1.前言

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電子背散射衍射（EBSD）的歷史應(yīng)追朔至1928年Kikuchi在透射電鏡中觀察到的條帶狀衍射花樣，即菊池線，不過這種菊池線是透射電子形成的。直到1954 年，Alam，Blackman和Pashley同樣利用透射電鏡，用膠片記錄了解理LiF，KI，NaCl，PbS2晶體的大角度菊池花樣，這是第一次嚴(yán)格意義上的電子背散射衍射。1973年，Venables和Harland在掃描電鏡上用電子背散射衍射花樣對(duì)材料進(jìn)行晶體學(xué)研究，開辟了 EBSD 在材料科學(xué)方面的應(yīng)用。20 世紀(jì) 80 年代后期， Dingley 使用熒光屏和電視相機(jī)接收與采集電子背散射衍射花樣。20 世紀(jì) 90 年代，實(shí)現(xiàn)了花樣的自動(dòng)標(biāo)定。隨著數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)和軟件的快速發(fā)展，現(xiàn)在的商品 EBSD 實(shí)現(xiàn)了從花樣的接收、采集到標(biāo)定完全自動(dòng)化。每秒能獲得多于 100 幀的菊池花樣及標(biāo)定結(jié)果，廣泛用于地質(zhì)、微電子學(xué)、材料科學(xué)等方面。

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2.EBSD 的形成原理及其包含的物理含義

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電子背散射衍射儀一般安裝在掃描電鏡或電子探針上。樣品表面與水平面呈 70° 左右。當(dāng)入射電子束進(jìn)入樣品后，會(huì)受到樣品內(nèi)原子的散射，其中有相當(dāng)部分的電子因散射角大逃出樣品表面，這部分電子稱為背散射電子。背散射電子在離開樣品的過程中與樣品某晶面族滿足布拉格衍射條件 2dsinθ =λ 的那部分電子會(huì)發(fā)生衍射，形成兩個(gè)頂點(diǎn)為散射點(diǎn)、與該晶面族垂直的兩個(gè)圓錐面，兩個(gè)圓錐面與接收屏交截后形成一條亮帶，即菊池帶。每條菊池帶的中心線相當(dāng)于發(fā)生布拉格衍射的晶面從樣品上電子的散射點(diǎn)擴(kuò)展后與接收屏的交截線，如圖 1 所示。一幅電子背散射衍射圖稱為一張電子背散射衍射花樣（EBSP）。一張EBSP 往往包含多根菊池帶。接收屏接收到的 EBSP 經(jīng) CCD 數(shù)碼相機(jī)數(shù)字化后傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行標(biāo)定與計(jì)算。值得指出的是， EBSP 來自于樣品表面約幾十納米深度的一個(gè)薄層。更深處的電子盡管也可能發(fā)生布拉格衍射，但在進(jìn)一步離開樣品表面的過程中可能再次被原子散射而改變運(yùn)動(dòng)方向，最終成為 EBSP 的背底。因此，電子背散射衍射是一種表面分析手段。其次，樣品之所以傾斜 70° 左右是因?yàn)閮A斜角越大，背散射電子越多，形成的 EBSP 花樣越強(qiáng)。但過大的傾斜角會(huì)導(dǎo)致電子束在樣品表面定位不準(zhǔn)，降低在樣 品表面的空間分辨率等負(fù)面效果，故現(xiàn)在的 EBSD 都將樣品傾斜 70° 左右。

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圖 1 EBSD 的形成原理

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電子背散射衍射花樣包含 4 個(gè)與樣品有關(guān)的信息：晶體對(duì)稱性信息；晶體取向信息；晶體完整性信息；晶格常數(shù)信息。圖 2 為作者獲得的一張典型 EBSP花樣。花樣上包含若干與不同晶面族對(duì)應(yīng)的菊池帶。

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只有結(jié)構(gòu)因子不為零的晶面族才會(huì)發(fā)生布拉格衍射形成菊池帶，而結(jié)構(gòu)因子為零的晶面族由于衍射強(qiáng)度為零而不形成菊池帶。不同的菊池帶相交形成菊池極。由于菊池帶與晶面族相對(duì)應(yīng)，故菊池極相當(dāng)于各相交菊池帶所對(duì)應(yīng)各晶面族的共有方向，即晶帶軸方向。從圖 2 可以看出，菊池極具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性與晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性直接相關(guān)。具體地說，相當(dāng)于相應(yīng)晶帶軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性加上了中心對(duì)稱性即 2 次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。如立方晶體[111]方向?yàn)槿涡D(zhuǎn)對(duì)稱，而 EBSP 花樣上[111]菊池極呈 6 次對(duì)稱。晶體結(jié)構(gòu)依對(duì)稱性可分為 230 種空間群。由布拉格衍射形成的電子背散射衍射花樣不能區(qū)分空間群中的平稱操作分量，同時(shí)由于（h,k,l）與（-h,-k,-l）的結(jié)構(gòu)因子相同，衍射強(qiáng)度相同而引入了二次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，故 EBSP 不能區(qū)分 32 種點(diǎn)群，只能區(qū)分其中具有二次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的11種勞厄群。換句話說， EBSP 花樣只可能具有 11 種不同的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。

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圖 2 Ni的典型 EBSP 花樣

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如前所述，每條菊池帶的中心線相當(dāng)于樣品上受電子束照射處相應(yīng)晶面擴(kuò)展后與接收屏的交截線，每個(gè)菊池極相當(dāng)于電子束照射處相應(yīng)晶面延長(zhǎng)后與接收屏交截形成的，因此， EBSP 包含了樣品的晶體學(xué)取向信息。在樣品的安放、入射電子束位置、接收屏三者的幾何位置已知的情況下，可以采用單菊池極或三菊池極法計(jì)算出樣品的晶體學(xué)取向。

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晶格的完整性與 EBSP 花樣質(zhì)量有明顯的關(guān)系。晶格完整時(shí)，形成的 EBSP 花樣中菊池帶邊緣明銳，甚至可觀察到高階衍射（如圖2）；晶格經(jīng)受嚴(yán)重變形導(dǎo)致晶格扭曲、畸變，存在大量位錯(cuò)等缺陷時(shí)，形成的菊池帶邊緣模糊、漫散（如圖3）。究其原因是因?yàn)榫粘貛в刹祭裱苌湫纬桑从车氖窃又芷谛耘帕行畔?，晶體越完整，布拉格衍射強(qiáng)度越高，形成的菊池帶邊緣越明銳。?

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圖 3 變形鈦合金的 EBSP 花樣

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從圖 1 可以看出，菊池帶寬度 W 與相應(yīng)晶面族晶面間距 d 間有如下關(guān)系：

W=R·θ （1）

λ=2dsinθ （2）

其中 R 為接收屏上菊池帶與樣品上電子束入射點(diǎn)之間的距離，λ為入射電子束的波長(zhǎng)。

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3.EBSD 在材料研究中的應(yīng)用

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3.1 晶粒取向、晶粒取向分布（微區(qū)織構(gòu)）、取向關(guān)系及慣習(xí)面測(cè)定等

EBSD熒光屏接收到的花樣經(jīng) CCD 數(shù)碼相機(jī)采集后傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將花樣進(jìn)行 Hough 變換以探測(cè)各菊池帶的位置，并計(jì)算菊池帶間的夾角，然后與產(chǎn)生該花樣相的各晶面夾角理論值進(jìn)行比較，從而對(duì)各菊池帶和菊池極加以標(biāo)定。圖 4 為一張已標(biāo)定的EBSP花樣。圖中“十”表示接收熒光屏中心，即電子束在樣品上的入射位置與接收熒光屏垂線在熒光屏上的交點(diǎn)。如果已知電子束在樣品上的入射位置與熒光屏的垂直距離，就可以用單菊池極或三菊池極法計(jì)算出晶粒的晶體學(xué)取向。通過仔細(xì)地設(shè)定測(cè)試條件，EBSD測(cè)定晶體取向的絕對(duì)準(zhǔn)確度可以達(dá)到≤0.25°。若電子束在樣品上每隔一定距離作一點(diǎn)的 EBSP 花樣，在樣品表面一定面積上作mapping，可以測(cè)定多晶樣品中各晶粒的取向，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以測(cè)定晶體取向的統(tǒng)計(jì)分布——即織構(gòu)。由于 CCD 相機(jī)、計(jì)算機(jī)和軟件的快速發(fā)展，新型 EBSD 可以以極快的速度測(cè)定 EBSP 花樣并給出晶粒的取向結(jié)果。如英國(guó)牛津公司的 Crystal 每秒可采集多于 100 幀的 EBSP 花樣并給出取向結(jié)果。在樣品的一個(gè)視場(chǎng)最多可測(cè)定512×384個(gè)點(diǎn)的取向。通過改變放大倍數(shù)， 可測(cè)定樣品上從 mm2至μm2 面積上的織構(gòu)。 EBSD 的空間分辨率一般為 0.5μm 左右，若安裝在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上時(shí)，空間分辨率可以小于10 nm。因此，用 EBSD 可以測(cè)定 nm 晶粒的取向。在高放大倍數(shù)下測(cè)定的織構(gòu)常被稱為微區(qū)織構(gòu)。同時(shí)， EBSD 也可用于測(cè)定大面積的宏觀織構(gòu)。一般是在低放大倍數(shù)下測(cè)定鄰近區(qū)域的織構(gòu)后，用蒙太奇方法將不同區(qū)域拼接起來獲得大面積的織構(gòu)。如HKL公司的 CHANNAL5 在電鏡自動(dòng)樣品臺(tái)配合下可測(cè)定20 mm×20 mm 范圍的織構(gòu)。

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圖 4 已標(biāo)定的 Ni 的 EBSP 花樣

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EBSD測(cè)定的織構(gòu)可以用多種形式表達(dá)出來，如極圖、反極圖、 ODF 等（見圖 5）。同 X-ray 衍射測(cè)織構(gòu)相比， EBSD 具有能測(cè)微區(qū)織構(gòu)、選區(qū)織構(gòu)并將晶粒形貌與晶粒取向直接對(duì)應(yīng)起來的優(yōu)點(diǎn)。另外， X 射線測(cè)織構(gòu)是通過測(cè)定衍射強(qiáng)度后反推出晶粒取向情況，計(jì)算精確度受選用的計(jì)算模型、各種參數(shù)設(shè)置的影響，一般測(cè)出的織構(gòu)與實(shí)際情況偏差 15%以上。而EBSD 通過測(cè)定各晶粒的絕對(duì)取向后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來測(cè)定織構(gòu)， 可以認(rèn)為 EBSD 是目前測(cè)定織構(gòu)最準(zhǔn)確的手段。當(dāng)然與 X-ray 比， EBSD 存在制樣麻煩等缺點(diǎn)。

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用 EBSD 同時(shí)測(cè)定兩個(gè)相的晶體學(xué)取向時(shí)，可以確定兩個(gè)相之間的晶體學(xué)關(guān)系。為了確定兩相間的晶體學(xué)關(guān)系，一般需要測(cè)定 30 處以上兩相各自的晶體學(xué)取向。并將所有測(cè)定結(jié)果同時(shí)投影在同一極射赤面投影圖上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，才能確立兩相間的晶體學(xué)關(guān)系。與透射電鏡和 X-ray 相比，采用 EBSD 測(cè)定兩相間晶體學(xué)取向關(guān)系具有顯著的優(yōu)越性。用于 EBSD 測(cè)試的樣品表面平整、均勻，可以方便地找到 30 個(gè)以上兩相共存的位置。同時(shí)晶粒取向可以用軟件自動(dòng)計(jì)算。而透射電鏡由于樣品薄區(qū)小的關(guān)系，難于在同一樣品上找到 30 個(gè)以上兩相共存位置。另外，其晶粒取向需手動(dòng)計(jì)算。 X-ray 一般由于沒有成像裝置，難于準(zhǔn)確將X-ray 定位在所測(cè)定的位置上，當(dāng)相尺寸細(xì)小時(shí)，采用 X-ray 難于確定相間晶體學(xué)關(guān)系。?

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圖 5 高純 Ni 基帶的極圖和反極圖

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另外，當(dāng)?shù)诙嗯c基體間的慣習(xí)面、孿生面、滑移面等在樣品表面留下跡線，尤其在兩個(gè)以上晶粒表面留下跡線時(shí)，可以采用 EBSD 確定這些面的晶體學(xué)指數(shù)。

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3.2 物相鑒定

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EBSD 用于物相鑒定是 1999 年后 CCD 數(shù)碼相機(jī)發(fā)展的結(jié)果。物相鑒定要求相機(jī)具有足夠多的灰度級(jí)數(shù)和足夠高的空間分辨率，以便能探測(cè)到強(qiáng)度很弱的菊池線?，F(xiàn)在的 CCD 相機(jī)一般具有 12bit 灰度，即即 212級(jí)灰度，且空間分辨率能達(dá)1300×1024，能滿足物相鑒定的要求。用 EBSD 鑒定物相必需借助能譜 EDS 的幫助。一般先用能譜測(cè)定出待鑒定物相由哪些元素組成，然后采集該相的 EBSP 花樣。用這些元素可能形成的所有物相對(duì)花樣進(jìn)行標(biāo)定，只有完全與花樣相符合的物相才是所鑒定的物相（見圖 6）。

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需要指出的是 EBSD 的物相鑒定與 TEM 和 X-ray 衍射進(jìn)行物相鑒定的原理是不同的。 EBSD 主要是根據(jù)晶面間的夾角來鑒定物相，因?yàn)橐粡?EBSP 上包含約 70°范圍內(nèi)的晶體取向信息，而 TEM 則是依據(jù)晶面間距及晶面夾角來鑒定物相， X-ray 是根據(jù)晶面間距和各晶面相對(duì)衍射強(qiáng)度來鑒定物相。由于 X-ray 能準(zhǔn)確測(cè)定晶面間距，故 X-ray 進(jìn)行物相鑒定不需要事先知道物相成分；而 EBSD 和 TEM 在測(cè)定晶面間距方面誤差較大，必需先測(cè)定出待鑒定相成分以縮小候選范圍。盡管如此， 3 種衍射手段關(guān)于某一晶面是否發(fā)生衍射的條件方面是相同的，即該晶面的結(jié)構(gòu)因子必需不為零。?

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圖 6 不銹鋼中 AlN 和 Cr23C6 的 EBSP 及其標(biāo)定結(jié)果

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3.3 EBSD 應(yīng)變分布測(cè)定方法

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3.3.1 EBSD 花樣質(zhì)量圖法

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在 EBSD 中，每一張衍射花樣根據(jù)其明銳程度用一花樣質(zhì)量數(shù)值來表示，且可用于作圖。明亮的點(diǎn)對(duì)應(yīng)高花樣質(zhì)量，暗的點(diǎn)對(duì)應(yīng)低花樣質(zhì)量。低花樣質(zhì)量意味著晶格不完整，存在大量位錯(cuò)等缺陷?；淤|(zhì)量圖法適合于單個(gè)晶粒內(nèi)應(yīng)變分布的測(cè)量，不適合于具有不同晶體取向的各個(gè)晶?；虿煌嘀g應(yīng)變分布的測(cè)定，因?yàn)榧词共淮嬖趹?yīng)變，不同晶體取向的晶?；虿煌嗑哂胁煌幕淤|(zhì)量數(shù)值。

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3.3.2 晶界分布圖

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其依據(jù)是變形區(qū)具有大量的低角度晶界（如錯(cuò)配度為2°~10°的晶界）。

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3.3.3 局部錯(cuò)配圖

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計(jì)算每個(gè)測(cè)量點(diǎn)與其周圍 8 個(gè)近鄰間錯(cuò)配角的平均值，計(jì)算時(shí)不考慮高角度晶界（例如>5°的晶界）這種圖能突出局部應(yīng)變變化，而與晶粒尺寸無關(guān)。

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3.3.4 晶內(nèi)錯(cuò)配圖

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在每個(gè)晶粒內(nèi)，計(jì)算出錯(cuò)配角梯度最小的點(diǎn)（即變形最小的點(diǎn)）。以此點(diǎn)的取向作為參考取向，計(jì)算出晶內(nèi)所有其它點(diǎn)相對(duì)于此點(diǎn)的錯(cuò)配角。這種圖能清楚地顯示應(yīng)變最大的晶粒。

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3.3.5 等應(yīng)變圖

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計(jì)算每一晶粒內(nèi)的取向分布，并根據(jù)晶粒尺寸給予一定權(quán)重。然后，用一平滑因子加以平滑，得到整個(gè)區(qū)域的等應(yīng)變分布圖，這種圖能突出高應(yīng)變區(qū)（見圖 7）。

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圖 7 裂紋附近應(yīng)變分布

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3.4 晶界性質(zhì)研究

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在測(cè)定各晶粒晶體學(xué)取向的情況下，可以方便地計(jì)算出晶粒間錯(cuò)配角，區(qū)分大角度晶界、小角度晶界、亞晶界等，并能根據(jù)重合點(diǎn)陣模型（CSL’s）研究晶界是否為共格晶界。如∑3，∑9，∑27 等重合點(diǎn)陣晶界一般為孿晶界。此外，可以研究各種錯(cuò)配角所占比例。

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3.5 晶格常數(shù)測(cè)定

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通過測(cè)量菊池帶寬度，可以計(jì)算出相應(yīng)晶面族的晶面間距。需要指出的是，每條菊池帶的邊緣相當(dāng)于兩根雙曲線，因此在菊池帶不同位置測(cè)得的寬度值不同。一般應(yīng)測(cè)菊池帶上最窄處的寬度值來計(jì)算晶面間距。由于測(cè)量過程中存在誤差，用 EBSD 測(cè)晶面間距誤差一般達(dá)1.5%左右。故 EBSD 并不是測(cè)量晶格常數(shù)的專門方法。

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除上述用途外，由于 EBSD 能準(zhǔn)確測(cè)定不同晶粒晶向，在金相法等測(cè)定樣品晶粒有困難的情況下，可用 EBSD 測(cè)定樣品中晶粒的真實(shí)分布及晶粒尺寸的分布情況。

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4.結(jié)語

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電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)目前已很成熟，可廣泛用于晶粒取向、微區(qū)織構(gòu)、取向關(guān)系、慣習(xí)面測(cè)定及物相鑒定、應(yīng)變分布測(cè)定、晶界性質(zhì)研究和晶格常數(shù)等測(cè)定。與常用的 X-ray 衍射、 TEM 中的選區(qū)電子衍射相比具有其自身的特點(diǎn)。尤其是安裝在掃描電鏡上時(shí)，使掃描電鏡具有形貌觀察、結(jié)構(gòu)分析和成分測(cè)定（配備能譜和波譜）的功能，成為一種綜合分析儀器。

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