재료 연구에 EBSD 적용

1 서론 전자 후방 회절 회절 (EBSD)의 역사는 Kikuchi 선이 1928 년 Kikuchi 선에서 투과 전자 현미경으로 관찰 된 띠 모양의 회절 패턴으로 거슬러 올라감에 틀림 없다. 1954 년까지, Alam, Blackman 및 Pashley는 투과 전자 현미경을 사용하여 필름에서 LiF, KI, NaCl, PbS2 결정을 절단하는 광각 kikuchi 패턴을 최초로 엄격하게 전자 후방 산란 회절 법으로 촬영했습니다. 1976 년 Venables와 Harland는 전자 현미경으로 전자 후방 산란 회절 패턴을 사용하여 물질에 대한 결정 학적 연구를 수행하여 재료 과학에서 EBSD의 응용을 시작했습니다. 1980 년대 후반, Dingley는 스크린과 TV 카메라를 사용하여 전자 후방 산란 회절 패턴을 수신하고 획득했습니다. 1990 년대에는 자동 패터닝이 이루어졌습니다. 디지털 카메라, 컴퓨터 및 소프트웨어의 빠른 개발로 인해 현재 제품인 EBSD는 패턴 수신 및 수집에서부터 교정까지 완벽한 자동화를 실현했습니다. 지질학, 마이크로 전자 공학, 재료 과학 등에서 널리 사용되는 Kikuchi 패턴 및 교정 결과를 초당 100 프레임 이상 확보 할 수 있습니다 .2 EBSD의 형성 원리 및 이에 포함 된 물리적 의미 전자 후방 산란 회절 분석기는 일반적으로 SEM 또는 전자 프로브에 설치됩니다. 샘플 표면과 수평은 약 70 °입니다. 입사 전자 빔이 샘플에 들어 오면 샘플 내의 원자에 의해 산란됩니다. 전자의 상당 부분은 산란 각으로 인해 시료 표면에서 빠져 나옵니다. 전자의이 부분은 반사 된 전자라고 부릅니다. 크리스탈 표면의 샘플 패밀리로 샘플을 떠나는 과정에서 후방 산란 된 전자는 브래그 회절 조건 2dsinθ = λ를 만족 시키며, 이는 스 캐터링 점에 대해 2 개의 정점을 형성하기위한 회절의 회절 부분 및 2 개의 원추형에 수직 인 결정면 표면, 두 개의 원추형 표면 및 밝은 밴드, Kikuchi 밴드의 횡단면 형성 후의 수신 스크린. 각 키쿠치 구역의 중심선은도 2에 도시 된 바와 같이, 샘플 및 수신 스크린상의 전자의 산란 점으로부터 브래그 회절이 발생하는 평면의 단면에 대응한다. 전자 후방 산란 회절 패턴을 전자 후방 산란 회절 패턴 (EBSP)이라한다. EBSP는 종종 하나 이상의 키쿠치 밴드를 포함합니다. 수신 화면 수신 EBSP CCD 디지털 카메라로 디지털화하여 보정 및 계산을 위해 컴퓨터로 전송합니다. EBSP가 시료 표면 아래 수십 나노 미터 정도의 얇은 층에서 나온다는 점은 주목할 가치가있다. Bragg 회절이 일어날 수 있지만 더 깊은 전자는 원자가 샘플 표면에서 더 멀리 나올 때 움직임의 방향을 바꾸기 위해 더 멀리 흩어져 결국 EBSP의 뒷면이됩니다. 따라서, 전자 후방 산란 회절은 표면 분석 방법입니다. 둘째, 샘플이 약 70 ° 기울어 진 이유는 틸트 각이 클수록 더 많은 반사 전자가 형성되고 EBSP 패턴이 강하게 형성된다는 것이다. 그러나 큰 틸트 각은 샘플 표면에 전자빔 위치를 유도하여 샘플을 감소시키지 않습니다. 제품 표면의 공간 해상도 및 기타 부정적인 영향 때문에 이제 EBSD는 약 70 °의 샘플을 기울입니다. 그림 1 EBSD 형성 원리 전자 후방 산란 회절 패턴은 4 개의 시료 - 관련 정보를 포함한다 : 결정 대칭 정보; 결정 방위 정보; 결정 성 완전성 정보; 격자 상수 정보. 그림 2는 저자가 얻은 전형적인 EBSP 패턴을 보여줍니다. 패턴은 다른 결정면에 해당하는 여러 Kikuchi 밴드를 포함합니다. 구조 요소가 0이 아닌 크리스탈 가족 만이 Bragg 회절을 거쳐 Kikuchi 밴드를 형성하지만, 결정 구조가없는 크리스털 패밀리는 제로 회절 강도로 인해 키쿠치 밴드를 형성하지 않습니다. Kikuchi 다른 Kikuchi는 Kikuchi의 대형과 교차한다. Kikuchi는 결정면 계열에 해당하기 때문에 Kikuchi는 각 Kikuchi 밴드에 해당하는 각 결정 패밀리의 공통 방향, 즉 결정 축의 방향과 동일합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, Kikuchi는 매우 대칭적인 회전을합니다. 이 회전 대칭은 결정 구조의 대칭과 직접 관련이 있습니다. 구체적으로, 대응하는 결정축에 대응하는 회전 대칭은 중심 대칭, 즉 2- 회전 대칭을 부가한다. 큐빅 결정과 같은 [111] 방향은 3 개의 회전 대칭과 EBSP 패턴 [111] 키쿠치 매우 대칭 6 패턴. 크리스탈 구조의 대칭은 230 종류의 공간 그룹으로 나눌 수 있습니다. 브래그 회절에 의해 형성된 전자 후방 회절 패턴은 공간 그룹에서의 대칭 동작 성분과 (h, k, l) 및 (-h, -k, -l)의 동일한 구조적 인자로 인한 동일한 회절 강도를 구별 할 수 없다. 두 번째 회전 대칭의 도입, EBSP 포인트 그룹의 32 종류를 구별 할 수 없으며 단지 11 Laue 그룹의 회전 대칭의 두 종류를 구별하실 수 있습니다. 다시 말해, EBSP 패턴은 11 가지의 회전 대칭을 가질 수 있습니다. 그림 2 위에서 볼 수 있듯이, 각 Kikuchi 영역의 중심선은 샘플의 해당 결정 표면 이후의 수신 스크린의 단면 선과 동일합니다 전자빔이 조사된다. 각 Kikuchi 전극은 전자 빔 조사에서 대응하는 결정 평면의 연장에 상응하고 수용 스크린은 절편에 의해 형성되므로, EBSP는 시료의 결정 학적 방위 정보를 포함한다. 시료의 결정 방위는 시료 배치, 입사 전자빔의 위치 및 수신 스크린의 기하학 조건 하에서 단일 키쿠치 또는 삼중 키쿠치 방법으로 계산할 수 있습니다. 격자의 무결성은 명확하게 EBSP 패턴의 품질. 결정 격자가 손상되지 않은 경우, 형성되는 EBSP 패턴의 Kikuchi 밴드의 에지는 예리하며, 심지어 고차 회절이 관찰 될 수있다 (도 2에 도시 됨). 격자가 심하게 변형되어 결정 격자의 왜곡 및 왜곡 및 많은 전위의 결함을 야기 할 때 Kikuchi 엣지가 퍼지면서 확산합니다 (그림 3). 이유는 정보의 원자주기 배열을 반영하는 Bragg 회절에 의해 형성된 Kikuchi 밴드이기 때문에, 크리스탈이 더 완전할수록, Bragg 회절 강도가 높을수록 Kikuchi 밴드 형성의 가장자리가 더 선명 해집니다. 그림 3 변형 된 티타늄 합금 EBSP 패턴 그림 1에서 키쿠치 W 결정 격자 간격의 너비와 표면 사이의 대응 d는 다음과 같은 관계를 갖는다 : W = R · θ (1) λ = 2dsinθ (2) 여기서 R은 거리 수신 스크린상의 Kikuchi 밴드와 샘플상의 전자빔의 입사 지점 사이의 거리, λ는 입사 전자빔의 파장이다 .3 재료 연구에서의 EBSD3.1 입자 방향, 입자 배향 분포 (마이크로 텍스처) , 오리엔테이션 및 습관의 습관적 결정 EBSD 화면에 수신 된 패턴은 CCD 디지털 카메라로 수집되어 컴퓨터로 전송됩니다. 컴퓨터는 허 푸 (Hough) 변환을 수행하여 각 Kikuchi 밴드의 위치를 감지하고 Kikuchi 밴드 사이의 각도를 계산합니다. 그리고 Kikuchi와 Kikuchi의 가치를 비교하는 Angle 이론. 그림 4는 보정 된 EBSP 패턴을 보여줍니다. 도면에서, "10"은 수신 스크린의 중심, 즉 샘플상의 전자 빔의 입사 위치와 스크린상의 수신 스크린 수직 라인의 교차점을 나타낸다. 샘플에 대한 전자빔의 위치가 스크린에 수직 인 것으로 알려진 경우, 단일 키쿠치 또는 삼중 키쿠치 방법을 사용하여 결정립의 결정 방위를 계산할 수 있습니다. 신중하게 시험 조건을 설정함으로써 EBSD 결정 방향의 절대 정확도는 0.25 ° 이하가 될 수 있습니다. 샘플 EBSP 패턴, 샘플 매핑의 표면에 특정 영역에 대한 특정 거리에서 샘플의 전자 빔, 당신은 통계적 계산을 결정할 수있는 각 곡물의 다결정 샘플 방향을 결정할 수있는 경우의 통계 분포 크리스탈 방향 - 질감. CCD 카메라, 컴퓨터 및 소프트웨어의 급속한 발전으로 인해 새로운 EBSD는 EBSP 패턴을 매우 빠르게 측정하고 그레인 방향의 결과를 제공 할 수 있습니다. 예를 들어, Crystal of England의 Oxford는 초당 100 개 이상의 EBSP 패턴을 수집하고 방향 결과를 제공 할 수 있습니다. 샘플의 한 시야에서 최대 512 × 384 도트까지 측정 할 수 있습니다. 배율을 변화시킴으로써, 우리는 mm2에서 μm2 영역까지 샘플의 텍스처를 결정할 수 있습니다. EBSD의 공간 해상도는 일반적으로 약 0.5μm입니다. 전계 방출 주사 전자 현미경에 설치하는 경우 공간 분해능은 10 nm 미만이 될 수 있습니다. 따라서 nm 입자의 방향은 EBSD로 결정할 수 있습니다. 고배율에서 측정 된 텍스처는 흔히 마이크로 도메인이라고합니다. 동시에 EBSD를 사용하여 대 면적 거시적 텍스쳐를 측정 할 수도 있습니다. 낮은 배율에서 인접 영역의 텍스처를 측정 한 후, 몽타주 방법을 사용하여 넓은 영역의 텍스처를 얻기 위해 여러 영역을 연결합니다. 예를 들어, HKL Company의 CHANNAL5는 전자 현미경의 자동 샘플 스테이지와 함께 20 mm × 20 mm 범위의 텍스처를 측정 할 수 있습니다. 그림 4. 보정 된 Ni EB 패턴 EBSD 텍스처는 극지방 지도, 역 극지지도, ODF 등 (그림 5 참조). X 선 회절에 비해 EBSD는 미세 텍스처, 선택된 영역의 텍스처를 측정하고 입자 형상과 입자 방향을 직접 연관시키는 이점이 있습니다. 또한, X 선 구조는 파생 된 후의 결정립 방위의 회절 강도, 선택된 계산 모델에 의한 계산 정확도, 다양한 매개 변수 세트의 영향, 일반적인 측정 된 텍스처 및 실제 편차를 측정하여 측정됩니다 15 % 이상. EBSD는 텍스처를 결정하기 위해 각 입자 통계의 절대적인 방향을 측정함으로써 EBSD가 텍스처를 결정하는 가장 정확한 수단이라고 생각할 수 있습니다. 물론, X 선, EBSD 시료 준비 문제 및 기타 단점과 비교됩니다. EBSD에 의한 두 단계의 결정 학적 방향을 동시에 결정하면 두 단계 사이의 결정 학적 관계를 결정할 수 있습니다. 두 상 사이의 결정 학적 관계를 결정하기 위해, 일반적으로 30 개 이상의 위의 두 상 각각의 결정 학적 방위를 결정하는 것이 필요하다. 동시에 모든 측정 결과는 2 극 결정학을 확립하기 위해 통계상의 동일한 극성 투영 빨간색 그림자에 투영됩니다. TEM 및 X- 선과 비교하여, EBSD에 의한 2 상간의 배향 관계의 결정은 명백한 이점을 갖는다. EBSD 테스트에 사용 된 샘플의 표면은 평평하고 균일하며 두 단계가 공존하는 30 개 이상의 위치를 쉽게 찾을 수 있습니다. 동시에 소프트웨어로 곡면 방향을 자동으로 계산할 수 있습니다. 작은 샘플 얇은 영역으로 인해 전송 전자 현미경, 그것은 두 단계 위치의 동일한 샘플 공존에서 30 개 이상을 찾기가 어렵습니다. 또한 입자 방향은 수동으로 계산해야합니다. 일반적으로 X- 레이에는 이미징 장치가 없으므로 측정 된 위치에서 X- 레이를 정확하게 위치시키기가 어렵습니다. 위상 크기가 작 으면 X 선에 의한 계면 결정 관계를 결정하기가 어렵습니다. 그림 5 고순도 Ni베이스 밴드 극성 및 역 극점 그림 또한, Habitus, Twin Plane, Slip Plane 등의 두 번째 단계와 기판이 샘플 표면에 흔적을 남긴다. 특히 두 개 이상의 다이 표면에 흔적이 남을 때 EBSD를 사용하여이면을 결정할 수있다. 결정 색인 3.2 위상 식별 EBSD는 CCD의 개발 결과이다 디지탈 카메라의 위상 식별을 위해서는 카메라가 충분한 수의 그레이 스케일과 약한 키쿠치 라인을 감지 할 수있는 충분한 공간 해상도를 가져야합니다. CCD 카메라는 일반적으로 12 비트 그레이 스케일, 즉 212 그레이 레벨과 최대 1300 × 1024의 공간 해상도를 가지고있어 위상 식별 요구 사항을 충족시킵니다. EBSD로 위상을 식별하려면 EDS를 사용해야합니다. 에너지 스펙트럼과 함께 처음으로 구성 요소에 의해 식별 될 단계의 요소를 결정한 다음 위상 EBSP 패턴을 수집합니다. 이러한 요소로 형성 될 수있는 모든 물체는 패턴에 대해 보정되며 패턴과 정확히 일치하는 위상 만 식별 된 위상입니다 (그림 6 참조). EBSD의 위상 식별 원리는 TEM 및 X- 선 회절의 위상 식별. EBSD는 주로 위상을 확인하기위한 결정면 간의 각도에 기반합니다. EBSP는 약 70 °의 결정 방향 정보를 포함하고 TEM은 위상을 식별하기 위해 면간 간격과 결정 각을 기반으로하며, X 선은 면간 거리를 기반으로합니다 간격 및 각 결정면의 상대 회절 강도를 이용하여 위상을 식별한다. X 선이 면간 간격을 정확하게 측정 할 수 있으므로 X 선 위상 식별에는 위상 구성에 대한 사전 지식이 필요하지 않습니다. 그리고 EBSD와 TEM의 결정면 간 간격 오류가 더 큰 경우 먼저 식별 할 위상 성분을 결정하고 후보 범위를 좁혀 야합니다. 그러나 세 가지 회절 법은 특정 결정면의 회절면에서 동일하다. 즉, 결정면의 구조 인자가 0이 아니어야한다. 그림 6. AlN과 Cr23C6 스테인레스 강의 EBSP 및 교정 결과 3. 3 EBSD 변형 분포 측정 방법 3.3.1 EBSD 패턴 품질 도표 EBSD에서 각 회절 패턴은 그 선명도에 기반한 패턴 품질 값으로 표현되고 매핑에 사용될 수 있습니다. 밝은 점은 높은 패턴 품질에 해당하고 어두운 점은 낮은 패턴 품질에 해당합니다. 낮은 품질은 격자가 완전하지 않다는 것을 의미하며 많은 결함과 다른 전위가 있습니다. 패턴 품질 맵법은 단일 결정립 내의 변형률 분포의 측정에 적합하고, 상이한 결정 방위를 갖는 개별적인 결정립 또는 상이한 상 사이의 변형률 분포의 결정에 적합하지 않다. 왜냐하면 변형 입자 또는 상이한 결정이 없더라도 방향성은 각각 다른 패턴 품질 값을 갖는다 .3.3.2 입자 경계 분포 변형 영역은 많은 수의 저각 입계 (예 : 2 ° ~ 10 °의 불일치 정도를 갖는 입계)를 갖는다. 3 국부적 불일치 맵 고 각도 입계 (예 :> 5 ° 입계)를 고려하여 각 측정점과 인접한 8 개의 인접한 이웃 사이의 불일치 각도의 평균을 계산할 때, 국부 변형률 변화를 고려하지 않습니다. 결정립 크기 .3.3.4 과립 간 불일치 도표 각 결정립 내에서, 불일치 각도 구배가 가장 작은 점 (즉, 최소 변형량)이 계산됩니다. 이 점의 방위를 기준 방위로 취하여이 점에 대한 결정의 다른 모든 점의 불일치 각도가 계산됩니다. 이 플롯은 가장 변형 된 입자를 명확하게 보여줍니다 ..3.3.5 등가 변형률 다이어그램 각 입자 내에서 배향 분포를 계산하고 입자 크기에 따라 특정 무게를 부여합니다. 그런 다음 평활 계수를 사용하여 전체 영역의 등압 분포를 평활화하여 높은 변형률 영역을 강조 표시합니다 (그림 7 참조). 그림 7 균열 근처의 변형률 분포 3.4 입자 경계 특성 각 결정립의 결정 학적 결정 입자 간 미스 매치 (mismatch angle)를 용이하게 계산하여 큰 각 입자 경계, 작은 각 입자 경계 및 작은 입자 경계 등을 구별 할 수 있으며, 일치 격자 모델 (CSL 's)에 따라 연구 될 수있다. 결정립 경계는 응집성 결정립계이다. Σ3, Σ9, Σ27 및 다른 일치 격자 격자 경계는 일반적으로 쌍둥이 경계입니다. 또한, 다양한 불일치 각도가 연구 될 수있다 .3.5 격자 상수 결정 키쿠치 구역의 폭을 측정함으로써, 대응하는 결정 평면의 면간 간격이 계산 될 수있다. 각 Kikuchi 밴드의 가장자리는 두 쌍곡선과 동일하므로 Kikuchi 밴드의 다른 위치에서 측정 된 너비 값이 다릅니다. Kikuchi는 일반적으로 결정 간격을 계산하기 위해 가장 좁은 밴드 폭에서 측정해야합니다. 측정 과정의 오류로 인해 EBSD에 의해 평면 사이의 거리를 측정하는 오차는 일반적으로 약 1.5 %입니다. 그러므로 EBSD는 격자 상수를 측정하는 특별한 방법이 아닙니다. 위의 용도 외에도 EBSD는 서로 다른 샘플의 결정 입자 방향을 정확하게 결정할 수 있습니다. 금속 조직 방법으로 시료 입자를 측정하기 어려운 경우 시료의 입자 결정 분포와 입자 분포를 EBSD로 측정 할 수 있습니다. 결론 EBSD (전자 후방 산란 회절) 기술은 매우 성숙되었으며 미세 텍스처, 방향, 서식처 표면 및 위상 식별, 변형 분포, 결정립 경계 특성 및 격자 상수에 널리 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 X- 선 회절과 비교할 때, TEM에서 선택된 전자 회절은 그 자체의 특성을 가지고 있습니다. 특히 주 사형 전자 현미경에 장착 된 경우, 전자 현미경 검사는 포괄적 인 분석 장비로서 형태학 관찰, 구조 분석 및 조성 결정 (에너지 스펙트럼 및 분광법 사용)의 기능을 보유합니다.
출처 : Meeyou Carbide