Электронная микроскопия с разрешением кристаллической решетки. Муаровые фигуры

Современные электронные микроскопы высокого разрешения в некоторых случаях позволяют наблюдать отдельные атомные плоскости и, следовательно, дислокации в кристаллах. В частности, в кристаллах фталоцианинов платины и меди удалось разрешить отдельные атомные плоскости. Фталоцианин платины состоит из больших плоских молекул круговой формы, обладающих четверной симметрией, атомы платины расположены в центре молекул.

Атомы платины можно рассматривать как лежащие в .плоскостях (201) кристаллов с расстояниями между атомными плоскостями 12 А и практически нормально к плоскости (001). Таким образом, условия для наблюдения отдельных плоскостей решетки очень благоприятны, так как сильно рассеивающие электроны атомные плоскости, состоящие из атомов платины, находятся в матрице, состоящей из значительно слабее рассеивающих атомов. Экспериментально было показано, что система полос с расстоянием между полосами 12 А действительно является изображением плоскостей (201) фталоцианина платины.

Изображения линий на микрофотографии возникают из-за интерференции между проходящим пучком электронов и пучками, дифрагированными плоскостями решетки (201) и (201) с межплоскостными расстояниями 11,94 А, а также плоскостями (402) с межплоскостными расстояниями 5,97 А. Это можно проверить, используя диафрагмы все меньшего размера, последовательно отсекающие дифрагированные пучки электронов. Такая ситуация аналогична ситуации, возникающей при деформировании изображения периодической структуры в оптическом микроскопе.

Методы теоретического рассмотрения интенсивности изображений атомных плоскостей напоминают методы, применяемые при анализе изображений дислокаций в микроскопах меньшего разрешения, и будут рассмотрены ниже после анализа полей напряжений и деформаций в кристаллах. Обычным усложнением при интерпретации электронномикроскопических снимков является необходимость учета отклонений формы образца от плоскопараллельной пластинки.

Ограничением этого метода прямого исследования дислокаций является то, что он применим к кристаллам со сравнительно большими межплоскостными расстояниями. Однако уже в настоящее время удается разрешить атомные плоскости (020) в трехокиси молибдена, находящиеся на расстоянии 6,9 А.

В кристаллах фталоцианина платины исследована также атомная структура дислокационных диполей. Для многих кристаллов комплексных соединений, минералов и сплавов (например, медь-золото) получено совпадающее с теоретическим расположение атомных плоскостей вокруг дислокаций.

Муаровые фигуры. Интересным способом разрешения кристаллической решетки является получение так называемых муаровых фигур. Если два тонких кристалла с одинаковой или похожей кристаллической структурой наложить друг на друга таким образом, чтобы различия в их ориентировке были очень невелики, то при исследовании в электронном микроскопе наблюдается система полос, возникающих в результате интерференции между прямым пучком электронов и дважды дифрагированным пучком.

Если при этом разница в ориентировке кристаллов мала, то дважды дифрагированный пучок образует очень малый угол с первичным пучком и это приводит к интерференционному эффекту фигур муара, дающих с очень большим увеличением расположение атомных плоскостей.

Теория возникновения фигур муара хорошо разработана в оптике. Рассмотрим простейший вариант теории. Будем рассматривать кристалл как систему прямых линий, параллельных атомным плоскостям, расположенных таким образом, что они удовлетворяют брэгговскому условию дифракции.

При наложении таких линейных решеток с малым различием в ориентировке 0 возникает система линий, перпендикулярных рассматриваемым плоскостям решетки. Оптическая аналогия для этого случая приведена на рис. 1.17. Одна из решеток при этом является идеальной, другая содержит дислокацию.

Рис. 1.17. Оптические аналогии, иллюстрирующие возникновение муаровых фигур при наложении двух решеток: а) параллельные решетки, б) разориентированные решетки

Как видно из схемы, возникающая картина муара показывает дислокацию с очень большим увеличением. Расстояние между линиями на фигуре муара D связано с расстоянием между плоскостями решетки ä соотношением

Если θ достаточно мало, то расстояние θ можно разрешить в электронном микроскопе, хотя d имеет размеры порядка межатомных расстояний. Следовательно, появляется возможность дать дополнительное «геометрическое» увеличение электронномикроскопического изображения. Следует отметить, что результирующая картина в этом случае содержит атомные ряды, перпендикулярные к рядам в исходной решетке.

Другим вариантом получения фигур муара является положение двух линейных решеток, параллельных друг другу, но имеющих небольшое различие в межплоскостных расстояниях d₁ и d₂. Оптическая аналогия для этого случая также показана на рис. 1.17. При таком способе получения фигур муара, параллельных исходным плоскостям, расстояние между полосами составляет

Используя материалы с небольшой разницей в межплоскостных расстояниях, этим способом также можно получить разрешение отдельных атомных плоскостей. Расположение атомных плоскостей вокруг дислокации соответствует комбинации некоторого изменения расстояний между атомными плоскостями и разориентировки и дает расстояние между полосами на фигуре муара

Более точная теория рассматривает на основе кинематического и динамического приближений дифракцию электронов в кристалле, верхняя часть которого неоднородно смещена по отношению к нижней. Если несколько рефлексов играют роль при образовании фигуры муара, то возникает система полос, расположенных в нескольких направлениях, и картина муара состоит из системы точек, в которых пересекаются не сколько систем полос. Если контраст создается за счет ряда рефлексов одного типа, то картина становится еще более правильной.

Практически для исследования дислокационной структуры применяют двуслойные кристаллы, которые возникают иногда самопроизвольно в слоистых структурах типа графита или талька (в графите их можно получить сдвигом кристалла между стеклами).

Применяется также способ напыления металлов на металлические планки с несколько отличающимися межплоскостными расстояниями. Интересно привести таблицу реально полученных разрешений при использовании фигур муара в электронномикроскопических исследованиях (см. табл. 3).

Из таблицы видно, что по мере приближения межплоскостных расстояний исследуемых металлов к межплоскостным расстояниям для золота увеличение при использовании фигур муара резко возрастает.

При анализе влияния дислокаций на фигуры муара прежде всего необходимо рассмотреть оптическую аналогию. Выше была приведена схема фигуры муара, возникающей при наложении участка кристалла, содержащего краевую дислокацию, и участка совершенного кристалла при небольшом различии в ориентировках. Из схемы видно, что на фигуре муара также появится дислокация.

Расстояние между полосами муара таково, что полосы можно наблюдать в электронном микроскопе; следовательно, можно наблюдать расположение атомных плоскостей вокруг дислокации. При этом, если дифракционный вектор перпендикулярен к лишней полуплоскости, дополнительная «полуполоса» также перпендикулярна к лишней полуплоскости. Те же рассуждения применимы и для параллельного расположения кристаллов, но в этом случае лишняя полуполоса будет параллельна лишней полуплоскости.

В теории подробно рассмотрено влияние на фигуру муара расположения дислокации параллельно или перпендикулярно плоскости фольги, произвольного направления дислокации и т. д. Исследования дислокаций, проведенные с помощью фигур муара, дают результаты, хорошо сравнимые с теоретическими моделями.