几种金属单质的高分辨像的模拟

吴世超　韩巧梅　陈伟伦　张红亮　郭润　宋述鹏

高分辨电子显微技术能够从原子尺度来观察和研究材料的微结构，它研究对象主要是是晶体结构。目前对于高分辨像的模拟已经有专业的软件，但是对于本科生阶段学习和认知的讨论并不多见。如果通过分析和比较不同环境变量下各种不同金属单质材料的高分辨模拟像，就能够建立一个评测系统来确定在何种条件下所获得的高分辨像最接近真实的结构。该文意义在于采用Fortran语音并结合像模拟程序拟合出最佳厚度和欠焦量下的成像条件并构建基本的金属材料原子量级高分辨像的评测体系。

1 高分辨像模拟技术

现实生活中人们无法直接看到材料的原子结构，而材料的性能是和其微观结构息息相关，为了提高材料的性能就需要了解其晶体结构特征，透射电子显微镜的高分辨技术能够直观地呈现这些结构，所获得的像称作高分辨像（High Resolution Electron Microscopy，HREM）。高分辨像是一种相位衬度像，试样的相位衬度是试样内部各点对入射电子作用不同以及试样厚度不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。高分辨像主要有两种：一维晶格像和二维结构像。它们分别是使电子束从某一组晶面产生反射和采用一个晶带的反射而成像的。后者要求有一个沿晶带轴的准确入射方向，并且二维结构像和实际晶体中原子或原子团的配置有很好的对应性。但这种对应并不是与晶体结构的完全对应，相位衬度像因为受到试样厚度等客观因素的影响，与真实原子级晶体结构之间因为衬度还存在差异，为了能获得更加真实的结构像就需要借助高分辨像模拟。

对于高分辨像模拟技术，如果使入射电子束严格平行于试样中某个晶带轴入射，在仪器分辨率允许的范围内让尽可能多的衍射束参与成像，就能得到含有单胞内原子排列的正确信息的像，参与成像的衍射波越多，像中包含的信息越多。根据衍射物理的原理，入射电子束进入试样后，衍射波强度随试样厚度呈波动（振动）变化。不同衍射波变化的振幅和周期是不一样的。只有在试样的薄区，衍射波的激发与试样厚度的关系才是成比例的，所以对200kV电镜来说要获得结构像试样的厚度一般小于10nm。由于参与结构像成像的衍射波很多，只有在谢尔策聚焦附近，才能获得正确的结构像。所以，严格沿晶带轴入射、很薄的区域、谢尔策聚焦、无像散等才能获得结构像。

2 透射电镜的衬度

透射电镜的衬度（Contrast）是指两个相临部分的电子束强度之差，表达式为C=（I1-I2）/I2=ΔI/I2。通常，人眼不能观察到衬度小于5%的区别。如果能把像的强度用数字化的方法记录下来，就可以用电子学方法把衬度增加到人眼能分辨的程度。电子像的成因取决于入射电子束与材料相互作用，当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射电子束强度发生了变化，因而，透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子像称为衬度像。

高分辨像是一种相位衬度，而相位衬度是指试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。高分辨像主要有两种： （1）使电子束从某一组晶面产生反射而成像的一维晶格像，从一维晶格像可直接测得晶面间距d。观察孪生、晶粒间界和长周期层状晶体的结构。（2）采用一个晶带的反射而成像的二维结构像。要求有一个沿晶带轴的准确入射方向，该像和实际晶体中原子或原子团的位置有很好的对应性，可研究位错和晶界的结构。

3 几种金属单质模拟高分辨像

首先构建Ti、Cu、Fe的单胞结构模型，并用Diamond3绘制出各类金属和氧化物的结构图。然后对该模型进行高分辨像的模拟，用多层法模拟计算金属Ti、Cu、Fe及其氧化物的高分辨像，比较欠焦及过焦的像模拟结果，确定出合适的欠焦量，再改变厚度和不同入射方向的条件下重复计算结果。

图1是Cu、Fe、Ti在不同厚度和欠焦量条件下的模拟高分辨像，具体实施的过程按照金属及其氧化物结构模型设计、环境变量设计及确定、高分辨像模拟、计算和实际结果分析。

4 讨论

我们用Fortran程序确定Ti、Cu、Fe的结构模型，并进一步用多层法模拟计算其高分辨像。一般来说，如果散射本领大，透射电子数少的部分所形成的像要暗些，反之，则亮些。对于非晶样品与衬度与质量、厚度有关。而高分辨像的衬度与质量、厚度和欠焦量和晶体结构有关。随着试样厚度的变化，高分辨像会出现黑白衬度的反转，但是，大量研究证明，由于晶格像是利用透射束附近的有限的衍射束来成像的，它在几十纳米的区域一般也能得到同样的晶格像。

结语

结果表明：通过模拟像的分析比较，可见只有在试样的薄区，衍射波的激发与试样厚度的关系才是成比例的，结构像一般在小于10nm才能获得。相位衬度像强度变化大小与试样内部结构及厚度有关，由于强度的不均匀性而显示出衬度来，所以计藕穸鹊脑黾蛹扑愠隼吹某亩瓤梢猿鱿址醋？

参考文献

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