Transmission EBSD (t-EBSD) as Tool to Investigate Nanostructures in Superconductors
Journal of Superconductivity and Novel Magnetism
t-EBSD
transmission electron backscatter diffraction
透射电子背散射衍射。常规 EBSD 是反射模式（电子束打在样品表面），t-EBSD 是透射模式（电子束穿过薄样品片），空间分辨率可达到纳米级。
掌握晶界性质（取向差、长度）对于进一步优化样品性能至关重要。
- grain boundary (GB)：晶界，相邻两个取向不同的晶粒之间的界面；晶界是超导材料中重要的磁通钉扎位置，也是弱连接（weak link）容易出现的区域。
- grain boundary properties：晶界性质，包括取向差、晶界长度、晶界能、晶界类型（小角 / 大角晶界）等。
- misorientation：取向差，相邻两个晶粒晶体学取向之间的夹角（以度为单位），EBSD 测量的核心参数之一。
取向图不仅揭示了超导基体内部或晶界处夹杂物的位置与形貌，还揭示了这些夹杂物对周围超导基体的影响；而周围的超导基体本身在磁通钉扎中同样发挥着重要作用。
orientation map：取向图，即 EBSD 取向成像图，用不同颜色代表不同晶体取向。
就烧结 MgB₂ 块体样品而言，为追求更高的临界电流密度，需要将 MgB₂ 晶粒细化到 100 nm 量级；而这样尺度的晶粒，用常规 EBSD 已经难以进行研究。常规（反射模式）EBSD，空间分辨率一般在几十纳米到 100 nm 以上，对 100 nm 以下纳米晶粒分辨能力不足，这正是 t-EBSD 出现的动因。
EBSD 扫描步长选定为 5 nm。
t-EBSD 还可用于分析非常规超导体的特定微观结构，例如超导泡沫材料或超导纳米线网络。空间分辨率从几十纳米提高到了约 5–10 nm，具体数值取决于所研究的材料。此外，非导电样品中由电子流引起的充电效应也大幅减弱，这对陶瓷材料乃至生物材料而言是一大优势。
所有这些改进，使 t-EBSD 成为分析超导材料中晶体学取向和晶界取向差的首选方法。
- unconventional superconductor：非常规超导体，指不能用传统 BCS 电声耦合理论完全解释的超导体，包括铜氧化物、铁基、MgB₂（部分归类）、重费米子超导体等；与之相对的是 conventional superconductor（常规超导体，如 Nb、Pb、NbTi）。
- superconducting foam：超导泡沫，具有多孔泡沫状结构的超导材料，孔隙结构本身构成特殊微观组织。
- superconducting nanowire network：超导纳米线网络，由大量纳米级超导导线相互连接形成的网状结构，常用于单光子探测器、量子器件等领域。
- charging effect：充电效应，电子束在不导电样品表面积累电荷，导致图像漂移、畸变、花样失真；t-EBSD 中电子束穿过样品，电荷不易积累。
- non-conducting sample：非导电样品，如绝缘陶瓷、生物材料。
- biomaterial：生物材料，此处引申说明 t-EBSD 可拓展到绝缘的生物样品。
到目前为止，t-EBSD 的应用主要集中在 MgB₂ 上；在该材料中，纳米级晶粒以及作为磁通钉扎位点的碳添加物发挥着重要作用。对于在不同反应温度下制备的烧结多晶 MgB₂ 样品，人们发现 t-EBSD 是唯一能在所有样品上获得 EBSD 图谱的方法；
常规 EBSD（即反射模式）与 t-EBSD（透射模式）装置布置的示意图。
t-EBSD 依靠透射电子束工作，衍射锥形成于样品的背面。
菊池花样在 15 kV 的加速电压下产生，并使用 DigiView 相机系统进行记录。
t-EBSD 的应用已经使人们能够对在不同反应温度下烧结的各类 MgB₂ 样品进行 EBSD 织构分析，尽管这些样品具有很高的孔隙率。
为进一步提高成像质量，TEM 薄片在独立装置中经过低角度氩离子抛光处理（5 keV，5 分钟）。图 2 展示了 MgB₂ 样品在原始位置被铣削出的 TEM 薄片以及最终的 TEM 薄片。这里需要指出，一般来说 TEM 样品可以用显微操作器进行操作，但形状不规则的样品难以处理。
MgB₂ 样品的纳米级晶粒要求采用 t-EBSD 技术，才能获得高空间分辨率以及足够高的菊池花样图像质量。
样品处理抛光
在进行微观结构分析前，样品表面先使用 SiP₂ 金刚石研磨膏和 Struers 公司 SiO₂-OP-S 悬浮液进行机械抛光，总粗糙度达到数纳米。
利用显微操作器将 TEM 薄片从原始样品中取出后，再用 2 keV 的 Ga 离子对薄片表面进行单独的离子抛光，使其厚度降至约 80 nm。
图 3 对比了同一材料上分别由 t-EBSD 和常规 EBSD 获得的 MgB₂ 菊池花样。图 3a 展示了利用 t-EBSD 从 TEM 薄片上获得的菊池花样，而图 b 和 c 给出的是常规 EBSD 表面扫描的典型结果。
由于晶粒是纳米级的，图 3b 中得到的菊池花样包含来自不止一个晶粒的信息，结果导致标定质量很低。图 3c 中的花样虽然只包含一个取向，但图像质量（IQ）明显下降。
图 4 展示了 SPS-MgB₂ 样品的 EBSD 图像质量（IQ）图。
请注意，IQ 值在整个测量区域内分布非常均匀。这与使用常规 EBSD 得到的结果有显著不同。高 IQ 值使得样品中现存的晶界（GBs）能够被清晰区分。
所有 EBSD 检测到的晶界都在图中用蓝色线条标出。在一些大晶粒内部，可以看到小晶粒镶嵌其中。
图 4b 给出了沿 [001] 方向（即垂直于样品表面方向）的取向图。取向对应的颜色在极图三角（立体取向三角）中给出。由此我们可以看到，SPS 样品中的晶粒并非随机取向，而是呈现出择优织构。这一点在反极图中得到进一步说明，图中显示出一个明显的中心极大值。最后，两幅由 EBSD 测定的图表分别给出了晶界密度（图 d）和晶粒形状纵横比（图 e）。为获得这些信息，EBSD 软件用椭圆将取向图（图 b）中的晶粒（原文此处写 Bi-2212，应为软件对晶粒的通用拟合方式）逐个圈出。
下文图 7 以椭圆形式给出了这些参数的定义。晶粒形状纵横比 γAR 定义为长轴长度除以短轴长度。γAR：纵横比符号（AR = aspect ratio）。γAR 取值在 0 到 1 之间，数值越高意味着两轴长度越接近。
晶粒的取向由角度 β 表示。β angle：椭圆长轴相对于参考轴的方位角，即晶粒在样品平面内的排列方向。图 4e 显示，该样品中 γAR 约为 0.6 的晶粒占主导。
EBSD 测量还提供了扫描区域内晶界长度的信息；因此，用以判断晶界所提供磁通钉扎作用的有用信息，可以直接从 EBSD 图谱中获得。
图 5 对此进行了说明，图中分析了 SPS-MgB₂ 样品上更大的一片区域。该图只显示晶界，不同的取向差角用不同颜色绘制。
此外，EBSD 分析还按取向差角给出所检测晶界的长度；大角晶界的总量非常大（约占该样品区域晶界总长度的 50%）。该样品中显著的织构，是电输运测量中观测到较大电阻的原因。将不同制备工艺样品的这类图谱进行比较，就可以研究晶界钉扎的各种贡献来源。这对于多晶带材尤其有用。
图 6 展示了对一块经 IG 工艺制备并铣削的块体样品所做的 t-EBSD 分析。图 6a 给出了一张相图，其中 YBCO 显示为红色，211 相显示为绿色。
图 6 给出了同一被测区域的 IQ 图。该图类似于背散射电子像，在图中可以看到细小的 211 颗粒。这些细小的 211 颗粒是非常有效的磁通钉扎位点，因为它们的尺寸与 2ξ（两倍相干长度）相当，在较高温度下尤其如此。
