透射菊池衍射(TKD)

传统EBSD的空间分辨率本质上受到花样来源体积的限制,有效分辨率约为25-100 nm(有效分辨率考虑了标定方法对重叠EBSD花样的区分能力,而真实分辨率明显更差)。这不够准确测量真正的纳米材料(平均晶粒大小低于100 nm)。空间分辨率可以通过降低电压(进而减小花样来源体积)来提高,并使用合适灵敏度的探测器,因此可以对亚微米晶粒大小的材料进行表征。接下来的取向面分布图仅用5 keV电压从细晶粒Ni样品中采集得到。

低电压采集细晶粒Ni样品的EBSD取向面分布图

然而,降低电压会产生其他不利影响,包括更高的制样要求,并使基于霍夫变换的标定方法不那么有效(由于EBSD花样的衍射带展宽)。另一种方法是使用电子可穿透的薄样品配合相对较高的电压(如25-30 keV),并对离开样品下表面的衍射电子成像。相互作用体积相比在倾斜样品上使用传统EBSD要小得多,如下面的蒙特卡罗电子模拟所示。

用25 kV电子束能量模拟Ni样品中的电子—样品相互作用体积
蒙特卡罗模拟块状倾斜Ni样品中,样品—电子束相互作用体积

常规EBSD分析倾斜至70°的块状样品。红色区域对应的电子能量超过入射电子束能量的93%。

蒙特卡罗模拟50nm 厚电子透明样品在25 keV条件下,样品—电子束相互作用。

电子束透明样品(50 nm厚度)。红色区域对应电子能量超过入射电子束能量93%的电子。两幅图像的比例尺相同。

这种基于SEM衍射最早称之为透射式EBSD(t-EBSD),现在一般称之为透射菊池衍射(TKD)。进行TKD分析的主要原因是其更高的空间分辨率,这就使得EBSD能够有效地表征纳米材料和大变形样品,因为其中高位错密度会使传统EBSD无法成功表征。许多研究都报告了利用TKD技术获得优于10 nm的分辨率,尽管样品原子序数、束流能量、样品厚度和倾角都会影响最终的空间分辨率。

TKD样品可采用透射电子显微镜(TEM)所用的标准方法制备。对于金属,电化学抛光直径为3 mm的TEM样品通常是最有效的,因为它可以产生较大的薄区。但对于非导电样品或需要指定取样位置的样品,使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)制备和提取样品更为有效。最佳厚度取决于材料,但对于大多数样品,50-100 nm的厚度是比较理想的。

关于TKD样品的最佳厚度,更多信息请参阅应用笔记。

在以下标签页中,您可以发现更多关于TKD技术的发展,包括常用的几何设置和一些典型的应用和实例图片。

TKD分析常用两种不同的几何设置:离轴和同轴,如下图示意的。

同轴及离轴几何设置示意图

同轴及离轴几何设置示意图。

这两种方法都有各自的优点,但性能和分辨率大体相似。下表比较了两种TKD几何设置的优缺点。

On-Axis TKDOff-Axis TKD
HardwareRequires additional modified detector headNo extra hardware required
Ease of Switching from Standard EBSDDetector head needs to be exchangedInstantaneous
SensitivityHigher – captures more scattered electrons, but some signal loss due to mirror opticsLower – electrons need to be scattered through higher angles
DistortionNone – pattern centred on phosphor screenSignificant – pattern centre at top edge of phosphor screen. Ideally requires an optimised band detection routine
Resolution2-10 nm2-10 nm
Darkfield ImagingYes – with various diode geometriesYes – using lower forescatter diodes

有些文献比较了同轴和离轴模式的空间分辨率,并指出同轴方式具有较小优势。然而,他们的离轴模式采用后倾斜(-20°)的样品几何设置,这也会对空间分辨率造成不利影响,因此两种模式预期的分辨率大致相同。

注意:关于牛津仪器为离轴TKD开发的优化衍射带探测模式的详细信息,请参见本网站的Tru-I标定技术部分。

在牛津仪器的一些博客文章中,您可以了解更多关于TKD的历史发展,以及离轴TKD的一种新的样品制备技术:

Blog: Transmission Kikuchi diffraction: 10 years on
Blog: Is large area TKD really possible?

TKD已广泛应用于各种不同的应用,包括以下样品类型:

  • 纳米晶薄膜
  • 大变形的金属和合金
  • 氧化层和腐蚀层
  • 纳米颗粒和纳米线
  • 细晶生物材料(如贝壳珍珠层)
  • 高度变形的地质材料(如地震形成的岩石)
  • 陨石中的难熔金属块
  • 原子探针尖 

TKD技术带来的高空间分辨率,使很难用常规EBSD分析的材料中,也能采集到高质量的衍射花样。在下面的图库中,您可以从一系列不同的应用中,看到一些典型的TKD面分布图。

 高压扭转纳米晶双相钢样品TKD相分布图

高压扭转双相钢样品TKD相分布图。视场宽度1 μm。a

高压扭转纳米晶双相钢样品TKD取向分布图

高压扭转双相钢样品TKD取向分布图。视场宽度1 μm。

纳米晶Au薄膜二次电子图像(左)及相应的TKD晶粒大小分布图

使用原位FIB加工的纳米晶Au薄膜二次电子图像(左)及TKD晶粒分布图:视场宽度5 μm。

疲劳Cu样品的取向暗场图像,展示了纳米晶和位错列

疲劳Cu样品的前散射取向暗场图像。视场宽度14 μm。

马氏体钢大面积TKD取向图叠加了残余奥氏体

马氏体钢大面积TKD取向图。残余奥氏体晶粒为黄色。视场宽度70 μm。

在球粒陨石中,球粒边缘使用FIB提取样品的TKD相分布图。

在碳质球粒陨石中,球粒边缘使用FIB提取样品的TKD相分布图。视场宽度22 μm。感谢Luke Daly(格拉斯哥大学)提供样品。

变形铝合金中纳米剪切带的TKD取向图

变形铝合金中纳米剪切带的TKD取向图。视场宽度10 μm。

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