ZnO衍射花样180°不唯一性的消除

唐明华,陈木子,朱 兴,郭 军,闫春辉

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州 215123)

分析测试经验介绍(130～134)

ZnO衍射花样180°不唯一性的消除

唐明华,陈木子,朱 兴,郭 军,闫春辉

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州 215123)

晶体电子衍射花样涉及到界面、位错等缺陷的晶体学性质测定时，需要设法消除180°不唯一性这一问题. 应用Tecnai G2F20场发射透射电镜精密的倾斜样品台使晶体做有系统的倾转，观察衍射花样的变化并加以分析,从而消除了ZnO粉末单晶花样的180°不唯一性.

ZnO晶体；衍射花样；180°不唯一性

本文对ZnO粉末进行选区电子衍射花样的获取并进行指数化标定，利用Tecnai G2F20场发射透射电镜精密的倾斜样品台使晶体做有系统的倾转，根据样品倾转的角度及倾转前后的电子衍射花样判定晶体的实际取向，从而消除了ZnO粉末单晶花样的180°不唯一性.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Tecnai G2F20透射电子显微镜(FEI公司，美国).

1.2 样品制备

取1 mg ZnO样品放置于盛有1 mL无水乙醇的1.5 mL离心管中，将离心管放入超声震荡仪中震荡5 min，然后用移液枪取分散均匀的样品,滴于直径为3 mm的碳支持膜铜网，红外灯烘干，待测.

1.3 透射电镜测试

使用Tecnai G2F20场发射透射电镜经相机常数及磁转角的校准后，将制备好的载有样品的碳支持膜铜网放入透射电镜样品杆上，样品杆插入镜筒中，调整成像系统合轴，透射电镜工作电压为200 kV，工作电流为74 μA，点分辨率为0.24 nm.

会聚电子束于样品上，切换至衍射模式，观察到菊池衍射花样，倾转样品台，使观察到的所有菊池线对称地分布在透射斑点两侧，记录此时样品台X轴和Y轴的倾转角度α1为0.39°，β1为1.43°. 返回明场像，用选区光阑选取样品的合适区域，切换到衍射模式，选择合适相机长度，调节亮度旋钮使衍射斑点尽可能明锐，用底插CCD相机(Gatan 832)获得ZnO的单晶选区电子衍射花样1.

在单晶选区电子衍射花样1上选择一列通过透射斑的密排衍射斑. 以该列衍射斑的方向为轴倾转样品，直到获得另一套单晶选区电子衍射花样2，记录此时样品台X轴和Y轴的倾转角度α2为-24.58°，β2为18.09°.

2 结果与讨论

2.1 ZnO单晶选区电子衍射花样1的指数化标定

图1是样品台X轴和Y轴的倾转角度α1为0.39°、β1为1.43°时，获得的ZnO单晶选区电子衍射花样1，现对其进行指数化方法标定.

图1 ZnO单晶选区电子衍射花样1的指数化方法Fig.1 Indexation method of ZnO diffraction pattern No. 1

古人云：“读书破万卷，下笔如有神。”常言又道：“书是人类进步的阶梯。”自先祖降生之际，人便与书开始了一场数千年的倾城之恋。它其中所蕴含的奥秘，更是能给人们带来非同一般的感觉。

根据中华人民共和国国家标准GB/T 18907-2013《微束分析 分析电子显微术透射电镜选区电子衍射分析方法》，需验证R1、R2等上述测量值的准确性，将R1、R2、R1+2、R2-1的测量值，代入公式(1)[3]得到Φ1、Φ2、Φ3的计算值分别为89.85°、28.57°、61.43°(见表1)，将Φ1、Φ2、Φ3的计算值代入公式[(Φ2+Φ3)-Φ1]/Φ1中得到误差为0.17%，在允许范围内，说明R1、R2等测量值精确可靠，可继续进行下一步标定.

(1)

根据测量的2R1值得到R1值，进而计算得出衍射斑点h1k1l1所代表的d值为0.519 nm. 对照ZnO的PDF卡片#89-1397，查询到{002}晶面族的晶面间距为0.261 nm，0.591≈0.2612，因此推测h1k1l1属于{001}晶面族，选取{001}晶面族中的(001)为h1k1l1对应衍射斑的指数[根据六方晶系消光条件，(001)晶面的衍射斑点不应该出现，此时观察到的斑点应为二次衍射斑点]. 同理，R2所代表的d值为0.282 nm，查询到{100}晶面族的晶面间距为0.282 nm，因此它的指数应为{100}类型，可选取{100}晶面族中的(100)为h2k2l2对应衍射斑的指数. 根据矢量运算法则，对其他衍射斑点进行标定和核实， 如(100)和(001)晶面所代表的矢量合成得到(101). 由此ZnO单晶选区电子衍射花样1的指数标定如图2所示，包括等晶面指数.

图2 ZnO单晶选区电子衍射花样1的指数标定Fig.2 Index calibration of ZnO diffraction pattern No. 1

为了验证衍射花样指数标定是否符合晶面夹角定律，测量(001)和(100)之间的夹角为90.18°，(001)和(101)之间的夹角为61.53°. 根据六方晶体晶面夹角公式(2)[1]计算出(001)和(100)以及(001)和(101)之间的夹角分别为90°和61.57°，测量值和计算值两者基本相符，从而确定ZnO单晶选区电子衍射花样1指数标定的准确性.

根据晶带轴公式(3)[1]计算ZnO单晶选区电子衍射花样1的晶带轴指数[UVW]为[010].

(2)

u:v:w=[(k1l2-l1k2):(l1h2-h1l2):(h1k2-k1h2)]

(3)

2.2 ZnO单晶选区电子衍射花样2的指数化标定

图3是样品台X轴和Y轴的倾转角度α2为-24.58°、β2为18.09°时，获得的ZnO单晶选区电子衍射花样2，现对其进行指数化方法标定.

图3 ZnO单晶选区电子衍射花样2指数化方法Fig.3 Indexation method of ZnO diffraction pattern No. 2

将R1’、R2’、R1+2’、R2-1’的测量值，代入公式(1)得到Φ1’、Φ2’、Φ3’的计算值分别为89.81°、32.05°、57.24°(见表2)，将Φ1’、Φ2’、Φ3’的计算值代入公式[(Φ2’+Φ3’)-Φ1’]/Φ1’中得到误差为0.56%，误差在允许范围内，说明R1’、R2’等测量值精确可靠，可继续进行下一步标定.

表2 ZnO单晶选区电子衍射花样2中R’与Φ’值的测量值与计算值Table 2 Measured values and calculated values of R and Φ in ZnO diffraction pattern No. 2

由于倾转试样过程中，保持包含中心斑至002方向的一列斑点始终明亮，因此ZnO单晶选区电子衍射花样2中和ZnO单晶选区电子衍射花样1中R值相同的衍射斑点即为(002)，即ZnO单晶选区电子衍射花样2中衍射斑点h1k1l1即为(002).

2.3 180°不唯一性的消除

图4 ZnO单晶选区电子衍射花样2可能的两种指数标定Fig.4 Two possible index calibrations of ZnO diffraction pattern No. 2

cosφ=

(4)

(5)

其中Δα=α1-α2，Δβ=β1-β2.

3 结论

[1] 陈世朴,王永瑞.金属电子显微分析[M].北京：机械工业出版社, 1982.

[2] 孟庆昌.透射电子显微学[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 18907-2013《微束分析 分析电子显微术透射电镜选区电子衍射分析方法》[S].

Elimination of 180° Nonuniqueness of ZnO Diffraction Pattern

TANG Ming-hua, CHEN Mu-zi, ZHU Xing, GUO Jun, YAN Chun-hui

(Analysis and Testing Center, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu China)

In the determination of electron diffraction pattern of crystal involving interface, dislocation and other defects of crystallography properties, to eliminate the problem of 180° nonuniqueness is needed. In this article, using the precise specimen stage of transmission electron microscope (FEI, Tecnai G2F20) the systematic tilting of crystals can be accomplished, and by the analysis and study of the changes of electron diffraction pattern, the selection of the right index of crystalline plane and index of zone axis, the elimination of 180° nonuniqueness of ZnO diffraction pattern can be achieved.

ZnO crystal; diffraction pattern; 180° nonuniqueness

2017-04-07;

2017-05-22.

实验室安全及设备管理教改项目-图像重构技术(58333007); 国家自然科学基金青年基金(21301333)

唐明华(1986-)，女，硕士，实验师，研究方向为透射电子显微镜测试与分析, Tel:0512-65880382, E-mail: mhtang@suda.edu.cn

郭军(1962-)，女，硕士，教授，研究方向为透射电子显微镜测试与分析, Tel:0512-65880393, E-mail: guojun@suda.edu.cn；闫春辉(1986-)，女，硕士，实验师，研究方向为仪器分析和研究工作, Tel:0512-65880381, E-mail: yanchunhui@suda.edu.cn.

O657.32

B

1006-3757(2017)02-0130-05

10.16495/j.1006-3757.2017.02.012