晶体薄膜衍衬成象分析

1、第十章晶体薄膜衍衬成像分析晶体薄膜衍衬成像分析 概述薄膜样品的制备衍衬成像原理相位衬度简介概述 由与样品内结晶学性质有关的电子衍射特征所决定的衬度，称为衍射衬度 适用于薄晶样品的图象分析，主要用于晶体缺陷的分析透射电镜样品制备方法粉末样品粉末样品直接法直接法复型样品复型样品间接法间接法薄膜样品薄膜样品直接法直接法1.粉末样品制备粉末样品制备 随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材料发展很快，而粉末的颗粒尺寸大小、尺寸分布及形态对最终制成材料的性能有显著影响，因此，如何用透射电镜来观察超细粉末的尺寸和形态便成了电子显微分析的一的一项重要内容。 其关键工作是是粉末样品的制备，样品制备的关键是如何将超

2、细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。粉末样品制备粉末样品制备 需透射电镜分析的粉末颗粒一般都小需透射电镜分析的粉末颗粒一般都小于铜网小孔，应此要先制备对电子束于铜网小孔，应此要先制备对电子束透明的支持膜。透明的支持膜。 常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。送入电镜分析。 粉末或颗粒样品制备的关键取决于能粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否使其均匀分散到支持膜上。否使其均匀分散到支持膜上。 通常用超声波搅拌器，把要观察的通常用超声波搅拌器，把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂搅拌为粉末或颗粒样

3、品加水或溶剂搅拌为悬浮液，然后用滴管把悬浮液滴在悬浮液，然后用滴管把悬浮液滴在粘附有支持膜的样品铜网上，静置粘附有支持膜的样品铜网上，静置干燥后即可供观察，为了防止粉末干燥后即可供观察，为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷一层薄膜碳，使粉体夹在两上再喷一层薄膜碳，使粉体夹在两层膜中间。层膜中间。2.复型样品制备复型样品制备 所谓复型，就是把样品表面形貌复制出来，其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋所谓复型，就是把样品表面形貌复制出来，其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。底花纹相似。 复型法实际上是一种间接或部分间接的分析方法，因为通过复型制备出

4、来的样品是复型法实际上是一种间接或部分间接的分析方法，因为通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。 使用这种方法主要是早期透射电子显微镜的制造水平有限和制样水平不高，难以对使用这种方法主要是早期透射电子显微镜的制造水平有限和制样水平不高，难以对实际样品进行直接观察分析。实际样品进行直接观察分析。 近年来扫描电镜显微镜分析技术和金属薄膜技术发展很快，复型技术几乎为近年来扫描电镜显微镜分析技术和金属薄膜技术发展很快，复型技术几乎为上述两种分析方法所代替。上述两种分析方法所代替。 但是，用复型观察断口比扫描电镜的断口清晰以及复型金相

5、组织和光学金相但是，用复型观察断口比扫描电镜的断口清晰以及复型金相组织和光学金相组织之间的相似，致使复型电镜分析技术至今为人们所采用。组织之间的相似，致使复型电镜分析技术至今为人们所采用。制备复型的材料应具备以下条件材料本身必须是非晶态材料，晶体在电子束照射下，某些晶面将发生布拉格衍射，衍射产生的衬度会干扰复型表面形貌的分析。复型材料的粒子尺寸必须很小，复型材料的粒子尺寸越小，分辨率就越高。复型材料应具备耐电子轰击的性能，即在电子束照射下，能保持稳定，不发生分解和破坏。真空蒸发形成的碳膜真空蒸发形成的碳膜通过浇铸蒸发形成的塑料膜通过浇铸蒸发形成的塑料膜一级复型法一级复型法 在已制备好的金相样品

6、或断口样品上滴上几滴体积浓度为在已制备好的金相样品或断口样品上滴上几滴体积浓度为1%1%的火棉胶醋酸戍酯溶液的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，多余的溶液用滤纸吸掉，待溶剂蒸发后或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，多余的溶液用滤纸吸掉，待溶剂蒸发后样品表面即留下一层样品表面即留下一层100nm100nm左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表面揭下来左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表面揭下来就是塑料一级复型样品就是塑料一级复型样品. . 但塑料一级复型因其塑料分子较大，分辨率较低；塑料一级复型在电子束照射下易发生分解和破裂。一级复型法一级复型法 另

7、一种复型是碳一级复型，碳一级复型是直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜另一种复型是碳一级复型，碳一级复型是直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。 蒸发沉积层的厚度可用放在金相样品旁边的乳白瓷片的颜色变化来估计。蒸发沉积层的厚度可用放在金相样品旁边的乳白瓷片的颜色变化来估计。 把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于3mm3mm的小方块，然后把样品放入配好的分的小方块，然后把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离。碳膜剥离后也必须清洗，然后才能进

8、行观察分析。离液中进行电解或化学分离。碳膜剥离后也必须清洗，然后才能进行观察分析。 碳一级复型的特点是在电子束照射下不易发生分解和破裂，分辨率可比塑料复型高碳一级复型的特点是在电子束照射下不易发生分解和破裂，分辨率可比塑料复型高一个数量级，但制备碳一级复型时，样品易遭到破坏。一个数量级，但制备碳一级复型时，样品易遭到破坏。二级复型法二级复型法 二级复型是目前应用最广的一种复型二级复型是目前应用最广的一种复型方法。方法。 它是先制成中间复型（一次复型），它是先制成中间复型（一次复型），然后在中间复型上进行第二次碳复型，然后在中间复型上进行第二次碳复型，再把中间复型溶去，最后得到的是第再把中间复型

9、溶去，最后得到的是第二次复型。二次复型。 塑料塑料碳二级复型可以将两种一级复碳二级复型可以将两种一级复型的优点结合，克服各自的缺点。制型的优点结合，克服各自的缺点。制备复型时不破坏样品的原始表面；最备复型时不破坏样品的原始表面；最终复型是带有重金属投影的碳膜，其终复型是带有重金属投影的碳膜，其稳定性和导电导热性都很好，在电子稳定性和导电导热性都很好，在电子束照射下不易发生分解和破裂；但分束照射下不易发生分解和破裂；但分辨率和塑料一级复型相当。辨率和塑料一级复型相当。 二级复型法二级复型法 右图为二级复型制备过程示意图。图右图为二级复型制备过程示意图。图(A)(A)为塑料中间为塑料中间复型，图复

10、型，图 (b)(b)为在揭下的中间复型上进行碳复型。为为在揭下的中间复型上进行碳复型。为了增加衬度可在倾斜了增加衬度可在倾斜15-4515-45的方向上喷镀一层重金的方向上喷镀一层重金属，如属，如CrCr、AuAu等（称为投影）。一般情况下，是在等（称为投影）。一般情况下，是在一次复型上先投影重金属再喷镀碳膜，但有时也可一次复型上先投影重金属再喷镀碳膜，但有时也可喷投次序相反，图喷投次序相反，图(c)(c)表是溶去中间复型后的最终复表是溶去中间复型后的最终复型。型。 二级复型照片二级复型照片 二级复型照片二级复型照片萃取复型萃取复型 在需要对第二相粒子形状、大在需要对第二相粒子形状、大小和分布

11、进行分析的同时对第小和分布进行分析的同时对第二相粒子进行物相及晶体结构二相粒子进行物相及晶体结构分析时。常采用萃取复型的方分析时。常采用萃取复型的方法。法。 这种复型的方法和碳一级复型这种复型的方法和碳一级复型类似，只是金相样品在腐蚀时类似，只是金相样品在腐蚀时应进行深腐蚀，使第二相粒子应进行深腐蚀，使第二相粒子容易从基体上剥离。容易从基体上剥离。 此外，进行喷镀碳膜时，厚度此外，进行喷镀碳膜时，厚度应稍厚，以便把第二相粒子包应稍厚，以便把第二相粒子包络起来。络起来。 质厚衬度原理质厚衬度原理 质厚衬度成像原理：是建立在非晶体样品中原子对入射电子的散射和透射电镜小孔径角成像基础上的；它是解释非

12、晶态样品(如复型)电子显微图像衬度的理论依据。原子对电子的散射 小孔径角成像 5一、单个原子对入射电子的散射（1） 当一个电子穿透非晶体薄样品时，将与样品发生相互作用，产生弹性散射或非弹性散射。 弹性散射：入射电子与原子核相互作用。 由于电子的质量比原子核小得多，故原子核对入射电子的散射作用，一般只使电子改变运动方向，而没有能量变化(或变化甚微)，这种散射现象叫做弹性散射。 非弹性散射：入射电子与核外电子相互作用。 当电子与一个孤立的核外电子发生作用时，由于两者质量相等，散射过程不仅使入射电子改变运动方向，还发生能量变化，这种散射叫做非弹性散射。 6一、单个原子对入射电子的散射（2）1. 弹性

13、散射: 入射电子与原子核相互作用。 散射电子运动方向与原来入射方向之间的夹角叫做散射角，用来表示，如图所示。 散射角的大小： 取决于瞄准距离 ，原子核电荷Z e 和入射电子加速电压U，其关系为： 或 （9-1） 式中：Z原子序数。nrUZeUZernnr电子受原子核弹性散射 7一、单个原子对入射电子的散射（3） 可见：所有以原子核为中心， 为半径的圆内的入射电子将被散射到大于的角度以外的方向上去。 可用 来衡量一个孤立的原子 核把入射电子散射到比角度大的 方向上去的能力，习惯上叫做弹性 散射截面，用n来表示，即电子受原子核弹性散射 nr2nnr2nr2)(UZen8一、单个原子对入射电子的散射

14、（4）2. 非弹性散射：入射电子与核外电子相互作用。 非弹性散射的散射角可由下式来定 或 （9-2） 式中： 入射电子对核外电子的瞄准距离； e 电子电荷。 erUeUere电子被核外电子非弹性散射 er9一、单个原子对入射电子的散射（5） 同样：所有瞄准以核外电子为中心， 为半径的圆内的入射电子，也将被散射到比角大的方向上去。 故也可用 来衡量一个孤立的核 外电子把入射电子散射到比角大的 方向上去的能力，习惯上叫做核外电 子非弹性散射截面，用e来表示， 即电子被核外电子非弹性散射 er2eer2)(Uee10一、单个原子对入射电子的散射（6）3. 一个孤立原子对入射电子的散射： 一个原子序数

15、为Z的原子有Z个核外电子，因此， 一个孤立原子把电子散射到以外的散射截面，用0来表示，等于原子核弹性散射截面n 和所有核外电子非弹性散射截面Ze 之和，即 原子序数 Z 越大，产生弹性散射的比例就越大（平方关系）。 弹性散射：是透射电镜成像的基础； 非弹性散射：引起的色差将使背景强度增高，图像衬度降低。 enZ02)(UZen11二、透射电镜小孔径角成像（1） 为了确保透射电子显微镜的高分辨本领，采用小孔径角成像。 小孔径角成像：是通过在物镜背焦面上沿径向插入一个小孔径的物镜光阑来实现的，如图所示。 这样可把散射角大于的 电子挡掉，只允许散射角 小于的电子通过物镜光 阑参与成像，增加了图像 的

16、衬度。 小孔径角成像 12三、质厚衬度成像原理（1） 1. 衬度：是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。2. 电子显微镜图像的衬度：取决于投射到荧光屏或照相底片上不同区域的电子强度差别。3. 非晶体样品的质厚衬度成像原理： 入射电子透过样品时， 若样品越厚碰到的原子数目越多；或样品原子序数Z越大或密度越大样品原子核库仑电场越强，则散射角越大被散射到物镜光阑外的电子就越多，而参与成像的电子强度也就越低，从而在荧光屏显示出不同的衬度，这就是质厚衬度成像原理 。 13三、质厚衬度成像原理（2）4. 非晶体样品的厚度、密度与透射电子强度的关系推导： 如果忽略原子之间的相互作用，

17、设每立方厘米包含N个原子的样品，则其总散射截面为： （9-3） N 单位体积样品中包含的原子数，其中 原子散射截面。0NQ ANN0000ANQ 密度；A原子量；N0阿伏加德罗常数。14三、质厚衬度成像原理（3） 如果入射到1cm2样品表面积的电子数为n，当其穿透dt厚度样品后有dn个电子被散射到光阑外，即其减小率为dnn，因此有 (9-4) 若入射电子总数为no(t=0)，由于受到 t厚度的样品散射作用，最后只有n个电子通过物镜光阑参与成像。将上式积分得到 (9-5) 由于电子束强度 I = ne (e为电子电荷) 。QdtndnQtenn015三、质厚衬度成像原理（4） 则电子束强度： (

18、9-6) 上式表明：强度为 I0 的入射电子穿透总散射截面为Q，厚度为 t 的样品后，通过物镜光阑参与成像的电子束强度 I 随 Qt 乘积增大而呈指数衰减。 当 Qt = 1 时， tc 叫临界厚度，即电子在样品中受到单次散射的平均自由程。因此，可认为，ttc 的样品对电子束是透明的。则 (9-8) QteII0ctQt1300IeII16三、质厚衬度成像原理（5） 因为： 故 若定义t为质量厚度，那么参与成像的电子束强度 I 随样品质量厚度t 增大而衰减。即 当 Qt =1 时， 称(t)c为临界质量厚度， 随加速电压U的临界质量厚度(t)c 。00ANQ )(00tANQtQteII0cc

19、tNAt00)(17三、质厚衬度成像原理（6）5. 质厚衬度表达式： 设通过样品上A、B区投射到荧 光屏或照相底片上相应的电子 强度分别为IA、 IB。 则：其电子强度差IA=IBIA 习惯上以IAIB来定义图像中 A 区域的衬度 (或反差)。 (IB为像背景强度) 因此： 质厚衬度原理a)未经投影的复型 (b)经投影的复型 抽取复型 BABABBAIIIIIII118三、质厚衬度成像原理（7） 因为 、 代入下式 则 说明：不同区域的 Qt 值 差别越大，复型的图像 衬度越高。AAtQAeII0BBtQBeII0)(1BBAAtQtQBAeII图9-3 质厚衬度原理19BABAIIII1三、

20、质厚衬度成像原理（8）1. 若复型是同种材料制成的，则QA=QB=Q，如图(a) 。 此时复型图像衬度为： 说明：复型的材料的总散射截面Q值越大或复型相邻区域厚度 t 差别越大，复型图像衬度越高。 2. 若复型是由两种材料组成的，如图(b)，设凸起部分总散射截面为QA，此时复型图像衬度为： tQeeIItQttQBABA11)(tQeIIAtQBAA1203.薄膜样品的制备薄膜样品的制备 薄膜样品的制备必须满足以下要求：薄膜样品的制备必须满足以下要求： 1.1.薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，这些组织结构不发生变化。在制备过程中，这些组

21、织结构不发生变化。 2.2.薄膜样品厚度必须足够薄，只有能被电子束薄膜样品厚度必须足够薄，只有能被电子束透过，才有可能进行观察和分析。透过，才有可能进行观察和分析。 3.3.薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备，夹薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备，夹持和操作过程中，在一定的机械力作用下不会持和操作过程中，在一定的机械力作用下不会引起变形或损坏。引起变形或损坏。 4.4.在样品制备过程中不容许表面产生氧化和腐在样品制备过程中不容许表面产生氧化和腐蚀。氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造蚀。氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假象。成多种假象。 大块材料上制备薄膜样品大大块材料上制备薄膜样品

22、大致为三个步骤：致为三个步骤： 第一步是从大块试样上切割厚度为第一步是从大块试样上切割厚度为0.30.30.5mm0.5mm厚的薄片。厚的薄片。 电火花线切割法是目前用得最广泛的方法，见图。电火花线切割法是目前用得最广泛的方法，见图。 电火花切割可切下厚度小于电火花切割可切下厚度小于0.5mm0.5mm的薄片的薄片, ,切割时切割时损伤层比较浅损伤层比较浅, ,可以通过后续的磨制或减薄除去可以通过后续的磨制或减薄除去. .电火花切割只能用导电样品电火花切割只能用导电样品. . 对于陶瓷等不导电样品可用金刚石刃内圆切割机对于陶瓷等不导电样品可用金刚石刃内圆切割机切片切片. .第二步骤是样品的预先

23、减薄第二步骤是样品的预先减薄机械法化学法通过手工研磨来完成的，把切割好的薄片一面用黏结剂粘接在样品座表面，然后在水砂纸上进行研磨减薄。如果材料较硬，可减薄至70m左右；若材料较软，则减薄的最终厚度不能小于100m。把切割好的金属薄片放入配好的试剂中，使它表面受腐蚀而继续减薄。优点是表面没有机械硬化层，薄化后样品的厚度可以控制在20-50m。但是，化学减薄时必须先把薄片表面充分清洗，去除油污或其他不洁物。第三步骤是最终减薄第三步骤是最终减薄 最终减薄方法有两种即最终减薄方法有两种即双喷减薄和离子减薄。双喷减薄和离子减薄。 用这样的方法制成的薄用这样的方法制成的薄膜样品，中心空附近有膜样品，中心空

24、附近有一个相当大的薄区，可一个相当大的薄区，可以被电子束穿透，直径以被电子束穿透，直径3mm3mm圆片周边好似一个厚圆片周边好似一个厚度较大的刚性支架，因度较大的刚性支架，因为透射电子显微镜样品为透射电子显微镜样品座的直径也是座的直径也是3mm3mm，因此，因此，用双喷抛光装置制备好用双喷抛光装置制备好的样品可以直接装入电的样品可以直接装入电镜，进行分析观察。常镜，进行分析观察。常用双喷减薄液见表用双喷减薄液见表7-17-1。 效率最高和最简便的方效率最高和最简便的方法是双喷减薄抛光法；法是双喷减薄抛光法；下图为一台双喷式电解下图为一台双喷式电解抛光装置的示意图。抛光装置的示意图。离子减薄离子

25、减薄 离子减薄是物理方法减薄，离子减薄是物理方法减薄，它采用离子束将试样表层材它采用离子束将试样表层材料层层剥去，最终使试样减料层层剥去，最终使试样减薄到电子束可以通过的厚度。薄到电子束可以通过的厚度。 图图7-77-7是离子减薄装置示意图。是离子减薄装置示意图。试样放置于高真空样品室中，试样放置于高真空样品室中，离子束（通常是高纯氩）从离子束（通常是高纯氩）从两侧在两侧在3-5KV3-5KV加速电压加速加速电压加速下轰击试样表面，样品表面下轰击试样表面，样品表面相对离子束成相对离子束成0-300-30角的夹角。角的夹角。 离子减薄方法可以适用于矿离子减薄方法可以适用于矿物、陶瓷、半导体及多相

26、合物、陶瓷、半导体及多相合金等电解抛光所不能减薄的金等电解抛光所不能减薄的场合。场合。 离子减薄的效率较低，离子减薄的效率较低，一般情况下一般情况下4m/4m/小时左小时左右。但是离子减薄的质右。但是离子减薄的质量高薄区大。量高薄区大。双喷减薄和离子减薄的比较双喷减薄和离子减薄的比较 适用的样品适用的样品 效率效率 薄区薄区 大小大小 操作操作 难度难度 仪器仪器 价格价格 双喷减薄双喷减薄金属与部分合金金属与部分合金高高小小容易容易便宜便宜 离子减薄离子减薄矿物、陶瓷、矿物、陶瓷、 半导体及多相合金半导体及多相合金 低低大大复杂复杂昂贵昂贵超薄切片机真空镀膜机离子镀膜机薄膜样品的制备透射电镜

27、对样品的要求 试样最大尺寸，直径不超过3mm； 样品厚度足够薄，使电子束可以通过，一般厚度为100200nm； 样品不含水、易挥发性物质及酸碱等 腐蚀性物质； 样品具有足够的强度和稳定性； 清洁无污染制样技术薄膜 生物样品、高分子材料超薄切片 金属样品：电火花切割预减薄 电解双喷减薄 陶瓷样品：金刚石刃内圆切割机切片金刚石刃内圆切割机切片预减薄预减薄离子减薄离子减薄衍衬成象原理 成象原理 三个参数衍射衬度成像 非晶态复型样品：依据“质量厚度衬度”的原理成像。 即利用非晶态复型膜上不同区域厚度或平均原子的差别，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子强度的不同，从而产生了图像的反差。 晶体薄膜样品

28、：其厚度 t 大致均匀，且平均原子序数 Z 也无差别（即使多相材料差别也不太大），薄膜上不同部位对电子的散射或吸收作用大致相同，故不能利用“质厚衬度”来获得满意的图像反差。 更重要的是，若让散射电子与透射电子在像平面上复合成像的亮点，则图像除能显示样品形貌特征外，所有其他的如晶体学的信息将完全丢失。 为此，须寻找新的成像方法，即“衍射衬度成像”，简称“衍衬成像”。 20衍射衬度成像原理 “衍射衬度成像”原理 ： “衍射衬度成像”主要取决于入射束与试样内各晶面相对位向不同所导致的衍射强度差异。 当电子束穿过金属薄膜时， 严格满足布拉格条件的晶面，产生强衍射束， 不严格满足布拉格条件的晶面，产生弱

29、衍射束， 不满足布拉格条件的晶面，不产生衍射束。 当电压一定时，入射束强度一定为 I0，衍射束强度为Ihkl，则透射束强度为 （ I0 - Ihkl ）（吸收不计）。 若只让透射束通过物镜光阑成像，那就会因试样各晶面产生衍射与否、衍射强弱、使透射束强度不一，而在荧光屏上形成衬度。21 以单相的多晶体薄膜样品为例说明。设： 薄膜内两晶粒 A和 B，其唯一差别在于晶体学位向不同。 在入射束照射下，B 晶粒的 某(hkl)晶面组恰好与入射束 满足精确的布拉格角B ， 产生强烈衍射； 而其余晶面均与衍射束存在 较大的偏差，不产生衍射。 即： B晶粒的位向满足： “双光束条件”。 衍衬成像原理 衍射束透

30、射束A区域B区域22 则：在B晶粒的选区衍射花样中，hkl斑点特别亮，也即其(hkl)晶面的衍射束最强。若样品足够薄，入射电子受到的吸收效应可不计， 且在“双光束条件”下忽略其 它较弱的衍射束。 则入射电子束 I0 在B 晶粒区 域内经过散射之后，将成为 衍射束I hkl 和透射束 (I0I hkl ) 两部分。即 衍衬成像原理明场像 hklBIII0透射束衍射束23 同时， A晶粒所有晶面组与B晶粒位向不同，均与布拉格条件存在较大的偏差。 即:在A晶粒的选区衍射花样中 将不出现任何强衍射斑点，而 只有中心透射斑点，或者说其 所有衍射束的强度均为零。 于是，A 晶粒区域的透射束强 度仍近似等于

31、入射束强度 I0。 衍衬成像原理明场像 0IIA衍射束透射束24 在电镜(TEM)中衍射花样出现在物镜的背焦面上，加进一个尺寸足够小的物镜光阑。 物镜光阑作用： 把 B晶粒的 h k l 衍射束挡掉， 而只让透射束通过光阑孔成 像，即成一幅放大像。则 B晶粒较暗、A晶粒较亮。 B晶粒的像衬度为： 衍衬成像原理明场像 0)(IIIIIIIhklABAB衍射束透射束25 衍射衬度：由于样品中不同位向的晶体的衍射条件位向不同而造成的衬度差别叫“衍射衬度”。1. 明场(BF)成像： 把这种让透射束通过物镜光阑 而把衍射束挡掉得到图像衬度 的方法，叫做明场(BF)成像。 所得到的像叫明场像。 衍衬成像原

32、理明场像 透射束衍射束26正方Zr02多晶的明场像 272. 暗场(DF)像：移动物镜光阑的位置一下，使光阑孔套住hkl斑点，只让衍射束(Ihkl)通过参与成像，而把透射束挡掉而成的衍衬图像，即为暗场(DF)像。则有： 但是，此时成像由于是离轴 光线，所得图像质量不高， 有较严重的像差。故常以另 一方式产生暗场像 中心暗场(CDF)成像法 。 0AIhklBII 衍射束透射束283. 中心暗场(CDF)成像方法： 把入射束倾斜2角度，使B晶粒的(hkl)晶面组处于强烈衍射的位向，而物镜光阑仍在光轴位置。则 仅B晶粒的(h k l)衍射束通过光阑孔， 而透射束被挡掉。 B晶粒的像亮度为IBIhk

33、l； A晶粒在该方向的散射度极小， 像亮度 IA0； 图像衬度恰好与明场像相反， B晶粒较亮， A晶粒很暗。 透射束衍射束衍射束29 上述说明： 1. 在晶体衍衬成像中，起决定作用的是晶体对电子的衍射，即某一最符合布拉格条件的(hkl)晶面组强衍射束起着关键的作用，它决定了图像的衬度。2. 在暗场条件下，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强度。3. 暗场像的衬度是与明场像互补的，且暗场像的衬度将明显地高于明场像。在金属薄膜的透射电镜分析中，暗场成像是一种十分有用的技术。4. 衍衬图像完全是由衍射强度的差别所产生的，故这种图像必将是样品内不同部位晶体学特征的直接的反

34、应。30 不难看出，欲使薄晶样品通过衍射衬度成像，电镜须具备的基本操作条件：1. 须有一个孔径足够小的物镜光阑（2030m）。2. 样品台须在适当的角度范围可任意倾斜，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的入射条件（双光束条件下可获较好的衬度）。3. 电镜应有较方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束(透射束)。4. 必须有可倾斜的照明系统，目前大都采用电磁偏转系统来实现。31消 光 距 离 32 X射线衍射：是由原子的核外电子（内层电子）对X射线的弹性相干散射的结果。因散射强度与引起散射的粒子质量m平方成反比，原子核的质量是电子的1800多倍，故引起的散射极弱。 电

35、子衍射：主要是由晶体内规则排列的原子（原子核）对入射电子波的弹性相干散射的结果。 因此原子对电子的散射作用很强，远强于对X射线的散射（约为104倍）。故电子的穿透深度比X射线小得多。 对晶体材料，因电子散射强度大，由同相位的散射波干涉产生的衍射波强度也很强，可与透射束相当。故应考虑它们之间的相互作用关系即动力学关系。33 晶体中，透射波和衍射波之间的相互作用。 在双光束条件下，即晶体某(hkl)晶 面处于布拉格位向，入射波只激发 成透射波和(hkl)晶面的衍射波。 则这两个波间的相互作用。 入射波矢量为k、衍射波矢量为k。1. 在近表面：参与散射的原子或晶胞 数量有限，衍射强度很小； 2. 在

36、OA阶段：随向晶体内深度传播， 透射波强度 ，衍射波的强度 。 343. 在A位置：电子波传播到一定深度时，有足够的原子或晶胞参与了散射，使透射波的振幅o下降为零，衍射波振幅g上升为最大，全部能量转移到衍射方向，其强度 透射波Ioo2 衍射波Igg2 也相应地发生变 化，如图。 衍射波振幅衍射波振幅电子波在晶体内深度方向上的传播 (b)振幅变化 (c)强度变化 354. 到A位置后，由于衍射波也与 该晶面成同样的布拉格角 ， 故必将作为新的入射波激发同 一晶面的二次衍射，其方向恰 与透射波的方向相同。5. 在AB阶段：能量转移过程将以 与OA阶段相反的方式被重复， 透射波强度 Io ， 衍射波

37、的强度 Ig 。 (a)布拉格位向下的衍射 366. 消光距离：记作g， 这种透射波与衍射波强烈的动力学相互作用的结果，使其强度 Io 和 Ig 在晶体深度方向上发生周期性的振荡，如图所示。 振荡的深度周期叫做消光距离g； 所谓“消光”：指的是尽管满足衍射 条件，但因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。g37衍衬运动学理论简介衍衬运动学理论简介 衍衬理论所要处理的问题是通过对入射电子衍衬理论所要处理的问题是通过对入射电子波在晶体样品内受到的散射过程作分析，波在晶体样品内受到的散射过程作分析，计计算在样品底表面射出的透射束和衍射束的强算在样品底表面射出的透射

38、束和衍射束的强度分布度分布，即计算底表面对应于各物点处电子，即计算底表面对应于各物点处电子波的振幅进而求出它们的强度，这也就相当波的振幅进而求出它们的强度，这也就相当于求出了衍衬图像的衬度分布。于求出了衍衬图像的衬度分布。 借助衍衬理论，可以预示晶体中某一特定结借助衍衬理论，可以预示晶体中某一特定结构细节的图像衬度特征；反过来，又可以把构细节的图像衬度特征；反过来，又可以把实际观察到的衍衬图像与一定的结构特征联实际观察到的衍衬图像与一定的结构特征联系起来，加以分析、诠释和判断。系起来，加以分析、诠释和判断。衍衬理论的两种处理方法衍衬理论的两种处理方法 衍衬理论可有两种处理方法。考虑到电子波与衍

39、衬理论可有两种处理方法。考虑到电子波与物质的交互作用十分强烈（与物质的交互作用十分强烈（与X X射线相比，电子射线相比，电子的原子散射因子要大四个数量级），所以在晶的原子散射因子要大四个数量级），所以在晶体内透射波与衍射波之间的能量交换是不容忽体内透射波与衍射波之间的能量交换是不容忽视的，以此为出发点的视的，以此为出发点的衍衬动力学理论衍衬动力学理论成功地成功地演释出了演释出了接近实际情况的结果，是衍衬图像定接近实际情况的结果，是衍衬图像定量衬度计算的必要方法。量衬度计算的必要方法。 然而，如果只需要定性地了解衍衬图像的衬度然而，如果只需要定性地了解衍衬图像的衬度特征，可应用简化了的特征，可应

40、用简化了的衍衬运动学理论衍衬运动学理论。运动运动学理论简单明了，物理模型直观，对于大多数学理论简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现象都能很好地定性说明。衍衬现象都能很好地定性说明。下面我们将讲下面我们将讲述衍衬运动学的基本概念和应用。述衍衬运动学的基本概念和应用。1 1运动学理论的近似运动学理论的近似 运动学理论是讨论晶体激发产生的衍射波强度的简单方运动学理论是讨论晶体激发产生的衍射波强度的简单方法，其主要特点是不考虑入射波与衍射波之间的动力学法，其主要特点是不考虑入射波与衍射波之间的动力学相互作用。相互作用。 从入射电子受到样品内原子散射过程的分析中我们知道，从入射电子受到样品内原子散射

41、过程的分析中我们知道，此种散射作用在本质上是非常强烈的，所以忽略了动力此种散射作用在本质上是非常强烈的，所以忽略了动力学相互作用的运动学理论只能是一种相当近似的理论。学相互作用的运动学理论只能是一种相当近似的理论。 运动学理论所包含的基本近似是：运动学理论所包含的基本近似是： 1 1）入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射；）入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射； 2 2）入射电子波在样品内传播的过程中，强度的衰减可）入射电子波在样品内传播的过程中，强度的衰减可以忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很以忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很小的。小的。 实验中的两个先

42、决条件实验中的两个先决条件 结合晶体薄膜样品的透射电子显微分析的具结合晶体薄膜样品的透射电子显微分析的具体情况，我们可以通过以下两条途径近似地体情况，我们可以通过以下两条途径近似地满足运动学理论基本假设所要求的实验条件：满足运动学理论基本假设所要求的实验条件： （1 1）采用）采用足够薄的样品足够薄的样品，使入射电子受到多，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。同时次散射的机会减少到可以忽略的程度。同时由于参与散射作用的原子不多，衍射波强度由于参与散射作用的原子不多，衍射波强度也较弱；也较弱； （2 2）或者让衍射晶面处于足够偏离布喇格条）或者让衍射晶面处于足够偏离布喇格条件的位向

43、，即存在件的位向，即存在较大的偏离参量较大的偏离参量S S，此时衍，此时衍射波强度较弱。正是由于我们采用较薄的样射波强度较弱。正是由于我们采用较薄的样品，由非弹性散射引起吸收效应一般也不必品，由非弹性散射引起吸收效应一般也不必在运动学理论中加以认真的考虑。在运动学理论中加以认真的考虑。 两个基本假设两个基本假设 为了进一步简化衍衬图像衬为了进一步简化衍衬图像衬度的计算，我们还必须引入度的计算，我们还必须引入两个近似的处理方法。两个近似的处理方法。 首先，我们通常仅限于在首先，我们通常仅限于在“双光束条件双光束条件”下进行讨论下进行讨论 样品平面内位于座标（样品平面内位于座标（x x，y y）处

44、、高度等于厚度）处、高度等于厚度t t、截面足够小的一个晶体柱内截面足够小的一个晶体柱内原子或晶胞的散射振幅叠加原子或晶胞的散射振幅叠加而得。而得。 该柱体外的散射波并不影响该柱体外的散射波并不影响g g，这叫做，这叫做“柱体近似柱体近似”。 2 2理想晶体的衍射强度理想晶体的衍射强度 考虑图考虑图7-107-10所示的厚度为所示的厚度为t t完整晶体内晶柱完整晶体内晶柱OAOA所产所产生的衍射强度。首先要计算出柱体下表面处的衍射生的衍射强度。首先要计算出柱体下表面处的衍射波振幅波振幅g g，由此可求得衍射强度。晶体下表面的衍，由此可求得衍射强度。晶体下表面的衍射振幅等于上表面到下表面各层原子

45、面在衍射方向射振幅等于上表面到下表面各层原子面在衍射方向kk上的衍射波振幅叠加的总和，考虑到各层原子面上的衍射波振幅叠加的总和，考虑到各层原子面衍射波振幅的相位变化，则可得到衍射波振幅的相位变化，则可得到g g的表达式如下的表达式如下 （7-1） = 式中，式中， 是是r r处原子面散射波相对于处原子面散射波相对于晶体上表面位置散射波的相位角差晶体上表面位置散射波的相位角差 rKieFingg 2cos柱体ieFing柱体cosrKi 2消光距离消光距离gg 引入消光距离引入消光距离 则得到则得到 gg是衍衬理论中一是衍衬理论中一个重要的参数，表个重要的参数，表示在精确符合布拉示在精确符合布拉

46、格条件时透射波与格条件时透射波与衍射波之间能量交衍射波之间能量交换或强度振荡的深换或强度振荡的深度周期。度周期。 gnFdgcosieigg柱体衍射波振幅与强度衍射波振幅与强度 考虑到在偏离布拉格条件时（图考虑到在偏离布拉格条件时（图7-10b7-10b），衍射矢），衍射矢量量KK为为K=k+k=g+sK=k+k=g+s故相位角可表示如下故相位角可表示如下: : = = = = 其中其中g gr=r=整整数（因为数（因为g=hag=ha* *+kb+kb* *+lc+lc* *，而，而r r必为点阵平移矢量的必为点阵平移矢量的整数倍，可以写成整数倍，可以写成r=ua+vb+wcr=ua+vb+

47、wc），），s/r/zs/r/z。且。且r=zr=z，于是有于是有: : 整理整理, ,积分得积分得: : 衍射波振幅衍射波振幅: : 衍射波强度衍射波强度: :rKi 2rs2sz2dziszidzisziggg)2(exp)2exp(柱体柱体istggessti)sin(2222)()(sin)(*stsIgggg3 3缺陷晶体的衍射强度缺陷晶体的衍射强度 与理想晶体相比，不论是何种类型与理想晶体相比，不论是何种类型缺陷的存在，都会引起缺陷附近某缺陷的存在，都会引起缺陷附近某个区域内点阵发生畸变。此时，图个区域内点阵发生畸变。此时，图7-107-10中的晶柱在中的晶柱在OAOA也将发生某种

48、畸也将发生某种畸变，柱体内位于变，柱体内位于z z深度处的体积元深度处的体积元dzdz因受缺陷的影响发生位移因受缺陷的影响发生位移R R，其坐标，其坐标矢量由理想位置的矢量由理想位置的r r变为变为rr： r= r+R r= r+R （7-67-6） 显然，当考虑样品平面内一个确定显然，当考虑样品平面内一个确定位置（位置（x , yx , y）的物点处的晶体柱）的物点处的晶体柱时，时，R R仅是深度仅是深度z z的函数；在一般情的函数；在一般情况下，况下，R R当然也与柱体离开缺陷的位当然也与柱体离开缺陷的位置有关。置有关。至于至于R R（z z）函数的具体形）函数的具体形式，因缺陷的类型而异

49、。式，因缺陷的类型而异。缺陷晶体的衍射强度缺陷晶体的衍射强度 晶体柱发生畸变后，位于晶体柱发生畸变后，位于rr处的体积元处的体积元dzdz的散射振的散射振幅为幅为 = = = = 因为因为g ghklhklr r等于整数，等于整数，s sR R数数值很小，有时值很小，有时s s和和R R接近垂接近垂直可以略去，又因直可以略去，又因s s和和R R接接近平行，故近平行，故s sR=srR=sr，所以，所以 = = 据此，式（据此，式（7-77-7）可改为）可改为 令令 =2ghkl=2ghklR R 与理想晶体相比，可发现与理想晶体相比，可发现缺陷晶体附近的点阵畸变缺陷晶体附近的点阵畸变范围内范

50、围内衍射振幅的表达式衍射振幅的表达式中出现了一个附加位相角中出现了一个附加位相角=2g=2gR R。 柱体iggeiie)()(2Rrsgilhke)(2RsRlgrsrgihkhkleieRigisrhklee22柱体)22(Rgsrihkleigg柱体)(ieigg缺陷的衬度缺陷的衬度 一般地说，附加位相因子一般地说，附加位相因子e e-i-i =2g=2gR R。引入将使引入将使缺陷附近物点的衍射强度有别于无缺陷的区域，从而使缺陷附近物点的衍射强度有别于无缺陷的区域，从而使缺陷在衍衬图像中产生相应的衬度。缺陷在衍衬图像中产生相应的衬度。 对于给定的缺陷，对于给定的缺陷，R R（x,y,z

51、x,y,z）是确定的；）是确定的；g g是用以获得是用以获得衍射衬度的某一发生强烈衍射的晶面倒易矢量，即操作衍射衬度的某一发生强烈衍射的晶面倒易矢量，即操作反射。通过样品台的倾转，选用不同的反射。通过样品台的倾转，选用不同的g g成像，同一缺成像，同一缺陷将呈现不同的衬度特征。如果陷将呈现不同的衬度特征。如果 g g R= R=整数整数 (0,1,2,(0,1,2, ) ) （7-107-10） 则则e e-i-i=1=1， ( (=2=2的整数倍。的整数倍。) )此时缺陷的衬度将消此时缺陷的衬度将消失，即在图像中缺陷不可见。失，即在图像中缺陷不可见。 如果如果g g R R 整数整数 , ,

52、则则e e-i-i11， ( ( 2 2的整数的整数倍。倍。) )此时缺陷的衬度将出现，即在图像中缺陷可见。此时缺陷的衬度将出现，即在图像中缺陷可见。 由式（由式（7-107-10）所表示的）所表示的“不可见性判据不可见性判据”，是衍衬分是衍衬分析中用以鉴定缺陷的性质并测定缺陷的特征参量的重要析中用以鉴定缺陷的性质并测定缺陷的特征参量的重要依据和出发点。依据和出发点。 衍衬图像的基本特征衍衬图像的基本特征等厚条纹和等倾条纹 当操作反射的偏离参量s恒定时,强度 衍射强度将随样品的厚度t发生周期性的震荡，其深度或厚度周期为 tg=1/s 当试样厚度t恒定时,强度 衍射强度也将发生周期性震荡：震荡周

53、期为 sg=1/t )(sin)(sin)(1222ststsgIg2222222)()(sin)()(sinststststtIgg等厚条纹和等倾条纹等厚条纹和等倾条纹 晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度 等厚条纹衬度不只出现在楔形等厚条纹衬度不只出现在楔形边缘等厚度发生变化的地方，边缘等厚度发生变化的地方，两块晶体之间倾斜于薄膜表面两块晶体之间倾斜于薄膜表面的界面上，例如晶界、孪晶界的界面上，例如晶界、孪晶界和相界面，也常常可以观察到。和相界面，也常常可以观察到。晶界和相界的衬度晶界和相界的衬度 这是因为此类界面两侧的晶体由于位向不同，或者还由于点阵这是因为此类界面两侧的晶体由于位向不同，或

54、者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件不可能是完全相同的，也可能是处于无强衍射的情况，那么这不可能是完全相同的，也可能是处于无强衍射的情况，那么这另一边的晶体只相当于一个另一边的晶体只相当于一个“空洞空洞”，等厚条纹将由此而产生。，等厚条纹将由此而产生。 当然，如果倾动样品，不同晶粒或相区之间的衍射条件会跟着当然，如果倾动样品，不同晶粒或相区之间的衍射条件会跟着变化，相互之间亮度差别也会变化，因为那另一边的晶体毕竟变化，相互之间亮度差别也会变化，因为那另一边的晶体毕竟并不是真正的孔洞。并不是真正的孔洞。 堆垛层镜

55、的衬度堆垛层镜的衬度 层错是晶体中最简单的平面型缺陷，是晶体内层错是晶体中最简单的平面型缺陷，是晶体内局部区域原子面的堆垛顺序发生了差错，即层局部区域原子面的堆垛顺序发生了差错，即层错面两侧的晶体发生了相对位移错面两侧的晶体发生了相对位移R R。 所以，层错总是发生在密排的晶体学平面上，所以，层错总是发生在密排的晶体学平面上，典型的如面心立方晶体的典型的如面心立方晶体的111111平面上，层错面平面上，层错面两侧分别是位向相同的两块理想晶体。两侧分别是位向相同的两块理想晶体。 对于面心立方晶体的对于面心立方晶体的111111层错，层错，R R可以是可以是1/31/3111111或者或者 1/6

56、 1/6112112，它们分别代表着，它们分别代表着层错生成的两种机制。层错生成的两种机制。 堆垛层镜的衬度堆垛层镜的衬度 在衍衬成像条件下，层错区域内的晶体柱被层错面在衍衬成像条件下，层错区域内的晶体柱被层错面分割成两部分，下部晶体相对于上部晶体存在整体分割成两部分，下部晶体相对于上部晶体存在整体的位移的位移R R。根据式（。根据式（7-87-8），可以计算下部晶体的），可以计算下部晶体的附加位相角附加位相角=2g=2gR R，如果把，如果把R R 1/31/3111111或或者者 1/6 1/6112112代入，可得代入，可得 或者或者 考虑到面心立方晶体的操作反射g为hkl全奇或全偶，则

57、只有0、和2/32/3三种可能的值。 显然，显然， 当当=0=0时，层错将不显示衬度，即不可见；时，层错将不显示衬度，即不可见； 而当而当= 2/32/3时，将在图像中观察到它们的衬时，将在图像中观察到它们的衬度度 )(32lkh)2(62lkh堆垛层镜的衬度堆垛层镜的衬度 尽管也有层错面正好与薄膜的上、下表面平行的特殊情况，尽管也有层错面正好与薄膜的上、下表面平行的特殊情况，此时如果附加位相角此时如果附加位相角00，层错所在的区域会有不同于无，层错所在的区域会有不同于无层错区域的亮度；层错区域的亮度； 更经常遇到更经常遇到倾斜于薄膜表面的层错倾斜于薄膜表面的层错，见图，见图7-147-14，

58、在，在00的的条件下，表现为平行于层错面与薄膜上、下表现交线的亮条件下，表现为平行于层错面与薄膜上、下表现交线的亮暗相间条纹，其衬度机理可简单说明如下。暗相间条纹，其衬度机理可简单说明如下。 柱体柱体OAOA被层错面分割为上、下两部分，被层错面分割为上、下两部分，OS=tOS=t1 1和和SA=tSA=t2 2（薄（薄膜总厚度膜总厚度t =tt =t1 1+ t+ t2 2），在层错面处下部晶体整体位移），在层错面处下部晶体整体位移R R。当当t t1 1=ntg=n/s=ntg=n/s时，合成振幅与无层错区域的理想晶体柱没时，合成振幅与无层错区域的理想晶体柱没有差别，而在有差别，而在t1n/

59、st1n/s处，合成振幅发生变化，从而形成了处，合成振幅发生变化，从而形成了与孪晶界等厚条纹十分相似的规则平行亮暗条纹；与孪晶界等厚条纹十分相似的规则平行亮暗条纹； 因为层错面两侧晶体取向相同，两侧像亮度即使在样品倾因为层错面两侧晶体取向相同，两侧像亮度即使在样品倾转时也始终保持一致，可以与孪晶界条纹衬度加以区别。转时也始终保持一致，可以与孪晶界条纹衬度加以区别。 堆垛层镜的衬度堆垛层镜的衬度 倾斜于薄膜表面的层错，见图倾斜于薄膜表面的层错，见图7-147-14，在在00的条件下，表现为平行于的条件下，表现为平行于层错面与薄膜上、下表现交线的亮层错面与薄膜上、下表现交线的亮暗相间条纹暗相间条纹

60、条纹衬度特征比较条纹衬度特征比较界面条纹界面条纹平行线平行线 非直线非直线 间距不等间距不等孪晶条纹孪晶条纹平行线平行线 直线直线 间距不等间距不等层错条纹层错条纹平行线平行线 直线直线 间距相等间距相等四、位错的衬度四、位错的衬度 非完整晶体衍射衬运动学非完整晶体衍射衬运动学基本方程可以很清楚地用基本方程可以很清楚地用来说明螺位错线的成像原来说明螺位错线的成像原因。因。 图图7-157-15是一条和薄晶体表是一条和薄晶体表面平行的螺型位错线，螺面平行的螺型位错线，螺型位错线附近有应变场，型位错线附近有应变场，使晶体使晶体PQPQ畸变成畸变成P PQ Q。 根据螺型位错线周围原子根据螺型位错线