材料研究におけるEBSDの応用

1はじめに電子後方散乱回折（EBSD）の歴史は、1928年に透過型電子顕微鏡で見たKikuchiの帯状回折パターン、Kikuchi線にさかのぼる必要がありますが、このKikuchi線は電子的に透過します。 1954年まで、Alam、Blackman、およびPashleyはまた、透過型電子顕微鏡を使用して、LiF、KI、NaCl、PbS 2の結晶をフィルムから切り離した広角の菊池パターンを撮影しました。 1973年に、VenablesとHarlandは、走査電子顕微鏡で電子後方散乱回折パターンを用いて材料の結晶学的研究を行い、材料科学におけるEBSDの応用を切り開いた。 1980年代後半、Dingleyはスクリーンとテレビカメラを使用して電子後方散乱回折パターンを受信および取得しました。 1990年代には、自動パターニングが達成されました。デジタルカメラ、コンピュータ、ソフトウェアの急速な発展により、現在の製品EBSDはパターンの受信と収集からキャリブレーションまでの完全自動化を実現しました。地質学、マイクロエレクトロニクス、材料科学などで広く使用されている1秒あたり100フレームを超えるキクチパターンとキャリブレーション結果。サンプル表面と水平面は約70°です。入射電子線が試料に入ると、試料中の原子によって散乱されます。散乱角のために電子のかなりの部分が試料表面から逃げる。電子のこの部分は後方散乱電子と呼ばれます。サンプルを結晶面のサンプル群と共に残す過程における後方散乱電子は、回折の２つの頂点を形成する回折の部分、及び２つの円錐に垂直な結晶面を形成するブラッグ回折条件２ｄｓｉｎθ ＝λを満たす。表面、2つの円錐面と明るいバンド、菊池バンドの断面の形成後の受信スクリーン。各菊池ゾーンの中心線は、図１に示すように、試料上の電子の散乱点と受光スクリーンとからブラッグ回折が起こる平面の断面に対応する。電子後方散乱回折パターンは電子後方散乱回折パターン（ＥＢＳＰ）と呼ばれる。 EBSPには複数のKikuchiバンドが含まれることがよくあります。受信画面受信したEBSP CCDデジタルカメラでデジタル化され、キャリブレーションと計算のためにコンピュータに送信されます。 EBSPがサンプルの表面下約数十ナノメートルの薄い層から来ることは注目に値します。より深い電子は、ブラッグ回折も起こり得るが、それらが試料表面をさらに出るにつれて運動の方向を変えるために原子によってさらに散乱され得、最終的にはＥＢＳＰの裏側になる。従って、電子後方散乱回折は表面分析法である。第二に、試料が約７０°傾けられているのは、チルト角が大きいほど後方散乱電子が多く形成され、ＥＢＳＰパターンが強く形成されるからである。しかしながら、大きな傾斜角は、試料表面における電子ビームの位置決めにつながるため、試料を減少させることはできない。製品表面の空間分解能および他の悪影響のため、今やEBSDは試料を約70°傾斜させる。形成原理電子後方散乱回折パターンには、4つのサンプル関連情報が含まれています。結晶方位情報クリスタルの完全性情報格子定数情報。図2は、著者によって得られた典型的なEBSPパターンを示しています。このパターンは、異なる結晶面に対応するいくつかのKikuchiバンドを含みます。非ゼロ構造因子を持つ結晶ファミリーのみがBragg回折を受けてKikuchiバンドを形成します。ゼロの構造因子を有する結晶族は、ゼロの回折強度のためにキクチバンドを形成しないであろう。菊池の異なる菊池は菊池の形成と交差する。菊池は結晶面族に対応するので、菊池は各菊池バンドに対応する各結晶族の共通方向、すなわち結晶軸の方向に相当する。図2からわかるように、菊地は非常に回転対称です。この回転対称性は結晶構造の対称性に直接関係しています。具体的には、対応する結晶軸に対応する回転対称性が中心対称性、すなわち２回転対称性を付加する。三回転対称のための立方晶[111]方向、および非常に六対称のEBSPパターン[111]キクチのような。結晶構造の対称性は230種類の空間群に分けられる。ブラッグ回折によって形成された電子後方散乱回折パターンは、（ｈ、ｋ、ｌ）と（ - ｈ、 - ｋ、 - ｌ）の同じ構造因子のために、空間群における対称作用成分と同じ回折強度とを区別できない。第二の回転対称性の導入、EBSPは32種類の点群を区別することができない、11ラウエ群の2種類の回転対称性を区別することができるだけです。言い換えれば、EBSPパターンは11の異なる回転対称性しか持つことができません。図2 Niの典型的なEBSPパターン上記のように、各Kikuchiゾーンの中心線はサンプルの対応する結晶表面の後の受取スクリーンの断面線に相当します電子線を照射する。各キクチ電極は、電子ビーム照射時の対応する結晶面の延長に対応し、アクセプタンススクリーンはインターセプトによって形成され、それ故、ＥＢＳＰはサンプルの結晶方位情報を含む。サンプルの結晶方位は、サンプル配置の条件、入射電子ビームの位置および受光スクリーンの幾何学的条件のもとで、シングルキクチまたはトリプルキクチ法によって計算することができる。格子の完全性は明らかに次のように関係がある。 EBSPパターンの品質結晶格子が損なわれていない場合、形成されたＥＢＳＰパターン中のキクチバンドのエッジはシャープであり、高次回折さえも観察することができる（図２に示すように）。格子がひどく変形して、結晶格子の歪みや歪み、菊池エッジのあいまいさなどの欠陥が発生すると、拡散します（図3）。その理由は、情報の原子周期配列を反映して、ブラッグ回折によって形成されたキクチバンドは、結晶がより完全であるほど、ブラッグ回折強度が高いほど、キクチバンドの形成の端部がより鋭くなるためである。合金EBSPパターン図1からわかるように、Kikuchi W結晶格子間隔の幅と対応する表面間のdは次の関係にあります。W = R・θ（1）λ=2dsinθ（2）ここで、Rは距離です。受光面の菊池帯と試料への電子線の入射点との関係、λは入射電子線の波長です。3材料研究におけるEBSD3.1粒子配向、粒子配向分布（マイクロテクスチャ） EBSDのスクリーンによって受け取られたパターンは、CCDデジタルカメラによって集められ、コンピューターに送られます。コンピュータはハフ変換を実行して各キクチバンドの位置を検出し、キクチバンド間の角度を計算する。それから、菊池と菊池の値を比較する角度理論。図4は、較正済みEBSPパターンを示しています。図中、「１０」は受信スクリーンの中心、すなわち電子ビームの試料への入射位置と受信スクリーンのスクリーン上の縦線との交点を示す。試料上の電子ビームの位置がスクリーンに対して垂直であることが知られている場合、粒子の結晶方位はシングルキクチまたはトリプルキクチ法を用いて計算することができる。試験条件を注意深く設定することによって、結晶方位のEBSD決定の絶対精度は≦0.25°になり得る。サンプル内の電子ビームがEBSPパターン、サンプルマッピングの表面上の特定の領域の特定の領域の特定の距離、特定の距離にある場合は、統計的計算、統計的な計算を決定することができます。結晶方位 - テクスチャ。 CCDカメラ、コンピュータ、およびソフトウェアの急速な発展により、新しいEBSDはEBSPパターンを非常に高速に測定し、結晶粒配向の結果を得ることができます。例えば、クリスタル・オブ・イングランドのオックスフォードは、毎秒100以上のEBSPパターンを収集し、オリエンテーション結果を出すことができます。サンプルの1視野で最大512×384ドットを測定できます。倍率を変えることによって、試料上のテクスチャーをmm 2からμm2の範囲で決定することができる。 EBSDの空間分解能は一般的に約0.5μmです。電界放射型走査電子顕微鏡に設置された場合、空間分解能は１０ｎｍ未満であり得る。したがって、nm粒子の配向はEBSDで決定できます。高倍率で測定されたテクスチャーはしばしばマイクロドメインと呼ばれる。同時に、EBSDは大面積の巨視的テクスチャの測定にも使用できます。隣接領域のテクスチャを低倍率で測定した後、モンタージュ法を使用して異なる領域を継ぎ合わせて大きなテクスチャ領域を得る。例えば、ＨＫＬ社のＣＨＡＮＮＡＬ５は、電子顕微鏡の自動試料ステージと協働して２０ｍｍ×２０ｍｍの範囲内でテクスチャーを測定することができる。図４．較正されたＮｉ ＥＢパターンＥＢＳＤテクスチャーは、極座標などの多くの形態で表すことができる。マップ、逆極性マップ、ODFなど（図5を参照）。 Ｘ線回折と比較して、ＥＢＳＤは、ミクロ組織、選択された領域の組織を測定し、そして粒子形状を粒子配向と直接相関させるという利点を有する。さらに、X線構造は反導出後の結晶方位の回折強度、選択された計算モデルによる計算精度、設定された様々なパラメータの影響、一般的に測定されたテクスチャおよび実際の偏差を測定することによって測定されます。 15％以上テクスチャを決定するために各穀物統計の絶対方向を測定することによってEBSD、EBSDがテクスチャを決定するための最も正確な手段であると考えることができます。もちろん、Ｘ線と比較して、ＥＢＳＤ試料調製問題および他の欠点。ＥＢＳＤによる２相の結晶学的方位の同時決定は、２相間の結晶学的関係の決定を可能にする。 ２つの相の間の結晶学的関係を決定するためには、一般に、３０箇所を超える２つの相のそれぞれの結晶学的配向を決定することが必要である。二相結晶学を確立するために、同時にすべての測定結果が統計上の同じ極投影赤影に投影された。 TEMとX線と比較して、EBSDによる二相間の方位関係の決定は明らかな利点を持っている。 ＥＢＳＤ試験に使用されたサンプルの表面は平らで均一であり、そして２つの相が共存する３０以上の場所を見つけることは容易である。同時に、結晶粒の向きはソフトウェアによって自動的に計算することができます。透過型電子顕微鏡では、サンプルの薄い領域が小さいため、同じサンプル内に30を超える2相位置が共存していることがわかりません。さらに、結晶粒の向きは手動で計算する必要があります。 Ｘ線は一般に撮像装置を有していないので、Ｘ線を測定位置に正確に配置することは困難である。相サイズが小さいと、Ｘ線による相間結晶関係の判定が困難である。また、図５に示す高純度Ｎｉベースバンドの極性と逆極点図の間には、双晶平面、すべり平面などがある。特に2つ以上のダイ表面に痕跡が残っている場合、EBSDを使用してこれらの面を決定することができます。位相識別用のEBSDはCCDの開発の結果です。位相識別は、カメラが弱いキクチ線を検出するのに十分な数のグレースケールおよび十分に高い空間分解能を有することを必要とする。 ＣＣＤカメラは現在、位相識別要件を満たすために、一般に１２ビットグレースケール、すなわち２１２グレーレベル、および最大１３００×１０２４の空間解像度を有する。 EBSDによるフェーズの識別にはEDSの助けが必要です。最初にエネルギースペクトルを用いて一般化し、組成によって相のどの元素が識別されるかを決定し、次いで相EBSPパターンを収集した。これらの要素で形成される可能性のあるすべてのオブジェクトはパターンに対して較正され、パターンと完全に一致するフェーズだけが識別されたフェーズです（図6を参照）。EBSDのフェーズ識別の原則は、次のとおりです。 TEMとX線回折の相同定EBSPは主に位相を識別するための結晶面間の角度に基づいています。EBSPには約70°の結晶方位情報が含まれ、TEMは位相を識別するために面間隔と結晶角に基づいているため、X線は面間に基づいています位相を特定するための各結晶面の間隔および相対回折強度。 Ｘ線は面間隔を正確に測定することができるので、Ｘ線位相識別は位相組成の事前の知識を必要としない。 EBSDとTEMの面間隔エラーの決定が大きい場合は、まず候補となる位相成分を決定して候補範囲を狭める必要があります。しかし、3つの回折法は、ある結晶面の回折、すなわち結晶面の構造因子がゼロであってはならないという点で同じです。AlNおよびCr 23 C 6ステンレス鋼の6 EBSPとそれらの校正結果3。 3 EBSDひずみ分布測定法3.3.1 EBSDパターン品質図EBSDでは、各回折パターンは鮮明度に基づくパターン品質値で表され、マッピングに使用できます。明るい点は高いパターン品質に対応し、暗い点は低いパターン品質に対応します。低品質とは、格子が完全ではなく、欠陥や他の転位がたくさんあることを意味します。パターン品質マップ法は、単一粒子内の歪み分布の測定には適しており、歪み粒子または異なる結晶がない場合でも、個々の粒子間または異なる結晶方位を有する異なる相間の歪み分布の決定には適していない。方位それぞれが異なるパターン品質値を有する。３．３．２粒界分布 - 変形ゾーンは多数の低角度粒界（例えば２〜１０°のミスマッチ度を有する粒界）を有することが基本である。 3局所ミスマッチマップ高角度の粒界（例：> 5°の粒界）を考慮して、各測定点とその8つの近隣の近傍の間のミスマッチ角の平均を計算しても、局所歪みの変化は考慮されません。粒径3.3.4粒内ミスマッチ図各粒内で、ミスマッチ角勾配が最小となる点（すなわち、最小変形）が計算されます。この点の方位を基準方位として、この点に対する結晶内の他の全ての点のミスマッチ角が計算される。このプロットは、最も歪んだ粒子を明確に示しています。3.3.5等価歪み図各粒子内の方位分布を計算し、粒子サイズに応じて一定の重みを付けます。次に、平滑化係数を使用して全領域の等ひずみ分布を平滑化します（図7を参照）。図7き裂付近のひずみ分布3.4粒界特性各結晶粒の結晶方位の決定粒子間のミスマッチ角は、大角粒界、小角粒界、副粒界などを区別するために容易に計算することができ、同時格子モデル（ＣＳＬ）に従って研究することができる。粒界はコヒーレント粒界です。 Σ３、Σ９、Σ２７および他の同時格子格子境界などは一般に双晶境界である。さらに、さまざまなミスマッチ角を調べることができます。3.5格子定数の決定キクチゾーンの幅を測定することによって、対応する結晶面の面間隔を計算することができます。各菊池バンドのエッジは2つの双曲線に相当するので、菊池バンドの異なる位置で測定された幅の値は異なります。菊池は一般的に結晶の間隔を計算するためにバンドの最も狭い幅で測定されるべきです。測定プロセスにおける誤差のために、ＥＢＳＤによる平面間の距離の測定誤差は一般に約１．５％である。したがって、EBSDは格子定数を測定する特別な方法ではありません。上記の用途に加えて、EBSDはさまざまなサンプルの結晶粒方位を正確に決定することができます。試料粒子を金属組織学的方法で決定することが困難である場合、試料中の結晶粒子の実際の分布および粒子サイズの分布は、EBSDによって決定することができる。4結論電子後方散乱回折（EBSD）技術は非常に成熟している。結晶粒配向、ミクロ組織、配向、生息地表面および相の同定、ひずみ分布、粒界特性および格子定数に広く用いられる。一般的に使用されるＸ線回折と比較して、ＴＥＭにおける選択された電子回折はそれ自身の特徴を有する。特に走査型電子顕微鏡に搭載された場合、走査型電子顕微鏡は、包括的な分析機器として、形態観察、構造分析、および組成決定（エネルギースペクトルおよび分光法による）の機能を有する。
ソース：Meeyou Carbide