1、会聚束电子衍射会聚束电子衍射convergent-beam electron diffraction (CBED)选区电子衍射和会聚束电子衍射选区电子衍射和会聚束电子衍射（SAED） （CBED）spotsdiskslenssampleParallel beam Convergent beamT DT DConvergence angleobjectiveSAED CBED Spatial resolution 0.5 m Spatial resolutionbeam size菊池菊池 衍射图和会聚束电子衍射图衍射图和会聚束电子衍射图Kikuchi bandKikuchi linesKikuc
2、hi band菊池图花样Kikuchi （1928）Pattern 形成机理： 透射电子的非相干散射构成衍射花样的背底强度 非相干散射电子被晶面的Bragg衍射造成背底强度重新分配：菊池亮暗线对 亮线对应小角度非相干散射电子的Bragg衍射 暗线是小角度非相干散射电子的Bragg衍射引起的背底强度减弱 特征： 亮暗线对的夹角2q 亮暗线对的方向对应晶面的取向（可用来定入射束与晶面的夹角）亮线暗线qB2qBqBqBqB样品样品物镜物镜选区光栏选区光栏物面物面后焦面后焦面像面像面样品的共轭面样品的共轭面ABAB选区电子衍射光路图选区电子衍射光路图样品样品物镜物镜选区光栏选区光栏物面物面后焦面后焦面
3、像面像面会聚束电子衍射光路图会聚束电子衍射光路图a双束会聚束电子衍射双束会聚束电子衍射会聚束电子衍射衍射线形成示意图会聚束电子衍射衍射线形成示意图SOLZFOLZZOLZa a会聚束电子衍射中高阶劳厄线会聚束电子衍射中高阶劳厄线（HOLZ线）的形成线）的形成亮线暗线衍射盘透射盘样品样品物镜物镜选区光栏选区光栏物面物面后焦面后焦面像面像面样品的共轭面样品的共轭面D DS大角度会聚束电子衍射大角度会聚束电子衍射（LACBED）光路示意图光路示意图 Si100带轴LACBED花样(透射盘) LACBED 可以研究晶体的对称性，帮助倾转晶体，确定晶体的取向，可以研究晶体的对称性，帮助倾转晶体，确定晶体
4、的取向，HOLZ线的交叉点和相互位置对晶格常数十分敏感线的交叉点和相互位置对晶格常数十分敏感, 可以分析得到微区可以分析得到微区的晶格参数，研究晶体缺陷，局部应变的晶格参数，研究晶体缺陷，局部应变. Si102带轴LACBED花样(透射盘) 欠焦和过焦欠焦和过焦LACBEDLACBED图中阴影像图中阴影像样品样品物镜物镜选区光栏选区光栏物面物面后焦面后焦面像面像面样品的共轭面样品的共轭面D DS离焦会聚束电子衍射光路示意图离焦会聚束电子衍射光路示意图样品厚度的会聚束电子衍射测量样品厚度的会聚束电子衍射测量 电子显微镜高压的测量电子显微镜高压的测量晶体点阵常数的精确测定晶体点阵常数的精确测定位错
5、的会聚束电子衍射位错的会聚束电子衍射(CBED)(CBED)分析分析晶体极性晶体极性的会聚束电子衍射的会聚束电子衍射(CBED)分析分析应变的会聚束电子衍射应变的会聚束电子衍射(CBED)(CBED)分析分析 晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定会聚束电子衍射的模拟计算会聚束电子衍射的模拟计算定量会聚束电子衍射定量会聚束电子衍射CBEDCBED的主要应用的主要应用双束条件下，完整晶体的衍射盘中的强度分布可以写成 由式可以看出，当x=0时，衍射强度ID达到主极大值，其余次极大的位置分别在 x1=1.431，x2=2.457，当 x=n时，n 为自然数，达到极小值0。因此在
6、测量中选择衍射极小的位置比较方便。但是s0时，x并不一定 为0， 即n是待定的，只能用作图法近似地求解此方程，求出样品的厚度。如果选择的n是正确的，用 对 作图，那么应该得到一条直线，其斜率为 ，截距为 ，即可求得样品的消光距离和厚度。在实际上，可以尝试用不同的n来作图，如果 呈直线 关系，即为正确的n。 ItxxDg ()sin ()()222xt sgg221snntgiigi22222111 sngii2212ni12g12t样品厚度的会聚束电子衍射测量样品厚度的会聚束电子衍射测量22igins12ni12g12t斜率为 -0样品厚度的会聚束电子衍射测量样品厚度的会聚束电子衍射测量222
7、BxsgggxqqqDDDsnntgiigi22222111 高压测量和点阵常数测定高压测量和点阵常数测定电镜的高压为电镜的高压为99.7 kV, Si的点阵常数为的点阵常数为0.5431nmCherns-Preston法则法则当一条衍射线穿过位错时，如果 则这条衍射线将分裂成n+1段。 nbg如果我们能在离焦会聚束电子衍射图中，找到3条都穿过位错线，但不属于同一个Laue带的衍射线，则可根据衍射线与位错线相互作用的分裂情况，列出三个线性无关的方程， 解这个方程组即可确定位错的Burgers矢量。 gbngbngbn112233位错的位错的BurgersBurgers矢量的测定矢量的测定 动力
8、学模拟位错造成的衍射线的分裂动力学模拟位错造成的衍射线的分裂,确定位错伯格斯矢量确定位错伯格斯矢量:Cherns-Preston法则法则 当一条衍射线穿过位错时，如果 则这条衍射线将分裂成n+1段。nbgSi 110带轴g=4-40,b=1-10/2 g.b=4,分裂成五段,有四个节点模拟的螺位错造成的模拟的螺位错造成的ZOLZ线分裂线分裂位错的位错的BurgersBurgers矢量的测定矢量的测定(a)(b)(b)epoxyg1100AlN6(a)21InNg0002200nmGaNAl2O3AlN634 57Microstructure of InN/GaN grown on Al2O3L
9、ACBED of InN/GaN grown on Al2O3位错的位错的BurgersBurgers矢量的测定矢量的测定g=0006GaN GaN 极性的测定极性的测定g=0002g= -0002000-20002立方相（1460C-130C）： BaTiO3四方晶胞在a面上的投影室温下为四方相a=3.992c=4.036c/a=1.01Tc=120CBaTiO3中极性的产生中极性的产生四方相（120C-5C） 四方相（120C-5C） Ba: (0, 0, 0) Ti: (1/2, 1/2, 1/2+0.0135) O: (1/2, 1/2, -0.0250) 2O: (1/2, 0, 1
10、/2-0.0150)； (0, 1/2, 1/2-0.0150)(a)(a)畴结构的形貌图，畴结构的形貌图， (b)(b)和和(c)(c)为分别从基体（为分别从基体（M M）和畴（）和畴（D)D)获得的获得的010010会聚束电子衍射图会聚束电子衍射图。9090a-aa-a类型畴类型畴极化方向采取极化方向采取“头对尾头对尾”的的排列方式排列方式C方向方向+2%的应变的应变C方向方向-2%的应变的应变应变的会聚束电子衍射应变的会聚束电子衍射(CBED)(CBED)测量测量应变的会聚束电子衍射应变的会聚束电子衍射(CBED)(CBED)分析分析()()BdtgddtgdqqDD DD晶面倾转引起的
11、衍射线的变化晶面倾转引起的衍射线的变化Ge PAIGe PAI应变诱导工艺方法应变诱导工艺方法中科院微电子所的徐秋霞研究员提出了一种简单，低成本的应变诱导工艺：锗预非晶化源漏区离子注入工艺(Ge-PAI)，在PMOSFET器件沟道中引入很大的单轴压应变，实现了空穴载流子迁移率和器件性能的极大增强。Q. X. Xu et al EDL27(3) (2006), 179-181 a.应变硅PMOSFET器件的示意图b.截面TEM形貌像EDS分析表明在源漏区的Ge含量为1% 左右GeGe应变应变SiPMOSFETSiPMOSFET中的应变分析中的应变分析压应变测量示意图压应变测量示意图1sin(2
12、)2rD11rrxx DrD DB应变应变SiPMOSFETSiPMOSFET中的应变分析中的应变分析1sin(2 )2DDrD D444cDDDD DD111111sin ()cyxDDqD440220220()yxDDq D130nm栅长 (3#)，P点应变1.60%11xxBeijing National Laboratory of condensed matter physicsBeijing Laboratory of Electron MicroscopyBLEM001 CBED pattern of Sig=220g=-2-20晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子
13、衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定点阵消光点阵消光 不消光条件（不消光条件（n n为整数）为整数） 相应的点阵相应的点阵 h+k+l=2n 体心 h+k=2n C心 h+l=2n B心 k+l=2n A心 h,k,l全奇或全偶 面心 h+k+l=3n 六角点阵（菱面体坐标） 结构消光结构消光 不消光条件（不消光条件（n n为整数）为整数） 相应的对称元素相应的对称元素 k=2n （100）滑移面，滑移分量b/2 k+l=2n （100）滑移面，滑移分量b/2+c/2，n滑移 k+l=4n （100）滑
14、移面，滑移分量b/4c/4，金刚石滑移 l=mn（m=2，3，4，6） m次 001 螺旋轴，滑移分量c/m点群点群+ +平移对称操作平移对称操作= =空间群空间群王仁卉，邹化民，会聚束电子衍射的原理和应用，透射电子显微学进展王仁卉，邹化民，会聚束电子衍射的原理和应用，透射电子显微学进展, , 叶叶恒强恒强, , 王元明主编，中国科学出版社（王元明主编，中国科学出版社（20032003），），p1515会聚束电子衍射的动力学 当样品很薄,远远小于一个消光距离时,可以忽略透射束衍射束之间的能量交换,这时运动学理论是适用的.可以用来解释CBED衍射图中的衍射现象以及近似估计衍射线的强度.但样品很薄
15、时,我门往往得不到理想的CBED衍射花样,只有当样品的厚度适中时才能得到很好的CBED衍射图.这时电子衍射的动力学效应便不能忽略.因此对CBED衍射图的很多现象的解释必然要用到电子衍射的动力学理论.关于电子衍射的动力学计算主要可分为两类: 一类是基于Bethe的Bloch的方法,另一类是基于Darwin的薄晶片叠加的方法,后来发展成Cowley和Moodie的多层法.会聚束电子衍射的模拟计算会聚束电子衍射的模拟计算222202( )( ) ( )( )82h KhreV rrrmm 动力学电子衍射的薛定谔方程：111111111112111 111111 1S( ). Q P ()( ) Q
16、P ()QP()() QP(). Q P ( )( ) Q P (0) 1nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnzZ CtZCZCtZCt CtC 多层法和矩阵法的散射矩阵由下式给出：- 1SQ S QQ =exp(2gRi散射矩阵变为：位移矩阵Q：1( )S ()(0)nkktz波函数：AC2CijinK求解矩阵本征值问题:00-1( )exp(2).0(0)( )C.C(0).0.exp(2).iggntittit -1S=C exp(2 i) Ct 其中S为散射矩阵:透射束及衍射束振幅：硅硅001 CBED带轴图模拟带轴图模拟(a)模拟模拟(b)实验实验Si102Si102带轴CBED
17、花样:(a)模拟,(b)实验 拟和实验和模拟的CBED透射盘中HOLZ线的相对位置,可以分析得到微区的晶格参数,研究晶体应变。(a)(b)d.d.动力学动力学CBEDCBED应变模拟应变模拟：Direct observation of d-orbital holes and CuCu bonding in Cu2OJ. M. Zuo et al, Nature (1999), 401, 4952 定量会聚束电子衍射定量会聚束电子衍射扫描透射电子显微学扫描透射电子显微学scanning transmission electron microscopy (STEM)电子枪会聚镜束偏转器 物镜 样品
18、 扫描电镜（扫描电镜（SEM）扫描发生器探测器显示器TEM vs STEMTEM与与STEM：倒易原理：倒易原理Liu, J. (2000). Scanning transmission electron microscopy of nanoparticles. In Characterization of nanophase materials. Z. Wang: 81.aTEMSTEM球差对透射盘中的阴影像球差对透射盘中的阴影像（Ronchigram）的的影响影响STEM的模式组合的模式组合EDSEELSX-rayABF detectorEDSSample 3: HR HAADF on C
19、hemiSTEM at 200kV: Si110HR HAADF STEM images acquired at 5.1Mx with corresponding FFT showing 0.078 nm reflections.HAADF 像的优点HAADF 像的衬度 正比于原子序数Z2，也称为Z衬度像。HAADF 像的衬度在一定程度上对样品的厚度不敏感。HAADF 像与样品下方的透镜的色差无关。Al2O3中氧原子的观察中氧原子的观察HAADF and ABF images of -Al2O3 (bulk) viewed along the 1-210 zone axis. The Know
20、n structure is indicated, and simulated data is overlaid on the experimental images. S.D. Findlay, et al., Ultramicroscopy V111(2011), 285-289 Direct imaging of hydrogen-atom columns in acrystal by annular bright-field electron microscopyRyo Ishikawa，et al., NATURE MATERIALS V 10 (2011), 278-281YH2的
21、原子模型(a)，ABF(b)，ADF(c)，HAADF(d)C. Colliex, lecture 2+ HAADF signale- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Sampleat each pixel 50 spectra/pixel 3 ms/spectrum deconvolutionImproved energy resolution (0.2 eV)STEM+EELSKimoto, K., et al., Nature, 2007. 450(7170): p. 702-704.Botton, G.A., S. Lazar, and C
22、. Dwyer,. Ultramicroscopy, 2010. 110(8): p. 926-934.Corrected80 kVSTO/BTOBaSrTiLa N4,5La M4,5TiBa3.25La0.75Ti3O12O KMn L2,3La N4,5La M4,5SrTiO3 100 EELS mapping at 200kV (STEM)STEM (DF)96x73 pixels150pA probe currentSr Ti OSr TiSr OTi OSTEM+EDSChu, M.W., et al., Physical Review Letters, 2010. 104(19
23、): p. 196101.DAlfonso, A.J., et al., Physical Review B, 2010. 81(10): p. 100101.ABF/HAADF STEM and atomic EDS on probe Cs-corrected STEM 200kV : SrTiO3 in 110 projectionOTiSr/ORGBSrTiO小结 束斑直径决定了STEM像的分辨率，C2会聚镜的球差校正是提高分辨率的最重要的途径； STEM的在不同的接收角的情况下，获得的信息不同，可以有 HAADF，ADF，ABF，BF等模式，尤其是近几年来发展的ABF可以观察轻元素的分
24、布； STEM具有高空间分辨率的分析功能，与EELS、EDS等结合，可以获得原子分辨率的成分、电子结构等的分布信息。复习题复习题1. 晶体有多少种点群，空间群？晶体中为什么不能存在5次旋转对称轴？ 有32种点群，230种空间群。由于5次旋转对称性与晶体的平移对称性或周期性不相容，因此在晶体中不存在5次旋转对称性，但在准晶体中可以存在。t0aatT0为基矢长度，以两端为圆心分别a，端点的连线距离为t，如果这两个端点也是阵点，其连线必为基矢t0的整数倍，即 t=mt0=-2t0cosa+t0，解出a=, 2/3, /2 /3, 0，对应2，3，4，6次轴和没有旋转。2 什么是相机常数，它是怎样定义
25、的？写出分析电子衍射图常用的布拉格公式 。相机长度也称为电镜的有效镜筒长度，可以用电子衍射图常用的布拉格公式 定义：通常用来表征电子衍射图的放大倍数。RdL3 什么是明场像，暗场像和中心暗场像，画简图说明。双束衍射条件下的衍射衬度成象 暗场象（I）0gIgIg双束衍射条件下的衍射衬度成象 暗场象（II）0gIgIg4物镜球差决定了电镜的点分辨率，请写出点分辨率，Scherzer欠焦，像衬度传递函数的表达式Scherzer （1936）指出电镜的分辨率主要是由物镜球差决定的点分辨率点分辨率=0.66C0.66Cs s1/41/4 3/43/4Scherzer欠焦像衬度传递函数 c(g)=Dfg2
26、+0.5Cs3g42/12 . 1sSchCfD5 样品厚度对电子能量损失谱有很大影响，当样品厚度满足什么条件比较合适最佳样品厚度最佳样品厚度t=0.3 6 试举出会聚束电子衍射的应用（至少3种）。样品厚度的会聚束电子衍射测量样品厚度的会聚束电子衍射测量 电子显微镜高压的测量电子显微镜高压的测量晶体点阵常数的精确测定晶体点阵常数的精确测定位错的会聚束电子衍射位错的会聚束电子衍射(CBED)分析分析晶体极性晶体极性的会聚束电子衍射的会聚束电子衍射(CBED)分析分析应变的会聚束电子衍射应变的会聚束电子衍射(CBED)分析分析 晶体对称群的会聚束电子衍射测定晶体对称群的会聚束电子衍射测定定量会聚束电子衍射定量会聚束电子衍射(QCBED)谢谢！谢谢！
