Vald area diffraktion
Selected area (elektron) diffraktion (förkortat som SAD eller SAED ), är en kristallografisk experimentell teknik som vanligtvis utförs med användning av ett transmissionselektronmikroskop (TEM). Det är ett specifikt fall av elektrondiffraktion som främst används inom materialvetenskap och fast tillståndsfysik som en av de vanligaste experimentella teknikerna. Speciellt med lämplig analytisk programvara kan SAD-mönster (SADP) användas för att bestämma kristallorientering, mäta gitterkonstanter eller undersöka dess defekter .
Princip
I transmissionselektronmikroskop belyses ett tunt kristallint prov av en parallell stråle av elektroner som accelereras till energi på hundratals kiloelektronvolt . Vid dessa energier är även metalliska prover transparenta för elektronerna om provet är tillräckligt tunt (vanligtvis mindre än 100 nm ). På grund av våg-partikeldualiteten beter sig de högenergetiska elektronerna som vågor med en våglängd på några tusendelar av en nanometer. Den relativistiska våglängden ges av
där är Plancks konstant , är elektronens vilomassa , är elementärladdningen , är ljusets hastighet och är en elektrisk potential som accelererar elektronerna (även kallad accelerationsspänning ) . Till exempel resulterar accelerationsspänningen på 200 000 kV i en våglängd på 2,508 pm.
Eftersom avståndet mellan atomer i kristaller är ungefär hundra gånger större, diffrakteras elektronerna på kristallgittret och fungerar som ett diffraktionsgitter . På grund av diffraktionen sprids en del av elektronerna i särskilda vinklar (diffrakterade strålar), medan andra passerar genom provet utan att ändra riktning (transmitterade strålar). För att bestämma diffraktionsvinklarna kan elektronstrålen som normalt infaller på atomgittret ses som en plan våg, som återsänds av varje atom som en sfärisk våg. På grund av den konstruktiva interferensen kommer de sfäriska vågorna från antalet diffrakterade strålar under vinklarna som ges av ekvationen
där heltal är en diffraktionsordning och är avståndet mellan atomer (om endast en rad med atomer antas som i illustrationen åt sidan) eller ett avstånd mellan atomplan parallella med stråle (i en riktig 3D-atomstruktur).
Efter att ha avböjts av mikroskopets magnetiska lins , skär varje uppsättning av initialt parallella strålar i det bakre fokalplanet och bildar diffraktionsmönstret . De sända strålarna skär rakt i den optiska axeln . De diffrakterade strålarna skär varandra på ett visst avstånd från den optiska axeln (motsvarande avståndet mellan planen för de plan som diffrakterar strålarna) och under viss azimut (motsvarande orienteringen av de plan som diffrakterar strålarna). Detta gör det möjligt att bilda ett mönster av ljusa fläckar som är typiska för SAD.
SAD kallas "selected" eftersom det tillåter användaren att välja det sampelområde från vilket diffraktionsmönstret ska erhållas. För detta ändamål finns en vald områdesöppning placerad under provhållaren. Det är en metallplåt med flera olika stora hål som kan sättas in i balken. Användaren kan välja en bländare av lämplig storlek och placera den så att den bara tillåter att den del av strålen som motsvarar det valda området passerar. Därför kommer det resulterande diffraktionsmönstret endast att återspegla det område som valts av bländaren. Detta gör det möjligt att studera små föremål som kristalliter i polykristallint material med en bred parallell stråle.
Karaktären hos den resulterande diffraktionsbilden beror på om strålen diffrakteras av en enda kristall eller av antalet olika orienterade kristalliter, till exempel i ett polykristallint material. Det enkristallina diffraktogrammet visar ett regelbundet mönster av ljusa fläckar. Detta mönster kan ses som en tvådimensionell projektion av ömsesidigt kristallgitter . Om det finns fler bidragande kristalliter blir diffraktionsbilden en överlagring av enskilda kristallers diffraktionsmönster. I slutändan innehåller denna superposition diffraktionsfläckar av alla möjliga kristallografiska plansystem i alla möjliga orienteringar. Av två skäl resulterar dessa förhållanden i ett diffraktogram av koncentriska ringar:
- Det finns diskreta avstånd mellan olika parallella kristallografiska plan och därför kan strålarna som uppfyller diffraktionsvillkoret endast bilda diffraktionsfläckar på diskreta avstånd från den transmitterade strålen.
- Det finns alla möjliga orienteringar av kristallografiska plan och därför bildas diffraktionsfläckarna runt den transmitterade strålen i hela 360-graders azimutområdet.
Tolkning och analys
SAD-analys används ofta inom materialforskning för dess relativa enkelhet och höga informationsvärde. När provet är förberett och undersökt i ett modernt transmissionselektronmikroskop tillåter enheten en rutinmässig diffraktionsförvärv på några sekunder. Om bilderna tolkas korrekt kan de användas för att identifiera kristallstrukturer, bestämma deras orienteringar, mäta kristallegenskaper, undersöka kristalldefekter eller materialtexturer. Analysförloppet beror på om diffraktogrammet visar ring- eller punktdiffraktionsmönster och på den kvantitet som ska bestämmas.
Mjukvaruverktyg baserade på datorseendealgoritmer gav betydande förbättringar av en rutinmässig kvantitativ analys baserad på SAD när det gäller noggrannhet, repeterbarhet och tidseffektivitet. Jämfört med en expertutvärderare kan datorn se funktioner som är osynliga för människor och bearbeta dem i antal och kombinationer som aldrig kan bearbetas av människor. Analysautomatiseringen gör den tillgänglig även för icke-experter .
Punktdiffraktionsmönster
Om SAD tas från en eller några enstaka kristaller, visar diffraktogrammet ett regelbundet mönster av ljusa fläckar. Eftersom diffraktionsmönstret kan ses som en tvådimensionell projektion av reciprokt kristallgitter , kan mönstret användas för att mäta gitterkonstanter , specifikt avstånden och vinklarna mellan kristallografiska plan. Gitterparametrarna är typiskt särskiljande för olika material och deras faser, vilket gör det möjligt att identifiera det undersökta materialet eller åtminstone skilja mellan möjliga kandidater.
Även om de SAD-baserade analyserna inte ansågs vara kvantitativa under en lång tid, gav datorverktyg noggrannhet och repeterbarhet som gör det möjligt att rutinmässigt utföra noggranna mätningar av interplanära avstånd eller vinklar på lämpligt kalibrerade mikroskop. Tack vare artificiell intelligens och datorseende kan verktyg som CrysTBox automatiserad analys för att uppnå subpixelprecision och överträffa mänsklig utvärderare.
Om provet lutar mot elektronstrålen är diffraktionsvillkoren uppfyllda för olika uppsättningar av kristallografiska plan vilket ger olika konstellationer av diffraktionsfläckar. Detta gör det möjligt att bestämma kristallorienteringen, som till exempel kan användas för att ställa in den orientering som behövs för ett visst experiment, för att bestämma felorientering mellan intilliggande korn eller kristalltvillingar . Eftersom olika provorienteringar ger olika projektioner av det reciproka gittret, ger de en möjlighet att rekonstruera den tredimensionella informationen som går förlorad i individuella projektioner. En serie diffraktogram som varierar i lutning kan förvärvas och bearbetas med diffraktionstomografianalys för att rekonstruera en okänd kristallstruktur.
SAD kan också användas för att analysera kristalldefekter som dislokationer eller staplingsfel .
Ringdiffraktionsmönster
Om det belysta området som väljs av bländaren täcker många olika orienterade kristalliter , överlagras deras diffraktionsmönster och bildar en bild av koncentriska ringar. Ringdiffraktogrammet är typiskt för polykristallina prover, pulver eller nanopartiklar. Diametern på varje ring motsvarar det interplanära avståndet för ett plansystem som finns i provet. Istället för information om enskilda korn eller provets orientering, ger detta diffraktogram mer statistisk information, till exempel om övergripande kristallinitet eller textur . Texturerade material är karakteristiska genom en ojämn intensitetsfördelning längs ringens omkrets trots kristallinitet som är tillräcklig för att generera jämna ringar. Ringdiffraktogram kan också användas för att skilja mellan nanokristallina och amorfa faser.
Alla funktioner som avbildas i diffraktionsbilden är inte nödvändigtvis önskade. Den överförda strålen är ofta för stark och måste skuggas med en strålstoppare för att skydda kameran. Strålstopparen skuggar vanligtvis också en del av den användbara informationen. Mot ringarnas mitt ökar bakgrundsintensiteten också gradvis, vilket sänker kontrasten hos diffraktionsringarna. Modern analysmjukvara gör det möjligt att minimera sådana oönskade bildegenskaper och tillsammans med andra funktioner förbättrar det bildläsbarheten och hjälper till med bildtolkningen.
Relation till andra tekniker
En SADP förvärvas under parallell elektronbelysning. I fallet med konvergent stråle uppnås en konvergent stråleelektrondiffraktion (CBED). Strålen som används i SAD är bred och belyser ett brett provområde. För att endast analysera ett specifikt provområde, används den valda områdesöppningen i bildplanet. Detta i motsats till nanodiffraktion, där platsselektiviteten uppnås med hjälp av en stråle som kondenseras till en smal sond. SAD är viktigt vid direkt avbildning, till exempel när man orienterar provet för högupplöst mikroskopi eller ställer in mörkfältsavbildningsförhållanden .
Högupplösta elektronmikroskopbilder kan omvandlas till ett artificiellt diffraktionsmönster med hjälp av Fouriertransform . Sedan kan de bearbetas på samma sätt som riktiga diffraktogram, vilket gör det möjligt att bestämma kristallorientering, mäta interplanära vinklar och avstånd även med pikometrisk precision.
SAD liknar röntgendiffraktion , men unikt genom att områden så små som flera hundra nanometer stora kan undersökas, medan röntgendiffraktion typiskt tar prov på områden som är flera centimeter stora.