第十一-章---晶體薄膜衍射襯度成像分析(已修改)
2025-08-17 10:36 本頁(yè)面
【正文】 第十一章 成像分析 多媒體制作： X. C. He 南京工程學(xué)院材料教研室 一、質(zhì)厚襯度和衍射襯度 ?像襯度 : 在熒光屏或照相底片上，眼睛能觀察到的光強(qiáng)度或感光度的差別。 透射電鏡的像襯度來(lái)源于 樣品對(duì)入射電子束的散射 。 ?基本類型： 質(zhì)厚襯度 、 衍射襯度 和 相位襯度 三種。 非晶樣品質(zhì)厚襯度成像 復(fù)型樣品電子顯微圖像襯度是樣品不同微區(qū)間存在 原子序數(shù)或厚度 的差異而形成的，即 質(zhì)厚襯度 。建立 在非晶樣品中 原子對(duì)電子的散射 和 透射電子顯微鏡小孔徑成像 的基礎(chǔ)上的 。 （ 1）單個(gè)原子對(duì)入射電子的散射 當(dāng)一個(gè)電子穿透非晶體薄膜樣品時(shí)，將與樣品原子核和核外電子相互作用，由于電子質(zhì)量比原子核小得多，所以原子核對(duì)電子的散射一般只引起電子改變運(yùn)動(dòng)方向，而能量沒(méi)有變化，稱為 彈性散射 。其 散射角： ne UrZ??? 彈性散射截面： 當(dāng)一個(gè)電子與一個(gè)孤立的核外電子發(fā)生散射時(shí)，入射電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，能量也會(huì)發(fā)生變化。稱 非彈性散射。 ? 其散射角 : ? 非彈性散射截面： ? 那么一個(gè)原子的 彈性散射截面與非彈性散射截面之和 ： 2nn r?? ?eUrq??2ee r?? ?en Z ??? ??0（ 2）透射電子顯微鏡小孔徑角成像 為確保高分辨率，采用小孔徑角成像。在 物鏡背焦面 插入一小孔徑的物鏡光欄來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （ 3）質(zhì)厚襯度的成像原理 下面討論非晶體樣品的厚度、密度與成像電子強(qiáng)度的關(guān)系。如果忽略原子之間的相互作用，則每立方厘米包含 N個(gè)原子的樣品的 總散射截面為 ： 0?NQ ?如果 1平方厘米樣品表面積的電子數(shù)為 n，當(dāng)其穿透 dt厚度樣品后有 dn個(gè)電子被散射到光欄外，即其減少率為： 00 ??ANQ ? Q d tndn??? 入射電子總數(shù)。 ? ? 電子束強(qiáng)度所以 Qtenn ??0 0nnqI ?QteII ??01?QtQtc 1?)(00 tANQt ???叫 臨界厚度 單次電子散射為前提 ? 如果以 表示強(qiáng)度為 的入射電子，通過(guò)樣品 A區(qū)域 后，進(jìn)入物鏡光欄參與成像的電子強(qiáng)度；以 表示強(qiáng)度為 的入射電子，通過(guò)樣品 B區(qū)域 后，進(jìn)入物鏡光欄參與成像的電子強(qiáng)度，那么投射到熒光屏或照相底片上相應(yīng)的 電子強(qiáng)度差 ，則： AI 0IBI0IAB III ???)(11 BBAA tQtQBABA eIIII ???????推導(dǎo)質(zhì)厚襯度公式 ? 若復(fù)型是同種材料制成的，則可簡(jiǎn)化： tQeeIIII tQttQBABA BA ????????? ???? 111 )(這說(shuō)明 用來(lái)制復(fù)型的材料總散射截面越大或復(fù)型相鄰區(qū)域厚度差別越大，復(fù)型圖像襯度越高 。 ctQt m i n ???? 對(duì)于晶體薄膜樣品而言，厚度大致均勻，原子序數(shù)也無(wú)差別，因此，不可能利用質(zhì)厚襯度來(lái)獲得圖象反差，晶體薄膜樣品成像是 利用衍射襯度成像 ，簡(jiǎn)稱 “ 衍射襯度 ” （ 1）晶體樣品的衍射襯度及形成原理 由樣品各處 衍射束強(qiáng)度的差異 形成的襯度稱為衍射襯度 ?；蚴怯蓸悠犯魈?滿足布拉格條件程度的差異 造成的。 衍射襯度成像原理 ? 設(shè)有 A、 B晶粒 ? B內(nèi)的某 (hkl)晶面 嚴(yán)格滿足Brag條件 ，或 B晶粒內(nèi)滿足 “ 雙光束條件 ” ，則通過(guò) (hkl)衍射使 I0分解為 Ihkl和 IOIhkl兩部分 ? A內(nèi)所有晶面與 Bragg角相差較大， 不能產(chǎn)生衍射。 ? 在 物鏡背焦面上的物鏡光闌，將衍射束擋掉，只讓透射束通過(guò)光闌孔進(jìn)行成像， 此時(shí)，像平面上 A和 B晶粒的光強(qiáng)度或亮度不同，分別為 IA≈ I0 IB =I0 Ihkl B晶粒相對(duì) A晶粒的像襯度為 相位襯度 ? 衍襯象全都是振幅襯度像，即 只讓單束電子穿過(guò)物鏡光闌成像，像的強(qiáng)度是單束振幅的平方 ，襯度取決于試樣各點(diǎn)的 偏移矢量 、 試樣厚度 、 消光距離 。對(duì)于上述幾個(gè)參量為常數(shù)就不顯襯度。 ? 相位襯度 是讓多束電子穿過(guò)物鏡光闌，造成彼此相干成像 ，像的分辨細(xì)節(jié) 取決于入射波被試樣散射引起的 相位變化 和 物鏡球差 、散焦引起的 附加相位差 的選擇 。其形成原理同學(xué)們自學(xué)！ 二、透射電鏡的基本成像操作 ? 晶體樣品成像操作有 明場(chǎng) 、 暗場(chǎng) 和 中心暗場(chǎng) 三種方式。 ①明場(chǎng)成像： 只讓 中心透射束穿過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像 稱為明場(chǎng)像。 ②暗場(chǎng)成像： 只 讓某一衍射束通過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像 稱為暗場(chǎng)像。 ③ 中心暗場(chǎng)像： 入射電子束 相對(duì) 衍射晶面 傾斜角 ，此時(shí) 衍射斑將移到透鏡的中心位置 ，該衍射束通過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為 中心暗場(chǎng)成像。 減小球差 ，中心暗場(chǎng)成像比普通暗場(chǎng)成像清晰。 電子束傾斜 由照明系統(tǒng)的上下偏轉(zhuǎn)線圈來(lái)完成。 三、雙光束衍射條件 ? 傾轉(zhuǎn)樣品，使 晶體中只有一個(gè)晶面滿足 Bragg條件 ，從而產(chǎn)生強(qiáng)衍射，其它晶面均遠(yuǎn)離 Bragg位置，衍射花樣中幾乎 只存在大的透射斑點(diǎn) 和 一個(gè)強(qiáng)衍射斑點(diǎn) 。 ? 明、暗場(chǎng)襯度的互補(bǔ)性 在衍射條件接近理想的雙光束條件下，即除了透射束以外，只有一支強(qiáng)衍射束，而其它的衍射束強(qiáng)度近似為 0，設(shè)入射束強(qiáng)度為 I0，則有 I0 = ID + IT 這時(shí)，明、暗場(chǎng)襯度互補(bǔ)，但在非雙光束條件下明、暗場(chǎng)像不完全互補(bǔ)。 四、消光距離 入射電子受原子強(qiáng)烈的散射作用，因而必須考慮
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