材料分析方法-第3版(-周玉)-出版社配套PPT课件-第11章-机械工业出版社

1第二篇材料电子显微分析第八章电子光学基础第九章透射电子显微镜第十章电子衍射第十一章晶体薄膜衍衬成像分析第十二章高分辨透射电子显微术第十三章扫描电子显微镜第十四章电子背散射衍射分析技术第十五章电子探针显微分析第十六章其他显微结构分析方法2第十一章晶体薄膜衍衬成像分析本章主要内容第一节概述第二节薄膜样品的制备方法第三节衍衬成像原理第四节消光距离第五节衍衬运动学第六节衍衬动力学简介第七节晶体缺陷分析3第一节概述在透射电镜应用于材料科学早期，曾利用复型技术观察分析材料的微观组织形貌，随着薄膜样品制备技术的成熟，以及衍衬成像理论的不断完善，复型技术逐渐被取代利用薄膜样品的衍衬成像技术，不仅可以观察材料的微观组织形貌，而且可以观察分析晶体中的位错、层错等缺陷利用晶体薄膜的衍射和衍衬综合分析技术，可实现材料的微观组织和物相结构的同位分析薄晶体衍衬分析的基本内容包括，晶体缺陷的定性与定量分析，第二相的空间形态、尺寸、数量及其分布的分析透射电镜的图像衬度主要包括，质量厚度衬度、衍射衬度、相位衬度；此外在透射扫描模式下，利用高角环形暗场探测器接收弹性非相干散射电子，可获得Z衬度图像4第二节薄膜样品的制备方法一、基本要求因电子穿透能力的限制，需采用某种方法制备出适用于透射电镜的薄晶体样品，通常称薄膜样品。薄膜样品应满足如下基本要求1)薄膜样品必须保持和大块样品具有相同的组织结构。即样品在制备过程中，其组织结构不能发生变化2)薄膜样品对电子束而言应是透明的3)薄膜样品要有一定的强度和刚度，以免样品在夹持和装入样品台的过程中变形或损坏4)薄膜样品表面不能有腐蚀和较严重的氧化，否则会引起图像清晰度下降或出现假象5二、制备工艺过程1)切片从大块材料上切取厚度约为0.2~0.3mm的薄片根据材料选用合适的切割方法，如电火花线切割(见图11-1)、金刚石圆盘锯等；要注意切取的部位和方向，以使样品的分析结果具有代表性2)预减薄预减薄厚度控制在0.1~0.2mm主要为去除切片引起的表面损伤层，方法有机械法和化学法化学减薄液配方见表11-1；机械法即手工研磨，不能用力过大并充分冷却，以避免样品的组织结构发生变化第二节薄膜样品的制备方法图11-1线切割示意图6二、薄晶体样品的制备工艺过程3)最终减薄最终减薄后获得表面无腐蚀和氧化、且对电子束透明的样品。方法为双喷电解抛光法和离子减薄法对于金属材料通常采用高效简便的双喷电解抛光法，其原理间图11-2，电解抛光液配方见表11-2或查找有关手册对于不导电材料，可采用离子减薄法，但此方法比较费时第二节薄膜样品的制备方法图11-2双喷电解减薄原理示意图7第三节衍射衬度成像原理如图11-3所示，在单相多晶体薄膜样品中有两个相邻的晶粒，假设A晶粒所有晶面的取向均远离布拉格条件；而B晶粒只有(hkl)晶面满足布拉格条件，衍射强度为Ihkl图11-3衍射衬度成像原理a)明场成像b)中心暗场成像a)b)8第三节衍射衬度成像原理若入射电子束的强度为I0，在A晶粒下表面的透射束强度近似等于入射束强度I0；而B晶粒的透射束强度为(I0-Ihkl)透射束和衍射束经物镜聚焦，分别在背焦面上形成透射斑点(000)和衍射斑点(hkl)若用物镜光阑挡掉B晶粒的衍射束，只允许透射束通过光阑成像，像平面上A、B晶粒成像电子束强度分别为IA、IB，则有成像电子束强度即为图像亮度，所以A晶粒亮，B晶粒较暗，见图11-4a。若以A晶粒亮度为背景强度的B晶粒衬度为因图像衬度与不同区域的衍射强度有关，故称衍射衬度0AII0BhklIII0ABhklBAIIIIIII9第三节衍射衬度成像原理只允许透射束通过物镜光阑成像的方法称为明场成像；若只允许衍射束通过物镜光阑成像，称暗场成像，暗场成像时，A、B晶粒成像电子束的强度分别为IA0、IBIhkl，故B晶粒亮，而A晶粒亮度近似为零A、B晶粒形貌的衍衬像如图11-4所示。可见，暗场像的衬度明显高于明场像，是暗场成像的特点之一ABa)ABb)图11-4铝合金晶粒形貌衍衬像a)明场像b)中心暗场像10第四节消光距离由于电子受原子的强烈散射作用，电子波在样品深度方向传播时，因透射波和衍射波相互作用，振幅和强度将发生周期性变化，如图11-5所示图11-5偏离参量s=0时，电子波在晶体内深度方向的传播a)透射波和衍射波的交互作用b)振幅变化c)强度变化11当偏离参量s=0时，衍射波强度在样品深度方向变化的周期距离，称为消光距离，记作g(11-1)式中，d为晶面间距；n为原子面上单位面积内所含单胞数。1/n即为一个单胞的面积，所以单胞的体积Vc=d(1/n)，代入式(11-1)得(11-2)式中，Vc单胞体积；为布拉格角；Fg为结构因子式(11-2)表明，g值随电子波长和布拉格角而变化第四节消光距离ggnFdcosπgcgFVcosπ12几种晶体的消光距离g值见表11-3和表11-3晶体hkl50kV100kV200kV1000kVAlFeZr11111041204556286070419095461021010晶体Z点阵hkl110111200211AlAgAuFe13477926fccfccfccbcc285624186827204050表11-3100kV下几种晶体的消光距离g值表11-3不同加速电压下下几种晶体的消光距离g值第四节消光距离13衬度是指像平面上各像点强度的差别，或图像上个像点亮度的差别实际上，衍射衬度是像平面上各像点成像电子束强度的差别，它取决于晶体薄膜各点相对于布拉格取向的差别衍衬运动学理论用于计算样品下表面处各点衍射束和透射束的强度，即像平面上各像点成像电子束的强度运动学理论的物理模型比较直观，理论公式推导过程简便与衍衬动力学理论相比，运动学理论是一种近似的理论，其应用具有一定的局限性，但对于大多数的衍衬现象尚能做出较完美的定性解释第五节衍衬运动学14第五节衍衬运动学一、基本假设和近似处理方法(一)基本假设1)不考虑透射束和衍射束之间的交互作用。意味着与透射束强度相比，衍射束的强度始终是很小的若要满足这一假设条件，成像时需采用较大的偏离参量s2)不考虑晶体样品对电子波的吸收和多重反射。意味着电子波在穿过样品的过程中，仅受到不多于一次的散射若要满足这一假设条件，实验上须使用极薄的样品15一、基本假设和近似处理方法(二)近似处理方法1)双光束近似尽管用于成像的衍射束强度很小，但与其它晶面的衍射束强度相比仍然是最高的，可视其它晶面的衍射强度为零，衍射花样中，只有透射斑和一个衍射斑，如下图所示在此情况下，透射束强度IT和衍射束强度Ig近似满足I0=IT+Ig=1式中I0=1为入射束强度这就是双光束近似000hkl双光束衍射花样第五节衍衬运动学16一、基本假设和近似处理方法(二)近似处理方法2)柱体近似认为样品下表面某点A的衍射束强度来自于一个柱体内晶体的贡献，柱体的取法见图11-6计算A点衍射强度时，以A点为柱体底面中心，截面大小与单胞尺寸相当，柱体沿入射束方向贯穿样品计算另一点的衍射强度时，再以该点为中心取一柱体且相邻柱体间的衍射波互不干扰这种处理方法即为柱体近似图11-6柱体近似第五节衍衬运动学A17二、理想晶体的衍射强度图11-7运动学条件下晶柱OA的衍射强度第五节衍衬运动学18二、理想晶体的衍射强度如图11-7所示，计算厚度为t的晶体中柱体OA产生的衍射强度，首先要计算在柱体下表面处的衍射波振幅g。在柱体内深度为z处取一厚度元dz，其所引起的衍射波振幅变化为dg，见图11-7a(11-3)图11-7运动学条件下晶柱OA的衍射强度第五节衍衬运动学zΦggdeπidπi2rK19二、理想晶体的衍射强度在晶体下表面处的衍射振幅g，等于上表面到下表面所有厚度元衍射波振幅的叠加，即(11-4)式中，=2Kr是r处散射波相对于晶体上表面处散射波的相位角，在偏离布拉格条件(图11-7b)时，衍射矢量K=kk=g+s因为gr=整数，s//r//z，且r=z，则相位角表示为，=2Kr=2sr=2sz第五节衍衬运动学柱体柱体zzΦgggdeπideπiiπi2rK20二、理想晶体的衍射强度于是，样品下表处A点的衍射波振幅为(11-5)即，(11-6)衍射强度为振幅的平方，由此得理想晶体衍射强度公式(11-7)由双光束近似可知透射波强度(11-8)第五节衍衬运动学tgggzzΦ0iπi2deπideπi柱体rKstggsstΦπi2eπ)π(sinπi222)π()π(sinπstsΦΦIgggg222)π()π(sinπ1stsIgT21三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(一)等厚条纹当偏离参量s为常数时，将式(11-7)改写为(11-9)Ig随样品厚度t发生周期性变化，见图11-8。变化周期tg为tg=1/s(11-10)当t=n/s时，Ig=0；当t=(2n+1)/2s时，Ig取最大值(11-12)图11-8衍射强度Ig随样品厚度t的变化max21()ggIs第五节衍衬运动学)π(sin)(122stsIgg22三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(一)等厚条纹图11-10等厚条纹形成原理第五节衍衬运动学23三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(一)等厚条纹利用Ig随t周期性变化的结果，可定性解释样品楔形边缘出现的等厚条纹。如图11-10，楔形边缘的厚度t连续变化，在样品下表面处Ig随t而周期变化在孔边缘处t=0，Ig=0，暗场像对应位置为暗条纹，明场像为亮条纹对应于t=(2n+1)/2s的样品处衍射强度Ig为最大值，暗场像中对应位置为亮条纹，明场像为暗条纹如此循环便形成亮暗相间的条纹衬度图11-10等厚条纹形成原理第五节衍衬运动学24三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(一)等厚条纹由图11-10所示可见，明场像或暗场像中，同一亮条纹(或暗条纹)对应样品位置的厚度t是相同的，故称其为等厚条纹相邻亮条纹(或暗条纹)的间距与Ig的变化周期(1/s)成正比，因此利用等厚条纹的数目n可估算样品的厚度t，即t=n/s图11-11为一倾斜晶界，晶粒Ⅱ的取向恰好使所有晶面均远离布拉格取向，衍射强度近似为零；而使晶粒Ⅰ在晶界处的厚度形成连续变化，因此在倾斜晶界处出现等厚条纹第五节衍衬运动学图11-11倾斜晶界示意图25三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(一)等厚条纹等厚消光条纹是常见的衍衬现象，常出现在孔边缘厚度呈连续变化的楔形区域，或出现在倾斜的晶界处，其特征为亮、暗相间的条纹衬度如图11-12所示，照片中亮、暗相间的条纹为出现在铝合金晶界处的等厚消光条纹图11-12倾斜晶界处的等厚条纹第五节衍衬运动学26三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(二)等倾条纹等倾条纹也是一种常见的衍衬现象，由于这种条纹的出现是样品弹性弯曲引起的，故也称其为弯曲消光条纹，其衬度特征见下图下面用衍衬运动学理论定性解释产生等倾条纹的产生机制将式(11-7)改写为(11-15)等倾条纹的衬度特征第五节衍衬运动学222g2)π()π(sin)π(tststIg27三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(二)等倾条纹式(11-15)表明，t为常数时，Ig随s也呈振荡变化，变化规律如图11-13所示当s=1/t,2/t,3/t,时，Ig=0；当s=3/2t,5/2t,7/2t,时,Ig取极大值当s=0时，Ig取最大值图11-13衍射强度Ig随偏离参量s的变化22maxπggtI第五节衍衬运动学28三、理想晶体衍衬运动学基本方程的应用(二)等倾条纹如图11-14所示，由于样品弹性弯曲使衍射晶面向两侧偏转。设在O处衍射晶面恰好处于布拉格取向，=B(s=0)；O点两侧s符号相反，且s随距O点距离增大而连续增大根据图11-13关于Ig随s的变化规律可知，在s=0的样品位置，衍射强度最大，暗