10電子衍射學(xué)習(xí)課程

1、20406080100relative intensity(cps)2 Bulk materials Coatings 1 Coatings 2111200220311222400331420422X射線衍射多晶電子衍射單晶電子衍射第1頁/共68頁第一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。電子衍射與X射線衍射的比較 1.單原子散射的特性： （E）： 受原子核散射 （X）：受核外電子散射2.衍射波長及衍射角： （E）：10-3 nm，衍射角2從03 （X）：10-1 nm，衍射角2從01803.衍射斑點強度4.輻射深度：(E)：低于1m數(shù)量級 (X)：低于100m數(shù)量級5.作用樣品體積：(E)：

2、(X)：6.晶體位向測定精度： (E)：用斑點花樣測定，約3 (X)：優(yōu)于176XE1010 /II393mm 10m 1V3mm510.V相 似 性差 異 性1.波的疊加性導(dǎo)致： 布拉格公式 結(jié)構(gòu)因子 消光規(guī)律2.衍射花樣類型： 單晶花樣 多晶花樣3.單晶花樣能確定晶體位向注：（E）表示電子衍射，（X）表示X射線衍射。第2頁/共68頁第二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。一、電子衍射的特點 （1）電子衍射也遵循布拉格方程 Ewald作圖法 sin2d第3頁/共68頁第三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。厄瓦爾德圖：衍射矢量方程與倒易點陣結(jié)合， 表示衍射條件與衍射方向CP1P2*O*1Pr

3、*2Pr厄瓦爾德球：在上任取一點C為球心，以入射線波長的倒數(shù)為半徑的球。第4頁/共68頁第四頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第5頁/共68頁第五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。產(chǎn)生衍射的條件：若以入射線與反射球的交點為原點，形成倒易點陣，只要倒易點落在反射球面上，對應(yīng)的點陣面都能滿足布拉格條件。衍射線方向為反射球心射向球面上倒易結(jié)點的方向。第6頁/共68頁第六頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 * sin/2sin1/ 21/sin2 sinO DOOgkdd第7頁/共68頁第七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（2）電子衍射的衍射角小得多 0.01弧度1 sin2d2021010

4、102sind第8頁/共68頁第八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。結(jié)論：電子衍射斑點是集中在O點周圍附近的，可以近似認(rèn)為這些斑點是處在垂直于入射電子束的平面上。常常將電子衍射譜視為倒易點陣的二維截面。所以，電子衍射花樣簡單、直觀。 第9頁/共68頁第九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（3）電子散射為核散射，故物質(zhì)對電子的散射作用強，其強度約為X射線的一百萬倍結(jié)果：攝照時曝光時間短，僅需幾秒鐘； 電子的穿透能力大大下降，要求試樣薄，使制樣困難； 衍射束與透射束強度相當(dāng)，容易產(chǎn)生交互作用，會使得衍射花樣強度分析困難、精度低。 第10頁/共68頁第十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（4）

5、利用電子衍射，可以對同一試樣同時進 行形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析。 第11頁/共68頁第十一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。標(biāo)準(zhǔn)電子衍射花樣 標(biāo)準(zhǔn)電子衍射花樣是指標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面的比例圖像。倒易點陣的指數(shù)就是衍射斑點的指數(shù)。第12頁/共68頁第十二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。零層倒易截面第13頁/共68頁第十三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。標(biāo)準(zhǔn)電子花樣兩個條件：1 晶帶定理 2 不產(chǎn)生消光1 1 12 2 21 22 11 22 1122 100hklh k lh k lgrhukvlwuvwgguk lk lvl hl hwhkh k 第14頁/共68頁第十四頁，編輯于星期四：二十

6、一點 十六分。 思考：體心立方【001】、【011】晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面。 思考：面心立方【001】、【011】晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面。 思考：面心立方與體心中晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面的區(qū)別。第15頁/共68頁第十五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。當(dāng)入射束與點陣平面的夾角正好滿足布拉格公式時才有可能產(chǎn)生衍射，否則衍射強度為零 。晶體形狀的倒易陣點擴展 OKO*ghkl(uvw)0*標(biāo)準(zhǔn)電子衍射花樣形成圖第16頁/共68頁第十六頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。實際情況：一則真實晶體的大小是有限的，二則晶體內(nèi)部還含有各式各樣的晶體缺陷，因此衍射束的強度分布有一定的角范圍，相應(yīng)的倒易陣點也是

7、有一定的大小和幾何形狀的點。在尺寸很小的晶體中，倒易陣點要擴展，薄片晶體的倒易陣點拉長為倒易“桿”，棒狀晶體為倒易“盤”，細(xì)小顆粒晶體則為倒易“球” 。 第17頁/共68頁第十七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第18頁/共68頁第十八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第19頁/共68頁第十九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。樣品尺寸小 傾斜入射電子束 BOTH第20頁/共68頁第二十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。三、電子衍射基本公式與相機常數(shù)1、衍射基本公式 第21頁/共68頁第二十一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。2tgLRdd2sin222 tgLR/hklRLdLgK=

8、LK=L，為常數(shù)，稱為，為常數(shù)，稱為相機常數(shù)相機常數(shù)。hklRK g第22頁/共68頁第二十二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 2、透射電鏡的相機常數(shù)0frd 0/1/ 1/1/R Lrfdg第23頁/共68頁第二十三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。設(shè)中間鏡放大倍數(shù)為Mi，投影鏡放大倍數(shù)為Mp，則底版上衍射斑與透射斑間的距離為：令 ，稱為有效鏡筒長度 其中， 稱為有效相機常數(shù) pipiMMdfMMrR0PiMMfRd0 LRdLMMfpi0KL第24頁/共68頁第二十四頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。3、相機常數(shù) （1）計算相機常數(shù) KLR d0iPf M M第25頁/共68頁第二

9、十五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（2）利用金膜測定相機常數(shù) 200KV加速電壓下測得的多晶金的衍射花樣 ：第26頁/共68頁第二十六頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 2R1=17.46mm R1=8.730mm 2R2=20.06mm R2=10.03mm 2R3=28.64mm R3=14.32mm 2R4=33.48mm R4=16.74mm (111) 面 d111=0.2355nm (200) 面 d200=0.2039nm (220) 面 d220=0.1442nm (311) 面 d311=0.1230nm 第27頁/共68頁第二十七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。

10、 mmnm mmnm mmnm mmnm取平均值： mmnm0559. 211111dRK0451. 220022dRK0649. 222033dRK0590. 231144dRK0562. 244321KKKKK第28頁/共68頁第二十八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。四、選區(qū)電子衍射 選區(qū)電子衍射是有選擇地分析樣品不同微區(qū)范圍內(nèi)的形貌和晶體結(jié)構(gòu)的一種方法。 它是通過在物鏡像平面上插入一個孔徑可變的選區(qū)光闌，來限制參加成像和衍射的區(qū)域，從而實現(xiàn)選區(qū)電子衍射的。 第29頁/共68頁第二十九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第30頁/共68頁第三十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。操作步

11、驟：先以成像方式操作：讓中間鏡物平面與物鏡像平面重合，投影鏡物平面與中間鏡像平面重合，此時熒光屏上即為樣品的放大圖像。在物鏡像平面上插入一個選區(qū)光闌，光闌孔套住想要分析的感興趣的微區(qū)，即得到選區(qū)像。第31頁/共68頁第三十一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。降低中間鏡電流，增大其物距，使中間鏡物平面與物鏡背焦面重合，此時，中間鏡和投影鏡放大的是物鏡背焦面上的衍射花樣，即得到選區(qū)電子衍射花樣。結(jié)論：選區(qū)電子衍射能實現(xiàn)選區(qū)觀察與衍射的對應(yīng)。 第32頁/共68頁第三十二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第33頁/共68頁第三十三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。五、常見電子衍射譜 1、單晶電子

12、衍射譜 由大量明暗不同的規(guī)則排列的斑點組成 第34頁/共68頁第三十四頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。特點：規(guī)則排列：斑點是倒易點陣中某倒易截面的投影放大，通常認(rèn)為是零層倒易截面的投影放大。所謂零層倒易截面，是指通過原點O的那個截面。 原因： a、電子束波長短，使愛瓦爾德球面接近平面； 第35頁/共68頁第三十五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 b、加速電壓波動，會導(dǎo)致愛瓦爾德球具有一定厚度； c、由于電子束的發(fā)散度、實際樣品的形狀和尺寸等因素，會導(dǎo)致倒易點擴展，擴展為倒易桿，更容易與愛瓦爾德球相交。 斑點數(shù)量很多，且存在明暗強度的差別。第36頁/共68頁第三十六頁，編輯于星期四：二十

13、一點 十六分。2、多晶電子衍射譜 由一系列不同半徑的同心圓環(huán)組成。 第37頁/共68頁第三十七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第38頁/共68頁第三十八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。3、復(fù)雜電子衍射花樣（1）多次衍射譜第39頁/共68頁第三十九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第40頁/共68頁第四十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。(2)高階勞厄帶斑點第41頁/共68頁第四十一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。(3)菊池線第42頁/共68頁第四十二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第43頁/共68頁第四十三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第44頁/共68頁第四十四頁，編

14、輯于星期四：二十一點 十六分。第45頁/共68頁第四十五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。第46頁/共68頁第四十六頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。六、電子衍射花樣的標(biāo)定第47頁/共68頁第四十七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。1 1嘗試- -校核法單晶花樣指數(shù)化方法 由照片的負(fù)片描制的花樣示意及其指數(shù)化(相機常數(shù)K1.41 mmnm) 單晶電子衍射花樣的標(biāo)定方法 第48頁/共68頁第四十八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。(1) 選擇靠近中心斑點而且不在一條直線上的幾個斑點A、B、C、D。測量R值分別為RA=7.1 mm，RB10.0 mmRC12.3 mm，RD21.5 mm；

15、R矢量之間夾角的測量值為：RA與RB約90，RA與RC約55，RA與RD約71。第49頁/共68頁第四十九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（2）求R2比值，找出最接近的整數(shù)比，由此確定各斑點所屬的衍射晶面族。 這是體心立方結(jié)構(gòu)的N值。當(dāng)然也可寫成1:2:3:9作為簡單立方結(jié)構(gòu)的比值，這是在指數(shù)化過程中經(jīng)常遇到的情況。（2）嘗試斑點的指數(shù)，最短矢量的A斑點對應(yīng)的晶面族110共有12個晶面(包括正反符號)： (110)，(101)，(011)， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 可以任選一指數(shù)，這樣就有12種選法。 81:6:4:2R:2D2C2B2ARRR)101 ()011 () 110

16、()011 () 101 () 110()011 () 110() 101(未知相機常數(shù)時：晶體結(jié)構(gòu)可以不知第50頁/共68頁第五十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。已知相機常數(shù)時：KRd /RK d11112222()().dhkldhkl晶面簇晶面簇（2）計算d值，查出晶面簇指數(shù)。第一個斑點的晶面指數(shù)隨意定晶體結(jié)構(gòu)已知如未知晶體結(jié)構(gòu)，則獲得各個d值以后，通過查ASTM卡片確定物相第51頁/共68頁第五十一頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（3）、第二個斑點晶面指數(shù)（hkl）的確定由第一、第二斑點所在方向之間夾角進行判斷。第52頁/共68頁第五十二頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 晶

17、面之間的夾角可由計算或查表得到。 立方晶體的晶面夾角公式： 附錄10所示，為立方晶系晶面之間的夾角數(shù)據(jù)。 222222212121212121coslkhlkhllkkhh第53頁/共68頁第五十三頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（4）按矢量運算求出C和D的指數(shù)： RCRARB 因為：hChAhB，kCkAkB，lClA+lB 所以，可求得C和D。（5）對求出的指數(shù)繼續(xù)用N和 校核 ，與實際R2比值所得N值相比較；并對斑點指數(shù)化是否自洽進行檢驗。 222CCCClkhN第54頁/共68頁第五十四頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。213ggg213hhh213kkk213lll234ggg

18、234hhh234kkk234lll252gg 252hh 252kk 252ll 36gg36hh36kk36ll第55頁/共68頁第五十五頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。（6）求晶帶軸uvw。在電子衍射分析中，可用兩個不共線的斑點(h1k1l1)和(h2k2l2)求出晶帶軸方向。由晶帶定律，用行列式表示： u:v:w = 221122112211:khkhhlhllklk第56頁/共68頁第五十六頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 2 2 標(biāo)準(zhǔn)花樣對照法 將試驗得到的衍射花樣與各種晶體的標(biāo)準(zhǔn)花樣進行對照，若相符，便可以直接寫出各斑點的指數(shù)、晶帶軸方向及所屬的點陣類型，并進而確定物相。

19、 畫零層倒易截面，主要考慮兩點：晶帶軸定律和消光條件。 第57頁/共68頁第五十七頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。 例如：fcc， 100 由晶帶軸定律可知，晶面指數(shù)應(yīng)該是0kl； 再考慮消光條件：靠近原點000的低指數(shù)陣點是002、和022； 寫出所有指數(shù)：002、00 、020、0 0 022、0 、02 、0 2 B222222第58頁/共68頁第五十八頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。再根據(jù)晶面夾角即可畫出倒易截面 ：022000cos221901222220220cos2222452第59頁/共68頁第五十九頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。001011111012第60頁/共68頁第六十頁，編輯于星期四：二十一點 十六分。在標(biāo)定衍射花樣時，嘗試-校核法具有普遍性，它不僅適用于立方晶系的晶體，而且適用于任何晶系的晶體，但是它的計算量大，比較繁瑣，標(biāo)準(zhǔn)花樣對照法就彌補了這一缺點。但是一般書中只給出少數(shù)幾個結(jié)構(gòu)類型的、有限的幾個低指數(shù)晶帶的標(biāo)準(zhǔn)花樣，往往不能滿足實際研究的需要；而要作出不同結(jié)構(gòu)類型的不同晶帶的標(biāo)準(zhǔn)花樣，就需要花費大量的時間。因此，對于這兩種方法存在的