10.晶体薄膜衍衬成像分析PPT演示课件

第十章晶体薄膜衍衬成像分析,材料的许多性能是结构敏感的，这些性能和结构中的微观缺陷有关，为了提高材料的性能，就需要理解晶体缺陷的特征组态，这就需要“直接看到”这些缺陷。复型只能观察表面的组织形貌，对揭示材料内部结构是无能为力的，且分辨率较低（200）。从1965年开始，Hirsh等将TEM用于直接观察薄晶体试样，并利用电子衍射效应来成像（阿贝成像原理）。不仅显示了材料内部的组织形貌衬度，而且获得许多与材料晶体结构有关的消息（包括点阵类型、位相关系，缺陷组态等），如果配备加热、冷却、拉伸等装置，还能在高分辨率条件下进行金属薄膜的原位动态分析，直接研究材料的相变和形变机理，以及材料内部缺陷的发生、发展、消失的全过程，能更深刻地揭示其微观组织和性能之间的内在联系。目前还没有任何其他的方法可以把微观形貌和结构特征如此有机地联系在一起。,第一节概述,1,第十章晶体薄膜衍衬成像分析,衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差通常，人眼不能观察到衬度100时，振幅衬度为主；试样厚度100相位衬度为主。,第一节概述,5,第十章晶体薄膜衍衬成像分析,解释衍衬强度的理论分为：运动学理论：对衍衬成像做出定性的解释，能较好地解释衍衬成像的一般图像。特别是用于对晶体缺陷的分析（对准确满足布拉格条件下的情况不适用，且对衍衬法成像的某些细节也无法解释）。2）动力学理论：定量理论。,第一节概述,6,第十章晶体薄膜衍衬成像分析,衍衬象的形成：质量厚度衬度是根据材料不同区域厚度或平均原子序数差别而形成衬度，但在薄晶体样品的厚度大致均匀时（除了穿孔的边缘），平均原子序数也没有差别。薄晶体的不同部位对电子的散射或吸收将大致相同。故这类样品不可能利用“质厚衬度”来得到满意的图像反差，衍射衬度将成为图像的成因。,第二节衍衬成像原理,7,第十章晶体薄膜衍衬成像分析,衍衬：是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度不同及结构振幅不同而形成的衍射强度差异。设想晶体薄膜里有两颗粒A和B，A、B取相不同，其中A与入射束不成布拉格角，强度为I0的入射束穿过试样时，A晶粒不产生衍射，透射束强度等于入射束强度，即IA=I0，而入射束与B颗粒满足布拉格衍射，产生衍射，衍射束强度为Ihkl，透射束强度IB=I0-Ihkl，如果让透射束进入物镜光阑，而将衍射束挡掉，在荧光屏上，A晶粒比B晶粒亮，就得到明场象。如果把物镜光阑孔套住hkl衍射斑，而把透射束挡掉，则B晶粒比A晶粒亮，就得到暗场像。,图6-2衍射衬度的形成,第二节衍衬成像原理,8,第十章晶体薄膜衍衬成像分析,所以，衍衬成像中，某一最符合布拉格条件的(hkl)晶面族起十分关键的作用，它直接决定了图像衬度，特别是暗场像条件下，像点的亮度直接等于样品上相应物点在光阑孔所选定的那个方向上的衍射束强度，而明场像的衬度是跟暗场像互补的，正因为衍衬像是由衍射强度差别所产生的，所以，衍衬图像是样品内不同部位晶体学特征的直接反映,第二节衍衬成像原理,9,第三节消光距离的概念,本部分内容主要介绍电子衍衬的动力学理论，其中数学推导跳过，直接解释结果的物理意义，其中涉及的概念最重要的是消光距离。入射电子受原子强烈的散射作用，因而在晶体内透射波和衍射波之间的相互作用实际是不容忽视的。,10,第三节消光距离的概念,在简单的双束条件下，即当晶体的（hkl）晶面处于精确的布拉格位向时，入射波只被激发成为透射波和（hkl）晶面的衍射波的情况下，考虑一下这两个波之间的相互作用。,11,12,参看图115，当波矢量为k的入射波到达样品上表面时，开始受到晶体内原子的相干散射，产生波矢量为k的衍射波。但是在上表面附近，由于参与散射的原子或晶体数量有限，衍射强度很小；随着深度的增加，透射波（与入射波具有相同的波矢量）强度不断减弱，当透射波的振幅0下降为零时，全部能量转移到衍射方向，衍射波振幅g上升到最大，如图115(b),(c)所示。,13,由于入射波与(hkl)晶面成精确的布拉格角。入射波激发产生的衍射波也与该晶面交成同样的角度，于是在晶体内逐步增强的衍射波也必将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其方向恰好与透射波的传播方向相同。随着电子波在晶体内深度方向上的进一步传播，OA阶段的能量转移过程将以相反的方式在AB阶段中被重复,衍射波的强度逐渐下降而透射波的强度相应增强。这种强烈的动力学相互作用的结果，使I0和Ig在晶体深度方向上发生周期性的振荡，如图115(c)所示。振荡的深度周期叫做消光距离，记做g。,14,第三节消光距离的概念,“消光”指的是：尽管满足衍射条件，但由于动力学互相作用而在晶体内一定深度处衍射波（或透射波）的强度实际为零。理论推导结果表明式中Vc晶胞体积;布拉格角;Fg结构因子,15,由此可见，对同一晶体，当不同晶面的衍射波被激发时，也有不同的g值。表113是几种晶体的消光距离。,（a）加速电压为100kv时的消光距离值单位：nm,16,(b)消光距离随加速电压的变化单位：nm,17,第四节衍衬运动学简介,进行衍衬像分析，TEM必须具备下列条件：必须有一个孔径足够小的物镜光阑（d=1030m）样品必须在适当的角度范围内可任意倾斜；TEM应有方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样；必须有可倾斜的照明系统（中心暗场象），目前多用电磁偏转系统来实现。,18,第四节衍衬运动学简介,1.采用双束近似处理方法（一束是透射束，一束是衍射束）。认为当电子通过平晶体时，只存在一束衍射束且其反射面接近但不完全处于准确的布拉格位置，即。,一.衍衬运动学的基本假设,19,第四节衍衬运动学简介,衍射束强度比入射束小很多（这在入射束波长较短和试样较薄时成立）。认为透射束与衍射束无相互作用（s越大，厚度t越小，这假设就越成立）。电子束在晶体内部多次反射及吸收可忽略不记（当试样很薄，电子速度很快时，假设成立）。采用柱体近似方法计算强度。,20,第四节衍衬运动学简介,完整晶体：无点、线、面缺陷（如位错、层错、晶界和第二相物质等微观晶体缺陷）；讨论完整晶体的暗场象，目的是为了研究晶体具有缺陷时所引起的衬度变化。求完整晶体的暗场象衬度，就是计算衍射束强度ID。,二完整晶体的暗场象,21,第四节衍衬运动学简介,直接给出结果上式表明，暗场像ID是厚度t与偏离矢量s的正弦周期函数。,二完整晶体的暗场象,22,第四节衍衬运动学简介,讨论：等厚消光当偏离矢量s恒定不变，t变化引起的衍射强度变化。当t=n/s(n为整数)，ID=0。这称为等厚消光，相应地衍衬像称为等厚消光轮廓线。,二完整晶体的暗场象,23,第四节衍衬运动学简介,二完整晶体的暗场象,24,b)等倾消光当厚度t不变化，ID随s而变化。s=n/t(n为整数)，ID=0。这称为等倾消光，相应的衍衬象称为等倾消光轮廓线。下面具体讨论等厚、等倾消光轮廓线。,第四节衍衬运动学简介,二完整晶体的暗场象,25,薄晶体中有一孔洞。孔洞边缘沿晶体厚度呈楔形变化。明场像下：透射束呈周期变化，相应于不同厚度的下表面处呈现明暗相间的衬度条纹，暗条纹相当于透射强度极小，衍射强度极大，条纹间距正好对应于消光距离，条纹宽度与楔形斜度有关系。,第四节衍衬运动学简介,二完整晶体的暗场象,26,第四节衍衬运动学简介,二完整晶体的暗场象,由于薄晶体在一个观察视野中弯曲的程度是很小的，其偏离程度大都位于s=03/2t范围内，加之二次衍射强度峰值要比一次峰低得多，所以在一般情况小，我们在同一视野中只能看到s=0时的等倾条纹。,27,薄晶体试样在电子束长时间照射下，试样受到热变形（弯曲），使s值发生连续变化，这时极易观察到等倾消光轮廓。甚至在试样不动的情况下，等倾弯曲轮廓也会很快掠过视场，而等厚干涉条纹当试样不动时，无甚变化（缺陷也是如此）。这一点被用来鉴别等倾消光轮廓和正常缺陷的衍射效应（样品稍加倾动，弯曲消光条纹会发生大幅度扫动）。,第四节衍衬运动学简介,二完整晶体的暗场象,28,透射束形成明场像，根据能量守恒，透射束强度IT为：IT=I0ID即明场象与暗场象是互补的，这是双束近似的结果（实际情况并不如此）。当一束平行电子波进入晶体试样时，开始IT极大，等于入射波强度，而ID随深度增加逐渐增加达到极大值，而透射波IT达到相应的极小值，二波相差/2。,第四节衍衬运动学简介,三完整晶体的明场象,29,30,电子束在晶体中由强变弱，再由弱变到强，具有周期性，这种强到强的深度距离即为消光距离(extinctiondistance)。因为TEM中很小，cos1所以：,第四节衍衬运动学简介,三完整晶体的明场象,31,例：求fcc金属银（a=4.089）在100kV下200反射的消光距离解：(1)求VC：VC=a3=(4.089)3=68.363(2)求Fg：在fcc中，每一单胞有4个原子，位置为：000，0,0,0，,第四节衍衬运动学简介,三完整晶体的明场象,32,对g200反射，h=2,k=l=0，F200=f(e)(1+1+1+1)=4f(e)。f(e)为电子的原子散射因子（3）求f(e)：根据sin/可查出f(e)，对本例（参考书p144），查出f(e)=5.41，则Fg=4f(e)=21.64。,第四节衍衬运动学简介,三完整晶体的明场象,33,（4）求当V=100kV时，0.037以上算出的消光距离仅适用于s=0的情况，原则上是动力学理论中的一个物理量，对有限的S，有效消光距离（要小于）为：,第四节衍衬运动学简介,34,第四节衍衬运动学简介,三完整晶体的明场象,的精确度一般很难优于10,35,第五节晶体缺陷分析,晶体缺陷分析也就是不完整晶体的运动学理论对完整晶体，由于晶面在各处是否满足布拉格条件状况相同，这时样品各处的衍射强度ID一样，则不显示衬度，（即除了等厚消光轮廓线，等倾消光轮廓线，无其它衬度）。所以我们得不到任何信息。而实际晶体是不完整的，这不完整性会造成衬度。,36,由取向关系改变引起的。（例如：晶界、孪晶界、沉淀物与基体界面）。晶体缺陷引起的弹性位移（例如：点、线、面、体缺陷）。相变引起的不完整性成分改变而组织不变，如Spindals组织改变而成分不变，如马氏体相变相界面（共格、半共格、非共格）,第五节晶体缺陷分析,晶体的不完整性,37,由于晶体的不完整性存在，改变了完整晶体中原子正常排列状况，使得晶体中某一区域的原子偏离正常位置而产生畸变，畸变使缺陷处晶面与电子束相对方向发生了变化，使得晶面取向不同于完整晶体的取向，于是在有缺陷区域和无缺陷区域满足布拉格条件的程度不同了，造成了衍射强度差异，从而产生了衬度，根据这种衬度效应，人们可以判断晶体内存在什么缺陷和相变,第五节晶体缺陷分析,38,对不完整晶体的暗场象，可采用与完整晶体相似的处理方法，得到在晶体下表面逸出的散射波振幅：,第五节晶体缺陷分析,3.1不完整晶体的暗场象,39,为不完整性引入的相位因子，称为附加相位因子。为在晶体深Z处单胞的位移是倒易矢量,40,41,42,几种晶体缺陷的衍衬象,一、层错（stackingfault）层错是晶体中原子正常堆垛遭到破坏时产生的一种面缺陷。fcc111中，正常堆垛次序为：ABCABC，层错形成有两种机制：在正常堆垛次序中抽掉一层晶面（抽出型层错）ABCACABC在正常堆垛次序中插入一层晶面(插入型层错).ABCACBCABC,43,由于层错的存在破坏了原子近邻关系，产生了一个因畸变而造成的位移矢量，fcc111面层错位移矢量1/3111，或者1/6112。层错引起的相位差：,44,fcc中hkl为全奇或全偶，因此，只可能取2n，或2/3n（代入上式得到）。当2n时,exp(-i)=1,层错不显示衬度，当2/3n时，exp(-i)1，层错可观察。因此，在fcc中，只有选择合适的操作反射，使附加相位因子2/3n，才能观察到层错，,45,二、位错(dislocation),位错是一种线缺陷，处于位错附近的原子偏离正常位置而发生畸变，缺陷周围应变场的变化引入的附加因子是偏离矢量的连续函数（而层错引入的附加因子则是突然变化的）。,46,位错有两种类型刃位错(edgedislocation)，其位错线与Burgersvector垂直。螺位错(screwdislocation)，螺位错位错线与Burgersvector平行。这在位错的电子显微镜观察中，是判断位错组态的重要依据。,47,螺位错,当即时，n=0，0，从而无附加相位因子，无衬度变化，即位错不可见。当位错可见,48,刃位错,位错线像总是出现在实际位置的一侧或另一侧暗场像中为亮线，明场像为暗线位错衍衬像不是位错本身，位错像的大小、相似性都可能与位错本身不相同，,49,第二相粒子,第二相粒子所产生的衬度是一个比较复杂的问题，与许多因素有关，其中有：粒子的形状，在膜内的深度，晶体结构、取向、化学成分以及与晶体之间的应变量大小和基体点阵错排程度等。此外，界面附近还可能存在浓度和缺陷梯度。一般来说，第二相粒子通过两种方式产生衬度：,50,1)沉淀物衬度：穿过粒子的晶体柱发生衍射波的振幅和相位方式变化，叫做沉淀物衬度。沉淀物衬度有：结构因数衬度、虚点阵衬度、位移条纹衬度、水纹衬度、界面条纹衬度、取向衬度。2)基体衬度：粒子的存在引起周围基体点阵方式局部的畸变，这类似于位错衬度的来源也是一种应变场衬度，叫做基体衬度。沉淀物衬度效应总是存在的，而基体衬度则不一定，通常只有粒子与基体之间有共格关系（部分和完全），又有错配度的情况下才会出现。,51,讨论基体衬度