13.4. Образование изображения кристаллических структур

13.4.1. Образование изображения тонких кристаллов

Для кристаллов, как и для аморфных материалов, приближение фазового объекта можно использовать при достаточно малых толщинах образца. Наиболее интересными будут условия, при которых падающий пучок параллелен главной оси кристалла, поскольку при этом проектируемый потенциал будет кратным проектируемому потенциалу для одной элементарной ячейки и оказывается возможным с достаточным разрешением наблюдать непосредственно кристаллическую структуру.

Конечно, в этом случае изменения проектируемой потенциальной функции и фазы электронной волны будут много больше, чем для аморфных материалов, поскольку пучок проходит через целый ряд атомов либо не будет пересекать ни одного атома. Следовательно, можно ожидать, что для очень малых толщин приближение слабофазового объекта окажется недостаточным.

Тем не менее изображения, полученные при условиях оптимальной дефокусировки, выведенных для слабофазовых объектов, дают очень хорошее представление о расположении атомов в кристаллах. Уеда и др. [378] получили изображения тонких кристаллов Cu-гексадекахлорофталоцианина, показывающие очертания отдельных молекул в проекции. Еще более удивительно изображение тонкого кристалла (фиг. 13.4, а), полученное при недофокусировке порядка 900 А и падающем пучке, параллельном направлению короткой оси ромбической элементарной ячейки [225]. Сравнение с фиг. 13.4, б показывает прекрасную корреляцию между темными пятнами изображения и положениями металлических атомов. Положению, где находится один атом на элементарную ячейку, соответствует серое пятно. Если на проекции лежат близко два атома, на изображении наблюдается более темное пятно. Ясно очерченная конфигурация из двух рядов, состоящих из трех белых пятен, соответствует характерному расположению шести положений в решетке, не занятых атомами металла.

Для получения таких картин, которые можно интерпретировать как изображения кристаллических структур, следует соблюсти некоторые условия [100]. Падающий пучок должен быть направлен вдоль главной оси кристалла с точностью до долей градуса, что достигается использованием прецизионной гониометрической приставки для образцов. Толщина кристалла не должна превышать 100—200 А (некоторые исключения приведены ниже). Микроскоп должен быть недофокусирован на величину, приблизительно равную оптимальной дефокусировке для слабофазового объекта (в данном случае 900 А). Отклонения фокусного расстояния на величину свыше

Фиг. 13.5. Изображение с высоким разрешением части кристалла толщиной около 800 А, на котором отчетливо видна структура как совершенных областей, так и областей с дефектами.

200 А от этого оптимального значения приводят к изображениям, которые слабо или совсем не соответствуют структуре объекта.

Подобные результаты были получены для большого числа близких систем оксидов, образованных лежащими рядом прямоугольными блоками металлокислородных октаэдров, образующих конфигурацию, подобную структурам типа включая различные оксиды титана и ниобия и оксид [226], а также некоторые оксиды ниобия и вольфрама и другие, обладающие сверхструктурами, основанными на структуре типа вольфрамовой бронзы [228, 2291 (см. фиг. 13.6).

Этот метод также успешно был использован для изучения других оксидов и минералов [46,227].

На фиг. 13.5 ясно разрешаются также и некоторые дефекты кристаллической структуры. Это наблюдение подчеркивает тот факт, что отдельные атомные группы кристаллической структуры с большой элементарной ячейкой дают почти такое же изображение, как и любая изолированная группа атомов, не образующая кристалла.

Для этих образцов электроны, выходящие из участка образца, ширина которого равна пределу разрешения, будут рассеиваться лишь колонками атомов, лежащих непосредственно над этим

участком. Кроме того, изображение, создаваемое этими электронами на фотопластинке, не включает интерференции с электронами, создающими любую другую область изображения. Следовательно, атомы правильной кристаллической решетки и атомы в дефектных участках будут изображаться одинаково четко.

Фиг. 13.6. (см. скан) Электронно-микроскопические изображения с высоким разрешением кристаллической структуры ниобиево вольфрамового оксида с тетрагональной структурой типа вольфрамовой бронзы. В части схематическое изображение содержимого элементарной ячейки наложено на ее электронно-микроскопическое изображение, чтобы показать их совпадение. Черные точки представляют линии атомов металла и кислорода, лежащих внутри пятиугольных каналов, проходящих сквозь структуру.

Таким образом, получение изображений кристаллов с большим разрешением предоставляет большие возможности для изучения структур и дефектов более сложных стабильных кристаллов. В то же время широкие исследования с меньшим разрешением, особенно исследования Олпресса и его сотрудников (см. [2]), дали важную информацию относительно принципов упорядочения и процессов, происходящих в нестехиометрических системах оксидов.

Остается задача дать способ расчета наблюдаемого контраста таких изображений. Требование, согласно которому размытие дифракционной картины Френеля от волны должно быть меньше, чем разрешимое расстояние, удовлетворяется в том смысле, что толщины кристаллов согласуются с требованиями выражения (13.2). Однако условие, согласно которому явно не удовлетворяется, поскольку, как показывает расчет, для тех кристаллов, изображения которых показаны на фиг. 13.4-13.6, разница в значениях для точек, находящихся в нескольких ангстремах друг от друга, может быть или больше.