利用Symmetry EBSD实现高速EBSD面分布图采集甲基铵碘化铅

甲基铵碘化铅（CH3NH3PbI3，简称MAPbI3）是一种有机晶体，其晶体结构类似于钙钛矿结构（如图一所示）。这种材料对可见光非常敏感，因此在太阳能电池领域得到广泛应用，可以大幅提高太阳能电池的转换效率，接近20%。此外，MAPbI3材料还具有良好的光致发光特性，可以用于制备发光二极管。近年来，由于MAPbI3材料在这些性能方面的优势，越来越多的研究者开始关注和研究该材料。

图一 具有钙钛矿结构的MAPbI3

MAPbI3材料的性能受晶粒结构和取向的影响，因此通常使用电子背散射衍射（EBSD）技术来表征其晶粒结构和取向。然而，由于MAPbI3是由有机分子构成的材料，对电子束的曝光非常敏感，导致在进行EBSD采集时产生的衍射花样非常不稳定且很快消失，这使得获得清晰的花样图案变得困难。目前还没有文献报道成功使用商用EBSD技术采集到MAPbI3的面分布图，只能采集到点花样，然后进行取向分析。这种EBSD采集方式非常不便，数据也较难直观地展示，从而限制了对该材料的研究进展。

然而，一些科研人员利用CCD EBSD技术成功采集到了MAPbI3样品的EBSD点花样和面分布图。如图二所示，尽管采集到的点花样图案较为模糊，但标定算法的优异性仍然可被应用。然而，生成的面分布图的标定率非常低，几乎难以使用。相信许多研究者也面临着类似的困境，以至于在发表的文章中几乎无法看到面分布图的结果呈现。

图二 CCD EBSD的点分析和面分布图结果

Symmetry EBSD探测器带来了新一代技术，通过采用CMOS替代CCD，有效提高了EBSD花样采集的速度和灵敏度；同时采用专门设计的光学系统，实现高效率、高分辨率、无畸变等特点，进一步增强了花样采集的灵敏度。这种先进技术所带来的效果是显而易见的，如图三所示，实时采集的花样清晰可见，衬度良好；而面分布图的标定率也达到了高达98%，成功实现了有效的面分布图采集。此时采集的花样分辨率为622x512像素，标定速度可以达到5点/秒。

图三 Symmetry EBSD采集MAPbI3样品的面分布图，右下角为实时采集的花样

为了测试Symmetry探测器的灵敏度，我们优化了相关参数以提高标定速度。在图四中，我们缩短曝光时间并将花样分辨率降低至156x128，在这种情况下，花样略有模糊，但标定速度可以高达2016点/秒，并且标定率也达到了85%。尽管这种设置牺牲了一些分辨率，但仍然可以完整地表征样品信息。

图四 Symmetry EBSD以2016点/秒的速度采集MAPbI3样品的面分布图

最终，完整的面分布图采集仅需要23秒的时间。在这个过程中，步长为5um，整个视场大小为1.26x0.95mm2。通过观察面分布图的结果，我们可以发现一些晶粒尺寸明显较大，达到约200um左右；而其他一些晶粒则显示出明显的变形，并且它们的尺寸较小。

图五 Symmetry EBSD采集MAPbI3样品的面分布图

通过对这个采集到的面分布图进行进一步的后处理分析，我们可以获得更多具有统计性的信息，这是点分析无法提供的。首先要关注的是织构方面。从图六可以观察到，MAPbI3晶粒呈现明显的{100}//Z面织构。在允许偏离5度范围内，符合该面织构的比例达到了71.7%，这说明该样品具有较好的织构特征。

{100}，{110}和{111}的极图

图六 MAPbI3样品的极图和织构分布图

接下来，我们对MAPbI3的晶粒进行了统计分析。通过得到的晶粒分布图和晶粒大小分布（如图七所示），我们可以看到平均晶粒大小为48um，而最大的晶粒尺寸为319um。

图七 MAPbI3样品的晶粒和晶粒大小分布图

除此之外，我们还可以进一步探究晶粒的变形情况。通过KAM图（图八）的观察，我们发现部分区域的变形程度较大，这意味着在样品制备过程中存在较大的内应力，从而导致晶粒的生长不够理想。

图八 MAPbI3样品的KAM面分布图和直方图

最后，我们对该样品进行了总结。由于MAPbI3是一种有机物晶体结构，其EBSD衍射花样信号相对较弱，需要EBSD探测器具有极高的灵敏度才能有效探测到衍射花样。Symmetry EBSD作为一种高灵敏度的技术，在MAPbI3样品的采集表现上堪称完美，具有高速、高标定率等优点。随着CMOS EBSD灵敏度的大大提升，对这类样品的EBSD分析已经从以往的点分析转变为面分布图的全面展示，实现了EBSD分析的飞跃。