11 电子衍射.ppt

1、11 电子衍射,11.1 概述 11.2 电子衍射原理 11.3 电子衍射基本公式 11.4 多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征 11.5 多晶电子衍射花样的标定 11.6 单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征 11.7 单晶电子衍射花样的标定 11.8 复杂电子衍射花样 11.9 TEM的典型应用 11.10 TEM它功能简介,按入射电子能量的大小，电子衍射可分为 透射式高能电子衍射 高能电子衍射 反射式高能电子衍射 低能电子衍射,11.1 概述-1,11.1 概述-2,透射电镜的主要特点是可以进行组织形貌与晶体结构同位分析。我们知道，使中间镜物平面与物镜像平面重合(成像操作)，在观察屏上得到

2、的是反映样品组织形态的形貌图像；而使中间镜的物平面与物镜背焦面重台(衍射操作)，在观察屏上得到的则是反映样品晶体结构的衍射斑点。 电子衍射的原理和x射线衍射相似，是以满足(或基本满足)布拉格方程作为产生衍射的必要条件。两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环，单晶衍射花样出排列得十分整齐的许多斑点所组成。而非晶态物质的衍射花样只有一个漫散的中心斑点。,11.1 电子衍射特点-1,与X射线衍射相比，电子衍射的特点： （1）由于电子波波长很短，一般只有千分之几nm，按布拉格方程2dsin=可知，电子衍射的2角很小，即入射电子束和衍射电子束都

3、近乎平行于衍射晶面。它的衍射角很小约为10-2rad，而x射线产生衍射时，其衍射角最大可接近等90 由衍射矢量方程（s-s0）/=r*，设K=s/、K=s0/、g=r*，则有 K-K=g （11-1） 此即为电子衍射分析时（一般文献中）常用的衍射矢量方程表达式。,11.1 电子衍射特点-2,(2)由于物质对电子的散射作用很强，因而电子（束）穿进物质的能力大大减弱，故电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析。电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时限光时间仅需数秒钟。 (3)透射电子显微镜上配置选区电子衍射装置，使得薄膜样品的结构分析与形貌观察有机结合起来，这是X射线衍射无法比拟的优点。 (4)在

4、进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。 (5) 因为电子波的波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球的半径很大，在衍射角较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。,11.2.1 电子衍射原理布拉格定律,11.2.2 电子衍射原理倒易点阵,倒易点阵是与正点阵相对应的量纲为长度倒数的一个三维空间(倒易空间)点阵，它的

5、真面目只有从它的性质及其与正点阵的关系中才能真正了解。,11.2.3 电子衍射原理倒易点阵的性质,11.2.3 电子衍射原理倒易点阵的性质,正交点阵,正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,立方点阵,立方：简单立方 体心立方 面心立方,11.2.4 电子衍射原理爱瓦儿德球图解法,11.2.5 晶带定理与零层倒易截面,立方晶体001晶带的倒易平面,体心立方 001和011晶带标准零层倒易截面图,体心001晶带标准电子衍射花样,体心01 晶带标准电子衍射花样,11.2.6 几种常见晶体的消光规律,图10-8 面心立方点阵晶胞(a)及其倒易点阵(b),11.2.7 偏离矢量与倒易点阵扩展,倒易点阵

6、扩展,倒易杆,倒易杆和爱瓦尔德球相交时的三种典型情况,11.3 电子衍射基本公式,图11-1 电子衍射基本公式的导出,故式（11-2）可近似写为 2sin=R/L 将此式代入布拉格方程(2dsin= )，得 /d=R/L Rd=L （11-3） 式中：d衍射晶面间距（nm） 入射电子波长（nm）。 此即为电子衍射（几何分析）基本公式（式中R与L以mm计）。,电子衍射基本公式的导出,设样品至感光平面的距离为L（可称为相机长度），O与P的距离为R，由下图可知 tan2=R/L (11-2)tan2=sin2/cos2=2sincon/con2；而电子衍射2很小，有con1、con21，,当加速电压

7、一定时，电子波长值恒定，则LC（C为常数，称为相机常数）。 故式（11-3）可改写为 Rd=C （11-4） 按g=1/dg为(HKL)面倒易矢量，g即g，（11-4）又可改写为 R=Cg （11-5） 由于电子衍射2很小，g与R近似平行，故按式（11-5），近似有 R=Cg （11-6） 式中：R透射斑到衍射斑的连接矢量，可称衍射斑点矢量。 此式可视为电子衍射基本公式的矢量表达式。 由式（11-6）可知，R与g相比，只是放大了C倍（C为相机常数）。这就表明，单晶电子衍射花样是所有与反射球相交的倒易点（构成的图形）的放大像。,电子衍射基本公式的导出,电子衍射基本公式的注意事项,注意：放大像中去

8、除了权重为零的那些倒易点，而倒易点的权重即指倒易点相应的（HKL）面衍射线之F2值。 需要指出的是，电子衍射基本公式的导出运用了近似处理，因而应用此公式及其相关结论时具有一定的误差或近似性。,11.4 多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征,图11-2 多晶电子衍射成像原理,样品中各晶粒同名（HKL）面倒易点集合而成倒易球（面），倒易球面与反射球相交为圆环，因而样品各晶粒同名（HKL）面衍射线形成以入射电子束为轴、2为半锥角的衍射圆锥。不同（HKL）衍射圆锥2不同，但各衍射圆锥均共项、共轴。 各共顶、共轴（HKL）衍射圆锥与垂直于入射束的感光平面相交，其交线为一系列同心圆（称衍射圆环）即为多晶电子

9、衍射花样。多晶电子衍射花样也可视为倒易球面与反射球交线圆环（即参与衍射晶面倒易点的集合）的放大像。 电子衍射基本公式式（11-3）及其各种改写形式也适用于多晶电子衍射分析，式中之R即为衍射圆环之半径。,多晶电子衍射花样特征,11.5 多晶电子衍射花样的标定,指多晶电子衍射花样指数化，即确定花样中各衍射圆环对应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之标识（命名）各圆环。下面以立方晶系多晶电子衍射花样指数化为例。 将d=C/R代入立方晶系晶面间距公式，得 （11-7） 式中：N衍射晶面干涉指数平方和，即N=H2+K2+L2。,多晶电子衍射花样的标定,对于同一物相、同一衍射花样各圆环而言，（C2/a2）为常

10、数，故按式（11-7），有 R12：R22：Rn2=N1：N2：Nn （11-8） 此即指各衍射圆环半径平方（由小到大）顺序比等于各圆环对应衍射晶面N值顺序比。 立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同，故产生衍射各晶面的N值顺序比也各不相同参见表11-1，表中之m即此处之N（有关电子衍射分析的文献中习惯以N表示H2+K2+L2，此处遵从习惯）。 因此，由测量各衍射环R值获得R2顺序比，以之与N顺序比对照，即可确定样品点阵结构类型并标出各衍射环相应指数。 因为N顺序比是整数比，因而R2顺序比也应整数化（取整）。,多晶电子衍射花样的标定,利用已知晶体（点阵常数a已知）多晶衍射花样指数化可标定相机

11、常数。 衍射花样指数化后，按 计算衍射环相应晶面间距离，并由Rd=C即可求得C值。若已知相机常数C，则按dCR，由各衍射环之R，可求出各相应晶面的d值。,表11-1 立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m),多晶金衍射花样,表11-2 金多晶电子衍射花样标定数据处理过程与结果,11.6 单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征,图11-3 单晶电子衍射成像原理,标定单晶电子衍射花样的目的是确定零层倒易截面上各ghkj矢量端点(倒易阵点)的指数，定出零层倒易截面的法向(即晶带轴uvw，并确定样品的点阵类型、物相及位向。,单晶电子衍射花样特征,单晶电子衍射花样就是（uvw）*0零层倒易平面（去除权重为零

12、的倒易点后）的放大像（入射线平行于晶带轴uvw）。,11.7 单晶电子衍射花样的标定,主要指单晶电子衍射花样指数化，包括确定各衍射斑点相应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之命名（标识）各斑点和确定衍射花样所属晶带轴指数uvw。对于未知晶体结构的样品，还包括确定晶体点阵类型等内容。 单晶电子衍射花样标定时除应用衍射分析基本公式外还常涉及以下知识：单晶衍射花样的周期性？来源。 单晶电子衍射花样可视为某个（uvw）*0零层倒易平面的放大像（uvw）*0平面法线方向uvw近似平行于入射束方向（但反向）。因而，单晶电子衍射花样与二维（uvw）*0平面相似，具有周期性排列的特征。,图11-4 单晶衍射花样的

13、周期性 如上图所示，表达衍射花样周期性的基本单元（可称特征平行四边形）的形状与大小可由花样中最短和次最短衍射斑点(连接)矢量R1与R2描述，平行四边形中3个衍射斑点连接矢量满足矢量运算法则：R3=R1+R2，且有R23= R21+ R22+2R1R2cos (为R1与R2之夹角)。设R1、R2与R3终点(衍射斑点)指数为H1K1L1、H2K2L2和H3K3L3，则有 H3=H1+H2、K3=K1+K2和L3L1+L3。,单晶电子衍射花样的标定,立方晶系多晶体电子衍射标定时应用的关系式：R21:R22:R2n=N1:N2:Nn 在立方晶系单晶电子衍射标定时仍适用，此时R=R。 单晶电子衍射花样标

14、定的主要方法为： 尝试核算法 标准花样对照法,单晶电子衍射花样的标定,1 尝试-核算法,(1)已知样品晶体结构(晶系与点阵类型及点阵常数)和相机常数的衍射花样标定,图11-5 某低碳钢基体电子衍射花样由底片正面描绘下来的图,已知铁素体为体心立方、a=0.287nm，相机常数C=1.41mmnm 。 选取靠近中心斑的不在一条直线上的几个斑点(应包括与中心斑组成特征平行四边形的3个斑点)。 测量各斑点R值及各R之夹角。 按RdC，由各R求相应衍射晶面间距d值。 按晶面间距公式(立方系为d2a2/N)，由各d值及a值求相应各N值。 由各N值确定各晶面族指数HKL。 选定R最短(距中心斑最近)之斑点指

15、数。 按N尝试选取R次短之斑点指数并用校核。 按矢量运算法则确定其它斑点指数。 求晶带轴,尝试-核算法,晶面族的等价晶面,对于h,k,l三个指数中有两个相等的晶面族(例如112)，就有24种标法；两个指数相等另一指数为零的晶面族(例如110有12种标法；三个指数相等的晶面族(如111）有8种标法；两个指数为零的晶面族6种标法，因此，第一个斑点的指数可以是等价晶面中的任意一个。 112 11-2 1-1-2 1-12 -112 -11-2 -1-12 -1-1-2 121 -121 -12-1 -1-12 -1-2-1 211 -211 -21-1 -2-11 -2-1-1,表11-3 图11-

16、5所示电子衍射花样标定过程uvw?,立方体心uvw晶带零层倒易截面,立方体心uvw晶带衍射花样,立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和,(2)立方晶系样品(未知点阵类型及点阵常数)电子衍射花样标定, 选取衍射斑点，测量各斑点R及各R之夹角大小。同(1)中之与。 求R2值顺序比(整数化)并由此确定各斑点相应晶面族指数。 重复(1)中之步骤。 以N和校核按矢量运算求出的各斑点指数。 求晶带轴指数 同(1)之。,注意： 书中例子R2值顺序比亦可写为只R2A：R2B：R2C：R2D=1：2：3：9，据此，本例亦可按简单立方结构尝试标定斑点指数，并用N与校核，其结果被否定(称为斑点指数不能自洽)。 一般，若

17、仅知样品为立方晶系，一幅衍射花样也可能出现同时可被标定为两种不同点阵结构类型指数或被标定为同一结构类型中居于不同晶带的指数而且不被否定的情况，这种情况称为衍射花样的“偶合不唯一性”。,标定的偶合不唯一性,(3)立方晶系样品电子衍射花样标定的 比值法-实质仍为尝试-核算法,周150周283,立方与六方晶体可能出现的反射,非立方晶系样品电子衍射花样标定,(4)非立方晶系样品电子衍射花样标定 非立方晶系电子衍射花样仍可采用尝试-核算法标定，但由于其衍射斑点之R与晶面指数间关系远不如立方系来得简单，因而标定工作烦琐、计算量大。 计算机的应用为解决这一困难提供了便利。,2. 标准花样对照法-周151,预

18、先制作各种晶体点阵主要晶带的倒易平面(图)，称为标准花样。 通过与标准花样对照，实现电子衍射花样斑点指数及晶带轴标定的方法即为标准花样对照法。周265 标准花样对照法标定过程简单，不需烦琐计算。但一般文献资料中给出的标准花样(见本书附录)数量有限，往往不能满足标定工作的需要。而根据实际需要，利用计算机自行制作标准花样，可以解决这一问题,面心立方,无论是对于尝试-核算法还是标准花样对照法，关于样品结构的已知条件越少，则标定工作越复杂，且花样标定的“不准一性”现象越严重。 因而在标定单晶电子衍射花样时，应依据样品的“背景”情况(如样品的化学成分、热处理工艺条件等)，并依据衍射花样的对称性特征等尽可

19、能获得关于样品所属晶系、点阵类型以至可能是哪种或哪几种物相等信息，以减少标定过程的复杂性与“不唯一性”现象。 “180不唯一性”或“偶合不唯一性”现象的产生，根源在于一幅衍射花样仅仅提供了样品的“二维信息”。 通过样品倾斜(绕衍射斑点某点列转动)，可获得另一晶带电子衍射花样。而两个衍射花样组合可提供样品三维信息。 通过对两个花样的指数标定及两晶带夹角计算值与实测(倾斜角)值的比较，即可有效消除上述之“不唯一性”。,“180不唯一性”或“偶合不唯一性”现象,钢中典型组成相的衍射花样标定,周277,11.10 TEM它功能简介,1原位观察 利用相应的样品台，在TEM中可进行原位实验(in situ

20、 experiments)。 如利用加热台加热样品观察其相变过程 利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程。,2会聚束衍射分析,会聚束电子衍射(CBED)是电子显微镜中最早实现的电子衍射方式(Kossel和Mollenstedt，1939)，远早于前面所讲的选区电子衍射(Lepoole，1947)。 但是，由于仪器方面的原因，在较长的一段时间内这一技术未得到应有的发展。 选区电子衍射有两个严重的局限性： 由于选区误差，当所选区域直径0.5m时，对所得衍射谱的分析必须非常谨慎，衍射花样可能包含了选区以外的物质的信息，即难以实现甚至不能实现对小尺度晶体结构特征的分析； 由于薄样品使布拉格条件放宽，选区衍射谱仅给出很不精确的二维晶体学信息。 会聚束电子衍射技术克服了以上两个局限性，在许多方面有其独特的优势，如测定样品薄膜厚度、微区的晶体学取向、点阵常数、结构因子、晶体的对称性等等。,3高分辨电子显微术,前述的衍衬成像是利用电子束振幅变化的单束(透射束或某一衍射束)成像，可用于揭示1.5nm的结构细节。 高分辨电子显微像利用的是相位衬度，即利用电子束相位的变化，由两束以上电子束相干成像。 在电子显微镜分辨率足够高的情况下，所用的电子束越多，图像的分辨率越高。 相位衬度的解释是相当复