薄膜透射显微分析.pptx

2024/4/17 2024/4/17 周三周三第十一章第十一章 薄膜的透射电子显微分析薄膜的透射电子显微分析o1.1.衍衬成象原理衍衬成象原理o2.2.衍衬象运动理论的基本假设衍衬象运动理论的基本假设o3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释o4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三1.1.衍衬成象原理衍衬成象原理u衍射衬度形成机理衍射衬度形成机理衍射衬度衍射衬度-来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异（如下图）。衍射衬度像基本类型：衍射衬度像基本类型：明场像：明场像：采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通透射束通 过而得到图象衬度的方法过而得到图象衬度的方法称为明场成像，所称为明场成像，所 得的图象称为明场像。得的图象称为明场像。暗场像：暗场像：偏心暗场像偏心暗场像 中心暗场像中心暗场像-用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让一用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让一束强束强衍射束通过光栏参与成像的方法衍射束通过光栏参与成像的方法，称为暗场成像，称为暗场成像，所得图象为暗场像。所得图象为暗场像。2024/4/17 2024/4/17 周三周三1.1.衍衬成象原理衍衬成象原理反差为：反差为：I IA A/I/IB B2024/4/17 2024/4/17 周三周三2.2.衍衬象运动理论的基本假设衍衬象运动理论的基本假设 衍衬衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度的反映。为了简化，需做必要的假定。1.1.采用双束近似处理方法，即所谓的采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件双光束条件”除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，故称双光成象。故称双光成象。这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。这在入射电子束波这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。这在入射电子束波长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。因为波长短，球面半长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。因为波长短，球面半径径1/1/大，垂直于入射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的大，垂直于入射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的“倒易杆倒易杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍然可以在不严效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍然可以在不严格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于准确得布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量准确得布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量S S，S S表示倒易点偏离表示倒易点偏离反射球的程度，或反映偏离布拉格角反射球的程度，或反映偏离布拉格角2 2的程度。的程度。基本假设包括下列四点：基本假设包括下列四点：2024/4/17 2024/4/17 周三周三2.2.入射束与衍射束不存在相互作用，二者之间无能量交换。入射束与衍射束不存在相互作用，二者之间无能量交换。3.3.假设电子束在晶体试样内多次反射与吸收可以忽略不计。假设电子束在晶体试样内多次反射与吸收可以忽略不计。4.4.假设相邻两入射束之间没有相互作用，每一入射束范围可以看作假设相邻两入射束之间没有相互作用，每一入射束范围可以看作在一个圆柱体内，只考虑沿柱体轴向上的衍射强度的变化，认为在一个圆柱体内，只考虑沿柱体轴向上的衍射强度的变化，认为dxdx、dydy方向的位移对布拉格反射不起作用，即对衍射无贡献。方向的位移对布拉格反射不起作用，即对衍射无贡献。这这样变三维情况为一维情况，这在晶体很薄，且布拉格反射角样变三维情况为一维情况，这在晶体很薄，且布拉格反射角2 2很小的情况下也是符合实际的。根据布拉格反射定律，这个柱体很小的情况下也是符合实际的。根据布拉格反射定律，这个柱体截向直径近似为：截向直径近似为：Dt Dt 2 2，t t为试样厚度。为试样厚度。设设t=1000t=1000，1010-2-2弧度，则弧度，则D=20 D=20，也就是说，柱体内的电子束对范围超过，也就是说，柱体内的电子束对范围超过20 20 以外的电子不产生影响。若把整个晶体表面分成很多直径以外的电子不产生影响。若把整个晶体表面分成很多直径为为20 20 左右的截向，则形成很多很多柱体。计算每个柱体下表左右的截向，则形成很多很多柱体。计算每个柱体下表面的衍射强度，汇合一起就组成一幅由各柱体衍射强度组成的衍面的衍射强度，汇合一起就组成一幅由各柱体衍射强度组成的衍衬象，这样处理问题的方法，称为衬象，这样处理问题的方法，称为柱体近似柱体近似。2.2.衍衬象运动理论的基本假设衍衬象运动理论的基本假设2024/4/17 2024/4/17 周三周三意义：意义：（1 1）当试样厚度）当试样厚度 t t 一定，衍射强一定，衍射强度随偏离矢量度随偏离矢量 s s 值呈周期变化，值呈周期变化，其振荡周期为其振荡周期为s=1/ts=1/t。s=N/ts=N/t，N N为为非非0 0整数时，整数时，Ig=0Ig=0 N N为为1/2+1/2+整数时，整数时，I Ig g为峰值，为峰值，但随但随s s的增大，强度逐渐衰的增大，强度逐渐衰减，减，s=0s=0（即（即N=0N=0）处，）处，I Ig g有最大值有最大值，t t常数，衍射强度随常数，衍射强度随s s变化变化u 完整晶体的电子衍强度公式完整晶体的电子衍强度公式 3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三（2 2）若偏离矢量）若偏离矢量S S值不变，衍值不变，衍 射强度测随样品厚度射强度测随样品厚度 t t而而呈周期变化，振荡周期为呈周期变化，振荡周期为1/S1/S。t=N/st=N/s，当当N N为正整数时为正整数时I Ig g=0=0，N N为正整数加为正整数加1/21/2时，时，I Ig g极大极大值。值。1/s/s/stgs s常数时，衍射强度随常数时，衍射强度随t t变化变化3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释当衍射晶面偏离矢量S保持恒定，则衍射强度：I Ig gSinSin2 2(ts)/(sts)/(s g g)2 2u常见象（常见象（1 1）等厚条纹等厚条纹2024/4/17 2024/4/17 周三周三u常见象（常见象（2 2）倾斜晶界倾斜晶界3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释倾斜晶界可利用等厚条纹原理来分析倾斜晶界可利用等厚条纹原理来分析2024/4/17 2024/4/17 周三周三3.3.完整晶体衍射运动学解释完整晶体衍射运动学解释u 常见象（常见象（3 3）等倾条纹等倾条纹-又叫弯曲消光条纹，是由于制样或过热造成平又叫弯曲消光条纹，是由于制样或过热造成平整试样弯曲，隆起或凹陷所形成的一种附加条纹。整试样弯曲，隆起或凹陷所形成的一种附加条纹。当试样厚度保持恒定，对于弯曲晶体：当试样厚度保持恒定，对于弯曲晶体：I Ig g（t)t)2 2 SinSin2 2(ts)/ts)/g g2 2(ts)ts)2 22024/4/17 2024/4/17 周三周三u不完整晶体及其对衍射强度的影响不完整晶体及其对衍射强度的影响 在实际中，由于熔炼，加工和热处理等原因，晶体或多或少在实际中，由于熔炼，加工和热处理等原因，晶体或多或少存在着不完整性，并且较复杂。存在着不完整性，并且较复杂。不完整性包括三个方向：不完整性包括三个方向：1)1)由于晶体取向关系的改变而引起的不完整性，由于晶体取向关系的改变而引起的不完整性，例如晶界、例如晶界、孪晶界、沉淀物与基体界向等等。孪晶界、沉淀物与基体界向等等。2)2)晶体缺陷引起，晶体缺陷引起，主要有关缺陷（空穴与间隙原子），线缺主要有关缺陷（空穴与间隙原子），线缺陷（位错）、面缺陷（层错）及体缺陷（偏析，二相粒子，空洞陷（位错）、面缺陷（层错）及体缺陷（偏析，二相粒子，空洞等）。等）。3)3)相转变引起的晶体不完整性：相转变引起的晶体不完整性：成分不变组织不变成分不变组织不变（spinodalsspinodals）；）；组织改变成分不变（马氏体相变）；组织改变成分不变（马氏体相变）；相界面相界面（共格、半共格、非共格），具有以上不完整性的晶体，称为不（共格、半共格、非共格），具有以上不完整性的晶体，称为不完整晶体。完整晶体。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 由于各种缺陷的存在，改变了完整晶体中原由于各种缺陷的存在，改变了完整晶体中原子的正常排列情况，使的晶体中某一区域的原子子的正常排列情况，使的晶体中某一区域的原子偏离了原来正常位置而产生了畸变，这种畸变使偏离了原来正常位置而产生了畸变，这种畸变使缺陷处晶面与电子束的相对位相发生了改变，它缺陷处晶面与电子束的相对位相发生了改变，它与完整晶体比较，其满足布拉格条件就不一样，与完整晶体比较，其满足布拉格条件就不一样，因而造成了有缺陷区域与无缺陷的完整区域的衍因而造成了有缺陷区域与无缺陷的完整区域的衍射强度的差异，从而产生了衬度。根据这种衬度射强度的差异，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。效应。人们可以判断晶体内存在什么缺陷和相变。我们首先一般性的讨论当晶体存在缺陷时衍我们首先一般性的讨论当晶体存在缺陷时衍射强度的影响，然后再对不同缺陷的具体影响进射强度的影响，然后再对不同缺陷的具体影响进行分析。行分析。与理想晶体比较，不论是何种晶体缺陷的存与理想晶体比较，不论是何种晶体缺陷的存在，都会引起缺陷附近某个区域内点阵发生畸变，在，都会引起缺陷附近某个区域内点阵发生畸变，如果我们仍然采用柱体近似的方法，则相应的晶如果我们仍然采用柱体近似的方法，则相应的晶体柱也将发生某种畸变，如图所示。体柱也将发生某种畸变，如图所示。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 此时，柱体内深度此时，柱体内深度t t处的厚度元处的厚度元dt dt 因受缺陷的影响发因受缺陷的影响发生位移生位移R R,其坐标矢量由理想位置的其坐标矢量由理想位置的R Rn n变为变为R Rn n：R Rn n=R Rn n+R R 所以，非完整晶体的衍射波合波的振幅为：所以，非完整晶体的衍射波合波的振幅为：A=FA=Fn ne e-2i-2ikkRn Rn e e-2i-2ikkRn Rn=e=e-2i(-2i(g g+s s)(R Rn+n+R)R)=e =e-2i(-2i(g gR Rn+n+s sR Rn+n+g gR+sR+sR R)gRn n=整数整数，s sR R 很小，忽略很小，忽略，s sR Rn n=st=st 4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 A=FA=Fn n e e-2i-2ikkRnRn=F Fn n e e-2ist-2ist e e-2i-2ig gR R 与理想晶体的振幅与理想晶体的振幅=F=F n n e e-2i sz-2i sz相比较，我们发现相比较，我们发现由于晶体的不完整性，衍射振幅的表达式内出现了一个附由于晶体的不完整性，衍射振幅的表达式内出现了一个附加因子加因子e e-2i-2i g g R R 。令令=2=2g g R R ，即有一个附加因子，即有一个附加因子e e-i-i，亦即，亦即附加附加位相角位相角=2=2g g R R 。所以一般的说，附加位相因子所以一般的说，附加位相因子e e-i-i的引入将使缺陷附的引入将使缺陷附近点阵发生畸变的区域（应变场）内的衍射强度有利于无近点阵发生畸变的区域（应变场）内的衍射强度有利于无缺陷的区域（相当与理想晶体）从而在衍射图象中获得相缺陷的区域（相当与理想晶体）从而在衍射图象中获得相应的衬度。应的衬度。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 对于给定缺陷，对于给定缺陷，R是确定的，选用不同的是确定的，选用不同的g成象同一缺陷将出现不同成象同一缺陷将出现不同的衬度特征。的衬度特征。如果如果g gR R=n=n，n=0,1,2,3,n=0,1,2,3,则则e e-i-i=1=1，此时缺陷衬度将消失，此时缺陷衬度将消失，即在图象中缺陷不可见。即在图象中缺陷不可见。如果如果g gR R=1/n=1/n，n0,1,2,3,n0,1,2,3,则则e e-i -i 1 1，此时缺陷将显示此时缺陷将显示衬度。衬度。显然，不同的晶体缺陷引起完整晶体畸变不同，即显然，不同的晶体缺陷引起完整晶体畸变不同，即R存在差异，因而存在差异，因而相位差又不同，产生的衍衬象也不同。相位差又不同，产生的衍衬象也不同。gRgR=0=0在衍衬分析中具有重要意义，它表明缺陷虽然存在，但由于在衍衬分析中具有重要意义，它表明缺陷虽然存在，但由于操作反射矢量操作反射矢量g与点阵位移矢量与点阵位移矢量R垂直，缺陷不能成象，垂直，缺陷不能成象，常称常称g gR R=0=0为缺陷的为缺陷的“不可见性判据不可见性判据”它是缺陷晶体学定量分析的重要依据和出发点，有很大用途，例如，它是缺陷晶体学定量分析的重要依据和出发点，有很大用途，例如，可以利用它来确定位错的柏氏矢量可以利用它来确定位错的柏氏矢量b b。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三u堆垛层错衍衬象堆垛层错衍衬象4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 堆垛层错是最简单的面缺陷，层错发生在确定的晶面上堆垛层错是最简单的面缺陷，层错发生在确定的晶面上,层错面上、下方是位向相同的两块理想晶体，但下方晶体层错面上、下方是位向相同的两块理想晶体，但下方晶体相对于上方晶体存在一个恒定的位移相对于上方晶体存在一个恒定的位移R R,如在面心立方晶体如在面心立方晶体中，中，层错面为层错面为111111，其位移矢量其位移矢量R R=1/31/3111111或或1/6 1/6 112112。对于对于R=R=1/6 1121/6 112的层错的层错:=2=2gR=2(h=2(ha+k+kb+l+lc)(a+b+c)/6)/6 =(h+k+2l)/3 =(h+k+2l)/3 面心立方晶体衍射晶面的面心立方晶体衍射晶面的h,k,lh,k,l为全奇或全偶为全奇或全偶,只只可能是可能是0,2,0,2,或或2/3,2/3,如果选如果选g=111111或或311311等等,层错将层错将不显示衬度不显示衬度;但若但若g为为200,-200200,-200等等,=2/3,=2/3,可以观可以观察到这种缺陷。察到这种缺陷。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 下面以下面以=-2/3-2/3（-120-120）为例，说明层错衬度）为例，说明层错衬度的一般特征。的一般特征。设薄膜内存在倾斜于表面的层错，它与上、下表面设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的交线分别为B B和和A A，此时，层错区域内的衍射振幅可由，此时，层错区域内的衍射振幅可由下式表示：下式表示：AA(t)(t)=0 0t1 t1 e e-2 ist-2 ist+t1t1t2 t2 e e-2ist-2ist e e-it-itdtdt =0 0t1 t1 e e-2ist-2ist+e+e-it-itt1t1t2t2e e-2 ist-2 ist dt dt 一般情况下，一般情况下，A(t)A(t)=A A(t)(t)在振幅位相图中，无层错区在振幅位相图中，无层错区A(t)=A(tA(t)=A(t1 1)+A(t)+A(t2 2)。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 对于层错区域，晶体柱在对于层错区域，晶体柱在m m位置（相当于位置（相当于t t1 1深度）发生深度）发生=-2-2/3/3的位向角突变，所以下部分晶体厚度元的散射波振幅的位向角突变，所以下部分晶体厚度元的散射波振幅将在第一个以将在第一个以O O2 2为圆心的圆周上移动到为圆心的圆周上移动到，其半径仍为（，其半径仍为（2 2 s)s)-1-1,于是它的合成振幅于是它的合成振幅A(t)=A(tA(t)=A(t1 1)+A(t)+A(t2 2)。从圆面看出虽然从圆面看出虽然A(t)A(t)=A A(t)(t),但但A(t)A(t)A(t),A(t),此时存在衬度差别此时存在衬度差别.如果如果t t1 1=n/s,A(t)=A(t)=n/s,A(t)=A(t)亮度与无层错区域相同亮度与无层错区域相同.如果如果t t1 1=(n+1/2)/s,=(n+1/2)/s,则则A(t)A(t)为最大或最小为最大或最小,可能大于可能大于,也可也可能小于能小于A(t).A(t).但肯定不等于但肯定不等于A(t).A(t).基于上面的分析基于上面的分析.运动学理论运动学理论告诉我们告诉我们:倾斜于薄膜表面的堆垛层错倾斜于薄膜表面的堆垛层错,显示为平行于层错上显示为平行于层错上 下表面交线的亮暗条纹其深度周期也为下表面交线的亮暗条纹其深度周期也为t t g g=1/s.=1/s.4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三2024/4/17 2024/4/17 周三周三4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三u位错引起的衬度位错引起的衬度位错时晶体中原子排列的一种特殊组态位错时晶体中原子排列的一种特殊组态,处于位错附近的原子偏离正处于位错附近的原子偏离正常位置而产生畸变常位置而产生畸变,但这种畸变与层错情况不同但这种畸变与层错情况不同.位错周围应变场的位错周围应变场的变化引入的附加相位角因子是位移偏量变化引入的附加相位角因子是位移偏量R R的连续分布函数的连续分布函数,而层错则而层错则是不连续的是不连续的,例如层错例如层错111/3111/3型型,=0,2,2/3.0,2,2/3.而位错线而位错线的的值值,则随着离位错线的距离不同而连续变化。则随着离位错线的距离不同而连续变化。位错线有刃位错和螺旋位错两种位错线有刃位错和螺旋位错两种,刃位错的柏氏矢量刃位错的柏氏矢量b与位错线垂直与位错线垂直,螺旋位错则相互平行它们都是直线。但由于刃型位错和螺旋位错螺旋位错则相互平行它们都是直线。但由于刃型位错和螺旋位错合成的混合位错合成的混合位错,其柏氏矢量与位错线成某以角度其柏氏矢量与位错线成某以角度,形态为曲线。形态为曲线。实实际观察到的多为曲线型混合位错。际观察到的多为曲线型混合位错。不管是何种类型的位错不管是何种类型的位错,都会引起在它附近的某些晶面的转动方向相都会引起在它附近的某些晶面的转动方向相反反,且离位错线愈远且离位错线愈远,转动量愈小。如果采用这些畸变的晶面作为操转动量愈小。如果采用这些畸变的晶面作为操作反射作反射,则衍射强度将受到影响则衍射强度将受到影响,产生衬度。位错结构参看图。产生衬度。位错结构参看图。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三 在这里在这里,定性的讨论位错线衬度定性的讨论位错线衬度的产生及其特征的产生及其特征。参看右图参看右图。位错线像总是出现在它的实际位位错线像总是出现在它的实际位置的一侧或另一侧置的一侧或另一侧,说明其衬度本质说明其衬度本质上是上是由位错附近的点阵畸变所产生由位错附近的点阵畸变所产生的的,叫做叫做“应变场衬度应变场衬度”。由于附近的偏差由于附近的偏差SS随离开位错中随离开位错中心的距离而逐渐变化心的距离而逐渐变化,使位错线像总使位错线像总是有一定的宽度是有一定的宽度(一般在一般在3030100100左左右右)。尽管严格来说尽管严格来说,位错是一条几何意位错是一条几何意义上的线义上的线,但用来观察位错的电子显但用来观察位错的电子显微镜却并不必须具有极高的分辨本微镜却并不必须具有极高的分辨本领领。通常通常,位错线像偏离实际位置的位错线像偏离实际位置的距离也与像的宽度在同一数量级范距离也与像的宽度在同一数量级范围内围内。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三区分位错线和等倾条纹的方法：区分位错线和等倾条纹的方法：倾动试样时，位错衬度只在倾动试样时，位错衬度只在原地变化，或隐或现或弱，而不会移动位置；等倾条纹随着原地变化，或隐或现或弱，而不会移动位置；等倾条纹随着各处位向连续变化，在荧光屏上可观察到其迅速扫动各处位向连续变化，在荧光屏上可观察到其迅速扫动4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三u第二相衬度包括：第二相衬度包括：周围应变场的衬度周围应变场的衬度 第二相本身的位向衬度第二相本身的位向衬度 结构因子差别导致的衬度结构因子差别导致的衬度 产生波纹图产生波纹图 第二相与基体的相界衬度和位移衬度第二相与基体的相界衬度和位移衬度共格第二相粒子的衍衬图象并不是该粒子真正的形状和共格第二相粒子的衍衬图象并不是该粒子真正的形状和大小，这是一种因基体畸变而造成的间接衬度。大小，这是一种因基体畸变而造成的间接衬度。4.4.不完整晶体的衍衬运动学解释不完整晶体的衍衬运动学解释2024/4/17 2024/4/17 周三周三敬请批评指正谢 谢！