材料研究方法-EM-第二章

1、1.电子衍射分析：电子衍射分析： 透射电子衍射透射电子衍射；会聚束衍射；微束衍射。；会聚束衍射；微束衍射。 2. 电子显微成像分析：电子显微成像分析： 质厚（质量厚度）衬度像；质厚（质量厚度）衬度像； 振幅（衍射）衬度像（明场像振幅（衍射）衬度像（明场像; 暗场像）暗场像） 高分辨像；高分辨像；Z-衬度像；二次电子像；电子全息成衬度像；二次电子像；电子全息成 像。像。 3、材料成份测定、材料成份测定: X-射线能谱；射线能谱； 电子能量损失谱。电子能量损失谱。 透射电子显微分析对材料的主要表征方法： 第二章第二章 电子衍射电子衍射 电子衍射电子衍射 明场像明场像 高分辨像高分辨像 从电子枪发射

2、的一束电子，沿一定入射方向 进入物质内部与物质的相互作用，发生： 电子与物质相互作用 弹性散射：电子只改变方向，无能量改变弹性散射：电子只改变方向，无能量改变 非弹性散射：电子不仅改变方向，并且能量减少非弹性散射：电子不仅改变方向，并且能量减少 参照参照X-ray与物质相互作用时的散射过程。与物质相互作用时的散射过程。 核外电子对入射电子的散射主要是非 弹性的，每次散射的能量损失一般只 有几个电子伏特，入射电子束方向的 改变也不大。 原子核对电子的散射可分为弹性和 非弹性两类，其中弹性散射是电子 衍射的基础。 非弹性散射与弹性散射的比值由原子序数Z决定，即电 子在物质中的非弹性散射部分仅为弹性

3、部分的1/Z，原 子序数愈大的原子，非弹性散射的比列愈小。 物质原子对电子的散射物质原子对电子的散射 sin )( 2 )( 2 2 2 2 x e fZ h me f 原子散射因数随散射角增大而单调减小，随波长 减小（加速电压增加）而减小。 原子散射因数原子散射因数 对照对照X-ray原子散射因数，理解原子散射因数，理解 电子衍射电子衍射 电子衍射光路电子衍射光路 电子衍射花样电子衍射花样 多晶体多晶体 单晶体单晶体 厄瓦尔德球图解衍射几何厄瓦尔德球图解衍射几何 满足衍射几何条件 （布拉格公式）和 物理条件（结构因 子） 电子衍射和X射线衍射相同之处 正空间点阵基矢量 a、b、c 倒空间点阵

4、基矢量 a*、b*、c* 定义： aa*=bb*=cc*=1 ab*=a*b=bc*=b*c=ca*=c*a=0 正空间点阵体积 V=a(bxc) a*= bxc/V, b*= cxa/V, c*= axb/V 倒易点阵知识回顾 倒易点阵是晶体几何学、晶体结构衍射分析、 衍射物理和固体物理中应用广泛的概念。 倒易点阵的性质倒易点阵的性质 倒易矢量的性质倒易矢量的性质 倒易矢量垂直于正空间同名的点阵平面。倒易矢量垂直于正空间同名的点阵平面。 倒易矢量长度等于正空间点阵平面面间距倒易矢量长度等于正空间点阵平面面间距 的倒数。的倒数。 cbaglkh hkl 倒易点阵倒易点阵 )(*hklhkl h

5、kl hkl d 1 g 晶带定理和零层倒易面 倒易点阵中的一个过原点倒易点阵中的一个过原点 的面（零层倒易面），对的面（零层倒易面），对 应着正点阵中的一个晶带。应着正点阵中的一个晶带。 满足布拉格方程只是晶 体对电子散射产生衍射 的必要条件，而不是充 分条件。 电子衍射电子衍射 衍射几何：与衍射几何：与X射线衍射相比，电子衍射同样射线衍射相比，电子衍射同样 遵从布拉格方程遵从布拉格方程 四种基本类型点阵的系统消光规律 点阵点阵出现的反射出现的反射消光规律消光规律 简单点阵简单点阵(P)全部全部无无 底心点阵底心点阵(C)h, k 全奇或全偶全奇或全偶h, k 奇偶混杂奇偶混杂 体心点阵体心

6、点阵(I)h+k+l 为偶数为偶数h+k+l 为奇数为奇数 面心点阵面心点阵(F)h, k, l 全奇或全偶全奇或全偶h, k, l 奇偶混杂奇偶混杂 与X射线衍射对比，电子衍射的特点 1、原子对电子的散射能力远大于对、原子对电子的散射能力远大于对X射线的散射线的散 射能力，电子衍射束的强度较大。射能力，电子衍射束的强度较大。 2、电子的波长很短，衍射角很小（约为、电子的波长很短，衍射角很小（约为10-2 rad） 3、电子波长很短，厄瓦尔德反射球半径很大，、电子波长很短，厄瓦尔德反射球半径很大， 在衍射角较小的范围内，反射球的球面可近在衍射角较小的范围内，反射球的球面可近 似为平面，电子衍射

7、斑点分布在一个二维倒似为平面，电子衍射斑点分布在一个二维倒 易截面内。易截面内。 4、薄晶试样的影响，倒易阵点拉长为倒易杆，增、薄晶试样的影响，倒易阵点拉长为倒易杆，增 加了倒易阵点与厄瓦尔德球相交的机会。加了倒易阵点与厄瓦尔德球相交的机会。 对应于某一晶带轴，u v w，其零层倒易面 上的各倒易阵点的指数，满足两个条件 1、0lwkvhu 2、无系统消光的晶面， 才有对应的倒易阵点 晶体形状对电子衍射的影响 有限大小的晶体导致其倒易阵点宽化；有限大小的晶体导致其倒易阵点宽化； 晶体是一个长度为晶体是一个长度为l的一维生长的晶须，其倒的一维生长的晶须，其倒 易阵点在与晶须垂直的平面内延展成一个

8、厚易阵点在与晶须垂直的平面内延展成一个厚 度为度为2/l的二维倒易薄片；的二维倒易薄片； 晶体是一个厚度为晶体是一个厚度为t的二维晶体薄片，倒易阵的二维晶体薄片，倒易阵 点在此晶片的法线方向拉长成一个长度为点在此晶片的法线方向拉长成一个长度为2/t 的倒易杆；考虑衍射强度的变化，可以认为的倒易杆；考虑衍射强度的变化，可以认为 有效的倒易杆长度为有效的倒易杆长度为1/t 。 倒易阵点的变化倒易阵点的变化 倒易阵点是数学意义的几何点倒易阵点是数学意义的几何点 真实晶体的大小都是有限的，相真实晶体的大小都是有限的，相 应的倒易阵点变为具有一定大小应的倒易阵点变为具有一定大小 和几何形状的倒易体。和几

9、何形状的倒易体。 与X射线衍射对比，电子衍射的特点 1、原子对电子的散射能力远大于对、原子对电子的散射能力远大于对X射线的散射线的散 射能力，电子衍射束的强度较大。射能力，电子衍射束的强度较大。 2、电子的波长很短，衍射角很小（约为、电子的波长很短，衍射角很小（约为10-2 rad） 3、电子波长很短，厄瓦尔德反射球半径很大，、电子波长很短，厄瓦尔德反射球半径很大， 在衍射角较小的范围内，反射球的球面可近在衍射角较小的范围内，反射球的球面可近 似为平面，电子衍射斑点分布在一个二维倒似为平面，电子衍射斑点分布在一个二维倒 易截面内。易截面内。 4、薄晶试样的影响，倒易阵点拉长为倒易杆，增、薄晶试

10、样的影响，倒易阵点拉长为倒易杆，增 加了倒易阵点与厄瓦尔德球相交的机会。加了倒易阵点与厄瓦尔德球相交的机会。 偏离矢量 S 大小：倒易杆中心到倒易杆与 厄瓦尔德球面交截点的距离 方向：由倒易阵点中心指向球 面为其方向。 S: 表示倒易阵点到厄瓦尔德球面距离的参量，称为偏表示倒易阵点到厄瓦尔德球面距离的参量，称为偏 离矢量。倒易阵点在厄瓦尔德球的内侧时，定义离矢量。倒易阵点在厄瓦尔德球的内侧时，定义s为为 正；而倒易阵点在厄瓦尔球的外侧时，定义正；而倒易阵点在厄瓦尔球的外侧时，定义s为负。为负。 s 0时，为精确地符合布拉格条件，此时在 倒易阵点中心处有最大的衍射强度 入射电子束严格平行晶带轴

11、衍射图 即使倒易阵点中心不落在厄瓦尔德球球面上， 倒易阵点的扩展部分与厄瓦尔德球相截也能 产生衍射 入射电子束偏离晶带轴 衍射图 倒易点阵，是用衍射花样分析晶体点阵 和结构的桥梁。 如何理解上述说法？如何理解上述说法？ RdL 相机常数 L 相机长度 L 电子衍射基本公式 推导出： 电子衍射公式的另一种表示方式 R(L)gKg 衍射斑点R矢量就是产生这一斑点晶面组的倒易矢 量g的比例放大。 单晶花样中的斑点可以直接被看成是相应衍射晶面 的倒易阵点，各个斑点的R矢量也就是相应的倒易 矢量g。 因此，两个衍射斑点坐标矢量R之间的夹角就等于 产生衍射的两个晶面之间的夹角。 当加速电压一定时，电子波长

12、就是恒定值， 这时相机长度L与电子波长的乘积为常数： K=L（相机常数） 若已知相机常数K，即可从花样上斑点（或 环）测得的R值计算出衍射晶面组（或晶面 族）得d值： dL/RK/R 中间镜所处的状态： 改变中间镜的电流就可使中间镜的物平面上下移动。 中间镜的物平面与物镜的像平面重合即为成像方式， 与物镜的背焦面重合即为衍射方式。 成像方式与衍射方式成像方式与衍射方式 磁转角：衍射花样和形貌图像之间的相对转角 原因：电子在电磁透镜作用下的运动方式 选区电子衍射（选区电子衍射（selected-area diffraction） 只有在AB微区以内物点散射的电子束可以通过选 区光阑孔径进入下面透

13、镜系统，实现了选区形貌 观察和电子衍射结构分析的微区对应。 多晶体电子衍射多晶体电子衍射 晶面间距不同的晶面族 产生衍射得到以中心斑 点为圆心的不同半径的 圆环。 NiFe多晶薄膜的电子衍射 如果选区光阑套住的多晶颗粒足够多，就能获得比较 完整、连续的环花样。如果粒子不十分多，得到的是 不连续的环花样。 确定各个产生衍射环的晶面族hkl指数； 获得晶体点阵类型和点阵常数。 多晶样品电子衍射花样的标定多晶样品电子衍射花样的标定 以立方晶系为例， 222 lkh a d 对于同一物相，同一衍射花样的各衍射环： : )( : )(: 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 l

14、khlkhRR RdL 电子衍射基本公式：电子衍射基本公式： 简单立方结构：1，2，3，4，5，6，8，10， 体心立方结构：2，4，6，8，10，12，14，16， 面心立方结构：3，4，8，11，12，16，19，20， 金刚石结构：3，8，11，16，19，24， 由于结构因数的原因，立方晶系中不同结构 类型，衍射可能出现的N值： 金多晶花样标定相机常数分析计算结果 6 1 )nmmm(339. 26/ i iid RK 多晶花样标定举例多晶花样标定举例 除了其斑点按一定规则排列外，另一个特点 是，花样中出现了大量的、强度不同的衍射 斑点。 单晶电子衍射花样单晶电子衍射花样 另一方面还受

15、实验条件所影响，即受到偏离参量s 值的影响。 电子衍射斑点的强度 一方面与晶体本身结构有关。若(hkl)晶面的结构振 幅大，所获衍射强度大；若结构振幅小，则衍射强 度弱；如果结构振幅等于零，则不能产生衍射。 面心立方单晶，其001方向平行于 入射束； 结构振幅等于零的衍射晶面，不能 产生衍射； 零层倒易平面的放大像； 图中的B矢量称为入射电子束方向， 但它定义为实际电子束入射方向k的 反方向矢量。 * 0 )001( 样品倾转 单晶体电子衍射图的指标化单晶体电子衍射图的指标化 每一个衍射电子束对应一个晶面族，对电 子衍射图的指标化就是确定每一个衍射电子 束对应的晶面指数。 一张电子衍射图相当于

16、一个放大了的倒易 点阵面，对电子衍射图的指标化就转化为对 这个倒易面上的倒易阵点进行指数标定。 已知相机常数（已知相机常数（L ）和晶体结构和晶体结构 1、取不共线的三个斑点， 分别为最短、次最短、 第三短。即选择靠近 中心斑点而且不在一 条直线上的几个斑点A、 B、C，测量R值。 相机常数K1.41 mmnm R1=7.1 mm，R210.0 mm R312.3 mm； R矢量之间夹角的测量值为： R1与R2约90，R1与R3约55 2、根据衍射基本公式，求出相应的晶 面间距d1, d2, d3。 RdL 3、根据求出的d1, d2, d3，确 定出h1 k1 l1, h2 k2 l2, h

17、3 k3 l3 如：最短矢量的A斑点 对应晶面族为110 4、选定h1 k1 l1等同晶面中的一个（ h1 k1 l1 ） 如：最短矢量的A斑点对应的晶面族 110共有12个晶面，任选一指数， 如（1-10） 5、根据晶体结构，选用相应 的晶面夹角公式，确定 （ h2 k2 l2 ）。 如：B斑点对应的晶面 指数（002） 6、按矢量运算求出其它指数 7、根据晶面夹角公式，验算正确性 如：验证（1-10）和（1-12）夹角 8、根据晶带定律，确定晶 带轴的方向指数u v w 22 11 22 11 22 11 : kh kh hl hl lk lk 0lwkvhu 标准花样对照法 观察记录的衍

18、射花样，直接与标准花样对照， 写出斑点指数和晶带轴方向。 标准花样在哪里？ 如何对比？ 对比测量R值的比值规律 对比R矢量（晶面）之间的夹角 复杂电子衍射花样分析复杂电子衍射花样分析 超点阵超点阵 AuCu3 无序相无序相 有序相有序相 n j jjjjjjj n j lzkyhxi j n j i j e b HKL lzkyhxilzkyhxf efef A A F jjjj 1 1 )(2 1 )(2sin)(2cos )(cos)(cos)(cos1 lhlkkhfFhkl 面心立方面心立方 h, k, l 奇偶混杂时，奇偶混杂时， h, k, l 全奇全偶时，全奇全偶时， AuCu3无序相无序相 )(cos)