第三讲-电子衍射

1、第三，谈电子衍射，创立了现代结晶学的三个主要人物。 左图：马克斯冯拉威(1879-1960 )日：威廉亨利布拉格(1862-1942 )右：威廉劳伦斯布拉格(1890-1971 )。 2011年诺贝尔化学奖获得者Dan Shechtman教授、快速冷却的Al4Mn合金中的二十面体相的电子衍射、FEI TECNAI F30透射电子显微镜、组织形态、结晶结构、单晶、典型的电子衍射光谱、多晶体、非晶体、3.1电子衍射的基本原理、 1 .布拉格方程晶体对电子波的衍射现象与x射线相同，都简单地用布拉格方程描述：正弦函数的性质：对于给定的晶体，仅在入射波长足够短时产生衍射。Bragg法则： 2dsin=，

2、透镜加速电压为100300kV的情况下，入射波的波长为10-3nm级，结晶的晶面间隔d的级为10-1nm，因此电子衍射的衍射角非常小，所以其衍射图案和特征与x射线衍射不同、2 .电子衍射图案的形成，在平行的入射电子束和样品的作用下产生衍射光束，同方向衍射光束通过物镜会聚在物镜的后焦点面上。 透射光束被称为中心点或透射点。、2q、2q、2q、入射光束、样品、物镜、后焦点面、像平面、衍射图案形成了示意图。、3 .电子衍射的基本公式代入右图：布拉格方程，电子衍射的基本公式：、令：-电子衍射相机常数、电子衍射的基本公式，衍射光斑的r向量为、 该点发生晶面群的逆易矢量g的比例扩大，衍射图形的分类：1)点

3、图形：平行入射光束和单晶作用发生点状图形，主要用于决定第二相、双晶、有序化、振幅调制结构、取向关系2 ) 菊池线花纹：平行入射光束因单晶的非弹性散射而失去能量，随之弹性散射形成线花纹，主要用于对比度分析、结构分析、相变分析及结晶的精确取向、布拉格位置偏移矢量、电子波长的测定等3 )收敛图案：收敛和单晶作用的盘子、 3.2电子显微镜下的电子衍射，一，代入有效的相机常数，布拉格方程式：定义：二，磁角电子束在镜筒中沿螺旋轨迹前进，有从衍射光点到物镜的一次像的距离，电子通过该距离后旋转一定角度的角度叫做磁角。 1是图像相对于样品的磁角2是衍射光斑相对于图像的磁角=1-2，三，选择性电子衍射为了克服相机

4、常数和磁角的不确定性，充分发挥电子显微镜同时显示形态图像、分析结晶结构的优势，始终在物镜平面内开口可变的选择如果光圈直径约20300m，物镜的倍率为50倍，则可以用50m的选择光圈切取样品上直径为1m的结构的细节。透射电子显微镜图像和电子衍射操作的示意图，a是母相和条纹状的新相组织的选择范围衍射，b是单一母相的衍射，3.3单晶电子衍射图案的标定、单晶衍射图案是一系列排列非常规则的斑点，它是二维截面放大图像。 放大倍率等于透射电子显微镜的有效相机常数。 一、单晶图案的标定，1 .目的：确定测定的结晶所属的结晶系和具体的衍射面指数。 确定水晶带的轴指数UVW层容易倒下的面的法线)。 确定要测量的晶

5、体的晶格常数。 确定两相的位相关关系。2 .方法一般方法(启发式)检查针法，标准衍射表或ASTM卡标准模式对照法，一、已知的相机常数，已知样品结晶结构时的衍射模式的标定，物质相标定过程中可能遇到的状况，二、未知的相机常数，已知样品结晶结构时的衍射已知相机常数，未知样品晶体结构时衍射图案的标定，二，已知相机常数，已知样品晶体结构时衍射图案的标定，一，测量Ri； 2、计算di、从d值中对应的晶面族指数hkl、dihikili； 4 .测量各斑点间的角度5 .确定最接近中心斑点的衍射斑点指数、晶面族的任一个6、用角度式确定第二斑点指数需要尝试， 结果也不是唯一的7 .用矢量计算确定第三斑点的指数8

6、.按照以下规律，其他斑点指数和透射斑对称的斑点指数相反通过透射斑，同一直线上的斑点指数倍增(同方向)和减少(异方向) 9，求出带轴指数。 实际标定电子衍射图形，测量d值时，可以不使用相机常数，而是用标度。 因为尺度包含了相机常数的信息。 三、未知相机常数，已知样品晶体结构的衍射图形的标定，以立方晶为例，介绍标定步骤：光栅类型的确定和(HKL )衍射面族a测Ri； 从小到大排队。 b求出R12:R22:R32:Rn2比数列。 根据确定各衍射光斑具体指数a的比的结果，可以初步写出各光斑的衍射面指数b，从其中取出两个衍射面H1K1L1和H2K2L2(R最短和r短) c，计算两晶面间的角度，将d计算出

7、的与照片实际测量的角度进行比较e用向量和的方法求出第三个r的指数，计算角度来验证前两个指数f按照以下法则，其他斑点指数和透射斑对称的斑点指数相反地求出透射斑点，同一直线上的斑点指数倍增(同方向)和减少(异方向)带状轴指数(UVW )，选择不在同一直线上的两个斑点指数，矢量例如，求出立方：晶格常数a，求出d d=L/R b，根据结晶系d的式，求出晶格常数，决定方位关系，已知：右图是低碳钢中的矩阵衍射图形。 测定： ra=7.1 mmrb=10.0 mmrc=12.3 mmrd=21.5 mmab=90AC=55计算比数列ra2:rb2:rd2=7.12:102:12.32:21.52=50.41

8、:100.0:151.29 、 求出(002 )、(220 )、(222 )、(114 )、(004 )、(224 )、a，求出UVW，4，已知的相机常数，未知的样品晶体结构的衍射图案标定，1，测定低指数光点的r值。 应该在不同的方向上拍摄电子衍射图形，通常保证可以在3个以上的低指数带轴方向上测量最前面的8个r值。 2、计算di、ASTM卡和各d值一致的物质相测定的结晶。 注：由于电子衍射精度有限，几张卡的d值很可能接近测量的d值。 在这种情况下，根据测定结晶的其他资料，有必要排除不能进行的物质相，例如化学成分的分析。 单晶图案指数化的独特性：无论用什么方法标定，单晶图案指数化的结果都不独特。

9、a点为(110 )，b点为(002 )，5，针法，标准物质相电子衍射计的制作方法：计算在一个UVW中有可能发生的(hkl )，求出各面的面间隔，求出对应的g值，求出最短G1和下一个短G2/G1和G2所成的角和G2/G1 能够得到另一组G2/G1比最终从G2/G1的值小时到大时的排列、标定工序(检针法)、衍射图形中找到作为基本特征的平行四边形，测定G1、G2的长度和角度，计算G2/G1的值，G2/根据G1和的值进行检针满足时，可以求出两斑点的指数(H1K1L1、H2K2L2)和UVW误差12的比2%，用向量和的方法计算各斑点的指数检查a任意取一点，测定g和d，求出G1和G2所成的角度， 与该晶体

10、的标准值比较b求出各面的面间隔d，与标准卡比较，在标定注意事项a之前，对特定的物质相有大致的推定，有目的的方向b的衍射图案有可能是二维截面，不同的晶体系的特征有可能是平行四边形，有必要用其他方法进行判定： G2/G1=1 =90 分析方法：面间隔d不同，与表中的d和实际测定的d相比较，如果相等，则可以决定分析多少张底片，例题(钢中物质相的标定)，g1=10.0mmg2=17.5mmg2/g1=1.75=73已知：- feb.c.c.a=2.866- fef.c.c=3.585 l=20.58 mm，6， 钢中物质相的标定g1=10.0 mmg2=17.5 mmg2/g1=1. 75=73已知：

11、- feb.c.c.a=2. 866- fef.c.a=3. 585 l=20.58 mm d1=l/g1=20.58/10 标准图案对照法将实际观察记录的电子衍射图案直接与标准图案进行比较，写出斑点的指数，确定带轴指数。 简单易用，常用的方法，能达到工作的一半效果。 聚焦束电子衍射(CBED )、CBED以具有足够大小的聚焦角的电子束入射到样品上，该透射束和衍射束分别会聚到一个盘上而不是点上，且该盘内还存在强度分布，因此包含比一般的电子衍射图更多的信息，聚焦束电子衍射包含缺陷的多晶体的电子衍射、透射电子显微镜图像分析、1、非晶质厚对比度2、薄晶体样品的衍射对比度3、相位对比度、1、质厚对比度

12、复合型和非晶质样品的对比度为质厚对比度。 质量对比度的基础是原子对电子的散射和小孔径的图像。 样品中相邻区域的原子序数和厚度的差异会引起电子的吸收和散射方向的分布差异。 原子序号大的区域和厚的区域不仅对入射的电子吸收大，而且散射能力强，因此，散射的电子通过物镜的光圈参与成像的情况少，多向光圈外散射，在电子像上该区域显示暗的对比度，相反，原子序号小或薄复合型样品质量厚衬里度a粒状贝氏体； b韧带断裂的c K-3合金相； d T-8钢珠光体、2，衍射对比度结晶样品的各部分相对于入射电子束的方位不同，或者它们是互不相同的结构的结晶，因此，满足布拉格条件的程度不同，它们产生的衍射强度不同，利用透射光束

13、或某个衍射光束成像分辨率不能优于1.5nm，珠光体的明场像和暗场像，3，相位对比度，除了透射光束之外，如果使一条或多条衍射光束同时参加成像，则通过各光束的相位干涉作用得到光栅(或条纹)像或结晶结构(原子)像。 前者是结晶中原子面的投影，后者是结晶中原子或原子集团电位场的二维投影。 相位对比度图像可以提供小于1.5nm的细节。 因此，将这样的图像称为高分辨率图像。Bi系超导氧化物的晶格像、YBa2Cu3O7-、理想晶体的衍射强度、理想晶体的衍射强度Ig根据样品的厚度t、衍射晶面和精密布拉格方位的偏差参数s而变化。 因此，有(1)厚度消光条纹和(2)弯曲消光条纹，结晶方位确定，s一定，衍射强度以t

14、周期振动，周期为：衍射强度以结晶方位变化：t一定，衍射强度以晶面偏移矢量s的变化周期性振动，周期为： 利用消光条纹的变化研究相变，18Cr2Ni4W高温淬火残留奥氏体的鉴定，ZrO2 Al2O3，ZrO2，Ni，Ni3Al，GH33高温合金晶界析出的碳化物，在碳化物M23C6和基体相间存在共同的关系。 材料中析出的第二相粒子与基质相同。缺陷结晶的衍射强度，结晶中存在缺陷的话，结晶发生一定的变形，产生位移r，图像产生对比度。 18-8不锈钢中的层叠错误、向薄膜表面倾斜的层叠错误显示为平行于上下表面交线的明亮的暗条纹，由于层叠错误面是严格的晶面，因此层叠错误条纹非常规则且平行。位错线的对比度，离开位错的衍射强度I，位错使其附近的晶面局部旋转，在某个位置衍射强度为最大Imax时，在该位置出现位错对比度。 小