Дифракция выбранной области

Дифракция (электронов) выбранной области (сокращенно SAD или SAED ) представляет собой кристаллографический экспериментальный метод, обычно выполняемый с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Это частный случай дифракции электронов, 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) можно использовать, , для определения ориентации кристалла , измерения констант решетки или исследования ее дефектов .

Принцип

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 тонкий (обычно менее 100 нм ). Из-за корпускулярно-волнового дуализма высокоэнергетические электроны ведут себя как волны материи с длиной волны в несколько тысячных нанометра. Релятивистская длина волны определяется выражением

\lambda ={\frac {hc}{\sqrt {eV(2m_{0}c^{2}+eV)}}},

где $h$ — постоянная Планка , $m_{0}$ – масса покоя электрона , $e$ это элементарный заряд , $c$ это скорость света и $V$ — 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 , действующей как дифракционная решетка . За счет дифракции часть электронов рассеивается под определенными углами (дифрагированные лучи), а другие проходят через образец, не меняя своего направления (прошедшие лучи). Чтобы определить углы 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 от ряда дифрагированных лучей под углами $\theta _{n}$ примерно задано условием Брэгга

d\sin \theta _{n}=n\lambda ,

где целое число $n$ представляет собой порядок дифракции и $d$ - это расстояние между атомами (если предполагается только один ряд атомов, как показано на иллюстрации) или расстояние между атомными плоскостями, параллельными лучу (в реальной трехмерной атомной структуре). Для конечных выборок это уравнение верно лишь приблизительно.

Схема изображения магнитной линзы (в центре) с увеличенным изображением (слева) и дифракционной картиной (справа), сформированной в задней фокальной плоскости.

микроскопа После отклонения магнитной линзой каждый набор изначально параллельных лучей пересекается в задней фокальной плоскости, образуя дифракционную картину . Передаваемые лучи пересекаются прямо по оптической оси . Дифрагированные лучи пересекаются на определенном расстоянии от оптической оси (соответствующем межплоскостному расстоянию дифрагирующих лучей) и под определенным азимутом (соответствующим ориентации плоскостей, дифрагирующих лучи). Это позволяет сформировать картину ярких пятен, типичную для САР. ^[3]

Связь между точечной и кольцевой дифракцией проиллюстрирована на примере от 1 до 1000 зерен MgO с использованием механизма моделирования CrysTBox . Экспериментальное изображение показано ниже.

SAD называется «выбранным», поскольку он позволяет пользователю выбрать область образца, из которой будет получена дифракционная картина. Для этого имеется специальное отверстие под держателем образца . Это металлический лист с несколькими отверстиями разного размера, которые можно вставить в балку. Пользователь может выбрать апертуру подходящего размера и расположить ее так, чтобы она пропускала только ту часть луча, которая соответствует выбранной области. Таким образом, результирующая дифракционная картина будет отражать только область, выбранную апертурой. Это позволяет изучать небольшие объекты, такие как кристаллиты в поликристаллическом материале, широким параллельным лучом.

Характер получаемого дифракционного изображения зависит от того, дифрагируется ли луч на одном монокристалле или на ряде разноориентированных кристаллитов, например, в поликристаллическом материале. Монокристаллическая дифрактограмма представляет собой регулярную картину ярких пятен. Эту картину можно рассматривать как двумерную проекцию обратной кристаллической решетки . Если вносящих вклад кристаллитов больше, дифракционное изображение становится суперпозицией дифракционных картин отдельных кристаллов. В конечном итоге эта суперпозиция содержит дифракционные пятна всех возможных кристаллографических плоских систем во всех возможных ориентациях. Эти условия приводят к появлению дифрактограммы концентрических колец по двум причинам:

Между различными параллельными кристаллографическими плоскостями существуют дискретные промежутки, и поэтому лучи, удовлетворяющие условию дифракции, могут образовывать дифракционные пятна только на дискретных расстояниях от прошедшего луча.
Имеются все возможные ориентации кристаллографических плоскостей, поэтому дифракционные пятна формируются вокруг проходящего луча во всем 360-градусном азимутальном диапазоне.

Интерпретация и анализ

Монокристаллический SADP автоматически интерпретируется с помощью программного обеспечения CrysTBox .

SAD-анализ широко используется в исследованиях материалов из-за его относительной простоты и высокой информативности. После того как образец подготовлен и исследован в современном просвечивающем электронном микроскопе, устройство позволяет провести рутинную дифракционную регистрацию за считанные секунды. Если изображения правильно интерпретированы, их можно использовать для идентификации кристаллических структур, определения их ориентации, измерения характеристик кристаллов, исследования дефектов кристаллов или текстур материалов. Ход анализа зависит от того, представляет ли дифрактограмма кольцевую или точечную дифракционную картину, а также от определяемой величины.

Программные инструменты, основанные на алгоритмах компьютерного зрения , упрощают количественный анализ. ^[4]

Точечная дифракционная картина

Если САД взят из одного или нескольких монокристаллов, дифрактограмма представляет собой регулярную картину 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 обычно 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 обеспечили точность и повторяемость, позволяя регулярно выполнять точные измерения межплоскостных расстояний или углов на соответствующим образом откалиброванных микроскопах. Такие инструменты, как CrysTBox, способны выполнять автоматический анализ с субпиксельной точностью. ^[4]

Если образец наклонен против электронного луча, условия дифракции удовлетворяются для разных наборов кристаллографических плоскостей, что дает различное сочетание дифракционных пятен. Это позволяет определить ориентацию кристалла, которую можно использовать, например, для установки ориентации, необходимой для конкретного эксперимента, для определения разориентации между соседними зернами или кристаллическими двойниками . ^[2]^[4] Поскольку разные ориентации образца обеспечивают разные проекции обратной решетки, они дают возможность восстановить трехмерную информацию, потерянную в отдельных проекциях. Серию дифрактограмм разного наклона можно получить и обработать с помощью дифракционного томографического анализа, чтобы восстановить неизвестную кристаллическую структуру. ^[5]

SAD также можно использовать для анализа дефектов кристалла, таких как дефекты упаковки .

Кольцевая дифракционная картина

Кольцевое дифракционное изображение MgO , записанное (слева) и обработанное с помощью CrysTBox RingGUI (справа).

Если освещенная область, выбранная апертурой, охватывает множество разноориентированных кристаллитов , их дифракционные картины накладываются друг на друга, образуя изображение концентрических колец. Кольцевая дифрактограмма типична для поликристаллических образцов, порошков или наночастиц . Диаметр каждого кольца соответствует межплоскостному расстоянию системы плоскостей, присутствующей в образце. Вместо информации об отдельных зернах или ориентации образца эта дифрактограмма предоставляет больше статистической информации, например, об общей кристалличности или текстуре . Для текстурированных материалов характерно неравномерное распределение интенсивности по окружности кольца, несмотря на достаточную для образования гладких колец кристалличность. Кольцевые дифрактограммы также можно использовать для различения нанокристаллических и аморфных фаз. ^[2]

Не все особенности, изображенные на дифракционном изображении, обязательно нужны. Передаваемый луч часто бывает слишком сильным, и его необходимо затенять ограничителем луча, чтобы защитить камеру. Ограничитель луча обычно также затеняет часть полезной информации. К центру колец интенсивность фона также постепенно увеличивается, снижая контрастность дифракционных колец. Современное аналитическое программное обеспечение позволяет свести к минимуму такие нежелательные особенности изображения и вместе с другими функциями улучшает читаемость изображения, что помогает при его интерпретации. ^[4]

Связь с другими методами

Дифрактограммы с различной кристалличностью и сходимостью пучков. Слева направо: точечная дифракция (SAD), CBED, кольцевая дифракция (SAD).

SADP получается при параллельном освещении электронами. В случае сходящегося луча дифракция электронов сходящегося луча (CBED). достигается ^[6]^[3] Луч, используемый в SAD, является широким, освещая широкую область образца. Для анализа только определенной области образца используется апертура выбранной области в плоскости изображения. Это контрастирует с нанодифракцией, где селективность по сайтам достигается с помощью луча, конденсируемого в узкий зонд. ^[3] SAD важен при прямой визуализации, например, при ориентации образца для микроскопии с высоким разрешением или при создании условий визуализации в темном поле .

Изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, можно преобразовать в искусственную дифракционную картину с помощью преобразования Фурье . Затем их можно обрабатывать так же, как реальные дифрактограммы, позволяя определять ориентацию кристаллов, измерять межплоскостные углы и расстояния даже с пикометрической точностью. ^[7]

SAD похож на дифракцию рентгеновских лучей , но уникален тем, что можно исследовать области размером до нескольких сотен нанометров, тогда как дифракция рентгеновских лучей обычно отбирает области гораздо большего размера.

См. также

Ссылки

^ Киркланд, Эрл (2010). Передовые вычисления в электронной микроскопии . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4419-6533-2 . OCLC 668095602 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Де Граф, Марк (27 марта 2003 г.). Введение в традиционную просвечивающую электронную микроскопию . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511615092 . ISBN 978-0-521-62006-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Фульц, Б (2013). Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов . Гейдельберг, Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-3-642-43315-3 . OCLC 796932144 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Клингер, Милослав (07.07.2017). «Больше функций, больше инструментов, больше CrysTBox». Журнал прикладной кристаллографии . 50 (4). Международный союз кристаллографии (IUCr): 1226–1234. Бибкод : 2017JApCr..50.1226K . дои : 10.1107/s1600576717006793 . ISSN 1600-5767 .
^ Джемми, Мауро; Мугнайоли, Энрико; Горелик Татьяна Евгеньевна; Колб, Юте; Палатинус, Лукас; Булле, Филипп; Ховмеллер, Свен; Абрахамс, Ян Питер (19 июля 2019 г.). «3D-электронная дифракция: революция нанокристаллографии» . Центральная научная служба ACS . 5 (8). Американское химическое общество (ACS): 1315–1329. дои : 10.1021/accentsci.9b00394 . ISSN 2374-7943 . ПМК 6716134 . ПМИД 31482114 .
^ Морнироли, Жан Поль (2004). Применение метода дифракции сходящегося пучка электронов под большими углами к кристаллическим дефектам . Тейлор и Фрэнсис. дои : 10.1201/9781420034073 . ISBN 978-2-901483-05-2 .
^ Клингер, Милослав; Поливка, Леош; Ягер, Алеш; Тюнина, Марина (12 апреля 2016 г.). «Количественный анализ структурной неоднородности наноматериалов с использованием просвечивающей электронной микроскопии». Журнал прикладной кристаллографии . 49 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 762–770. Бибкод : 2016JApCr..49..762K . дои : 10.1107/s1600576716003800 . ISSN 1600-5767 .

[Kirkland_2010-1] Киркланд, Эрл (2010). Передовые вычисления в электронной микроскопии . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4419-6533-2 . OCLC 668095602 .

[De_Graef_2003-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Де Граф, Марк (27 марта 2003 г.). Введение в традиционную просвечивающую электронную микроскопию . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9780511615092 . ISBN 978-0-521-62006-2 .

[Fultz_2013-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Фульц, Б (2013). Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов . Гейдельберг, Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-3-642-43315-3 . OCLC 796932144 .

[Klinger_2017-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Клингер, Милослав (07.07.2017). «Больше функций, больше инструментов, больше CrysTBox». Журнал прикладной кристаллографии . 50 (4). Международный союз кристаллографии (IUCr): 1226–1234. Бибкод : 2017JApCr..50.1226K . дои : 10.1107/s1600576717006793 . ISSN 1600-5767 .

[Gemmi_2019-5] Джемми, Мауро; Мугнайоли, Энрико; Горелик Татьяна Евгеньевна; Колб, Юте; Палатинус, Лукас; Булле, Филипп; Ховмеллер, Свен; Абрахамс, Ян Питер (19 июля 2019 г.). «3D-электронная дифракция: революция нанокристаллографии» . Центральная научная служба ACS . 5 (8). Американское химическое общество (ACS): 1315–1329. дои : 10.1021/accentsci.9b00394 . ISSN 2374-7943 . ПМК 6716134 . ПМИД 31482114 .

[Morniroli_2004-6] Морнироли, Жан Поль (2004). Применение метода дифракции сходящегося пучка электронов под большими углами к кристаллическим дефектам . Тейлор и Фрэнсис. дои : 10.1201/9781420034073 . ISBN 978-2-901483-05-2 .

[Klinger_2016-7] Клингер, Милослав; Поливка, Леош; Ягер, Алеш; Тюнина, Марина (12 апреля 2016 г.). «Количественный анализ структурной неоднородности наноматериалов с использованием просвечивающей электронной микроскопии». Журнал прикладной кристаллографии . 49 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 762–770. Бибкод : 2016JApCr..49..762K . дои : 10.1107/s1600576716003800 . ISSN 1600-5767 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]