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EBSD-背散射电子衍射知识

发表时间:2012-08-30 16:10

1 衍射的研究历史

光的衍射效应最早是由弗朗西斯科·格里马第(Francesco Grimaldi)于1665年发现并加以描述,他也是“衍射”一词的创始人。这个词源于拉丁语词汇diffringere,意为“成为碎片”,即波原来的传播方向被“打碎”、弯散至不同的方向。格里马第观察到的现象直到1665年才被发表,这时他已经去世。他提出

“光不仅会沿直线传播、折射和反射,还能够以第四种方式传播,即通过衍射的形式传播。”("Propositio I. Lumen propagatur seu diffunditur non solum directe, refracte, ac reflexe, sed etiam alio quodam quarto modo, diffracte.")

英国科学家艾萨克·牛顿对这些现象进行了研究,他认为光线发生了弯曲,并认为光是由粒子构成。在19世纪以前,由于牛顿在学界的权威,光的粒子说在很长一段时间占有主流位置。这样的情况直到19世纪几项理论和实验结果的发表,才得以改变。1803年,托马斯·杨进行了一项非常著名的实验,这项实验展示了两条紧密相邻的狭缝造成的干涉现象,后人称之为“双缝实验”。在这个实验中,一束光照射到具有紧挨的两条狭缝的遮光挡板上,当光穿过狭缝并照射到挡板后面的观察屏上,可以产生明暗相间的条纹。他把这归因于光束通过两条狭缝后衍射产生的干涉现象,并进一步推测光一定具有波动的性质。奥古斯丁·菲涅耳则对衍射做了更多权威的计算研究,他的结果分别于1815年和1818年被发表,他提到

“这样,我就展示了人们能够通过何种方式来构想光以球面波连续不断地传播出去……”( "J'ai donc montré de quelle façon l'on peut concevoir que la lumière s'étend successivement par des ondes sphériques, ...")

法国科学院曾经举办了一个关于衍射问题的有奖辩论会,菲涅耳赢得了这次辩论。作为反对光波动学说的其中一位,西莫恩·德尼·泊松提出,如果菲涅耳声称的结论是正确的,那么当光射向一个球的时候,将会在球后面阴影区域的中心找到亮斑。结果,评审委员会安排了上述实验,并发现了位于阴影区域中心的亮斑(它后来被称作泊松光斑)。这个发现极大地支持了菲涅耳的理论。 [1]   他的研究为克里斯蒂安·惠更斯发展的光的波动理论提供了很大的支持。他与杨的理论共同反驳了牛顿关于光是粒子的理论。

在对衍射现象的探索过程中,人们也不断积累了对于衍射光栅的认识。17世纪,苏格兰数学家、天文学家詹姆斯·格雷戈里(James Gregory)在鸟的羽毛缝间观察到了阳光的衍射现象。他是第一个发现衍射光栅原理的科学家。在1673年5月13日他写给约翰·科林斯(John Colins)的一封信中提到了此发现。;1786年,美国天文学家戴维·里滕豪斯用螺丝和细线第一次人工制成了衍射光栅,细线的密度达到每英寸100线,他用这个装置成功地看到了阳光的衍射。1821年,约瑟夫·夫琅禾费利用相似的装置(每厘米127线)证明了托马斯·杨关于衍射的公式(参见段落下方),并对衍射进行了许多重要研究。1867年,刘易斯·卢瑟福(Lewis Morris Rutherfurd)采用水轮机作为动力进行刻线、制作光栅。后来的亨利·奥古斯塔斯·罗兰 改良了光栅的刻划技术,并在1882年发明了在凹形球面镜上进行刻划的凹面光栅。其后的罗伯特·伍德(Robert William Wood)改进了光栅的刻划形状,从而提高了光栅的衍射效率。近代的阿尔伯特·迈克耳孙提出利用干涉伺服系统控制光栅的刻划过程,于1948年实现了这一想法。20世纪下半叶,由于激光、光刻胶等新技术的出现,光栅制造技术取得很大的进步,制造成本显著降低,制造周期也得以缩短。

2   概述

电子背散射衍射(electron backscatter diffraction, EBSD)技术是基于扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出并形成衍射菊池带,通过对衍射菊池带的分析来确定分析区域内晶体结构、取向以及其他信息的方法。

传统的扫描电镜只能给出二次电子像和背散射电子像,配备能谱仪后可以得到材料的元素分布情况。但是这些信息对深入了解材料显微结构是远远不够的。图1给出了一种新型热电材料 Cu-S-Te体系材料(表面抛光后)的二次电子像和背散射电子像。从二次电子像中仅能得出在材料中存在少量气孔,气孔长度为5〜10um,宽度为1〜3um; 由背散射电子像中能发现存在少量衬度较黑的相,通过能谱面分布可知,材料主要相组成含有Cu、S、Te三种元素,衬度较低相中主要是Cu和O元素富集。这些就是 通过传统扫描电镜能得到的显微结构信息。

3 EBSD的应用


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