Способ определения размеров ультрадисперсных кристаллических частиц твердотельных образцов Советский патент 1992 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к материлове- дению и касается физических методов контроля размеров ультрадисперсных кристаллических частиц (УДКЧ) порядка единиц и десятков нанометров, находящихся в насыпном виде или входящих в состав конгломерата частиц, слипшихся друг с другом, или входящих в состав сплава.

Известен метод электронографии, который используется для определения размеров зерен, находящихся на поверхности образца. Измерения производят по ушире- ниям кольцевых рефлексий электроног- рамм.

Однако размытие ширины колец элект- ронограмм может быть обусловлено не только упомянутым выше, но по крайней

мере еще двумя факторами: напряжениями в кристаллической решетке и ориентацией кристаллической решетки относительно зондирующего пучка.

Первый фактор общеизвестен, хотя в рамках известного метода средств борьбы с ним пока не найдено. Он существенно снижает точность измерений, особенно для УДКЧ. Второй фактор рассмотрен в книге Б.Пинеса Лекции по структурному анализу, Харьков, изд. ХГУ, 1957. с. 303. В ней отмечено, что при электронографии кольцевые рефлексии получаются от призматических плоскостей, а при рентгенографии, которая также используется для определения размеров зерен, но более крупных, - от базисных плоскостей В образцах же с неизVI

VI

СП

О

сл ел

вестной или с хаотической (как в порошке) ориентацией частиц разделить факторы 1 и 2 не представляется возможным. Необходимо учитывать также то, что кристаллы на поверхности твердого тела в слое толщиной 2-3 нм находятся преимущественно в состоянии сжатия. Эти параметры сопоставимы с размерами измеряемых ультрадисперсных частиц. Перечисленные факторы существенно снижают точность измерений при определении размеров УДКЧ известными методами и накладывают неизбежные ограничения.

Предлагаемый способ свободен oi 01- меченных выше недостатков и не имеет указанных ограничений.

Решение перечисленных вопросов не только значительно повысит точность измерений, но и существенно расширит диапазон измеряемых объектов, размеры которых могут быть меньше диаметра зондирующего электронного пучка.

Предлагаемый способ определения размеров УДКЧ твердотельных образцов, включает подготовку образца, его облучение электронным пучком, получение кольцевых электронограмм с последующим определением кристаллографических индексов дифракционных колец, по которым определяют фактор повторяемости Р для выбранного кольца, уюл Вульфа-Бреггэ ©, угол сходимости д &, диаметр электронного пучка D. От известных он отличается тем, что для повышения точности измерения за счет устранения влияния напряжений, возникающих в приповерхностных слоях частиц, средний размер конгломерата d определяют в режиме электронного контраста, после чего выбирают диаметр электронного пучка таким образом,чтобы ,a ускоряющее напряжение выбирают таким, чтобы оно обеспечивало глубину проникновения электронов в твердотельный образец, превышающую d. После этого переходят на работу в режим микро-микродифракции, корректируют диаметр электронного пучка до размеров, обеспечивающих получение точечной электронограммы. Далее определяют количество рефлексов N на выбранном дифракционном кольце и производят расчет среднего размера частиц G по формуле

G -- Vп D гмГгРтд 0 cos в

8N

Сказанное справедливо для всех УДКЧ как находящихся в сплаве, так и в кош ломе- рате или в виде отдельных частичек. Однако, при работе с порошковыми материалами

возникают некоторые особенности, связанные с формой этих образцов. Для выявления размеров УДКЧ порошковых материалов, в том числе и образующих конгломерат, под5 ютовку образца производят, например, высыпанием этого порошка на твердеющую коллодиевую подложку, а облучение образца электронным пучком производят в элек- тронном микроскопе. Диаметр

10 электронного пучка D и угол его сходимости д ©определяют, например, методом микро-микродифракции, глубину проникновения электронного пучка в образец d определяют по диаметру фиксированного

15 изображения конгломерата в электронном микроскопе; Энергия зондирующего электронного пучка должна бы гь достаточной для того, чтобы пробить насквозь исследуемый конгломерат частиц общим диаметром в не20 сколько тысяч ангстрем (0,1-10 мкм). При съемке электронограммы от центра шаровидного конгломерата диаметр последнего принимается равным глубине проникновения электронного пучка. Указанные приемы

25 проведения исследований позволяет сформировать дифракционную картину электронограмм, кольца которой состоят из отдельных рефлексов. Для расчета количества рефлексов N выбирают наиболее яркое

30 кольцо, определяют кристаллографические индексы, фактор повторяемости Р, угол Вульфа-Брегга для кольцевых злектроног- рамм и рассчитывают обычным образом (1,2) по формуле (1) среднее значение разме35 ров частиц G для данной электронограммы, конгломерата ульградислерсных частиц.

Известные способы съемки электронограмм и рентгенограмм, а также съемки изображения электронного контраста не

40 позволяют выполнить требуемые определения размеров УДКЧ.

Предлагаемый способ реализован на электронном микроскопе JV 200 СХ с блоком EM-ASID3D2, работающим о режиме

45 микро-микродифракции для измерения размеров ультрадисперсных частиц алюминия, образующихся при сварке. Размер конгломератов 2000 А. Количество пятен ре- фпексий N определялось по кольцу (III)

50 электронограммы, имеющему фактор повторяемости Р-8. В таблице приведены результат) измерения средних размеров частиц для каждой электроиограммы.

Зависимость д& f(D) носит нелиней55 ный характер, поэтому для электронного

i D

пучка соотношение о с) -рг, применяемое

s рентгеновском анализе (2), (где R - расстояние от образца до фотопленки) использовать в предлагаемом способе нельзя. С

другой стороны, следует отметить, что для выявления размеров УДКЧ по предлагаемому способу можно использовать электронные пучки, диаметр которых больше размеров измеряемых частиц (0 100-300 А, a G 30-40 Л). Одновременно повышается и точность измерений.

Формула изобретения Способ определения размеров ультрадисперсных кристаллических частиц твердотельных образцов, включающий подготовку образца, его облучение электронным пучком, получение кольцезых зяек- тронограмм с последующим определением кристаллографических индексоп дифракционных колец, по которым определяют фактор повторяемости Р для выбранного кольца, определяют фактор повторяемости Рдля выбранного кольца, угол Вульфа-Брег0

5

га 0, угол сходимости 50 и диаметр электронного пучка D, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет устранения влияния напряжений, возникающих в приповерхностных слоях частиц, в режиме электронного кон траста определяют средний размер конгломерата d, исходя из которого выбирают диаметр электронного луча м ускоряющее напряжение, обеспечивающее глубину проникновения электронов, превышающую d, затем переходят в режим микро-микродифракции, электроногрэммы, определяют количество рефлексов N на выбранном дифракционном кольце и производят расчет среднего размера частиц G по формуле.

G

V JiD d Р -60- OOS0 8N

Использование: определение линейных размеров ультрадисперсных объектов, а также контроль размеров частиц в порошковой металлургии при нанесении тонких пленок. Сущность изобретения; образец получают электронным пучком, определяют средние размеры конгломерата d в режиме электронного контраста, исходя из которого выбирают размер электронного пучка и ускоряющее напряжение, обеспечивающее глубину проникновения электронного пучка, превышающую, d. Затем переходят в режим микро-микродифракции и корректируют размер электронного пучка, обеспечивающий получение точечной кольцевой электронограм- мы. Определяют кристаллографические индексы кольца, по которым определяют фактор повторяемости -Р. Измеряют количество точечных рефлексов на дифракционном кольце и производят расчетсреднего размера частиц по формуле, приведенной в описании, 1 табл. t/i С