《透射電子顯微鏡》PPT課件.ppt

1,實(shí)驗(yàn)一、 透射電鏡基本結(jié)構(gòu)與原理 實(shí)驗(yàn)二、典型組織觀察 實(shí)驗(yàn)三、 透射電鏡樣品制備 實(shí)驗(yàn)四、 電子衍射結(jié)構(gòu)分析 實(shí)驗(yàn)五、透射電鏡基本操作方法,2,透射電子顯微鏡,透射電子顯微鏡是利用電子的波動(dòng)性來(lái)觀察固體材料內(nèi)部的各種缺陷和直接觀察原子結(jié)構(gòu)的儀器。盡管復(fù)雜得多，它在原理上基本模擬了光學(xué)顯微鏡的光路設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單化地可將其看成放大倍率高得多的成像儀器。一般光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。而透射電鏡的放大倍數(shù)在數(shù)千倍至一百萬(wàn)倍之間，有些甚至可達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍或千萬(wàn)倍。,3,高分辨分析透射電子顯微鏡 JEM2000EX,4,5,目前，風(fēng)行于世界的大型電鏡，分辨本領(lǐng)為23 埃，電壓為100500kV，放大倍數(shù)501200,000倍。由于材料研究強(qiáng)調(diào)綜合分析，電鏡逐漸增加了一些其它專門(mén)儀器附件，如掃描電鏡、掃描透射電鏡、X射線能譜儀、電子能損分析等有關(guān)附件，使其成為微觀形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)分析和成分分析的綜合性儀器，即分析電鏡。它們能同時(shí)提供試樣的有關(guān)附加信息。 高分辨電鏡的設(shè)計(jì)分為兩類(lèi)：一是為生物工作者設(shè)計(jì)的，具有最佳分辨本領(lǐng)而沒(méi)有附件；二是為材料科學(xué)工作者設(shè)計(jì)的，有附件而損失一些分辨能力。另外，也有些設(shè)計(jì)，在高分辨時(shí)采取短焦距，低分辨時(shí)采取長(zhǎng)焦距。,電鏡的主要結(jié)構(gòu),6,11 透射電鏡主要結(jié)構(gòu),電鏡的基本組成包括電子槍（光源）與加速級(jí)管、聚光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、放大系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。光路上主要由各種磁透鏡和光闌組成. 1照明系統(tǒng) 2成像放大系統(tǒng) 1）物鏡 2）光闌 3）中間鏡、投影鏡 M總M物M中M投 3顯象記錄系統(tǒng),7,8,透射電鏡組成示意圖,9,光源,中間象,物鏡,試樣,聚光鏡,目鏡,毛玻璃,電子槍,聚光鏡,試樣,物鏡,中間象,投影鏡,觀察屏,照相底板,照相底板,10,1 . 電子光學(xué)系統(tǒng) 圖9.1 是近代大型電子顯微鏡的剖面示意圖，從結(jié)構(gòu)上看，和光學(xué)透鏡非常類(lèi)似。 1）照明部分 （1）陰極：又稱燈絲，一般是由0.030.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。 （2）陽(yáng)極：加速?gòu)年帢O發(fā)射出的電子。為了安全，一般都是陽(yáng)極接地，陰極帶有負(fù)高壓。 （3）控制極：會(huì)聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)象的亮度。 陰極、陽(yáng)極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能，因此，人們習(xí)慣上把它們通稱為“電子槍”。,透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)三大部分組成。,11,（4）聚光鏡：由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過(guò)陽(yáng)極小孔后，又逐漸變粗，射到試樣上仍然過(guò)大。聚光鏡就是為克服這種缺陷加入的，它有增強(qiáng)電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會(huì)聚起來(lái)的作用。,12,陰極（接負(fù)高壓）,控制極（比陰極 負(fù)1001000伏）,陽(yáng)極,電子束,聚光鏡,試樣,照明部分示意圖,13,電子槍,電子槍的類(lèi)型有熱發(fā)射和場(chǎng)發(fā)射兩種，大多用鎢和六硼化鑭材料。一般電子槍的發(fā)射原理與普通照明用白炙燈的發(fā)光原理基本相同，即通過(guò)加熱來(lái)使整個(gè)槍體來(lái)發(fā)射電子。電子槍的發(fā)射體使用的材料有鎢和六硼化鑭兩種。前者比較便宜并對(duì)真空要求較低，后者發(fā)射效率要高很多，其電流強(qiáng)度大約比前者高一個(gè)量級(jí)。,14,這部分由試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。 （1）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過(guò)試樣臺(tái)承載試樣，移動(dòng)試樣。 （2）物鏡：電鏡的最關(guān)鍵的部分，其作用是將來(lái)自試樣不同點(diǎn)同方向同相位的彈性散射束會(huì)聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；將來(lái)自試樣同一點(diǎn)的不同方向的彈性散射束會(huì)聚于其象平面上，構(gòu)成與試樣組織相對(duì)應(yīng)的顯微象。透射電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。,2）成象放大部分,15,近代高性能電鏡一般都設(shè)有兩 個(gè)中間鏡，兩個(gè)投影鏡。三級(jí)放大 放大成象成象和極低放大成象示意 圖如下所示:,16,（a）高放大率,（b）衍射,（c）低放大率,物,物鏡,衍射譜,一次象,中間鏡,二次象,投影鏡,三次象 （熒光屏）,選區(qū)光闌,17,物鏡關(guān)閉 無(wú)光闌,中間鏡 （作物鏡用）,投影鏡,第一實(shí)象,（熒光屏）,普查象,極低放大率象,18,這部分由觀察室和照相機(jī)構(gòu)組成。 在分析電鏡中，還有探測(cè)器和電子能量分析附件。,3）顯象部分,19,為了保證真在整個(gè)通道中只與試樣發(fā)生相互作用，而不與空氣分子發(fā)生碰撞，因此，整個(gè)電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，一般真空度為 10-410-7 毫米汞柱。,2 . 真空系統(tǒng),作用,20,透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。 電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個(gè)極為重要的標(biāo)志。所以，對(duì)供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。 近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動(dòng)操作程序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,3 . 供電系統(tǒng),21,第一節(jié) 透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造,一、工作原理 成像原理與光學(xué)顯微鏡類(lèi)似。 它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見(jiàn)光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。 由于電子波長(zhǎng)極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。,22,23,21 透射電鏡樣品制備,1陶瓷原料樣品 支持膜 塑料支持膜 塑料碳支持膜 碳支持膜 粉末樣品的分散方法 超聲波振蕩法、噴霧法、懸浮液法。,24,2陶瓷制品, 復(fù)型 (1) 一級(jí)復(fù)型 (2) 二級(jí)復(fù)型 （3）襯度的提高 超薄切片與直接薄膜樣品 萃取復(fù)型,25,26,27,28,29,近代材料測(cè)試技術(shù),第六講,復(fù)型技術(shù),30,一、復(fù)型樣品的成像原理及復(fù)型材料的選擇,電子束的穿透能力 加速電壓50200KV100200nm,復(fù)型：把浸蝕產(chǎn)生的金相試樣表面顯微組織浮雕復(fù)制到一種很薄的膜上，復(fù)制成薄膜叫做“復(fù)型”。,1.成像原理 （1）試樣對(duì)入射電子的散射 彈性散射 非彈性散射,影響散射角的因素：rn U Ze,31,所謂小孔徑角成像是指在物鏡背焦平面上沿徑向插入一個(gè)小孔徑的物鏡光闌，擋掉散射角大于的電子，只允許散射角小于的電子通過(guò)物鏡光闌參與成像，而圖像的襯度就取決于透過(guò)物鏡光闌投影到熒光屏或照相底片上不同區(qū)域的電子強(qiáng)度差別。,（2）小孔經(jīng)成像,32,（3）質(zhì)厚襯度成像原理,對(duì)于非晶體樣品來(lái)說(shuō)，入射電子透過(guò)樣品時(shí)碰到的原子數(shù)目越多(或樣品越厚)，樣品原子核庫(kù)侖電場(chǎng)越強(qiáng)(或樣品原子序數(shù)越大或密度越大)，被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而通過(guò)物鏡光闌參與成像的電子強(qiáng)度也就越低。,33,2.復(fù)型材料的選擇,對(duì)復(fù)型材料的要求： 復(fù)型材料是非晶體，復(fù)制樣品表面浮雕能力強(qiáng)。分子尺寸要小，以提高對(duì)表面細(xì)節(jié)的顯示。 復(fù)型材料有足夠的強(qiáng)度和剛度。防止破損或畸變。 在電子束作用下，不易燒蝕、分解。 不腐蝕金屬樣品表面。,34,火棉膠溶液：是濃度為0.5一4的火棉膠 醋酸戊脂溶液。 AC紙：是濃度為6一12醋酸纖維素丙酮溶液，為了使其質(zhì)地柔軟、滲透性強(qiáng)，在溶液中加入2一3磷酸二苯脂；為使其有顏色，在溶液中加入少許基紫，大約經(jīng)過(guò)24h個(gè)部溶解。把這種溶液倒在光滑的玻璃板上，傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃板使其大面積鋪展，為保持AC紙清潔，防止吸水變白、卷曲開(kāi)裂，再用一個(gè)玻璃鐘罩將其扣上，同時(shí)鐘罩下面留有一定空隙，以保證丙酮揮發(fā)逸出，經(jīng)過(guò)24h，即可把干透的AC紙揭下，夾在書(shū)中備用。,常用復(fù)型材料及制備,35,三、重金屬投影和真空鍍膜機(jī),1.重金屬投影 1）投影及其效果,2）投影用重金屬：常用的投影金屬是鉻(Cr)、鍺(Ge)、金(Au)和鉑(Pt)等。 3)投影角度：3045度，組織較細(xì)小，浸蝕較淺，可用較小的角度，否則用大角度,36,2.真空鍍膜機(jī)及其操作,真空鍍膜機(jī)重金屬投影和噴碳設(shè)備,37,真空鍍膜機(jī)的操作,“投影”與“噴碳”操作規(guī)程 (1)打開(kāi)總電源打開(kāi)操作面板上的控制開(kāi)關(guān)。 (2)打開(kāi)冷卻水，開(kāi)機(jī)械泵抽56min后，給擴(kuò)散泵加熱，待加熱30min后，停機(jī)械泵。 (3)將低真空三通閥拉出。開(kāi)磁力充氣閥對(duì)鐘罩充氣，取下鐘罩，關(guān)磁力充氣閥。 (4)在蒸發(fā)電極I的鎢絲網(wǎng)內(nèi)放入金絲或鉻粒。在蒸發(fā)電極H處安放磁棒，擺好樣品，調(diào)好蒸發(fā)距離與角度，蓋上鐘罩。 (5)開(kāi)機(jī)械泵，開(kāi)低真空測(cè)量，對(duì)鍍膜室抽低真空達(dá)85Pa左右。 (6)將低真空三通閥于柄推入抽系統(tǒng)，開(kāi)高真空蝶閥，待真空度達(dá)0.1Pa時(shí)，開(kāi)高真空測(cè)量。 (7)當(dāng)真空度達(dá)到0.003Pa時(shí)，將開(kāi)關(guān)3HK拔到蒸發(fā)檔，蒸發(fā)極撥到I，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓手輪，逐漸加大電流，重金屬發(fā)出輝光，隨后開(kāi)始蒸發(fā)，待蒸發(fā)完畢，把旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器手輪歸零。,38,8)把蒸發(fā)電極撥到II位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓手輪，逐漸加大電流至出現(xiàn)輝光放電，碳開(kāi)始蒸發(fā)，當(dāng)乳白色瓷片未滴油處出現(xiàn)棕色時(shí)，噴碳完畢，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓器手輪歸零。 (9)待樣品冷卻后，關(guān)閉高真空測(cè)量和高真空蝶閥，把低真空三通閥手柄拉出，關(guān)機(jī)械泵，開(kāi)磁力充氣閥充氣，關(guān)充氣閥，取下鐘罩，取出樣品，清洗鍍膜室，蓋上鐘罩。開(kāi)機(jī)械泵抽低真空56mm后停機(jī)械泵，關(guān)閉各電源及總電源。待擴(kuò)散泵停止加熱30min后再關(guān)冷卻水，全部工作結(jié)束。,39,四、復(fù)型樣品的種類(lèi)及制作方法,1.塑料一級(jí)復(fù)型 (1)預(yù)先配制塑料溶液； (2)用滴管在金相試樣表面放一滴塑料溶液。用清潔玻璃棒輕輕地刮平，多余的溶液用濾紙吸掉，靜置，待溶劑蒸發(fā)后，形成厚度約100nm的塑料薄膜； (3)在透明膠紙上放幾塊略小于銅網(wǎng)的紙片，再在其上放置銅網(wǎng)，使其邊緣粘貼在膠紙上； (4)對(duì)已干燥的塑料表面呵一口氣，使之稍濕潤(rùn)，把貼有銅網(wǎng)的膠紙平整地壓貼上去，利用膠紙的粘性把塑料一級(jí)復(fù)型從金相試樣表面子剝下來(lái)； (5)用針尖或小刀在銅網(wǎng)邊緣劃一圈，將塑料膜劃開(kāi)，再用鑷子把樣品銅網(wǎng)連同貼附在它上面的塑料一級(jí)復(fù)型取下，即可放到透射電鏡中去觀察。,40,塑料一級(jí)復(fù)型的干剝,塑料一級(jí)復(fù)型的特點(diǎn)：,塑料一級(jí)復(fù)型操作簡(jiǎn)單，假象少，可定點(diǎn)觀察。但襯度差 ，易被電子束燒蝕和分解，分辨率低僅達(dá)到20nm左右。,41,2.碳一級(jí)復(fù)型,制備方法如下： (1)在真空鍍膜裝置中以垂直的方向在已浸蝕好的金相試樣表面上直接蒸發(fā)沉積一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。蒸發(fā)沉積碳膜的厚度，由放在金相試樣旁邊的乳白色瓷片表面在噴碳前后顏色的變化來(lái)估計(jì)，一般認(rèn)為變?yōu)闇\棕色為宜。 (2)用針尖或小刀把噴過(guò)碳的金相試樣表面劃成略小于銅網(wǎng)的小方格然后浸入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑中作第二次浸蝕或電解拋光，使碳膜與金相試樣表面分離。對(duì)于普通的碳鋼或合金鋼，可采用10硝酸酒精溶液，11.5Acm2電流密度電解拋光15s左右使碳膜分離，然后放到濃度為30一40的硝酸中洗滌10min,最后用蒸餾水洗滌5min左右。 (3)用銅網(wǎng)將碳復(fù)型撈起烘干即可放到透射電子顯微鏡中去觀察。,42,碳一級(jí)復(fù)型制備及其圖像襯度,特點(diǎn)： 碳一級(jí)復(fù)型分辨率高可達(dá)到25nm，性能穩(wěn)定，假象少，但制作方法比較麻煩，而且經(jīng)化學(xué)或電解方法分離碳復(fù)型時(shí)，金相試樣的原始表面易破壞。圖像襯度較差，只能看出浮雕輪廓線，卻不能區(qū)別其是凸或凹。,43,3塑料碳二級(jí)復(fù)型,塑料碳二級(jí)復(fù)型是使用較普遍的一種復(fù)型，它兼有塑料一級(jí)復(fù)型和碳一級(jí)復(fù)型的某些優(yōu)點(diǎn)。具體制備方法如下： (1)先制備塑料一級(jí)復(fù)型 (2)將塑料復(fù)型的復(fù)制面朝上平整地貼在襯有紙片的膠紙上。 (3)將固定好的塑料復(fù)型放在真空鍍膜裝置。先以傾斜方向投影重金屬，再以垂直方間噴碳。 (4)將復(fù)合型剪成略小于銅網(wǎng)的小方塊，然后用生物切片石蠟將小方塊噴碳一面貼在烘熱的小玻璃片上，待玻璃片冷卻，石蠟?zāi)毯?，放到盛有丙酮或醋酸甲脂的有磨口蓋的容器中，將第一級(jí)復(fù)型徐徐溶解，經(jīng)放在烘箱或水浴內(nèi)加熱后第二級(jí)復(fù)型則漂浮在丙酮溶液中。 (5)用銅網(wǎng)把第二級(jí)復(fù)型轉(zhuǎn)移到清潔的丙酮中洗滌，再撈到蒸餾水中，依靠水的表面張力使第二級(jí)復(fù)型平展并漂浮在水面上，再用攝子夾住銅網(wǎng)把第二級(jí)復(fù)型撈起，干燥后即可供觀察。,44,塑料碳二級(jí)復(fù)型的制備,特點(diǎn)： （1）優(yōu)點(diǎn)是不破壞金相試樣的原始表面，必要時(shí)可重復(fù)制備。（2）碳膜，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，在電子束照射下較穩(wěn)定。（3）經(jīng)重金屬“投影”處理，既增加了襯度，又能增加圖像的層次感和立體感。,45,4.萃取復(fù)型,萃取復(fù)型可用來(lái)觀察分析第二相粒子的形狀、大小、分布，同時(shí)還可以用電子衍射法分析它們的物相。目前常用碳抽取復(fù)型，具體制備方法如下： (1)在深浸蝕過(guò)的金相試樣表面、蒸發(fā)沉積一層較厚的碳膜(20nm以上)，然后用針尖或小刀把碳膜劃成小于銅網(wǎng)的小方塊。 (2)將噴碳、劃過(guò)格的試樣放到盛有浸蝕劑的器皿中進(jìn)行第二次深浸蝕(或進(jìn)行電解拋光)，使碳膜連同凸出試樣表面的第二相粒子與基體分離。 (3)將分離后的碳膜轉(zhuǎn)移到某種化學(xué)試劑中洗滌，溶去殘留的基體，最后移到酒精中洗滌，用銅網(wǎng)撈起，干燥后即可供觀察和進(jìn)行衍射分析。,46,萃取復(fù)型的制備,47,(一)膠粉混合法 在干凈玻璃片上調(diào)火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻。再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對(duì)研并突然抽開(kāi)。稍候，膜干，用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。 (二)支持膜分散粉末法 需透射電鏡分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對(duì)電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉木放在膜上送入電鏡分析。,5.粉末樣品,48,粉末樣品的觀察,49,TEM樣品制備技術(shù),一 平面樣品制備 二 截面樣品制備 三 粉末樣品制備 四 氬離子減薄樣品 TEM樣品制備在電子顯微學(xué)研究中起著非常重要的作用。 制備方法: 化學(xué)減??；電解雙噴；解理；超薄切片；粉碎研磨；聚焦離子束；機(jī)械減?。浑x子減薄，這些方法都能制備出較好的薄膜樣品。 新材料的發(fā)展對(duì)樣品制備技術(shù)提出了更高的要求， 制備時(shí)間短，可觀察的面積更大，薄區(qū)的厚度更薄，并能高度局域減薄。 TEM樣品類(lèi)型(本室研究課題所涉及的材料) 塊狀：用于普通微結(jié)構(gòu)研究 平面：用于薄膜和表面附近微結(jié)構(gòu)研究 橫截面樣品：薄膜和界面的微結(jié)構(gòu)研究 納米材料：粉末，纖維，納米量級(jí)的材料,50,薄膜透射樣品制備工藝示意圖,51,一平面樣品制備,1. 切割 2. 平面磨 3. 釘薄(凹坑) 4. 厚度的測(cè)量 5. 粘環(huán)(樣品支架),52,53,五、典型組織觀察,1.珠光體組織觀察,54,屈 氏 體,55,2.貝氏體組織,上貝氏體,56,下貝氏體,57,粒狀貝氏體,58,碳鋼的回火組織觀察,59,回火組織,60,1Cr18Ni9Ti不銹鋼萃取復(fù)型,固溶處理后800保溫189h,61,韌性斷口,4. 斷 口,62,脆性斷口,63,脆性斷口,典型河流花樣,64,31 電子衍射及 結(jié)構(gòu)分析,電子衍射與X射線衍射的基本原理是完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似，電子衍射與X射線衍射相比的突出特點(diǎn)為： 在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)； 物質(zhì)對(duì)電子的散射更強(qiáng)，約為X射線的一百萬(wàn)倍，特別適用于微晶、表面和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的研究，且衍射強(qiáng)度大，所需時(shí)間短，只需幾秒鐘。,65,1電子衍射基本公式 Rd=L =K 2有效相機(jī)常數(shù)K的標(biāo)定 3單晶衍射花樣的分析,66,典型電子衍射圖 （a）非晶 （b）單晶 （c）多晶 （d）會(huì)聚束,67,第三章 電子衍射（TEM）,第一節(jié) 倒易陣點(diǎn)基本知識(shí) 第二節(jié) 散射振幅及消光定律 第三節(jié) 相機(jī)常數(shù)公式 （電子衍射“放大”公式） 第四節(jié) 多晶電子衍射花樣及其標(biāo)定 第五節(jié) 單晶電子衍射花樣及其標(biāo)定 第六節(jié) 其它類(lèi)型衍射分析技術(shù)介紹,68,電子衍射,單晶衍射:周期性規(guī)則排列的斑點(diǎn),多晶衍射:一組同心圓環(huán),69,電子衍射簡(jiǎn)介1,金屬和其它晶體物質(zhì)是由原子，離子或原子集團(tuán)在三維空間內(nèi)周期性地有規(guī)則排列的質(zhì)點(diǎn)對(duì)具有適當(dāng)波長(zhǎng)的輻射波（如X射線、電子或中子）的彈性相干散射，將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，在某些確定的方向上；散射波因位相相同而彼此加強(qiáng)，而在其它方向上散射波的強(qiáng)度很弱或等于零。電子顯微鏡的照明系統(tǒng)提供了一束波長(zhǎng)恒定的單色平面波，因而自然地具備著用它對(duì)晶體樣品進(jìn)行電子衍射分析的條件。 電子衍射與x射線衍射的基本原理是完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似。 多晶體的電子衍射花樣是一系列不同半徑的同心圓環(huán)。 單晶花樣由排列得十分整齊的許多斑點(diǎn)所組成，分別如圖a）和b）所示。 單晶體的電子衍射花樣比X射線勞厄法所得的花樣，更能直觀地反映晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和位向； 特別是當(dāng)采用倒易點(diǎn)陣和愛(ài)瓦爾德球作圖法時(shí)，這種聯(lián)系將是十分明顯的，并常?？梢允箚尉щ娮友苌浠拥姆治龇椒ㄗ兊孟喈?dāng)簡(jiǎn)單,70,電子衍射簡(jiǎn)介2,目前大多在透射型電子顯微鏡中利用選區(qū)衍射的方式進(jìn)行電子衍射分析，晶體樣品的形貌特征和微區(qū)晶體學(xué)性質(zhì)可以在同一儀器中得到反映，這是現(xiàn)有其它顯微分析方法所難以實(shí)現(xiàn)的。 同時(shí)，電子衍射對(duì)于金屬薄膜（以及其它薄晶體樣品）衍襯成像的機(jī)理具有重要的理論和實(shí)踐意義，因?yàn)檫@種圖像的襯度特征取決于用以成像的某一特定衍射束的強(qiáng)度，它能顯示樣品內(nèi)組成相的結(jié)構(gòu)，位向和晶體缺陷等等，因而圖像的獲得和詮釋皆有賴于被觀察視域選區(qū)電子衍射花樣的正確辨認(rèn)和分析。 本章主要說(shuō)明電子衍射幾何理論的一些基本概念，即只限于分析衍射花樣的幾何特征和由此所能獲得的樣品晶體學(xué)信息。 只涉及高能電子衍射（HEED），入射電子的能量一般在數(shù)十千電子伏以上； 另一類(lèi)特別適用于表面結(jié)構(gòu)分析的所謂低能電子衍射（LEED）， 其儀器構(gòu)造和花樣分析方法均不同于高能電子衍射，將在以后給以簡(jiǎn)單的介紹。,71,選區(qū)電子衍射1,選區(qū)衍射的最小分析區(qū)域： .m 因?yàn)檫x區(qū)范圍可發(fā)生誤差，這種誤差來(lái)源于選區(qū)成像時(shí)物鏡的聚焦精度和球差 縮小選區(qū)光欄的孔徑使樣品上被分析范圍小于.m將是徒勞的。,TEM可以同時(shí)顯示形貌圖像和分析晶體結(jié)構(gòu)，通常采用 ”選區(qū)電子衍射“方法，有選擇地分析樣品不同微區(qū)范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)特性。 選區(qū)衍射的基本原理見(jiàn)圖 。 當(dāng)電鏡以成像方式操作時(shí)（SA）， 中間鏡物平面與物鏡像平面重合，熒光屏上顯示樣品的放大圖像。此時(shí)，我們?cè)谖镧R像平面內(nèi)插入一個(gè)孔徑可變的選區(qū)先欄（不同孔徑的多級(jí)光欄），光欄孔套住想要分析的那個(gè)微區(qū)，,72,73,選區(qū)電子衍射2,形貌圖像和晶體結(jié)構(gòu)像（即電子衍射花樣）同時(shí)顯示。 看形貌圖像（在 物鏡的像平面上）：按SA（或ZOOM）模式， 此時(shí)中間鏡對(duì)物鏡的像平面放大 看衍射花樣（在 物鏡的焦平面上）：按DIFF 此時(shí)中間鏡對(duì)物鏡的焦平面放大 可隨意轉(zhuǎn)換,74,布喇格定律(示意圖),其中 為波長(zhǎng) 為掠射角（即入射方向與晶面的夾角） dhkl為平行晶面組（hkl）面間距 n為整數(shù),75,布喇 格定律,在與入射方向成2角的方向上，相鄰平行晶面反射波之間的波程差為波的整數(shù)倍，各層晶面原子的散射波在2方向上具有相同的位相，它們因相互加強(qiáng)而產(chǎn)生該晶面組的衍射束。0，l，2，3，叫做衍射級(jí)數(shù)。對(duì)于確定的晶面和入射電子波長(zhǎng)，衍射級(jí)數(shù)愈高，衍射角或2愈大。 零級(jí)行射束（0）就是透射束或直射束或直射束，它與入射方向平行，嚴(yán)格地說(shuō)它是由散射角2為零的散射波疊加而產(chǎn)生的。 為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們把（41）式改寫(xiě)為：,晶體對(duì)電子波的衍射現(xiàn)象，與X射線衍射一樣，一般都簡(jiǎn)單地采用布喇格定律加以描述。 我們把晶體內(nèi)原子排列的規(guī)則性分解成為一系列具有確定位向的平行晶面在空間的有規(guī)則堆垛，從而把晶體的衍射看成符合布喇格條件的一組或若干組平行晶面對(duì)入射波的反射。參看圖。,76,電子衍射的衍射角總是非常小的，花樣特征及有別于X射線衍射,由圖可見(jiàn)，入射束，衍射束與衍射晶面的法線在同一平面內(nèi)，這與幾何光學(xué)中的反射定律十分相似，所以習(xí)慣上常把晶體的衍射說(shuō)成是滿足布喇格條件的晶面對(duì)入射束的反射。同時(shí)根據(jù)正弦函數(shù)的性質(zhì)，,這就是說(shuō)，對(duì)于給定的晶體樣品，只有當(dāng)入射波的波長(zhǎng)足夠短，才有可能得到衍射束，這個(gè)條件對(duì)于電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行的高能電子衍射來(lái)說(shuō)是完全可以滿足的。因?yàn)橥ǔｋ娮訕尲铀匐妷簽?0100kV甚至更高，也即入射波波長(zhǎng)為102數(shù)量級(jí)，而金屬中常見(jiàn)晶體的晶面間距的數(shù)量級(jí)為102，于是,77,第一節(jié) 倒易陣點(diǎn)基本知識(shí),布喇格定律告訴我們，對(duì)于給定的入射條件，晶體的某一(hkl)晶面是否發(fā)生衍射及其衍射束的方向，取決于該晶面組的晶面間距和它相對(duì)于入射束的位向，后者可以用晶面的法線Nhkl表示。據(jù)此，如果采用倒易點(diǎn)陣概念和愛(ài)瓦爾德球作圖法，將能更加清楚地闡明晶體衍射的幾何關(guān)系。,傅立葉變換： F(x)=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+.+,78,第一節(jié) 倒易陣點(diǎn)基本知識(shí),所謂倒易點(diǎn)陣，指的是在量綱L-1的倒易空間內(nèi)的另外一個(gè)點(diǎn)陣，它與正空間內(nèi)某一特定的點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)。如果正點(diǎn)陣晶胞的基矢為a,b,c;則相應(yīng)的倒易點(diǎn)陣基矢為：,其中Vc為正點(diǎn)陣晶胞的體積,a*、b*和c*分別垂直于b和c、和a以及a和b所在的平面,79,80,正倒點(diǎn)陣之間的幾何關(guān)系,81,面心立方正倒點(diǎn)陣關(guān)系,82,2.愛(ài)瓦爾德球作圖法,83,2.1散射振幅 倒易陣點(diǎn)的“權(quán)重”結(jié)構(gòu)因數(shù)或結(jié)構(gòu)振幅,所有滿足布喇格定律或者倒易陣點(diǎn)正好落在愛(ài)瓦德球球面上的(hkl)晶面組是否都會(huì)產(chǎn)生衍射束？ 我們從X射線衍射已經(jīng)知道，衍射束的強(qiáng)度Ihkl,Fhkl叫做(hkl)晶面組的結(jié)構(gòu)因數(shù)或結(jié)構(gòu)振幅， 表示晶體的正點(diǎn)陣晶胞內(nèi)所有原子的散射波在衍射方向上的合成振幅，即,其中fj是晶胞中位于(Xj，Yj，Zj)的第個(gè)原子的原子散射振幅 ； n是晶胞原子數(shù),84,2.2 消光定律,晶面組得到衍射束： 必要條件：滿足布拉格定律；充分條件：滿足Fhkl0的（hkl）,85,2.2.1 立方晶體衍射晶面N值表,86,2.2.2 立方晶體衍射晶面N值表,87,2.2.3 面心立方晶體衍射晶面N值表 （不消光的N值）,88,2.2.3 體心立方晶體衍射晶面N值表,89,第三節(jié) 相機(jī)常數(shù)公式 （電子衍射“放大”公式）,相機(jī)常數(shù)標(biāo)定： （已知晶體dhkl，測(cè)量Rhkl）, 校正計(jì)算TEM的K,未知物相鑒定： （已知K，測(cè)量Rhkl）， 分析計(jì)算未知晶體的dhkl,單晶花樣中的斑點(diǎn)可以直接被看成是相應(yīng)倒易面的放大,1.,2.,3.,90,2. 布喇格公式 反射線互相加強(qiáng)滿足,d,d,dsin,1,2,晶面,A,C,B,91,電子衍射示意圖,= /2d， 10-2弧度 入射束近似平行（hkl） K =1/ 遠(yuǎn)比 d大， 倒易面（與反射球相交處）近似平面 = 2dsin =dR/L K= L d= K/R,92,第四節(jié) 多晶電子衍射花樣及其標(biāo)定,93,多晶花樣的主要用途,多晶花樣的主要用途兩個(gè)方面 ： （）標(biāo)定相機(jī)常數(shù)：利用已知晶體樣品標(biāo)定相機(jī)常數(shù) ； （）物相鑒定：分析計(jì)算大量彌散的抽取復(fù)型粒子或其它粉末粒子的系列dhkl化合物（通過(guò)查ASTM卡片索引）找出數(shù)據(jù)接近的幾張卡片，仔細(xì)核對(duì)所有的值和相對(duì)強(qiáng)度，并參考已經(jīng)掌握的其它資料（如樣品來(lái)源、化學(xué)成分處理工藝等），確定樣品的物相。,94,例題1：相機(jī)常數(shù)的標(biāo)定,通 過(guò) 真 空 蒸 發(fā) 沉 積 得 到 顆 粒 細(xì) 小 的 多 品 薄 膜 。,金（Au）：面心立方晶體，晶格常數(shù)a0. ； 得到圓環(huán)并測(cè)量得系列R值； 求：相機(jī)常數(shù)K？（mm）,KRd,95,利用多晶花樣進(jìn)行相機(jī)常數(shù)的標(biāo)定步驟 （已知晶格常數(shù)a0）,1、測(cè)量衍射半徑R，列表R從小到大；（先測(cè)直徑D，R0.5D）； 2、計(jì)算R2i/ R21比，（R1為最小的半徑） 3、將R2i/ R21系列乘以3或2，使得接近整數(shù)比（N值） 4、寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的整數(shù)Nhkl，（根據(jù)上述3、的結(jié)果及N值表） 5、寫(xiě)出hkl， （根據(jù)N值表）,7、KRd(mm),6、算出系列,（立方晶系）,96,例題2：未知物相的鑒定,已知：相機(jī)常數(shù)K22.63（mm） 得到圓環(huán)并測(cè)量得系列R值；,求：晶體類(lèi)型，環(huán)對(duì)應(yīng)的hkl, dhkl(),(或晶格常數(shù)a0) ；,97,利用多晶花樣進(jìn)行未知物相的鑒定步驟 （已知相機(jī)常數(shù)K）,1、測(cè)量衍射半徑R，列表R從小到大；（先測(cè)直徑D，R0.5D）； 2、計(jì)算R2i/ R21比，（R1為最小的半徑） 3、將R2i/ R21系列乘以3或2，使得接近整數(shù)比（N值） 4、寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的整數(shù)Nhkl，（根據(jù)上述3、的結(jié)果及N值表） 5、寫(xiě)出hkl， （根據(jù)N值表） 6、算出系列d=K/R 7、按三條強(qiáng)線法d1、d2、d3查ASTM卡片,找出物相。,98,習(xí)題,已知：Al:a0=4.041 求：相機(jī)常數(shù)K=?,TEM狀態(tài)：200KV,L=0.8M(相機(jī)長(zhǎng)度),99,100,第五節(jié) 單晶電子衍射花樣及其標(biāo)定,101,晶帶及晶帶軸示意圖,符合晶帶軸定理：hu+kv+lw=0 即晶帶軸 uvw方向?qū)?yīng)（uvw)*,102,例題1 單晶花樣分析計(jì)算,求 ：晶體類(lèi)型 ；面間距d；斑點(diǎn)指數(shù)化(hkl)；入射束方向uvw,103,例題2 單晶花樣分析計(jì)算,TEM狀態(tài)：200KV,L=0.8M(相機(jī)長(zhǎng)度) ， （K22.63mm）,求 ：晶體類(lèi)型 ；面間距d；斑點(diǎn)指數(shù)化(hkl)；入射束方向uvw,104,習(xí)題1,求 ：晶體類(lèi)型 ；面間距d；斑點(diǎn)指數(shù)化(hkl)；入射束方向uvw,105,習(xí)題 2,106,晶帶軸 UVW的計(jì)算,U=k1L2-L1K2 V=H2L1-L2H1 W=H1K2-K1H2,107,立方晶系衍射花樣（倒易平面）的畫(huà)法,考慮消光定理：可能的N與hkl， （用hu+kv+lw=0 篩選hkl中的(hkl) ） 符合晶帶軸定理：hu+kv+lw=0 即晶帶軸 uvw方向?qū)?yīng)（uvw)* 任選hkl族的兩個(gè)（h1k1l1）與（h2k2l2）， 算出（h1k1l1）與（h2k2l2）對(duì)應(yīng)夾角,108,倒易平面的畫(huà)法,畫(huà)出體心立方 的倒易平面， 標(biāo)出各點(diǎn)指數(shù)（至少8個(gè)點(diǎn)）,109,衍射斑點(diǎn)（晶面）的判斷,在TEM分析當(dāng)中，若電子束沿面心立方的晶帶軸入射，下列哪些晶面可能出現(xiàn)衍射（或記錄到底片上） （100），（110），（101），（111）， ， ，（200），（020），（211），(311)，(113)， （222），（400），（420），,110,第六節(jié) 衍射襯度（明暗場(chǎng)成像）,111,明場(chǎng)像,112,明場(chǎng)像,透射束成像 襯度低 亮度大,113,暗場(chǎng)像,衍射束成像 襯度高 亮度小,114,晶體結(jié)構(gòu)例子,g-Fe,a-Fe,115,非晶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)比較,116,對(duì)稱操作： 使圖形保持不變（完全復(fù)原）的操作； 在對(duì)稱操作中始終保持不變的軸、平面、或點(diǎn)稱為