【學(xué)習(xí)課件】第11章晶體薄膜衍襯成像分析

1、第十一章 晶體薄膜衍襯成像分析 1編輯ppt11-1 概 述（2）薄晶電子顯微分析：60年代以來：因高性能電子顯微鏡、薄晶樣品制備方法及電子衍射理論的發(fā)展，晶體薄膜電子顯微分析已成為材料微觀組織、結(jié)構(gòu)不可缺少的基本手段。90年代透射電鏡，用于觀察薄晶樣，其晶格分辨率已達(dá) 0.1nm ，點(diǎn)分辨率為0.14nm。薄晶電子顯微分析： 能直接清晰觀察內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮電鏡高分辨率的特長； 還可結(jié)合電子衍射，獲得晶體結(jié)構(gòu)（點(diǎn)陣類型、位向關(guān)系、晶體缺陷組態(tài)和其它亞結(jié)構(gòu)等）有關(guān)信息。2編輯ppt11-1 概 述（3）若配備加熱、冷卻、拉伸等特殊樣品臺(tái)，還能在高分辨下進(jìn)行材料薄膜的原位動(dòng)態(tài)分析，用于研究材料相

2、變和形變機(jī)理，揭示其微觀組織、結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在關(guān)系。迄今為止，只有利用薄膜透射技術(shù)，方能在同一臺(tái)儀器上同時(shí)對(duì)材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行同位分析。3編輯ppt第 二 節(jié) 薄 膜 樣 品 的 制 備 4編輯ppt一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求（1）1. 薄膜樣對(duì)電子束須有足夠的“透明度” 。電子束的穿透能力和加速電壓有關(guān)。 當(dāng) U=200kV 時(shí)，可穿透500nm厚的鐵膜； 當(dāng) U= 1000kV時(shí)，可穿透1500nm厚的鐵膜。 從圖像分析角度來看： 樣品較厚，膜內(nèi)不同層上的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)彼此重疊而互相干擾，得到圖像復(fù)雜，難以進(jìn)行分析。 樣品太薄，表面效應(yīng)明顯，組織、結(jié)構(gòu)有別于大塊樣品。因此，不同研究目

3、的，樣品厚度選用應(yīng)適當(dāng)。 對(duì)一般金屬材料，樣品厚度都在 500 nm 以下。5編輯ppt一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求（2）2. 薄晶組織結(jié)構(gòu)須和塊樣相同，樣品制備時(shí)，組織結(jié)構(gòu)不變。 直接使用薄膜：只有少數(shù)情況（光學(xué)或電子器件）。 大塊體：占絕大多數(shù)。 工程材料大都是以塊體形式被制造、加工、處理和應(yīng)用，觀察分析用薄晶，應(yīng)代表大塊體固有性質(zhì)。大塊樣品須經(jīng)一系列不致引起組織、結(jié)構(gòu)變化方法，逐步減薄到電子束能穿透的厚度。特別在最后減薄，只能用化學(xué)或電化學(xué)等無應(yīng)力拋光法，以減少機(jī)械損傷或熱損傷。但也不能完全保持原有狀態(tài)。6編輯ppt一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求（3）3. 薄膜應(yīng)有較大透明面積，減薄應(yīng)盡可

4、能均勻。 以便選擇典型的視域進(jìn)行分析。4. 薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度。 在制備、夾持和操作過程中，在一定的機(jī)械力作用而不會(huì)引起變形或損壞。 5. 在制備樣品時(shí)，不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。 因氧化和腐蝕會(huì)使樣品的透明度下降，并造成多種假像。 7編輯ppt透射樣品制備工藝示意圖從塊料制備金屬薄膜大致可分為三個(gè)步驟：8編輯ppt二、薄膜制備工藝過程（1） 1、 從實(shí)物或大塊試樣上切割厚度為0.30.5mm的薄片。 導(dǎo)電樣品：電火花線切割法，應(yīng)用最廣泛，切割損傷層較淺，且可在后續(xù)磨制或減薄中去除。不導(dǎo)電樣品：用金剛石刃內(nèi)圓切割機(jī)切片，如陶瓷等。 9編輯ppt超聲波切割機(jī)：對(duì)半導(dǎo)體、陶瓷、地質(zhì)等脆性薄

5、片材料進(jìn)行切割。切割厚度：0)為位矢 r 處原子面散射波相對(duì)于上表面散射波的相位角差； S 偏離矢量71編輯ppt二、理想晶體的衍射強(qiáng)度（2）又考慮 s 與 r 近似平行，近似有振幅01透射波K衍射波K即為衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本方程小柱體的衍射強(qiáng)度 (S 0)S 偏離矢量72編輯ppt二、理想晶體的衍射強(qiáng)度（3）將該小柱體內(nèi)所有厚度元的散射波振幅按位向疊加，即得：柱體底部衍射波的合成振幅g 。小柱體的衍射強(qiáng)度 (S 0)積分得：73編輯ppt二、理想晶體的衍射強(qiáng)度（4）衍射波強(qiáng)度 I g 正比于其振幅g平方： I g = | g |2當(dāng)波用復(fù)數(shù)形式表示時(shí)，I g + I T1理想晶體衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)基

6、本方程表明：理想晶體的衍射強(qiáng)度 I g 隨樣品的厚度 t 和衍射晶面與精確布拉格位向間的偏離矢量 s ，而呈周期性的變化。衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)理論認(rèn)為：明、暗場(chǎng)的襯度是互補(bǔ)的。74編輯ppt三、理想晶體衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的應(yīng)用75編輯ppt（一）等厚條紋76編輯ppt（一）等厚條紋若衍射晶面位向確定，即偏離矢量 S常數(shù)，則衍射強(qiáng)度 I g 隨晶體厚度 t 發(fā)生周期性振蕩。衍射強(qiáng)度 Ig 隨晶體厚度t的變化 振蕩周期： t = 1/s 當(dāng) tns (n為整數(shù)) ， I g 0； 當(dāng) t（n1/2）s ， I g 為最大。衍射強(qiáng)度I g 77編輯ppt（一）等厚條紋（厚度消光條紋）衍射強(qiáng)度 I g 隨 t 周期

7、性振蕩規(guī)律，可定性解釋薄膜樣孔洞邊緣呈楔形 （厚度變化區(qū)域） 出現(xiàn)的厚度消光條紋。 a) 等厚條紋形成原理的示意圖 b) 樣品邊緣形成的厚度條紋78編輯ppt等厚條紋（Thickness Contour）入射束（藍(lán)）和衍射束（紅）強(qiáng)度隨厚度變化 （未計(jì)吸收）用入射（衍射）束可成明（暗）衍射襯度像。010246810Thickness variationw雙束衍射條件下的暗場(chǎng)象，襯度隨晶體厚度增加而減少79編輯ppt晶界和相界的襯度等厚條紋襯度：也常在兩塊晶體間傾斜于薄膜表面的界面上，如晶界、亞晶界、孿晶界和層錯(cuò)等傾斜界面處觀察到。下方晶體：偏離布拉格條件甚遠(yuǎn)，無衍射；上方晶體：偏差矢量S=常數(shù)

8、，可產(chǎn)生等厚條紋。傾斜界面示意圖 立方Zr02傾斜晶界條紋 80編輯ppt晶界和相界的襯度界面兩側(cè)晶體因位向不同，或點(diǎn)陣類型不同，一邊處雙光束條件，另一邊不滿足衍射條件，無強(qiáng)衍射，相當(dāng)于一個(gè)“空洞”，等厚條紋由此產(chǎn)生。若傾動(dòng)樣品，不同晶粒或相區(qū)間衍射條件發(fā)生變化，相互間亮度差別也會(huì)變化。81編輯ppt（二）等傾條紋82編輯ppt（二）等傾條紋 當(dāng)厚度 t 一定，I g 隨 S 也呈周期性變化。振蕩周期： S= 1 / t 。衍射束Ig直射束 I-Ig衍射強(qiáng)度 Ig 隨偏離矢量 s 的變化 當(dāng) Snt (n非零整數(shù)) ， I g 0；直射束達(dá)最大； 當(dāng)S= (n + ) / t ， I g 極大

9、值，但隨| s |的 增大迅速衰減。 當(dāng) S= 0時(shí)， I g 最大值；83編輯ppt（三）等傾條紋當(dāng)厚度 t 一定， I g 隨 s 周期性變化，可解釋薄晶樣品中彈性變形（彎曲、隆起或凹陷）區(qū)出現(xiàn)彎曲消光輪廓。TiAl 薄膜明場(chǎng)像中的彎曲消光條紋當(dāng)無缺陷薄晶發(fā)生彎曲：在衍襯圖像會(huì)出現(xiàn)等傾條紋。因同一條紋上，晶體偏離矢量 s 的數(shù)值相等， 故稱 “等傾條紋”。 84編輯ppt（三）等傾條紋衍襯成像原理85編輯ppt（三）等傾條紋衍襯成像原理薄晶厚度t = 常數(shù)，而晶體內(nèi)不同部位衍射晶面（h k l） 因彎曲而與入射束存在不同程度偏離，即薄晶上各點(diǎn)有不同的偏離矢量 S 。等傾條紋形成原理示意(a

10、) 晶體彎曲前的狀態(tài) 晶體彎曲前：若入射束和（hkl）晶面處于對(duì)稱入射位置，偏離矢量S很大，則不發(fā)生衍射。明場(chǎng)像：均勻的亮度。 對(duì)稱入射， S很大，不發(fā)生衍射86編輯ppt（三）等傾條紋衍襯成像原理 晶體彎曲后： 因各點(diǎn)彎曲程度不同，各（hkl）晶面對(duì)入射束偏離角逐漸變化，隨與 0 點(diǎn)距離增大，| S |變小。 等傾條紋形成原理示意圖 b） 晶體彎曲后衍射條件的變化 晶體彎曲，各點(diǎn)晶面| S | 變小S0，衍射強(qiáng)度最大若在A、B兩點(diǎn)：S0，則發(fā)生衍射， I g 最大，該處在明場(chǎng)像：呈黑條紋。即晶體彎曲消光條紋。 87編輯ppt等傾條紋等傾條紋：不同傾角即為偏離矢量 s 的變化。88編輯ppt（

11、二）倒易桿長度的解釋當(dāng)薄晶厚度 t 一定，由 I g 隨偏離矢量 s 周期性變化，可用于對(duì)倒易桿長度的解釋。當(dāng) S3/2t 時(shí)，二次衍射強(qiáng)度很??；1/t 范圍：看成是偏離布拉格角后能產(chǎn)生衍射強(qiáng)度的界限。衍射強(qiáng)度界限倒易桿長度S2/tI g 隨偏離矢量S的變化 該界限即為 倒易桿長度， 即 S 2 / t。 晶體厚度 t 越薄, 倒易桿長度（2 / t）越長。89編輯ppt四、非理想（缺陷）晶體的衍射襯度90編輯ppt（一）缺陷矢量 R 的引入當(dāng)晶體存在缺陷，晶柱會(huì)發(fā)生畸變，電子穿過后，晶柱底部衍射波振幅計(jì)算較為復(fù)雜?？梢肴毕菔噶縍（位移矢量）來描述畸變大小和方向。附加（缺陷）相位因子 與完整

12、晶體相比因R附加位相角 R 大?。簽檩S線坐標(biāo) z 的函數(shù)。 顯然，rrR，經(jīng)計(jì)算：衍射波合成振幅： 91編輯ppt（二）缺陷晶體的衍射襯度即在缺陷晶體衍射振幅中出現(xiàn)一個(gè)附加位向因子R。缺陷矢量R 附加（缺陷）相位因子 完整晶體相位因子 缺陷區(qū)完整區(qū)因兩區(qū)域衍射強(qiáng)度不同，則在衍襯圖像中顯示反映出晶體缺陷的襯度。92編輯ppt第七節(jié) 晶體缺陷分析93編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（1） 晶體缺陷：主要是下列三種， 層錯(cuò)，位錯(cuò)，第二相粒子周圍造成的畸變。 堆垛層錯(cuò)：發(fā)生在確定晶面上，層錯(cuò)面上、下方分別是位向相同的兩塊理想晶體，但下方晶體相對(duì)于上方晶體存在一個(gè)恒定的位移 R。 面心立方晶體：層錯(cuò)面：

13、111， 位移矢量： R1/3 或 1/6。 可看作：層錯(cuò)面一側(cè)晶體整個(gè)地沿 方向平移了1/3或平行于層錯(cuò)面切變1/6的位移，分別代表著層錯(cuò)生成的兩種機(jī)制。94編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（2）對(duì)于R1/6的層錯(cuò)，附加相位角 ： 2g R 2( ha*kb*lc* ) 1/6( ab2c ) /3 ( hk2l )。 因面心立方晶面的 h、k、l 為全奇或全偶，不消光。 故只可能是0，2或2/3 。 如果選用 g =11-1 或 311 等 ， 層錯(cuò)將不顯襯度； 若 g 為 200 或 220 等， 2/3 ，可以觀察到這種缺陷。 95編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（3）（1）平行于薄膜

14、表面層錯(cuò) ：薄膜厚度為 t ，層錯(cuò)CD平行于表面，則對(duì)無層錯(cuò)區(qū)，衍射波振幅為：(a)平行薄膜表面的層錯(cuò) 對(duì)層錯(cuò)區(qū)，衍射波振幅則為 ：顯然，gg，衍襯圖像亮度不同，構(gòu)成了襯度。層錯(cuò)區(qū)：顯示為均勻的亮區(qū)或暗區(qū)。 96編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（4）（2）傾斜于薄膜表面層錯(cuò)：層錯(cuò)區(qū)的衍射波振幅仍為： (b)傾斜薄膜表面層錯(cuò) 但該區(qū)不同位置晶體柱上、下部分的厚度 t1和 t2 t - t1是逐點(diǎn)變化的。若 t1ns，則 A(t)A(t)， 亮度與無層錯(cuò)區(qū)相同；若 t1(n1/2)s，則 A (t) 最大或最小， A(t) A(t) 。 97編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（5）傾斜于薄膜表面的堆

15、積層錯(cuò)：與傾斜界面等相似顯示為：平行于層錯(cuò)，與上、下表面交線的亮、暗相間的條紋，其深度周期為 t g =1s。不銹鋼中的層錯(cuò)形態(tài) 98編輯ppt11-7 晶體缺陷分析（6）晶體中孿晶形態(tài)：不同于層錯(cuò)。由黑白襯度相間、寬度不等的平行條帶構(gòu)成，相間的相同襯度條帶為同一位向，而另一襯度條帶為相對(duì)稱的位向。單斜ZrO2中的孿晶形貌 層錯(cuò)：等間距的條紋。不銹鋼中的層錯(cuò)形態(tài) 99編輯ppt100編輯ppt四、位錯(cuò)的襯度101編輯ppt位錯(cuò)的襯度非完整晶體衍射襯運(yùn)動(dòng)學(xué)基本方程：可清楚地說明螺位錯(cuò)線的成像原因。如圖為一條和薄晶體表面平行的螺型位錯(cuò)線，螺型位錯(cuò)線附近有應(yīng)變場(chǎng)，使晶體PQ畸變成PQ。由螺型位錯(cuò)線周

16、圍原子的位移特性，可確定缺陷矢量R的方向和布氏矢量b方向一致。102編輯ppt位錯(cuò)的襯度圖中：x晶柱和位錯(cuò)線間的水平距離。y位錯(cuò)線至膜上表面的距離。z晶柱內(nèi)不同深度的坐標(biāo)，薄晶厚度為t。因晶柱在螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)中，其內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變量都不相同，因此，各點(diǎn)上R 矢量也均不相同，即 R 是坐標(biāo) z 的函數(shù)。103編輯ppt位錯(cuò)的襯度為便于描繪晶體畸變特點(diǎn)，把度量R的長度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成角坐標(biāo)，其關(guān)系如下從式中可看出晶柱位置確定后（x和y一定），R是z的函數(shù)。因?yàn)榫w中引入缺陷矢量后，其附加位相角=2ghklR，故104編輯ppt位錯(cuò)的襯度ghklb可等于零，也可是正、負(fù)的整數(shù)。若ghklb=0，則附加位相角0，此

17、時(shí)即使有螺位錯(cuò)線存在也不顯示襯度。若ghklb0，則螺位錯(cuò)線附近的襯度和完整晶體部分的襯度不同。105編輯ppt位錯(cuò)的襯度位錯(cuò)線不可見性判據(jù)：當(dāng)ghklb=0時(shí)，稱為位錯(cuò)線不可見性判據(jù)，利用它可確定位錯(cuò)線的布氏矢量。因ghklb=0時(shí)，表示ghkl和b相垂直，若選擇兩個(gè)g矢量作操作衍射時(shí)，位錯(cuò)線均不可見，則就可列出兩方程，即可以確位錯(cuò)的Burgers矢量：BB / g1g2106編輯ppt刃型位錯(cuò)襯度的產(chǎn)生及其特征位錯(cuò)引起附近晶面的局部轉(zhuǎn)動(dòng)，意味著在此應(yīng)變場(chǎng)范圍內(nèi)，（hkl）晶面存在著額外的附加偏差。 位錯(cuò)線像：將出現(xiàn)在其實(shí)際位置的另一側(cè)。 位錯(cuò)線像：總是有一定的寬度，對(duì)應(yīng)“應(yīng)變場(chǎng)襯度”.10

18、7編輯ppt位錯(cuò)襯度Al-Mg合金中的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)30CrMnSiA高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的沉淀相Cr23C6與位錯(cuò)(BF)108編輯ppt位錯(cuò)襯度18Cr-8Ni不銹鋼1100，1.5h淬火兩組平行滑移面上的位錯(cuò)列（BF）109編輯ppt五、第二相粒子襯度第二相粒子：指和基體處于共格或半共格狀態(tài)的粒子。第二相粒子的存在：使基體晶格發(fā)生畸變，由此引入缺陷矢量R，使畸變區(qū)和不畸變區(qū)晶體間出現(xiàn)襯度差別，因此，也被稱為應(yīng)變場(chǎng)襯度。110編輯ppt第二相粒子襯度球形共格粒子：粒子周圍基體晶格結(jié)點(diǎn)原子產(chǎn)生位移，使原來理想晶柱彎曲成弓形。因此，畸變區(qū)與不畸變區(qū)（遠(yuǎn)離粒子的基體）晶柱底部衍射波振幅必存在差別。111編輯ppt第二相粒子襯度因通過粒子中心晶柱不發(fā)生畸變，缺陷矢量（R=0，=0），則穿過粒子中心晶面的基體部分不出現(xiàn)缺陷襯度。球形共格沉淀相明場(chǎng)像：粒子分裂成兩瓣，中間為無襯度線狀亮區(qū)。112編輯ppt第二相粒子襯度操作矢量g正好和這條襯度線重直，這是因?yàn)檠苌渚嬲猛ㄟ^粒子的中心，晶面的法線為g方向，電子束是沿