Новости

Новости

Дифракционная микроскопия


Металлы прозрачны лишь для рентгеновских лучей и электронов. Рентгеновская “теневая микроскопия” с декорированием оказалась неконкурентоспособной после открытия дифракционного принципа наблюдения дислокаций. Для этого понадобилось получить неповрежденным прозрачный для электронов слой металла толщиной 0,1 мкм точечной электрополировкой и доказать с помощью теории дифракции, что видимые в нем нити и есть дислокации.
Рентгеновская же топография — наблюдение неоднородностей кристалла в дифрагированном им пучке — была известна еще ранее и ей нехватало лишь той же теории контраста, чтобы приспособить геометрию съемки к наблюдению дислокаций.
Излучение с длиной волны X отражается от системы атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d, когда угол падения 0 удовлетворяет уравнению Вульфа - Брэгга 2d sin 0 = nХ (n - целое) Около дислокации условия дифракции нарушаются из-за искривления решетки — поворота b0 = dui/dxj и изменения ее периода (bd/d = eii). (В электронной микроскопии углы 0 ~ 10d-2 и тогда важен лишь поворот 50, но в рентгеновской топографии 0 ~ 1, и оба фактора сравнимы).
Если отклонить весь кристалл от отражающего положения на A0 то сильнейшее отражение будет в точке, где b0 + А0 = 0, т. е. для дислокации на расстоянии r/b = 1/2пА0 от оси.
Распределение интенсивностей зависит от экстинкции — погасания из-за интерференции многократно отраженных лучей. Падающий пучок с глубиной ослабевает, а отраженный усиливается. На некоторой глубине E (длина первичной экстинкции) первоначальный пучок будет отражен полностью. Ho отраженный пучок на обратном пути вновь отражается и распространяется параллельно первичному со сдвигом фазы n. Между ними возникают биения, и проходящий пучок периодически погасает в точках, где глубина кратна длине экстинкции E. Дислокация сильно нарушает отражение в области размером порядка E (важно нарушить интерференцию между первичным и двукратно отраженным пучком; нарушение одних лишь многократных отражений повлияет меньше). Поэтому ширина изображения дислокации сравнима с длиной экстинкции, а распределение интенсивности в нем находят, интегрируя уравнения дифракции численно, и представляют в виде “теоретического изображения” для сравнения со снимком.
Длину экстинкции определяет отражающая способность атомных плоскостей. Чем больше энергия электрона U, тем больше его путь: -U, и, например, при U = 100 кэВ (Л = 4 пм) для отражения от плоскостей (111) в алюминии Е = 27,8 нм, в меди 12,1 нм, в золоте 8,0 нм. Для рентгеновского Ка-излучения с длиной волны Л - 100 пм атомная функция рассеяния на три порядка слабее, чем для заряженных частиц - электронов с энергией U - 100 кэВ. Соответственно длина экстинкции Е - 10 мкм, и у рентгеновского изображения дислокации ширина Ах - 10 мкм, т.е. на три порядка больше, чем у электронного. Поэтому в электронном микроскопе эффективно используют для наблюдения дислокаций увеличения до х100000. Рентгеновское же их изображение получают в масштабе 1:1 и удовлетворяются увеличением не более х100 с негатива (либо прямо регистрируют ПЗС-камерой — что дает примерно то же по-дезное увеличение).
Можно повысить разрешение, сузив дифракционное изображение дислокации за счет отклонения A0 от брэгговского угла 0. В таком “методе слабых пучков” наибольшее полезное А0 ограничено в электронной микроскопии малостью самих углов 0 ~ 10в-2 (при А0 ~ 0, отходя от одного отражающего положения, приближаемся к другому).
Для электронов при ускоряющем напряжении 100 кВ прозрачна фольга толщиной t ~ 1 мкм в легких и t ~ 0,1 мкм в тяжелых металлах. Так, в алюминии дислокации хорошо видны при толщине фольги до 1,3 мкм при 100 кВ и до 7 мкм при 500 кВ. Достаточно прозрачна для электронов фольга железа толщиной 0,8 мкм при напряжении 300 кВ и 1,7 мкм при 1 MB. Достигнуто напряжение 3 MB. Его дальнейшему повышению мешают не только габариты и стоимость микроскопа, но и радиационное повреждение кристалла пучком, искажающее и дислокационную структуру (например, из-за стока вакансий).
В массивном образце изображение дислокации в подповерхностном слое толщиной 0,1 мкм дает каналирование отраженных электронов в сканирующем электронном микроскопе. При этом разрешение ограничено “точечностью” источника электронов. При остром “полевом” катоде (при холодной эмиссии с острия) изображение дислокаций в кремнии было шириной 20 нм — почти столь же тонкое, как и в трансмиссионном электронном микроскопе. Однако с повышением плотности дислокаций пропадает сам эффект каналирования.
При ширине изображения дислокации Ax ~ 0,01 мкм, толщине фольги t ~ 0,1 мкм и наиболее “экономном” размещении дислокаций их изображения сольются при плотности р = (tAx)-1. Поэтому в электронной микроскопии дислокации разрешаются лишь при р < 10в10... 1в11 см-2. Обычно прозрачная часть фольги имеет площадь F ~ 10 мкм2 и при р < F-1 ~ 10в7 см-2 не будет ни одной дислокации в кадре (хотя удавалось увидеть и панораму площадью в 10в3 мкм2).
В трансмиссионном электронном микроскопе высокого разрешения цифровая Фурье-фильтрация видеозаписи позволяет также и “задним числом” “дофокусировать” нерезкие снимки, регулировать контрастность, устранять размытие от вибраций в помещении. Все это вместе с методом слабых пучков улучшает разрешение дислокаций, но менее чем на порядок.
В пределах своего разрешения дифракционные методы позволяют видеть и измерять всю длину дислокаций, их кривизну, пространственное расположение (по точкам выхода их на обе поверхности фольги или по снятой при двух наклонах стереопаре). Меняя наклоном кристалла отражающую плоскость n, можно определять вектор Бюргерса b: плоскость n не искривляется, если в ней лежит вектор Бюргерса, и при nb = 0 изображение гаснет (Слабые отражения при nb = 0 возможны из-за анизотропии упругости). Можно отличить дислокации разного знака: их изображения смещаются в противоположные стороны с изменением п. При этом знак b определяют сравнением с теоретическим изображением, вычисленным для данной ориентировки дислокации. По положению изображений при разных п можно найти положение оси дислокации с погрешностью, меньшей ширины изображения. Электронная микроскопия иногда обнаруживает и сегрегации на дислокациях (по “мохнатому” контрасту от изменений упругого поля).
Основной недостаток электронномикроскопического метода в том, что при утонении фольги до 0,1 мкм исчезают и поля напряжений с радиусом действия х > t. Это нарушает равновесие, и структура “рассыпается”: дислокации уходят на поверхность. Утечку дислокаций уменьшают полировкой в холодном электролите и замораживанием фольги в колонне микроскопа и проверяют, сравнивая структуру и плотность дислокаций при переменной толщине фольги (до самого края отверстия в фольге) или сопоставляя со структурой, где дислокации закреплены примесью или точечными дефектами (после малой дозы нейтронного облучения). Прямые эксперименты положили конец многолетней дискуссии: видим ли мы в электронном микроскопе структуру пластической деформации или ее остатки? Все зависит от того, какой металл исследуется: утечка дислокаций в алюминии начинается при t ~ 0,4 мкм и может превысить 50 %, тогда как в железе ее нет до t = 0,04 мкм из-за “естественного” закрепления дислокаций сегрегациями азота и углерода при 20 °С.