EBSD技术原理及系统构成
ebsd
x
x0
2
y
y0
2
D
1
2
x y
x0 y0
M
cr be
h2
k2Leabharlann l21 2h
k
D
l
式中， Mcr→be是衍射放大矩阵，-1/2是对 长度归一化处理。通过屏幕上3已知的晶 带轴晶向指数和他们在屏幕上的3组坐标 求出Mcr→be。最终取向矩阵是以上两个的 乘积：g M besa • M crbe
2) 选区电子通道花样： 微区范围 10 -15 um 产生花样的区域1-3mm
电子通道花样的标定
L—末级透镜至晶体表面的距离 M—花样放大倍数 W—荧光屏上某衬度带的宽度
EBSD技术
EBSD技术
EBSD技术相关原理 EBSD应用及数据处理
电子背散射衍射分析技术
基于扫描电镜（SEM）中电子束在倾斜 样品表面激发出并形成的衍射菊池带的 分析从而确定晶体结构、取向及相关信 息的方法。
[u1v1w1][u2v2w2][u3v3w3]
量出3晶带轴与屏幕中心的距离并算出对应的 角度，在计算它们与投影面法线的夹角关系， 从而求出样品法向指数[hkl]
cos1
u1h v1k +w1l u12 v12 w12 • h2 k 2 l 2
cos2
u2h v2k +w2l u22 v22 w22 • h2 k 2 l 2
EBSD的工作原理、结构及操作
1.电子背散射衍射分析技术(EBSD/EBSP)简介20世纪90年代以来，装配在SEM上的电子背散射花样(Electron Back-scatt ering Patterns，简称EBSP)晶体微区取向和晶体结构的分析技术取得了较大的发展，并已在材料微观组织结构及微织构表征中广泛应用。
该技术也被称为电子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction，简称EBSD)或取向成像显微技术(O rientation Imaging Microscopy，简称OIM) 等。
EBSD的主要特点是在保留扫描电子显微镜的常规特点的同时进行空间分辨率亚微米级的衍射（给出结晶学的数据）。
EBSD改变了以往织构分析的方法，并形成了全新的科学领域，称为“显微织构”—将显微组织和晶体学分析相结合。
与“显微织构”密切联系的是应用EBS D进行相分析、获得界面（晶界）参数和检测塑性应变。
目前，EBSD技术已经能够实现全自动采集微区取向信息，样品制备较简单，数据采集速度快(能达到约36万点/小时甚至更快)，分辨率高(空间分辨率和角分辨率能分别达到0.1m和0.5m)，为快速高效的定量统计研究材料的微观组织结构和织构奠定了基础，因此已成为材料研究中一种有效的分析手段。
目前EBSD技术的应用领域集中于多种多晶体材料—工业生产的金属和合金、陶瓷、半导体、超导体、矿石—以研究各种现象，如热机械处理过程、塑性变形过程、与取向关系有关的性能（成型性、磁性等）、界面性能（腐蚀、裂纹、热裂等）、相鉴定等。
2.EBSD系统的组成与工作原理图1 EBSD系统的构成及工作原理系统设备的基本要求是一台扫描电子显微镜和一套EBSD系统。
EBSD采集的硬件部分通常包括一台灵敏的CCD摄像仪和一套用来花样平均化和扣除背底的图象处理系统。
图1是EBSD系统的构成及工作原理。
在扫描电子显微镜中得到一张电子背散射衍射花样的基本操作是简单的。
ebsd分析
ebsd分析标题：电子束扫描电镜（EBSD）分析技术及其应用摘要：电子束扫描电镜（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）技术是一种先进的材料分析方法，通过使用电子束与材料进行相互作用，可以获得非常精细的微观结构和晶粒取向信息。
本文将介绍EBSD分析技术的基本原理、仪器设备和应用领域，以及其在材料科学、金属学、地质学等领域的研究和应用情况。
一、引言随着科学技术的不断发展，材料科学领域对于微观结构和晶体取向的研究需求也越来越高。
电子束扫描电镜（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）分析技术作为一种强大的工具，广泛应用于材料科学、金属学、地质学等多个领域，并取得了显著的研究成果。
二、EBSD分析技术的基本原理EBSD技术是通过在电子束与材料之间的相互作用中获得微观结构和晶粒取向信息的一种方法。
通常在电镜中加入一个称为EBSD探测器的装置，用于收集材料中散射的电子，并将其转换为位相信号。
在电镜中，电子束可以与材料发生弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指电子束与材料中的原子核或电子云发生相互作用，并改变其传播方向，而非弹性散射则是指电子束与材料中的物质发生相互作用，如发生能量损失或多普勒效应等。
通过分析这些散射的电子，可以获取材料的晶粒取向信息和微观结构。
三、EBSD分析技术的仪器设备EBSD分析需要使用电子束扫描电镜（SEM）和EBSD探测器等设备。
SEM通过向样品表面精确聚焦电子束，可以获得样品的表面形貌信息。
EBSD探测器则将散射的电子转化为位相信号，并通过相关的软件进行数据分析和处理。
同时，为了获得更准确的分析结果，还需要对样品进行制备，如打磨、镀膜等。
四、EBSD在材料科学中的应用EBSD分析技术在材料科学中有广泛的应用。
首先，它可以用于确定材料的微观组织特征，如晶粒形貌、晶粒大小、晶界分布等。
这对于材料性能的研究和优化具有重要意义。
EBSD技术原理及系统构成
EBSD技术原理及系统
康
伟
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EBSD —— 扫描电镜附件之一
• 安装于电子显微镜 （场 发射或钨灯丝电镜）或者 电子探针上的EBSD系统 示意图 • 一般来说，EBSD探头垂 至于电子束光轴和样品台 倾斜轴安装
(100)
(100)
(110)
(111)
通过分析EBSP花样我们可以反过来推出电子束照射点的晶体学取向 The Business of Science™
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即使花样相似，仍然 可以根据由带宽、带 间夹角计算得到的晶 面间距的细微差别来 鉴别
晶体学－微观结构表征
七大晶系,14种点阵,晶带轴,晶面族…… 空间群,Laue群,Wyckoff formulae… 极图,反极图,取向差分布图……
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取向差及表征
两个晶体坐标系之间的关系 – crystal coordinate system for crystal 1 (CCS1) – crystal coordinate system for crystal 2 (CCS2)
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EBSPs 的产生机理
EBSD的工作原理结构及操作
EBSD的工作原理结构及操作EBSD全称为电子背散射衍射（Electron BackscatterDiffraction），是一种通过分析电子背散射衍射模式来获取材料晶体结构信息的技术。
它有效地结合了电子显微镜和X射线衍射的优点，具有高分辨率、低损伤、大尺寸范围和材料相组成信息等特点。
EBSD的工作原理基于电子束的相互作用和散射行为。
当电子束照射到材料表面时，一部分电子通过弹性散射返回到探测器上，形成背散射衍射图样。
这些电子经历了物理、电子和磁场散射，产生了衍射纹样。
EBSD通过分析和解释这些衍射图样，可以获取材料的晶体结构信息和晶体取向。
EBSD的结构主要包括电子显微镜、电子束激发系统、电子背散射检测系统和计算机数据处理系统。
电子显微镜是EBSD系统的主要部件，它提供高分辨率的成像功能和电子束对材料表面的激发。
电子束激发系统产生高能量的电子束并控制其扫描方向和扫描速度。
电子背散射检测系统用于收集和记录背散射衍射图样，它一般包括光学显微镜、背散射探测器和互动器。
计算机数据处理系统对采集到的衍射图样进行处理、解析和分析，得到所需的晶体结构和取向信息。
EBSD的操作步骤一般包括样品制备、样品放置和显微镜调整、样品扫描和收集衍射图样、数据处理和分析。
在样品制备方面，需要把材料切割成薄片、抛光并清洁表面。
将样品放入电子显微镜的样品台上，并调整显微镜的对焦、放大倍数、对比度等参数，以获得清晰的图像。
接下来，在适当的电子束参数下，对样品进行扫描，收集并记录背散射衍射图样。
最后，利用计算机软件对收集到的图样进行处理和分析，提取出材料的晶体结构信息和取向数据。
EBSD广泛应用于材料科学、凝聚态物理、地质学、金属学等领域。
在材料科学中，EBSD可以用于研究材料的微观结构、晶粒取向、晶体成长等问题。
在地质学中，EBSD用于分析和解释岩石、矿物的晶体结构和成因。
在金属学中，EBSD可以用于评估金属的晶体取向、应力状态和组织演变等。
EBSD技术及其应用
EBSD技术及其应用EBSD 即电子背散射衍射(菊池衍射) ,是采用在扫描电子显微镜中的背散射电子衍射菊池线的结晶方位分析方法。
EBSD 技术在研究显微组织的结晶学特征方面已经成为一个强有力的工具。
显微组织和结晶学传统分析方法有光学显微镜OM ,扫描电镜SEM 及以SEM 为基础的选区电子通道花样SAC ,X射线衍射,透射电镜TEM。
与传统的分析技术相比,EBSD 有几大优点: ①将显微组织与结晶学之间直接联系起来; ②能快速和准确地得到晶体空间组元的大量信息; ③能以比较广泛的范围选择任意视野。
装备有EBSD 附件的扫描电子显微镜SEM ,可以对块状样品在亚微米级尺度内进行晶体结构分析,如晶体取向、晶界特性分析、真实晶粒尺寸测量、断裂机制、失效机理研究和应变评估等。
1．EBSD的原理入射电子束在晶体中发生非弹性散射,在入射点附近发散成为一个点源,由于其能量损失很少,电子的波长可认为基本不变,这些电子在反向出射时与晶体产生布拉格衍射(电子背散射衍射) ,出现一些线状花样,称为菊池线。
菊池线敏感于晶体取向,是晶体结构的重要衍射信息,不同晶面的衍射菊池线组成电子背散射衍射花样( EBSP),由此可以进行微结构分析。
EBSD 分析技术包括两个基本过程,一是在SEM 下获取EBSD 数据,二是根据需要将原始数据以不同方式表达出来,即将晶体结构、取向等相关数据处理成各种统计数据、图形或图像。
EBSD 分析放入样品室的样品经大角度(一般为65～70°)倾转后,入射电子束与样品表层区发生作用,在一次背散射电子与点阵面的相互作用中产生高角衍射,形成高角菊池花样(与透射电镜的透射方式下形成的菊池花样有一定差别) ,由衍射锥体组成的三维花样投射到低光度磷屏幕上,在二维屏幕上被截出相互交叉的菊池线。
菊池花样被CCD 相机接收,经过图像处理器处理(如信号放大、加和平均,背底扣除等) ,由抓取图像卡采集到计算机中,计算机通过Hough变换,自动确定菊池线的位置、宽度、强度、带间夹角,与对应的晶体学库中的理论值比较,标定出对应的晶面指数与晶带轴,并计算出所测晶粒晶体坐标系相对于样品坐标系的取向。
EBSD技术
1.菊池带宽度对应正比于衍射晶面面间距 2.不同菊池带夹角代表晶面间夹角 所以可以由此确定晶体结构以及空间位置
不同晶体取向对应不同的菊池花样
(100)
(100)
(110)
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取向标定
确定菊池带或晶带轴的晶带学指数 确定这些带或极轴相对于样品坐标系的相对 取向
指标化举例： 红线衍射晶面； 红线交点代表晶带轴
与其他方法的对比
方法 技术 空间分辨率/ 精度/(°) 应用 TEM MBED微束电子衍射 SAD选取衍射 EBSD背散射电子衍射 SAC选区通道花样衍射 Micro_Kossel Micro_Laue 汇聚束Laue {111}浸蚀坑法 浸蚀坑法 0.05 1 <1 10 10 10 100 1 20~100 0.2 5 1 0.5 0.5 2 2 5~10 >10 亚晶、形变 不均匀区、 再结晶核 亚晶 晶粒 晶粒 晶粒 粗晶 晶粒 粗晶
完整标定过程
采集花样
图像处理及 菊池带识别
与数据库进行相及取向的 对比
校对并给出标定结 果
输出相及 取向结果
样品制备
制备
1.只取向成像时可不浸蚀，直接用电解抛光样品浸 蚀；样品过重倾则转后高低不平，影响菊池花样的 质量，常用电解抛光。 2.一般的金属样品机械抛光后电解抛光； 3.脆性材料可以采用解理表面； 4.对于导电性较差的材料表面需要喷镀一层较薄的 碳膜以增加样品的导电性。 。
样品要求
1. 需要绝对取向时外观坐标系要准确，尺寸
1cm3左右 2. 样品表面没有积聚灰尘或者其他的颗粒； 3. 样品没有收到潮湿的影响； 4. 样品表面没有划痕或遭受其他严重的变形。
测定时易出现的问题
ebsd在材料研究领域的应用 -回复
ebsd在材料研究领域的应用 -回复E B S D在材料研究领域的应用引言：材料科学和工程领域一直致力于开发新材料和改进现有材料的性能，以满足社会发展和人民需求。
在这个过程中，材料的微观结构分析是至关重要的，而电子背散射衍射（E B S D）技术正是一个强大的工具。
本文将介绍E B S D技术在材料研究领域的应用，并逐步回答有关这一主题的问题。
一、什么是电子背散射衍射（E B S D）技术？电子背散射衍射技术是一种用来研究晶体结构和晶界定向的显微分析技术。
它基于从材料表面散射的电子，通过检测散射电子的角度和能量来获得材料的微观结构信息。
E B S D技术通常与扫描电子显微镜（S E M）结合使用，可以提供具有亚微米空间分辨率的晶体学信息。
二、E B S D技术的工作原理是什么？E B S D技术的工作原理可以分为以下几个步骤：1.样品制备：将研究材料切割成适当尺寸的样品，并通过抛光和腐蚀等方法使样品表面平整且清晰可见。
2. E B S D数据采集：将样品放入S E M中，并调整S E M参数以获得高质量的图像。
然后，通过在样品表面扫描一束电子束，记录电子与样品之间发生的背散射事件的信息。
3.数据处理：将采集到的电子背散射数据传输到计算机中，进行图像重建和晶界分析，从而获得样品的晶体学信息和晶界定向。
4.结果分析：根据数据处理的结果，进行晶体结构分析、晶界观察和晶格畸变分析，以得出关于材料性能和行为的结论。
三、E B S D技术在材料研究领域的应用：E B S D技术具有广泛的应用领域，下面将从材料性能和演变、微观结构表征以及材料设计和优化三个方面介绍其应用。
1.材料性能和演变研究：E B S D技术可以帮助研究人员理解材料的力学性能和变形演变过程。
通过分析晶体中的晶界定向、晶格畸变和晶体学拓扑等信息，可以研究材料的晶体成长和变形过程。
这对于开发新材料、改善材料强度和延展性非常重要。
2.微观结构表征：E B S D技术可以提供材料微观结构的详细信息，如晶体晶向、晶界分布和晶格畸变等。
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{200} {100} Body centred cubic Iron
[001] b [100] [010]
(011) {110}
[011]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a
[00 1] [101] [201] [3 11] [100] [011] [111 ] [010]
Iron EBSP
<111> is central Note: <111> has 3 fold symmetry, but is close to 6 fold.
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Angle/Axis of Rotation
• • • °<uvw> 常用于表示取向差 可由旋转矩阵G得到
<1-210>
86°
86° <1-210> Mg合金中常见孪晶
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背散射电子像与背散射电子衍射
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硅半导体晶片：探测BES信号
倒易空间: 背散射电子衍射- EBSD花样 结构信息
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1954年，Alam, Blackman, Pashley. ‘High angle Kikuchi patterns.’ Proc. Royal Society of London. 较早报道了背反射条件下的衍射花样。 1967年，Coates第一次报道SEM下 观察到的菊池花样。 80~90年代 ，优化算法＋摄像技术＋ 计算机技术发展 才催化出EBSD技 术走向实用化。
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HKL offers own camera Nordlys 2002 Prior using HKL breaks 100p/s barrier 2004
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1990’s-2004
Schmidt - ECP 1986 Dingleyet al Phase ID 1989 Schmidt EBSP & founds HKL 1990 Kriger-Lassen et al use Hough 1992
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物相结构分析：矿物学领域 Niels Schmidt 博士，丹麦 HKL－Oxford 复杂晶体结构的EBSD花样的解析 1937胶片 Boersch
1928TEM kikuchi
Oxford,HKL, TSL 1986~ Automatic index 1977 Venables Indexed 晶体取向分析：金属材料学领域 V. Randle 博士， Oxford David Dingly博士， TSL－EDAX 晶界取向、界面取向差、晶体织构分析
SCS CCS1 CCS2
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取向(差)的表征
(1) Rotation matrix G (2) Miller indices (3) Euler angles (4) Angle/axis of rotation (5) Quaternion
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Spherical Kikuchi map
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硅样品晶面电子衍射菊池线示意图
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Euler angle
Euler角（φ1 , Φ, φ2)的物理意义： 第一次：绕Z轴（ND） 转φ1 角 第二次：绕新的X轴（RD） 转Φ角 第三次：绕新的Z轴（ND） 转φ2角 这时样品坐标轴和晶体坐标轴重合。
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Dingley "On-line determination of crystal..."1984
Link/Dingley 1986
1990
Schwarzer Orkid/ TEM 1993 Michael & Goehner PhaseID 1993
OIM - Adams 1993 Link/Oxford launches own product ?
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G矩阵=
(φ1 , Φ, φ2)
Miller 指数{hkl}<uvw>
轴角对
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标定速度的发展
700 600 500
Nordlys F Nordlys F+
Indexing Speed (Hz)
400 300
Nordlys II or Nordlys S
200 100 0
1st CCD cameras
NordlysI
1990
1995
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2005
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Oxford Instruments 1928年 Seishi Kikuchi 第一次观察到了 电子衍射形成的Kikuchi花样。
'P' pattern of calcite (Kikuchi, Japanese Journal of Physics, V, 2, 1928.) Thanks to Robert Schwarzer for the image 'P' pattern of mica (Kikuchi, Japanese Journal of Physics, V, 2, 1928.)
[210] [110]
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