Transmisní elektronová mikroskopie: pohled do nitra materiálů MIROSLAV KARLÍK Katedra materiálů FJFI ČVUT, Trojanova 13, Praha 2
1. Úvod Transmisní (prozařovací) elektronová mikroskopie (TEM) je jednou z experimentálních metod, bez kterých si materiálový výzkum dnes už neumíme představit. Umožňuje zobrazit mikrostrukturu uvnitř materiálu v měřítku od několika mikronů až po atomové rozlišení, pomocí elektronové difrakce určit symetrii krystalové mříže a pokud je mikroskop vybaven příslušnými spektrometry, provést navíc lokální analýzu chemického složení. Transmisní elektronová mikroskopie zaznamenala v posledních 20 letech bouřlivý rozvoj. Podobně, jako tomu bylo i u jiných experimentálních metod, výpočetní technika významně ovlivnila i TEM. Počítače nejprve umožnily značný pokrok při registraci, zpracování a interpretaci experimetnálních dat a později zasáhly i do vlastního ovládání elektronového mikroskopu. Moderní přístroje jsou již plně digitalizovány. Počítač sám řídí některé funkce mikroskopu a v paměti má uloženy údaje, které operátorovi usnadňující práci. Se zdokonalováním konstrukce a řízení mikroskopu byly vyvinuty i nové experimentální techniky. Mezi nejzajímavější jistě patří mikroskopie s atomovým rozlišením či elektronová holografie.
2. Historie TEM V roce 1930 Knoll a Ruska [1] vynalezli transmisní elektronový mikroskop (TEM). Vývoj tohoto přístroje byl motivován především omezenou rozlišovací schopností světelného mikroskopu, která byla, až do zavedení řádkovací techniky s pohybující se clonou (near field microscopy) po roce 1990, asi 0,25 μm. Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) tuto rozlišovací schopnost rychle překonala a brzy bylo možné ve studovaném vzorku rozlišit detaily kolem 1 nm. První komerční mikroskop byl postaven již v roce 1936, rozvoj TEM však byl zpomalen 2. světovou válkou. Původně byl transmisní elektronový mikroskop konstruován pro výzkum virů; v biologii i lékařství se TEM používá dodnes. První aplikací elektronové mikroskopie v oblasti
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
materiálového výzkumu bylo studium uhlíkových replik (otisků) lomových ploch. Významným krokem k širokému použití TEM pro studium mikrostruktury kovů byla práce Heidenreicha [2], který v roce 1949 poprvé ztenčil kovovou fólii na tloušťku prosvětlitelnou elektrony (~ 200 nm). První zkušenosti při studiu tenkých fólií vedly k poznání, že TEM se od klasické světelné mikroskopie významně liší tím, že vyžaduje hlubokou znalost interakce dopadajících (elektronových) vln s preparátem. V roce 1956 Bollmann uveřejnil první snímky krystalových poruch - dislokací a vrstevných chyb [3]. V následujících letech byla skupinou profesora Hirsche v Cambridgi vypracována teorie difrakčního kontrastu, s jejímž využitím jsme dnes schopni na snímcích z TEM identifikovat všechny známé čarové a plošné krystalové poruchy. Tato teorie je uvedena v monografii [4], známé jako první "bible" TEM. Praktické využití TEM pro řešení problémů materiálového výzkumu bylo v 70. letech detailně popsáno například Edingtonem [5]. Dnes je TEM jednou z nejdůležitějších experimentálních technik materiálového výzkumu. Pokrývá zvětšení v intervalu 2 000x až 20 000 000x, rutinním způsobem je možné dosahovat atomového rozlišení. Mikroskop vybavený RTG detektorem a elektronovým spektrometrem je analytickým přístrojem, který umožňuje provádět kvantitativní chemickou analýzu všech prvků kromě vodíku a helia s prostorovým rozlišením kolem 1 nm [6,7] a citlivosti blížící se detekci několika atomů [8,9]. S využitím filtrace energie elektronů [10] a RTG mapování [11] lze analytickou informaci zpracovat do map chemického složení. Kromě toho je možné chování materiálů pozorovat během ohřívání, ochlazování nebo deformace přímo in-situ v elektronovém mikrosopu. Experimentální techniky studia materiálů, které byly dostupné v roce 1990 jsou přehledně a srozumitelně popsány v učebnici Williamse a Cartera [12]. K této učebnici existuje i (online) výukový program [13], který umožňuje na interaktivních aplikacích simulovat funkci TEM i jednotlivé aspekty interakce elektronů s materiálem.
1
3. Stručný popis mikroskopu Transmisní elektronový mikroskop s běžným urychlovacím napětím pro materiálový výzkum (200 kV) je na obrázku 1a. V základní skříni výšky pracovního stolu je umístěn vakuový systém mikroskopu a řídící elektronika. Napájecí skříň a vysokonapěťový tank jsou umístěny odděleně. Ve svislém tubusu (viz schéma na obrázku 1b) je elektronová tryska, akcelerátor elektronů, magnetické čočky osvětlovací a zobrazovací soustavy, pozorovací a fotografická komora. Celý tento systém je neustále čerpán na vakuum 10-3 až 10-5 Pa. Nejvyšší vakuum je potřeba kolem elektronové trysky a v prostoru vzorku, který se vkládá doprostřed tubusu.
Podstatně menší velikost zdroje elektronů, vyšší koherenci, vyšší monochromatičnost a asi 1 000× vyšší směrovou proudovou hustotu mají autoemisní elektronové trysky (field emission gun – FEG). Nevýhodou těchto zdrojů elektronů je nutnost dosažení ultravakua, řádu 10-7 až 10-8 Pa, což je velmi nákladné. Autoemisní katoda je hrotová, zhotovená z monokrystalu wolframu určité krystalové orientace. Hrot je připraven elektrolytickým leptáním na ∅ kolem 100 nm. Emise elektronů je dosahována velmi vysokým gradientem elektrického pole, které v těsné blízkosti hrotu dosahuje hodnot až 109 Vm-1, a to buď za studena, nebo při zvýšené teplotě, která má příznivý vliv na udržení čistoty povrchu hrotu. 3.2. Objektivová čočka
3.1. Elektronové trysky Emisi elektronů zajišťuje nejčastěji katoda z tenkého wolframového drátku (∅ ~ 0,1 mm) ve tvaru písmene V, přímo žhavená na teplotu kolem 2800 K. Termoemisní elektronová tryska s wolframovým vláknem produkuje elektrony se směrovou proudovou hustotou kolem 109 A m-2sr-1. Pokud jako katodu použijeme podstatně dražší krystal hexaboridu lanthanu (LaB6), který má nižší výstupní práci pro emisi elektronů, dostáváme vyšší směrovou proudovou hustotu elektronů (~ 1010 A m-2sr-1). V obou případech má nejmenší průměr primárního svazku v elektronové trysce – tzv. křižiště – velikost řádově desítek μm.
Vedle elektronové trysky je klíčovou částí mikroskopu objektivová čočka. Na její kvalitě závisí rozlišovací schopnost a tedy rozsah možností použití mikroskopu. V současné době mají nejlepší objektivové čočky pro 200 kV mikroskopy koeficient sférické vady CS ~ 0,5 mm. Taková objektivová čočka umožňuje i v kombinaci s LaB6 katodou dosažení rozlišovací schopnosti ~ 0.19 nm, což je dostatečné pro zobrazení atomových sloupců zlata či hliníku. Nízký koeficient sfěrické vady však znamená, že pólové nástavce magnetické čočky jsou velice blízko, což omezuje úhel naklápění krystalického vzorku (typické hodnoty náklonu jsou ± 15°).
Obr. 1. Transmisní elektronový mikroskop: (a) přístroj, (b) schéma tubusu.
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
2
Pro studium mikrostruktury materiálů však většinou nepotřebujeme atomové rozlišení, zato vzorek musíme naklápět více (v krajním případě až ± 60°), a proto používáme mikroskop, jehož objektivová čočka má hodnotu koeficientu sférické vady podstatně vyšší.
mikroskop vybaven příslušnými spektrometry, strukturní aspekty pevné látky s informacemi o jejím chemickém složení nebo elektronových charakteristikách (energie vazeb, pásová struktura). 4.2. Získání difrakčních obrazců
4. Základní fyzikální principy 4. 1. Interakce elektronů s materiálem V elektronovém mikroskopu je vzorek ve formě tenké folie ozařován elektrony o energii řádově stovek kV. Elektrony uvnitř vzorku podstupují interakce pružné (se zanedbatelnou výměnou kinetické energie) a nepružné (elektronové excitace). Obrázek 2 představuje schéma různých signálů, které vznikají v transmisním elektronovém mikroskopu po dopadu primárního svazku na vzorek. primární svazek
Je-li zkoumaný materiál krystalický, dochází na příhodně orientovaných krystalových rovinách k difrakci elektronů. Jestliže dopadají elektronové paprsky na vzorek rovnoběžně, svazky elektronů difraktovaných na různých systémech krystalových rovin jsou rovněž rovnoběžné a objektivovou čočkou jsou fokusovány do bodů v zadní ohniskové rovině (Obr. 3). Vytvářejí zde Fraunhoferův difrakční obraz, který reprezentuje Fourierovu transformaci vlny vystupující ze vzorku. Přechod ze zadní ohniskové roviny do roviny obrazové je možné popsat inverzní Fourierovou transformací. V zadní ohniskové rovině objektivu je umístěna objektivová clona, která slouží k vytvoření žádaného typu kontrastu.
zpětně odražené elektrony katodoluminescence (viditelné fotony)
svazek elektronů
sekundární electrony
RTG-fotony
Augerovy elektrony předmětová rovina
A
vzorek
vzorek
Difraktované elektrony (elastické, inelastické) prošlé elektrony (bez interakce)
Obr. 2: Signály vznikající v transmisním elektronovém mikroskopu
Při pružném rozptylu elektrony interagují s elektrostatickým potenciálem jader atomů, který odklání jejich původní trajektorii. Přitom dochází ke změně hybnosti, se kterou je vždy spojena malá změna energie. V důsledku značného rozdílu mezi hmotností atomu a hmotností pohybujícího se elektronu je tato změna energie zanedbatelná. Při nepružném rozptylu primární elektrony interagují s elektronovým obalem. Ztrácejí přitom určité množství energie ΔE, předané vázaným elektronům, které se tak nacházejí přechodně v excitovaném stavu. Přenos energie je v tomto případě významný, protože částice v interakci mají stejnou hmotnost, i když uvažované množství energie ΔE je velmi malé v porovnání s energií dopadajícího svazku E. Tento primární proces excitace se využívá v elektronové spektroskopii (Electron Energy Loss Spectroscopy - EELS). Různé typy následné deexcitace (RTG emise, emise Augerových elektronů, katodoluminiscence atd.) umožňují spojit, pokud je
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
čočka objektivu
přímý prostor
Fourierova transformace
θ
zadní ohnisková rovina
difrakční obrazec
objektivová clona
reciproký prostor
zpětná Fourierova transformace ψ(0) r
r
ψ ( − g ) ψ (g )
obrazová rovina
A'
obraz
přímý prostor
Obr. 3: Vytvoření obrazu čočkou bez vad. Změna zobrazovacího módu mikroskopu na mód difrakční se provede přeostřením mezičočky (Obr. 1b) do zadní ohniskové roviny objektivu. V tomto módu vidíme difrakční obrazec na stínítku mikroskopu a můžeme ho registrovat na fotografický film. Difrakční obrazec využíváme k naklápění krystalu do vhodné orientace pro vznik požadovaného kontrastu a ke správnému umístění objektivové clony.
3
4.3. Vznik kontrastu V klasickém zobrazení pomocí difrakčního kontrastu používáme malou objektivovou clonu, která vymezuje pouze jeden svazek elektronů – prošlý (T) či difraktovaný (D), k získání známých obrazů ve světlém resp. tmavém poli (Obr. 4a). Použijeme-li velkou objektivovou clonu (Obr. 4b), dostáváme (pokud je dopadající svazek elektronů dostatečně koherentní) fázový interferenční kontrast. Obraz A' libovolného bodu A vzorku je r výsledkem interference vln (svazků) ψ ( − g ) , ψ (0) ,
pokoveného skleněného vlákna tloušťky < 0.5 μm. Vlákno, na kterém je udržováno pozitivní napětí 10 až 150 V působí jako Fresnelův dvojhranol (Obr 5). Vzorek natočíme tak, aby byl rovnoběžný s vláknem. Část elektronového svazku ΨG tak prochází vzorkem (obrazová vlna), zatímco druhá část svazku ΨR působí jako vlna referenční. Informace o amplitudě a fázi je zakódována v modulaci kontrastu a zakřivení interferenčních proužků obrazové a referenční vlny.
r
ψ (g ) a dalších, které procházejí otvorem clony objektivu (Obr. 3). Tímto způsobem je možné dosáhnout zobrazení krystalové mřížky vzorku v atomovém rozlišení. Přenos kontrastu mikroskopem však v případě interferenčního kontrastu není lineární. Proto je experimentální snímky většinou nutné interpretovat pomocí počítačových simulací, abychom ověřili, zda obraz odpovídá zkoumané struktuře a nejde o interferenční artefakt.
Obr. 4. Velikost a umístění objektivové clony pro difrakční kontrast (a) a fázový interferenční kontrast (b).
4. 4. Elektronová holografie Ačkoliv elektronová holografie byla vyvinuta až po roce 1990, Gabor [14] původně navrhl tuto techniku už v roce 1948 s cílem zvýšit rozlišovací schopnost TEM. V té době však nebyly k dispozici dostatečně koherentní zdroje elektronů (autoemisní katody - FEG), a tak holografie našla po vynálezu laseru nejprve uplatnění ve světelné optice. Elektronová holografie je založena na vlnové optice. Obraz registrovaný na fotografické desce nebo CCD kameře je intenzita (tedy druhá mocnina amplitudy) dopadající vlny. Podstatná část informace – fáze elektronové vlny – je přitom ztracena. Holografické metody umožňují provést zpětnou rekonstrukci fáze pomocí počítačového zpracování. Principem jedné z nejrozšířenějších metod v elektronové holografii je použití referenční vlny [15,16]. Do mikroskopu s autoemisní katodou je pod objektivovou čočku nainstalován dělič elektronového svazku v podobě
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
ΨG
ΨR
Vzorek
Obr. 5. Princip elektronové holografie
Interpretace elektronového hologramu spočívá v jeho počítačovém zpracování, které umožňuje korigovat vady přenosu kontrastu mikroskopem a získat tak obraz nedeformované elektronové vlny na výstupu ze vzorku. Počítačové simulace kontrastu potom stačí provést pouze pro interakci elektronové vlny se vzorkem, čímž se výrazně snižuje počet parametrů výpočtů. Elektronová holografie se používá při studiu struktury krystalů v atomovém rozlišení, řada aplikací je i při nižším rozlišení, jako například při studiu profilů p-n přechodu, zobrazení elektrických či magnetických polí s laterálním rozlišením několika nanometrů, při analýze koncentračních profilů na rozhraní apod. [17]. 4. 5. Atomové rozlišení metodou Z-kontrastu Metoda Z-kontrastu využívá nekoherentního zobrazení v důsledku difrakce pod úhly většími než 50 mrad (~3°). Její výhodou je, že poskytuje přímo interpretovatelné obrazy mikrostruktury – mapy rozptylových center krystalu, ve kterých je intezita úměrná atomovému číslu
4
Z (odtud Z-kontrast) [18]. Nekoherentní přenos obrazu je lineární, a proto počítačové simulace nejsou potřeba. Abychom mohli metodu Z-kontrastu použít, musí být mikroskop vybaven autoemisní katodou, řádkováním elektronového svazku a prstencovým detektorem elektronů difrakto-vaných pod velkými úhly (high-angle angular dark field detector – HAADF, Obr. 6). Klíčovým parametrem, který určuje rozlišovací schopnost metody Zkontrastu, je velikost sondy – konvergentního svazku elektronů. S použitím autoemisní trysky je v současné době možné dosáhnout velikosti svazku 0,15 nm a proudu kolem 1 nA, což je dostatečné pro rozlišní atomových sloupců kovů.
dopadající konvergentní svazek
θ1 > 50 mrad
Obr. 7 – Velmi malá protažená zrna v plechu slitiny Al-Fe-Mn připraveném metodou cyklického válcování za tepla.
vzorek
θ1
HAADF detektor
HAADF detektor
Obr. 6. Prstencový detektor elektronů pro difrakci pod velkými úhly.
5. Příklady zobrazení krystalových poruch Krystalové poruchy významně ovlivňují vlastnosti materiálů. V mnoha případech je pozorování v TEM nezbytné pro správnou volbu technologického postupu výroby, diagnostiku degradačních procesů nebo pro interpretaci fyzikálních měření (diferenciální skenovací kalorimetrie – DSC, elektrická rezistometrie). 5.1. Hranice zrn Ke sledování velikosti a morfologie zrn se transmisní elektronová mikroskopie používá pouze u velmi jemnozrnných materiálů (Obr. 7). Častější je studium struktury hranic v interakci s částicemi různých fází, které v materiálu vznikají při tepelném zpracování. Obr. 8a představuje typický proužkový kontrast vysokoúhlové hranice zrn. Na Obr. 8b jsou na hranici zrn částice precipitátu, Obr. 8c pak ukazuje jemný precipitát v matrici, na hranici zrn a bezprecipitační zóny po obou stranách hranice.
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
Obr. 8. Hranice zrn v intermetaliku na bázi Fe3Al: (a) proužkový kontrast vysokoúhlové hranice, (b) částice karbidu Cr a Fe vyloučené na hranici, (c) jemný precipitát téhož karbidu v matrici i na hranici a bezprecipitační zóny v blízkosti hranice [19].
5
5.2. Dislokace Dislokace (Obr. 9) jsou čarové poruchy, které umožňují plastickou deformaci krystalů. Pomocí TEM určujeme jejich hustotu, uspořádání, Burgersův vektor a skluzový systém, ve kterém se pohybují, případně sledujeme interakce dislokací s různými překážkami.
je označena jedna fundamentální reflexe (220), jedna reflexe nadstruktury uspořádání B2 (002) a jedna reflexe nadstruktury uspořádání D03 (111). Pomocí funamentální reflexe (220) zobrazíme dislokace, přičemž antifázová rozhraní nejbližších sousedů (APB1) dávají pouze slabý kontrast (Obr. 10b). Použijeme-li reflexi nadstruktury B2, rozhraní APB1 zobrazíme v silném kontrastu (obr. 10c) a dislokace jsou vidět jen slabě. Pomocí reflexe nadstruktury D03 pak zobrazíme antifázová rozhraní druhých nejbližších sousedů (APB2) a kontrast rozhraní APB1 je opět slabý (Obr. 10d).
Obr. 10. Antifázová rozhraní v uspořádané slitině na bázi Fe3Al: (a) difrakční obrazec v ose zóny <110>, (b) krátké dislokace a zbytkový kontrast APB1 v reflexi (220), silný kontrast APB1 v reflexi (002), silný kontrast APB2 a zbytkový kontrast APB1v reflexi (111).
Obr. 9. Dislokace: (a) přímé šroubové dislokace v monokrystalu slitiny Fe-3hm%Si, (b) vysoká hustota dislokací v blízkosti lomové plochy reaktorové oceli A508.
5.3. Antifázová rozhraní Antifázová rozhraní se vyskytují pouze ve slitinách, ve kterých jsou různé druhy atomů pravidelně uspořádány na dlouhou vzdálenost jako například v aluminidech železa na bázi Fe3Al. Obrázek 10 znázorňuje dva typy tepelných antifázových rozhraní, na kterých je pravidelné střídání atomů hliníku a železa porušeno. Zároveň ilustruje složitost vzniku kontrastu v TEM – snímky Obr. 10 b,c,d jsou pořízeny ze stejného místa vzorku a přitom se výrazně liší. Na Obr. 10a je difrakční obrazec, ve kterém
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
Použijeme-li při naklopení krystalu do osy zóny <110> velkou objektivovou clonu, získáme obraz v atomovém rozlišení a oba typy antifázových rozhraní jsou zobrazeny současně (Obr. 11a). Každý světlý bod na snímku představuje atomový sloupec minoritní podmřížky hliníku. Atomové sloupce majoritních podmřížek železa nejsou zobrazeny v důsledku nedostatečné rozlišovací schopnosti mikroskopu. Typ antifázového rozhraní je možné rozeznat podle návaznosti podmřížky Al v rovině (100). V případě, že roviny (100) Al nenavazují, jedná se o antifázové rozhraní APB1 (Obr 11b). Struktura antifázového rozhraní druhých nejbližších sousedů (APB2) je na obr. 11c. Ve spodní části snímku je vložena počítačová simulace kontrastu dokazující, že se jedná o skutečný strukturní obraz a ne o interferenční artefakt.
6
5.4 Precipitáty Precipitáty jsou částice různých tvarů a velikostí, lišící se od majoritního objemu slitiny chemickým složením a často i krystalovou strukturou. Vznikají v pevné fázi difuzí řízenou chemickou reakcí. I když v materiálu většinou tvoří jen malý objemový podíl, způsobují jeho významné zpevnění. Některé precipitačně zpevněné slitiny hliníku používané v leteckém průmyslu pak mají vyšší pevnost než běžné konstrukční oceli. Na obr. 12a jsou na snímku ve světlém poli jehličkovité a kulové částice ve slitině Al legované lithiem. Obr. 12b ukazuje výrazně kvalitnější kontrast v tmavém poli s využitím superstrukturní difrakční stopy kulových částic fáze δ´ (Al3Li). V tomto kontrastu nejsou jehličkovité částice vidět. K jejich zobrazení v tmavém poli by bylo třeba použít jimi difraktovaného svazku elektronů.
Obr. 11. Antifázová rozhraní v uspořádané slitině na bázi Fe3Al – atomové rozlišení podmřížky hliníku v orientaci <110>: (a) přehledový snímek s oběma typy rozhraní, urychlovací napětí 120 kV; na difrakčním obrazci je znázorněna velikost a umístění objektivové clony, (b) detail APB1, urychlovací napětí 200 kV, (c) detail APB2, urychlovací napětí 200 kV; ve spodní části snímku je vložena počítačová simulace kontrastu dokazující, že se jedná o tzv. strukturní obraz a ne o interferenční artefakt [20].
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
Obr. 12. Precipitáty ve slitině Al-Li, oba snímky zobrazují stejnou oblast vzorku: (a) jehličkovité a kulové částice zobrazené ve světlém poli, (b) kulové částice precipitátu fáze δ´ (Al3Li) zobrazené v tmavém poli.
7
Některé částice jsou tak malé, že pro studium jejich struktury je třeba použít atomového rozlišení. To je i případ tzv. Guinier-Prestonových (GP) zón, částicích zpevňujících slitiny na bázi Al-Cu, běžně známé pod obchodním názvem Dural. Tyto GP zóny jsou diskovité útvary bohaté na měď, v matrici hliníku se tvoří podél krystalových rovin {100}. Na obr. 13a vidíme dvě skupiny GP zón v rovinách (100) a (010) v difrakčním kontrastu. Třetí skupina částic, rovnoběžná s rovinou snímku, nedává žádný kontrast. Snímek 13b ukazuje pouze jednu skupinu částic v atomovém rozlišení při natočení krystalu do osy <100>.
<110>, vpravo nahoře je difrakční obrazec, bílá kružnice označuje velikost a umístění objektivové clony [21].
5.5. Interakce dislokací s precipitáty Částice precipitátů způsobují zpevnění materiálů tím, že blokují pohyb dislokací, nezbytný pro plastickou deformaci. Z hlediska interakce rozlišujeme částice, které mohou být dislokacemi protnuty a částice pro dislokace neproniknutelné. Obr. 14 znázorňuje první případ. Destičkovitá GP zóna (viz též obr. 13), byla pohybem dislokace rozdělena na dvě části. Přitom došlo k posunutí krystalu podél skluzové roviny znázorněné na schématu o jednu meziatomovou vzdálenost a v místě částice pak k přerušení vazeb Cu-Cu a vzniku párů vazeb Cu-Al.
Obr. 14. Guinier-Prestonova zóna ve slitině Al-4hm.%Cu: po interakci s dislokací. Pohybem dislokace došlo k posunutí krystalu podél skluzové roviny o jednu meziatomovou vzdálenost a v místě částice pak k přerušení vazeb Cu-Cu a vzniku párů vazeb Cu-Al [22].
Obr. 13. Guinier-Prestonovy zóny ve slitině Al-4hm.%Cu: (a) difrakční kontrast v ose krystalové zóny <100>, vpravo nahoře je odpovídající difrakční obrazec s charakteristickými čarovými difuzními stopami mezi fundamentálními reflexemi matrice Al, (b) obraz v atomovém rozlišení při natočení krystalu do osy
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
Na obrázku 15 je interakce dislokace s jehličkovitými částicemi fáze β“ ve slitně Al-Mg-Si. Na snímku ve světlém poli (Obr. 15a) vidíme částice a široký kontrast dislokace. Ze snímku v tmavém poli ve slabém svazku (obr. 15b) je patrný skutečný stupňovitý tvar dislokace zachycené na částicích. Precipitáty brání v pohybu i sítím dislokací, jak je to patrné ze snímku na obrázku 16.
8
s LaB6 katodou umožňující zobrazení v atomovém rozlišení „klasickou“ metodou interferenčního kontrastu. Další zobrazovací techniky popsané v článku – elektronová holografie a Z-kontrast vyžadují ještě nákladnější experimentální zařízení – mikroskop s autoemisní katodou (cena ~45 milionů Kč). Věřme, že i takovýto mikroskop se spektrometry charakteristického RTG záření a energie elektronů (EELS) v České republice bude brzy k dispozici. 7. Literatura Obr. 15. Dislokace v interakci s jehličkovitými částicemi fáze β“ ve slitině Al-Mg-Si: (a) jehličky fáze β“ a široký kontrast dislokace ve světlém poli, (b) při použití slabého svazku zobrazíme v tmavém poli skutečný stupňovitý tvar dislokace zachycené na částicích.
Obr. 16. Zachycení sítě dislokací na karbidech Zr v uspořádané slitině na bázi Fe3Al.
6. Shrnutí, závěr V článku byla popsána stručná historie transmisní elektronové mikroskopie a nejdůležitější části mikroskopu. Základní techniky zobrazení v difrakčním kontrastu ve světlém a tmavém poli a v interferenčním kontrastu s atomovým rozlišením jsou ilustrovány na snímcích různých krystalových poruch z publikací a archivu autora. Snímky s atomovým rozlišením byly získány na zahraničních pracovištích. Nicméně v roce 2004 již byl jako první v České republice v Ústavu anorganické chemie Akademie věd ČR v Řeži instalován vysokorozlišovací transmisní elektronový mikroskop
Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457- 464
[1] KNOLL, M. – RUSKA, E., Z. Phys., 78 (1932), 318. [2] HEIDENREICH, R. D., J. Appl. Phys, 20 (1949) 993. [3] BOLLMANN, W., Phys. Rev., 103 (1956) 1588. [4] HIRSCH, P.B. – HOWIE, A. – NICHOLSON, R.B.PASHLEY, D:W. – WHELAN, M.J., Electron Microscopy of Thin Crystals, 2nd Ed, Krieger, Huntington, NY, 1977. [5] EDINGTON, J.W., Practical electron microscopy in materials science, Macmillan, London 1975 [6] BATSON, P.E., Nature 366 (1993) 727. [7] WILLIAMS, D.B.-MICHAEL, J.R.-GOLDSTEIN, J.I.ROMIG Jr., A.D., Ultramicrosc. 47 (1992) 121. [8] KRIVANEK, OL. - MORY, C- TENCE, M. – COLLIEX, C. Microsc. Microanal. Microstruct., 2 (1991, 257. [9] WATANABE, M – WILLIAMS, D:B., Ultramicrosc. 78 (1999) 89. [10] REIMER, L. (ed.), Energy-filtering transmission electron microscopy, Springer-Verlag, Berlin, 1995. [11] WILLIAMS, D:B:- WATANABE, M. –CARPENTER, D., Microchim. Acta, 15 (Suppl) (1998) 49. [12] WILLIAMS, D.B.- CARTER, C.B., Transmission Electron Microscopy - A text for materials science, Plenum Press, NY, 1996. [13] http://www.matter.org.uk/tem/ [14] GABOR, D. In: Proc. Roy. Soc. London 197A (1949) 454. [15] LICHTE H. – SCHEERSCHMIDT, K., Ultramicrosc. 47, (1992) 231. [16] LICHTE H., Ultramicrosc. 51 (1993) 15. [17] LICHTE H. – LEHMANN, M., In: Proc. EUREM 12, Brno, Czech Republic, July 9-14, 2000, Vol. 3, I47. [18] PENNYCOOK J. - JESSON D.E., Acta Metall. Mater. 40 (1992) S149 [19] KARLÍK, M., In: Proc. EUREM 12, Brno, Czech Republic, July 9-14, 2000, Vol. II, pp. P529. [20] KARLÍK, M., Mater. Sci. Eng. A234-236 (1997) 212. [21] KARLÍK, M.- JOUFFREY, B., Acta Mater. 45 (1997) 3251. [22] KARLÍK, M.- JOUFFREY, B. – BELLIOT, S., Acta Mater. 46 (1998) 1817.
9
