热门问题
时间线
聊天
视角
背向散射電子繞射技術
来自维基百科，自由的百科全书
Remove ads
背向散射電子繞射 （Electron Backscatter Diffraction, EBSD）是一種利用繞射電子束來鑑別樣品晶體學方位的技術。EBSD探測器至少包括一塊磷光屏、一個緊湊透鏡和一台低照度CCD相機或CMOS相機。掛載在掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）中，傾斜角度約70度，加速後的電子束射入樣品中，產生反彈的背向散射電子，經過表面晶體結構繞射，攜帶着樣品表面的晶粒方位的資訊，進入探測器中，形成菊池線，藉此判斷其每一顆晶粒的方向性。EBSD的空間解像度取決於多種因素，包括所研究材料的性質和樣品製備。在知道每一顆晶粒的方位後，因此可用在判斷晶粒邊界（Grain boundary）、相鑑別（Phase identification）、晶粒取向（Orientation）、織構（Texture）及應變（Strain）的分析方法。ED還可以與能量色散X射線譜、陰極射線發光和波長色散X射線光譜技術聯用，以進行更高級的相鑑定和材料發現。
 | 此條目需要擴充。 (2016年9月7日) |
電子背散射圖樣（EBSPs）的變化和清晰度可以提供繞射體積內晶格畸變的資訊。圖樣的清晰度可用於評估塑性變形的程度。EBSP菊池帶中心軸位置的變化可用於測量殘餘應力和微小的晶格旋轉。EBSD還可以提供有關幾何必需位錯（GNDs）密度的資訊。然而，晶格畸變是相對於一個參考圖樣（EBSP0）來測量的。參考圖樣的選擇會影響測量精度；例如，一個在拉伸狀態下變形的參考圖樣會直接減小從高解像度圖中導出的拉伸應變值，同時也會間接影響其他應變分量的大小和空間分布。此外，EBSP0的選擇還會輕微影響GND的密度分布和量值。[1]
Remove ads
圖樣的形成與採集
在進行背向散射電子繞射顯微分析時，通常將一塊平整、拋光過的晶體樣品置於顯微鏡腔室內。樣品相對於掃描電子顯微鏡的平放位置傾斜約70°，與背向散射電子繞射（EBSD）探測器成110°角。[3]傾斜樣品會使電子束與樣品的相互作用體積沿垂直於傾斜軸的方向被拉長，從而讓更多的電子離開樣品，提供更強的信號。[4][5]一束高能電子束（通常為20 kV）聚焦在一個小體積上，並在樣品表面發生散射，其空間解像度約為20 nm。[6]空間解像度會隨電子束能量[6]、束散角[7]、相互作用體積[8]、所研究材料的性質[6]以及（在透射菊池繞射中）樣品厚度而變化[9]；因此，增加電子束能量會增大相互作用體積，從而降低空間解像度。[10]
EBSD探測器位於SEM樣品室內部，與極靴大約成90°角。EBSD探測器通常是一個磷光屏，由背散射電子激發而發光。[11]該屏幕通過一個透鏡與感光耦合元件（CCD）或互補式金屬氧化物半導體（CMOS）相機相連。[12]
在這種配置下，背散射電子離開樣品時，它們會與庫侖勢相互作用，並因非彈性散射而損失能量，從而形成一系列的散射角（）。[11][13]背散射電子在電子敏感的平膜/屏幕（通常是磷光屏）上形成強度各異的菊池線，這些菊池線匯集起來構成菊池帶。這些菊池線是科塞爾錐與磷光屏平面相交所形成的雙曲線軌跡。菊池帶的寬度與散射角有關，因此也與具有米勒指數、和的晶格平面間距相關。[14][15]這些菊池線和圖樣是以菊池正士的名字命名的，他與西川正治在1928年使用透射電子顯微鏡（TEM）首次觀察到這種繞射圖樣[16]，其幾何形狀與X射線科塞爾圖樣相似。[17][18]
系統排列的菊池帶，其寬度方向上強度各異，在感興趣區域（ROI）的中心附近相交，描述了所探測體積的晶體學資訊。[19]這些菊池帶及其交線構成了所謂的菊池圖樣或電子背散射圖樣（EBSPs）。為了提高對比度，通常通過靜態或動態背景校正來去除各向異性/非彈性散射，從而對圖樣的背景進行校正。[20]
Remove ads
EBSD在配備有EBSD探測器的SEM中進行，該探測器至少包含一個磷光屏、一個緊湊的透鏡和一個低光度感光耦合元件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機。截至2023年9月，市售的EBSD系統通常配備兩種不同的CCD相機之一：用於快速測量的CCD晶片原始解像度為640×480像素；用於較慢、更靈敏測量的CCD晶片解像度可高達1600×1200像素。[13][6]
高解像度探測器的最大優勢在於其更高的靈敏度，因此可以更詳細地分析每個繞射圖樣中的資訊。對於織構和取向測量，繞射圖樣通常會通過像素合併來減小尺寸並縮短計算時間。現代基於CCD的EBSD系統標定圖樣的速度最高可達每秒1800個圖樣。這使得快速生成內容豐富的微觀結構圖成為可能。[14][21]
樣品應在真空中保持穩定。通常使用導電化合物（例如，填充銅的環氧樹脂熱固性聚合物）來固定樣品，以最大程度地減少在電子束輻照下的圖像漂移和樣品充電。EBSP的質量對表面製備非常敏感。通常，樣品先用從240號到4000號的碳化矽（SiC）砂紙進行研磨，然後用金剛石研磨膏（從9 μm到1 μm）拋光，最後用 50 nm的二氧化矽乳膠進行拋光。之後，在乙醇中清洗，用去離子水沖洗，並用熱風機吹乾。此後，還可進行離子束拋光，以完成最終的表面製備。[23][24][25]
在SEM內部，測量區域的大小決定了局部辨率和測量時間。[26]獲得高質量EBSP的通常設置為：15 nA電流、20 kV電子束能量、18 mm工作距離、長曝光時間以及最小的CCD像素合併。[27][28][29][30]對於應變和位錯密度分析，EBSD磷光屏設置在18 mm的工作距離，並且圖的步長小於0.5 μm。[31][22]
顯微鏡內的電子束會分解氣態碳氫化合物以及樣品表面的碳氫化合物，導致碳沉積，[32]這會使得探測區域內的EBSP質量相比於採集窗口外的EBSP質量有所下降。隨着深入探測區域，圖樣質量下降的梯度會增加，表現為沉積碳的明顯積累。由電子束瞬時誘導的碳沉積所產生的黑點也凸顯了即使沒有發生團聚，沉積也即刻發生。[33][34]
Remove ads
關於深度解像度的定義尚無共識。例如，它可以被定義為產生約92%信號的深度，[35][36]或由圖樣質量來定義，[37]也可以模糊地定義為「能獲得有用資訊的地方」。[38]即使對於給定的定義，深度解像度也會隨電子能量的增加而增加，並隨構成所研究材料元素的平均原子質量的增加而減小：例如，在20 kV 能量下，對於Si，深度解像度估計為40 nm，對於Ni則為10 nm。[39]對於結構和成分沿厚度變化的材料，曾報道過異常小的值。例如，在單晶矽上鍍幾納米的非晶鉻，在15 kV能量下，深度解像度會降低到幾納米。[37]相比之下，Isabell和David[40]的結論是，在均勻晶體中，由於非彈性散射（包括切向模糊和溝道效應），深度解像度也可能延伸至1 μm。[24]
最近，Koko等人[24]對有關EBSD深度解像度的報告進行了比較，指出大多數出版物並未對其深度解像度的定義提供合理解釋，同時也沒有包含關於電子束尺寸、傾斜角、束-樣品距離和樣品-探測器距離的資訊。[24]這些都是確定或模擬深度解像度的關鍵參數。[40]通常認為電子束電流不影響實驗或模擬中的深度解像度。然而，它會影響束斑尺寸和信噪比，從而間接影響圖樣的細節及其深度資訊。[41][42][43]
蒙地卡羅為量化EBSP形成的深度解像度提供了一種替代方法，這種解像度可以用布洛赫波理論來估算。在該理論中，背散射的初級電子在與晶格相互作用後離開表面，攜帶了與電子相互作用的體積的結晶度資訊。[44]背散射電子（BSE）的能量分布取決於材料的特性和電子束的條件。[45]這種BSE波場還受到熱漫散射過程的影響，該過程在彈性繞射事件之後導致非相干和非彈性（能量損失）散射——對於構成EBSP深度解像度的機制，這一過程尚無完整的物理描述。[46][47]
EBSD實驗和模擬通常都做出兩個假設：一是表面是原始潔淨的，二是深度解像度是均勻的；然而，對於變形樣品來說，這兩個假設都不成立。[37]
Remove ads
取向和相分布圖
如果設備幾何構型有很好的定義，就可以將繞射圖樣中存在的菊池帶與電子相互作用體積內材料的底層晶體及其晶體取向聯繫起來。每條菊池帶都可以通過形成它的繞射平面的密勒指數進行單獨標定。在大多數材料中，僅需三條菊池帶/平面相交，即可根據它們的晶面夾角唯一確定晶體取向。大多數商業系統使用帶有國際晶體數據庫的查找表來進行標定。這種晶體取向將每個採樣點的取向與一個參考晶體取向關聯起來。[3][48]
圖樣標定通常是EBSP採集後的第一步。它能夠從採集圖樣的樣品單一區域中識別出晶體取向。[49][50]藉助EBSD軟件，圖樣中的菊池帶通常通過使用改進的霍夫變換的數學程序來檢測，其中霍夫空間中的每個像素都表示EBSP中的一條唯一的線/帶。霍夫變換使得菊池帶的檢測成為可能，而這些菊池帶在原始EBSP中很難通過計算機定位。一旦檢測到菊池帶的位置，就可以將這些位置與底層的晶體取向聯繫起來，因為菊池帶之間的夾角代表了晶格平面之間的夾角。因此，當三條菊池帶的位置/夾角已知時，就可以確定一個取向解。在高度對稱的材料中，通常使用三條以上的菊池帶來獲取並驗證取向測量結果。[50]
繞射圖樣會經過預處理，以去除雜訊、校正探測器畸變並歸一化強度。然後，將預處理過的繞射圖樣與所研究材料的參考圖樣庫進行比較。參考圖樣是基於材料已知的晶體結構和晶格的取向生成的。通過各種算法，確定能夠與實測圖樣產生最佳匹配的晶格取向。大多數商業EBSD軟件執行三種主要的標定方法：三重峰投票法 (triplet voting)；[51][52]最小化實驗圖樣與計算確定的取向之間的「擬合度」；[53][54]和/或相鄰圖樣平均與重新標定 （NPAR）[55]。標定之後會給出一個唯一的單晶取向解，該解與視場內其他晶體取向相關聯。[56][57]
三重峰投票法涉及識別與不同晶體取向解相關的多個「三重峰」；每個由三重峰確定的晶體取向獲得一票。如果四條菊池帶識別出相同的晶體取向，那麼該特定解將獲得4票（即組合數）。因此，得票數最高的候選取向將是最可能的底層晶體取向解。所選解決方案的票數與總票數的比值描述了該解決方案的置信度。在解釋這個「置信指數」時必須小心，因為一些贗對稱取向可能會導致某個候選解相對於另一個解的置信度較低。[58][59][60]最小化擬合度的方法首先從一個三重峰對應的所有可能取向開始。隨着包含更多菊池帶，候選取向的數量會減少。當菊池帶數量增加時，可能的取向數量最終會收斂到一個解。此時，就可以確定測量到的取向與採集到的圖樣之間的「擬合度」。[57]
總的來說，EBSD中繞射圖樣的標定涉及一套複雜的算法和計算，但對於以高空間解像度確定材料的晶體結構和取向至關重要。標定過程在不斷發展，新的算法和技術被開發出來以提高過程的準確性和速度。之後，會計算一個置信指數來確定標定結果的質量。置信指數基於測量圖樣和參考圖樣之間的匹配質量。此外，它還考慮了雜訊水平、探測器解像度和樣品質量等因素。[50]
雖然這種與使用布拉格條件的運動學解相關的幾何描述對於取向和織構分析非常強大和有用，但它只描述了晶格的幾何形狀，忽略了繞射材料內部涉及的許多物理過程。要充分描述電子背散射圖樣（EBSP）中更精細的特徵，必須使用多束動力學模型（例如，實驗圖樣中菊池帶強度的變化與基於結構因子的運動學解不符）。[61][47]
Remove ads
為了關聯晶體的取向，就像在X射線繞射（XRD）中一樣，必須知道系統的幾何構型。特別是，圖樣中心描述了相互作用體積到探測器的距離，以及磷光屏上樣品與磷光屏之間最近點的位置。早期工作是將一個已知取向的單晶插入SEM腔室，並已知EBSP的某個特定特徵對應於圖樣中心。後來的發展則利用了EBSP生成與腔室幾何構型（陰影投射法和磷光屏移動）之間的各種幾何關係。[62][57]
不幸的是，這些方法中的每一種都很繁瑣，並且對於普通操作員來說可能容易出現一些系統誤差。通常，它們不能輕易地在具有多種指定用途的現代SEM中使用。因此，大多數商業EBSD系統使用標定算法，並結合晶體取向和建議的圖樣中心位置的迭代移動。通過最小化實驗圖樣中定位的菊池帶與查找表中的菊池帶之間的擬合度，往往能將圖樣中心位置的精度收斂到圖樣寬度的約0.5–1%。[21][6]
最近開發的開源MATLAB代碼AstroEBSD[63]和PCGlobal[64]，通過使用模式匹配方法[65]，提高了確定圖樣中心（PC）的精度，並因此提高了彈性應變[66]的測量精度。該方法使用EMSoft模擬圖樣。[67]
Remove ads
標定結果被用來生成所研究表面上每個點的晶體取向圖。因此，通過以預定方式（通常是正方形或六邊形網格，並校正因樣品傾斜造成的圖像透視收縮）掃描電子束，可以得到許多內容豐富的微觀結構圖。[68][69]這些圖可以描述被探究材料的空間晶體取向，並可用於檢查微觀織構和樣品形貌。一些圖描述了晶粒取向、晶界和繞射圖樣（圖像）質量。可以使用各種統計工具來測量平均取向差、晶粒尺寸和晶體織構。從這些數據集中，可以生成大量的圖、表和曲線。[70][71][72]取向數據可以通過多種技術進行可視化，包括顏色編碼、等高線和極圖。[73]
顯微鏡未對準、圖像漂移、隨放大倍率降低而增加的掃描畸變、樣品表面的粗糙度和污染、晶界標定失敗以及探測器質量都可能導致晶體取向確定中的不確定性。[74]EBSD的信噪比取決於材料，並在過快的採集速度和過大的束流下降低，從而影響測量的角解像度。[74]
參考
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads