1、 第十一章 晶体薄膜衍射成像分析晶体薄膜衍射成像分析 第一节 概述 第二节 透射电子显微镜样品制备 透射电子显微镜成像时，电子束是透过样透射电子显微镜成像时，电子束是透过样品成像。由于电子束的穿透能力比较低，品成像。由于电子束的穿透能力比较低，用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。根据样品的原子序数大小不同，一般在根据样品的原子序数大小不同，一般在5050500nm500nm之间。制备透射电子显微镜分析之间。制备透射电子显微镜分析样品的方法很多，这里介绍几种常用的制样品的方法很多，这里介绍几种常用的制样方法。样方法。1.复型样品制备 所谓复型，就是把样品表
2、面形貌复制出来，其原理与侦破所谓复型，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。案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。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行貌组织结构细节过复型制备出来的样品是真实样品表面行貌组织结构细节的薄膜复制品。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。和制样水平不高，难以对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
3、金属薄膜技术发展很快，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。复型技术几乎为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。术至今为人们所采用。一级复型法 图是一级复型的示意图。在已制备好的图是一级复型的示意图。在已制备好的金相样品或断口样品上滴上几滴体积浓金相样品或断口样品上滴上几滴体积浓度为度为1%1%的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤的火棉胶醋酸戍酯溶
4、液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，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左右的塑料左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表薄膜。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面揭下来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。下易发生分解和破裂。一级复型法 另一种复型是碳一级复型，碳一级复型是另一种复型是碳一级复型，碳一
5、级复型是直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜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。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。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离的小方块，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。必须清洗，然后才
6、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，样品一个数量级，但制备碳一级复型时，样品易遭到破坏。易遭到破坏。二级复型 法 二级复型是目前应用最广的一种复型方法。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，再把中间复型溶去，最后得到的是第二次复型。塑料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
7、；但分辨率和塑料一级复型相当。二级复型 法 图图7-27-2为二级复型制备过程示意为二级复型制备过程示意图。图图。图7-2(A)7-2(A)为塑料中间复型，为塑料中间复型，图图7-2(b)7-2(b)为在揭下的中间复型为在揭下的中间复型上进行碳复型。为了增加衬度上进行碳复型。为了增加衬度可在倾斜可在倾斜15-4515-45的方向上喷镀的方向上喷镀一层重金属，如一层重金属，如CrCr、AuAu等（称等（称为投影）。一般情况下，是在为投影）。一般情况下，是在一次复型上先投影重金属再喷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镀碳膜，但有时也可喷投次序相反，图相反，图7-2(c)7-2(c
8、)表是溶去中间表是溶去中间复型后的最终复型。复型后的最终复型。二级复型照片 二级复型照片2.萃取复型 在需要对第二相粒子形状、大小在需要对第二相粒子形状、大小和分布进行分析的同时对第二相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分析时。粒子进行物相及晶体结构分析时。常采用萃取复型的方法。常采用萃取复型的方法。图图7-47-4是萃取复型的示意图。是萃取复型的示意图。这种复型的方法和碳一级复型类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应进似，只是金相样品在腐蚀时应进行深腐蚀，使第二相粒子容易从行深腐蚀，使第二相粒子容易从基体上剥离。基体上剥离。此外，进行喷镀碳膜时，厚度应此外，
9、进行喷镀碳膜时，厚度应稍厚，以便把第二相粒子包络起稍厚，以便把第二相粒子包络起来。来。3.粉末样品制备 随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材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。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细粉的
10、颗粒分散开来，备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。各自独立而不团聚。粉末样品制备 需透射电镜分析的粉末颗需透射电镜分析的粉末颗粒一般都小于铜网小孔，粒一般都小于铜网小孔，应此要先制备对电子束透应此要先制备对电子束透明的支持膜。明的支持膜。常用支持膜有火棉胶膜和常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。入电镜分析。粉末或颗粒样品制备的关粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否使其均匀分键取决于能否使其均匀分散到支持膜上。散到支持膜上。4.金属薄膜样品的制备 薄膜样品的制备必须满足以下要求：薄膜样品的制备
11、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，在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。制备过程中，这些组织结构不发生变化。2.2.薄膜样品厚度必须足够薄，只有能被电子束透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。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，夹持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引起和操作过程中，在一定的机械力作用下不会引起变形或损坏。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蚀。在样品制备过程中不容许表面产生氧
12、化和腐蚀。氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假象。假象。大块材料上制备薄膜样品大致为三个步骤：第一步是从大块试样上切割厚第一步是从大块试样上切割厚度为度为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电火花线切割法是目前用得最广泛的方法，见图广泛的方法，见图7-57-5。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,切割时损伤层比切割时损伤层比较浅较浅,可以通过后续的磨制或可以通过后续的磨制或减薄除去减薄除去.电火花切割只能用电火花切割只能用导电样品导电样品.对于陶瓷等不导电样
13、品可用金对于陶瓷等不导电样品可用金刚石刃内圆切割机切片刚石刃内圆切割机切片.第二步骤是样品的预先减薄 预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。机械减薄法是通过手工研磨来完成的，把切割好的薄片一机械减薄法是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，可减薄至减薄。如果材料较硬，可减薄至70m70m左右；若材料较软，左右；若材料较软，则减薄的最终厚度不能小于则减薄的最终厚度不能小于100m100m。另一种减薄的方法是化学减薄法。这种方法是把切割好
14、的另一种减薄的方法是化学减薄法。这种方法是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。金属薄片放入配好的试剂中，使它表面受腐蚀而继续减薄。化学减薄的最大优点是表面没有机械硬化层，薄化后样品化学减薄的最大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的厚度可以控制在20-50m20-50m。但是，化学减薄时必须先把薄片表面充分清洗，去除游污但是，化学减薄时必须先把薄片表面充分清洗，去除游污或其他不洁物，否则将得不到满意的结果或其他不洁物，否则将得不到满意的结果 第三步骤是最终减薄 最终减薄方法有两种即双最终减薄方法有两种即双喷减薄和离子减薄。喷减薄和离子减薄。用这样的方法
15、制成的薄膜用这样的方法制成的薄膜样品，中心空附近有一个样品，中心空附近有一个相当大的薄区，可以被电相当大的薄区，可以被电子束穿透，直径子束穿透，直径3mm3mm圆片圆片周边好似一个厚度较大的周边好似一个厚度较大的刚性支架，因为透射电子刚性支架，因为透射电子显微镜样品座的直径也是显微镜样品座的直径也是3mm3mm，因此，用双喷抛光，因此，用双喷抛光装置制备好的样品可以直装置制备好的样品可以直接装入电镜，进行分析观接装入电镜，进行分析观察。常用双喷减薄液见表察。常用双喷减薄液见表7-17-1。效率最高和最简便的方法效率最高和最简便的方法是双喷减薄抛光法；图是双喷减薄抛光法；图7-7-6 6为一台双
16、喷式电解抛光为一台双喷式电解抛光装置的示意图。装置的示意图。离子减薄离子减薄 离子减薄是物理方法减薄，它离子减薄是物理方法减薄，它采用离子束将试样表层材料层采用离子束将试样表层材料层层剥去，最终使试样减薄到电层剥去，最终使试样减薄到电子束可以通过的厚度。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）从两离子束（通常是高纯氩）从两侧在侧在3-5KV3-5KV加速电压加速下轰加速电压加速下轰击试样表面，样品表面相对离击试样表面，样品表面相对离子束成子束成0-300-30角的夹角。角的夹角。离
17、子减薄方法可以适用于矿物、离子减薄方法可以适用于矿物、陶瓷、半导体及多相合金等电陶瓷、半导体及多相合金等电解抛光所不能减薄的场合。解抛光所不能减薄的场合。离子减薄的效率较低，一离子减薄的效率较低，一般情况下般情况下4m/4m/小时左右。小时左右。但是离子减薄的质量高薄但是离子减薄的质量高薄区大。区大。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第三节第三节
18、衍衬衬度原理衍衬衬度原理 在透射电子显微镜下观察晶体薄膜样品所在透射电子显微镜下观察晶体薄膜样品所获得的图像，其衬度特征与该晶体材料同获得的图像，其衬度特征与该晶体材料同入射电子束交互作用产生的电子衍射现象入射电子束交互作用产生的电子衍射现象直接有关，此种衬度被称为衍射衬度，简直接有关，此种衬度被称为衍射衬度，简称称“衍衬衍衬”。本章仅讨论其中最简单的情况，即所谓本章仅讨论其中最简单的情况，即所谓“双光束条件双光束条件”下的衍衬图像。下的衍衬图像。“双光束条件”下的衍衬图像 衍射衬度则是只利用透射衍射衬度则是只利用透射束或衍射束获得的图像，束或衍射束获得的图像，像点亮度将仅由相应物点像点亮度将
19、仅由相应物点处的衍射波振幅处的衍射波振幅g g决定决定（I Ig g|g g|2 2），也被称），也被称为振幅衬度。为振幅衬度。这种利用单一光束的成像这种利用单一光束的成像方式可以简单地通过在物方式可以简单地通过在物镜背焦平面上插入一个孔镜背焦平面上插入一个孔径足够小的光阑（光阑孔径足够小的光阑（光阑孔半径小于半径小于r r）来实现。）来实现。明,暗场衬度 明场明场:光栏孔只让光栏孔只让透射束透射束通过通过,荧光屏上亮荧光屏上亮的区域是透射区的区域是透射区 暗场暗场:光栏孔只让光栏孔只让衍射束衍射束通过通过,荧光屏上亮荧光屏上亮的区域是产生衍射的区域是产生衍射的晶体区的晶体区衍衬运动学理论简介
20、 衍衬理论所要处理的问题是通过对入射电子波在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，晶体样品内受到的散射过程作分析，计算在样品计算在样品底表面射出的透射束和衍射束的强度分布底表面射出的透射束和衍射束的强度分布，即计，即计算底表面对应于各物点处电子波的振幅进而求出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，这也就相当于求出了衍衬图像的衬它们的强度，这也就相当于求出了衍衬图像的衬度分布。度分布。借助衍衬理论，可以预示晶体中某一特定结构细借助衍衬理论，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，又可以把实际观察节的图像衬度特征；反过来，又可以把实
21、际观察到的衍衬图像与一定的结构特征联系起来，加以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。分析、诠释和判断。衍衬理论的两种处理方法 衍衬理论可有两种处理方法。考虑到电子波与物衍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（与质的交互作用十分强烈（与X X射线相比，电子的原射线相比，电子的原子散射因子要大四个数量级），所以在晶体内透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视的，以射波与衍射波之间的能量交换是不容忽视的，以此为出发点的此为出发点的衍衬动力学理论衍衬动力学理论成功地演释出了成功地演释出了接接近实际情况的结果，是衍衬
22、图像定量衬度计算的近实际情况的结果，是衍衬图像定量衬度计算的必要方法。必要方法。然而，如果只需要定性地了解衍衬图像的衬度特然而，如果只需要定性地了解衍衬图像的衬度特征，可应用简化了的征，可应用简化了的衍衬运动学理论衍衬运动学理论。运动学理运动学理论简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现论简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现象都能很好地定性说明象都能很好地定性说明。下面我们将讲述衍衬运。下面我们将讲述衍衬运动学的基本概念和应用。动学的基本概念和应用。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法，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
23、主要特点是不考虑入射波与衍射波之间的动力学相互作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。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，所以忽略了动力学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。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
24、的衰减可以）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小的。忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很小的。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体情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满足运动况，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：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，使入射电子受到多次散，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。同时由于参与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
25、子不多，衍射波强度也较弱；散射作用的原子不多，衍射波强度也较弱；（2 2）或者让衍射晶面处于足够偏离布喇格条件的）或者让衍射晶面处于足够偏离布喇格条件的位向，即存在位向，即存在较大的偏离参量较大的偏离参量S S，此时衍射波强度，此时衍射波强度较弱。正是由于我们采用较薄的样品，由非弹性较弱。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在运动学理论中加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。以认真的考虑。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
26、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、高度等于厚度处、高度等于厚度t t、截面、截面足够小的一个晶体柱内原子足够小的一个晶体柱内原子或晶胞的散射振幅叠加而得。或晶胞的散射振幅叠加而得。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所产生的衍所产生的衍射强度。首先要计算出柱体下表面处的衍射波振幅射强度。首先要计算出柱体下表面处的衍射波振幅
27、g g，由此可求得衍射强度。晶体下表面的衍射振幅等于上表面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面在衍射方向到下表面各层原子面在衍射方向kk上的衍射波振幅叠加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晶体上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
28、得到 gg是衍衬理论中一是衍衬理论中一个重要的参数，表示个重要的参数，表示在精确符合布拉格条在精确符合布拉格条件时透射波与衍射波件时透射波与衍射波之间能量交换或强度之间能量交换或强度振荡的深度周期。振荡的深度周期。gnFdgcosieigg柱体衍射波振幅与强度 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），衍射矢量），衍射矢量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=整数（因为整数（因为g=hag=ha*+kb+kb*+lc+lc*，而，而r r必为点阵平移矢量的整数倍，可以写必为点阵平移矢量的整
29、数倍，可以写成成r=ua+vb+wcr=ua+vb+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缺陷晶体的衍射强度 与理想晶体相比，不论是何种类型缺与理想晶体相比，不论是何种类型缺陷的存在，都会引起缺陷附近某个区陷的存在，都会引起缺陷附近某个区域内点阵发生畸变。此时，图域内点阵发生畸变。此时，图7-107-10中中的晶柱在的晶柱在OAOA也将发
30、生某种畸变，柱体也将发生某种畸变，柱体内位于内位于z z深度处的体积元深度处的体积元dzdz因受缺陷因受缺陷的影响发生位移的影响发生位移R R，其坐标矢量由理，其坐标矢量由理想位置的想位置的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位显然，当考虑样品平面内一个确定位置（置（x,yx,y）的物点处的晶体柱时，）的物点处的晶体柱时，R R仅是深度仅是深度z z的函数；在一般情况下，的函数；在一般情况下，R R当然也与柱体离开缺陷的位置有关。当然也与柱体离开缺陷的位置有关。至于至于R R（z z）函数的具体形式，因缺陷）函数的具体形式，因缺陷的类型而异
31、。的类型而异。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接近垂直接近垂直可以略去，又因可以略去，又因s s和和R R接近平接近平行，故行，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围内衍射振幅的表达式衍射振幅的表达式中出现了一个
32、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。引入将使缺陷引入将使缺陷附近物点的衍射强度有别于无缺陷的区域，从而使缺陷在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。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,zx,y,z）是确定的；）是确定的；g g是用以获得衍是
33、用以获得衍射衬度的某一发生强烈衍射的晶面倒易矢量，射衬度的某一发生强烈衍射的晶面倒易矢量，即操作反射即操作反射。通过样品台的倾转，选用不同的通过样品台的倾转，选用不同的g g成像，同一缺陷将呈现成像，同一缺陷将呈现不同的衬度特征。如果不同的衬度特征。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失，此时缺陷的衬度将消失，即在图像中缺陷不可见。即在图像中缺陷不可见。如果如果g g R R 整数整数 ,则则e e-i-i11，(2 2的整数倍。的整数倍。)此时缺陷的衬度将出现，即在图像
34、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”，是衍衬分析中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依据和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。出发点。衍衬图像的基本特征等厚条纹和等倾条纹等厚条纹和等倾条纹 当操作反射的偏离参当操作反射的偏离参量量s恒定时恒定时,强度强度 衍射强度将随样品的衍射强度将随样品的厚度厚度t发生周期性的震发生周期性的震荡，其深度或厚度周荡，其深度或厚度周期为期为 tg=1/s 当试样厚度当试样厚度t恒定时恒定时,强强度度 衍射强度也将发生周衍射强度
35、也将发生周期性震荡：震荡周期期性震荡：震荡周期为为 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 等厚条纹衬度不只等厚条纹衬度不只出现在楔形边缘等出现在楔形边缘等厚度发生变化的地厚度发生变化的地方，两块晶体之间方，两块晶体之间倾斜于薄膜表面的倾斜于薄膜表面的界面上，例如晶界、界面上，例如晶界、孪晶界和相界面，孪晶界和相界面，也常常可以观察到。也常常可以观察到。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，或这是因为此类界面两侧的晶体由于位向不同，或
36、者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束者还由于点阵类型不同，一边的晶体处于双光束条件时，另一边的衍射条件不可能是完全相同的，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，那么这另一边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晶体只相当于一个“空洞空洞”，等厚条纹将由此而，等厚条纹将由此而产生。产生。当然，如果倾动样品，不同晶粒或相区之间的衍当然，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，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并不是真正的孔洞。因为那另一边的晶体毕竟并不是真正的孔洞。
37、堆垛层镜的衬度 层错是晶体中最简单的平面型缺陷，是晶体内局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，即层错面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，典所以，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型的如面心立方晶体的111111平面上，层错面两侧平面上，层错面两侧分别是位向相同的两块理想晶体。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 1/61
38、12112，它们分别代表着层，它们分别代表着层错生成的两种机制。错生成的两种机制。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附），可以计算下部晶体的附加位相角加位相角=2g=2gR R，如果把，如果把R R 1/31/3111111或者或者 1/61/6112112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考虑到面心立方晶体的操作反射g为为hkl全奇或全偶，
39、全奇或全偶，则则只有只有0、和、和2/32/3三种可能的值。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度时，将在图像中观察到它们的衬度 )(32lkh)2(62lkh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，层错所在的区域会有不同于无层错区域的亮度；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-
40、147-14，在，在00的条的条件下，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。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（薄膜总（薄膜总厚度厚度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=ntg=n/s=n/s时，合成振幅与无层错区域的理想晶体柱没有差别，时，合成振幅与无层错区域的理想晶体柱没有差别，而在而在t
41、1n/st1n/s处，合成振幅发生变化，从而形成了与孪晶界等处，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；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转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。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 倾斜于薄膜表面的层倾斜于薄膜表面的层错，见图错，见图7-147-14，在，在00的条件下，表现的条件下，表现为平行于层错面与薄为平行于层错面与薄膜上、下表现交线的膜上、下表现交线的亮暗相间条纹亮暗相间条纹条纹衬度特
42、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 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PQPQ。根据螺型位错线周围原子根据螺型位错线周围原子的位移特性，可以确定缺的位移特性，可以确
43、定缺陷矢量陷矢量R R的方向和布氏矢的方向和布氏矢量量b b方向一致。方向一致。位错的衬度 图中图中x x表示晶柱和位错线之间的水平距离，表示晶柱和位错线之间的水平距离，y y表示位错线至表示位错线至膜上表面的距离，膜上表面的距离，z z表示晶柱内不同深度的坐标，薄晶体表示晶柱内不同深度的坐标，薄晶体的厚度为的厚度为t t。因为晶柱位于螺型位错的应力场之中，晶柱。因为晶柱位于螺型位错的应力场之中，晶柱内各点应变量都不相同，因此各点上内各点应变量都不相同，因此各点上R R矢量的数值均不相矢量的数值均不相同，即同，即R R应是坐标应是坐标z z的函数。为了便于描绘晶体的畸变特点，的函数。为了便于描
44、绘晶体的畸变特点，把度量把度量R R的长度坐标转换成角坐标的长度坐标转换成角坐标，其关系如下，其关系如下 从式中可以看出晶柱位置确定后（从式中可以看出晶柱位置确定后（x x和和y y一定），一定），R R是是z z的函的函数。因为晶体中引入缺陷矢量后，其附加位相角数。因为晶体中引入缺陷矢量后，其附加位相角=2g=2ghklhklR R，故，故2bR2bR xyz 1tanxyzbR1tan2nxyzbghkl1tan位错的衬度 g ghklhklb b可以等于零，也可以是正、负的整数。如果可以等于零，也可以是正、负的整数。如果g ghklhklb b=0=0，则附加位相角就等于零，此时即使有螺
45、，则附加位相角就等于零，此时即使有螺位错线存在也不显示衬度。如果位错线存在也不显示衬度。如果g ghklhklb0b0，则螺，则螺位错线附近的衬度和完整晶体部分的衬度不同位错线附近的衬度和完整晶体部分的衬度不同.g ghklhklb b=0=0称为位错线不可见性判据称为位错线不可见性判据，利用它可以确利用它可以确定位错线的布氏矢量。因为定位错线的布氏矢量。因为g ghklhklb b=0=0表示表示g ghklhkl和和b b相相垂直，如果选择两个垂直，如果选择两个g g矢量作操作衍射时，位错线矢量作操作衍射时，位错线均不可见，则就可以列出两个方程，即均不可见，则就可以列出两个方程，即0022
46、2111bgbglkhlkh位错线不可见性判据位错线不可见性判据 如果gb=0，则位错的衍衬像不可见。由此规则可以确位错的Burgers矢量：B g1b=0 g2b=0则 b/g1g2刃型位错衬度的产生及其特征 位错引起它附近晶位错引起它附近晶面的局部转动，意面的局部转动，意味着在此应变场范味着在此应变场范围内，（围内，（hklhkl）晶面）晶面存在着额外的附加存在着额外的附加偏差偏差 。位错线的像将出现位错线的像将出现在其实际位置的另在其实际位置的另一侧。一侧。位错线的像总是有位错线的像总是有一定的宽度一定的宽度 对应对应“应变场衬度应变场衬度”S位错衬度位错衬度五、第二相粒子衬度 这里指的
47、第二相粒子主要是这里指的第二相粒子主要是指那些和基体之间处于共格指那些和基体之间处于共格或半共格状态的粒子。或半共格状态的粒子。它们的存在会使基体晶格发它们的存在会使基体晶格发生畸变，由此就引入了缺陷生畸变，由此就引入了缺陷矢量矢量R R，使产生畸变的晶体，使产生畸变的晶体部分和不产生畸变的部分之部分和不产生畸变的部分之间出现衬度的差别，因此，间出现衬度的差别，因此，这类衬度被称为应变场衬度。这类衬度被称为应变场衬度。第二相粒子衬度 以球形共格粒子为例，粒子周围基体中晶格的结点原子产以球形共格粒子为例，粒子周围基体中晶格的结点原子产生位移，结果使原来的理想晶柱弯曲成弓形，两者衍射波生位移，结果
48、使原来的理想晶柱弯曲成弓形，两者衍射波振幅必然存在差别。振幅必然存在差别。但是，凡通过粒子中心的晶面都没有发生畸变但是，凡通过粒子中心的晶面都没有发生畸变,这些晶面上这些晶面上不存在任何缺陷矢量（即不存在任何缺陷矢量（即R=0R=0，=0=0），从而使带有穿过粒），从而使带有穿过粒子中心晶面的基体部分也不出现缺陷衬度。子中心晶面的基体部分也不出现缺陷衬度。球形共格沉淀相的明场像中，粒子分裂成两瓣，中间是个球形共格沉淀相的明场像中，粒子分裂成两瓣，中间是个无衬度的线状亮区（如图无衬度的线状亮区（如图7-19b7-19b所示）。所示）。操作矢量操作矢量g g正好和这条衬度线重直，这是因为衍射晶面正
49、好正好和这条衬度线重直，这是因为衍射晶面正好通过粒子的中心，晶面的法线为通过粒子的中心，晶面的法线为g g方向，电子束是沿着和中方向，电子束是沿着和中心无畸变晶面接近平行的方向入射的，根据这个道理，若心无畸变晶面接近平行的方向入射的，根据这个道理，若选用不同的操作矢量，无衬度线的方位将随操作矢量而变。选用不同的操作矢量，无衬度线的方位将随操作矢量而变。操作矢量操作矢量g g与无衬度线成与无衬度线成9090角。角。第二相粒子衬度 在进行薄膜衍衬分析时，样品中的第二相粒子不一定都会在进行薄膜衍衬分析时，样品中的第二相粒子不一定都会引起基体晶格的畸变，因此在荧光屏上看到的第二相粒子引起基体晶格的畸变
50、，因此在荧光屏上看到的第二相粒子和基体间的衬度差别主要是下列原因造成的。和基体间的衬度差别主要是下列原因造成的。1 1第二相粒子和基体之间的晶体结构以及位向存在差别，第二相粒子和基体之间的晶体结构以及位向存在差别，由此造成的衬度。利用第二相提供的衍射斑点作暗场像，由此造成的衬度。利用第二相提供的衍射斑点作暗场像，可以使第二相粒子变亮。这是电镜分析过程中最常用的验可以使第二相粒子变亮。这是电镜分析过程中最常用的验证与鉴别第二相结构和组织形态的方法。证与鉴别第二相结构和组织形态的方法。2 2第二相的散射因子和基体不同造成的衬度。如果第二第二相的散射因子和基体不同造成的衬度。如果第二相的散射因子比基
