材料測(cè)試與分析技術(shù)-72-電子衍射課件

7.1透射電子的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用7.2電子衍射7.3透射電子顯微分析樣品制備7.4薄晶體樣品的衍射成像原理第7章透射電子顯微分析7.1透射電子的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用第7章透射電子顯微分析7.2電子衍射

7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)

7.2.2選區(qū)電子衍射

7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜

7.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定

7.2電子衍射

電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射線完全相同，都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系，衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出。因此，許多問(wèn)題可用與X射線衍射相類(lèi)似的方法處理，即電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射線完全相同，都遵循布拉電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)

電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)。電子波長(zhǎng)短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點(diǎn)陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡(jiǎn)單。物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約為X射線一萬(wàn)倍，曝光時(shí)間短。電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)

電子衍射能在同一試樣上將形貌

不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強(qiáng)度分析變得復(fù)雜，不能像X射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來(lái)廣泛的測(cè)定結(jié)構(gòu)。由于電子波長(zhǎng)短，θ角小，測(cè)量斑點(diǎn)位置精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比X射線低，因此很難用于精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)。散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復(fù)雜。

不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)gR

物鏡后焦面上形成一幅斑點(diǎn)花樣經(jīng)物鏡下面的各透鏡再次放大后投射到觀察屏上，形成我們觀察到的衍射花樣。7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)gR物鏡后焦面上形電子衍射基本公式：Rhkldhkl=L(7-5)或Rhkl=Lghkl

(7-6)Rhkl：衍射斑與透射斑距離dhkl:(hikili)晶面間距：入射電子束波長(zhǎng)L：樣品到照相底板的距離ghkl:倒易矢量令K=L為相機(jī)常數(shù)，通?？梢岳媒鹉ぱ苌浠踊蛘呃靡阎w結(jié)構(gòu)單晶體的衍射花樣測(cè)定（具體見(jiàn)衍射花樣分析部分）。電子衍射基本公式：7.2.2選區(qū)電子衍射獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微束選區(qū)衍射，前者多在5平方微米以上，后者可在0.5平方微米以下，這里主要講述前者。光闌選區(qū)衍射是通過(guò)在物鏡像平面上插入選區(qū)光闌限制參加成像和衍射的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外，電鏡的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠做到選區(qū)衍射和選區(qū)成像的一致性。7.2.2選區(qū)電子衍射獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微

選區(qū)成像

選區(qū)衍射

選區(qū)成像

選區(qū)衍射選區(qū)形貌選區(qū)衍射斑點(diǎn)選區(qū)形貌選區(qū)衍射斑點(diǎn)選區(qū)衍射操作步驟：

1.插入選區(qū)光欄，套住欲分析的物相，調(diào)整中間鏡電流使選區(qū)光欄邊緣清晰，此時(shí)選區(qū)光欄平面與中間鏡物平面相重合；2.調(diào)整物鏡電流，使選區(qū)內(nèi)物像清晰，此時(shí)樣品的一次像正好落在選區(qū)光欄平面上，即物鏡像平面、中間鏡物面、光欄面三面重合；選區(qū)衍射操作步驟：

3.抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡背焦面，熒光屏上可觀察到放大的電子衍射花樣；

4.用中間鏡旋鈕調(diào)節(jié)中間鏡電流，使中心斑最小最圓，其余斑點(diǎn)明銳，此時(shí)中間鏡物面與物鏡背焦面相重合；

5.減弱第二聚光鏡電流，使投影到樣品上的入射束散焦（近似平行束），攝照（30s左右）。3.抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜1.單晶電子衍射譜7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜1.單晶電子衍射譜2.多晶電子衍射譜2.多晶電子衍射譜3.復(fù)雜電子衍射花樣100nm167mabcFig.6TEMmicrostructureofNo.2alloysafter350℃/6hhomogenizationa-darkfieldimageb-brightfieldimagec-electrondiffractionpattern3.復(fù)雜電子衍射花樣100nm167mabcFig.67.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定

花樣分析分為兩類(lèi)：

①結(jié)構(gòu)已知，確定晶體缺陷及有關(guān)數(shù)據(jù)或相關(guān)過(guò)程中的取向關(guān)系；

②結(jié)構(gòu)未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標(biāo)定是基礎(chǔ)。多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定復(fù)雜電子衍射花樣分析7.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定花樣分析分為兩類(lèi)：多晶體1）多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定

a.花樣

與X射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由一系列不同半徑的同心圓環(huán)組成，是由輻照區(qū)內(nèi)大量取向雜亂無(wú)章的細(xì)小晶體顆粒產(chǎn)生。

多晶體金試樣的衍射花樣1）多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定a.花樣多晶體金試樣的衍射

d值相同的同一(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構(gòu)成以入射束為軸，2θ為半頂角的圓錐面，它與照相底板的交線即為半徑為R=Lλ/d＝K/d的圓環(huán)。R和1/d存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。對(duì)立方晶系：1/d2=(h2+k2+l2)/a2=N/a2，由R2比值確定環(huán)指數(shù)和點(diǎn)陣類(lèi)型。d值相同的同一(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構(gòu)成以入射b.分析方法1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測(cè)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(duì)照ASTM求(hkl)。2)晶體結(jié)構(gòu)未知：測(cè)R、算R2、Ri2／R12，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(jié)構(gòu)類(lèi)型、寫(xiě)出衍射環(huán)指數(shù)(hkl)，算a。

如已知K，也可由d=K/R求d對(duì)照ASTM求(hkl)和a，確定樣品物相。b.分析方法1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測(cè)R、算R2、分析R2比值的遞c.主要用途已知晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)定相機(jī)常數(shù)，一般用Au，F(xiàn)CC，a=0.407nm，也可用內(nèi)標(biāo)。物相鑒定：大量彌散的萃取復(fù)型粒子或其它粉末粒子。c.主要用途已知晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)定相機(jī)常數(shù)，一般用Au，F(xiàn)CC，d值比較法

標(biāo)定步驟1、測(cè)量圓環(huán)半徑Ri（通常是測(cè)量直徑Di，Ri=Di/2，這樣測(cè)量的精度較高）。2、由d=Lλ/R式，計(jì)算d，并與已知晶體粉末卡片或d值表上的d比較，確定各環(huán){hkl}i。

d值比較法標(biāo)定步驟R2比值規(guī)律對(duì)比法

R2比值規(guī)律對(duì)比法與我們?cè)谇懊娴掳莼訕?biāo)定中介紹的方法完全相同其實(shí)德拜花樣就是多晶衍射環(huán)被矩形截取的部分R2比值規(guī)律對(duì)比法R2比值規(guī)律對(duì)比法與我們?cè)谇懊娴掳莼訕?biāo)例:標(biāo)定TiC多晶電子衍射圖編號(hào)12345Di19.0

22.231.636.638.518.5 21.530.035.0 37.0Ri9.38 10.9315.3617.8818.88Ri2 87.89119.36236.39319.52356.27Ri2/R12 1 1.362.693.644.05(Ri2/R12)×3

3

4.078.0710.91

12.16N3 4 811 12{hkl}i 111 200 220311 222例:標(biāo)定TiC多晶電子衍射圖編號(hào)1例：相機(jī)常數(shù)L的確定例：相機(jī)常數(shù)L的確定2)單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定

微區(qū)晶體分析往往是單晶或?yàn)閿?shù)不多的幾個(gè)單晶復(fù)合衍射花樣。

a.花樣特征規(guī)則排列的衍射斑點(diǎn)。它是過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)的一個(gè)二維倒易面的放大像。R＝Kg大量強(qiáng)度不等的衍射斑點(diǎn)。有些并不精確落在Ewald球面上仍能發(fā)生衍射，只是斑點(diǎn)強(qiáng)度較弱。倒易桿存在一個(gè)強(qiáng)度分布。2)單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定微區(qū)晶體分析往往是單晶或b.花樣分析任務(wù)：確定花樣中斑點(diǎn)的指數(shù)及其晶帶軸方向[uvw]，并確定樣品的點(diǎn)陣類(lèi)型和位向。方法：有三種，指數(shù)直接標(biāo)定法、比值法(嘗試－校核法)、標(biāo)準(zhǔn)衍射圖法。選擇靠近中心透射斑且不在一條直線上的斑點(diǎn)，測(cè)量它們的R，利用R2比值的遞增規(guī)律確定點(diǎn)陣類(lèi)型和這幾個(gè)斑點(diǎn)所屬的晶面族指數(shù)(hkl)等。b.花樣分析(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)

可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距d=L/R并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫(xiě)出(hkl)。也可事先計(jì)算R2／R1，R3／R1，和R1、R2間夾角，據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)111lkh222lkh333lkh222lkh1R1j2R333lkh111lkh111133°82024133000111204能使斑點(diǎn)花樣指數(shù)化的兩個(gè)特征量根據(jù)d=L/R查PDF卡片得出花樣指數(shù)標(biāo)定的結(jié)果(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)

可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距d=L/R并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫(xiě)出(hkl)。也可事先計(jì)算R2／R1，R3／R1，和R1、R2間夾角，據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。111lkh222lkh333lkh222lkh1R1j2R(2)比值法(嘗試－校核法)：物相未知根據(jù)Ri/R1比值查表或Ri2/R12比值查表，再利用Ri之間的夾角來(lái)校驗(yàn)。任取(h1k1l1)，而第二個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)(h2k2l2)，應(yīng)根據(jù)R1與R2之間的夾角的測(cè)量值是否與該兩組晶面的夾角相符來(lái)確定。夾角公式為：再根據(jù)矢量加和公式，求出全部的斑點(diǎn)指數(shù)。R3＝R1＋R2，R3’＝－R3任取不在一條直線上的兩斑點(diǎn)確定晶帶軸指數(shù)B=r=RB

RA(2)比值法(嘗試－校核法)：物相未知再根據(jù)矢量加和公式，求ACDB011211411004002000低碳合金鋼基體的電子衍射花樣底版負(fù)片描制圖例：ACDB011211411004002000低碳合金鋼基體的例：上圖是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，以這些說(shuō)明分析方法：選中心附近A、B、C、D四斑點(diǎn)，測(cè)得RA＝7.1mm，RB＝10.0mm，

RC＝12.3mm，RD＝21.5mm，同時(shí)用量角器測(cè)得R之間的夾角分別為(RA,RB)＝900，(RA,RC)＝550，(RA,RD)＝710例：上圖是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，以這些求得R2比值為2:4:6:18，RB/RA=1.408，RC/RA=1.732，RB/RA=3.028，表明樣品該區(qū)為體心立方點(diǎn)陣，A斑N為2，{110}，假定A為(1,-1,0)。B斑點(diǎn)N為4，表明屬于{200}晶面族，初選(200)，代入晶面夾角公式得夾角為450(實(shí)際為900)，不符，發(fā)現(xiàn)(002)與之相符，所以B為(002)。求得R2比值為2:4:6:18，RC=RA＋RB，C為(1,-2,1)，N＝6與實(shí)測(cè)R2比值的N一致，查表或計(jì)算夾角為54.740，與實(shí)測(cè)的550相符，

RE＝2RB，E為(004)RD＝RA＋RE＝(1,-1,4)，查表或計(jì)算（1,-1,0）與(1,-1,4)的夾角為70.530，依此類(lèi)推可標(biāo)定其余點(diǎn)。RC=RA＋RB，

已知K＝14.1mmA，用公式d=K/R，得dA=1.986A，dB=1.410A，dC=1.146A，dD=0.656A，查PDF卡發(fā)現(xiàn)與-Fe的標(biāo)準(zhǔn)d值相符，由此確定樣品上該微區(qū)為鐵素體。選取R1=RB=(002)，R2=RA=(1,-1,0)，求得晶帶軸指數(shù)B=RB

RA=

[110]已知K＝14.1mmA，用公式d=K/R，得dA=1.一般要有幾套斑點(diǎn)才能分析未知物相：(P92表7－1)衍射花樣為平行四邊形，七個(gè)晶系均可正方形，可能為四方或立方六角形，可能晶系為六方、三角、立方如果上述三個(gè)花樣均由同一試樣同一部位產(chǎn)生，則此晶體只能屬于立方晶系一般要有幾套斑點(diǎn)才能分析未知物相：?jiǎn)尉Щ拥牟晃ㄒ恍员憩F(xiàn)形式：

同一衍射花樣有不同的指數(shù)化結(jié)果產(chǎn)生原因：頭兩個(gè)斑點(diǎn)的任意性二次對(duì)稱(chēng)性偶合不唯一性，常出現(xiàn)于立方晶系的中高指數(shù)，如(352)和(611)，(355)和(173)單晶花樣的不唯一性表現(xiàn)形式：影響：物相分析，可不考慮；但作取向關(guān)系、計(jì)算缺陷矢量分析時(shí)必須考慮。消除辦法：轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法，讓斑點(diǎn)自洽。借助復(fù)雜電子衍射花樣分析，如雙晶帶衍射花樣、高階勞厄帶花樣分析。影響：3)復(fù)雜電子衍射花樣分析簡(jiǎn)單花樣：?jiǎn)钨|(zhì)或均勻固溶體的散射，由近似

平行于B的晶帶軸所產(chǎn)生。復(fù)雜花樣：在簡(jiǎn)單花樣中出現(xiàn)許多“額外斑點(diǎn)”，分析目的在于辯認(rèn)額外信息，排除干擾。3)復(fù)雜電子衍射花樣分析簡(jiǎn)單花樣：?jiǎn)钨|(zhì)或均勻固溶體的散射，原因：Ewald球是一個(gè)有一定曲率的球面，可能使兩個(gè)晶帶軸指數(shù)相差不大的晶帶的0層倒易面同時(shí)與球面相截，產(chǎn)生分屬于兩個(gè)晶帶的兩套衍射斑點(diǎn)。產(chǎn)生些情況必須具備的條件為：r1,r2夾角很小；g1.r2>0,g2.r1>0現(xiàn)象：一邊一套衍射斑（見(jiàn)下頁(yè)）標(biāo)定方法：同簡(jiǎn)單花樣。驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果采用上述必備條件。a雙晶帶引起的斑點(diǎn)花樣a雙晶帶引起的斑點(diǎn)花樣O*r1r2g2g1g3入射束B(niǎo)FBOGDCEHAⅠ矩形格子Ⅱ平形四邊形格子AlN雙晶帶電子衍射花樣原理圖O*r1r2g2g1g3入射束B(niǎo)FBOGDCEHAⅠ矩形格子b高階勞厄帶

通過(guò)倒易原點(diǎn)Ｏ＊的零層倒易平面上的倒易陣點(diǎn)與反射球相截，相應(yīng)的晶面將產(chǎn)生衍射，這些衍射斑點(diǎn)稱(chēng)為零階勞厄區(qū)斑點(diǎn)或零階勞厄帶斑點(diǎn)。在有些情況下，除零層倒易平面與反射球相截外，與此平行的高層倒易平面上的陣點(diǎn)也可能與反射球相截，從而產(chǎn)生相應(yīng)的衍射．稱(chēng)這些衍射斑點(diǎn)為高階勞厄斑點(diǎn)或高階勞厄帶斑點(diǎn)。高階勞厄帶斑點(diǎn)可以給出三維倒易點(diǎn)陣的資料，是晶體相分析和取向分析中非常有用的信息。b高階勞厄帶

通過(guò)倒易原點(diǎn)Ｏ＊的零層倒易平面上的倒易陣點(diǎn)材料測(cè)試與分析技術(shù)-72-電子衍射課件

標(biāo)定方法：采用廣義晶帶定律:hu+kv+lw=NN=01-12-2…標(biāo)定，

只要標(biāo)定出高階勞厄帶的一個(gè)斑點(diǎn)指數(shù)，就可參照零階勞厄帶中的斑點(diǎn)指數(shù)，將高階勞厄帶中的其它斑點(diǎn)指數(shù)標(biāo)定出來(lái)。標(biāo)定方法：采用廣義晶帶定律:c二次衍射原理：電子通過(guò)晶體時(shí)，產(chǎn)生的較強(qiáng)，它們常?？梢宰鳛樾碌娜肷渚€，在晶體中再次產(chǎn)生衍射?，F(xiàn)象：重合：強(qiáng)度反常；不重合：多出斑點(diǎn)或出現(xiàn)“禁止斑點(diǎn)”。

場(chǎng)合：多發(fā)生在兩相合金衍射花樣內(nèi)，如基體與析出相；同結(jié)構(gòu)不同方位的晶體之間，如孿晶，晶界附近；同一晶體內(nèi)部。c二次衍射原理：電子通過(guò)晶體時(shí)，產(chǎn)生的較強(qiáng)，它們常常可以判斷：二次衍射起因于花樣的對(duì)稱(chēng)性，所以可以通過(guò)將試樣繞強(qiáng)衍射斑點(diǎn)傾斜10°左右以產(chǎn)生雙束條件，即透射束和一強(qiáng)衍射束。若起因于二次衍射，在雙束條件政斑點(diǎn)就會(huì)消失；若部分強(qiáng)度起因于這種作用，強(qiáng)度就會(huì)減弱。也可用二次衍射斑形成中心暗場(chǎng)象來(lái)區(qū)分，如晶界會(huì)亮。判斷：二次衍射起因于花樣的對(duì)稱(chēng)性，所以可以通過(guò)將試樣繞強(qiáng)衍射d孿晶原理：在凝固、相變和再結(jié)晶變形過(guò)程中，晶體內(nèi)的一部分相對(duì)于基體按一定的對(duì)稱(chēng)關(guān)系成長(zhǎng)，即形成孿晶。如以孿晶面為鏡面反映，或以孿晶面的法線為軸，旋轉(zhuǎn)60°、90°、120°、180°，多數(shù)為180°，可以與另一晶體相重。晶體中的這種孿晶關(guān)系自然也反映在相應(yīng)的倒易點(diǎn)陣中，從而由相應(yīng)的衍射花樣中反映出來(lái)?，F(xiàn)象：出現(xiàn)的額外孿晶斑與基體斑有一定的距離，如立方晶系中為1/3。判斷：傾斜試樣或用暗場(chǎng)。d孿晶原理：在凝固、相變和再結(jié)晶變形過(guò)程中，晶體內(nèi)的一e有序化與長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)原理：無(wú)序、有序轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)反常衍射。如面心立方－簡(jiǎn)單立方。有序合金的衍射花樣中出現(xiàn)的超點(diǎn)陣(超結(jié)構(gòu))衍射斑是有序的確鑿證據(jù)。超點(diǎn)陣反向強(qiáng)度取決于所含異類(lèi)原子散射振幅之差，一般較弱。長(zhǎng)周期：有序疇在某方向的規(guī)則排列。其衍射花樣的特征是，除基體衍射斑點(diǎn)外，還出現(xiàn)一系列間隔較密的微弱斑點(diǎn)。e有序化與長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)原理：無(wú)序、有序轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)反常衍射。如f調(diào)幅結(jié)構(gòu)原理：在某些穩(wěn)定的第二相生成之前，固溶體中常常產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象，溶質(zhì)原子在某些特定的晶面上偏聚。這樣在每個(gè)溶質(zhì)原子富集區(qū)兩側(cè)就有可能出現(xiàn)溶質(zhì)原子的貧乏區(qū)，形成相繼交替的周期性層狀結(jié)構(gòu)。特征：只在hkl斑點(diǎn)兩側(cè)出現(xiàn)衛(wèi)星斑，在透射斑兩側(cè)不產(chǎn)生。f調(diào)幅結(jié)構(gòu)原理：在某些穩(wěn)定的第二相生成之前，固溶體中常常產(chǎn)7.1透射電子的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用7.2電子衍射7.3透射電子顯微分析樣品制備7.4薄晶體樣品的衍射成像原理第7章透射電子顯微分析7.1透射電子的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用第7章透射電子顯微分析7.2電子衍射

7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)

7.2.2選區(qū)電子衍射

7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜

7.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定

7.2電子衍射

電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射線完全相同，都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系，衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出。因此，許多問(wèn)題可用與X射線衍射相類(lèi)似的方法處理，即電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射線完全相同，都遵循布拉電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)

電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)。電子波長(zhǎng)短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點(diǎn)陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡(jiǎn)單。物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約為X射線一萬(wàn)倍，曝光時(shí)間短。電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)

電子衍射能在同一試樣上將形貌

不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強(qiáng)度分析變得復(fù)雜，不能像X射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來(lái)廣泛的測(cè)定結(jié)構(gòu)。由于電子波長(zhǎng)短，θ角小，測(cè)量斑點(diǎn)位置精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比X射線低，因此很難用于精確測(cè)定點(diǎn)陣常數(shù)。散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復(fù)雜。

不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)gR

物鏡后焦面上形成一幅斑點(diǎn)花樣經(jīng)物鏡下面的各透鏡再次放大后投射到觀察屏上，形成我們觀察到的衍射花樣。7.2.1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)gR物鏡后焦面上形電子衍射基本公式：Rhkldhkl=L(7-5)或Rhkl=Lghkl

(7-6)Rhkl：衍射斑與透射斑距離dhkl:(hikili)晶面間距：入射電子束波長(zhǎng)L：樣品到照相底板的距離ghkl:倒易矢量令K=L為相機(jī)常數(shù)，通常可以利用金膜衍射花樣或者利用已知晶體結(jié)構(gòu)單晶體的衍射花樣測(cè)定（具體見(jiàn)衍射花樣分析部分）。電子衍射基本公式：7.2.2選區(qū)電子衍射獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微束選區(qū)衍射，前者多在5平方微米以上，后者可在0.5平方微米以下，這里主要講述前者。光闌選區(qū)衍射是通過(guò)在物鏡像平面上插入選區(qū)光闌限制參加成像和衍射的區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外，電鏡的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠做到選區(qū)衍射和選區(qū)成像的一致性。7.2.2選區(qū)電子衍射獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微

選區(qū)成像

選區(qū)衍射

選區(qū)成像

選區(qū)衍射選區(qū)形貌選區(qū)衍射斑點(diǎn)選區(qū)形貌選區(qū)衍射斑點(diǎn)選區(qū)衍射操作步驟：

1.插入選區(qū)光欄，套住欲分析的物相，調(diào)整中間鏡電流使選區(qū)光欄邊緣清晰，此時(shí)選區(qū)光欄平面與中間鏡物平面相重合；2.調(diào)整物鏡電流，使選區(qū)內(nèi)物像清晰，此時(shí)樣品的一次像正好落在選區(qū)光欄平面上，即物鏡像平面、中間鏡物面、光欄面三面重合；選區(qū)衍射操作步驟：

3.抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡背焦面，熒光屏上可觀察到放大的電子衍射花樣；

4.用中間鏡旋鈕調(diào)節(jié)中間鏡電流，使中心斑最小最圓，其余斑點(diǎn)明銳，此時(shí)中間鏡物面與物鏡背焦面相重合；

5.減弱第二聚光鏡電流，使投影到樣品上的入射束散焦（近似平行束），攝照（30s左右）。3.抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜1.單晶電子衍射譜7.2.3常見(jiàn)的幾種電子衍射譜1.單晶電子衍射譜2.多晶電子衍射譜2.多晶電子衍射譜3.復(fù)雜電子衍射花樣100nm167mabcFig.6TEMmicrostructureofNo.2alloysafter350℃/6hhomogenizationa-darkfieldimageb-brightfieldimagec-electrondiffractionpattern3.復(fù)雜電子衍射花樣100nm167mabcFig.67.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定

花樣分析分為兩類(lèi)：

①結(jié)構(gòu)已知，確定晶體缺陷及有關(guān)數(shù)據(jù)或相關(guān)過(guò)程中的取向關(guān)系；

②結(jié)構(gòu)未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標(biāo)定是基礎(chǔ)。多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定復(fù)雜電子衍射花樣分析7.2.4電子衍射花樣的標(biāo)定花樣分析分為兩類(lèi)：多晶體1）多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定

a.花樣

與X射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由一系列不同半徑的同心圓環(huán)組成，是由輻照區(qū)內(nèi)大量取向雜亂無(wú)章的細(xì)小晶體顆粒產(chǎn)生。

多晶體金試樣的衍射花樣1）多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定a.花樣多晶體金試樣的衍射

d值相同的同一(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構(gòu)成以入射束為軸，2θ為半頂角的圓錐面，它與照相底板的交線即為半徑為R=Lλ/d＝K/d的圓環(huán)。R和1/d存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。對(duì)立方晶系：1/d2=(h2+k2+l2)/a2=N/a2，由R2比值確定環(huán)指數(shù)和點(diǎn)陣類(lèi)型。d值相同的同一(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構(gòu)成以入射b.分析方法1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測(cè)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(duì)照ASTM求(hkl)。2)晶體結(jié)構(gòu)未知：測(cè)R、算R2、Ri2／R12，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(jié)構(gòu)類(lèi)型、寫(xiě)出衍射環(huán)指數(shù)(hkl)，算a。

如已知K，也可由d=K/R求d對(duì)照ASTM求(hkl)和a，確定樣品物相。b.分析方法1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測(cè)R、算R2、分析R2比值的遞c.主要用途已知晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)定相機(jī)常數(shù)，一般用Au，F(xiàn)CC，a=0.407nm，也可用內(nèi)標(biāo)。物相鑒定：大量彌散的萃取復(fù)型粒子或其它粉末粒子。c.主要用途已知晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)定相機(jī)常數(shù)，一般用Au，F(xiàn)CC，d值比較法

標(biāo)定步驟1、測(cè)量圓環(huán)半徑Ri（通常是測(cè)量直徑Di，Ri=Di/2，這樣測(cè)量的精度較高）。2、由d=Lλ/R式，計(jì)算d，并與已知晶體粉末卡片或d值表上的d比較，確定各環(huán){hkl}i。

d值比較法標(biāo)定步驟R2比值規(guī)律對(duì)比法

R2比值規(guī)律對(duì)比法與我們?cè)谇懊娴掳莼訕?biāo)定中介紹的方法完全相同其實(shí)德拜花樣就是多晶衍射環(huán)被矩形截取的部分R2比值規(guī)律對(duì)比法R2比值規(guī)律對(duì)比法與我們?cè)谇懊娴掳莼訕?biāo)例:標(biāo)定TiC多晶電子衍射圖編號(hào)12345Di19.0

22.231.636.638.518.5 21.530.035.0 37.0Ri9.38 10.9315.3617.8818.88Ri2 87.89119.36236.39319.52356.27Ri2/R12 1 1.362.693.644.05(Ri2/R12)×3

3

4.078.0710.91

12.16N3 4 811 12{hkl}i 111 200 220311 222例:標(biāo)定TiC多晶電子衍射圖編號(hào)1例：相機(jī)常數(shù)L的確定例：相機(jī)常數(shù)L的確定2)單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定

微區(qū)晶體分析往往是單晶或?yàn)閿?shù)不多的幾個(gè)單晶復(fù)合衍射花樣。

a.花樣特征規(guī)則排列的衍射斑點(diǎn)。它是過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)的一個(gè)二維倒易面的放大像。R＝Kg大量強(qiáng)度不等的衍射斑點(diǎn)。有些并不精確落在Ewald球面上仍能發(fā)生衍射，只是斑點(diǎn)強(qiáng)度較弱。倒易桿存在一個(gè)強(qiáng)度分布。2)單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定微區(qū)晶體分析往往是單晶或b.花樣分析任務(wù)：確定花樣中斑點(diǎn)的指數(shù)及其晶帶軸方向[uvw]，并確定樣品的點(diǎn)陣類(lèi)型和位向。方法：有三種，指數(shù)直接標(biāo)定法、比值法(嘗試－校核法)、標(biāo)準(zhǔn)衍射圖法。選擇靠近中心透射斑且不在一條直線上的斑點(diǎn)，測(cè)量它們的R，利用R2比值的遞增規(guī)律確定點(diǎn)陣類(lèi)型和這幾個(gè)斑點(diǎn)所屬的晶面族指數(shù)(hkl)等。b.花樣分析(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)

可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距d=L/R并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫(xiě)出(hkl)。也可事先計(jì)算R2／R1，R3／R1，和R1、R2間夾角，據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)111lkh222lkh333lkh222lkh1R1j2R333lkh111lkh111133°82024133000111204能使斑點(diǎn)花樣指數(shù)化的兩個(gè)特征量根據(jù)d=L/R查PDF卡片得出花樣指數(shù)標(biāo)定的結(jié)果(1)指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)

可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距d=L/R并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫(xiě)出(hkl)。也可事先計(jì)算R2／R1，R3／R1，和R1、R2間夾角，據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。111lkh222lkh333lkh222lkh1R1j2R(2)比值法(嘗試－校核法)：物相未知根據(jù)Ri/R1比值查表或Ri2/R12比值查表，再利用Ri之間的夾角來(lái)校驗(yàn)。任取(h1k1l1)，而第二個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)(h2k2l2)，應(yīng)根據(jù)R1與R2之間的夾角的測(cè)量值是否與該兩組晶面的夾角相符來(lái)確定。夾角公式為：再根據(jù)矢量加和公式，求出全部的斑點(diǎn)指數(shù)。R3＝R1＋R2，R3’＝－R3任取不在一條直線上的兩斑點(diǎn)確定晶帶軸指數(shù)B=r=RB

RA(2)比值法(嘗試－校核法)：物相未知再根據(jù)矢量加和公式，求ACDB011211411004002000低碳合金鋼基體的電子衍射花樣底版負(fù)片描制圖例：ACDB011211411004002000低碳合金鋼基體的例：上圖是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，以這些說(shuō)明分析方法：選中心附近A、B、C、D四斑點(diǎn)，測(cè)得RA＝7.1mm，RB＝10.0mm，

RC＝12.3mm，RD＝21.5mm，同時(shí)用量角器測(cè)得R之間的夾角分別為(RA,RB)＝900，(RA,RC)＝550，(RA,RD)＝710例：上圖是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，以這些求得R2比值為2:4:6:18，RB/RA=1.408，RC/RA=1.732，RB/RA=3.028，表明樣品該區(qū)為體心立方點(diǎn)陣，A斑N為2，{110}，假定A為(1,-1,0)。B斑點(diǎn)N為4，表明屬于{200}晶面族，初選(200)，代入晶面夾角公式得夾角為450(實(shí)際為900)，不符，發(fā)現(xiàn)(002)與之相符，所以B為(002)。求得R2比值為2:4:6:18，RC=RA＋RB，C為(1,-2,1)，N＝6與實(shí)測(cè)R2比值的N一致，查表或計(jì)算夾角為54.740，與實(shí)測(cè)的550相符，

RE＝2RB，E為(004)RD＝RA＋RE＝(1,-1,4)，查表或計(jì)算（1,-1,0）與(1,-1,4)的夾角為70.530，依此類(lèi)推可標(biāo)定其余點(diǎn)。RC=RA＋RB，

已知K＝14.1mmA，用公式d=K/R，得dA=1.986A，dB=1.410A，dC=1.146A，dD=0.656A，查PDF卡發(fā)現(xiàn)與-Fe的標(biāo)準(zhǔn)d值相符，由此確定樣品上該微區(qū)為鐵素體。選取R1=RB=(002)，R2=RA=(1,-1,0)，求得晶帶軸指數(shù)B=RB

RA=

[110]已知K＝14.1mmA，用公式d=K/R，得dA=1.一般要有幾套斑點(diǎn)才能分析未知物相：(P92表7－1)衍射花樣為平行四邊形，七個(gè)晶系均可正方形，可能為四方或立方六角形，可能晶系為六方、三角、立方如果上述三個(gè)花樣均由同一試樣同一部位產(chǎn)生，則此晶體只能屬于立方晶系一般要有幾套斑點(diǎn)才能分析未知物相：?jiǎn)尉Щ拥牟晃ㄒ恍员憩F(xiàn)形式：

同一衍射花樣有不同的指數(shù)化結(jié)果產(chǎn)生原因：頭兩個(gè)斑點(diǎn)的任意性二次對(duì)稱(chēng)性偶合不唯一性，常出現(xiàn)于立方晶系的中高指數(shù)，如(352)和(611)，(355)和(173)單晶花樣的不唯一性表現(xiàn)形式：影響：物相分析，可不考慮；但作取向關(guān)系、計(jì)算缺陷矢量分析時(shí)必須考慮。消除辦法：轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法，讓斑點(diǎn)自洽。借助復(fù)雜電子衍射花樣分析，如雙晶帶衍射花樣、高階勞厄帶花樣分析。影響：3)復(fù)雜電子衍射花樣分析簡(jiǎn)單花樣：?jiǎn)钨|(zhì)或均勻固溶體的散射，由近似

平行于B的晶帶軸所產(chǎn)生。復(fù)雜花樣：在簡(jiǎn)單花樣中出現(xiàn)許多“額外斑點(diǎn)”，分析目的在于辯認(rèn)額外信息，排除干擾。3)復(fù)雜電子衍射花樣分析簡(jiǎn)單花樣：?jiǎn)钨|(zhì)或均勻固溶體的散射，原因：Ewald球是一個(gè)有一定曲率的球面，可能使兩個(gè)晶帶軸指數(shù)相差不大