電子衍射及衍射花樣標定

1、電子衍射及衍射電子衍射及衍射花樣標定花樣標定主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2.2.電子電子顯微鏡中的電子衍射顯微鏡中的電子衍射3.3.多晶體多晶體電子衍射花樣電子衍射花樣1.1.電子衍射的原理電子衍射的原理 4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定5 5. .復雜復雜電子衍射花樣電子衍射花樣電子衍射花樣特征電子衍射花樣特征u電子束照射電子束照射單晶體： 一般為斑點花樣；多晶體： 同心圓環(huán)狀花樣；織構樣品：弧狀花樣；無定形試樣（準晶、非晶）：彌散環(huán)。1.1.電子衍射的原理電子衍射的原理 1 1）斑點花樣斑點花樣：平行入射束與單晶作用產(chǎn)生斑點狀平行入射束與單晶作用產(chǎn)生斑點狀 花樣；主要用于確定第二

2、象、孿晶、有序化、調(diào)幅結構、花樣；主要用于確定第二象、孿晶、有序化、調(diào)幅結構、取向關系、成象衍射條件；取向關系、成象衍射條件；2 2）菊池線花樣菊池線花樣：平行入射束經(jīng)單晶非彈性散射失去很少能量，平行入射束經(jīng)單晶非彈性散射失去很少能量，隨之又遭到彈性散射而產(chǎn)生線狀花樣；主要用于襯度分析、隨之又遭到彈性散射而產(chǎn)生線狀花樣；主要用于襯度分析、結構分析、相變分析以及晶體的精確取向、布拉格位置偏結構分析、相變分析以及晶體的精確取向、布拉格位置偏移矢量、電子波長的測定等；移矢量、電子波長的測定等；3 3）會聚束花樣會聚束花樣：會聚束與單晶作用產(chǎn)生盤、線狀花樣；可以會聚束與單晶作用產(chǎn)生盤、線狀花樣；可以用

3、來確定晶體試樣的厚度、強度分布、取向、點群、空間用來確定晶體試樣的厚度、強度分布、取向、點群、空間群以及晶體缺陷等。群以及晶體缺陷等。1.1.電子衍射的原理電子衍射的原理 u衍射花樣的分類衍射花樣的分類112 2q qd1oo gg rl試樣試樣入射束入射束厄瓦爾德球厄瓦爾德球倒易點陣倒易點陣底板底板 電子衍射花樣形成示意圖電子衍射花樣形成示意圖1.1.電子衍射的原理電子衍射的原理 vbraggbragg定律：定律：2d sin=2d sin=d = 晶面間距 電子波長 = bragg 衍射角v衍射花樣投影距離：衍射花樣投影距離：當很小 tan22 sin rd=l=rd=l=常數(shù)常數(shù)q2ta

4、nlr rogq qq qq qgld1.1.電子衍射的原理電子衍射的原理 u衍射花樣與晶體的幾何關系衍射花樣與晶體的幾何關系v 利用金膜測定相機常數(shù)利用金膜測定相機常數(shù)由里至外測量由里至外測量r r，找到對應的，找到對應的d,d,根據(jù)根據(jù)rd= l rd= l 測得測得200kv200kv得到金環(huán)，由內(nèi)到外直徑得到金環(huán)，由內(nèi)到外直徑2r2r依次為：依次為：17.46mm,20.06mm,28.64mm,33.48mm;17.46mm,20.06mm,28.64mm,33.48mm;對應指數(shù)（對應指數(shù)（111111），），（200200），（），（220220），（），（311311）；）；對

5、應面間距對應面間距d d分別為分別為0.2355nm,0.2039nm,0.1442nm,0.1230nm0.2355nm,0.2039nm,0.1442nm,0.1230nm k=rdk=rd2 2. .電子電子顯微鏡中的電子衍射顯微鏡中的電子衍射u相機常數(shù)測定相機常數(shù)測定 選區(qū)衍射就是在樣品上選擇一個感興趣的區(qū)域，并限制其大小，得到該微區(qū)電子衍射圖的方法。也稱微區(qū)衍射。兩種方法：兩種方法：v光闌選區(qū)衍射（光闌選區(qū)衍射（le poolle pool方式）方式）-用位于物鏡象平面上的選區(qū)光闌限制微區(qū)大小。先在明場象上找到感興趣的微區(qū)，將其移到熒光屏中心，再用選區(qū)光闌套住微區(qū)而將其余部分擋掉。理

6、論上，這種選區(qū)的極限0.5m。v微束選區(qū)衍射微束選區(qū)衍射 -用微細的入射束直接在樣品上選擇感興趣部位獲得該微區(qū)衍射像。電子束可聚焦很細，所選微區(qū)可小于0.5m ?？捎糜谘芯课⑿∥龀鱿嗪蛦蝹€晶體缺陷等。目前已發(fā)展成為微束衍射技術。u選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射2 2. .電子電子顯微鏡中的電子衍射顯微鏡中的電子衍射花樣分析分為兩類：花樣分析分為兩類：一是結構已知，確定晶體缺陷及有關數(shù)據(jù)或相關一是結構已知，確定晶體缺陷及有關數(shù)據(jù)或相關過程中的取向關系；過程中的取向關系；二是結構未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標定是基二是結構未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標定是基礎。礎。u電子衍射花樣電子衍射花樣2 2. .電子

7、電子顯微鏡中的電子衍射顯微鏡中的電子衍射u花樣花樣 與與x x射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由一系列不同一系列不同半徑的同心圓環(huán)半徑的同心圓環(huán)組成，是由組成，是由輻照區(qū)內(nèi)大量取向雜亂無章的細輻照區(qū)內(nèi)大量取向雜亂無章的細小晶體顆粒小晶體顆粒產(chǎn)生，產(chǎn)生，d d值相同的同一值相同的同一(hkl)(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構成以入射束為軸，束，構成以入射束為軸，2 2為半頂角的園錐面，它與照相為半頂角的園錐面，它與照相底板的交線即為半徑為底板的交線即為半徑為r=lr=l/d/dk/dk/d的的圓圓環(huán)環(huán)。r r和和1/d1/d存在簡單的正比

8、關系存在簡單的正比關系對立方晶系：對立方晶系：1/d1/d2 2= =（h h2 2+k+k2 2+l+l2 2）/a/a2 2n/an/a2 2通過通過r r2 2比值確定環(huán)指數(shù)和點陣類型。比值確定環(huán)指數(shù)和點陣類型。3.3.多晶體多晶體電子衍射花樣電子衍射花樣a)晶體結構已知：測r、算r2、分析r2比值的遞增規(guī) 律，定n，求(hkl)和a 。 如已知k,也可由d=k/r求d對照astm求(hkl)。b)晶體結構未知：測r、算r2、r22r12，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律、根據(jù)消光規(guī)律確定晶體結構類型、寫出衍射環(huán)指數(shù)(hkl)，算a。如已知k,也可由d=k/r求d對照astm求(hkl)和a,確定

9、樣品物相。已知晶體結構，標定相機常數(shù)，一般用au, fcc, a=0.407nm，也可用內(nèi)標。物相鑒定：大量彌散的萃取復型粒子或其它粉末粒子。3.3.多晶體多晶體電子衍射花樣電子衍射花樣u分析方法分析方法u主要用途主要用途 基本任務基本任務v確定花樣中斑點的指數(shù)及其晶帶軸方向uvw；v確定樣品的點陣類型、物相和位向。 一般分析任務可分為兩大類：一般分析任務可分為兩大類：v測定新結構，這種結構的參數(shù)是完全未知的，在astm卡片中和其它文獻中都找不到；v鑒定舊結構，這種結構的參數(shù)前人已作過測定，要求在這些已知結構中找出符合的結構來。4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定u單晶花樣分析

10、的任務單晶花樣分析的任務 主要方法有：主要方法有： 嘗試校核法嘗試校核法 標準花樣對照法標準花樣對照法 標定步驟：標定步驟：v 1 1）選擇靠近中心且不在一直線上）選擇靠近中心且不在一直線上 的幾個斑點，測量它們的的幾個斑點，測量它們的r r值；值；v 2 2）利用）利用r r2 2比值的遞增規(guī)律確定點陣類型和這幾個斑點所屬的晶面比值的遞增規(guī)律確定點陣類型和這幾個斑點所屬的晶面族指數(shù)族指數(shù)hklhkl。 如果已知樣品和相機常數(shù)，可分別計算產(chǎn)生這幾個斑點的晶面如果已知樣品和相機常數(shù)，可分別計算產(chǎn)生這幾個斑點的晶面間距（間距（r rk kd d），并與標準），并與標準d d值比較直接寫出值比較直接

11、寫出hklhkl；4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定u單晶電子衍射花樣的指數(shù)化標定基本程序v 3 3）進一步確定晶面組指數(shù)（）進一步確定晶面組指數(shù)（hklhkl）。）。 嘗試校核法：嘗試校核法：首先根據(jù)斑點所屬的首先根據(jù)斑點所屬的hkl,hkl,任意假定其中一個任意假定其中一個斑點的指數(shù)，如斑點的指數(shù)，如h1k1l1，再根據(jù)，再根據(jù) 和和 的夾角測量值與計算的夾角測量值與計算值相符的原則，確定第二個斑點的指數(shù)值相符的原則，確定第二個斑點的指數(shù)h h2 2k k2 2l l2 2。夾角可通過計算或查表得到。 立方體的夾角計算公式：v 4 4）其余斑點的指數(shù)，可由）其余斑點的指數(shù)

12、，可由 的矢量運算得到，必要時也應反復驗算的矢量運算得到，必要時也應反復驗算夾角。夾角。1r2r)(cos222222212121212121lkhlkhl lkkhhr33333333213213213213,llkkhhrrlllkkkhhhrrr4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定求晶帶軸指數(shù)求晶帶軸指數(shù)：逆時針法則逆時針法則 11 1h k l22 2h k lf排列按逆時針排列按逆時針v5 5）任取不在同直線上的兩個斑點）任取不在同直線上的兩個斑點 （如（如h h1 1k k1 1l l1 1和和h h2 2k k2 2l l2 2 ） 確定晶帶軸指數(shù)確定晶帶軸指數(shù)u

13、vwuvw。wvullkhlkkhlkhhrruvw212222111121214 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定電子衍射斑點花樣的幾何圖形：電子衍射斑點花樣的幾何圖形：可能歸屬可能歸屬 立方，四方立方，四方六方、三方、立方六方、三方、立方單斜、正交、四方、六方、單斜、正交、四方、六方、三方、立方三方、立方（除三斜）（除三斜）單斜、正交、四方、六方單斜、正交、四方、六方三方、立方三方、立方（除三斜）（除三斜）（1 1）正方形）正方形（2 2）正六角形）正六角形（3 3）有心矩形）有心矩形000010001（4 4）矩形）矩形（5 5）平行四邊形）平行四邊形三斜、單斜、正交、四

14、方、六三斜、單斜、正交、四方、六方、三方、立方方、三方、立方（所有）（所有）4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定v 例1，如圖為某一電子衍射花樣，試標定。已知，ra=7.3mm，rb=12.7mm，rc=12.6mm，rd=14.6mm，re=16.4mm，=73； 加速電壓200kv，相機長度800mm。000abedc4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定u單晶電子衍射花樣標定實例單晶電子衍射花樣標定實例3111011211011213173gg112110驗證0.388nma311311數(shù)此為體心立方，點陣常），或倒易面為（晶帶軸為斑點編號斑點編號 a b

15、c d er/mm 7.3 12.7 12.6 14.6 16.4r2 53.29 161.29 158.76 213.16 268.96rj2/ ra2 1 3.03 2.98 4 5.05(rj2/ ra2 ) 2 2 6.05 5.96 8 10.1n 2 6 6 8 10hkl 110 211 211 220 310hkl 110 220 3014 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定112121v例例2 2：下圖為某物質(zhì)的電子衍射花樣：下圖為某物質(zhì)的電子衍射花樣 ，試指標化并求其晶，試指標化并求其晶胞參數(shù)和晶帶方向。胞參數(shù)和晶帶方向。 r ra a7.1mm, r7.1m

16、m, rb b10.0mm, r10.0mm, rc c=12.3mm, =12.3mm, (r(ra ar rb b） 9090o o, , (r(ra ar rc c） 5555o o , l , l 14.1mm 14.1mm . .4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定ca 002000b211011211200211101121解解1 1：1）從6:4:2:321222nnnrrrcba可知為等軸體心結構。2 ）從 rd=l, 可得 da=1.99 ，db=1.41 , dc=1.15 .3 ）查 astm 卡片， 該物質(zhì)為 fe. 從 astm 可知 da=110,

17、db=200, dc=211. 選 a= , b=002, c= 2110114 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定ca002000b2110112112002111011214)檢查夾角：007 .54, 31cos,90, 0cosacacabab4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定 與測量值一致。5)對各衍射點指標化如右：6 )a= 2db=2.83 , 7)可得到 uvw=220. 晶帶軸為 uvw=110。ca002000b211011211200211101121解解2 2：1）由可知為等軸體心結構。 2）因為 n=2在a， 所以 a 為 110, 并

18、假定點 a 為 011因為 n=4在b， 所以 b 為 200,并假定點 b 為 200 6:4:2:321222nnnrrrcba4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定3）計算夾角：0222222212121212121452242000121coslkhlkhl lkkhhab與測量值不一致。測量值(rarb）90o4 ）假定b 為 002,與測量值一致。 所以 a= and b=002011由矢量合成法， 得知：211002011bacrrr5）算出 (rarc)=57.74o 與測量值一致（ 55o）.4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定6）對各衍射點指標

19、化如下 。7） a= 2db=2.83 , 8） find uvw= =11021gg4 4. .單晶單晶電子衍射花樣標定電子衍射花樣標定ca002000b211011211200211101121u雙晶帶引起的斑點花樣雙晶帶引起的斑點花樣u高階勞厄斑點高階勞厄斑點u超點陣斑點超點陣斑點u二次衍射斑點二次衍射斑點u孿晶斑點孿晶斑點u菊池衍射花樣菊池衍射花樣簡單花樣簡單花樣：單質(zhì)或均勻固溶體的散射，由近似平行于：單質(zhì)或均勻固溶體的散射，由近似平行于 b b的晶帶軸所產(chǎn)生的晶帶軸所產(chǎn)生復雜花樣復雜花樣：在簡單花樣中出現(xiàn)許多：在簡單花樣中出現(xiàn)許多“額外斑點額外斑點”，分，分析析 目的在于辯認額外信息

20、，排除干擾。目的在于辯認額外信息，排除干擾。5 5. .復雜復雜電子衍射花樣電子衍射花樣原因：原因：ewald球是一個有一定曲率的球面，可能使兩個晶帶軸指數(shù)相差不大的晶帶的0層倒易面同時與球面相截，產(chǎn)生分屬于兩個晶帶的兩套衍射斑點。產(chǎn)生些情況必須具備的條件為：r r1 1,r,r2 2夾角很?。籫 g1 1.r.r2 2 0, g 0, g2 2.r.r1 100圖圖 鐵素體電子衍射花樣鐵素體電子衍射花樣現(xiàn)象：現(xiàn)象：一邊一套衍射斑（右圖）標定方法標定方法：同簡單花樣。驗證標定結果采用上述必備條件。5 5. .復雜復雜電子衍射花樣電子衍射花樣u雙晶帶引起的斑點花樣雙晶帶引起的斑點花樣l 點陣常數(shù)

21、較大的晶體，其倒易點陣的倒易面間距較小，如果晶體很薄，則倒易桿很長，因此與厄瓦爾德球面相交的不只是零層倒易面，其上層或下層的倒易平面上倒易桿均有可能和厄瓦爾德球面相交，從而形成高階勞厄區(qū)，如圖。l 高階勞厄斑點并不構成一個晶帶，它們符合廣義晶帶定律。由于高階斑點和零層斑點分布規(guī)律相同，因此只要求出它們之間的水平位移矢量，便可對高階勞厄區(qū)斑點進行標定。l 高階勞厄斑點可以給出晶體更多的信息，如可消除180度不唯一性和測定晶體厚度。5 5. .復雜復雜電子衍射花樣電子衍射花樣u高階勞厄斑點高階勞厄斑點l 當晶體內(nèi)部的原子或離子產(chǎn)生有規(guī)律的位移或不同種原子產(chǎn)生有序排列時，將引起其電子衍射結果的變化，即可以使本來消