唐明華,陳木子,朱 興,郭 軍,閆春輝
(蘇州大學(xué) 分析測試中心,江蘇 蘇州 215123)
分析測試經(jīng)驗介紹(130~134)
ZnO衍射花樣180°不唯一性的消除
唐明華,陳木子,朱 興,郭 軍,閆春輝
(蘇州大學(xué) 分析測試中心,江蘇 蘇州 215123)
晶體電子衍射花樣涉及到界面、位錯等缺陷的晶體學(xué)性質(zhì)測定時,需要設(shè)法消除180°不唯一性這一問題. 應(yīng)用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡精密的傾斜樣品臺使晶體做有系統(tǒng)的傾轉(zhuǎn),觀察衍射花樣的變化并加以分析,從而消除了ZnO粉末單晶花樣的180°不唯一性.
ZnO晶體;衍射花樣;180°不唯一性
本文對ZnO粉末進行選區(qū)電子衍射花樣的獲取并進行指數(shù)化標(biāo)定,利用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡精密的傾斜樣品臺使晶體做有系統(tǒng)的傾轉(zhuǎn),根據(jù)樣品傾轉(zhuǎn)的角度及傾轉(zhuǎn)前后的電子衍射花樣判定晶體的實際取向,從而消除了ZnO粉末單晶花樣的180°不唯一性.
1.1 儀器與試劑
Tecnai G2F20透射電子顯微鏡(FEI公司,美國).
1.2 樣品制備
取1 mg ZnO樣品放置于盛有1 mL無水乙醇的1.5 mL離心管中,將離心管放入超聲震蕩儀中震蕩5 min,然后用移液槍取分散均勻的樣品,滴于直徑為3 mm的碳支持膜銅網(wǎng),紅外燈烘干,待測.
1.3 透射電鏡測試
使用Tecnai G2F20場發(fā)射透射電鏡經(jīng)相機常數(shù)及磁轉(zhuǎn)角的校準(zhǔn)后,將制備好的載有樣品的碳支持膜銅網(wǎng)放入透射電鏡樣品桿上,樣品桿插入鏡筒中,調(diào)整成像系統(tǒng)合軸,透射電鏡工作電壓為200 kV,工作電流為74 μA,點分辨率為0.24 nm.
會聚電子束于樣品上,切換至衍射模式,觀察到菊池衍射花樣,傾轉(zhuǎn)樣品臺,使觀察到的所有菊池線對稱地分布在透射斑點兩側(cè),記錄此時樣品臺X軸和Y軸的傾轉(zhuǎn)角度α1為0.39°,β1為1.43°. 返回明場像,用選區(qū)光闌選取樣品的合適區(qū)域,切換到衍射模式,選擇合適相機長度,調(diào)節(jié)亮度旋鈕使衍射斑點盡可能明銳,用底插CCD相機(Gatan 832)獲得ZnO的單晶選區(qū)電子衍射花樣1.
在單晶選區(qū)電子衍射花樣1上選擇一列通過透射斑的密排衍射斑. 以該列衍射斑的方向為軸傾轉(zhuǎn)樣品,直到獲得另一套單晶選區(qū)電子衍射花樣2,記錄此時樣品臺X軸和Y軸的傾轉(zhuǎn)角度α2為-24.58°,β2為18.09°.
2.1 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1的指數(shù)化標(biāo)定
圖1是樣品臺X軸和Y軸的傾轉(zhuǎn)角度α1為0.39°、β1為1.43°時,獲得的ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1,現(xiàn)對其進行指數(shù)化方法標(biāo)定.
圖1 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1的指數(shù)化方法Fig.1 Indexation method of ZnO diffraction pattern No. 1
古人云:“讀書破萬卷,下筆如有神?!背Q杂值溃骸皶侨祟愡M步的階梯?!弊韵茸娼瞪H,人便與書開始了一場數(shù)千年的傾城之戀。它其中所蘊含的奧秘,更是能給人們帶來非同一般的感覺。
根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18907-2013《微束分析 分析電子顯微術(shù)透射電鏡選區(qū)電子衍射分析方法》,需驗證R1、R2等上述測量值的準(zhǔn)確性,將R1、R2、R1+2、R2-1的測量值,代入公式(1)[3]得到Φ1、Φ2、Φ3的計算值分別為89.85°、28.57°、61.43°(見表1),將Φ1、Φ2、Φ3的計算值代入公式[(Φ2+Φ3)-Φ1]/Φ1中得到誤差為0.17%,在允許范圍內(nèi),說明R1、R2等測量值精確可靠,可繼續(xù)進行下一步標(biāo)定.
(1)
根據(jù)測量的2R1值得到R1值,進而計算得出衍射斑點h1k1l1所代表的d值為0.519 nm. 對照ZnO的PDF卡片#89-1397,查詢到{002}晶面族的晶面間距為0.261 nm,0.591≈0.2612,因此推測h1k1l1屬于{001}晶面族,選取{001}晶面族中的(001)為h1k1l1對應(yīng)衍射斑的指數(shù)[根據(jù)六方晶系消光條件,(001)晶面的衍射斑點不應(yīng)該出現(xiàn),此時觀察到的斑點應(yīng)為二次衍射斑點]. 同理,R2所代表的d值為0.282 nm,查詢到{100}晶面族的晶面間距為0.282 nm,因此它的指數(shù)應(yīng)為{100}類型,可選取{100}晶面族中的(100)為h2k2l2對應(yīng)衍射斑的指數(shù). 根據(jù)矢量運算法則,對其他衍射斑點進行標(biāo)定和核實, 如(100)和(001)晶面所代表的矢量合成得到(101). 由此ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1的指數(shù)標(biāo)定如圖2所示,包括等晶面指數(shù).
圖2 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1的指數(shù)標(biāo)定Fig.2 Index calibration of ZnO diffraction pattern No. 1
為了驗證衍射花樣指數(shù)標(biāo)定是否符合晶面夾角定律,測量(001)和(100)之間的夾角為90.18°,(001)和(101)之間的夾角為61.53°. 根據(jù)六方晶體晶面夾角公式(2)[1]計算出(001)和(100)以及(001)和(101)之間的夾角分別為90°和61.57°,測量值和計算值兩者基本相符,從而確定ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1指數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性.
根據(jù)晶帶軸公式(3)[1]計算ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1的晶帶軸指數(shù)[UVW]為[010].
(2)
u:v:w=[(k1l2-l1k2):(l1h2-h1l2):(h1k2-k1h2)]
(3)
2.2 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2的指數(shù)化標(biāo)定
圖3是樣品臺X軸和Y軸的傾轉(zhuǎn)角度α2為-24.58°、β2為18.09°時,獲得的ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2,現(xiàn)對其進行指數(shù)化方法標(biāo)定.
圖3 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2指數(shù)化方法Fig.3 Indexation method of ZnO diffraction pattern No. 2
將R1’、R2’、R1+2’、R2-1’的測量值,代入公式(1)得到Φ1’、Φ2’、Φ3’的計算值分別為89.81°、32.05°、57.24°(見表2),將Φ1’、Φ2’、Φ3’的計算值代入公式[(Φ2’+Φ3’)-Φ1’]/Φ1’中得到誤差為0.56%,誤差在允許范圍內(nèi),說明R1’、R2’等測量值精確可靠,可繼續(xù)進行下一步標(biāo)定.
表2 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2中R’與Φ’值的測量值與計算值Table 2 Measured values and calculated values of R and Φ in ZnO diffraction pattern No. 2
由于傾轉(zhuǎn)試樣過程中,保持包含中心斑至002方向的一列斑點始終明亮,因此ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2中和ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣1中R值相同的衍射斑點即為(002),即ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2中衍射斑點h1k1l1即為(002).
2.3 180°不唯一性的消除
圖4 ZnO單晶選區(qū)電子衍射花樣2可能的兩種指數(shù)標(biāo)定Fig.4 Two possible index calibrations of ZnO diffraction pattern No. 2
cosφ=
(4)
(5)
其中Δα=α1-α2,Δβ=β1-β2.
[1] 陳世樸,王永瑞.金屬電子顯微分析[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1982.
[2] 孟慶昌.透射電子顯微學(xué)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.
[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 18907-2013《微束分析 分析電子顯微術(shù)透射電鏡選區(qū)電子衍射分析方法》[S].
Elimination of 180° Nonuniqueness of ZnO Diffraction Pattern
TANG Ming-hua, CHEN Mu-zi, ZHU Xing, GUO Jun, YAN Chun-hui
(Analysis and Testing Center, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu China)
In the determination of electron diffraction pattern of crystal involving interface, dislocation and other defects of crystallography properties, to eliminate the problem of 180° nonuniqueness is needed. In this article, using the precise specimen stage of transmission electron microscope (FEI, Tecnai G2F20) the systematic tilting of crystals can be accomplished, and by the analysis and study of the changes of electron diffraction pattern, the selection of the right index of crystalline plane and index of zone axis, the elimination of 180° nonuniqueness of ZnO diffraction pattern can be achieved.
ZnO crystal; diffraction pattern; 180° nonuniqueness
2017-04-07;
2017-05-22.
實驗室安全及設(shè)備管理教改項目-圖像重構(gòu)技術(shù)(58333007); 國家自然科學(xué)基金青年基金(21301333)
唐明華(1986-),女,碩士,實驗師,研究方向為透射電子顯微鏡測試與分析, Tel:0512-65880382, E-mail: mhtang@suda.edu.cn
郭軍(1962-),女,碩士,教授,研究方向為透射電子顯微鏡測試與分析, Tel:0512-65880393, E-mail: guojun@suda.edu.cn;閆春輝(1986-),女,碩士,實驗師,研究方向為儀器分析和研究工作, Tel:0512-65880381, E-mail: yanchunhui@suda.edu.cn.
O657.32
B
1006-3757(2017)02-0130-05
10.16495/j.1006-3757.2017.02.012