中科科辅TEM部门

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来自王工的专业知识分享

现实生活中不可能存在完美的晶体结构，必然会存在缺陷，位错作为线缺陷的一种，对材料的各方面性能和析出相的形成有着巨大的影响。因此对位错的研究是材料研究中的重要一部分。

位错的观察常用方法有：金相观察法，X射线衍射法和透射电子显微镜观察。

• 金相观察即利用抛光手段使材料表面的位错暴露出来进而进行观察，应用很有局限性；

• X射线衍射则通常用于计算位错密度；

• 透射电镜是观察位错的常用手段，透射电镜对位错的观察又分为明暗场像和高分辨像，这里我们只说明利用明暗场观察位错的方法。

TEM中衍射衬度是非常重要的影响因素，不同衍射条件下形貌是完全不同的。如下图所示：

图1. 同一位置不同衍射条件下的TEM明场像

因此，通常情况下的TEM观察都是在随机的衍射条件下进行观察的，其可以表征的仅仅是位错的简单形貌和数量，却不能准确对位错进行分析。

为了对位错进行准确分析，我们需要设定一个对衬度做出主要贡献的晶面的倒易矢量g，具体操作方法就是通过倾转样品，使图片主要有透射束和g指向晶面的衍射束进行成像。在一组同一视场不同的g矢量下采集的图像中就可以对位错进行更进一步的分析。下面通过一组实例来进行分析。

图2. 同一位置的衍射图谱和三个g矢量明场像

1. 位错柏氏矢量b（Burgers vector）的测定

TEM下的位错显示遵循“g·b法则” ：“g·b法则”——如果位错的柏氏矢量垂直于操作衍射矢量，即g·b=0，则位错没有衍射衬度，位错不可见。

图 3.a 为位错左侧发生畸变的晶柱；b 为晶柱的两个不同表面。

        图 3 以刃型位错为例，△k 即垂直于纸平面的操作衍射矢量△k=g，从晶柱正面观测，晶面平坦，而 g 和 b 互 相垂直，则位错线附近没有衍射衬度。 

对图 2 的一组图像进行实例分析

图 4.单根位错的三个 g 矢量放大图

根据图片得出 g=200 时 g·b=0，通过对照 g·b 的计算结果，即可得出这条位错的 b=±[0 1-1]。

常用 FCC、BCC 和 HCP 金属全位错和不全位错的 g·b 值数据表已经整理成文档，在【中科科辅】公众号后台回复关键词 “位错” 即可获取。

2. 位错类型的判断 

刃型位错：位错线与柏氏矢量垂直。 

螺型位错：位错线与柏氏矢量平行。

图 5.单根位错与柏氏矢量 b 平行

        由此可以判断图 4 中的位错为螺型位错为主的混合位错。值得注意的是，在实际情况中大多数位错都是混合位错。

3. 判断位错为全位错或非全位错（又称部分位错或偏位错）         

全位错：柏氏矢量 b 是晶体点阵周期的整数倍，一般都在密排方向上，能量较低较稳定。        

不全位错：柏氏矢量 b 不是晶体点阵周期的整数倍，能量较高，不太稳定。根据Thompson 作图法可以判断这条位错为全位错。

图 6.FCC 晶体中全位错和不全位错的汤普森作图法

        在图 6 中（a）中由 A、B、C 三面心与原点组成的四面体的棱表示 FCC 的 12 根全位错；（b）表示展开四面体后， 每个原四面体面即 ABCD 任意三个点组成的三角形，由三角形顶点至各自的中心的适量，就是 FCC 中的 24 条不全 位错。 

        在了解了操作矢量 g 之后，还可以对位错进行 2g、-g、-2g 等一系列的弱束暗场像拍摄。同时又可以对位错进行更多的分析，由于内容过多，就不在此一一列举。下面仅用一组图像展示弱束暗场像的成像效果。

弱束暗场像的成像效果

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