电子衍射及衍射花样标定课件.ppt

1、电子衍射及衍射电子衍射及衍射花样标定花样标定主要内容主要内容 2.2.电子电子显微镜中的电子衍射显微镜中的电子衍射3.3.多晶体多晶体电子衍射花样电子衍射花样1.1.电子衍射的原理电子衍射的原理 4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样电子衍射花样特征电子衍射花样特征u电子束照射电子束照射单晶体：一般为斑点花样；多晶体：同心圆环状花样；织构样品：弧状花样；无定形试样（准晶、非晶）：弥散环。1.1.电子衍射的原理电子衍射的原理 1 1）斑点花样斑点花样：平行入射束与单晶作用产生斑点状平行入射束与单晶作用产生斑点状 花样；主要用于确定第二象、孪晶、有

2、序化、调幅结构、花样；主要用于确定第二象、孪晶、有序化、调幅结构、取向关系、成象衍射条件；取向关系、成象衍射条件；2 2）菊池线花样菊池线花样：平行入射束经单晶非弹性散射失去很少能量，平行入射束经单晶非弹性散射失去很少能量，随之又遭到弹性散射而产生线状花样；主要用于衬度分析、随之又遭到弹性散射而产生线状花样；主要用于衬度分析、结构分析、相变分析以及晶体的精确取向、布拉格位置偏结构分析、相变分析以及晶体的精确取向、布拉格位置偏移矢量、电子波长的测定等；移矢量、电子波长的测定等；3 3）会聚束花样会聚束花样：会聚束与单晶作用产生盘、线状花样；可以会聚束与单晶作用产生盘、线状花样；可以用来确定晶体试

3、样的厚度、强度分布、取向、点群、空间用来确定晶体试样的厚度、强度分布、取向、点群、空间群以及晶体缺陷等。群以及晶体缺陷等。1.1.电子衍射的原理电子衍射的原理 u衍射花样的分类衍射花样的分类112 2q qd1oo GG RL试样试样入射束入射束厄瓦尔德球厄瓦尔德球倒易点阵倒易点阵底板底板 电子衍射花样形成示意图电子衍射花样形成示意图1.1.电子衍射的原理电子衍射的原理 vBraggBragg定律：定律：2d sin=2d sin=d=晶面间距 电子波长=Bragg 衍射角v衍射花样投影距离：衍射花样投影距离：当很小 tan22 sin rd=L=rd=L=常数常数q2tanLr rOGq q

4、q qq qGLd1.1.电子衍射的原理电子衍射的原理 u衍射花样与晶体的几何关系衍射花样与晶体的几何关系v 利用金膜测定相机常数利用金膜测定相机常数由里至外测量由里至外测量R R，找到对应的，找到对应的d,d,根据根据Rd=L Rd=L 测得测得200KV200KV得到金环，由内到外直径得到金环，由内到外直径2R2R依次为：依次为：17.46mm,20.06mm,28.64mm,33.48mm;17.46mm,20.06mm,28.64mm,33.48mm;对应指数（对应指数（111111），），（200200），（），（220220），（），（311311）；）；对应面间距对应面间距d d

5、分别为分别为0.2355nm,0.2039nm,0.1442nm,0.1230nm0.2355nm,0.2039nm,0.1442nm,0.1230nm K=RdK=Rd2 2.电子电子显微镜中的电子衍射显微镜中的电子衍射u相机常数测定相机常数测定 选区衍射就是在样品上选择一个感兴趣的区域，并限制其大小，得到该微区电子衍射图的方法。也称微区衍射。两种方法：两种方法：v光阑选区衍射（光阑选区衍射（Le PoolLe Pool方式）方式）-用位于物镜象平面上的选区光阑限制微区大小。先在明场象上找到感兴趣的微区，将其移到荧光屏中心，再用选区光阑套住微区而将其余部分挡掉。理论上，这种选区的极限0.5m

6、。v微束选区衍射微束选区衍射-用微细的入射束直接在样品上选择感兴趣部位获得该微区衍射像。电子束可聚焦很细，所选微区可小于0.5m。可用于研究微小析出相和单个晶体缺陷等。目前已发展成为微束衍射技术。u选区电子衍射选区电子衍射2 2.电子电子显微镜中的电子衍射显微镜中的电子衍射花样分析分为两类：花样分析分为两类：一是结构已知，确定晶体缺陷及有关数据或相关一是结构已知，确定晶体缺陷及有关数据或相关过程中的取向关系；过程中的取向关系；二是结构未知，利用它鉴定物相。指数标定是基二是结构未知，利用它鉴定物相。指数标定是基础。础。u电子衍射花样电子衍射花样2 2.电子电子显微镜中的电子衍射显微镜中的电子衍射

7、u花样花样 与与X X射线衍射法所得花样的几何特征相似，由射线衍射法所得花样的几何特征相似，由一系列不同一系列不同半径的同心圆环半径的同心圆环组成，是由组成，是由辐照区内大量取向杂乱无章的细辐照区内大量取向杂乱无章的细小晶体颗粒小晶体颗粒产生，产生，d d值相同的同一值相同的同一(hkl)(hkl)晶面族所产生的衍射晶面族所产生的衍射束，构成以入射束为轴，束，构成以入射束为轴，2 2为半顶角的园锥面，它与照相为半顶角的园锥面，它与照相底板的交线即为半径为底板的交线即为半径为R=LR=L/d/dK/dK/d的的圆圆环环。R R和和1/d1/d存在简单的正比关系存在简单的正比关系对立方晶系：对立方

8、晶系：1/d1/d2 2=（h h2 2+k+k2 2+l+l2 2）/a/a2 2N/aN/a2 2通过通过R R2 2比值确定环指数和点阵类型。比值确定环指数和点阵类型。3.3.多晶体多晶体电子衍射花样电子衍射花样A)晶体结构已知：测R、算R2、分析R2比值的递增规 律，定N，求(hkl)和a 。如已知K,也可由d=K/R求d对照ASTM求(hkl)。B)晶体结构未知：测R、算R2、R22R12，找出最接近的整数比规律、根据消光规律确定晶体结构类型、写出衍射环指数(hkl)，算a。如已知K,也可由d=K/R求d对照ASTM求(hkl)和a,确定样品物相。已知晶体结构，标定相机常数，一般用A

9、u,FCC,a=0.407nm，也可用内标。物相鉴定：大量弥散的萃取复型粒子或其它粉末粒子。3.3.多晶体多晶体电子衍射花样电子衍射花样u分析方法分析方法u主要用途主要用途 基本任务基本任务v确定花样中斑点的指数及其晶带轴方向uvw；v确定样品的点阵类型、物相和位向。一般分析任务可分为两大类：一般分析任务可分为两大类：v测定新结构，这种结构的参数是完全未知的，在ASTM卡片中和其它文献中都找不到；v鉴定旧结构，这种结构的参数前人已作过测定，要求在这些已知结构中找出符合的结构来。4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定u单晶花样分析的任务单晶花样分析的任务 主要方法有：主要方法有：尝试校

10、核法尝试校核法 标准花样对照法标准花样对照法 标定步骤：标定步骤：v 1 1）选择靠近中心且不在一直线上）选择靠近中心且不在一直线上 的几个斑点，测量它们的的几个斑点，测量它们的R R值；值；v 2 2）利用）利用R R2 2比值的递增规律确定点阵类型和这几个斑点所属的晶面比值的递增规律确定点阵类型和这几个斑点所属的晶面族指数族指数hklhkl。如果已知样品和相机常数，可分别计算产生这几个斑点的晶面如果已知样品和相机常数，可分别计算产生这几个斑点的晶面间距（间距（R RK Kd d），并与标准），并与标准d d值比较直接写出值比较直接写出hklhkl；4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花

11、样标定u单晶电子衍射花样的指数化标定基本程序v 3 3）进一步确定晶面组指数（）进一步确定晶面组指数（hklhkl）。）。尝试校核法：尝试校核法：首先根据斑点所属的首先根据斑点所属的hkl,hkl,任意假定其中一个任意假定其中一个斑点的指数，如斑点的指数，如h1k1l1，再根据，再根据 和和 的夹角测量值与计算的夹角测量值与计算值相符的原则，确定第二个斑点的指数值相符的原则，确定第二个斑点的指数h h2 2k k2 2l l2 2。夹角可通过计算或查表得到。立方体的夹角计算公式：v 4 4）其余斑点的指数，可由）其余斑点的指数，可由 的矢量运算得到，必要时也应反复验算的矢量运算得到，必要时也应

12、反复验算夹角。夹角。1R2R)(cos222222212121212121lkhlkhl lkkhhR33333333213213213213,llkkhhRRlllkkkhhhRRR4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定求晶带轴指数求晶带轴指数：逆时针法则逆时针法则 11 1h k l22 2h k lF排列按逆时针排列按逆时针v5 5）任取不在同直线上的两个斑点）任取不在同直线上的两个斑点 （如（如h h1 1k k1 1l l1 1和和h h2 2k k2 2l l2 2 ）确定晶带轴指数确定晶带轴指数uvwuvw。wvullkhlkkhlkhhRRuvw21222211112

13、1214 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定电子衍射斑点花样的几何图形：电子衍射斑点花样的几何图形：可能归属可能归属 立方，四方立方，四方六方、三方、立方六方、三方、立方单斜、正交、四方、六方、单斜、正交、四方、六方、三方、立方三方、立方（除三斜）（除三斜）单斜、正交、四方、六方单斜、正交、四方、六方三方、立方三方、立方（除三斜）（除三斜）（1 1）正方形）正方形（2 2）正六角形）正六角形（3 3）有心矩形）有心矩形000010001（4 4）矩形）矩形（5 5）平行四边形）平行四边形三斜、单斜、正交、四方、六三斜、单斜、正交、四方、六方、三方、立方方、三方、立方（所有）（所有）4

14、 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定v 例1，如图为某一电子衍射花样，试标定。已知，RA=7.3mm，RB=12.7mm，RC=12.6mm，RD=14.6mm，RE=16.4mm，=73；加速电压200kV，相机长度800mm。000ABEDC4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定u单晶电子衍射花样标定实例单晶电子衍射花样标定实例3111011211011213173gg112110验证0.388nma311311数此为体心立方，点阵常），或倒易面为（晶带轴为斑点编号斑点编号 A B C D ER/mm 7.3 12.7 12.6 14.6 16.4R2 53.29 16

15、1.29 158.76 213.16 268.96Rj2/RA2 1 3.03 2.98 4 5.05(Rj2/RA2)2 2 6.05 5.96 8 10.1N 2 6 6 8 10hkl 110 211 211 220 310Hkl 110 220 3014 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定112121v例例2 2：下图为某物质的电子衍射花样：下图为某物质的电子衍射花样 ，试指标化并求其晶，试指标化并求其晶胞参数和晶带方向。胞参数和晶带方向。R RA A7.1mm,R7.1mm,RB B10.0mm,R10.0mm,RC C=12.3mm,=12.3mm,(R(RA AR RB

16、 B）9090o o,(r(rA Ar rC C）5555o o,L,L 14.1mm 14.1mm.4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定CA 002000B211011211200211101121解解1 1：1）从6:4:2:321222NNNRRRCBA可知为等轴体心结构。2）从 rd=L,可得 dA=1.99 ，dB=1.41,dC=1.15.3）查 ASTM 卡片，该物质为 Fe.从 ASTM 可知 dA=110,dB=200,dC=211.选 A=,B=002,C=2110114 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定CA002000B21101121120021

17、11011214)检查夹角：007.54,31cos,90,0cosACACABAB4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定 与测量值一致。5)对各衍射点指标化如右：6)a=2dB=2.83,7)可得到 uvw=220.晶带轴为 uvw=110。CA002000B211011211200211101121解解2 2：1）由可知为等轴体心结构。2）因为 N=2在A，所以 A 为 110,并假定点 A 为 011因为 N=4在B，所以 B 为 200,并假定点 B 为 200 6:4:2:321222NNNRRRCBA4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定3）计算夹角：02222

18、22212121212121452242000121coslkhlkhl lkkhhAB与测量值不一致。测量值(RARB）90o4）假定B 为 002,与测量值一致。所以 A=and B=002011由矢量合成法，得知：211002011BAcRRR5）算出(RARC)=57.74o 与测量值一致（55o）.4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定6）对各衍射点指标化如下。7）a=2dB=2.83,8）Find uvw=11021gg4 4.单晶单晶电子衍射花样标定电子衍射花样标定CA002000B211011211200211101121u双晶带引起的斑点花样双晶带引起的斑点花样u高

19、阶劳厄斑点高阶劳厄斑点u超点阵斑点超点阵斑点u二次衍射斑点二次衍射斑点u孪晶斑点孪晶斑点u菊池衍射花样菊池衍射花样简单花样简单花样：单质或均匀固溶体的散射，由近似平行于：单质或均匀固溶体的散射，由近似平行于 B B的晶带轴所产生的晶带轴所产生复杂花样复杂花样：在简单花样中出现许多：在简单花样中出现许多“额外斑点额外斑点”，分，分析析 目的在于辩认额外信息，排除干扰。目的在于辩认额外信息，排除干扰。5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样原因：原因：Ewald球是一个有一定曲率的球面，可能使两个晶带轴指数相差不大的晶带的0层倒易面同时与球面相截，产生分属于两个晶带的两套衍射斑点。产生些情况必须具

20、备的条件为：r r1 1,r,r2 2夹角很小；g g1 1.r.r2 2 0,g 0,g2 2.r.r1 100图图 铁素体电子衍射花样铁素体电子衍射花样现象：现象：一边一套衍射斑（右图）标定方法标定方法：同简单花样。验证标定结果采用上述必备条件。5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样u双晶带引起的斑点花样双晶带引起的斑点花样l 点阵常数较大的晶体，其倒易点阵的倒易面间距较小，如果晶体很薄，则倒易杆很长，因此与厄瓦尔德球面相交的不只是零层倒易面，其上层或下层的倒易平面上倒易杆均有可能和厄瓦尔德球面相交，从而形成高阶劳厄区，如图。l 高阶劳厄斑点并不构成一个晶带，它们符合广义晶带定律。由于高

21、阶斑点和零层斑点分布规律相同，因此只要求出它们之间的水平位移矢量，便可对高阶劳厄区斑点进行标定。l 高阶劳厄斑点可以给出晶体更多的信息，如可消除180度不唯一性和测定晶体厚度。5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样u高阶劳厄斑点高阶劳厄斑点l 当晶体内部的原子或离子产生有规律的位移或不同种原子产生有序排列时，将引起其电子衍射结果的变化，即可以使本来消光的斑点出现，这种额外的斑点称为超点阵斑点超点阵斑点。l AuCu3合金是面心立方固溶体，在无序相情况下，Au原子和Cu原子是随机地分布在晶胞中的四个原子位置，因此它符合面心立方的一般消光规律；在一定条件下，它会形成有序固溶体，其中Cu原子位于面

22、心，Au原子位于顶点，如图。5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样u超点阵斑点超点阵斑点l 原理：原理：电子通过晶体时，产生的较强，它们常常可以作为新的入射线，在晶体中再次产生衍射。l 现象：现象：重合：强度反常；不重合：多出斑点或出现“禁止斑点”。l 场合：场合：多发生在两相合金衍射花样内，如基体与析出相；同结构不同方位的晶体之间，如孪晶，晶界附近；同一晶体内部l 判断：判断：二次衍射起因于花样的对称性，所以可以通过将试样绕强衍射斑点倾斜10左右以产生双束条件，即透射束和一去强衍射束。若起因于二次衍射，在双束条件政斑点就会消失；若部分强度起因于这种作用，强度就会减弱。也可用二次衍射斑形成中心暗场象来区分，如晶界会亮。5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样u二次衍射斑点二次衍射斑点原理：原理：在凝固、相变和再结晶变形过程中，晶体内的一部分相对于基体按一定的对称关系成长，即形成孪晶。如以孪晶面为镜面反映，或以孪晶面的法线为轴，旋转60、90、120、180，多数为180，可以与另一晶体相重。晶体中的这种孪晶关系自然也反映在相应的倒易点阵中，从而由相应的衍射花样中反映出来。现象：现象：出现的额外孪晶斑与基体斑有一定的距离，如立方晶系中为13判断：判断：倾斜试样或用暗场5 5.复杂复杂电子衍射花样电子衍射花样u孪晶斑点孪晶斑点