【WORD格式论文原稿】表层材料晶格常数的 CBED 方法精确表征1

【WORD格式 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 原稿】表层材料晶格常数的 CBED 方法精确表征1 免费查阅标准与论文: 1 表层材料晶格常数的 CBED 方法精确表征 ，1221孟杨 ，谷林 ，张文征 1 清华大学材料科学与工程系，北京 1000842 Max Planck institute for metals research，Stuttgart D-70569 E-mail zhangwz@tsinghua.edu.cn 摘 要:在光滑的样品表面发生沉淀相变或者沉积镀膜以及外延生长的过程中，新相在自由 表面一侧不受约束。由于新相与母相晶格常数以及位向关系所决定的晶格匹配的差异，新相 在长大过程中会产生应力场。相对在母相内部形成的新相以界面位错的形式松弛应变场的情 况，表面形成的新相的相变应力场更容易以弹性变形的形式存在，因此新相可能发生变形， 从而导致晶格常数发生 轻微的改变。本 文通过 采集表层析出相的汇聚 束衍射谱 (convergent-beam electron diffraction CBED)，并借助动力学模拟对表层材料的晶格常数进 行精确测定。相对于 XRD 方法，本方法能够在表层进行微区分析，逐一检测每一个析出相， 故而能够更加敏感的反应晶格常数的变化。 关键词:汇聚束电子衍射，局部变形，晶格常数 中图分类号:O46 1. 引 言 材料的晶格常数是衡量材料应力状态的重要指数。材料内部的微观应力使晶格常数发生 改变，从而导致面间距变化。以往研究者正是通过观察 x 射线峰半高宽的变化来了解材料的 [1]微观应力，但这种方法只能反映应力的大小，无法反映晶格是膨胀抑或收缩。另外对于一 般的固体物质 x 射线的透射深度为 15,20µm，材料表层晶格常数的变化会与其下基体的信 息会叠加在一起难以分离。 实验发现正带轴的 CBED 光斑中的高阶劳厄线(High ordered Laue Zone, HOLZ line)对 [2]晶格常数很敏感，能够随其变化而移动。Zuo 和合作者们依据此实验现象提出用 Bloch 波 [3]考虑动力学因素，通过模拟实测的 CBED 花样来测量晶格常数的方法。由于 CBED 能够 对样品进行微区分析，因此该方法特别适用于测量局部有变形的样品甚至是单个析出相的晶 [4]格常数。Kaiser 等人用此方法测量了 SiC 薄膜的晶格常数，发现薄膜 SiC 相对体材料 SiC 有 4%的膨胀。这种膨胀很可能是由于自由表面一侧不受约束的缘故。 同样道理，在光滑表面析出的沉淀相很可能也与体材料内部的析出相在晶格常数上有所 差别。实验已经发现，在预抛光的双相不锈钢表面析出相基体的位向关系与体材料的位向关 [5, 6]系不同。本文的工作旨在借助CBED 方法测量双相不锈钢表层析出相及其周围基体的晶 格常数，进一步分析位向关系偏差的基本数据。 2. 实验 -6实验所用的双相不锈钢样品表面预抛光。在超高真空环境(10Pa)下，经 1300?均匀 化成为高温铁素体 δ 单相后，置于 960?的两相区，保温一定时间让奥氏体 γ 相部分析出后 水淬。表层样品制成截面样品，经离子减薄，选取无应力区域使用透射电子显微镜(TEM) Zeiss 912 Omega 进行 CBED 观察。为保证样品的稳定性，样品台使用液氮冷却。电子束经 过 20ev 的能量过滤器过滤获得正带轴下的 CBED 花样。再利用电镜应用网路软件 Web 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金《双相不锈钢中各向异性γ沉淀相组织形成学的探索》 320001112 资助。 - 1 - 免费查阅标准与论文: [7] Electron Microscopy Applications Software (WebEMAPS)进行动力学模拟。 3. 实验结果 [2] 高阶劳厄带(HOLZ)的衍射依然遵守 Bragg 定律，所以 ?λ = 2 sinθ?d+ 2dcosθ?θ (1) hkl hkl hkl hkl hkl 因此理想材料(无应力)晶格常数以及入射电子束的波长，都能够影响 CBED 中心斑中的 HOLZ 线的分布。样品越厚，HOLZ 线越细，动力学效应越明显。这些参数都是 CBED 动力 学模拟的输入参数，因此在拟合晶格常数之前，需要注意确定其他参数。 3.1 参数确定 b a 图 1(a)标样 Si 的[114]CBED 花样，(b)中心斑的 HOLZ 线分布，(c)240nm 厚 Si[114]带轴在 119.62Kv 的 CBED [7]中心斑动力学模拟 采用单晶 Si 作为标样标定电镜的加速电压。在膜厚和晶格常数一定的情况下，加速电 压的改变造成入射电子束波长的波动，从而影响 HOLZ 线，使之发生移动: (2) ?λ = 2dcosθ?θ hkl hkl hkl 已知室温下 Si 的晶格常数为 5.4309Å。实验中拍摄到 Si 在[114]带轴的 CBED 衍射斑，见图 1(a)。由中心斑内的等厚条纹(图 1(b))可知样品该区域的膜厚为 250nm。通过比较 HOLZ 线各节点的位置可知加速电压为 119.62Kv 的动力学模拟与实验观察到的花纹最为相似，见 图 1(c). 下一步确定薄膜的厚度。由于会聚束的照射范围很小，可以认为照射区域内薄膜厚度均 匀。因此厚条纹的数量和间距仅对膜厚敏感。首先由厚度条纹的数量和消光距离 ξ粗略估 g 计薄膜的大致厚度，再通过模拟将误差缩小到 5nm 以内。最后结果为 γ 相所在区域的膜厚 为 115nm，而 δ 相区的厚度为 100nm。 3.2 晶格常数 在特定的入射束下，晶格常数的变化与 HOLZ 线的移动恰好抵消: (3) 2θ?d+ 2d?θ= 0 hkl hkl hkl hkl ?θ?da hklhkl，故而 所以有 = ? ，在立方晶体中， d= hkl 2 2 2θd h+ k + l hklhkl - 2 - 免费查阅标准与论文: ?θ?ahkl = ? (4)θa hkl 可见对于相同的晶格常数变化，Bragg 角越大，HOLZ 线的移动越明显。在中心斑中，几乎 所有的 HOLZ 线都要发生平移，而两个二维图像的相似度不易衡量，因此实验中，做了如 下简化: 选定某一根接近中心的 HOLZ 线，该线与其他 HOLZ 线有若干交点，测量相邻交点之 间的距离，见图 2，再将这些距离两两相比，得到一系列比值。将一些列不同晶格常数的模 拟光斑(图 3)中相应的比值做趋势图，见图 4，与实验光斑的比值相比较，寻找最优点。 实验使用液氮冷却，因此拟合所得结果为液氮温度下的晶格常数，再根据钢的膨胀系数 推算室温和相变温度的晶格常数。 根据双向不锈钢表层析出相的位向关系，我们分别测量 了近 KS (图 2，5)和近 NW 位向关系(图 6，7)的两组析出相和母相的晶格常数，列于表 1 中。结果显示，两种位向关系下基体的晶格常数在室温下与体材料的 XRD 结果没有太大差异;而近 KS 关系下的析 出相有 0.17%的膨胀，近 NW 关系下的析出相则有 0.19%的收缩。 图 2 -167?近 KS 关系析出相 γ 相[332]中心斑。五个节点之间的距离 r2,r5 表征 HOLZ 线的分布。 0.3610 nm 0.3612 nm 0.36125 nm - 3 - 免费查阅标准与论文: 0.3613 nm 0.3614 nm 0.3615 nm [7] 图 3 不同晶格常数的 γ 相[332]中心斑模拟结果。 0.50 ex_r2/r1 0.45 ex_r3/r1 ex_r4/r1 0.40 ex_r5/r1 0.35 simu_r2/r1 simu_r3/r1 0.30 simu_r4/r1 0.25 simu_r5/r1 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 图 4HOLZ 线随晶格常数变化的分布趋势。 图 5 -182?近 KS 关系基体 δ 相[120]的 CBED 中心斑(a)以及晶格常数为 0.2873nm 的动力学模拟(b) - 4 - 免费查阅标准与论文: 图 6 -155?近 NW 关系 δ 相[120]的 CBED 中心斑(a)以及晶格常数为 0.2879nm 的动力学模拟(b) 图 7-155?近 NW 关系 γ 相[114]的 CBED 中心斑(a)以及晶格常数为 0.3600nm 的动力学模拟(b) 表 1 两种位向关系的析出相与基体的晶格常数 近 KS 近 NW 体材料 [8]/nm 室温 960? 室温 960? (室温) γ 相 0.3620?2 0.3658?2 0.3607?2 0.36445?2 0.3614 0.2880?2 0.2902?2 0.2885?2 0.2915?2 0.2879 δ 相 4. 结论 本文结合动力学模拟，用 CBED 方法精确测量了双相不锈钢预抛光表面析出相及其周 围基体的晶格常数。发现表层析出相的晶格会发生膨胀或者收缩，不同位向关系的析出相晶 格变化的方向不同。晶格变化的方向很可能取决于自由表面的取向，并可能影响新相与母相 之间的位向关系。 5. 致谢 感谢高等学校博士学科点专项科研基金 320001112 对本工作的支持。 - 5 - 免费查阅标准与论文: 参考文献 1. 王英华, x 光衍射技术基础[M]. 第二版. 1993, 北京: 原子能出版社. 2. Morniroli, J.-P., Large-angle convergent-beam electron diffraction Applications to crystal defects[M]. 2002, Paris: Societe Francaise des Microscopies. 3. Zuo, J.M., Kim, M., and Holmestad, R., A new approach to lattice parameter measurements using dynamic electron diffraction and pattern matching[J]. Journal of Electron Microscopy, 1998. 47(2): p. 121-127. 4. Kaiser, U., et al., Application of the CBED method for the determination of lattice parameters of cubic ic films on 6H SiC substrates[J]. Journal of Electron Microscopy, 1999. 48(3): p. 221-233. S 5. 邱冬, 双相不锈钢系统奥氏体沉淀相的相变晶体学研究[D]. 北京:清华大学材料 系,2005. 6. Meng, Y., et al., Determination of precise orientation relationships between surface precipitates and matrix in a duplex stainless steel[A]. Hermanns-Sachweh,A.H.,et al. EMC 2008 14th European Microscopy Congress, Aachen, Germany: Spriger, 2008. p. 659-660. 7. Zuo, J.M. and Mabon, J.C., Web-based Electron Microscopy Application Software: Web-EMAPS;Microsc Microanal 10(Suppl 2) [DB/CD]. 2004. 8. Qiu, D. and Zhang, W.Z., A TEM study of the crystallography of austenite precipitates in a duplex stainless steel[J]. Acta Materialia, 2007. 55(20): p. 6754-6764. Precise determination of lattice parameter on surface of duplex stainless steel by CBED 1,2[2]1 Meng Yang, Gu Lin, Zhang Wenzheng1Department of materials science and engeineering, Tsinghua university, Beijing 100084 2 Max Planck institute for metals research，Stuttgart D-70569 Abstract The strain field may be introduced during the precipitation. When the new phase forms near the free surface, it is easier to deform elastically than that in bulk material, so that the lattice parameter of the new phase is offten slightly changed. In this paper, convergent-beam electron diffraction combined with dynamic simulation is used to make a precise measurement of the lattice parameters of the phase near the surface. Due to the ability of local analysis, it is possible to track every precipitate according to its orientation relationship. Compared with XRD, this method is more sensitive to the local change of the lattice parameters. Keywords: Convergent-beam electron diffraction, Local deformation, Lattice parameter 作者简介: 孟杨，女，1982 年生，博士研究生。 谷林，男，1979 年生，博士后。张文征，女，1956 年生，清华大学教授，博士生导师。 - 6 -