电子衍射讲座1

2019/8/41透射电子显微学在材料科学中的应用第二部分：会聚束电子衍射与高分辨电子显微术东北大学分析测试中心主任辽宁省电子显微镜学会付理事长中国金属学会分析测试分会理事边为民2019/8/42会聚束与高分辨段晓峰（中科院物理所）2019/8/43会聚束与高分辨参考文献：[1]高空间分辨分析电子显微学朱静等科学出版社1987[2]透射电子显微学进展叶恒强主编科学出版社2003[3]J.J.HrenIntroductiontoAnalyticalElectronMicroscopyNewYorkPlenumpress(1979)315[4]冯国光物理12卷(1983)183[5]B.F.BuxtonetalPhil.Trans.Roy.Soc.Vol.A281(1976)171[6]R.W.CarpenteretalActaCryst.Vol.A38(1982)55[7]F.W.SchapinketalActaCryst.Vol.A39(1983)805[8]P.GoodmanActaCryst.Vol.A31(1975)804[9]J.W.SteedsetalJ.Appl.Cryst.Vol.16(1983)317[10]边为民金属学报Vol.23No.4(1987)A262[11]边为民矿物学报Vol.7No.3(1987)284[12]边为民矿物学报Vol.9No.2(1989)132[13]边为民矿物学报Vol.10No.2(1990)115[14]边为民东北大学博士学位论文(1997)2019/8/44会聚束与高分辨2019/8/45会聚束与高分辨5.暗场的实现靠移动C2光阑完成2019/8/46会聚束与高分辨Si单晶[111]CBED花样2019/8/47会聚束与高分辨Si[111]带轴BF尖晶石[001]带轴BF(2)大角度CBED花样实验技术:*前两步与上同*测出C2光栏调整物镜电流,在M方式下获得衍射花样*选区光栏套在透射斑上，打到D方式，获得明场花样*选区光栏套在衍射斑上，打到D方式，获得暗场花样2019/8/48会聚束与高分辨4.5CBED分析方法:（1）倒易性原理:由Q点发出的射线与试样S发生弹性散射后，在P点产生的振荡振幅（或强度），等于在P点发出的射线与试样S发生弹性散射后，在Q点产生的振荡振幅（或强度）。（前提是在非弹性散射过程中能量损失非常小）2019/8/49会聚束与高分辨（2）晶体结构对称性与CBED的关系（结论）：1.m//B：明场与全图→m；±G→m推论：2mm、4mm→2mm、4mm；±G→2mm2.2//B：明场与全图→2；±G→2推论：n次轴同理；n等于偶数±G→23.2⊥B：明场→m；±G→mR推论：4、6次轴同2次轴4.m⊥B：明场与暗场→2，即1R5.对称中心：明场、暗场、全图→1；±G→2R简称2G平移。实际晶体中多种对称关系同时存在，即上述对称花样的叠加。2019/8/410会聚束与高分辨31衍射群对称性图解:2019/8/411会聚束与高分辨31衍射群明场、全图、暗场及对称性表:2019/8/412会聚束与高分辨31个衍射群与32个晶体学点群之间的对应关系：2019/8/413会聚束与高分辨晶体32点群各主要晶带轴对应31衍射群对称性汇总表：2019/8/414会聚束与高分辨4.6晶体学点群、空间群测定:2019/8/415会聚束与高分辨空间群测定:1.确定晶胞类型2.识别二次电子衍射斑2019/8/416会聚束与高分辨尖晶石中的消光黑带2019/8/417会聚束与高分辨尖晶石二次衍射的确定：Fd-3m→m-3mh+k+l=4n200020消光有对称中心F-43m→-43mh+k+l=2n200020不消光无对称中心2019/8/418会聚束与高分辨产生二次衍射的条件：h1k1l1+h2k2l2=h3k3l3充要条件：h1k1l1和h3k3l3必须在反射球上（1211）+（1–21–1）=（200）2019/8/419会聚束与高分辨YBCO超导体的CBED对称性研究a=0.38177nmb=0.38836nmc=1.16872nmR1=4.53mmR2=4.46mmG=(2Kd*)1/2K=1/λG′=Lλ(2Kd*)1/2d*=(G′/Lλ)2/2K=(37/1.73)2/(2/0.0037)=0.8462nm-1C=1.182nm2019/8/420会聚束与高分辨点阵参数的晶确测定：（仅限于立方晶体）计算公式:△θ/θ=△G/G=-△a/a推导:θ≈λ/2d=λG/2θ≈λ/2d=λN1/2/2a△a=-△G*a/G2019/8/421会聚束与高分辨标准点阵参数:a=0.54282nm点阵参数加大千分之一2019/8/422会聚束与高分辨2019/8/423会聚束与高分辨1.位错b失量测定:全位错：b1=1/3[2-1-10]=[100]不全位错：b2=1/12[5-4-10]=1/4[-210]位错应变场测定:G=Lλ/d△G/G=-△d/d全位错:△d≈9.2×10-4nm不全位错:△d≈7.8×10-4nm2019/8/424会聚束与高分辨2.小角晶界、亚晶界取向差及单根位错错向角精确测定：基本原理：tg=R/L=arctg(R/L)小角晶界DF亚晶界BF亚晶界DF2019/8/425会聚束与高分辨计算结果：小角晶界：1～1.5度亚晶界：0.3～0.4度单根位错错向角:0.2度左右2019/8/426会聚束与高分辨3.层错对CBED花样的影响:SiC4H6mm→3m对称性降低4H含层错2019/8/427会聚束与高分辨4.SiC多型的测定:6H45R180R210RG=(2Kd*)1/2K=1/λG′=Lλ(2Kd*)1/2d*=(G′/Lλ)2/2K例:Lλ=0.6283mmnmG1=14.4mmG2=11.9mmC1=1.029nm(1.004nm)C2=1.506nm(1.506nm)G3=7.5mmG4=3.75mmC3=11.379nm(11.295nm)C4=15.174nm(15.06nm)衍射出现条件:l=3n2019/8/428会聚束与高分辨5.样品厚度测量:计算公式:如果g不知道可用下面公式计算Si=(/d2)(i/2B)g=Vcos/(f())如果g和衍射条件可知,则有(Si2+g-2)t2=ni2即t=ni/(Si2+g-2)1/2例:纯铝d200=0.20206nmg200=66.4nm=0.0034nm(/d2)=0.00083nm-11=1.75mm2=4.35mm3=6.40mm用n1=1n2=2n3=3计算t1=57.9nmt2=77.3nmt3=87.1nm用n1=2n2=3n3=4计算t1=115.8nmt2=115.9nmt3=116.1nm2019/8/429会聚束与高分辨本章小结:1.了解CBED花样形成原理,掌握CBED和SAED光路图之间的差别2.了解并掌握CBED花样的对称性与晶体自身对称性之间的对应关系，学会用CBED测定晶体的点群的基本方法。3.了解CBED对各种缺陷进行定量测定的基本分析方法4.在其它方面如点阵参数的精确测定、结构因子的测定等方面也有广泛的应用。综上所述，CBED是一种非常有用的定量分析技术,目前在国外已成为一种常规实验手段，但在国内尚未得到普及，CBED的实验技术并不难但需要实践与体会，尤其需要晶体学的知识。冯国光先生在国内对CBED的推广做了许多开创性的工作。我们能在这方面开展一些工作得益于我的硕士导师肖序刚教授，在此深表感谢。2019/8/430会聚束与高分辨2019/8/431会聚束与高分辨氯化铜-酞花青高分辨结构像TEM照片植田夏(N.Uyeda)1978年拍摄2019/8/432会聚束与高分辨2019/8/433会聚束与高分辨3.相位衬度是透射束与各级衍射束之间干涉形成的(薄样品),分辨率1.5nm设:△f为欠焦量,透射波与衍射波之间光程差:δ=△f(1+θ2/2)-△f=△f(θ2/2)=△fλ2/2d2相位差:γ=2πδ/λ=2π△fλ2/(2d2λ)=π△fλ/d2当相位差γ=±nπ/2时，两波同相位△f=±nd2/2λ正号表示过焦，负号表示欠焦n=奇数时出现衬度n=偶数时不出现衬度注意：1.△f仅与d和λ有关2.上述推导是在理想状态，实际上完整透镜是不存在的，必需考虑其它影响因素2019/8/434会聚束与高分辨2019/8/435会聚束与高分辨右图水纹图(Moire条纹)示意图2019/8/436会聚束与高分辨2019/8/437会聚束与高分辨2.实验技术（1）合轴,调整电镜到最佳状态（2）选择样品薄区(一般20nm)，转动样品使晶带轴与入射束严格平行（3）选择成像方式：要特别注意明场或暗场之间的区别（4）选择适当的物镜光阑：一维；双束、三束或多束二维；三束或多束（5）在较高的倍率下消像散，采用适当的欠焦量（6）拍照（可采用系列曝光）或用CCD相机记录图像。2019/8/438会聚束与高分辨2019/8/439会聚束与高分辨消除像散2019/8/440会聚束与高分辨3.高分辨像的模拟：多束、多层法（1）波动方程法（2）散射矩阵法（3）线性微分方程法（4）实空间法（5）物理光学公式法（多层法）2019/8/441会聚束与高分辨Cowley-Moodie多层法计算物出射波振幅的程序框图2019/8/442电子显微图象分析高分辨像强度计算的程序框图2019/8/443会聚束与高分辨2019/8/444会聚束与高分辨5.4HREM技术的实际应用(1)完整晶体：检验电镜分辨率、晶体结构测定、0.144nm(一维)2019/8/445会聚束与高分辨0.204nm(二维)2019/8/446会聚束与高分辨2019/8/447会聚束与高分辨2019/8/448会聚束与高分辨2019/8/449会聚束与高分辨Bi系高温超导体2201→2212相变的HREM像2019/8/450会聚束与高分辨2019/8/451会聚束与高分辨(2)各种缺陷HREM：层错、位错、晶界、孪晶等Bi系超导体2223相[100]带轴的HREM像层错与调制结构2019/8/452会聚束与高分辨Bi系高温超导体2212相→2234相→2223相2019/8/453会聚束与高分辨2019/8/454会聚束与高分辨位错的HREM像2019/8/455会聚束与高分辨Ni3(Al,Ti)中[100]带轴倾侧晶界HREM像（a）两侧晶体相互旋转10°（b）两侧晶体相互旋转16.26°Σ25重位晶界（c）两侧晶体相互旋转36.87°Σ5重位晶界2019/8/456会聚束与高分辨YBCO中[100]带轴90°晶界和[001]带轴接近90°孪晶HREM像2019/8/457会聚束与高分辨高强Al-Mg-Mn合金中(Mg,Mn)3Al10相的微孪晶HREM像2019/8/458会聚束与高分辨本章小结：1.了解相位衬度与振幅衬度之间的主要区别2.了解高分辨像的成像原理及影响高分辨像的几大因素3.能够用公式计算欠焦量和球差对相位像的作用4.了解高分辨像对电镜的基本要求，能够掌握拍照高分辨像的实验技术与技巧（如消像散、欠焦、转正带轴等）5.了解高分辨像模拟的必要性6.了解高分辨像的实际应用2019/8/459透射电子显微学在材料科学中的应用第三部分：电子衍射花样综合分析软件简介东北大学测试中心边为民采用VB6.0语言中(英)文版具有图形界面美观、友好、内容丰富、实用性强、操作简单等特点(2.0.0版)在高阶衍射花样、旋转孪晶、取向关系、原子占位等方面做了适当改进已申请计算机软件著作权登记登记号:2004SR119762019/8/460基本功能:电子衍射花样模拟电子衍射花样标定孪晶衍射花样模拟双晶取向关系模拟菊池衍射花样模拟会聚束花样模拟多晶衍射环模拟电子衍射强度计算晶胞原子投影极图绘制2019/8/461主程序数据输入:1.选择晶系2.选择