【材料】10電子衍射

第十章電子衍射概述電子衍射原理電子顯微鏡中的電子衍射單晶電子衍射花樣標(biāo)定復(fù)雜電子衍射花樣1/5/2024110-1概述電鏡中的電子衍射，其衍射幾何與X射線完全一樣，都遵照布拉格方程所規(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，許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處置。1/5/20242HNU-ZLP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察看與構(gòu)造分析結(jié)合起來。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識(shí)別出一些晶體的構(gòu)造和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體構(gòu)造的研討比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射線一萬倍，曝光時(shí)間短。1/5/20243HNU-ZLP缺乏之處電子衍射強(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，不能象X射線那樣從丈量衍射強(qiáng)度來廣泛的測(cè)定構(gòu)造。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射才干有限，要求試樣薄，這就使試樣制備任務(wù)較X射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)比X射線低。1/5/20244HNU-ZLP電子衍射花樣特征電子束照射單晶體：普通為斑點(diǎn)花樣；多晶體：同心圓環(huán)狀花樣；織構(gòu)樣品：弧狀花樣；無定形試樣〔準(zhǔn)晶、非晶〕：彌散環(huán)。1/5/20245HNU-ZLP1/5/20246HNU-ZLP1/5/20247HNU-ZLP衍射花樣的分類1〕斑點(diǎn)花樣：平行入射束與單晶作用產(chǎn)生斑點(diǎn)狀花樣；主要用于確定第二象、孿晶、有序化、調(diào)幅構(gòu)造、取向關(guān)系、成象衍射條件；

2〕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，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、構(gòu)造分析、相變分析以及晶體的準(zhǔn)確取向、布拉格位置偏移矢量、電子波長(zhǎng)的測(cè)定等；

3〕會(huì)聚束花樣：會(huì)聚束與單晶作用產(chǎn)生盤、線狀花樣；可以用來確定晶體試樣的厚度、強(qiáng)度分布、取向、點(diǎn)群、空間群以及晶體缺陷等。1/5/20248HNU-ZLP10－2電子衍射原理布拉格定律倒易點(diǎn)陣與愛瓦爾德球圖解法晶帶定理與零層倒易截面構(gòu)造因子—倒易點(diǎn)陣的權(quán)重偏離矢量與倒易點(diǎn)陣擴(kuò)展電子衍射根本公式1/5/20249HNU-ZLP布拉格定律普通方式：2dsin=極限條件：2d，即對(duì)于給定的晶體，只需當(dāng)入射波長(zhǎng)足夠短時(shí)，才干產(chǎn)生衍射。對(duì)于透射電鏡，加速電壓為100～200kV，那么電子波波長(zhǎng)10-2～10-3nm，而常見晶體的晶面間距為d10～10-1nm,因此，sin=／2d10-2，即10-2rad電子衍射角非常小，是電子衍射與X射線衍射之間的主要區(qū)別。1/5/202410HNU-ZLP偏離矢量實(shí)際上獲得衍射花樣的條件:1/5/202411HNU-ZLP由于倒易陣點(diǎn)具有一定外形，因此在偏離布拉格角范圍±m(xù)ax內(nèi)，倒易點(diǎn)也有能夠與厄瓦爾德球面相接觸而產(chǎn)生衍射。如圖是倒易桿與厄瓦爾德球相交的情況，當(dāng)2偏離時(shí)，倒易桿中心至與厄瓦爾德球面交截點(diǎn)的間隔可用矢量s表示，s就是偏離矢量。為正時(shí)，s矢量為正，反之為負(fù)；準(zhǔn)確符合布拉格條件時(shí)，＝0，s＝01/5/202412HNU-ZLP1/5/202413HNU-ZLP1/5/202414HNU-ZLP2q試樣入射束厄瓦爾德球倒易點(diǎn)陣底板電子衍射花樣構(gòu)成表示圖1/5/202415HNU-ZLP電子衍射根本公式如圖，一束波長(zhǎng)為的平行單色入射電子束照射下，面間距為d的晶面族{hkl}滿足布拉格條件，在距晶體樣品為L(zhǎng)的底片上照下了透射斑點(diǎn)Q和衍射斑點(diǎn)P。1/5/202416HNU-ZLP由于電子波波長(zhǎng)很短，電子衍射的很小，普通僅為1～2，所以代入布拉格公式可得：這就是電子衍射的根本公式。其中L普通是確定的，稱為相機(jī)長(zhǎng)度，稱為相機(jī)常數(shù)，用K表示：普通K是知的，因此經(jīng)過底版測(cè)出R就可求出d。1/5/202417HNU-ZLP10-3電子顯微鏡中的電子衍射有效相機(jī)常數(shù)選區(qū)電子衍射磁轉(zhuǎn)角1/5/202418HNU-ZLP有效相機(jī)常數(shù)同一晶面的衍射束是平行的〔如hkl的衍射束方向均為〕，所以同一晶面的衍射束將在物鏡背焦面上聚焦成一點(diǎn)，一切滿足衍射條件的晶面將在物鏡的背焦面上構(gòu)成一幅由透射斑點(diǎn)和衍射斑點(diǎn)組成的衍射花樣，該衍射花樣與厄瓦爾德球倒易截面類似。由于經(jīng)過透鏡中心的電子束可以看成不受折射，對(duì)于物鏡背焦面上構(gòu)成的第一幅花樣而言，物鏡的焦距f0相當(dāng)于它的相機(jī)長(zhǎng)度。1/5/202419HNU-ZLP

使中間鏡物平面與物鏡背焦面重合，且設(shè)中間鏡及投影鏡的放大倍數(shù)分別為MI、MP，那么在底版上：樣品物鏡f0O’P’背焦面r21/5/202420HNU-ZLP選區(qū)電子衍射選區(qū)衍射就是在樣品上選擇一個(gè)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：光闌選區(qū)衍射〔LePool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(chǎng)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)而將其他部分擋掉。實(shí)際上，這種選區(qū)的極限0.5m。微束選區(qū)衍射用微細(xì)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(xì)，所選微區(qū)可小于0.5m?？捎糜谘杏懳⑿∥龀鱿嗪蛦蝹€(gè)晶體缺陷等。目前已開展成為微束衍射技術(shù)。1/5/202421HNU-ZLP1/5/202422HNU-ZLP磁轉(zhuǎn)角電子顯微鏡所用的電磁透鏡在聚焦、成象過程中，除了使電子發(fā)生徑向折射外，還有使電子運(yùn)動(dòng)的軌跡繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，無論是顯微圖象還是衍射花樣，都存在一個(gè)磁轉(zhuǎn)角的問題。設(shè)圖象相對(duì)于樣品的磁軒角為i，衍射斑點(diǎn)相對(duì)于樣品的磁轉(zhuǎn)角為d，那么衍射斑點(diǎn)相對(duì)于圖象的磁轉(zhuǎn)角為：=i-d現(xiàn)代電鏡普通都安裝有磁轉(zhuǎn)角自動(dòng)補(bǔ)正安裝。1/5/202423HNU-ZLP10-4單晶電子衍射花樣標(biāo)定單晶電子衍射花樣的幾何意義單晶花樣分析的義務(wù)單晶電子衍射花樣的指數(shù)化標(biāo)定根本程序?qū)嵗?/5/202424HNU-ZLP單晶電子衍射花樣的幾何意義單晶電子衍射花樣實(shí)踐上是一個(gè)二維的倒易截面(uvw)*?；又谐霈F(xiàn)大量強(qiáng)度不等的衍射斑點(diǎn)，主要得益于：倒易陣點(diǎn)的擴(kuò)展〔倒易桿、盤、球等〕；厄瓦爾德球半徑1/很大，球面近似于平面；加速電壓不夠穩(wěn)定，入射電子束波長(zhǎng)不單一，厄瓦爾德球面具有一定厚度。上述要素使倒易陣點(diǎn)接觸球面的時(shí)機(jī)大大增多，從而構(gòu)成一幅完好的衍射花樣。1/5/202425HNU-ZLP單晶花樣分析的義務(wù)根本義務(wù)確定花樣中斑點(diǎn)的指數(shù)及其晶帶軸方向［uvw］；確定樣品的點(diǎn)陣類型、物相和位向。普通分析義務(wù)可分為兩大類：測(cè)定新構(gòu)造，這種構(gòu)造的參數(shù)是完全未知的，在ASTM卡片中和其它文獻(xiàn)中都找不到；鑒定舊構(gòu)造，這種構(gòu)造的參數(shù)前人已作過測(cè)定，要求在這些知構(gòu)造中找出符合的構(gòu)造來。1/5/202426HNU-ZLP單晶電子衍射花樣的

指數(shù)化標(biāo)定根本程序主要方法有嘗試－校核法和規(guī)范花樣對(duì)照法。標(biāo)定步驟：1、選擇接近中心且不在不斷線上的幾個(gè)斑點(diǎn)，丈量它們的R值；2、利用R2比值的遞增規(guī)律確定點(diǎn)陣類型和這幾個(gè)斑點(diǎn)所屬的晶面族指數(shù){hkl}。假設(shè)知樣品和相機(jī)常數(shù)，可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距〔R＝K／d〕，并與規(guī)范d值比較直接寫出{hkl}；1/5/202427HNU-ZLP3、進(jìn)一步確定晶面組指數(shù)〔hkl〕。嘗試－校核法：首先根據(jù)斑點(diǎn)所屬的{hkl},恣意假定其中一個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)，如h1k1l1，再根據(jù)和的夾角丈量值與計(jì)算值相符的原那么，確定第二個(gè)斑點(diǎn)的指數(shù)h2k2l2。夾角可經(jīng)過計(jì)算或查表得到，立方體的夾角計(jì)算公式：4、其他斑點(diǎn)的指數(shù)，可由的矢量運(yùn)算得到，必要時(shí)也應(yīng)反復(fù)驗(yàn)算夾角。1/5/202428HNU-ZLP5、任取不在同直線上的兩個(gè)斑點(diǎn)〔如h1k1l1和h2k2l2〕確定晶帶軸指數(shù)[uvw]?，F(xiàn)實(shí)上，單晶電子衍射花樣就是倒易點(diǎn)陣內(nèi)以入射電子束方向?yàn)榉ň€的零層倒易截面放大象。假設(shè)我們預(yù)先畫出各種晶體點(diǎn)陣主要晶帶的倒易截面，以此作為不同入射條件下的規(guī)范花樣，那么實(shí)踐察看記錄到的衍射花樣，可以直接經(jīng)過與規(guī)范花樣的對(duì)照，寫出斑點(diǎn)指數(shù)并確定晶帶軸方向。1/5/202429HNU-ZLP單晶電子衍射花樣標(biāo)定實(shí)例如圖為某一電子衍射花樣，試標(biāo)定。知，RA=7.3mm，RB=12.7mm，RC=12.6mm，RD=14.6mm，RE=16.4mm，=73；加速電壓200kV，相機(jī)長(zhǎng)度800mm。000ABEDC

1/5/202430HNU-ZLP斑點(diǎn)編號(hào)ABCDER/mm7.312.712.614.616.4R253.29161.29158.76213.16268.96Rj2/RA213.032.9845.05(Rj2/RA2)226.055.96810.1N266810{hkl}110211211220310Hkl1102111212203011/5/202431HNU-ZLP10-5復(fù)雜電子衍射花樣高階勞厄斑點(diǎn)超點(diǎn)陣斑點(diǎn)二次衍射斑點(diǎn)孿晶斑點(diǎn)菊池衍射花樣1/5/202432HNU-ZLP高階勞厄斑點(diǎn)點(diǎn)陣常數(shù)較大的晶體，其倒易點(diǎn)陣的倒易面間距較小，假設(shè)晶體很薄，那么倒易桿很長(zhǎng)，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能夠和厄瓦爾德球面相交，從而構(gòu)成高階勞厄區(qū)，如圖。高階勞厄斑點(diǎn)并不構(gòu)成一個(gè)晶帶，它們符合廣義晶帶定律。由于高階斑點(diǎn)和零層斑點(diǎn)分布規(guī)律一樣，因此只需求出它們之間的程度位移矢量，便可對(duì)高階勞厄區(qū)斑點(diǎn)進(jìn)展標(biāo)定。高階勞厄斑點(diǎn)可以給出晶體更多的信息，如可消除180度不獨(dú)一性和測(cè)定晶體厚度。1/5/202433HNU-ZLP1/5/202434HNU-ZLP超點(diǎn)陣斑點(diǎn)當(dāng)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)生有序陳列時(shí)，將引起其電子衍射結(jié)果的變化，即可以使本來消光的斑點(diǎn)出現(xiàn)，這種額外的斑點(diǎn)稱為超點(diǎn)陣斑點(diǎn)。AuCu3合金是面心立方固溶體，在無序相情況下，Au原子和Cu原子是隨機(jī)地分布在晶胞中的四個(gè)原子位置，因此它符合面心立方的普通消光規(guī)律；在一定條件下，它會(huì)構(gòu)成有序固溶體，其中Cu原子位于面心，Au原子位于頂點(diǎn)，如圖。1/5/202435HNU-ZLP在AuCu3有序相中，當(dāng)hkl全奇全偶時(shí)，構(gòu)造因子F＝fAu＋3fCu；當(dāng)hkl奇偶混雜時(shí)，F(xiàn)＝fAu－fCu，即并不產(chǎn)生消光，但這些超點(diǎn)陣斑點(diǎn)強(qiáng)度低。如圖。1/5/202436HNU-ZLP二次衍射斑點(diǎn)當(dāng)入射電子束照射到一個(gè)由兩層晶體組成的試樣上，假設(shè)兩個(gè)晶面接近