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1、1,第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析,2,引言,超显微颗粒试样 形态观察,颗粒度测定,结构分析等 试样的表面复型 金相组织,断口形貌,磨损表面等 金属或陶瓷薄膜 金相组织与结构, 析出相形态,分布与结构, 位错类型等,3,复型技术的缺陷： 复型技术完全依赖于侵蚀浮雕的复制，与金相显微镜无本质区别。只能对观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。 晶体薄膜样品的优势： 不仅能清晰地显示样品内部的精细结构，而且还能使电镜的分辨率大大提高。此外，结合薄膜样品的电子衍射分析，还可以得到许多和晶体学方面的有关信息。 只有利用薄膜透射技术，方能在同一台仪器上同时对材料的微观组织和晶体结构进行原位对照
2、分析。,引言,4,透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。,透射电镜图象,5,因此，如何对一张电子图象获得的信息作出正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作出正确的解释。 如前所述电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现
3、象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。,透射电镜图象,6,质厚衬度的局限性： 由于晶体薄膜样品的厚度大致均匀，平均原子序数也没有差别，因此薄膜不同部位对电子的散射或吸收作用大致相同，所以不可能利用质厚衬度来获得满意的图象反差。 如果让散射电子与透射电子在像平面上复合而构成像点的亮度，则图像除了能够显示样品的形貌特征之外，所有其它的信息(特别是与晶体学有关的信息)将全部损失。,电子衬度象,7,衍射衬度形成机理,设想薄膜内有两个晶体学位向不同的晶粒A和B。在入射电子的照射下，入射电子束恰好与B晶粒中的(h1k1l1)晶面组交成精确的布拉格角，形成强烈衍射，结果在物镜的背焦面上出现强的衍射
4、斑h1k1l1。而其它的晶面则偏离Bragg衍射条件，形成透射束。 B晶粒的位向满足“双光束条件”。,衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异。 以单相的多晶体薄膜样品为例说明：,8,所以强度为I0的入射电子束在B晶粒区域内经过散射之后，将形成强度为Ihkl的衍射束和强度为(I0-Ihkl)的透射束两部分。 设想A晶粒内所有晶面组与B晶粒位向不同，均与Bragg条件存在较大偏差，A晶粒的选区衍射花样中将不出现任何强衍射斑点而只有中心透射斑点。此时可以认为所有衍射束的强度均可视为零。 A晶粒区域的透射束强度近似等于入射束强度I0。,衍射衬度形成机理,9,由于电镜中样品
5、的第一幅衍射花样出现在物镜的后焦面上，所以可以在后焦面上加一个尺寸足够小的物镜光阑，把B晶粒的hkl衍射束挡住，而只让透射束通过光阑孔到达像平面，形成样品的放大像。,衍射成像原理(明场像),衍射衬度形成机理,10,此时：两个晶粒的像亮度将有不同： IA I0 IB I0Ihkl0 若以A晶粒亮度I0为背景强度，则B晶粒的像衬度为：,衍射衬度由于样品中不同位向的晶体衍射条件(位向)不同而造成的衬度。 明场像(BF)采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通过而得到图象衬度的方法称为明场成像，所得的图象称为明场像。,衍射衬度形成机理,11,正方ZrO2多晶的明场像,12,如果我们将光阑孔左移，使它的位
6、置和衍射斑hkl重合，那么，由于透射束完全被光阑挡掉。A晶粒显示不出亮度，而B晶粒将由衍射束提供的强度(IB=Ihkl)在像平面上成像，这种用衍射束形成的电子显微图象叫暗场像(DF)。,衍射衬度成像原理暗场像,衍射衬度形成机理,13,偏心暗场像是用离轴光线成像，由于衍射束远离透镜的主轴球差就会很大，所以得到的图像质量不高，有严重的像差。 通常可以通过将入射电子束方向倾斜2角度(借助显微镜的内上下偏转线圈来完成)。此时衍射斑(副焦点)将移到透镜的中心位置。由于衍射束和透镜的主轴重合，球差大大减小，因此中心暗场（CDF）的图像比普通的暗场像清晰。,中心暗场衍射成像,衍射衬度形成机理,14,明场相,
7、暗场相,不锈钢中的位错线像,衍射衬度形成机理,15,暗场成像有两种方法：偏心暗场像与中心暗场像。 暗场成像技术要点： (1) 只有晶体试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗线，其条件是，此暗线确实是所用的操作反射斑引起的。通常，暗场像的衬度将明显地高于明场像。 物镜光阑地直径愈小，被挡住地衍射束愈多，图像的衬度愈高，所以在拍摄显微组织照片时，要使用小孔径的物镜光阑。,衍射衬度形成机理,16,(3) 衍射成像方法中，某一最符合Bragg条件的(hkl)晶面组 强衍射束起着十分关键的作用，因为它直接决定了图像的衬度。 (4) 它不是表面形貌的直
8、观反映，是入射电子束与晶体试样之间相互作用后的反映。正是因为衍射图像完全是由衍射强度的差别所产生的，所以这种图像必将是样品内不同部位晶体学特征的直接的反映。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理论（超出范围不讲）。,衍射衬度形成机理,17,衍衬象理论的预备知识,消光距离的概念 入射电子受原子强烈的散射作用，因而在晶体内透射波和衍射波之间存在相互作用。 我们将在简单的双光束条件下，也即当晶体的(hkl)晶面处于精确的 Bragg位向时，入射波被激发成为透射波和(hkl)晶面的衍射
9、波，考虑这两个波之间的相互作用。 当波矢量为k的入射波到达样品上表面时，受到晶体内原子的相干散射，产生波矢量为k的衍射波。随着电子波在晶体内深度方向上的传播，透射波( )和衍射波( ) 的强度也相应发生变化。,18,Bragg向下的衍射,振幅变化,强度变化,在(hkl)晶面为精确的Bragg位向时电子波在晶体内深度方向上的传播,消光距离,19,由于入射波与(hkl)晶面交成精确的Bragg角，那么由入射波激发产生的衍射波也与该晶面交成同样的角度，于是在晶体内逐步增强的衍射波也将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其方向恰与透射波的传播方向相同。此时，衍射波的强度逐渐下降而透射波的强度相应增大
10、。 消光的物理含义： 电子波尽管满足衍射条件，但由于动力学相互作用而在晶体内一定深度处衍射波(或透射波)的强度实际上为零。,消光距离,20,这种强烈的动力学相互作用，使I0和Ig在晶体的深度方向上发生周期性的振荡。振荡的深度周期叫做消光距离，记做g。 理论推导结果表明： 式中：d 晶面间距 Vc晶胞体积 入射电子波长 Bragg衍射角度 Fg 结构因子,消光距离,21,由上式可知：对于确定的入射电子波长，消光距离是样品晶体的一种物理属性，对同一晶体，当不同晶面的衍射波被激发时，也有不同的g值。,加速电压为100KV时的消光距离(nm),消光距离,22,消光距离随加速电压的变化,消光距离,23,
11、衍衬象运动理论的基本假设,衍射衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度的反映。因此，计算衬度实质就是计算衍射强度。它是非常复杂的。为了简化，需做必要的假定。由于这些假设，运动学所得的结果在应用上受到一定的限制。但由于假设比较接近于实际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍衬像所反映的晶体内部结构实质，有很大的实用价值。,24,基本假设包括下列四点： 1)采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件”除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，这束较强的衍射束的反射晶面接近Bragg条件，但不精确符合Bragg条件。 这个假设有两个目的： a)存在一个偏离矢量s，使衍射
12、束的强度远比透射束弱，这可以保证衍射束和透射束之间没有能量交换。 b) 若只有一束衍射束，则可以认为衍射束的强度和透射束的强度之间有互补关系，因此，我们只要计算出衍射束强度，便可以知道透射束的强度。,衍衬象运动理论的基本假设,25,2）入射束与衍射束不存在相互作用，二者之间无能量交换。当衍射束的强度比入射束小的多时，这个条件可以满足，特别是在很薄和偏离矢量较大的情况下。,衍射运动学,衍射动力学,相干散射电子波在晶体内强度随深度变化的示意图,衍衬象运动理论的基本假设,26,3） 假设电子束在晶体试样内多次反射与吸收可以忽略不计。如果样品非常薄，反射和吸收可以忽略。 4）柱体近似 假设相邻两入射束
13、之间没有相互作用，每一入射束范围可以看作在一个圆柱体内，只考虑沿柱体轴向上的衍射强度的变化，认为dx、dy方向的位移对布拉格反射不起作用，即对衍射无贡献。这样变三维情况为一维情况，这在晶体很薄，且布拉格反射角2很小的情况下也是符合实际的。,衍衬象运动理论的基本假设,27,柱体假设的示意图,28,此晶柱的截面积等于或略大于一个晶胞的底面积，晶柱底面上的衍射强度只代表一个晶柱内晶体结构的情况。若把整个晶体表面分成很多柱体。计算每个柱体下表面的衍射强度，汇合一起就组成一幅由各柱体衍射强度组成的衍衬象。 由于晶柱底部的截面积很小，它比所能观察到的最小晶体缺陷的尺度还要小一些，事实上每个晶柱底部的衍射强
14、度都可以看成一个像点，把这些像点连接成的图像，就能反映出晶体试样内各种缺陷的结构特点。,柱体假设,29,理想完整晶体衍射强度,如果要计算柱体下表面处的衍射强度Ig，需先计算衍射波振幅g，两者的关系为：,当一个晶胞在电子束的作用下产生散射时，散射波的振幅可以表示为：,F:晶胞的散射波振幅 2K.r，是r处原子面散射波相对于晶体上表面位置散射波的相位角差。 K：衍射矢量。,30,晶体柱OA的衍射强度,31,晶体下表面的衍射振幅等于所有晶胞产生的散射波在衍射方向K上的总和。它可以表示为：,是指两个晶胞散射波之间的位相差角。 考虑到在偏离Bragg条件时，衍射矢量K偏离基矢量为s：,如果相邻两个单胞的
15、散射波偏离Bragg条件，相位角的表达式为：,理想完整晶体衍射强度,32,假定单胞的散射波振幅是一个单位，所以当单胞的散射波振幅为某一确定数值F时，晶柱合成衍射波的振幅大小为(推导从略)：,相应晶柱的衍射束强度：,上述两式就是理想晶体衍射运动学的基本方程,理想完整晶体衍射强度,33,从上式看出，理想晶体的衍射强度Ig随样品的厚度t和衍射晶面与精确的Bragg位向之间的偏离参量s而变化。 由于运动学理论认为明暗场的衬度是互补的，于是有：,sin2(st)/(s)2 称为干涉函数.,Ig是厚度 t 与偏离矢量s的周期性函数,理想完整晶体衍射强度,34,理想晶体衍衬运动学基本方程的应用,1) 等厚消
16、光条纹(衍射强度随样品厚度的变化) 如果晶体保持确定的位向,则衍射晶面的偏离矢量s保持恒定,此时上式变为:,将Ig 随晶体厚度t的变化画成曲线，得：,35,衍射强度Ig随晶体厚度t的变化,显然，当s = 常数时，随着样品厚度t的变化衍射强度将发生周期性的振荡。 振荡周期：tg = 1/s,等厚消光条纹,36,当t=n/s (n为整数）时， I g =0。 当t=(n+1/2)/s时， I g = I g max=1/(s g )2,I g 随t的周期性振荡这一运动学结果，定性地解释了晶体样品的锲形边缘处出现的厚度消光条纹。在锲形边缘将得到几列亮暗相间的条纹，每一亮暗周期代表一个消光距离的大小。,因为同一条纹上晶体的厚度是相同的，所以这种条纹叫等厚条纹。消光条纹的数目实际上反映了薄晶体的厚度。可以通过计算消光条纹的数目来估算薄晶体的厚度。,等厚消光条纹,37,s不变，t变：,等厚消光条纹,38,晶体内部的晶界、亚晶界、挛晶界层错都属于倾斜界面。,电子束,倾斜界面示意图,若图中下方晶体偏离Br
