第11章 晶体薄膜衍衬成像

1、1 第十一章第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析晶体薄膜衍衬成像分析 2 11-1 概概 述（述（2） 薄晶电子显微分析：薄晶电子显微分析： 60年代以来：年代以来：因高性能电子显微镜、薄晶样品制备方法高性能电子显微镜、薄晶样品制备方法及电电 子衍射理论子衍射理论的发展，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，年代透射电镜，用于观察薄晶样，其晶格分辨率已达晶格分辨率已达 0.1nm ，点分辨率为点分辨率为0.14nm。 薄晶电子显微分析：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

2、向关系、 晶体缺陷组态和其它亚结构等）有关信息。 3 11-1 概概 述（述（3） 若配备加热加热、冷却冷却、拉伸拉伸等特殊样品台特殊样品台，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材料的微观组织和结构结构进行同位分析。进行同位分析。 4 第第 二二 节节 薄薄 膜膜 样样 品品 的的 制制 备备 5 一、薄膜样品应具备的基本要求（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薄膜样对电子束须有足够的“透明度透明度

3、” 。 电子束的穿透能力和加速电压有关。电子束的穿透能力和加速电压有关。 当 U=200kV 时，可穿透500nm厚厚的铁膜； 当 U= 1000kV时，可穿透1500nm厚厚的铁膜。 从图像分析角度来看：从图像分析角度来看： 样品较厚，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，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，样品厚度都在一般金属材料，样品厚度都在 500 nm 以下。以下。 6 一、薄膜样品应具备的基本要求（一、薄膜样品应具备的基本要求（2） 2. 薄晶组织结构须

4、和块样相同，样品制备时，组织结构不变。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：直接使用薄膜：只有少数情况（光学或电子器件）。 大块体：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。 大块样品须大块样品须经一系列不致引起组织、结构变化方法，逐步减减 薄薄到电子束能穿透的厚度。 特别在最后减薄，只能用特别在最后减薄，只能用化学或电化学等无应力抛光法，以化学或电化学等无应力抛光法，以 减少机械损伤或热损伤。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（一、薄膜样品应具备

5、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。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。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。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：三个步骤： 9 二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（1） 1、 从实物或大块试样上切割厚度从实

6、物或大块试样上切割厚度 为为0.30.5mm的薄片。的薄片。 导电样品：导电样品：电火花线切割法，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：不导电样品：用金刚石刃内圆切金刚石刃内圆切 割机割机切片，如陶瓷等。 10 超声波切割机：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； rKK)(2 S 偏离矢量 72 二、理想晶体的衍射强度（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 sgKK因为：dze i d rK

7、Ki g g )(2 即： szrsrg整数， dze i d isz g g 2 即为衍射运动学理论的基本方程衍射运动学理论的基本方程 小柱体的衍射强度 (S 0) S 偏离矢量 szrsrKK22)(2 73 二、理想晶体的衍射强度（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按位向叠加， 即得：柱体底部柱体底部衍射波的合成振幅衍射波的合成振幅g 。 dze i d isz g g 2 t isz g gdze i 0 2 ist g ge s sti )sin( 小柱体的衍射强度 (S 0) 积分得： 74 二、理想晶体的衍射强度（理想晶体的衍射强度（4） 衍射

8、波强度 I g 正比于其振幅g平方： I g = | g |2 当波用复数形式表示时， 2 2 2 2 )( )(sin )( s st I g g I g + I T1 *gggI 理想晶体衍衬运动学基本方程理想晶体衍衬运动学基本方程 表明：表明：理想晶体的衍射强度理想晶体的衍射强度 I g 随样品的随样品的厚度厚度 t 和衍射晶面与和衍射晶面与 精确布拉格位向间的精确布拉格位向间的偏离矢量偏离矢量 s ，而呈周期性的变化。，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。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三、理想晶体衍衬运动学方程的应用 76

9、（一）等厚条纹（一）等厚条纹 77 （一）等厚条纹（一）等厚条纹 若衍射晶面位向确定，即偏离矢量 S常数常数，则衍射强度衍射强度 I g 随晶体厚度厚度 t 发生周期性振荡周期性振荡。 2 max )( 1 g g s I 衍射强度 Ig 随晶体厚度t的变化 振荡周期： t = 1/s 当当 tns (n为整数为整数) ， I g 0； 当当 t（n1/2）s ， I g 为最大。为最大。 2 2 2 )( )(sin1 s st I g g 衍射强度I g 78 （一）等厚条纹（厚度消光条纹）（一）等厚条纹（厚度消光条纹） 衍射强度衍射强度 I g 随 t 周期性振荡规律，可定性解释薄膜样孔

10、洞边薄膜样孔洞边 缘缘呈楔形楔形 （厚度变化区域）（厚度变化区域） 出现的厚度消光条纹。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厚度条纹 79 等厚条纹等厚条纹（Thickness Contour） 入射束（蓝）入射束（蓝）和和衍射束（红）衍射束（红）强度随强度随厚度厚度变化变化 （未计吸收）（未计吸收） 用用入射（衍射）束入射（衍射）束可可成明（暗）明（暗）衍射衬度像。衍射衬度像。 0 1 0246810 Thickness variation w 双束衍射条件下的暗场象， 衬度随晶体厚度增加而减少 80 晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度 等厚条纹衬度：等

11、厚条纹衬度： 也常在两块晶体间倾斜于薄膜表面的界面上，如晶界晶界、亚晶亚晶 界界、孪晶界和层错层错等倾斜倾斜界面处观察到。 下方晶体：下方晶体：偏离布拉格条件甚远，无衍射；偏离布拉格条件甚远，无衍射； 上方晶体：上方晶体：偏差矢量偏差矢量S=常数常数，可产生，可产生等厚条纹。等厚条纹。 倾斜界面示意图 立方Zr02倾斜晶界条纹 81 晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度 界面两侧晶体界面两侧晶体因位向不同位向不同，或点阵类型不同点阵类型不同，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

12、亮度差别也会变化。 82 （二）等倾条纹（二）等倾条纹 83 （二）等倾条纹（二）等倾条纹 当厚度当厚度 t 一定，一定，I g 随随 S 也呈周期性变也呈周期性变 化。化。振荡周期：振荡周期： S= 1 / t 。 衍射束Ig 直射束 I-Ig 222 maxggtI 衍射强度 Ig 随偏离矢量 s 的变化 当当 Snt (n非零整数非零整数) ， I g 0；直射束达最大；直射束达最大； 当当S= (n + ) / t ， I g 极大值，但随极大值，但随| s |的的 增大迅速衰减。增大迅速衰减。 当当 S= 0时，时， I g 最大值；最大值； 2 2 2 2 )( )(sin)( t

13、s stt I g g 84 （三）等倾条纹（三）等倾条纹 当厚度厚度 t 一定，一定， I g 随随 s 周期性变化周期性变化，可解释薄晶样品中弹性薄晶样品中弹性 变形（弯曲、隆起或凹陷）区变形（弯曲、隆起或凹陷）区出现弯曲消光轮廓。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：当无缺陷薄晶发生弯曲： 在衍衬图像衍衬图像会出现等倾条等倾条 纹。纹。 因同一条纹上，晶体偏离偏离 矢量矢量 s 的数值相等， 故称 “等倾条纹等倾条纹”。 85 （三）等倾条纹衍衬成像原理（三）等倾条纹衍衬成像原理 86 （三）等倾条纹衍衬成像原理（三）等倾条纹衍衬成像原理 薄晶厚度厚

14、度t = 常数常数，而晶体内不同部位衍射晶面（h k l） 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即薄晶上各点有不同的 偏离矢量偏离矢量 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：晶体弯曲前： 若入射束和（hkl）晶面处 于对称入射对称入射位置，偏离矢量偏离矢量 S很大，很大，则不发生衍射。不发生衍射。 明场像：明场像：均匀的亮度均匀的亮度。 对称入射，对称入射， S很大，很大，不发生衍射不发生衍射 87 （三）等倾条纹衍衬成像原理（三）等倾条纹衍衬成像原理 晶体弯曲后：晶体弯曲后： 因各点弯曲程度不同，各（因各点弯曲程度不同，各（hkl）晶面对入射

15、束偏离角逐渐）晶面对入射束偏离角逐渐 变化，随与变化，随与 0 点距离增大，点距离增大，| S |变小。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，晶体弯曲，各点晶面各点晶面| S | 变小 S0，衍射强度最大 若在若在A、B两点：两点： S0，则发生衍射，则发生衍射， I g 最大，最大， 该处在明场像：呈黑条纹。明场像：呈黑条纹。 即晶体弯曲消光条纹。晶体弯曲消光条纹。 88 等倾条纹等倾条纹 等倾条纹：等倾条纹：不同倾角即为不同倾角即为偏离矢量偏离矢量 s 的变化。的变化。 89 （二）倒易杆长度的解释（二）倒易杆长度的解释 当薄晶厚度厚度 t 一定，由 I

16、 g 随偏离矢量偏离矢量 s 周期性变化，周期性变化，可用于 对倒易杆长度的解释。 当 S3/2t 时，二次衍射强度二次衍射强度很小； 1/t 范围：范围：看成是偏离布拉格角后能产生能产生衍射强度的界限。衍射强度的界限。 衍射强度 界限 倒易杆长度 S2/t I g 随偏离矢量S的变化 该界限即为 倒易杆长度倒易杆长度， 即 S 2 / t。 晶体厚度晶体厚度 t 越薄越薄, 倒易杆长度倒易杆长度（2 / t）越长。越长。 90 四、非理想（缺陷）晶体的衍射衬度四、非理想（缺陷）晶体的衍射衬度 91 （一）缺陷矢量（一）缺陷矢量 R 的引入的引入 当晶体存在缺陷晶体存在缺陷，晶柱会发生畸变晶柱

17、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。可引入缺陷矢量缺陷矢量R（位移矢量）位移矢量） 来描述畸变大小和方向。 dzee i Rig isz t g g 2 2 0 附加（缺陷）相位因子 与完整晶体相比 Rg2因R附加位相角 R 大小：大小：为轴线坐标轴线坐标 z 的函数。 显然，rrR，经计算： 衍射波合成振幅：衍射波合成振幅： 92 （二）缺陷晶体的衍射衬度（二）缺陷晶体的衍射衬度 即在缺陷晶体衍射振幅缺陷晶体衍射振幅中出现一个附加位向因子附加位向因子R。 dzee i Rig isz t g g 2 2 0 t isz g gdze i 0 2 缺陷矢量R 附加（缺陷）

18、相位因子 完整晶体相位因子 缺陷区缺陷区 完整区完整区 因两区域衍射强度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。晶体缺陷的衬度。 93 第七节第七节 晶体缺陷分析晶体缺陷分析 94 11-7 晶体缺陷分析（晶体缺陷分析（1） 晶体缺陷：晶体缺陷：主要是下列三种， 层错，层错，位错，位错，第二相粒子周围造成的畸变。第二相粒子周围造成的畸变。 堆垛层错：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，但下方晶体下方晶体相对于上方晶体上方晶体存在一个 恒定的位移恒定的位移 R。 面心立方晶体：面心立方晶体：层错面：层错面：111， 位移矢量：位移矢量：

19、 R1/3 或或 1/6。 可看作：层错面一侧晶体整个地沿 方向平移了平移了 1/3或平行于层错面切变切变1/6的位移，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（晶体缺陷分析（2） 对于R1/6的层错，附加相位角附加相位角 ： 2g R 2( ha*kb*lc* ) 1/6( ab2c ) /3 ( hk2l )。 因面心立方晶面的因面心立方晶面的 h、k、l 为全奇或全偶，不消光。为全奇或全偶，不消光。 故故只可能是只可能是0，2或或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

20、察到这种缺 陷。 96 11-7 晶体缺陷分析（晶体缺陷分析（3） （1）平行于薄膜表面层错）平行于薄膜表面层错 ： 薄膜厚度为 t ，层错CD平行于表面，则 对无层错区无层错区，衍射波振幅为： s ts dze t isz g )sin( 0 2 dzeedze i t t isz t isz g 2 1 1 2 0 2 (a)平行薄膜表面的层错 对层错区层错区，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：层错区：显示为均匀的亮区或暗区。均匀的亮区或暗区。 97 11-7 晶体缺陷分析（晶体缺陷分析（4） （2）倾斜于薄膜表面层错：）倾斜于薄膜表面层错：层错区的衍

21、射波振幅仍为： dzeedze i t t isz t isz g 2 1 1 2 0 2 (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 t2 t - t1是逐 点变化的。 若若 t1ns，则 A(t)A(t)， 亮度与无层错区相同亮度与无层错区相同； 若若 t1(n1/2)s，则 A (t) 最大或最小，最大或最小， A(t) A(t) 。 98 11-7 晶体缺陷分析（晶体缺陷分析（5） 倾斜于薄膜表面的堆积层错：倾斜于薄膜表面的堆积层错：与倾斜界面等倾斜界面等相似 显示为：显示为：平行于层错，与上、下表面交线的亮、暗相间的条亮、暗相间的条 纹，纹，其深度周期深度周

22、期为 t g =1s。 不锈钢中的层错形态 99 11-7 晶体缺陷分析（晶体缺陷分析（6） 晶体中孪晶形态：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，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。等间距的条纹。 不锈钢中的层错形态 100 101 四、位错的衬度四、位错的衬度 102 位错的衬度位错的衬度 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

23、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，薄晶厚度为薄晶厚度为t 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 2 b R 2 bR x yz 1 tan x yzb R 1 tan 2 n x yz bg hkl 1 tan 从式中可看出晶柱位置确定后（x和y一定），R

24、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 位错的衬度位错的衬度 g ghklhklbb可等于零，也可是正、负的整数。 若g ghklhklbb=0=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g ghklhklb0b0，则螺位错线附近的衬度和完整晶体部分的 衬度不同。 n x yz bg hkl 1 tan 106 位错的衬度位错的衬度 位错线不可见性判据：位错线不可见性判据： 当ghklhklb=0时，称为位错线不可见性判据位错线不可见性判据，利用它可确定 位错线的布氏矢量。 因ghklhklb=0时，表示ghklhkl和b相垂直，若

25、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 0 0 222 111 bg bg lkh lkh B / g1g2 107 刃型位错衬度的产生及其特征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：位错线像：将出现在其实际位置的另一侧。 位错线像：位错线像：总是有一定的宽度，对应“应变场衬度应变场衬度”. . 108 位错衬度位错衬度 Al-Mg合金中的位错胞结构合金中的位错胞结构 30CrMnSiA高强度结构钢中高强度结构钢中 的沉淀相的沉淀相Cr23C6与位错与位错(BF) 109 位错衬度位错衬度 18Cr-8Ni不锈钢1100，1.5h淬火 两组平行滑移面上的位错列