第十三章 晶体薄膜衍射成像分析 qicaidie

1、晶体薄膜衍衬成像分析晶体薄膜衍衬成像分析学号：132221862姓名：许鲁霞 概述 薄膜样品的制备 衍射衬度成像原理 消光距离 衍衬运动学简介 晶体缺陷分析 薄膜样品成像的优势：1 具有较高的分辨率，复型技术的分辨率受试样材料的限制（取决于复型膜材料颗粒的尺寸）。2 可对材料内部各微区的微观组织及结构进行分析（例如晶体缺陷，界面等），复型技术只能作表面形貌分析。 90年代生产的透射式电子显微镜，用于观测晶体薄膜样品，晶格分辨率已达0.1nm左右，点分辨率为0.14nm左右，。迄今为止，只有利用薄膜投射技术，方能在同一台一起上同时对材料的微观组织进行同为分析。一 概述二 薄膜样品的制备（一）基本

2、要求：关键：样品的厚度 太薄：表面效应将使观察结果产生较 大偏差； 太厚：各层次上的细节又会相互重叠， 相互干扰。 故应适当，通常要求小于500nm.合格薄膜样品的具备条件：1 薄膜试样组织结构应与大块样品相同（制 备过程中不发生变化） 2 样品对电子束有足够的“透明度”（能被电子束透过）3 应有一定的强度和刚度（制备、操作时不致损坏）4 表面不允许发生氧化和腐蚀（否则透明度下降，造成许多假象）（二）工艺过程大致过程：切割薄片、预先减薄、最终减薄1 切割薄片：从实物或大块试样上切割厚度为0.30.5mm厚度的薄片金属等导电样品：电火花线切割法方法：被切割的样品做阳极，金属丝做阴极，两极间保持一

3、个微小的距离，利用其间的火花放电进行切割。特点：厚度可小于0.5mm、切割时损伤层比较浅 陶瓷等不导电样品：金刚石内圆切割机 切片2 预减薄 ：利用机械研磨、化学抛光或电解抛光把薄块预先减到0.1mm左右的“薄片”。磨凹坑。机械减薄：手工研磨（经验、感觉很重要） 将样品一面用粘接剂粘在样品座表 面，在水砂纸磨盘上进行研磨减薄； 到一定程度时，溶化粘接剂，翻面再 研磨；特点：如材料较硬，可减薄至70m左右；若 材料较软，减薄的最终厚度不能小于100m。 表面留有机械硬化层。 化学减薄：将金属薄片放入化学试剂中，使其 表面腐蚀而减薄。关键：减薄液的选择；优点：样品厚可达2050m，表面无机械硬化层

4、，可供观察的薄区面积明显增大。3 最终减薄最先进的：双喷电解抛光方法：阴极：对准电解液喷嘴 阳极：与样品相接本质：通过化学的电解作用进 行抛光减薄特点： 1）所得样品中心孔附近有一较大薄区可被电子束穿透；周边较厚部分可作刚性支架。 2）工艺规范，稳定可靠 除此之外，最终减薄法还有超薄切片、化学抛光和离子减薄。超薄切片方法适用于生物试样。化学减薄法适用于在化学试剂中能均匀减薄的材料，如半导体、单晶体和氧化物等。无机非金属材料大多为多相、多组分的非导电材料，一般采用离子减薄的方法。三 衍射衬度成像原理 由于薄膜样品厚度大致均匀，并且平均原子序列也无差别，故不能用质厚衬度原理来获得满意的图像； 而晶

5、体的衍射强度却与内部缺陷和界面结构有关，因此可以根据衍射衬度成像（简称衍衬成像）原理研究晶体。 如果样品由两部分位相不同的晶体组成，由于这两部分晶体产生衍射的条件不同，在像平面上形成物象的亮度也会产生差别。这种由于衍射条件不同而形成的衬度叫做衍射衬度，简称衍衬。 双光束条件：晶体衍射时，通常有多组晶面满足布拉格条件，在物镜背焦面形成多个衍射斑点；若转动晶体使某一晶面族（hkl）精确满足布拉格条件，而其它晶面族都偏离较多，此时所得衍射谱除中心有一个很亮的透射斑之外，还有一个很亮的（hkl）衍射斑，而其它衍射斑都很弱，这种衍射条件称“双光束条件”。衍射衬度的成像方式：明场像，一般暗场像，中心暗场像

6、明场像（BF）：把衍射束挡掉，让透射束穿过物镜光阑所成的像称为明场像。暗场像（DF）：把透射束挡掉，让衍射束穿过物镜光阑所成的像称为暗场像。 中心暗场像（CDF）：入射电子束倾斜 现以单相多晶体薄膜为例，解释如何利用衍衬成像原理获得衍衬像。 假设薄膜体内两颗不同位相的晶粒A和B，B晶粒的某（hkl)面恰好与入射方向交成精确的布拉格角 ，而其余晶面均与衍射条件存在较大的偏差，即B晶粒满足“双光束条件”。A晶粒内所有晶面组均与布拉格条件存在较大的偏差，其所有衍射束的强度均可视为零。 B0I是入射电子束的强度hklI是衍射束的强度明场像：在一物镜后面加一个足够小的物镜光阑（即处于中心斑点的位置），让

7、透射束成像。B晶粒产生的衍射束被光阑挡住，像平面上B晶粒的亮度 I0 - Ihkl就比A晶粒低。一般暗场像：如果我们把光阑向左移，使他的位置和衍射斑点hkl重合。像平面上A晶粒的亮度几乎为零，B晶粒的亮度Ihkl。此时图像的衬度特征恰好与明场像相反，B晶粒亮，A晶粒暗。 图a 图b图b图c中心暗像场：当采用图b的成像方式时，因为衍射束远离透镜的主轴，球差很大。要得到高质量的暗像一般采用中心暗像场。把入射电子束相对于衍射晶面倾斜 2 角，此时衍射斑（副焦点） 将移到透镜的中心位置，由于衍射束和透镜的主轴重合，球差大大减小，因此中心暗场的图像比普通暗场的清晰。Blkh四 消光距离晶体中透射波和衍射

8、波间相互作用。 在双光束条件下，在双光束条件下，晶体某（hkl）晶面处于衍射位向，入射波入射波只激发成透透射波射波和（hkl）晶面衍射波。）晶面衍射波。 入射波矢量为入射波矢量为k、衍射波矢量为、衍射波矢量为k。近表面：近表面：参与散射原子数量少，衍衍射强度很小；射强度很小；即OA阶段阶段. 随向晶体内深度传播， 透射波强度透射波强度 ，衍射波的强度衍射波的强度 。 A位置：电子波到一定深度，有足够的原子参与散射， 透射强度（波振幅o）为零，衍射（波振幅g）最大。 3. A位置后，位置后，因衍射波与该晶面成布拉格角布拉格角 ，将作为新入射波激发同一晶面二次衍射二次衍射，其方向恰方向恰与透射波方

9、向相同。与透射波方向相同。4. AB阶段：阶段：能量转移过程与OA阶阶段段的相反方式被重复。 透射波强度透射波强度 Io ，衍射波强度衍射波强度 Ig 。 B点：Ig 0（消光）。（消光）。消光距离：记作消光距离：记作g， 透射波透射波与衍射波衍射波强烈动力学相互作用结果动力学相互作用结果，使强度 I o 和 I g 在晶体深度方向发生周期性振荡。振荡深度周期振荡深度周期叫做消光距离消光距离g。 理论推导结果表明：消光距离，记作g ：ggFndcosd晶面间距； n原子面上单位面积内所含晶胞数。 1/n 就是一个晶胞所占有的面积， 布拉格角； Fg结构因子。 晶胞的体积Vc gcgFVcosg

10、五 衍衬运动学简介 （一）先决条件一）先决条件：不考虑入射线与衍射线之间的相互作用，也就是没有能量转换没有能量转换，试样很薄或偏离矢量较大的情况下可以满足；不考虑电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸收，也就是样品非常薄样品非常薄。（二）基本假设（二）基本假设：双光束近似、柱体近似1双光束近似双光束近似 假定电子束透过薄晶体试样成像时，除了透射束外只存在一束较强的衍射束束较强的衍射束，而其它衍射束却大大偏离布拉格条件，它们的强度均可视为零。这束较强衍射束的反射晶面位置接近布拉格条件，但不是精确符合布拉格条件(即存在一个偏离矢量s)。目的： 1.存在一个偏离矢量s使衍射束强度比透射束弱，保证没有

11、能量交换。 2.衍射束强度Ig与透射束强度IT有互补关系，即 I0 IT Ig1因此只要计算出衍射束强度Ig 就可知道透射束强度IT。2 柱体近似柱体近似 为计算薄晶下表面衍射波强度，可将薄晶样分割成一个个贯穿上、下表面、与一个晶胞尺度相当的小晶柱小晶柱体（最小成像单元）体（最小成像单元）。并假设透射束和衍射束都在此小晶柱内通过，且相邻晶柱内的衍射波不相干扰。 如晶柱：晶柱：、 ，其底部的衍射强度：衍射强度：Ig1、Ig2、Ig3 若三个晶柱内晶体构造有差别，三点三点的强度就不同，则就有衬度。的强度就不同，则就有衬度。 （三）理想晶体的衍射强度 1、柱体下表面衍射波振幅： 在 t 厚度薄晶内取

12、一小晶柱，入射电子波通过厚度元 d z （距上表面为 z 、位矢 r）， 按费涅尔衍射原理，在某衍射方向上的散射波振幅为：透射波K衍射波Kg 消光距离小柱体的衍射强度 (S 0)S 偏离矢量 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； dzrKKiggeid)(2rKK)(2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dzrKKiggeid)(2szrsrg整数，近乎平行，近似有与又考虑由于rssgKK,szrsrKK22)(2dzeidiszgg2tiszggdzei02istggessti)sin(22)()(sin)(22stsIgggg22)()(sin)(11

13、22stsIIggT衍射波强度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。理想晶体衍衬运动学基本方程（四）（四） 理想晶体衍衬运动学基本方程的应用理想晶体衍衬运动学基本方程的应用透射波强度若理想薄晶体样品和入射电子束之间的方位保持不变，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。此时22)sin()(1tssIgg2max)(1ggsI衍射强度Ig随晶体厚度t的变化衍射强度Ig振荡周期： t = 1/s 当当 tns (n为整数为整数) ， Ig 0； 当当 t（n1/2）s ， Ig 为最大。1

14、 等厚条纹stgg1 衍射强度衍射强度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。 图为一个薄晶体，其一端是一个契形的斜面，斜面上的晶体厚度是可连续变化的，把斜面部分割成一系列厚度分割成一系列厚度t各不相等各不相等的晶柱的晶柱，柱体底部的衍射强度衍射强度因厚度t的不同而发生连续变化，故电镜观察时可以看到几列亮几列亮暗相间暗相间的条纹，每一亮暗周期亮暗周期代表一个消光距离消光距离的大小，此时2 等倾条纹 把无缺陷的薄晶体稍加弯曲即可出现等倾条纹，晶体的厚度厚度在弯曲前后保持不变在弯曲前后保持不变，但晶体内处在不同

15、部位的衍射晶面弯曲而使他们和入射束之间存在不同程度的偏离偏离，即晶体上各点具有不同的偏离矢量s。因为同一条纹上晶体偏离矢量的数量是相等的同一条纹上晶体偏离矢量的数量是相等的，所以这种条纹被称为等倾条纹。当厚度当厚度 t 一定，一定，Ig 随随S也呈周期性变化。也呈周期性变化。振荡周期：振荡周期： S=1/t 。衍射强度Ig随偏离矢量s的变化当当S=nt (n非零整数非零整数) ， I g 0；当当S=(n+)/t ， Ig 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，Ig最大值；最大值；晶体弯曲，晶体弯曲，各点晶面各点晶面|S| 变小S0，衍射强度最大对

16、称入射，对称入射， S很大，很大，不发生衍射不发生衍射ggtI222max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/tIg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。倒易杆长度的解释 （五）非理想晶体的衍射强度（五）非理想晶体的衍射强度当晶体中存在缺陷时，晶柱会发生畸变畸变，畸变的大小和方向可以采用缺陷矢量缺陷矢量 来描述，

17、见右图. 大小：大小： 衍射波合成振幅，衍射波合成振幅，就可得出非理想晶体非理想晶体晶柱底部衍射波晶柱底部衍射波的振幅振幅RRhklg2其中，RrrR tRg iiszggdzeeihkl022tRg iiszggdzeeihkl022tiszggdzei02完整晶体相位因子附加（缺陷）相位因子比较2式可以看出 就是由于晶体内存在缺陷晶体内存在缺陷而引入的附加相位角，由于 的存在造成两式代表的晶柱底部衍晶柱底部衍射波振幅射波振幅的差别，所以2区域衍射强度衍射强度不同，在衍衬图像中反映出晶体缺陷的衬度晶体缺陷的衬度。 六 晶体缺陷分析晶体缺陷：主要是下列三种， 层错，位错，第二相粒子周围造成的畸

18、变。（ 一）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。对于 R1/6的层错，附加相位角附加相位角 ： 2ghkl 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为全奇或全偶为全奇或全偶,不消光。不消光。把能产生把能产生衍射的衍射的hkl带入带入 故故只可能是只

19、可能是0,2或或2/3。 如果选用 ghkl= 或 311 等 ， 层错将不显衬度； 若ghkl为 200 或 220 等， 2/3 ，可以观察到这种缺陷。 111(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。 （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：212102ttiisztiszgdzeedzestsdzetiszg)sin(02（2 2）倾斜于薄膜表面层错：）倾斜于薄膜表面层错：层错区的衍射波振幅仍为： (b)倾斜

20、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 t1n/s，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) 。 212102ttiisztiszgdzeedze 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，其深度周期深度周期为 tg =1/s。 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

21、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 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AB，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。（二）（二） 位错位错 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。 因晶柱在螺位错应力场中，其内各点应变量都不相

22、同，因此，各点上R 矢量也均不相同，即 R 是坐标 z 的函数。 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2bR2bR xyz 1tanxyzbR1tan2nxyzbghkl1tan 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 ghkl b可等于零，也可是正、负的整数。 若ghkl b = 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ghkl b0，则螺位错线附近的衬度和完整晶体部分的衬度不同。nxyzbghkl1tan位错线不可见性判据 位错线不可见性判据：位错线不可见性判据： 当

23、g ghklhklb b = 0= 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柏氏矢量。 因g ghklhklb b = 0= 0 时，表示 g ghklhklb b ，若选择两个g g 矢量作操作衍射时，位错线均不可见，则就可列出两方程，即可以确位错的柏氏矢量：B B00222111bgbglkhlkhB / g1g2 第二相粒子：第二相粒子：指和基体处于共格或半共格态的粒子。 第二相粒子的存在：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，使畸变区畸变区和不畸变区晶体不畸变区晶体间出现衬衬度差别度差别，因此，也被称为应变场衬度应变场衬度。（三）（三） 第二相粒子第二相粒子球形共格粒子：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