個(gè)產(chǎn)生衍射環(huán)的晶面族hkl指數(shù)； 獲得晶體點(diǎn)陣類型和點(diǎn)陣常數(shù)。 多晶樣品電子衍射花樣的標(biāo)定多晶樣品電子衍射花樣的標(biāo)定 以立方晶系為例， 222 lkh a d 對(duì)于同一物相，同一衍射花樣的各衍射環(huán)： : )( : )(: 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 l

14、khlkhRR RdL 電子衍射基本公式：電子衍射基本公式： 簡單立方結(jié)構(gòu)：1，2，3，4，5，6，8，10， 體心立方結(jié)構(gòu)：2，4，6，8，10，12，14，16， 面心立方結(jié)構(gòu)：3，4，8，11，12，16，19，20， 金剛石結(jié)構(gòu)：3，8，11，16，19，24， 由于結(jié)構(gòu)因數(shù)的原因，立方晶系中不同結(jié)構(gòu) 類型，衍射可能出現(xiàn)的N值： 金多晶花樣標(biāo)定相機(jī)常數(shù)分析計(jì)算結(jié)果 6 1 )nmmm(339. 26/ i iid RK 多晶花樣標(biāo)定舉例多晶花樣標(biāo)定舉例 除了其斑點(diǎn)按一定規(guī)則排列外，另一個(gè)特點(diǎn) 是，花樣中出現(xiàn)了大量的、強(qiáng)度不同的衍射 斑點(diǎn)。 單晶電子衍射花樣單晶電子衍射花樣 另一方面還受

15、實(shí)驗(yàn)條件所影響，即受到偏離參量s 值的影響。 電子衍射斑點(diǎn)的強(qiáng)度 一方面與晶體本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。若(hkl)晶面的結(jié)構(gòu)振 幅大，所獲衍射強(qiáng)度大；若結(jié)構(gòu)振幅小，則衍射強(qiáng) 度弱；如果結(jié)構(gòu)振幅等于零，則不能產(chǎn)生衍射。 面心立方單晶，其001方向平行于 入射束； 結(jié)構(gòu)振幅等于零的衍射晶面，不能 產(chǎn)生衍射； 零層倒易平面的放大像； 圖中的B矢量稱為入射電子束方向， 但它定義為實(shí)際電子束入射方向k的 反方向矢量。 * 0 )001( 樣品傾轉(zhuǎn) 單晶體電子衍射圖的指標(biāo)化單晶體電子衍射圖的指標(biāo)化 每一個(gè)衍射電子束對(duì)應(yīng)一個(gè)晶面族，對(duì)電 子衍射圖的指標(biāo)化就是確定每一個(gè)衍射電子 束對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)。 一張電子衍射圖相當(dāng)于

16、一個(gè)放大了的倒易 點(diǎn)陣面，對(duì)電子衍射圖的指標(biāo)化就轉(zhuǎn)化為對(duì) 這個(gè)倒易面上的倒易陣點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)標(biāo)定。 已知相機(jī)常數(shù)（已知相機(jī)常數(shù)（L ）和晶體結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu) 1、取不共線的三個(gè)斑點(diǎn)， 分別為最短、次最短、 第三短。即選擇靠近 中心斑點(diǎn)而且不在一 條直線上的幾個(gè)斑點(diǎn)A、 B、C，測(cè)量R值。 相機(jī)常數(shù)K1.41 mmnm R1=7.1 mm，R210.0 mm R312.3 mm； R矢量之間夾角的測(cè)量值為： R1與R2約90，R1與R3約55 2、根據(jù)衍射基本公式，求出相應(yīng)的晶 面間距d1, d2, d3。 RdL 3、根據(jù)求出的d1, d2, d3，確 定出h1 k1 l1, h2 k2 l2, h

17、3 k3 l3 如：最短矢量的A斑點(diǎn) 對(duì)應(yīng)晶面族為110 4、選定h1 k1 l1等同晶面中的一個(gè)（ h1 k1 l1 ） 如：最短矢量的A斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的晶面族 110共有12個(gè)晶面，任選一指數(shù)， 如（1-10） 5、根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)，選用相應(yīng) 的晶面夾角公式，確定 （ h2 k2 l2 ）。 如：B斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的晶面 指數(shù)（002） 6、按矢量運(yùn)算求出其它指數(shù) 7、根據(jù)晶面夾角公式，驗(yàn)算正確性 如：驗(yàn)證（1-10）和（1-12）夾角 8、根據(jù)晶帶定律，確定晶 帶軸的方向指數(shù)u v w 22 11 22 11 22 11 : kh kh hl hl lk lk 0lwkvhu 標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照法 觀察記錄的衍

18、射花樣，直接與標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照， 寫出斑點(diǎn)指數(shù)和晶帶軸方向。 標(biāo)準(zhǔn)花樣在哪里？ 如何對(duì)比？ 對(duì)比測(cè)量R值的比值規(guī)律 對(duì)比R矢量（晶面）之間的夾角 復(fù)雜電子衍射花樣分析復(fù)雜電子衍射花樣分析 超點(diǎn)陣超點(diǎn)陣 AuCu3 無序相無序相 有序相有序相 n j jjjjjjj n j lzkyhxi j n j i j e b HKL lzkyhxilzkyhxf efef A A F jjjj 1 1 )(2 1 )(2sin)(2cos )(cos)(cos)(cos1 lhlkkhfFhkl 面心立方面心立方 h, k, l 奇偶混雜時(shí)，奇偶混雜時(shí)， h, k, l 全奇全偶時(shí)，全奇全偶時(shí)， AuCu3無序相無序相 )(cos)