Dyfrakcja wybranego obszaru
Dyfrakcja wybranego obszaru (elektronów) (w skrócie SAD lub SAED ) to eksperymentalna technika krystalograficzna , zwykle przeprowadzana przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Jest to szczególny przypadek dyfrakcji elektronów , stosowany przede wszystkim w materiałoznawstwie i fizyce ciała stałego jako jedna z najpowszechniejszych technik doświadczalnych. Zwłaszcza przy odpowiednim oprogramowaniu analitycznym wzory SAD (SADP) można wykorzystać do określenia orientacji kryształów , pomiaru stałych sieciowych lub zbadaj jej defekty .
Zasada
W transmisyjnym mikroskopie elektronowym cienka krystaliczna próbka jest oświetlana równoległą wiązką elektronów przyspieszonych do energii setek kiloelektronowoltów . Przy tych energiach nawet próbki metaliczne są przezroczyste dla elektronów, jeśli próbka jest wystarczająco rozcieńczona (zwykle mniej niż 100 nm ). Ze względu na dualizm falowo-cząsteczkowy wysokoenergetyczne elektrony zachowują się jak fale o długości fali rzędu kilku tysięcznych nanometra. Relatywistyczny _ długość fali jest dana przez
gdzie jest Plancka , jest spoczynkową , jest ładunkiem , i _ _ to potencjał elektryczny przyspieszający elektrony (zwany także napięciem przyspieszającym ). Na przykład napięcie przyspieszające 200 000 kV daje długość fali 2,508 pm.
Ponieważ odstępy między atomami w kryształach są około sto razy większe, elektrony ulegają dyfrakcji na sieci krystalicznej , działając jak siatka dyfrakcyjna . W wyniku dyfrakcji część elektronów jest rozpraszana pod określonymi kątami (wiązki ugięte), podczas gdy inne przechodzą przez próbkę bez zmiany kierunku (wiązki przepuszczane). W celu określenia kątów dyfrakcji wiązka elektronów normalnie padające na sieć atomową można postrzegać jako falę płaską, która jest retransmitowana przez każdy atom jako fala sferyczna. Ze względu na konstruktywną interferencję fale sferyczne z liczby ugiętych wiązek pod kątami określone równaniem
gdzie liczba całkowita rzędem dyfrakcji, a jest odległością między atomami (jeśli przyjmuje się tylko jeden rząd atomów, jak na ilustracji obok) lub odległością między płaszczyznami wiązki (w rzeczywistej strukturze atomowej 3D).
soczewkę magnetyczną mikroskopu , każdy zestaw początkowo równoległych wiązek przecina się w tylnej płaszczyźnie ogniskowej, tworząc obraz dyfrakcyjny . Transmitowane wiązki przecinają się dokładnie w osi optycznej . Ugięte wiązki przecinają się w pewnej odległości od osi optycznej (odpowiadającej odległości międzypłaszczyznowej płaszczyzn uginających wiązki) i pod pewnym azymutem (odpowiadającym orientacji płaszczyzn uginających wiązki). Pozwala to na utworzenie wzoru jasnych plam typowych dla SAD.
SAD nazywa się „wybranym”, ponieważ pozwala użytkownikowi wybrać obszar próbki, z którego zostanie pobrany obraz dyfrakcyjny. W tym celu pod uchwytem próbki znajduje się wybrany otwór obszarowy. Jest to blacha z kilkoma otworami o różnej wielkości, które można włożyć w belkę. Użytkownik może wybrać aperturę o odpowiedniej wielkości i ustawić ją tak, aby przepuszczała tylko część wiązki odpowiadającą wybranemu obszarowi. Dlatego wynikowy obraz dyfrakcyjny będzie odzwierciedlał tylko obszar wybrany przez aperturę. Pozwala to na badanie małych obiektów, takich jak krystality w materiale polikrystalicznym z szeroką wiązką równoległą.
Charakter otrzymanego obrazu dyfrakcyjnego zależy od tego, czy wiązka jest uginana na pojedynczym krysztale , czy też na wielu różnie zorientowanych krystalitach, np. w materiale polikrystalicznym. Dyfraktogram monokrystaliczny przedstawia regularny wzór jasnych plam. Ten wzór można postrzegać jako dwuwymiarową projekcję odwrotnej sieci krystalicznej . Jeśli jest więcej krystalitów składowych, obraz dyfrakcyjny staje się superpozycją wzorów dyfrakcyjnych poszczególnych kryształów. Ostatecznie ta superpozycja zawiera plamy dyfrakcyjne wszystkich możliwych układów płaszczyzn krystalograficznych we wszystkich możliwych orientacjach. Z dwóch powodów warunki te skutkują dyfraktogramem koncentryczne :
- Istnieją dyskretne odstępy między różnymi równoległymi płaszczyznami krystalograficznymi, dlatego wiązki spełniające warunek dyfrakcyjny mogą tworzyć plamy dyfrakcyjne tylko w dyskretnych odległościach od transmitowanej wiązki.
- Istnieją wszystkie możliwe orientacje płaszczyzn krystalograficznych, dlatego plamy dyfrakcyjne powstają wokół transmitowanej wiązki w całym zakresie azymutu 360 stopni.
Interpretacja i analiza
Analiza SAD jest szeroko stosowana w badaniach materiałowych ze względu na swoją względną prostotę i wysoką wartość informacyjną. Po przygotowaniu próbki i zbadaniu jej w nowoczesnym transmisyjnym mikroskopie elektronowym urządzenie pozwala na rutynową akwizycję dyfrakcyjną w ciągu kilku sekund. Jeśli obrazy zostaną poprawnie zinterpretowane, mogą posłużyć do identyfikacji struktur kryształów, określenia ich orientacji, pomiaru charakterystyki kryształów, zbadania defektów kryształów czy tekstur materiałów. Przebieg analizy zależy od tego, czy dyfraktogram przedstawia dyfraktogram pierścieniowy czy punktowy oraz od wielkości do oznaczenia.
Narzędzia programowe oparte na komputerowych algorytmach wizyjnych przyniosły znaczną poprawę rutynowej analizy ilościowej opartej na SAD pod względem dokładności, powtarzalności i efektywności czasowej. W porównaniu z oceniającym ekspertem, komputer jest w stanie zobaczyć cechy niewidoczne dla ludzi i przetworzyć je w liczbach i kombinacjach, które nigdy nie są przetwarzane przez ludzi. Automatyzacja analizy sprawia, że jest ona dostępna nawet dla osób niebędących ekspertami.
Wzór dyfrakcji punktowej
Jeśli SAD pochodzi z jednego lub kilku pojedynczych kryształów, dyfraktogram przedstawia regularny wzór jasnych plam. Ponieważ wzór dyfrakcyjny można postrzegać jako dwuwymiarową projekcję odwrotności sieci krystalicznej , wzór można wykorzystać do pomiaru stałych sieci , w szczególności odległości i kątów między płaszczyznami krystalograficznymi. Parametry sieci są zazwyczaj charakterystyczne dla różnych materiałów i ich faz, co pozwala zidentyfikować badany materiał lub przynajmniej rozróżnić potencjalnych kandydatów.
Chociaż analizy oparte na SAD przez długi czas nie były uważane za ilościowe, narzędzia komputerowe zapewniały dokładność i powtarzalność, pozwalając rutynowo wykonywać dokładne pomiary odległości lub kątów międzypłaszczyznowych na odpowiednio skalibrowanych mikroskopach. Dzięki sztucznej inteligencji i wizji komputerowej narzędzia takie jak CrysTBox są w stanie zautomatyzować analizę, osiągając subpikselową precyzję i przewyższając człowieka oceniającego.
Jeśli próbka jest pochylona pod wiązkę elektronów, warunki dyfrakcyjne są spełnione dla różnych zestawów płaszczyzn krystalograficznych, co daje różne konstelacje plam dyfrakcyjnych. Pozwala to na określenie orientacji kryształów, co może być wykorzystane np. . Ponieważ różne orientacje próbek zapewniają różne projekcje sieci odwrotnej, dają możliwość rekonstrukcji trójwymiarowej informacji utraconej w poszczególnych projekcjach. Szereg dyfraktogramów o różnym nachyleniu można uzyskać i przetworzyć za pomocą analizy tomografii dyfrakcyjnej w celu zrekonstruowania nieznanej struktury krystalicznej.
SAD można również wykorzystać do analizy defektów kryształów, takich jak dyslokacje lub defekty układania .
Wzór dyfrakcji pierścieniowej
Jeśli oświetlony obszar wybrany przez aperturę obejmuje wiele różnie zorientowanych krystalitów , ich wzory dyfrakcyjne nakładają się, tworząc obraz koncentrycznych pierścieni. Dyfraktogram pierścieniowy jest typowy dla próbek polikrystalicznych, proszków lub nanocząstek. Średnica każdego pierścienia odpowiada odległości międzypłaszczyznowej układu płaszczyzn występującego w próbce. Zamiast informacji o poszczególnych ziarnach lub orientacji próbki, ten dyfraktogram dostarcza więcej informacji statystycznych, na przykład o ogólnej krystaliczności lub teksturze . Materiały teksturowane charakteryzują się nierównomiernym rozkładem intensywności wzdłuż obwodu pierścienia pomimo krystaliczności wystarczającej do generowania gładkich pierścieni. Dyfraktogramy pierścieniowe można również wykorzystać do rozróżnienia faz nanokrystalicznych i amorficznych.
Nie wszystkie cechy przedstawione na obrazie dyfrakcyjnym są koniecznie pożądane. Transmitowana wiązka jest często zbyt mocna i musi być osłonięta ogranicznikiem wiązki, aby chronić kamerę. Ogranicznik wiązki zwykle zasłania również część przydatnych informacji. W kierunku środka pierścieni intensywność tła również stopniowo wzrasta, zmniejszając kontrast pierścieni dyfrakcyjnych. Nowoczesne oprogramowanie analityczne pozwala zminimalizować takie niepożądane cechy obrazu i wraz z innymi funkcjonalnościami poprawia czytelność obrazu, co pomaga w jego interpretacji.
Stosunek do innych technik
SADP jest uzyskiwany przy równoległym oświetleniu elektronowym. W przypadku wiązki zbieżnej uzyskuje się dyfrakcję elektronów na wiązce zbieżnej (CBED). Wiązka stosowana w SAD jest szeroka i oświetla szeroki obszar próbki. W celu analizy tylko określonego obszaru próbki, używana jest wybrana apertura obszaru w płaszczyźnie obrazu. Kontrastuje to z nanodyfrakcją, w której selektywność miejscową uzyskuje się za pomocą wiązki skondensowanej do wąskiej sondy. SAD jest ważny w obrazowaniu bezpośrednim, na przykład podczas orientowania próbki do mikroskopii o wysokiej rozdzielczości lub ustawiania warunków obrazowania w ciemnym polu .
z mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości można przekształcić w sztuczny wzór dyfrakcyjny przy użyciu transformaty Fouriera . Następnie można je przetwarzać w taki sam sposób, jak rzeczywiste dyfraktogramy, pozwalając na określenie orientacji kryształów, pomiar kątów i odległości międzypłaszczyznowych nawet z pikometryczną precyzją.
SAD jest podobny do dyfrakcji rentgenowskiej , ale wyjątkowy, ponieważ można badać obszary o wielkości zaledwie kilkuset nanometrów, podczas gdy dyfrakcja rentgenowska zwykle pobiera próbki z obszarów o wielkości kilku centymetrów.