現(xiàn)代材料分析技術(shù)

1、 總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí)1. 基本概念基本概念 (1) 成象理論成象理論 (2) 電子顯微鏡光路圖電子顯微鏡光路圖 (3) 圖像襯度圖像襯度 (4) 分辯力分辯力阿貝成象理論（Abbys Theory of Image Formation）圖像襯度（圖像襯度（Image Contrast）衍射襯度（衍射襯度（Diffraction contrast）: 常規(guī)電鏡常規(guī)電鏡 - 取決于衍射條件和物鏡光闌大小和位置取決于衍射條件和物鏡光闌大小和位置 襯度襯度 光闌大小光闌大小 分辯力分辯力相位襯度（相位襯度（Phase contrast）: HREM - 取決于取決于 PCTF, 也即也即 CS 和和 D D

2、f 分辯力（分辯力（Resolution）61. 0dd361. 0SCd4/14/1SoptC4/34/1min65. 0SCd衍射分辯率衍射分辯率:衍射和球差限制的分辯率衍射和球差限制的分辯率:21)(2 . 1SCf DD = 2f 衍射和色差限制的分辯率衍射和色差限制的分辯率:EECdCD61. 021)61. 0(EECCoptDD = 2f 球差和色差哪一個(gè)更重要球差和色差哪一個(gè)更重要?象散象散PCTF - 相位襯度傳遞函數(shù)相位襯度傳遞函數(shù)2. 電子衍射電子衍射2.1. 基本概念基本概念 (1) 厄瓦爾德球 (2) 衍射斑點(diǎn)的強(qiáng)度: (3) 衍射花樣的類型： 非晶試樣 晶體試樣:環(huán)

3、狀衍射花樣（Ring pattern）單晶斑點(diǎn)花樣（Single crystal spot pattern）菊池線花樣（Kikuchi line）),(gggsFfI (4) 電子衍射可提供的信息: 晶體結(jié)構(gòu) 晶體學(xué)信息： 相鑒定 第二相粒子形狀 衍襯條件的確定(5) X-射線衍射和電子衍射的比較 取向關(guān)系晶體學(xué)方向入射束方向與法線方向電子衍射與電子衍射與X射線衍射的比較射線衍射的比較 1.單原子散射的特性： （E）： 受原子核散射 （X）：受核外電子散射2.衍射波長(zhǎng)及衍射角： （E）：10-3 nm，衍射角2從03 （X）：10-1 nm，衍射角2從01803.衍射斑點(diǎn)強(qiáng)度4.輻射深度：(E

4、)：低于1m數(shù)量級(jí) (X)：低于100m數(shù)量級(jí)5.作用樣品體積：(E)： (X)：6.晶體位向測(cè)定精度： (E)：用斑點(diǎn)花樣測(cè)定，約3 (X)：優(yōu)于176XE1010 /II393mm 10m 1V3mm510.V相 似 性差 異 性1.波的疊加性導(dǎo)致： 布拉格公式 結(jié)構(gòu)因子 消光規(guī)律2.衍射花樣類型： 單晶花樣 多晶花樣3.單晶花樣能確定晶體位向注：（E）表示電子衍射，（X）表示X射線衍射。2.2 簡(jiǎn)單SAD花樣的標(biāo)定（Indexing of simple SAD patterns）2.2.1嘗試校核法（ Trier and error: ）2.2.2 已知相機(jī)常數(shù)法（Known camer

5、a constant）2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)衍射譜法（Standard diffraction patterns）2.2.4 計(jì)算機(jī)標(biāo)定法（Computer simulation）000h1k1l1h2k2l2h3k3l3R1R2R322222221212121221)(lkhlkhNNRR222222212121212121coslkhlkhllkkhh fcc : N=3, 4, 8, 11, 12, 16, 19,. bcc : N= 2, 4, 6, 8, 10, . B = R1 x R23. 衍射襯度理論衍射襯度理論3.1 基本假設(shè)基本假設(shè) 運(yùn)動(dòng)學(xué)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)理論動(dòng)力學(xué)理論動(dòng)力學(xué)理論 晶柱

6、假設(shè) 平面波假設(shè) 雙束近似 衍射束總是比透射束弱得多 電子只能衍射一次 不存在對(duì)電子的吸收晶柱假設(shè)平面波假設(shè)雙束近似雙束近似衍射束可以和透射束一樣強(qiáng)電子可以多次衍射電子吸收不可避免運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式 : tgggdzzisi02exp)/()(/fCosVcgexp)/)(/(gggggtsistsSini0222221)/()/(IstsSinIggggg3.2 公式動(dòng)力學(xué)理論（Dynamic Theory）:)2exp(000zisiidzdgggggggizisidzd)2exp(00樣品對(duì)電子的吸收:11gggi00011i00 均勻吸收系數(shù)（Unifo

7、rm absorption coefficient）gg 反常吸收系數(shù)（Abnormal absorption coefficient）如果 sg = 0, 則 |g |2 = (t/g)2 假定 g/ 則有 |g |2 1 這與能量守恒定律矛盾！即, 理論失效!所以, |sg| 0, or t 1/g, 那么 geffgss2222222222)()(gggeffgeffgggstsSinstsSin 運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是動(dòng)力學(xué)理論的一個(gè)特例 !3.3. 完整晶體的特征圖像)()(2222effgeffgggstsSin 厚度消光條紋 (厚度條紋) 彎曲消光條紋 彎曲條紋 彎曲中心當(dāng) t 變化時(shí):當(dāng)

8、 sg 變化時(shí):4. 晶體缺陷分析晶體缺陷分析5.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和動(dòng)力學(xué)公式運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和動(dòng)力學(xué)公式tgggdzRgzsii0)(2exp)(Rg 2gggidzd)/1 ()/()/(000ggggdzRdgsiidzd)/(2)/()/1 ()/(000運(yùn)動(dòng)學(xué)公式:動(dòng)力學(xué)公式:4.2 位錯(cuò)位錯(cuò) 4.2.1完全位錯(cuò) 不可見(jiàn)準(zhǔn)則 柏氏矢量的確定 完全位錯(cuò)的襯度特征： 位錯(cuò)核心一側(cè)的一條黑線 靠近表面的位錯(cuò) 襯度和圖像寬度2/ )()2(1bxyzTanbR0bg0bg)1 (42ln)1 (221 )1 (42)21(CosrubSinbbRe0ubg0ebg不可見(jiàn)準(zhǔn)則（不可見(jiàn)準(zhǔn)則（Invi

9、sibility Criteria）螺位錯(cuò)（ screw dislocations）:可見(jiàn)（Visible）不可見(jiàn)（Invisible）刃位錯(cuò)（ edge dislocations）:and混合位錯(cuò)（ mixed dislocations）:0bg0ebg0ubg不可見(jiàn)（Invisible）不可見(jiàn)（Invisible）3Imgaged2/122)1 ( 3/3/gggeffgsdImage width of dislocationsS = 0S 0tgggdzRgzsii0)(2exp)(Rg 2gggidzd)/1 ()/()/(000ggggdzRdgsiidzd)/(2)/()/1 ()

10、/(000運(yùn)動(dòng)學(xué)理論:動(dòng)力學(xué)理論:4.2.2 弱束暗場(chǎng)技術(shù)弱束暗場(chǎng)技術(shù)For the Edwald sphere cutting the low of systematic reflections g at ng (n not necessary integer), the value of s is given by s = (n-1) g2 / 2K where K = 1/1210As5ggsw實(shí)驗(yàn)條件4.2.3 不全位錯(cuò)不全位錯(cuò) 非常復(fù)雜，襯度還受層錯(cuò)的影響！非常復(fù)雜，襯度還受層錯(cuò)的影響！Partial dislocations in fcc crystals11261b11131b1

11、1061bShockley partialFrank partialStair-rod partial4.3 層錯(cuò)層錯(cuò)1）平行于薄膜表面的層錯(cuò)襯度特征為，在衍襯像中有層錯(cuò)區(qū)域和無(wú)層錯(cuò)區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)不同的亮度，層錯(cuò)區(qū)域?qū)@示為均勻的亮區(qū)或暗區(qū)。2）傾斜于薄膜表面的層錯(cuò)，其襯度特征為層錯(cuò)區(qū)域出現(xiàn)平行的條紋襯度。 明場(chǎng) 對(duì)稱性，上下表面4.4 第二相粒子的襯度4.4.1 基體襯度（基體襯度（Matrix contrast）5. 高分辯電鏡（HREM）5.1. 入射束試樣交互作用入射束試樣交互作用振幅物（振幅物（Amplitude object）相位物（相位物（Phase object）相位物近似（相位物

12、近似（Phase object approximation）5.2. 分辯率極限（分辯率極限（Resolution Limit）(1) 像差（像差（Aberrations）(2) 分辯率極限（分辯率極限（Resolution limit） 衍射分辯率極限（衍射分辯率極限（diffraction limit） 球差球差(Cs）和衍射限制的分辯率極限）和衍射限制的分辯率極限 色差（色差（Cc）和衍射限制的分辯率極限）和衍射限制的分辯率極限Spherical aberration3ssCd Chromatic aberrationAstigmatism4/14/1SoptC4/34/1min65.

13、0SCd衍射和球差限制的分辯率衍射和球差限制的分辯率361. 0SCdD = 2f 物鏡光闌的大小不能隨意選取， 只有在最佳 尺寸時(shí)才能得到最高的分辯率 !相位襯度傳遞函數(shù)（相位襯度傳遞函數(shù)（Phase contrast transfer function)42(22)(42SCfuD我們定義:而 sin 叫作相位襯度傳遞函數(shù)(PCTF)Let u = / (u = 1/ ), 則有:)42(2)(432uCufSinuSinSD當(dāng) Sin(u) = -1時(shí)可得到最佳襯度效應(yīng)。EECdCD61. 021)61. 0(EECCoptDD = 2f 點(diǎn)分辯率（Point to point reso

14、lution）線分辯率（Line to line resolution）最佳欠佳量（Optimum defocus）:21)59. 02(DSCkfk = 1,2,3,4,.相位襯度（ phase contrast） : k 為奇數(shù)振幅襯度: k 為偶數(shù)高分辯電鏡圖像可提供的信息圖像模式 圖像內(nèi)容 可提供的信息 雙束點(diǎn)陣 相應(yīng)于點(diǎn)陣平面間距的條紋象 1） 面間距（必須使用內(nèi)標(biāo)）平面象 第二相粒子分析 粒子/基體取向關(guān)系 成份分布 有序化和超點(diǎn)陣 界面和晶界多束點(diǎn)陣象 與成象條件有關(guān) 除與1）相同外還有： 晶態(tài)非晶態(tài)轉(zhuǎn)變 相變 晶體缺陷結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)象 是晶體點(diǎn)陣沿入射束方向的投 表示晶體的真實(shí)結(jié)構(gòu)

15、影，在相位襯度傳遞函數(shù)第一 晶體缺陷的原子結(jié)構(gòu) 個(gè)零點(diǎn)范圍內(nèi)圖像與實(shí)際晶體 晶體缺陷的原子綴飾 結(jié)構(gòu)原子排列有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 6. 分析電鏡分析電鏡6.1 分析電鏡的能力6.2 AEM 微區(qū)分析6.3 EELS（不太成熟，應(yīng)用不普遍）優(yōu)良SEM影像的拍攝要點(diǎn)SEM的觀察的主要過(guò)程是：小倍率選區(qū)；高倍率放大；移動(dòng)樣品至適當(dāng)位置，調(diào)焦；調(diào)亮度和反差至最佳；拍攝。1.聚光鏡電流的選擇聚光鏡電流的選擇聚光鏡電流的大小將直接影響到電子束的亮度和光斑直徑的大小，也影響成像的分辨率和反差。在保證足夠的觀察條件、拍攝的亮度和反差的需要下，應(yīng)盡量使聚光鏡電流稍為大一些，以獲取較小的電子束流探針直徑，得到較高分辨率

16、；但聚光鏡電流又不可太大，太大則使電子束流能量太低，信號(hào)與噪聲的強(qiáng)度比（信噪比）下降，影像也會(huì)平淡無(wú)力,缺少立體感。故聚光鏡電流的調(diào)節(jié)應(yīng)和亮度與反差相配合。2.亮度和反差的調(diào)節(jié)亮度和反差的調(diào)節(jié)既不可一味追求高亮度，也不可一味追求高反差。這兩者要配合調(diào)節(jié)。高反差能增加立體感，但卻損失了許多細(xì)節(jié)，所以在保證較好反差的情況下，要調(diào)出足夠的灰度等級(jí)。SEM上常設(shè)有亮度及反差的調(diào)節(jié)指示表。操作者可根據(jù)指示表去調(diào)整，參照自己觀察對(duì)象的目的需要，適當(dāng)?shù)亟o予補(bǔ)償。3.加速電壓的選擇加速電壓的選擇加速電壓的提高，縱然可以增大電子束的能量，提高信噪比和反差，這只是一個(gè)單方面的因素，從另一方面考慮，也會(huì)增加背散射電

17、子的數(shù)目和電子束的穿透力,這樣影像中物體邊緣的銳利度會(huì)降低，也將使分辨力下降。 通常可以根據(jù)影像質(zhì)量和拍攝需要進(jìn)行選擇。4.樣品傾斜度和光闌孔徑的選擇樣品傾斜度和光闌孔徑的選擇樣品臺(tái)除可向X、Y方向移動(dòng)外，還可以做一定量的傾斜。傾斜樣品臺(tái)等于讓電子探針從側(cè)面轟擊樣品，就象日常拍攝照片時(shí)一樣，用側(cè)光比用正面光能得到更好的立體感。但傾斜面的兩側(cè)不在同一平面上，傾斜太多則不好兼顧聚焦，會(huì)造成兩側(cè)模糊，同時(shí)也會(huì)損失一些細(xì)節(jié)。光闌孔小時(shí)，能提高反差，增大立體感和景深范圍，但太小則損失能量多，光衍射增大，也會(huì)影響分辨率。5.消像散與聚焦消像散與聚焦存在像散時(shí)與聚焦不清是不一樣的。聚焦不清則使像的四周呈現(xiàn)同等程度的模糊。像散則 為影像邊緣沿某一方向被拉長(zhǎng)，四周的模糊程度并不均勻。像散與聚焦對(duì)成像質(zhì)量的影響同等重要。電鏡照片的拍攝要力求將像散消減到最小，聚焦達(dá)到最清晰微區(qū)分析（微區(qū)分析（Microanalysis）WDS 和 EDS的對(duì)比 WDS EDS 接收效率 低。立體接收角小，需要使用 高。立體接收角大，可以使用較小 較大束流 束流峰位分辯率 好（對(duì)Mo k為15eV) 較差（對(duì)Mo k為150eV） 峰位分離好 峰位重疊嚴(yán)重 信噪比（P/B)高 信噪比（P/B)低空間分辯率 塊體試樣：12mm 塊體試樣：12mm 薄膜試樣： 1020nm靈敏度 塊體試樣：0.001% 塊