晶体薄膜衍衬成像分析

1,第十一章晶体薄膜衍衬成像分析,2,11-1概述（2）,薄晶电子显微分析：60年代以来：因高性能电子显微镜、薄晶样品制备方法及电子衍射理论的发展，晶体薄膜电子显微分析已成为材料微观组织、结构不可缺少的基本手段。90年代透射电镜，用于观察薄晶样，其晶格分辨率已达0.1nm，点分辨率为0.14nm。薄晶电子显微分析：能直接清晰观察内部精细结构，发挥电镜高分辨率的特长；还可结合电子衍射，获得晶体结构（点阵类型、位向关系、晶体缺陷组态和其它亚结构等）有关信息。,3,11-1概述（3）,若配备加热、冷却、拉伸等特殊样品台，还能在高分辨下进行材料薄膜的原位动态分析，用于研究材料相变和形变机理，揭示其微观组织、结构和性能之间的内在关系。迄今为止，只有利用薄膜透射技术，方能在同一台仪器上同时对材料的微观组织和结构进行同位分析。,4,第二节薄膜样品的制备,5,一、薄膜样品应具备的基本要求（1）,1.薄膜样对电子束须有足够的“透明度”。电子束的穿透能力和加速电压有关。当U=200kV时，可穿透500nm厚的铁膜；当U=1000kV时，可穿透1500nm厚的铁膜。从图像分析角度来看：样品较厚，膜内不同层上的结构细节彼此重叠而互相干扰，得到图像复杂，难以进行分析。样品太薄，表面效应明显，组织、结构有别于大块样品。因此，不同研究目的，样品厚度选用应适当。对一般金属材料，样品厚度都在500nm以下。,6,一、薄膜样品应具备的基本要求（2）,2.薄晶组织结构须和块样相同，样品制备时，组织结构不变。直接使用薄膜：只有少数情况（光学或电子器件）。大块体：占绝大多数。工程材料大都是以块体形式被制造、加工、处理和应用，观察分析用薄晶，应代表大块体固有性质。大块样品须经一系列不致引起组织、结构变化方法，逐步减薄到电子束能穿透的厚度。特别在最后减薄，只能用化学或电化学等无应力抛光法，以减少机械损伤或热损伤。但也不能完全保持原有状态。,7,一、薄膜样品应具备的基本要求（3）,3.薄膜应有较大透明面积，减薄应尽可能均匀。以便选择典型的视域进行分析。4.薄膜样品应有一定强度和刚度。在制备、夹持和操作过程中，在一定的机械力作用而不会引起变形或损坏。5.在制备样品时，不允许表面产生氧化和腐蚀。因氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假像。,8,透射样品制备工艺示意图,从块料制备金属薄膜大致可分为三个步骤：,9,二、薄膜制备工艺过程（1）,1、从实物或大块试样上切割厚度为0.30.5mm的薄片。导电样品：电火花线切割法，应用最广泛，切割损伤层较浅，且可在后续磨制或减薄中去除。不导电样品：用金刚石刃内圆切割机切片，如陶瓷等。,10,超声波切割机：对半导体、陶瓷、地质等脆性薄片材料进行切割。切割厚度：0),为位矢r处原子面散射波相对于上表面散射波的相位角差；,S偏离矢量,72,二、理想晶体的衍射强度（2）,又考虑s与r近似平行，近似有,振幅01,透射波K,衍射波K,即为衍射运动学理论的基本方程,小柱体的衍射强度(S0),S偏离矢量,73,二、理想晶体的衍射强度（3）,将该小柱体内所有厚度元的散射波振幅按位向叠加，即得：柱体底部衍射波的合成振幅g。,小柱体的衍射强度(S0),积分得：,74,二、理想晶体的衍射强度（4）,衍射波强度Ig正比于其振幅g平方：Ig=|g|2当波用复数形式表示时，,Ig+IT1,理想晶体衍衬运动学基本方程,表明：理想晶体的衍射强度Ig随样品的厚度t和衍射晶面与精确布拉格位向间的偏离矢量s，而呈周期性的变化。衍衬运动学理论认为：明、暗场的衬度是互补的。,75,三、理想晶体衍衬运动学方程的应用,76,（一）等厚条纹,77,（一）等厚条纹,若衍射晶面位向确定，即偏离矢量S常数，则衍射强度Ig随晶体厚度t发生周期性振荡。,衍射强度Ig随晶体厚度t的变化,振荡周期：t=1/s,当tns(n为整数)，Ig0；当t（n1/2）s，Ig为最大。,衍射强度Ig,78,（一）等厚条纹（厚度消光条纹）,衍射强度Ig随t周期性振荡规律，可定性解释薄膜样孔洞边缘呈楔形（厚度变化区域）出现的厚度消光条纹。,a)等厚条纹形成原理的示意图b)样品边缘形成的厚度条纹,79,等厚条纹（ThicknessContour）,入射束（蓝）和衍射束（红）强度随厚度变化（未计吸收）用入射（衍射）束可成明（暗）衍射衬度像。,双束衍射条件下的暗场象，衬度随晶体厚度增加而减少,80,晶界和相界的衬度,等厚条纹衬度：也常在两块晶体间倾斜于薄膜表面的界面上，如晶界、亚晶界、孪晶界和层错等倾斜界面处观察到。下方晶体：偏离布拉格条件甚远，无衍射；上方晶体：偏差矢量S=常数，可产生等厚条纹。,倾斜界面示意图,立方Zr02倾斜晶界条纹,81,晶界和相界的衬度,界面两侧晶体因位向不同，或点阵类型不同，一边处双光束条件，另一边不满足衍射条件，无强衍射，相当于一个“空洞”，等厚条纹由此产生。,若倾动样品，不同晶粒或相区间衍射条件发生变化，相互间亮度差别也会变化。,82,（二）等倾条纹,83,（二）等倾条纹,当厚度t一定，Ig随S也呈周期性变化。振荡周期：S=1/t。,衍射束Ig,直射束I-Ig,衍射强度Ig随偏离矢量s的变化,当Snt(n非零整数)，Ig0；直射束达最大；当S=(n+)/t，Ig极大值，但随|s|的增大迅速衰减。当S=0时，Ig最大值；,84,（三）等倾条纹,当厚度t一定，Ig随s周期性变化，可解释薄晶样品中弹性变形（弯曲、隆起或凹陷）区出现弯曲消光轮廓。,TiAl薄膜明场像中的弯曲消光条纹,当无缺陷薄晶发生弯曲：在衍衬图像会出现等倾条纹。因同一条纹上，晶体偏离矢量s的数值相等，故称“等倾条纹”。,85,（三）等倾条纹衍衬成像原理,86,（三）等倾条纹衍衬成像原理,薄晶厚度t=常数，而晶体内不同部位衍射晶面（hkl）因弯曲而与入射束存在不同程度偏离，即薄晶上各点有不同的偏离矢量S。,等倾条纹形成原理示意(a)晶体弯曲前的状态,晶体弯曲前：若入射束和（hkl）晶面处于对称入射位置，偏离矢量S很大，则不发生衍射。明场像：均匀的亮度。,对称入射，S很大，不发生衍射,87,（三）等倾条纹衍衬成像原理,晶体弯曲后：因各点弯曲程度不同，各（hkl）晶面对入射束偏离角逐渐变化，随与0点距离增大，|S|变小。,等倾条纹形成原理示意图b）晶体弯曲后衍射条件的变化,晶体弯曲，各点晶面|S|变小,S0，衍射强度最大,若在A、B两点：S0，则发生衍射，Ig最大，该处在明场像：呈黑条纹。即晶体弯曲消光条纹。,88,等倾条纹,等倾条纹：不同倾角即为偏离矢量s的变化。,89,（二）倒易杆长度的解释,当薄晶厚度t一定，由Ig随偏离矢量s周期性变化，可用于对倒易杆长度的解释。当S3/2t时，二次衍射强度很小；1/t范围：看成是偏离布拉格角后能产生衍射强度的界限。,衍射强度界限,倒易杆长度S2/t,Ig随偏离矢量S的变化,该界限即为倒易杆长度，即S2/t。晶体厚度t越薄,倒易杆长度（2/t）越长。,90,四、非理想（缺陷）晶体的衍射衬度,91,（一）缺陷矢量R的引入,当晶体存在缺陷，晶柱会发生畸变，电子穿过后，晶柱底部衍射波振幅计算较为复杂。可引入缺陷矢量R（位移矢量）来描述畸变大小和方向。,附加（缺陷）相位因子,与完整晶体相比,因R附加位相角,R大小：为轴线坐标z的函数。显然，rrR，经计算：衍射波合成振幅：,92,（二）缺陷晶体的衍射衬度,即在缺陷晶体衍射振幅中出现一个附加位向因子R。,缺陷矢量R,附加（缺陷）相位因子,完整晶体相位因子,缺陷区,完整区,因两区域衍射强度不同，则在衍衬图像中显示反映出晶体缺陷的衬度。,93,第七节晶体缺陷分析,94,11-7晶体缺陷分析（1）,晶体缺陷：主要是下列三种，层错，位错，第二相粒子周围造成的畸变。堆垛层错：发生在确定晶面上，层错面上、下方分别是位向相同的两块理想晶体，但下方晶体相对于上方晶体存在一个恒定的位移R。面心立方晶体：层错面：111，位移矢量：R1/3或1/6。可看作：层错面一侧晶体整个地沿方向平移了1/3或平行于层错面切变1/6的位移，分别代表着层错生成的两种机制。,95,11-7晶体缺陷分析（2）,对于R1/6的层错，附加相位角：2gR2(ha*kb*lc*)1/6(ab2c)/3(hk2l)。,因面心立方晶面的h、k、l为全奇或全偶，不消光。故只可能是0，2或2/3。如果选用g=11-1或311等，层错将不显衬度；若g为200或220等，2/3，可以观察到这种缺陷。,96,11-7晶体缺陷分析（3）,（1）平行于薄膜表面层错：薄膜厚度为t，层错CD平行于表面，则对无层错区，衍射波振幅为：,(a)平行薄膜表面的层错,对层错区，衍射波振幅则为：,显然，gg，衍衬图像亮度不同，构成了衬度。层错区：显示为均匀的亮区或暗区。,97,11-7晶体缺陷分析（4）,（2）倾斜于薄膜表面层错：层错区的衍射波振幅仍为：,(b)倾斜薄膜表面层错,但该区不同位置晶体柱上、下部分的厚度t1和t2t-t1是逐点变化的。,若t1ns，则A(t)A(t)，亮度与无层错区相同；若t1(n1/2)s，则A(t)最大或最小，A(t)A(t)。,98,11-7晶体缺陷分析（5）,倾斜于薄膜表面的堆积层错：与倾斜界面等相似显示为：平行于层错，与上、下表面交线的亮、暗相间的条纹，其深度周期为tg=1s。,不锈钢中的层错形态,99,11-7晶体缺陷分析（6）,晶体中孪晶形态：不同于层错。由黑白衬度相间、宽度不等的平行条带构成，相间的相同衬度条带为同一位向，而另一衬度条带为相对称的位向。,单斜ZrO2中的孪晶形貌,层错：等间距的条纹。,不锈钢中的层错形态,100,101,四、位错的衬度,102,位错的衬度,非完整晶体衍射衬运动学基本方程：可清楚地说明螺位错线的成像原因。如图为一条和薄晶体表面平行的螺型位错线，螺型位错线附近有应变场，使晶体PQ畸变成PQ。由螺型位错线周围原子的位移特性，可确定缺陷矢量R的方向和布氏矢量b方向一致。,103,位错的衬度,图中：x晶柱和位错线间的水平距离。y位错线至膜上表面的距离。z晶柱内不同深度的坐标，薄晶厚度为t。因晶柱在螺位错应力场中，其内各点应变量都不相同，因此，各点上R矢量也均不相同，即R是坐标z的函数。,104,位错的衬度,为便于描绘晶体畸变特点，把度量R的长度坐标转换成角坐标，其关系如下,从式中可看出晶柱位置确定后（x和y一定），R是z的函数。因为晶体中引入缺陷矢量后，其附加位相角=2ghklR，故,105,位错的衬度,ghklb可等于零，也可是正、负的整数。若ghklb=0，则附加位相角0，此时即使有螺位错线存在也不显示衬度。若ghklb0，则螺位错线附近的衬度和完整晶体部分的衬度不同。,106,位错的衬度,位错线不可见性判据：当ghklb=0时，称为位错线不可见性判据，利用它可确定位错线的布氏矢量。因ghklb=0时，表示ghkl和b相垂直，若选择两个g矢量作操作衍射时，位错线均不可见，则就可列出两方程，即可以确位错的Burgers矢量：B,B/g1g2,107,刃型位错衬度的产生及其特征,位错引起附近晶面的局部转动，意味着在此应变场范围内，（hkl）晶面存在着额外的附加偏差。位错线像：将出现在其实际位置的另一侧。位错线像：总是有一定的宽度，对应“应变场衬度”.,108,位错衬度,Al-Mg合金中的位错胞结构,30CrMnSiA高强度结构钢中的沉淀相Cr23C6与位错(BF),109,位错衬度,18Cr-8Ni不锈钢1100，1.5h淬火两组平行滑移面上的位错列（BF）,110,五、第二相粒子衬度,第二相粒子：指和基体处于共格或半共格状态的粒子。第二相粒子的存在：使基体晶格发生畸变，由此引入缺陷矢量R，使畸变区和不畸变区晶体间出现衬度差别，因此，也被称为应变场衬度。,111,第二相粒子衬度,球形共格粒子：粒子周围基体晶格结点原子产生位移，使原来理想晶柱弯曲成弓形。因此，畸变区与不畸变区（远离粒子的基体）晶柱底部衍射波振幅必存在差别。,112,第二相粒子衬度,因通过粒子中心晶柱不发生畸变，缺陷矢量（R=0，=0），则穿过粒子中心晶面的基体部分不出现缺陷衬度。球形共格沉淀相明场像：粒子分裂成两瓣，中间为无衬度线状亮区。,113,第二相粒子衬度,操作矢量g正好和这条衬度线重直，这是因为衍射晶面正好通过粒子的中心，晶面的法线为g方向，电子束是沿着和中心无畸变晶面接近