選區(qū)電子衍射分析

選區(qū)電子衍射分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握進(jìn)行選區(qū)衍射的正確方法；2、學(xué)習(xí)如何對(duì)拍攝的電子衍射花樣進(jìn)行標(biāo)定；3、通過選區(qū)衍射操作，加深對(duì)電子衍射原理的了解二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、復(fù)習(xí)電鏡的操作程序、了解成像操作、衍射操作的區(qū)別及聯(lián)系；2、 以復(fù)合材料(Al203+TiB2)/Al為觀察對(duì)象，進(jìn)行選區(qū)衍射操作，獲得衍射花樣；3、 對(duì)得到的單晶和多晶電子衍射花樣進(jìn)行標(biāo)定。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材選區(qū)電子衍射就是對(duì)樣品中感興趣的微區(qū)進(jìn)行電子衍射，以獲得該微區(qū)電子衍射圖的方法。選區(qū)電子衍射又稱微區(qū)衍射，它是通過移動(dòng)安置在中間鏡上的選區(qū)光欄(又稱中間鏡光欄)，使之套在感興趣的區(qū)域上，分別進(jìn)行成像操作或衍射操作，實(shí)現(xiàn)所選區(qū)域的形貌分析和結(jié)構(gòu)分析。

圖1即為選區(qū)電子衍射原理圖。平行入射電子束通過試樣后，由于試樣薄，晶體內(nèi)滿足布拉格衍射條件的晶面組（hkl）將產(chǎn)生及入射方向成29角的平行衍射束。由透鏡的基本性質(zhì)可知，透射束和衍射束將在物鏡的后焦面上分別形成透射斑點(diǎn)和衍射斑點(diǎn)，從而在物鏡的后焦面上形成試樣晶體的電子衍射譜，然后各斑點(diǎn)經(jīng)干涉后重新在物鏡的像平面上成像。如果調(diào)整中間鏡的勵(lì)磁電流，使中間鏡的物平面分別及物鏡的后焦面和像平面重合，則該區(qū)的電子衍射譜和像分別被中間鏡和投影鏡放大,顯示在熒光屏上。顯然，單晶體的電子衍射譜為對(duì)稱于中心透射斑點(diǎn)的規(guī)則排列的斑點(diǎn)群。多晶體的電子衍射譜則為以透射斑點(diǎn)為中心的衍射環(huán)。非晶則為一個(gè)漫散的暈斑。非晶圖2電子衍射花樣五、實(shí)驗(yàn)步驟通過移動(dòng)安置在中間鏡上的選區(qū)光欄（又稱中間鏡光欄），使之套在感興趣的區(qū)域上，分別進(jìn)行成像操作或衍射操作，實(shí)現(xiàn)所選區(qū)域的形貌分析和結(jié)構(gòu)分析。具體步驟如下：（1）由成像操作使物鏡精確聚焦，獲得清晰形貌像。（2）插入尺寸合適的選區(qū)光欄，套住被選視場(chǎng)，調(diào)整物鏡電流，使光欄孔內(nèi)的像清晰，保證了物鏡的像平面及選區(qū)光欄面重合。（3）調(diào)整中間鏡的勵(lì)磁電流，使光欄邊緣像清晰，從而使中間鏡的物平面及選區(qū)光欄的平面重合，這也使選區(qū)光欄面、物鏡的像平面和中間鏡的物平面三者重合，進(jìn)一步保證了選區(qū)的精度。（4）移去物鏡光欄（否則會(huì)影響衍射斑點(diǎn)的形成和完整性），調(diào)整中間鏡的勵(lì)磁電流，使中間鏡的物平面及物鏡的后焦面共面，由成像操作轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌洳僮?。電子束?jīng)中間鏡和投影鏡放大后，在熒光屏上將產(chǎn)生所選區(qū)域的電子衍射圖譜，對(duì)于高檔的現(xiàn)代電鏡，也可操作“衍射”按鈕自動(dòng)完成。（5）需要照相時(shí)，可適當(dāng)減小第二聚光鏡的勵(lì)磁電流，減小入射電子束的孔徑角，縮小束斑尺寸，提高斑點(diǎn)清晰度。微區(qū)的形貌和衍射花樣可存同一張底片上。六、電子衍射花樣的標(biāo)定方法電子衍射花樣的標(biāo)定：即衍射斑點(diǎn)指數(shù)化，并確定衍射花樣所屬的晶帶軸指數(shù)［uvw］，對(duì)未知其結(jié)構(gòu)的還包括確定點(diǎn)陣類型。（一）、單晶單晶體的電子衍射花樣有簡(jiǎn)單和復(fù)雜之分，簡(jiǎn)單衍射花樣即電子衍射譜滿足晶帶定律（hu+kv+lw=O）,通常又有已知晶體結(jié)構(gòu)和未知晶體結(jié)構(gòu)兩種情況。已知晶體結(jié)構(gòu)的花樣標(biāo)定：（1） 確定中心斑點(diǎn)，按距離由小到大依次排列：R、R、R、R€€，1234各斑點(diǎn)之間的夾角依次為€1、€2、€3、€4 ；（2） 由相機(jī)常數(shù)K和得相應(yīng)的晶面間距dl、d2、d3、d4……；（3） 由已知的晶體結(jié)構(gòu)和晶面間距公式，結(jié)合PDF卡片，分別定出對(duì)應(yīng)的晶面族指數(shù)杯11，Kk212，?k3l3，遲k4l4，€??…；（4） 假定距中心斑點(diǎn)最近的斑點(diǎn)指數(shù)。若R最小，設(shè)其晶面指數(shù)為如乞｝晶面族中的一個(gè)，即從晶面族中任取一個(gè)（hkl）作為R的斑點(diǎn)指數(shù)。1111（5） 確決定第二個(gè)斑點(diǎn)指數(shù)。

cos?1hh+kk+11121212!2+k2+12)(h2cos?1hh+kk+11121212111222由晶面族€hk1｝中取一個(gè)(hk1)代入公式計(jì)算夾角?1當(dāng)計(jì)算值及實(shí)測(cè)222222值一致時(shí)，即可確定^ikl^)o當(dāng)計(jì)算值及實(shí)測(cè)值不符時(shí)，則需重新選擇(hk1)，直至相符為止，，從而定出(hk1)。222222注意，(hk1)是晶面族€hk1｝中的一個(gè)，仍帶有一定的任意性。222222由確定了的兩個(gè)斑點(diǎn)指數(shù)(hk1)和(hkl)，通過矢量合成其它點(diǎn)111222定出晶帶軸［uvw］。u:v:w=(k1-k1):(1h-1h):(hk-hk)122112211221系統(tǒng)核查各過程，算出晶格常數(shù)。未知晶體結(jié)構(gòu)的花樣標(biāo)定：當(dāng)晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)未知時(shí)，首先分析斑點(diǎn)的特點(diǎn)，確定其所屬的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，然后再由前面所介紹的8步驟標(biāo)定其衍射花樣。其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主要從斑點(diǎn)的對(duì)稱特點(diǎn)或1/d2值的遞增規(guī)律來確定。具體步驟：判斷是否簡(jiǎn)單電子衍射譜。如是則選擇三個(gè)及中心斑點(diǎn)最近斑點(diǎn)：Pl、P2、P3,并及中心構(gòu)成平行四邊形，并測(cè)量三個(gè)斑點(diǎn)至中心的距離廠。i測(cè)量各衍射斑點(diǎn)間的夾角。由rd二L入，將測(cè)的距離換算成面間距di。由試樣成分及處理工藝及其它分析手段，初步估計(jì)物相，并找出相應(yīng)的卡片，及實(shí)驗(yàn)得到的di對(duì)照，得出相應(yīng)的｛hkl｝.用試探法選擇一套指數(shù)，使其滿足矢量疊加原理。由已標(biāo)定好的指數(shù)，根據(jù)ASTM卡片所提供的晶系計(jì)算相應(yīng)的夾角，檢驗(yàn)計(jì)算的夾角是否及實(shí)測(cè)的夾角相符。若各斑點(diǎn)均已指數(shù)化，夾角關(guān)系也符合，則被鑒定的物相即為STAM卡片相，否則重新標(biāo)定指數(shù)。定其晶帶軸。(二)、多晶多晶體的電子衍射花樣等同于多晶體的X射線衍射花樣，為系列同心圓。其花樣標(biāo)定相對(duì)簡(jiǎn)單，同樣分以下兩種情況：1、已知晶體結(jié)構(gòu)具體步驟如下：（1） 測(cè)定各同心圓直徑Di，算得各半徑Ri；（2） 由Ri/K（K為相機(jī)常數(shù)）算得1/di；（3） 對(duì)照已知晶體PDF卡片上的di值，直接確定各環(huán)的晶面指數(shù)｛hkl｝。2、未知晶體結(jié)構(gòu)具體標(biāo)定步驟如下：（1） 測(cè)定各同心圓的直徑Di，計(jì)得各系列圓半徑Ri；（2） 由Ri/K（K為相機(jī)常數(shù)）算得1/di；（3） 由由小到大的連比規(guī)律，推斷出晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（4） 寫出各環(huán)的晶面族指數(shù)｛hkl｝。七、成像示例和電子衍射花樣的標(biāo)定（二）、單晶和多晶的電子衍射花樣標(biāo)定1、單晶（純鋁FCC）

(220)M-11)r2(311)90rl(-2-20)4916nm如上圖所(220)M-11)r2(311)90rl(-2-20)4916nm由于標(biāo)尺的單位是1/nm，由量出的r直接取倒數(shù)即為晶面間距d。由公式d=l/r,求得dl=0.24nm,d2=0.1429nm,d3=0.1224nm。Al的PDF卡片如下：卒1PDF#35-1527iQM^CalcjIated;d^Calculated;I=(Unknown) [=]|回|[S3]1234538.47444.72265.09978.23252.4392.33792.02471.43171.22091.1690o53no3II5.32.E_u42(111)(200)(220)(311)(222)19.2371234538.47444.72265.09978.23252.4392.33792.02471.43171.22091.1690o53no3II5.32.E_u42(111)(200)(220)(311)(222)19.2372236132.54939.11641.2190.21390.24700.34920.40950.42772.G8753.10334.38875.14625.3750481112tt2-Thetad〔?][hkl]Theta|V(2d)2pi/d|n"2由PDF卡片得r1、r2、r3的hkl分別為111、220、311Fh2kl€0。以上三個(gè)晶面族Fh2kl€0。以上三個(gè)晶面族hkl任意選定晶面hkl=111，則選擇hk/=220,hkl=311。hh?kk?hh?kk?ll121212COS,1!2?k2?12)(h2?k2?12)111222將hkl、hkl和hkl、hkl分別代入，解得cos,=0，cos,=0.853。111 222 222 333 1 1即,€90°，,二32°。計(jì)算值及實(shí)測(cè)值一致。所以三個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)12（hkl）、（hkl）、（hkl）可以確定為（II1）、（220）、（311）。其它各111 222 333斑點(diǎn)的指數(shù)均可通過矢量合成法求得。通過公式：u:v:w€(kl一kl):(lh一lh):(hk一hk)通過公式：122112211221將hkl=111，hkl=220代入，得晶帶軸[uvw]=[110]。111222由上圖可測(cè)锝，各系列圓半徑Rio又由于標(biāo)尺的單位是1/nm，由量出的R直接取倒數(shù)即為晶面間距d，即d=1/Ro

所以，1/di二Ri。由測(cè)量結(jié)果Ri可得l/dl=60,l/d2=68.89,l/d3=97.78.1/d4=115.56。由此,得l/d2由小到大的連比,為€N:€N:N:N:N12 3 4€3:4:8:11d2d2d2123根據(jù)下面的表格：壷6-3 |的連比沁於其対應(yīng)曲扈Tti指盤晶面間距寺的連訥律：--4r-As"ArE ；Ni-Ar+5bSi!a"<；：：爲(wèi):::d2~~ ( ~/:V12456S91011{hkl}10011-jIll200210匚3202213003L：J3111 _;■■■-F + .玄O:N—；.■■■+k-十門V::■1￡u.:f■i：.i：；宀；捫{hW}11'J211J102223：l400411換420面心立甘1 ；：：：+肆+.,：：： ，v』 ?。?川卷.N=.-'：3+護(hù)+;■■:Vw4E1112:.i：192024Z7=.，：?匸1112002203112224003?1422JoJ7-僉1 -^:-r .XO：：V-hz4.■/|EVJ■i11寫Xi:<4::.柑；{h^l111:■A311■：'：-3門:;I12:胎N:N:N:N€3:4:8:11符合面心立方的連比規(guī)律,所以,該晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為面心立方。前四個(gè)環(huán)的晶面族指數(shù)分別為611｝、｛200｝、｛220｝、《11｝。八、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)注意光欄的合理選擇。九、思考題1、什么是相機(jī)常數(shù)和有效相機(jī)常數(shù)。

如上圖所示，由于衍射角很小，可以認(rèn)為g丄k，這樣,OG心相似于hkl,OOG，因而存在以下關(guān)系：令K…L?，所以R…Kg，此式即為電子衍射的基本公式，式中K…L?hkl稱為相機(jī)常數(shù)，L稱為相機(jī)長(zhǎng)度。U=f0M|MPR,=rM,Mp1U得R得Rr=Kg電鏡中的衍射花樣是物鏡后焦面的衍射斑點(diǎn)經(jīng)過幾級(jí)透鏡放大后在底片上成的像，則相機(jī)長(zhǎng)度L不能象電子衍射儀那樣簡(jiǎn)單的計(jì)算為試樣至底片的距離，而應(yīng)根據(jù)后焦面上衍射斑點(diǎn)被放大的倍數(shù)，折算成衍射儀相機(jī)長(zhǎng)度，成為有效相機(jī)長(zhǎng)度L。而K=L?稱為有效相機(jī)常數(shù)。2、單晶體、多晶體、非晶體的電子衍射花樣的特征是什么？單晶體的電子衍射花樣由排列的十分整齊的許多斑點(diǎn)組成多晶體的電子衍射花樣是一系列不同半徑的同心圓環(huán).。非晶態(tài)物質(zhì)的電子衍射花樣只有一個(gè)漫散的中心斑點(diǎn).。非晶電子衍射花樣3、選區(qū)衍射的作用是什么？為了分析樣品上的一個(gè)微小區(qū)域，