第六章电子衍射汇总.ppt

第六章 电子衍射,电子衍射是电子显微学的重要分支，成为研究物质微观结构的重要手段可在电子衍射仪或电子显微镜中进行按电子加速电压的高低（或电子能量高低）分为两类：,,低能电子衍射：加速电压为10V~500V（电 子能量一般10~500eV）， 广泛应用于表面结构分析,高能电子衍射：加速电压≥10KV（电子能 量为10~200keV），TEM 中应用的就是高能电子衍 射,微束电子衍射——研究材料中亚纳米尺度颗粒、单个位错、层错、畴界面和无序结构，测定点群和空间群 TEM中的电子衍射具有原位同时得到微观形貌和结构信息并进行对照分析的优点，在材料分析中得到广泛应用 电子衍射在材料分析中的应用： ⑴ 物相分析和结构分析 ⑵ 确定晶体位向 ⑶ 确定晶体缺陷的结构和晶体学特征,前 言,电子衍射与X射线衍射较 相同点：①以满足 或基本满足布拉格 方程为衍射必要条 件；②衍射花样大 体相似，多晶体为 一系列同心衍射圆 环，单晶体为排列 整齐的斑点，非晶 体为一个漫散的中 心圆斑前言,不同点： ① 电子波波长短，θ角很小，约为10-2rad，而X射线的θ角最大接近π/2。

②电子衍射采用薄晶样品，其倒易点沿厚度方向延伸成杆，增加了与反射球交截的机会，使得偏离布拉格条件的电子束也能产生衍射 ③反射球半径很大，在衍射角很小的范围内，反射球面可看作一个平面，电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易平面内 ④原子对电子的散射比对X射线要强，电子衍射强度较大，摄取衍射花样曝光时间仅需数秒前 言,前言,电子衍射的不足之处： ⑴ 电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构 ⑵ 散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X射线复杂；在精度方面也远比X射线低X射线衍射与电子衍射（TEM上）分析方法的比较,第六章 电子衍射,6.1 电子衍射原理 6.2 单晶电子衍射花样的标定 6.3 多晶电子衍射花样的标定 6.4 复杂电子衍射花样,6.1 电子衍射原理,6.1.1 布拉格定律 通常TEM加速电压为100KV~200KV，电子波波长为10-2~10-3nm数量级，常见晶体的晶面间距为10~10-1nm，代入布拉格方程2dsinθ=λ，得到 上式说明电子衍射θ角总是很小，这是电子衍射花样特征区别于X射线的主要原因。

电子衍射方向,,倒易平面,正空间中的任意一组晶面（hkl）在倒易空间中都对应着一个倒易点hkl 正空间中的晶带[uvw]中的所有晶面相应的倒易点在倒易空间中分布在过倒易原点O*的倒易平面上，称为零层倒易平面，记作（uvw）0*,,000,从几何意义上来看，电子束方向与晶带轴重合时，零层倒易截面上除原点以外的各倒易阵点不可能与埃瓦尔德球相交，因此各晶面都不会产生衍射，如图(a)所示6.1 电子衍射原理,图a,电子衍射原理,如果要使晶带中某一晶面（或几个晶面）产生衍射，必须把晶体倾斜，使晶带轴稍微偏离电子束的轴线方向，此时零层倒易截面上倒易阵点就有可能和埃瓦尔德球相交，即产生衍射，如图(b)图b,图a,实际TEM电子衍射操作是怎么样？ 在电子衍射操作时，即使晶带轴和电子束轴线严格重合（即对称入射）时，仍可使g端点不在反射球面上的晶面产生衍射即，在入射束与晶面夹角和精确布拉格角θB存在偏差Δθ时，衍射强度变弱但不为零，该晶面有衍射产生 衍射晶面位向与精确布拉格条件的允许偏差（以仍能得到衍射强度为极限）和样品晶体的形状、尺寸有关偏离矢量与倒易点扩展,实际晶体的倒易阵点沿着晶体尺寸较小的方向发生扩展，扩展量为该方向实际尺寸的倒数的2倍。

偏离矢量与倒易点扩展,以倒易杆为例：在偏离布拉格角±Δθmax范围内，倒易杆都能和球面相交截而产生衍射 偏离Δθ时，倒易 杆中心至与反射球 面交截点的距离用 偏离矢量S表示偏离矢量与倒易点扩展,偏离矢量与倒易点扩展,Δθ为正时，S矢量为正；反之为负精确符合布拉格条件时， Δθ=0，S=0 偏离布拉格条件时，产生衍射条件为：,图示为S＜0，S=0和S＞0时，倒易杆和反射球相交情况偏离矢量与倒易点扩展,偏离矢量与倒易点扩展,如果电子束不是对称入射，中心斑点两侧和衍射斑点的强度将出现不对称分布由偏离矢量和衍射强度曲线可知，在±Δθmax范围内，衍射斑点的位置基本不变，强度变化很大薄晶电子衍射时，倒易阵点延伸成倒易杆是获得零层倒易截面比例图象（即电子衍射花样）的主要原因，即尽管在对称入射条件下，倒易点阵原点附近扩展的倒易点也能和反射球相交，得到中心斑点强而周围斑点弱的若干衍射斑点 其他一些因素也能促进电子衍射花样的形成，如电子波波长短，使反射球在小角度范围内球面接近平面；加速电压波动，使反射球面有一定厚度；电子束有一定发散角度等偏离矢量与倒易点扩展,6.1.3电子衍射基本公式 电子衍射操作是把倒易阵点的图像进行空间转换并在正空间中记录下来。

电子衍射基本公式,电子衍射基本公式,样品放置在O点，电子束沿k方向入射，（HKL） 晶面满足衍射条件，衍射束方向为K′，gHKL为相应倒易矢量在距离样品L处放置底片记录衍射花样K形成中心斑O′，K′形成衍射斑G′，它实际上是gHKL的端点GHKL在底片上的投影R为O′到G′点距离由于2θ角很小， ，得到,电子衍射基本公式,此即为电子衍射基本公式Lλ—相机常数；L—相机长度由于R为正空间矢量，gHKL是倒易空间矢量，故Lλ是一个协调正、倒空间的比例常数电子衍射基本公式,衍射斑点到中心斑点的距离R就是产生衍射的晶面的倒易矢量gHKL按比例的放大，而Lλ就是“放大倍数”电子衍射基本公式,Lλ有时也被称为电子衍射的“放大率”单晶花样中的斑点可以直接被看成是相应衍射晶面的倒易点阵，各斑点的R矢量就是相应的倒易矢量g结论：单晶体衍射花样实际上就是落在反射球 上的倒易点（权重为零的点除外）构成 图像的放大像从几何观点看，倒易点阵是晶体点阵的另一种表达式，但从衍射观点看，有些倒易点阵也是衍射点阵电子衍射基本公式,在TEM电子衍射操作中，物镜焦距f0起到相机长度的作用，由于f0被进一步放大，最终的相机长度为f0·MI · MP（ MI 和MP分别为中间镜和投影镜的放大倍数），得到 L′λ—有效相机常数。

因此，TEM中的电子衍射花样仍满足电子衍射基本公式，但L′并不直接对应样品至照相底片的距离6.1.4选区衍射 选区衍射就是选择样品上感兴趣 的微区进行衍射 1、光阑选区衍射 通过在物镜像平面上添加选区光 阑实现选区衍射,由于物镜球差和聚焦误差的存在，使得所选区域一般不小于0.5μm若误差严重，可能导致所选区域和衍射花样及显微图象来自不同部位，造成分析错误 ⑴球差引起的选区误差 选区光阑套住A0B0的像， 对应样品上AB区，由于 球差，衍射束不能在平面 上同一点成像（虚线示）， 造成A0B0像来自于样品A’B’ 微区误差大小：,选区衍射,⑵失焦引起的选区误差 AB、 A0B0分别对应正焦和失焦时样品上选区光阑套住的微区由图知，A0的HKL衍射束与A’的HKL衍射束重合，而B0的与B’的衍射束重合，即失焦时，正焦面上光阑以外A’A区域的衍射束可通过失焦面上光阑而到达物镜正焦面上光阑以内的BB’区衍射束则被光阑挡掉，引起误差失焦引起的误差为,选区衍射,总选区误差Y为 由此可见： ① 不要采用过小的选区光阑（通常不宜小于1 μm 2）光阑孔径应大于2MY（M为物理放大倍数），以保证足够的斑点强度。

对较小区域可在更高电压的电镜上观察，或采用微米衍射； ② 尽量用低指数衍射信息,返回,6.2 单晶电子衍射花样的标定,单晶电子衍射花样的标定——确定各衍射斑点的指数（hkl）及晶带轴指数[uvw] 6.2.1单晶电子衍射成像原理与花样特征 电子束照射到薄膜样品上，其成像原理如图示6.2 单晶电子衍射花样的标定,单晶电子衍射厄瓦尔德图解有以下3个特点： ① 2θ角很小，入射束近似平行衍射晶面，即平行于晶带轴[uvw]，过O*点且垂直于K的倒易点阵平面即为零层倒易平面（uvw）0* ； ② 由于电子波λ很小，反射球半径很大，(uvw）0*平面上的倒易点距离反射球很近； ③ 薄膜样品倒易点阵中各阵点沿厚度方向延伸成倒易杆结论:在（uvw）0*平面上，以O*为中心的一定范围内的倒易点（杆）都可以与反射球相交，而O与各交点的连接矢量即为K′（衍射方向）K′与底片的交点即构成单晶电子衍射花样单晶电子衍射花样的标定,6.2.2 单晶电子衍射花样的标定 单晶电子衍射花样标定要充分利用衍射图上的有用信息（斑点距离、分布、强度等），以提示晶体的内部结构，了解斑点分布规律、对称性，可帮助判断待测晶体可能所属晶系、晶带轴指数。

通常电子衍射图的标定过程分3种情况： ①已知晶体（晶系、点阵类型）可尝试标定； ②晶体未知，但有一定范围，则在这些范围内尝试标定； ③晶体点阵完全未知，是新物相，可参阅有关电子衍射专著单晶电子衍射花样的标定,几项注意事项： ①认真制备样品，薄区多，表面无氧化 ②正确操作电镜，如合轴，选区衍射操作等 ③校正仪器常数 ④要在底片上精确测量距离和角度，长度测量误差小于±0.2mm（或相对误差小于3%~5%）；角度测量误差±0.2°，底片药面应朝上放置 约化平行四边形（特征平行四边形） 单晶体电子衍射花样就是（uvw）*0的放大像，即单晶衍射花样与二维（uvw）*0平面相似，具有周期性排列特征，用约化平行四边形（特征平行四边形）表达这种周期性排列特征单晶电子衍射花样的标定,单晶电子衍射花样的标定,尝试—核算法 ⑴已知晶体结构（晶系与点阵类型及点阵常数）和相机常数的衍射花样的标定 已知某低碳合金钢基体（选区）电子衍射花样，试标定已知铁素体为体心立方、a=0.287nm，相机常数C=Lλ=1.41mm.nm） ①选取靠近中心斑的不在一条直线上的几个斑点（特征平行四边形）A、B、C、D ②测量各斑点R值及各R之夹角 ③计算：按Rd=C，由各R求相 应衍射晶面间距d值，并按晶面 间距公式(d2=a2/N)，由各d值及 a值计算相应各N值。

单晶电子衍射花样的标定,④由各N值确定各晶面族指数{HKL} ⑤ 选定R最短（距中心斑点最近）的斑点指数：A={110}，共有12组任选其一：设A=(110) ⑥ 按N值尝试选取R次短斑点（B点）指数并用φ校核 ⑦ 按矢量运算法则RC= RA +RB，确定C和其它斑点指数 ⑧求晶带轴指数按右手法则[uvw]=RB×RA,,,单晶电子衍射花样的标定,电子衍射花样标定过程如下：,单晶电子衍射花样的标定,⑵ 立方系样品（未知点阵类型和点阵常数）电子衍射花样标定 ① 按特征平行四边形选取衍射斑点，测量各斑点R及R夹角，同⑴中之① 和② ② 求R2值顺序比（整数化）并确定各斑点相应晶面族指数 ③ 重复⑴中之⑥ ～⑧ ④ 以N和φ校核按矢量运算法则求出的各斑点指数 ⑤ 求晶带轴指数，同⑴ 中之⑨单晶电子衍射花样的标定,单晶花样的不唯一性 1．表现形式 同一衍射花样有不同的指数化结果 2、产生原因：头两个斑点的任意性、二次对称性、偶合不唯一性，常出现于立方晶系的中高指数，如(352)和(611)，(355)和(173) 一般，若仅知样品为立方系，一幅衍射花样可能出现同时可被标注为两种不同点阵结构类型指数或被标定为同一结构类型中属于不同晶带的指数而且不被否定的情况，称之为“偶合的不唯一性”。

⒈查表法 ⑴标定步骤：,单晶电子衍射花样的标定,①取约化四边形，测量R1、 R2、 R3 值及其夹角φ，计算R2/ R1、 R3/ R1②用R2/ R1、 R3/ R1及φ去查倒易点阵平面基本数据表，若与表中数据吻合，则可查到倒易。