材料分析基礎(chǔ)第四章：晶體薄膜衍射成像分析

第四章晶體薄膜衍射成像分析第一節(jié)概述

*復(fù)型技術(shù)的局限

*晶體薄膜樣品：內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)、電鏡分辨率大大提高

*開辟了材料科學(xué)的一些重要研究領(lǐng)域：

相變、晶體缺陷分析、塑性變形強(qiáng)化機(jī)制等

第二節(jié)衍射成像原理

*非晶態(tài)復(fù)型樣品是依據(jù)“質(zhì)量厚度襯度”原理成像的

*晶體薄膜樣品厚度大致均勻，平均原子序數(shù)無差別，不能利用質(zhì)厚襯度；而只能依據(jù)“衍射襯度成像”衍射襯度：由于樣品中不同位向的晶體的衍射條件（位向）不同而造成的襯度差別明場(chǎng)成像：讓透射束通過物鏡光闌而把衍射束擋掉得到圖像襯度的方法暗場(chǎng)成像：讓衍射束通過物鏡光闌而把透射束擋掉得到圖像襯度的方法

*暗場(chǎng)像的襯度明顯高于明場(chǎng)像！

明場(chǎng)時(shí)：IA

I0IBI0–Ihkl0

暗場(chǎng)時(shí)：IA0IB

Ihkl

雙光束條件：hkl晶面組與入射方向交成精確的布拉格角

b,hkl斑點(diǎn)特別亮。

正方ZrO2多晶的明場(chǎng)像

Al-Cu合金中’相明場(chǎng)（左）和暗場(chǎng)（右）的對(duì)比Muliite/Al-Cu-Mg界面明場(chǎng)和暗場(chǎng)的對(duì)比Mullite單晶HRTEM明場(chǎng)（左）和暗場(chǎng)（右）的對(duì)比第三節(jié)透射電鏡顯微圖像襯度原理

根據(jù)成象機(jī)理分為三類：質(zhì)厚襯度像衍射襯度像相位襯度像入射電子束與樣品不同部位的物質(zhì)相互作用，逸出試樣下表面后經(jīng)成像放大，在熒光屏上顯示出強(qiáng)度的差異，形成顯微襯度像。一、質(zhì)厚襯度成像原理質(zhì)厚襯度是建立在非晶態(tài)試樣中原子對(duì)入射電子束散射和TEM小孔徑成像的基礎(chǔ)上的。入射e的散射程度與試樣的厚度和密度有關(guān)，試樣越厚，密度越大，被散射到物鏡光闌之外的電子數(shù)就愈多，而通過物鏡光闌孔參與成像的電子數(shù)愈少，所以該區(qū)域形成的像較暗，反之則形成較亮的像。a區(qū)較厚，部分散射束被光闌擋住，象平面上a’最暗，c區(qū)是一個(gè)支撐樣品的銅網(wǎng)，入射束直透銅網(wǎng)孔經(jīng)物鏡折射穿過物鏡光闌成象，到達(dá)像平面的電子束最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的c’區(qū)最亮。I0—入射束強(qiáng)度 N—阿伏加德羅常數(shù)

—樣品密度A—原子量

t—厚度

·t—質(zhì)量厚度(g/cm2)

a—原子散射截面，表示一個(gè)原子對(duì)入射電子的散射幾率參與成象的電子束強(qiáng)度與樣品的厚度和密度的數(shù)學(xué)關(guān)系：由上式可見：入射電子束強(qiáng)度為I0，穿過厚度為t的試樣，通過物鏡光闌參與成象的電子束強(qiáng)度隨質(zhì)量厚度(ρ·t)的增大而衰減，故稱為質(zhì)厚襯度成象。令總散射截面，表示單位體積內(nèi)個(gè)原子對(duì)入射電子的總散射幾率。

襯度：設(shè)IA和IB為非晶態(tài)試樣相鄰區(qū)域在熒光屏上產(chǎn)生的電子束強(qiáng)度，定義A區(qū)襯度

(當(dāng)Q

t<<1)

相鄰區(qū)域厚度差別越大，圖象襯度越高。針對(duì)復(fù)型試樣，一般用質(zhì)厚襯度成像。若試樣本身由同種原子均勻組成，則QA=QB=Q

二、衍射襯度成象當(dāng)試樣厚度差異不大時(shí)，尤其薄膜樣品，厚度大致均勻，不可能利用質(zhì)厚襯度獲得滿意的圖象反差，而且晶體結(jié)構(gòu)上的微小變化如形變、位錯(cuò)等缺陷，不可能利用質(zhì)厚襯度來顯示，則采用衍襯成象。衍射襯度來源：晶體試樣不同微區(qū)滿足布拉格方程的程度存在差異所致，就是晶體對(duì)電子的衍射而引起襯度，故稱為衍襯成像。影響衍射強(qiáng)度的主要因素是晶向和結(jié)構(gòu)因子。特點(diǎn)：利用單束成象，用透射束或衍射束來成象種類：對(duì)應(yīng)成像方式，明場(chǎng)像和中心暗場(chǎng)像。1．明場(chǎng)衍襯成象原理：明場(chǎng)像：只由透射束成象的方式。設(shè)多晶薄膜內(nèi)有兩顆晶粒A和B，位向不同，在入射電子束照射下，B晶粒的(hkl)滿足布拉格條件產(chǎn)生衍射，在2

方向產(chǎn)生較強(qiáng)的衍射束，其透射束減弱若試樣足夠薄可忽略樣品對(duì)e的吸收效應(yīng),則強(qiáng)度為I0

的e束經(jīng)過B晶粒后,成為強(qiáng)度為Ihkl的衍射束和強(qiáng)度為IB=(I0－Ihkl)的透射束。在背焦面上加一只尺寸很小(20

m)的物鏡光闌，把B晶粒的衍射束擋掉，只讓透射束通過參與成象，象平面上IA與IB強(qiáng)度不等，出現(xiàn)襯度，B晶粒產(chǎn)生的衍射束被擋掉,在圖象上顯暗,A晶粒則較亮,這種明暗對(duì)比襯托出整個(gè)B晶粒的形貌。BAA晶粒不滿足布拉格條件無衍射束產(chǎn)生,透射束強(qiáng)度IA≈I0。以A晶粒的像亮度作為背景，則B晶粒象的襯度為：電子介質(zhì)陶瓷的明場(chǎng)像Al4CrSi相的明場(chǎng)象2．中心暗場(chǎng)像定義：擋住透射束只讓衍射束參與成象的方式——暗場(chǎng)像將物鏡光闌從光軸移至hkl處，套住hkl而擋住透射束,此時(shí)成象的為離軸光束,像差嚴(yán)重,圖像質(zhì)量不高。通常采用中心暗場(chǎng)像:將入射束傾斜2θ角，BASBTi-BLT晶粒TEM像a為超斑點(diǎn)成的暗場(chǎng)像,b為相應(yīng)明場(chǎng)像;反向疇位置用箭頭標(biāo)出.abB+注入Si的缺陷TEM觀察（暗場(chǎng)像）三、相位襯度成象

對(duì)于很薄(30～100?)的樣品，衍射襯度很小，主要依靠相位襯度成象。襯度來源：是透射束和各級(jí)衍射束之間相互干涉而引起的。當(dāng)一束平行的電子波透過很薄的試樣時(shí)受到原子的散射，逸出下表面的透射波及各級(jí)衍射波僅有相位的變化，而幾乎無振幅的變化，由透射束與若干支衍射束或兩支以上衍射束相互干涉，將相位差轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度差，便可在熒光屏上顯示襯度。四、應(yīng)用質(zhì)厚：散射電子與透射電子在像平面上復(fù)合而構(gòu)成象點(diǎn)的亮度——僅能顯示形貌特征，用于材料顯微組織、表面形貌、斷口分析。衍襯：由衍射強(qiáng)度的差別產(chǎn)生的襯度象，是樣品內(nèi)不同部位晶體學(xué)特征的直接反映：組織形貌、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷等。相位：能分辨

10?的細(xì)節(jié)，晶體微結(jié)構(gòu)、缺陷等，晶格像1.4?，原子像3?。立方ZrO2傾斜晶界條紋鈦合金中的層錯(cuò)形態(tài)Si/AlN的高分辯TEM像在Si和AlN的界面上存在厚度約為2nm的SixNy的非晶層硼納米線的中部形態(tài)(a)直線型；(b)分叉型。富硼氧化物B6O的HREM像(存在大量的微孿晶和層錯(cuò))定向、大面積納米管列陣的TEM觀察aHR-TEMbright-fieldimageofas-depositedSi/HEAN/Cufilmstack;blatticei