选区电子衍射分析.doc

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选区电子衍射分析实验报告

一、实验目的

1、掌握进行选区衍射的正确方法；

2、学习如何对拍摄的电子衍射花样进行标定；

3、通过选区衍射操作，加深对电子衍射原理的了解。

二、实验内容

1、复习电镜的操作程序、了解成像操作、衍射操作的区别与联系；

2、以复合材料（Al2O3+TiB2）/Al为观察对象，进行选区衍射操作，获得衍射花样；

3、对得到的单晶和多晶电子衍射花样进行标定。

三、实验设备和器材

JEM-2100F型TEM透射电子显微镜

四、实验原理

选区电子衍射就是对样品中感兴趣的微区进行电子衍射，以获得该微区电子衍射图的方法。

选区电子衍射又称微区衍射，它是通过移动安置在中间镜上的选区光栏（又称中间镜光栏），使之套在感兴趣的区域上，分别进行成像操作或衍射操作，实现所选区域的形貌分析和结构分析。

图1即为选区电子衍射原理图。

平行入射电子束通过试样后，由于试样薄，晶体内满足布拉格衍射条件的晶面组（hkl）将产生与入射方向成2θ角的平行衍射束。

由透镜的基本性质可知，透射束和衍射束将在物镜的后焦面上分别形成透射斑点和衍射斑点，从而在物镜的后焦面上形成试样晶体的电子衍射谱，然后各斑点经干涉后重新在物镜的像平面上成像。

如果调整中间镜的励磁电流，使中间镜的物平面分别与物镜的后焦面和像平面重合，则该区的电子衍射谱和像分别被中间镜和投影镜放大，显示在荧光屏上。

显然，单晶体的电子衍射谱为对称于中心透射斑点的规则排列的斑点群。

多晶体的电子衍射谱则为以透射斑点为中心的衍射环。

非晶则为一个漫散的晕斑。

（a）单晶（b）多晶（c）非晶

图2电子衍射花样

五、实验步骤

通过移动安置在中间镜上的选区光栏（又称中间镜光栏），使之套在感兴趣的区域上，分别进行成像操作或衍射操作，实现所选区域的形貌分析和结构分析。

具体步骤如下：

（1）由成像操作使物镜精确聚焦，获得清晰形貌像。

（2）插入尺寸合适的选区光栏，套住被选视场，调整物镜电流，使光栏孔内的像清晰，保证了物镜的像平面与选区光栏面重合。

（3）调整中间镜的励磁电流，使光栏边缘像清晰，从而使中间镜的物平面与选区光栏的平面重合，这也使选区光栏面、物镜的像平面和中间镜的物平面三者重合，进一步保证了选区的精度。

（4）移去物镜光栏（否则会影响衍射斑点的形成和完整性），调整中间镜的励磁电流，使中间镜的物平面与物镜的后焦面共面，由成像操作转变为衍射操作。

电子束经中间镜和投影镜放大后，在荧光屏上将产生所选区域的电子衍射图谱，对于高档的现代电镜，也可操作“衍射”按钮自动完成。

（5）需要照相时，可适当减小第二聚光镜的励磁电流，减小入射电子束的孔径角，缩小束斑尺寸，提高斑点清晰度。

微区的形貌和衍射花样可存同一张底片上。

六、电子衍射花样的标定方法

电子衍射花样的标定：

即衍射斑点指数化，并确定衍射花样所属的晶带轴指数[uvw]，对未知其结构的还包括确定点阵类型。

（一）、单晶

单晶体的电子衍射花样有简单和复杂之分，简单衍射花样即电子衍射谱满足晶带定律（hu+kv+lw=0），通常又有已知晶体结构和未知晶体结构两种情况。

已知晶体结构的花样标定：

（1）确定中心斑点，按距离由小到大依次排列：

，

各斑点之间的夹角依次为；

（2）由相机常数K和得相应的晶面间距；

（3）由已知的晶体结构和晶面间距公式，结合PDF卡片，分别定出对应的

晶面族指数；

（4）假定距中心斑点最近的斑点指数。

若最小，设其晶面指数为晶面族中的一个，即从晶面族中任取一个作为的斑点指数。

（5）确决定第二个斑点指数。

由晶面族中取一个代入公式计算夹角当计算值与实测值一致时，即可确定。

当计算值与实测值不符时，则需重新选择，直至相符为止，从而定出。

注意，是晶面族中的一个，仍带有一定的任意性。

（6）由确定了的两个斑点指数和，通过矢量合成其它点

（7）定出晶带轴[uvw]。

（8）系统核查各过程，算出晶格常数。

未知晶体结构的花样标定：

当晶体的点阵结构未知时，首先分析斑点的特点，确定其所属的点阵结构，然后再由前面所介绍的8步骤标定其衍射花样。

其点阵结构主要从斑点的对称特点或值的递增规律来确定。

具体步骤：

（1）判断是否简单电子衍射谱。

如是则选择三个与中心斑点最近斑点：

P1、P2、P3，并与中心构成平行四边形，并测量三个斑点至中心的距离。

（2）测量各衍射斑点间的夹角。

（3）由rd=Lλ,将测的距离换算成面间距di。

（4）由试样成分及处理工艺及其它分析手段，初步估计物相，并找出相应的卡

片，与实验得到的di对照，得出相应的{hkl}.

（5）用试探法选择一套指数，使其满足矢量叠加原理。

（6）由已标定好的指数，根据ASTM卡片所提供的晶系计算相应的夹角，检验

计算的夹角是否与实测的夹角相符。

（7）若各斑点均已指数化，夹角关系也符合，则被鉴定的物相即为STAM卡片

相，否则重新标定指数。

（8）定其晶带轴。

（二）、多晶

多晶体的电子衍射花样等同于多晶体的X射线衍射花样，为系列同心圆。

其花样标定相对简单，同样分以下两种情况：

1、已知晶体结构

具体步骤如下：

（1）测定各同心圆直径Di，算得各半径Ri；

（2）由Ri/K（K为相机常数）算得1/di；

（3）对照已知晶体PDF卡片上的di值，直接确定各环的晶面指数{hkl}。

2、未知晶体结构

具体标定步骤如下：

（1）测定各同心圆的直径Di，计得各系列圆半径Ri；

（2）由Ri/K（K为相机常数）算得1/di；

（3）由由小到大的连比规律，推断出晶体的点阵结构；

（4）写出各环的晶面族指数{hkl}。

七、成像示例和电子衍射花样的标定

（一）、选区电子衍射所成的清晰形貌像

（二）、单晶和多晶的电子衍射花样标定

1、单晶（纯铝FCC）

如上图所示，以图上标尺为依据，测出

由于标尺的单位是1/nm，由量出的r直接取倒数即为晶面间距d。

由公式d=1/r，求得d1=0.24nm，d2=0.1429nm，d3=0.1224nm。

的PDF卡片如下：

由PDF卡片得r1、r2、r3的hkl分别为111、220、311

FCC的消光规律：

当奇偶混杂时，。

以上三个晶面族均不符合消光条件。

任意选定晶面=，则选择=220，=311。

由夹角公式：

将、和、分别代入，解得，。

即90°，32°。

计算值与实测值一致。

所以三个斑点的指数（）、（）、（）可以确定为（）、（220）、（311）。

其它各斑点的指数均可通过矢量合成法求得。

通过公式：

将=，=220代入，得晶带轴[uvw]=[]。

2、多晶（未知晶体结构）

由上图可测锝，各系列圆半径Ri。

又由于标尺的单位是1/nm，由量出的R直接取倒数即为晶面间距d，即d=1/R。

所以，1/di=Ri。

由测量结果Ri可得1/d1=60，1/d2=68.89，1/d3=97.78，

1/d4=115.56。

由此，得1/由小到大的连比，为

根据下面的表格：

符合面心立方的连比规律，所以，该晶体的点阵结构为面心立方。

前四个环的晶面族指数分别为、、、。

八、实验注意事项

注意光栏的合理选择。

九、思考题

1、什么是相机常数和有效相机常数。

衍射花样的形成原理图

如上图所示，由于衍射角很小，可以认为，这样相似于，因而存在以下关系：

令，所以，此式即为电子衍射的基本公式，式中称为相机常数，L称为相机长度。

透射电镜电子衍射原理图

而实际中，电镜中的衍射花样是物镜后焦面的衍射斑点经过几级透镜放大后在底片上成的像，则相机长度L不能象电子衍射仪那样简单的计算为试样至底片的距离，而应根据后焦面上衍射斑点被放大的倍数，折算成衍射仪相机长度，成为有效相机长度。

而称为有效相机常数。

2、单晶体、多晶体、非晶体的电子衍射花样的特征是什么？

单晶体的电子衍射花样由排列的十分整齐的许多斑点组成。

多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环.。

非晶态物质的电子衍射花样只有一个漫散的中心斑点.。

（a）单晶（b）多晶（c）非晶

电子衍射花样

3、选区衍射的作用是什么？

为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。

对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。

由于样品上待分析的微区很小，一般是微米量级。

如果直接用光阑在样品上进行选择分析区域，则制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的像平面位置。

这样布置达到的效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。

但光阑孔的直径就可以做的比较大。

如果物镜的放大倍数是50倍，则一个直径等于50μm的光阑就可以选择样品上直径为1μm的区域。

这样光阑孔的制备以及污染后的清理均容易的多。

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