现代材料分析方法：晶体缺陷的电子衍衬分析

晶体缺陷的电子衍衬分析

1、晶体中的位错与层错位错(Dislocation)于1934年泰勒(G.I.Taylor)提出：

柏氏矢量

b,位错线方向u

刃位错：b⊥u

螺位错：b∥

u

混合位错：b与u成任意角度面心立方及其位错：刃位错、层错B.Q.Li,PseudoelasticstackingfaultanddeformationtwinninginnanocrystallineNi,2010L.Bragg(junior,inCavendishlab),ADynamicalModelofaCrystalStructure,1947NiBubbles1、晶体中的位错与层错实际晶体中的位错类型决定于晶体结构和能量条件。由于单位长度位错线的应变能正比于b2，因此能量稳定的b应是最近邻的两个原子间距，亦即最短的平移矢量。这种能量上稳定的位错称为全位错，其b总是从原子的一个平衡位置指向另一个平衡位置。区别于全位错，能量较高、不太稳定的位错是不全位错，或称为“部分位错”。不全位错的柏氏矢量不是晶体点阵周期的整数倍。1、晶体中的位错与层错1、晶体中的位错与层错全位错分解、层错、扩展位错：许多金属材料在生长过程或外力作用下，可以发生不同于正常排列顺序的一种错排，形成面缺陷，成为层错。1、晶体中的位错与层错面心立方金属中的全位错与不全位错：(汤普森(Tompson)作图法)1、晶体中的位错与层错全位错分解、层错、扩展位错：层错的形成总是和位错的分解反应直接相关，全位错分解为不全位错，不全位错正是层错和完整晶体的边界。通常把不全位错和它们之间的层错通称为扩展位错。面心立方晶体中的层错与扩展位错面心立方：全位错柏氏矢量：

1/2<110>不全位错的柏氏矢量：

1/6<211>位错衬度分析：扩展位错分析一、层错衬度分析

堆垛层错是最简单的平面型缺陷。层错发生在确定的晶面上，并且层错面上、下方分别是相位相同的两块理想晶体，但下方晶体相当于上方晶体存在一个恒定的位移R。例如，在FCC中，层错面为{111}，其位移矢量或，层错可以通过以下五种途径形成，以{111}中的(111)面为例：缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

抽出一层(111)原子面，抽出后原子堆垛顺序发生变化，被抽出处形成一个层错，一般约定：原子面ABCABC···正常顺序排列为正排，以倒三角形表示；若顺序颠倒称为反排，以正三角形表示。因此未发生层错(即理想晶体)时，记作

当抽出一层(111)面原子层后，在正排顺序中，必夹有一个反排，记作ABCABC…

ACABC…

这时位移矢量变化为，称为内禀层错(与插入两层相同)。当插入一层(111)面原子层后，在排列顺序中必出现两个反排，记作此时位移矢量，称为外禀层错。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

ABACABC…

内禀层错ABACABC…外禀层错

缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

ACABC

…

归纳上述层错产生的途径，不仅过程不同，而且层错周围围绕的不全位错(偏位错)也不相同。如抽出、插入型，其周边为Frank位错，而切变滑移型的周边是柏氏矢量不同的Shokley不全位错。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

缺陷晶体衍射波合波的振幅为缺陷晶体衍射波合成振幅为不完整晶体中衍衬像运动学理论是研究缺陷衬度的一个非常重要的参数不完整晶体中衍衬像运动学理论两种不同类型引起的相位角变化是不同的，但在同一种内禀层错类型中，不同位移矢量引起的相位角的变化是相同的。例如：对于(hkl)操作反射：对对缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

两者位相差为：因为面心立方晶体产生衍射的条件为h,k,l为全奇或全偶，所以两者相位差是π的偶数倍，对层错衬度无影响。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

(1)平行于薄膜表面的层错设在厚度为t的薄膜内存在平行于表面的层错CD，它与上、下表面的距离分别为t1和t2，对于无层错区域(OQ)，衍射振幅为而在存在层错区域(OQ’)，衍射振幅则为：缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

显然，在一般情况下，衍射图像存在层错的区域将与无层错区域出现不同的亮度，即构成了衬度，层错区显示为均匀的亮区或暗区。(2)倾斜于薄膜表面的层错薄膜内存在倾斜于表面的层错，它与上、下表面的交线分别为T和B。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

此时层错区域内的衍射振幅但在该区域内的不同位置，晶体柱上、下两部分的厚度t1和t2=t-t1是逐点变化的，不难想像，Ig将随t1厚度的变化产生周期性的振荡，同时，层错面在试样中同一深度z处，Ig相同。因此，层错衍衬像表现为平行于层错面迹线的明暗相间的条纹。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

层错衍衬像

(3)内禀层错中和型层错的鉴别根据层错条纹衬度是否出现或消失，无法判别内禀层错中不同位移性质的层错，因此，我们必须进一步确定层错边界的不全位错布氏矢量。在弹性各向同性的面心立方晶体中，不全位错的实际不可见条件为：

g·b=0和g·b=±1/3（不全位错不可见）；而g·b=±2/3，±4/3（不全位错可见）。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

FCC(111)面上不全位错和的g·b值对于和类型层错，可选择两个或以上合适的g成像，有其中的一个g使它们层错边界的不全位错不同时出现或消失即可判别。如：采用g＝200成像，中和不全位错均出现，再用g=成像，若不全位错仍可见，必为；若不全位错不可见，则为。缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

(4)(111)面上不全位错的鉴别位错反应左不全位错右不全位错+1/3+2/311-1/3+1/3-10-1/3-4/30-1层错衬度示意图衬度说明层错可见；仅一侧不全位错可见层错不可见；左右位错均可见层错可见；不全位错均不可见仅左不全位错可见层错可见；一侧位错可见层错不可见；一侧位错可见缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

层错衍衬像

的层错明场像和暗场像缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

孪晶界面等厚条纹缺陷晶体衍衬的运动学理论及其应用

条纹衬度特征比较界面条纹平行线非直线间距不等孪晶条纹平行线直