应用分享及课程回放 | TKD技术的新发展

6 Jan

应用分享及课程回放 | TKD技术的新发展

空间分辨率

常规EBSD的信号来自于电子束轰击样品后产生的背散射电子，它在出离样品表面时与周期性的晶面相互作用产生了衍射花样。在一般条件下，背散射电子扩展成梨形区，有效的花样信号范围（束斑直径）可达50nm。为了进一步提高空间分辨率，将常规的块状样品制备成电子束可以穿透的薄样品，然后在场发射SEM中进行观察。当电子束穿透薄样品后，电子束的扩展将大大缩小，束斑直径降低至约5nm。利用EBSD探测器在样品下方进行采集，空间分辨率可以提高至少1个数量级。这样的设置利用了常规的SEM和EBSD，可以很方便、快速并准确地采集EBSD数据，称之为TKD技术。

图一常规EBSD模式和TKD模式示意图

在SEM中，空间分辨率主要是由电子束与样品的相互作用产生的信号范围决定的。在TKD模式下，当入射电子束穿透样品后，样品的厚度决定了电子束在水平方向的扩展范围：样品越厚，束斑直径越大。如果样品倾斜，电子束的有效路径会变长，束斑直径扩大；同时，因为样品下表面倾斜，出射的电子束的束斑直径也会扩大。因此样品的倾斜角度越大，束斑的直径也越大。

图二 TKD样品倾转对空间分辨率和信号强度的影响

那为什么传统的TKD数据采集一般需要样品倾转-20度呢？从图二的对比可以看出，携带衍射信息的电子，主要集中分布于样品下表面的垂直方向。当样品适当倾转后，衍射信号最强的区域靠近侧方的EBSD荧光屏，能适当弥补传统的CCD EBSD灵敏度较差的缺点。而采用新型CMOS传感器的Symmetry S2 系列EBSD探测器灵敏度足够高，所以无需这样的设置。因此，我们建议使用预倾-20度的样品台，在操作TKD数据采集时，通过SEM样品台再倾转20度，使样品达到水平放置，这样空间分辨率能尽量提高。

EBSD探测器只是接收衍射信号，它的方位（离轴和同轴）不影响电子束的出射范围，因此并不影响空间分辨率。有文献^[1]就曾将由样品倾转角的不同导致的空间分辨率不同，错误地归因于探测器荧光屏的方位不同。

除了主要影响空间分辨率的因素是样品厚度及倾转角以外，其他的因素如加速电压、样品原子序数等对空间分辨率的影响相对较小，从实验测试数据也可以看出来。

图三样品倾转角、原子序数、加速电压对空间分辨率的影响

感谢悉尼大学 Glenn Sneddon 提供的经验数据及图表

Symmetry S2 EBSD的优势

相比传统的CCD EBSD，新一代Symmetry S2 系列EBSD探测器更适合开展TKD实验。

首先，它具有高灵敏度的优势。这一方面得益于CMOS传感器本身的高灵敏度，另一方面是由于光纤板光学系统替代了传统的镜头组光学系统。这样的设计能让荧光屏上的光几乎100%由光纤直接传导至CMOS感光像素上，而不会受限于传统光学镜头的数值孔径，只允许小部分光透过镜头汇聚到感光像素上^[2]，即：图中绿色半圆相比于黄色锥角。

图四光纤板相比于传统透镜组能汇聚更多荧光屏的光

其次，它具有高速度的优势。Symmetry S2系列EBSD探测器最快采集速度可以超过4500点/秒。在Ni合金样品上，只需要12nA就可以达到3000点/秒的采集速度并保证99%的标定率。在实际的TKD样品上采集速度也可以轻松达到2000点/秒。

图五 AZtec软件上采集TKD的过程【动图】

再次，它可以上下调整探测器的位置。一般为了追求高空间分辨率和良好的聚焦，SEM的工作距离需要设置得比较短，此时样品位置高，而衍射花样低。EBSD探测器就可以调整高度，去适应花样的高度，达到合适的采集位置。同时，牛津的软件设计保证了探测器在高度和水平方向调整位置后，无需重新校准，直接就能开始采集花样。

图六控制探测器升降来适应TKD花样的高度【动图】

最后，它的接近探测器设计能有效避免碰撞。传统的EBSD探测器只有接触报警——碰撞后再报警，但是损失已经发生不可挽回了。Symmetry S2系列EBSD探测器具有接近传感器设计，能在碰撞发生前发出报警，因此可以有效避免不必要的损失和宕机。在TKD实验操作时，在上部，样品和SEM极靴有可能碰撞；在下部，样品台底座和EBSD探测器下方有可能碰撞；在中部，样品也可能从正面撞击EBSD探测器的荧光屏。接近传感器的设计在这些位置都布置了传感器，能有效避免可能的碰撞。对初学者和开放使用的平台，这一设计尤为重要。

图七牛津仪器EBSD探测器独有的接近传感器设计，保证仪器安全【动图】

TKD花样的标定

相比常规EBSD的花样，TKD花样有其自身的特点。首先，花样具有较大的投影畸变，下部衍射带宽化。其次，花样中心（PC，Pattern Center）常位于花样外面。某些EBSD的标定算法在这种条件下无法正常标定，需要样品倾转较大角度（如-40度），以便让花样中心回归花样内部，才能标定。最后，衍射带分明暗线，对识别提出了更高的要求。针对这些问题，牛津开发了专门的TKD标定模式，优化了大畸变衍射花样衍射带的探测及标定，有效地提高了TKD标定的准确性和标定率。

图八专门的TKD标定模式

推荐的采集流程

TKD数据采集过程和常规EBSD类似，很容易迅速开展。主要的区别有：

1．加速电压：为了让电子束更容易穿透薄样品，需要在SEM上设置高加速电压，如30kV。

2．样品倾转角度：如果使用-20度的TKD预倾样品台，那么需要在AZtec软件中”样品描述”设置-20度，此时如果总样品倾转角度低于0度，软件界面会有提示告知此角度不在常规的样品角度范围内，可忽略之。

图九样品倾转角度设置-20度

3．标定模式：直接选择TKD标定模式，这样更容易探测衍射带，准确标定。

图十设置TKD标定模式

需要注意的问题

1．样品漂移：尽量通过机械的方式（夹持、螺栓、燕尾槽等）固定样品台和SEM样品台底座，避免用导电胶连接，以减少TKD分析在高放大倍数条件下更容易漂移的问题。

图十一通过机械方式固定样品

2．FIB样品：制样时，需严格控制TEM样品表面非晶层厚度，一般在高电压下用离子束抛光后，需再加上低电压离子束抛光尽量减薄非晶层。

图十二 FIB制样时需严格控制非晶层厚度

3．与EDS联用：在TKD采集过程中，也能像常规EBSD一样，和EDS联用。可以通过相鉴定功能，同时采集未知相的EDS和EBSD后，在数据库中过滤出未知相的晶体结构；也可以在采集EBSD面分布图时，同时采集EDS面分布图。因为透射式的设置，透射电子穿透样品后，轰击到beam-stop上或SEM样品架上，易产生杂散信号，干扰EDS的元素分析，所以要意识到，检测到的元素可能来自周围环境而非样品本身。

TKD的新应用

TKD技术普及后，与其他技术联用成为新的研究热点。我们这里讲两个实例：

1．TKD与APT技术联用

对锆石针尖样品进行联合表征。APT可以获得针尖原子成分和分布信息，而通过TKD可以表征出APT针尖晶体结构以及其中的小角晶界。整个针尖区域总的取向差角度大约3度，其中有几条明显的小角晶界。而Al原子与小角晶界的位置对应，证实了Al原子偏聚于小角晶界处。