幾種金屬單質(zhì)的高分辨像的模擬

吳世超　韓巧梅　陳偉倫　張紅亮　郭潤(rùn)　宋述鵬

高分辨電子顯微技術(shù)能夠從原子尺度來(lái)觀(guān)察和研究材料的微結(jié)構(gòu)，它研究對(duì)象主要是是晶體結(jié)構(gòu)。目前對(duì)于高分辨像的模擬已經(jīng)有專(zhuān)業(yè)的軟件，但是對(duì)于本科生階段學(xué)習(xí)和認(rèn)知的討論并不多見(jiàn)。如果通過(guò)分析和比較不同環(huán)境變量下各種不同金屬單質(zhì)材料的高分辨模擬像，就能夠建立一個(gè)評(píng)測(cè)系統(tǒng)來(lái)確定在何種條件下所獲得的高分辨像最接近真實(shí)的結(jié)構(gòu)。該文意義在于采用Fortran語(yǔ)音并結(jié)合像模擬程序擬合出最佳厚度和欠焦量下的成像條件并構(gòu)建基本的金屬材料原子量級(jí)高分辨像的評(píng)測(cè)體系。

1 高分辨像模擬技術(shù)

現(xiàn)實(shí)生活中人們無(wú)法直接看到材料的原子結(jié)構(gòu)，而材料的性能是和其微觀(guān)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，為了提高材料的性能就需要了解其晶體結(jié)構(gòu)特征，透射電子顯微鏡的高分辨技術(shù)能夠直觀(guān)地呈現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)，所獲得的像稱(chēng)作高分辨像（High Resolution Electron Microscopy，HREM）。高分辨像是一種相位襯度像，試樣的相位襯度是試樣內(nèi)部各點(diǎn)對(duì)入射電子作用不同以及試樣厚度不同，導(dǎo)致它們?cè)谠嚇映隹诒砻嫔舷辔徊灰唬?jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度差而形成的。高分辨像主要有兩種：一維晶格像和二維結(jié)構(gòu)像。它們分別是使電子束從某一組晶面產(chǎn)生反射和采用一個(gè)晶帶的反射而成像的。后者要求有一個(gè)沿晶帶軸的準(zhǔn)確入射方向，并且二維結(jié)構(gòu)像和實(shí)際晶體中原子或原子團(tuán)的配置有很好的對(duì)應(yīng)性。但這種對(duì)應(yīng)并不是與晶體結(jié)構(gòu)的完全對(duì)應(yīng)，相位襯度像因?yàn)槭艿皆嚇雍穸鹊瓤陀^(guān)因素的影響，與真實(shí)原子級(jí)晶體結(jié)構(gòu)之間因?yàn)橐r度還存在差異，為了能獲得更加真實(shí)的結(jié)構(gòu)像就需要借助高分辨像模擬。

對(duì)于高分辨像模擬技術(shù)，如果使入射電子束嚴(yán)格平行于試樣中某個(gè)晶帶軸入射，在儀器分辨率允許的范圍內(nèi)讓盡可能多的衍射束參與成像，就能得到含有單胞內(nèi)原子排列的正確信息的像，參與成像的衍射波越多，像中包含的信息越多。根據(jù)衍射物理的原理，入射電子束進(jìn)入試樣后，衍射波強(qiáng)度隨試樣厚度呈波動(dòng)（振動(dòng)）變化。不同衍射波變化的振幅和周期是不一樣的。只有在試樣的薄區(qū)，衍射波的激發(fā)與試樣厚度的關(guān)系才是成比例的，所以對(duì)200kV電鏡來(lái)說(shuō)要獲得結(jié)構(gòu)像試樣的厚度一般小于10nm。由于參與結(jié)構(gòu)像成像的衍射波很多，只有在謝爾策聚焦附近，才能獲得正確的結(jié)構(gòu)像。所以，嚴(yán)格沿晶帶軸入射、很薄的區(qū)域、謝爾策聚焦、無(wú)像散等才能獲得結(jié)構(gòu)像。

2 透射電鏡的襯度

透射電鏡的襯度（Contrast）是指兩個(gè)相臨部分的電子束強(qiáng)度之差，表達(dá)式為C=（I1-I2）/I2=ΔI/I2。通常，人眼不能觀(guān)察到襯度小于5%的區(qū)別。如果能把像的強(qiáng)度用數(shù)字化的方法記錄下來(lái)，就可以用電子學(xué)方法把襯度增加到人眼能分辨的程度。電子像的成因取決于入射電子束與材料相互作用，當(dāng)電子逸出試樣下表面時(shí)，由于試樣對(duì)電子束的作用，使得透射電子束強(qiáng)度發(fā)生了變化，因而，透射到熒光屏上的強(qiáng)度是不均勻的，這種強(qiáng)度不均勻的電子像稱(chēng)為襯度像。

高分辨像是一種相位襯度，而相位襯度是指試樣內(nèi)部各點(diǎn)對(duì)入射電子作用不同，導(dǎo)致它們?cè)谠嚇映隹诒砻嫔舷辔徊灰?，?jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度差而形成的。高分辨像主要有兩種： （1）使電子束從某一組晶面產(chǎn)生反射而成像的一維晶格像，從一維晶格像可直接測(cè)得晶面間距d。觀(guān)察孿生、晶粒間界和長(zhǎng)周期層狀晶體的結(jié)構(gòu)。（2）采用一個(gè)晶帶的反射而成像的二維結(jié)構(gòu)像。要求有一個(gè)沿晶帶軸的準(zhǔn)確入射方向，該像和實(shí)際晶體中原子或原子團(tuán)的位置有很好的對(duì)應(yīng)性，可研究位錯(cuò)和晶界的結(jié)構(gòu)。

3 幾種金屬單質(zhì)模擬高分辨像

首先構(gòu)建Ti、Cu、Fe的單胞結(jié)構(gòu)模型，并用Diamond3繪制出各類(lèi)金屬和氧化物的結(jié)構(gòu)圖。然后對(duì)該模型進(jìn)行高分辨像的模擬，用多層法模擬計(jì)算金屬Ti、Cu、Fe及其氧化物的高分辨像，比較欠焦及過(guò)焦的像模擬結(jié)果，確定出合適的欠焦量，再改變厚度和不同入射方向的條件下重復(fù)計(jì)算結(jié)果。

圖1是Cu、Fe、Ti在不同厚度和欠焦量條件下的模擬高分辨像，具體實(shí)施的過(guò)程按照金屬及其氧化物結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)、環(huán)境變量設(shè)計(jì)及確定、高分辨像模擬、計(jì)算和實(shí)際結(jié)果分析。

4 討論

我們用Fortran程序確定Ti、Cu、Fe的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)一步用多層法模擬計(jì)算其高分辨像。一般來(lái)說(shuō)，如果散射本領(lǐng)大，透射電子數(shù)少的部分所形成的像要暗些，反之，則亮些。對(duì)于非晶樣品與襯度與質(zhì)量、厚度有關(guān)。而高分辨像的襯度與質(zhì)量、厚度和欠焦量和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著試樣厚度的變化，高分辨像會(huì)出現(xiàn)黑白襯度的反轉(zhuǎn)，但是，大量研究證明，由于晶格像是利用透射束附近的有限的衍射束來(lái)成像的，它在幾十納米的區(qū)域一般也能得到同樣的晶格像。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明：通過(guò)模擬像的分析比較，可見(jiàn)只有在試樣的薄區(qū)，衍射波的激發(fā)與試樣厚度的關(guān)系才是成比例的，結(jié)構(gòu)像一般在小于10nm才能獲得。相位襯度像強(qiáng)度變化大小與試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)及厚度有關(guān)，由于強(qiáng)度的不均勻性而顯示出襯度來(lái)，所以計(jì)藕穸鵲腦黽蛹撲慍隼吹某畝瓤梢猿魷址醋？

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