Name: 超细晶和纳米晶材料的表征采用透射菊池衍射 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 13 s
Description: 学习透射菊池衍射技术表征超细晶和纳米晶材料，使用配备EBSD探测器的扫描电子显微镜分析不锈钢和钴铬钼合金的微观结构。该方法适用于非导电材料，可获得比传统EBSD更高的空间分辨率。

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作者感谢悉尼大学澳大利亚显微镜与显微分析研究中心的澳大利亚显微镜与显微分析研究设施所提供的设备，以及科学与技术方面的支持。本研究部分得到了悉尼大学工程与信息技术学院通过学院研究集群计划提供的资助，以及法国香槟-阿登大区议会通过NANOTRIBO项目和欧洲FEDER计划的资助。

1. 仪器设备与样本要求
<ol>
	<li>使用配备电子背散射衍射（EBSD）探测器的扫描电子显微镜（SEM）进行实验。 
	注意：理想情况下，SEM 应具备场发射源，以最大限度提高空间分辨率，但该技术在任何类型的 SEM 上均可实现。</li>
	<li>确保待分析样品的厚度在 100 nm 范围内，以获得最佳结果17。验证样品是否足够薄，以便能够进行透射菊池衍射（TKD）分析。 
	注意：可通过前向散射探测器进行判断，使用该成像技术时，样品越薄，图像越暗。
	<ol>
		<li>采用透射电镜（TEM）薄膜样品制备的传统方法制备样品，例如先使用凹面研磨仪，再进行电解抛光或离子抛光；若待分析特征具有特定位置，则可使用聚焦离子束（FIB）进行“提拉法”（lift-out）制备。 
		注意：此处未详细说明样品制备技术，因其并非本文重点，且与透射电镜样品制备的成熟技术相同22。用户需根据自身样品确定合适的制备方法。相关信息可参见文献22。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 实验设置
<ol>
	<li>将样品放置在样品台上，确保样品在进入扫描电镜（SEM）腔室后与水平方向成20°角。当样品台倾斜20°后（见步骤2.4），样品将悬于旋转台上方，从而在使用电子背散射衍射（EBSD）相机采集数据时避免阴影效应。 
	注意：已有专为此用途设计的样品台，示例见图1。若样品为聚焦离子束（FIB）提取并负载于透射电镜（TEM）载网上的样品，需确保样品位于支撑载网的下表面。</li>
</ol>
<img alt="用于显微分析的 TKD 样品 holder，安装在 TEM 圆片上的 SEM 腔室转盘中。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
图 1. TKD 样品 holder。 在一次实验中可连续分析多个样品，无需重新打开 SEM 腔室。必须正确放置 TEM 箔片，确保样品 holder 或支撑结构不会阻挡电子从样品发生衍射并被 EBSD 相机收集。请勿使用会干扰信号采集的网格。 <a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>将样品台放入扫描电镜腔室，关闭腔室，然后在真空选项卡中点击“抽真空”，开始抽真空，操作方式与其他样品相同。</li>
	<li>使用腔室内等离子清洗以防止污染。 
	注意：此步骤可选，但强烈建议执行，以提高数据质量和可靠性。如果扫描电镜（SEM）配备该技术，应进行几分钟的清洁。</li>
	<li>倾斜 SEM 样品台 20° 顺时针旋转，使样品处于水平位置且垂直于电子束。如果样品非平面并会在EBSD探测器荧光屏上投下阴影（例如使用FIB提取并置于TEM载网上的样品时），则需向后倾斜以 10° 或 0°，使样品倾斜远离EBSD探测器。</li>
	<li>设置扫描电镜（SEM）条件以获得最佳数据采集效果：通过点击EHT（“超高张力”）将加速电压设为30 keV，选择EHT ON以开启加速电压，并选择正确的EHT数值。进入SEM控制面板的光阑选项卡，选择高光阑孔径例如 60 或 120 µm），选择高电流模式或景深模式（取决于扫描电镜型号），并设置适当的束流（对于60-µm 孔径以及120-时的10-20 nAµm 孔径</li>
	<li>通过调节样品的 z 轴位置，将样本置于 6 至 6.5 mm 的工作距离处。 
	注意：这取决于扫描电镜（SEM）及EBSD探测器的配置；样品应置于荧光屏顶部略上方的位置。</li>
	<li>确保样品 holder 与载物台的 x 轴平行，以避免移动样品时对设备造成任何可能的损坏，并获得最佳信号。 
	注意：不要仅通过观察CCD相机上的样本位置来检查，应移动样本的x方向位置，并确保其与载物台之间的距离未发生变化。</li>
	<li>移动样品台以定位样品，并利用二次电子成像确认电子束正照射在样品上感兴趣的位置（即TKD扫描将要进行的位置）。
	<ol>
		<li>在扫描电镜控制面板的“探测器”选项卡中选择二次电子探测器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开EBSD软件，使用外部控制器或软件按下EBSD相机控制盒上的“in”按钮，将EBSD相机插入至距样品15到20 mm的位置。</li>
	<li>如有分析需要，可通过点击 EDS 相机控制面板上的“in”按钮，将 EDS 探测器插入腔室内。该特定实验条件下的最佳位置可能与常规 EDS 分析不同，因此需观察信号计数，并确保死时间保持在 20% 至 50% 之间，以实现最优数据采集，从而确定该实验设置下的最佳位置。 
	注意：在此情况下，可以调整工作距离以改善EDS数据，但这会牺牲EBSD相机所采集的衍射花样质量。 图2 展示了用于数据采集的实验配置，其中EBSD相机和EDS探测器均已插入腔室中。</li>
	<li>当所有探测器就位且已找到样品后，通过在扫描电镜控制面板的光阑选项卡中选择“聚焦摇摆”复选框，并调节控制板上的光阑对齐水平和垂直旋钮，进行电子束对准。通过调节控制板上像散校正的水平和垂直旋钮，进行聚焦调节和像散校正。此步骤的目的是获得尽可能清晰的图像。 
	注意：在采集EDS数据时，务必选择正确的样品台以确保数据的可靠性。切勿使用与待分析材料相同材质的样品台，否则将无法区分来自样品的信号和来自样品台的信号；同时需确保待分析材料与样品台材料的衍射峰之间无重叠。</li>
</ol>
<img alt="扫描电子显微镜装置，包括SEM镜筒、EDS探测器、EBSD相机和样品 holder。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2. 实验装置。 样品在载物台旋转后处于水平位置。这可减少载物台和样品台对EBSD相机磷屏所采集信号的干扰。<a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
3. 数据采集的EBSD软件参数
注意：不同商业化的 EBSD 系统所采用的数据采集参数各不相同。本节内容尽可能以通用方式编写，但此处列出的部分参数名称和数值仅适用于材料列表中提到的 EBSD 软件；使用其他系统的用户需根据自身设备调整相应参数。这些步骤中的大多数与常规 EBSD 实验完全相同。
<ol>
	<li>确保EBSD软件中的样品几何设置反映样品处于水平位置，总倾斜角度为0°。若不符合，请在样品几何设置选项卡中添加-20°的预倾斜值。</li>
	<li>在相位选项卡中，像常规EBSD实验一样选择需要分析的相（元素或化合物）。</li>
	<li>在扫描图像选项卡中，点击“开始”按钮，使用EBSD软件采集图像。 
	注意：安装在EBSD探测器荧光屏下方的前向散射探测器可用于生成暗场图像，有助于识别薄区和感兴趣区域。</li>
	<li>在优化衍射花样选项卡中，通过调整增益和曝光值，使图像明亮但不过度饱和，以优化EBSD相机设置，实现最佳数据采集，方法与常规EBSD实验相同。 
	注意：此步骤取决于样品及其质量（厚度和表面光洁度）。</li>
	<li>在优化衍射花样选项卡中点击“采集”以获取背景图像。通过调整放大倍数确保背景采集区域包含足够多的晶粒，但应注意扫描区域的厚度应与待分析区域相近。</li>
	<li>在扣除背景后，检查衍射花样的质量，确保已启用静态背景和自动背景选项。
	<ol>
		<li>尽管由于实验装置的特殊几何结构，衍射花样可能看起来有所畸变，但仍需确保衍射带清晰可见（见图3）。由于荧光屏上衍射花样的发光强度较低，可通过EBSD相机连续积分多帧图像以提高图像的信噪比。</li>
		<li>如果衍射花样质量仍不理想，可调整相机设置（调节增益和曝光）或改变SEM的光阑尺寸（尽可能使用较大的光阑）。此外，样品过厚也可能导致此问题，此时唯一的解决方法是进一步减薄样品（根据样品类型，可采用聚焦离子束FIB或离子减薄方法）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="晶体学图样；电子衍射；显微图像；原子结构分析。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3. 通过透射菊池衍射（TKD）获得的菊池衍射图样。 与传统电子背散射衍射（EBSD）获得的图样相比，该图样出现畸变，且图样中心已向下偏移。<a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="7">
	<li>转至“优化求解器”选项卡，优化求解器以提高模式识别能力及标定速率。 
	注：在本软件中，有两种选项可改善TKD衍射花样标定效果：优化TKD（Optimized TKD）或精细精度（Refined Accuracy）。当衍射花样具有较高 binning 级别时，建议使用“优化TKD”模式；对于更高分辨率的花样（例如 336 × 256 像素或更高），则推荐使用“精细精度”模式。</li>
	<li>若需要进行高分辨率分析（步长为 5 nm 或更小），请将样品保持当前状态放置 30 至 60 分钟，以改善真空度和电子束热稳定性。但切勿让电子束持续照射在感兴趣区域。</li>
	<li>在开始数据采集前，再次调整 SEM 的聚焦，并重复步骤 2.11 以校正像散。</li>
	<li>在“采集地图数据”选项卡中设置采集参数（步长和地图尺寸）。 
	注：若样品质量较高且实验条件允许，步长可低至 2 nm。</li>
	<li>在“采集地图数据”选项卡中点击“开始”按钮，启动地图采集。 
	注：数据的分析方法与常规 EBSD 扫描完全相同，无需额外调整。从所采集的数据中可生成多种类型的地图，包括欧拉角图、衍射带对比度图、反极图、相分布图等，也可基于这些数据绘制极图。</li>
</ol>

<ol><li>Wang, Y. M., Chen, M. W., Zhou, F. H., Ma, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+tensile+ductility+in+a+nanostructured+metal%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">High tensile ductility in a nanostructured metal.</a> Nature. 419, 912-915 (2002).</li>
<li>Liddicoat, P. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanostructural+hierarchy+increases+the+strength+of+aluminium+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Nanostructural hierarchy increases the strength of aluminium alloys.</a> Nat. Commun. 1 (63), 1-7 (2010).</li>
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<li>Zaefferer, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/crat.201100125/abstract">A critical review of orientation microscopy in SEM and TEM.</a> Cryst. Res. Technol. 46 (6), 607-628 (2011).</li>
<li>Keller, R. R., Geiss, R. H. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2818.2011.03566.x/abstract">Transmission EBSD from 10 nm domains in a scanning electron microscope.</a> J. Microsc. 245 (3), 245-251 (2012).</li>
<li>Trimby, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645413007118">Characterizing deformed ultrafine-grained and nanocrystalline materials using transmission Kikuchi diffraction in a scanning electron microscope.</a> Acta Mater. 62, 69-80 (2014).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文中展示的所有数据均使用标准的商用EBSD系统获得。此类系统在全球许多实验室中均有配备，这意味着该技术可直接在这些实验室中应用，无需额外投资。使用EBSD系统采集TKD数据时，无需对扫描电镜（SEM）的配置进行任何修改，也无需额外软件。因此，从传统的EBSD过渡到TKD非常简便。TKD的数据采集速率与EBSD相当，目前最高可达约1,000个花样/秒19。这一高采集速率部分归功于该技术高度的自动化水平，包括对花样中心位置的校准以及扫描过程中花样中心变化的自动补偿19。TKD将充分受益于这些优势。此外，与EBSD类似，TKD也可方便地与EDS联用，以获取额外的化学成分信息（见图7）。
样品制备对于获得TKD数据非常重要，因此应在步骤1.2上投入足够时间，以确保样品足够薄，可进行分析。否则，开展实验将毫无意义。正确设置扫描电镜（SEM）参数对于获得可靠数据至关重要。用户应特别关注步骤2.5和2.11，本方案中给出的参数值可能需要根据具体的SEM、EBSD系统和样品进行调整。优化图案识别的参数（步骤3.7）也极为重要，以确保所采集数据的质量。这些参数需在待扫描区域的不同部位测试多种衍射花样，以确保整个目标区域均能以高标定率被正确扫描。
本文展示的多个实例表明，与传统的电子背散射衍射（EBSD）技术相比，该技术具有更高的分辨率。尽管扫描电镜（SEM）和EBSD系统的硬件与软件已取得显著进展，EBSD技术的分辨率对于高密度材料仍无法达到20 nm以下17，这意味着表征这些材料中小于50 nm的微结构特征将不可行。对于密度较低的材料，可分辨的最小特征尺寸将进一步增大至约100 nm。图6b显示，透射菊池衍射（TKD）可用于表征某些极小的微结构特征，例如在变形的Co-Cr-Mo合金中出现的hcp片层结构，其尺寸可小至10至20 nm，因为该技术的空间分辨率可低至2 nm17。
地质材料通常为非导电或半导体性质，这在使用传统电子背散射衍射（EBSD）进行表征时常常带来一定困难。而使用透射菊池衍射（TKD）则不会出现此类问题。由于样品极薄，分析过程中的相互作用体积非常小，因此不存在导电性问题。这种微小的相互作用体积在分析高度变形材料时也具有优势，因为通常高密度位错会使传统EBSD无法获得可被标定的衍射花样。如图8所示，尽管金刚石晶粒内部存在高密度位错，仍可利用TKD对其成功进行表征。
该技术的一个局限性在于样品制备。与EBSD相比，获得适合TKD的优质样品更为困难。其样品制备方法与透射电镜（TEM）样品制备相同，这意味着过程复杂且耗时。寻找合适的分析区域也是一大挑战，可通过使用聚焦离子束（FIB）等针对特定位置的制备技术来解决，前提是该技术适用于待研究的样品类型。尽管TKD的空间分辨率相较于EBSD已有显著提升，但仍不及透射电镜（TEM）所能达到的水平17,19。
本文已证明，TKD 是一种用于表征多种来源的纳米晶和超细晶材料的有价值技术。该技术在应用简便性、速度、分辨率以及导电性适应性方面优于样品制备的难度。该技术的未来发展在于原位表征。通过在进行 TKD 分析的同时使用原位力学测试装置，将能够观察这些纳米级和超细微观结构在外加载荷下的变化过程，从而加深我们对纳米晶和超细晶材料变形机制的理解。

当前先进材料研究的前沿领域之一，是致力于主动设计具有特定物理、化学和力学性能的材料，以满足高端应用的需求。通过调控材料的微观结构，可有效调控其性能以达到特定的高性能要求。在此研究范式中，将晶态材料的晶粒尺寸细化至超细晶（UFG）或纳米晶尺度，已被证明是提高材料强度的有效方法1,2。此类细化的微观结构可通过剧烈塑性变形工艺实现3,4，也可通过将超细或纳米尺寸粉末采用多种粉末冶金工艺致密化为块体材料而获得5,6。过去十年中，该领域的研究不断增多，主要目标集中在工艺的规模化放大以及对这类材料变形机制的深入理解。
然而，超细晶（UFG）和纳米晶材料的应用并不仅限于现代材料科学领域，因为自然界本身也具有生成此类精细晶体材料的方式。已知地质断层带能够产生纳米晶区域；尽管基于光学显微镜研究常被假定为非晶态，但高分辨率透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分析频繁表明，其晶粒尺寸可小至数十纳米量级7。高应变率变形过程（例如陨石撞击期间发生的变形）同样可以形成纳米晶结构，并伴随极高的缺陷密度8。在自然界中，纳米结构的形成并不总是需要变形过程。Pearce et al. 通过分析从金矿中提取的矿物内的Au及Pt/PtFe纳米颗粒，提供了造山型金矿床中胶体来源大量金沉积的证据9。贝壳结构（如珍珠母）则是由尺度约为几百纳米的晶体单元规则排列而成10。甚至陨石也被证实含有超细晶矿物结构11。
无论具有这些超细晶（UFG）或纳米晶结构的材料来源如何，对其表征都构成了挑战，这也推动了纳米尺度上更先进表征工具的发展。其中一个被广泛研究的有前景的途径是电子显微术。该技术似乎非常适用于此类任务，因为其固有的电子波长极短，能够分析材料的原子结构12。已有研究表明，电子背散射衍射（EBSD）可用于表征晶粒尺寸小至亚微米尺度的超细晶材料13,14,15,16。然而，即使使用目前最先进的扫描电子显微镜（SEM），EBSD技术的空间分辨率仍受限于20至50 nm，具体取决于材料本身17。因此，研究人员最初试图采用透射电子显微镜（TEM）来表征这些具有超细微观结构的材料也就不足为奇了。利用TEM中的衍射模式（如菊池花样和斑点花样）进行晶体取向测定，其空间分辨率可达约10 nm，某些情况下甚至更低12,18,19。然而，这些技术的应用也暴露出一些缺点，例如分析速度和角度分辨率相对较低，尤其是与EBSD所能提供的能力相比12,19。尽管基于自动倾转的TEM衍射技术可实现与EBSD相当的标定速度，但大多数TEM技术仍存在自动化程度相对较低的问题19。此外，TEM技术通常需要对仪器的透镜系统进行关键且耗时的精确校准，以达到最佳性能。
近年来，研究兴趣已转向通过改变信号的获取和分析方式，来提高扫描电镜（SEM）中菊池衍射技术的分辨率。Keller 和 Geiss 提出了一种在 SEM 中进行的新型低能透射菊池衍射方法20。该方法被称为透射电子背散射衍射（t-EBSD），需要使用 EBSD 探测器及相关软件，以捕获和分析透射过程中大角度前向散射电子的角强度变化。利用该技术，他们能够从直径低至 10 nm 的纳米颗粒和纳米晶粒中采集菊池衍射花样。由于在此情况下被分析的衍射电子是穿过样品而非从样品表面被反弹出来，因此术语也随之更新，以更准确地描述该技术；目前该技术称为透射菊池衍射（Transmission Kikuchi Diffraction，TKD）。Trimby 进一步优化了 TKD 技术，以实现更高的分辨率以及取向图的自动采集17。该技术还可与能量色散 X 射线光谱（EDS）联用，在进行晶体学取向分析的同时获取化学成分信息21。
本文阐述了进行透射菊池衍射（TKD）实验所需的设备和样品要求，描述了数据采集所必需的各个步骤，并展示了在四种不同样品上获得的结果，以说明该技术可能应用的范围。此处展示的示例包括经过严重塑性变形以形成超细晶/纳米晶材料的金属合金，以及同样经历严重塑性变形并呈现出精细显微结构的地质材料。

<table><tbody><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>&amp;nbsp;Zeiss&amp;nbsp;</td><td></td><td>最好配备一个&amp;nbsp; 场发射源以最大化空间分辨率。此处使用的是 Zeiss Ultra plus 场发射-SEM</td></tr><tr><td>电子背散射衍射探测器</td><td>Oxford instruments</td><td></td><td>市面上有多种系统可供选择。本研究中使用的系统为牛津仪器公司生产的Nordlys-nano EBSD探测器。前向散射探测器为可选配置，安装于探测器荧光屏下方。</td></tr><tr><td>用于数据采集与分析的电子背散射衍射软件</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>此处描述的方案适用于 AZtecHKL EBSD 软件的使用，但也可采用其他软件</td></tr><tr><td>EDS探测器</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>可选步骤。此处使用的是 X-Max 20&amp;nbsp;毫米&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; 牛津仪器的硅漂移EDS探测器</td></tr><tr><td>TKD样品台</td><td>任意</td><td></td><td>只要能够处理薄样品，并可将其在显微镜中正确取向即可。如有需要，不同公司提供专门用于TKD分析的样品 holder。</td></tr><tr><td>等离子清洗机</td><td>Evactron</td><td></td><td>此为可选步骤。此处使用的是 Evactron Model 25 RF 等离子去污器，适用于聚焦离子束/扫描电子显微镜及真空腔室</td></tr></tbody></table>

利用透射菊池衍射表征超细晶与纳米晶材料

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

当前显微组织分析面临的挑战之一在于对超细晶（UFG）和纳米晶材料进行可靠且准确的表征。与扫描电子显微镜（SEM）相关的传统技术，如电子背散射衍射（EBSD），由于电子束与材料原子之间的相互作用体积较大，无法达到所需的空間分辨率。透射电子显微镜（TEM）虽具备所需的空間分辨率，但由于分析系统缺乏自动化，数据采集速度较慢，限制了可表征样品区域的范围。本文介绍一种新的表征技术——透射菊池衍射（TKD），该技术可利用配备标准EBSD系统的SEM对超细晶和纳米晶材料的显微组织进行分析。该技术的空間分辨率可达2 nm，适用于一系列难以用传统EBSD方法分析的材料。在介绍实验装置并详细描述实现TKD分析所需的各个步骤之后，本文展示了该技术在金属合金和矿物上的应用实例，以说明其分辨率水平以及在可表征材料类型方面的灵活性。

本文所示数据均使用材料列表中提及的扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）系统及软件采集。根据所关注的特征，采用不同的步长进行扫描，本研究中每件样品的具体步长已在图中注明。
本文介绍的前两个 TKD 应用实例均涉及通过细化金属合金晶粒以提高其力学性能。由于具有优异的耐腐蚀性、良好的静态载荷下力学性能以及生物相容性，不锈钢和钴-铬-钼合金常被用于生物医学领域23，24。然而，这两种材料均存在局限性：不锈钢硬度较低且耐磨性差，而钴-铬-钼合金则可能因摩擦腐蚀现象导致失效。解决这些材料缺陷的一种方法是通过显微组织细化来改变其表面性能。对不锈钢和钴-铬-钼合金试样进行了表面机械研磨处理（SMAT），该处理是一种通过严重塑性变形在材料表面生成纳米晶层的表面处理技术，可在不改变材料化学成分的前提下，显著提升其表面力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能25。利用 TKD 技术，分析了不同材料处理表面以下的显微组织，以建立显微组织变化与性能提升之间的关联。
利用透射菊池衍射（TKD）对微观结构进行表征已证实，对不锈钢样品实施表面机械研磨处理（SMAT）后，在处理表面下方形成了一层厚度约为1 µm的区域，该区域内存在等轴纳米晶粒与轻微拉长的纳米晶粒的混合组织23。图4展示了在经处理样品上进行TKD扫描的结果之一。由于感兴趣区域位于样品表面，TKD样品采用聚焦离子束（FIB）方法制备。图4显示，在处理表面下方的第一区域中，等轴晶粒的直径小于100 nm，而拉长晶粒的厚度为100至200 nm，长度可达500 nm。在该第一区域下方，图中还可观察到由拉长的亚微米级晶粒构成的超细晶（UFG）区域。这是首次在经SMAT处理的样品中对纳米晶区域实现准确表征。作为对比，另有一个经SMAT处理的不锈钢样品采用传统的电子背散射衍射（EBSD）技术进行分析，其中一次扫描的结果如图5所示。带衬度图与反极图（IPF）均显示表面存在超细晶区域。然而，尽管扫描时采用了15 nm的步长，由于每次扫描位置所分析的相互作用体积较大，该区域内的晶粒仍无法被成功标定。这表明EBSD技术在表征超细晶及纳米晶材料方面存在局限性。
<img alt="晶界示意图与显微图像，用于说明显微结构分析与晶体学。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 4"> 
图 4. 从经表面机械研磨处理（SMAT）后的不锈钢样品采集的透射菊池衍射（TKD）数据。 数据采集步长为 5 nm，样品厚度为 100 至 120 nm。(a) 带对比度图，用于反映所采集衍射图样的质量（灰色越亮，图样质量越好）；(b) 反极图（IPF）图，根据图右侧所示的颜色方案显示晶粒的不同晶体学取向。图中上方为经过表面处理的区域。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="纳米结构分析，显微图像；相位映射，材料组成研究。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5. 经表面机械研磨处理（SMAT）后从不锈钢样品采集的电子背散射衍射（EBSD）数据。 数据采集步长为 15 nm。（a） 带对比度图；（b） 反极图（IPF）图。 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图6展示了经表面机械研磨处理（SMAT）的钴-铬-钼（Co-Cr-Mo）合金样品的TKD表征结果。TKD样品采用聚焦离子束（FIB）制备，分析区域位于处理表面下方约10 µm处。结果表明，该材料的显微组织通过相变实现了细化24。初始状态下，材料为单一的面心立方（fcc）相，平均晶粒尺寸为10 µm。图6显示，在该变形区域中存在两相结构：在fcc晶粒内部可见六方密堆（hcp）片层结构，其厚度可细至10至20 nm。这种显微组织的细化解释了处理表面下方材料硬度测量值提高三倍的原因24。
<img alt="通过电子背散射衍射（EBSD）进行晶体微观结构分析，并显示彩色映射结果。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6. 从经表面机械研磨处理（SMAT）后的钴-铬-钼合金样品中采集的透射菊池衍射（TKD）数据。 数据采集步长为5 nm，样品厚度为100至120 nm。(a) 带对比度图；(b) 相分布图，显示塑性变形后合金中两相的分布情况，红色代表密排六方（hcp）相，蓝色代表面心立方（fcc）相；(c) 反极图（IPF）图，根据图左侧所示的颜色方案显示hcp相晶粒的不同晶体学取向；(d) 反极图（IPF）图，根据图右侧所示的颜色方案显示fcc相晶粒的不同晶体学取向。 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
此处介绍的最后两个示例与地质学领域相关。例如，矿物可能因受到地幔内部或地震过程中的强烈塑性变形而产生亚微米级结构。这些材料可能具有很高的位错密度，导致无法使用传统的电子背散射衍射（EBSD）对其进行表征。然而，对其微观结构进行详细研究对于揭示这些矿物的成因背景，以及理解其所经历的各种化学和物理过程至关重要。例如，通过研究金刚石及其包裹体，可以追踪地球深部的碳循环过程。图7展示了一项此类研究，Jacob et al. 对一块多晶金刚石集合体中的FeNi-硫化物包裹体的微观结构和成分进行了分析，该金刚石集合体呈现出纳米颗粒状磁铁矿反应边26。透射菊池衍射（TKD）分析揭示了样品中各物相的分布情况（图7b），并展示了磁铁矿的纳米结构（图7a）。通过将TKD与能谱仪（EDS）联用，确定了不同元素在各物相中的分布（此处仅显示图7c和图7d中的Fe和Cu分布）。该研究证实，金刚石是通过成金刚石流体与FeNi硫化物之间发生的氧化还原反应而形成并成核，该反应同时生成了磁铁矿和金刚石26。
<img alt="透射电子显微镜中的纳米尺度结构分析；彩色显微照片，多层材料，500 nm比例尺。" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7. 从多晶金刚石集合体中的FeNi硫化物包裹体采集的TKD与EDS数据。 数据在厚度为80至100 nm的样品上以10 nm步长采集。（a）带对比度图；（b）相位图，显示样品中不同相的分布情况，金刚石以黄色表示，磁铁矿以红色表示，磁黄铁矿以绿色表示，黄铜矿以蓝色表示；（c）化学成分图，显示样品中Fe的分布；（d）化学成分图，显示样品中Cu的分布。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
许多地质样品会经历强烈的塑性变形，尽管这种变形并不总是与地球的构造过程相关。在地球表面的许多陨石坑中都观察到了撞击构造，有时其压力高到足以使石墨转变为金刚石27。由于陨石撞击产生的高能量，这些金刚石的结构发生严重变形，位错密度非常高。图8展示了使用TKD表征的撞击金刚石的一个实例。样品所经历的强烈塑性变形解释了其存在亚微米尺度晶粒、较高比例的孪晶（见图8b）以及晶粒内部晶体学取向的梯度变化（这些梯度变化源于晶粒内部的高密度位错）。
<img alt="显示晶粒结构分析的显微图像，灰度图（a）和颜色编码图（b）" src="/files/ftp_upload/55506/55506fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8. 从陨石撞击形成的金刚石中采集的TKD数据。 数据采集步长为10 nm，样品厚度为80至100 nm。（a）带斜率图，用于反映所采集衍射图样的质量（灰色越亮，图样质量越好）；（b）IPF图，根据图右侧所示的颜色方案显示晶粒的不同晶体学取向。红线表示孪晶界，对应于围绕&lt;111&gt;方向的60°旋转。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文提供了一种利用配备标准电子背散射衍射系统的扫描电子显微镜来表征超细晶粒和纳米晶材料微观结构的详细方法。采用该技术分析了具有精细微观结构的金属合金和矿物，展示了其广泛应用的潜力。

当前微观结构分析面临的挑战之一在于对超细晶粒（UFG）和……进行可靠且准确的表征

该技术的总体目标是利用扫描电子显微镜中的电子衍射原理，对晶粒尺寸在亚微米级或经受过显著塑性变形的晶体材料的微观结构进行表征。该技术有助于解答大塑性变形领域的相关问题，并有助于确定在拉伸变形过程中起作用的机制。该技术的主要优势在于，可广泛应用于多种材料，包括非导电材料，而这类材料在传统的电子背散射衍射中往往难以处理。使用配备EBSD探测器的扫描电子显微镜（SEM）进行实验。在确认样品足够薄以适用于TKD分析后，将其放置在样品台上，确保样品在SEM腔体内与水平方向呈20度角，以避免EBSD相机采集数据时产生阴影效应。该技术最关键的环节是样品制备。如果样品过厚，电子穿透将不足，导致衍射图谱质量差或无法获得。在此情况下，需要重新制备样品。将样品台放入扫描电镜腔室，并关闭腔室。然后，点击真空选项卡中的“pump”开始抽真空。接着，将扫描电镜（SEM）样品台顺时针倾斜20度，使样品处于水平位置并与电子束垂直。为获得最佳数据采集效果，点击EHT将加速电压设置为30 kiloelectron Volts。选择开启EHT以启动加速电压。现在，点击SEM控制面板上的光阑选项卡，并选择较大的光阑。然后，选择高电流模式。现在，移动载物台以定位样品，并使用二次电子成像确认电子束正照射在样品上感兴趣的区域。确保样品 holder 与载物台的 x 轴平行，以避免移动样品时对设备造成任何可能的损坏，并获得最佳信号。随后，通过调节样品的 z 轴位置，将样品调整至 6 到 6.5 毫米的工作距离。打开EBSD软件，通过输入EBSD相机需要移动的距离，使其与样品之间的距离保持在15至20毫米，然后按下“移入”按钮。如果分析需要，可点击EDS相机控制面板上的“进入”按钮，将EDS探测器插入腔室内。为确定实验装置的最佳位置，需检查信号计数，并确保死时间处于20%至50%之间，以获得最优的数据采集效果。当所有探测器就位且样品位置确定后，通过在扫描电镜控制面板的光阑选项卡中选中聚焦摇摆复选框，并调节控制板上的光阑对准水平和垂直旋钮，进行电子束对准。随后，通过调节控制板上的像散校正水平和垂直旋钮，在像散校正中进行聚焦调节。确保电子背散射衍射（EBSD）软件中的样品几何设置反映样品处于水平位置这一事实。确保总倾斜值为零度，如果不是，则在样品几何结构选项卡中添加20度的预倾斜值。在相位选项卡中选择要分析的相位，如同进行常规EBSD实验一样。随后，在扫描图像选项卡中，通过点击“开始”使用EBSD软件采集图像。在优化选项卡中，通过调整 EBSD 相机的增益和曝光值以优化数据采集，使图像明亮但不饱和。接下来，在优化图案选项卡中点击“采集”以收集背景。通过调整放大倍数，确保背景采集时存在足够的晶粒。尽管扫描待分析区域时，应选择厚度相近的区域进行扫描。在扣除背景后，需检查图谱质量，确保已勾选静态背景和自动背景选项。尽管由于装置的特殊几何结构，图谱可能看起来有所扭曲，但仍需确保衍射条带清晰可见。由于荧光屏上衍射花样发光强度较低，需在EBSD相机中对连续帧进行积分，以提高图像的信噪比。接下来，切换至优化求解器选项卡，优化图案识别的求解器，以提高标定率。在调整聚焦、校正扫描电镜的像散，并在扫描图像模式下获取新图像后，转至采集地图数据选项卡，设置地图采集的参数。最后，按下“采集地图数据”选项卡中的开始按钮，启动地图采集。利用透射菊池衍射（TKD）进行显微组织表征表明，对不锈钢样品进行表面机械研磨处理（SMAT）后，形成了等轴纳米晶和轻微拉长的纳米晶区域。在该区域下方，可观察到由拉长的亚微米晶粒构成的超细晶区域。另一经表面机械研磨处理（SMAT）的不锈钢样品采用传统电子背散射衍射（EBSD）进行分析。带对比度图与反极图均显示表面存在超细晶区域，但其标定率不及透射菊池衍射（TKD），且由于常规EBSD空间分辨率较低，SMAT处理后表层下方的显微组织未能得到准确表征。对经SMAT处理的钴铬钼合金样品进行TKD表征表明，其显微组织细化通过相变机制实现。变形后，在相心立方晶粒内观察到六方密堆结构的片层。对硫化镍铁包裹体和多晶金刚石聚集体进行TKD分析，揭示了样品中不同相的分布，并展示了磁铁矿的纳米结构。通过将TKD与EDS联用，确定了不同相中各元素的分布情况。此处展示了一个通过TKD表征的撞击金刚石。样品所呈现的塑性变形解释了亚微米级晶粒的存在、大量孪晶以及晶粒内部晶体学取向的梯度变化。在进行该实验操作时，需特别注意样品制备对实验成功至关重要。观看本视频后，您应能充分理解如何设置样品、EBSD 相机和 EDS 探测器，以成功完成 TKD 实验。数据分析方法与传统的 EBSD 扫描完全相同。

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