现代材料分析技术

1、 总复习总复习1. 基本概念基本概念 (1) 成象理论成象理论 (2) 电子显微镜光路图电子显微镜光路图 (3) 图像衬度图像衬度 (4) 分辩力分辩力阿贝成象理论（Abbys Theory of Image Formation）图像衬度（图像衬度（Image Contrast）衍射衬度（衍射衬度（Diffraction contrast）: 常规电镜常规电镜 - 取决于衍射条件和物镜光阑大小和位置取决于衍射条件和物镜光阑大小和位置 衬度衬度 光阑大小光阑大小 分辩力分辩力相位衬度（相位衬度（Phase contrast）: HREM - 取决于取决于 PCTF, 也即也即 CS 和和 D D

2、f 分辩力（分辩力（Resolution）61. 0dd361. 0SCd4/14/1SoptC4/34/1min65. 0SCd衍射分辩率衍射分辩率:衍射和球差限制的分辩率衍射和球差限制的分辩率:21)(2 . 1SCf DD = 2f 衍射和色差限制的分辩率衍射和色差限制的分辩率:EECdCD61. 021)61. 0(EECCoptDD = 2f 球差和色差哪一个更重要球差和色差哪一个更重要?象散象散PCTF - 相位衬度传递函数相位衬度传递函数2. 电子衍射电子衍射2.1. 基本概念基本概念 (1) 厄瓦尔德球 (2) 衍射斑点的强度: (3) 衍射花样的类型： 非晶试样 晶体试样:环

3、状衍射花样（Ring pattern）单晶斑点花样（Single crystal spot pattern）菊池线花样（Kikuchi line）),(gggsFfI (4) 电子衍射可提供的信息: 晶体结构 晶体学信息： 相鉴定 第二相粒子形状 衍衬条件的确定(5) X-射线衍射和电子衍射的比较 取向关系晶体学方向入射束方向与法线方向电子衍射与电子衍射与X射线衍射的比较射线衍射的比较 1.单原子散射的特性： （E）： 受原子核散射 （X）：受核外电子散射2.衍射波长及衍射角： （E）：10-3 nm，衍射角2从03 （X）：10-1 nm，衍射角2从01803.衍射斑点强度4.辐射深度：(E

4、)：低于1m数量级 (X)：低于100m数量级5.作用样品体积：(E)： (X)：6.晶体位向测定精度： (E)：用斑点花样测定，约3 (X)：优于176XE1010 /II393mm 10m 1V3mm510.V相 似 性差 异 性1.波的叠加性导致： 布拉格公式 结构因子 消光规律2.衍射花样类型： 单晶花样 多晶花样3.单晶花样能确定晶体位向注：（E）表示电子衍射，（X）表示X射线衍射。2.2 简单SAD花样的标定（Indexing of simple SAD patterns）2.2.1尝试校核法（ Trier and error: ）2.2.2 已知相机常数法（Known camer

5、a constant）2.2.3 标准衍射谱法（Standard diffraction patterns）2.2.4 计算机标定法（Computer simulation）000h1k1l1h2k2l2h3k3l3R1R2R322222221212121221)(lkhlkhNNRR222222212121212121coslkhlkhllkkhh fcc : N=3, 4, 8, 11, 12, 16, 19,. bcc : N= 2, 4, 6, 8, 10, . B = R1 x R23. 衍射衬度理论衍射衬度理论3.1 基本假设基本假设 运动学理论运动学理论动力学理论动力学理论 晶柱

6、假设 平面波假设 双束近似 衍射束总是比透射束弱得多 电子只能衍射一次 不存在对电子的吸收晶柱假设平面波假设双束近似双束近似衍射束可以和透射束一样强电子可以多次衍射电子吸收不可避免运动学理论的基本假设运动学理论的基本假设运动学公式 : tgggdzzisi02exp)/()(/fCosVcgexp)/)(/(gggggtsistsSini0222221)/()/(IstsSinIggggg3.2 公式动力学理论（Dynamic Theory）:)2exp(000zisiidzdgggggggizisidzd)2exp(00样品对电子的吸收:11gggi00011i00 均匀吸收系数（Unifo

7、rm absorption coefficient）gg 反常吸收系数（Abnormal absorption coefficient）如果 sg = 0, 则 |g |2 = (t/g)2 假定 g/ 则有 |g |2 1 这与能量守恒定律矛盾！即, 理论失效!所以, |sg| 0, or t 1/g, 那么 geffgss2222222222)()(gggeffgeffgggstsSinstsSin 运动学理论是动力学理论的一个特例 !3.3. 完整晶体的特征图像)()(2222effgeffgggstsSin 厚度消光条纹 (厚度条纹) 弯曲消光条纹 弯曲条纹 弯曲中心当 t 变化时:当

8、 sg 变化时:4. 晶体缺陷分析晶体缺陷分析5.1.2 运动学公式和动力学公式运动学公式和动力学公式tgggdzRgzsii0)(2exp)(Rg 2gggidzd)/1 ()/()/(000ggggdzRdgsiidzd)/(2)/()/1 ()/(000运动学公式:动力学公式:4.2 位错位错 4.2.1完全位错 不可见准则 柏氏矢量的确定 完全位错的衬度特征： 位错核心一侧的一条黑线 靠近表面的位错 衬度和图像宽度2/ )()2(1bxyzTanbR0bg0bg)1 (42ln)1 (221 )1 (42)21(CosrubSinbbRe0ubg0ebg不可见准则（不可见准则（Invi

9、sibility Criteria）螺位错（ screw dislocations）:可见（Visible）不可见（Invisible）刃位错（ edge dislocations）:and混合位错（ mixed dislocations）:0bg0ebg0ubg不可见（Invisible）不可见（Invisible）3Imgaged2/122)1 ( 3/3/gggeffgsdImage width of dislocationsS = 0S 0tgggdzRgzsii0)(2exp)(Rg 2gggidzd)/1 ()/()/(000ggggdzRdgsiidzd)/(2)/()/1 ()

10、/(000运动学理论:动力学理论:4.2.2 弱束暗场技术弱束暗场技术For the Edwald sphere cutting the low of systematic reflections g at ng (n not necessary integer), the value of s is given by s = (n-1) g2 / 2K where K = 1/1210As5ggsw实验条件4.2.3 不全位错不全位错 非常复杂，衬度还受层错的影响！非常复杂，衬度还受层错的影响！Partial dislocations in fcc crystals11261b11131b1

11、1061bShockley partialFrank partialStair-rod partial4.3 层错层错1）平行于薄膜表面的层错衬度特征为，在衍衬像中有层错区域和无层错区域将出现不同的亮度，层错区域将显示为均匀的亮区或暗区。2）倾斜于薄膜表面的层错，其衬度特征为层错区域出现平行的条纹衬度。 明场 对称性，上下表面4.4 第二相粒子的衬度4.4.1 基体衬度（基体衬度（Matrix contrast）5. 高分辩电镜（HREM）5.1. 入射束试样交互作用入射束试样交互作用振幅物（振幅物（Amplitude object）相位物（相位物（Phase object）相位物近似（相位物

12、近似（Phase object approximation）5.2. 分辩率极限（分辩率极限（Resolution Limit）(1) 像差（像差（Aberrations）(2) 分辩率极限（分辩率极限（Resolution limit） 衍射分辩率极限（衍射分辩率极限（diffraction limit） 球差球差(Cs）和衍射限制的分辩率极限）和衍射限制的分辩率极限 色差（色差（Cc）和衍射限制的分辩率极限）和衍射限制的分辩率极限Spherical aberration3ssCd Chromatic aberrationAstigmatism4/14/1SoptC4/34/1min65.

13、0SCd衍射和球差限制的分辩率衍射和球差限制的分辩率361. 0SCdD = 2f 物镜光阑的大小不能随意选取， 只有在最佳 尺寸时才能得到最高的分辩率 !相位衬度传递函数（相位衬度传递函数（Phase contrast transfer function)42(22)(42SCfuD我们定义:而 sin 叫作相位衬度传递函数(PCTF)Let u = / (u = 1/ ), 则有:)42(2)(432uCufSinuSinSD当 Sin(u) = -1时可得到最佳衬度效应。EECdCD61. 021)61. 0(EECCoptDD = 2f 点分辩率（Point to point reso

14、lution）线分辩率（Line to line resolution）最佳欠佳量（Optimum defocus）:21)59. 02(DSCkfk = 1,2,3,4,.相位衬度（ phase contrast） : k 为奇数振幅衬度: k 为偶数高分辩电镜图像可提供的信息图像模式 图像内容 可提供的信息 双束点阵 相应于点阵平面间距的条纹象 1） 面间距（必须使用内标）平面象 第二相粒子分析 粒子/基体取向关系 成份分布 有序化和超点阵 界面和晶界多束点阵象 与成象条件有关 除与1）相同外还有： 晶态非晶态转变 相变 晶体缺陷结构结构象 是晶体点阵沿入射束方向的投 表示晶体的真实结构

15、影，在相位衬度传递函数第一 晶体缺陷的原子结构 个零点范围内图像与实际晶体 晶体缺陷的原子缀饰 结构原子排列有一一对应关系 6. 分析电镜分析电镜6.1 分析电镜的能力6.2 AEM 微区分析6.3 EELS（不太成熟，应用不普遍）优良SEM影像的拍摄要点SEM的观察的主要过程是：小倍率选区；高倍率放大；移动样品至适当位置，调焦；调亮度和反差至最佳；拍摄。1.聚光镜电流的选择聚光镜电流的选择聚光镜电流的大小将直接影响到电子束的亮度和光斑直径的大小，也影响成像的分辨率和反差。在保证足够的观察条件、拍摄的亮度和反差的需要下，应尽量使聚光镜电流稍为大一些，以获取较小的电子束流探针直径，得到较高分辨率

16、；但聚光镜电流又不可太大，太大则使电子束流能量太低，信号与噪声的强度比（信噪比）下降，影像也会平淡无力,缺少立体感。故聚光镜电流的调节应和亮度与反差相配合。2.亮度和反差的调节亮度和反差的调节既不可一味追求高亮度，也不可一味追求高反差。这两者要配合调节。高反差能增加立体感，但却损失了许多细节，所以在保证较好反差的情况下，要调出足够的灰度等级。SEM上常设有亮度及反差的调节指示表。操作者可根据指示表去调整，参照自己观察对象的目的需要，适当地给予补偿。3.加速电压的选择加速电压的选择加速电压的提高，纵然可以增大电子束的能量，提高信噪比和反差，这只是一个单方面的因素，从另一方面考虑，也会增加背散射电

17、子的数目和电子束的穿透力,这样影像中物体边缘的锐利度会降低，也将使分辨力下降。 通常可以根据影像质量和拍摄需要进行选择。4.样品倾斜度和光阑孔径的选择样品倾斜度和光阑孔径的选择样品台除可向X、Y方向移动外，还可以做一定量的倾斜。倾斜样品台等于让电子探针从侧面轰击样品，就象日常拍摄照片时一样，用侧光比用正面光能得到更好的立体感。但倾斜面的两侧不在同一平面上，倾斜太多则不好兼顾聚焦，会造成两侧模糊，同时也会损失一些细节。光阑孔小时，能提高反差，增大立体感和景深范围，但太小则损失能量多，光衍射增大，也会影响分辨率。5.消像散与聚焦消像散与聚焦存在像散时与聚焦不清是不一样的。聚焦不清则使像的四周呈现同等程度的模糊。像散则 为影像边缘沿某一方向被拉长，四周的模糊程度并不均匀。像散与聚焦对成像质量的影响同等重要。电镜照片的拍摄要力求将像散消减到最小，聚焦达到最清晰微区分析（微区分析（Microanalysis）WDS 和 EDS的对比 WDS EDS 接收效率 低。立体接收角小，需要使用 高。立体接收角大，可以使用较小 较大束流 束流峰位分辩率 好（对Mo k为15eV) 较差（对Mo k为150eV） 峰位分离好 峰位重叠严重 信噪比（P/B)高 信噪比（P/B)低空间分辩率 块体试样：12mm 块体试样：12mm 薄膜试样： 1020nm灵敏度 块体试样：0.001% 块