Дифракция выбранной области (электронов) (сокращенно SAD или SAED ) — это кристаллографический экспериментальный метод, обычно выполняемый с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Это частный случай электронной дифракции , используемый в основном в материаловедении и физике твердого тела как один из наиболее распространенных экспериментальных методов. Особенно при наличии соответствующего аналитического программного обеспечения , шаблоны SAD (SADP) могут использоваться для определения ориентации кристалла , измерения постоянных решетки или исследования его дефектов .
В просвечивающем электронном микроскопе тонкий кристаллический образец освещается параллельным пучком электронов, ускоренных до энергии в сотни килоэлектронвольт . При этих энергиях образцы прозрачны для электронов, если образец достаточно тоньше (обычно менее 100 нм ). Из-за корпускулярно-волнового дуализма высокоэнергетические электроны ведут себя как материальные волны с длиной волны в несколько тысячных нанометра. Релятивистская длина волны определяется как
где — постоянная Планка , — масса покоя электрона , — элементарный заряд , — скорость света , — электрический потенциал , ускоряющий электроны (также называемый ускоряющим напряжением ). [1] Например, ускоряющее напряжение 200 кВ дает длину волны 2,508 пм. [2]
Поскольку расстояние между атомами в кристаллах примерно в сто раз больше, электроны дифрагируют на кристаллической решетке , действуя как дифракционная решетка . Из-за дифракции часть электронов рассеивается под определенными углами (дифрагированные лучи), в то время как другие проходят через образец, не меняя своего направления (прошедшие лучи). Для определения углов дифракции электронный луч, нормально падающий на атомную решетку, можно рассматривать как плоскую волну, которая повторно передается каждым атомом как сферическая волна. Из-за конструктивной интерференции сферические волны из числа дифрагированных лучей под углами , заданными, приблизительно, условием Брэгга
где целое число — это порядок дифракции и расстояние между атомами (если предполагается только один ряд атомов, как на иллюстрации сбоку) или расстояние между атомными плоскостями, параллельными лучу (в реальной трехмерной атомной структуре). Для конечных образцов это уравнение верно лишь приблизительно.
После отклонения магнитной линзой микроскопа каждый набор изначально параллельных лучей пересекается в задней фокальной плоскости, образуя дифракционную картину . Прошедшие лучи пересекаются прямо на оптической оси . Дифрагированные лучи пересекаются на определенном расстоянии от оптической оси (соответствующем межплоскостному расстоянию плоскостей, дифрагирующих лучи) и под определенным азимутом (соответствующим ориентации плоскостей, дифрагирующих лучи). Это позволяет сформировать картину ярких пятен, типичную для SAD. [3]
SAD называется «выбранным», потому что он позволяет пользователю выбирать область образца, с которой будет получена дифракционная картина. Для этой цели под держателем образца расположена апертура выбранной области . Это металлический лист с несколькими отверстиями разного размера, которые можно вставить в пучок. Пользователь может выбрать апертуру подходящего размера и расположить ее так, чтобы она пропускала только часть пучка, соответствующую выбранной области. Таким образом, полученная дифракционная картина будет отражать только область, выбранную апертурой. Это позволяет изучать небольшие объекты, такие как кристаллиты в поликристаллическом материале, с помощью широкого параллельного пучка.
Характер полученного дифракционного изображения зависит от того, дифрагирует ли луч одним кристаллом или несколькими по-разному ориентированными кристаллитами, например, в поликристаллическом материале. Дифрактограмма монокристалла изображает регулярный рисунок ярких пятен. Этот рисунок можно рассматривать как двумерную проекцию обратной кристаллической решетки . Если имеется большее количество кристаллитов, вносящих вклад, дифракционное изображение становится суперпозицией дифракционных картин отдельных кристаллов. В конечном счете, эта суперпозиция содержит дифракционные пятна всех возможных систем кристаллографических плоскостей во всех возможных ориентациях. По двум причинам эти условия приводят к дифрактограмме концентрических колец:
Анализ SAD широко используется в исследовании материалов из-за его относительной простоты и высокой информативности. После подготовки образца и его исследования в современном просвечивающем электронном микроскопе устройство позволяет проводить рутинное получение дифракции в течение нескольких секунд. Если изображения интерпретируются правильно, их можно использовать для идентификации кристаллических структур, определения их ориентации, измерения характеристик кристаллов, изучения дефектов кристаллов или текстур материалов. Ход анализа зависит от того, отображает ли дифрактограмма кольцевую или точечную дифракционную картину, а также от величины, которую необходимо определить.
Программные средства, основанные на алгоритмах компьютерного зрения , упрощают количественный анализ. [4]
Если SAD взят из одного или нескольких монокристаллов, дифрактограмма отображает регулярный рисунок ярких пятен. Поскольку дифракционную картину можно рассматривать как двумерную проекцию обратной кристаллической решетки , ее можно использовать для измерения постоянных решетки , в частности расстояний и углов между кристаллографическими плоскостями. Параметры решетки, как правило, различны для различных материалов и их фаз, что позволяет идентифицировать исследуемый материал или, по крайней мере, различать возможных кандидатов.
Несмотря на то, что анализы на основе SAD долгое время не считались количественными, компьютерные инструменты принесли точность и повторяемость, что позволило регулярно выполнять точные измерения межплоскостных расстояний или углов на соответствующим образом откалиброванных микроскопах. Такие инструменты, как CrysTBox, способны выполнять автоматизированный анализ, достигая субпиксельной точности. [4]
Если образец наклонен против электронного пучка, условия дифракции выполняются для различных наборов кристаллографических плоскостей, что приводит к различным созвездиям дифракционных пятен. Это позволяет определить ориентацию кристалла, которая может быть использована, например, для настройки ориентации, необходимой для конкретного эксперимента, для определения разориентации между соседними зернами или кристаллическими двойниками . [2] [4] Поскольку различные ориентации образца обеспечивают различные проекции обратной решетки, они дают возможность реконструировать трехмерную информацию, потерянную в отдельных проекциях. Серия дифрактограмм, различающихся по наклону, может быть получена и обработана с помощью анализа дифракционной томографии для реконструкции неизвестной кристаллической структуры. [5]
SAD также можно использовать для анализа дефектов кристаллов, таких как дефекты упаковки .
Если освещенная область, выбранная апертурой, охватывает много по-разному ориентированных кристаллитов , их дифракционные картины накладываются, образуя изображение концентрических колец. Кольцевая дифрактограмма типична для поликристаллических образцов, порошков или наночастиц . Диаметр каждого кольца соответствует межплоскостному расстоянию плоской системы, присутствующей в образце. Вместо информации об отдельных зернах или ориентации образца эта дифрактограмма предоставляет больше статистической информации, например, об общей кристалличности или текстуре . Текстурированные материалы характеризуются неравномерным распределением интенсивности вдоль окружности кольца, несмотря на кристалличность, достаточную для образования гладких колец. Кольцевые дифрактограммы также могут использоваться для различения нанокристаллических и аморфных фаз. [2]
Не все особенности, изображенные на дифракционном изображении, обязательно желательны. Проходящий луч часто слишком сильный и должен быть затенен с помощью светофильтра, чтобы защитить камеру. Светофильтр обычно затеняет также часть полезной информации. По направлению к центру колец интенсивность фона также постепенно увеличивается, снижая контраст дифракционных колец. Современное аналитическое программное обеспечение позволяет минимизировать такие нежелательные особенности изображения и вместе с другими функциями улучшает читаемость изображения, что помогает в интерпретации изображения. [4]
SADP получается при параллельном электронном освещении. В случае сходящегося пучка достигается дифракция электронов сходящегося пучка (CBED). [6] [3] Луч, используемый в SAD, является широким и освещает широкую область образца. Чтобы проанализировать только определенную область образца, используется выбранная апертура области в плоскости изображения. Это контрастирует с нанодифракцией, где селективность участка достигается с помощью пучка, сжатого в узкий зонд. [3] SAD важен при прямой визуализации, например, при ориентации образца для микроскопии с высоким разрешением или настройке условий визуализации темного поля .
Снимки с высокого разрешения электронного микроскопа можно преобразовать в искусственную дифракционную картину с помощью преобразования Фурье . Затем их можно обрабатывать так же, как и реальные дифрактограммы, что позволяет определять ориентацию кристаллов, измерять межплоскостные углы и расстояния даже с пикометрической точностью. [7]
Метод SAD похож на рентгеновскую дифракцию , но уникален тем, что позволяет исследовать области размером в несколько сотен нанометров, тогда как рентгеновская дифракция обычно исследует области гораздо большего размера.
