試驗二透射電鏡結(jié)構(gòu)原理樣品制備及觀察

1、實驗二 參觀透射電子顯微鏡時間：2015 年 12 月 1 日第一組： 14:30-15:30 2013 級金屬材料工程專業(yè) 一班第二組： 15:30-16:30 2013 級金屬材料工程專業(yè) 二班地點：材料科學與工程學院一樓 TEM 室講解：龔倫軍老師實驗二 透射電鏡結(jié)構(gòu)原理、樣品制備及觀察一、實驗內(nèi)容及實驗目的1結(jié)合透射電鏡實物介紹其基本結(jié)構(gòu)及工作原理，以加深對透射電鏡結(jié)構(gòu)的整體印象， 加深對透射電鏡工作原理的了解。2掌握材料薄膜樣品的制備方法 雙噴電解減薄法和離子薄化法。 3選用合適的樣品，通過明暗場像操作的實際演示，了解明暗場成像原理。4. 通過選區(qū)電子衍射的實際操作演示，加深對選區(qū)電

2、子衍射原理的了解。二、透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理透射電子顯微鏡是一種具有高分辨率、 高放大倍數(shù)的電子光學儀器， 被廣泛應用于材料 科學等研究領域。 透射電鏡以波長極短的電子束作為光源， 電子束經(jīng)由聚光鏡系統(tǒng)的電磁透 鏡將其聚焦成一束近似平行的光線穿透樣品， 再經(jīng)成像系統(tǒng)的電磁透鏡成像和放大， 然后電 子束投射到主鏡簡最下方的熒光屏上而形成所觀察的圖像。 在材料科學研究領域， 透射電鏡 主要可用于材料微區(qū)的組織形貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結(jié)構(gòu)測定。透射電子顯微鏡按加速電壓分類，通?？煞譃槌Ｒ?guī)電鏡 (100kV) 、高壓電鏡 (300kV) 和超 高壓電鏡 (500kV 以上 )。提高加速電壓，

3、可縮短入射電子的波長。一方面有利于提高電鏡的 分辨率； 同時又可以提高對試樣的穿透能力， 這不僅可以放寬對試樣減薄的要求， 而且厚試 樣與近二維狀態(tài)的薄試樣相比， 更接近三維的實際情況。 就當前各研究領域使用的透射電鏡 來看，其主要三個性能指標大致如下：加速電壓： 80 3000kV分辨率：點分辨率為 0.20.35nm、線分辨率為 0.1 0.2nm最高放大倍數(shù)： 30100 萬倍盡管近年來商品電鏡的型號繁多， 高性能多用途的透射電鏡不斷出現(xiàn)， 但總體說來， 透 射電鏡一般由電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、 電源及控制系統(tǒng)三大部分組成。此外，還包括一些 附加的儀器和部件、 軟件等。 有關的透射電鏡的

4、工作原理可參照教材， 并結(jié)合本實驗室的透 射電鏡，根據(jù)具體情況進行介紹和講解。以下僅對透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)作簡單介紹。1電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)通常又稱為鏡筒， 是電鏡的最基本組成部分，是用于提供照明、成像、顯 像和記錄的裝置。 整個鏡筒自上而下順序排列著電子槍、 雙聚光鏡、 樣品室、 物鏡、中間鏡、 投影鏡、觀察室、熒光屏及照相室等。通常又把電子光學系統(tǒng)分為照明、成像和觀察記錄部 分。2真空系統(tǒng)為保證電鏡正常工作， 要求電子光學系統(tǒng)應處于真空狀態(tài)下。 電鏡的真空度一般應保持在10-5 托，這需要機械泵和油擴散泵兩級串聯(lián)才能得到保證。目前的透射電鏡增加一個離子泵 以提高真空度，真空度可高達 13

5、3 32210-8Pa 或更高。如果電鏡的真空度達不到要求會出 現(xiàn)以下問題：(1) 電子與空氣分子碰撞改變運動軌跡，影響成像質(zhì)量。(2) 柵極與陽極間空氣分子電離，導致極間放電。(3) 陰極熾熱的燈絲迅速氧化燒損，縮短使用壽命甚至無法正常工作。(4) 試樣易于氧化污染，產(chǎn)生假象。3供電控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)主要提供兩部分電源， 一是用于電子槍加速電子的小電流高壓電源； 二是用于 各透鏡激磁的大電流低壓電源。 目前先進的透射電鏡多已采用自動控制系統(tǒng)， 其中包括真空 系統(tǒng)操作的自動控制， 從低真空到高真空的自動轉(zhuǎn)換、 真空與高壓啟閉的連鎖控制， 以及用 微機控制參數(shù)選擇和鏡筒合軸對中等。三、材料薄膜樣品

6、的制備方法制備薄膜樣品最常用的方法是雙噴電解減薄法和離子薄化法。1雙噴電解減薄法(一 ) 裝置圖 1 為雙噴電解拋光裝置示意圖。此裝置主要由三部分組成：電解冷卻與循環(huán)部分， 電解拋光減薄部分以及觀察樣品部分。圖 1 雙噴電解拋光裝置原理示意圖1冷卻設備； 2泵、電解液； 3噴嘴；4試樣； 5樣品架； 6光導纖維管(1) 電解冷卻與循環(huán)部分低溫循環(huán)電解減薄， 不使樣品因過熱而 1中 1及 2。通過耐酸泵把低溫電解液經(jīng)噴嘴打在樣品表面。 氧化；同時又可得到表面平滑而光亮的薄膜，見圖(2) 電解拋光減薄部分 電解液由泵打出后，通過相對的兩個鉑陰極玻璃嘴噴到樣品表面。噴嘴口徑為1mm ，樣品放在聚四氟

7、乙烯制作的夾具上 (見圖 2)。樣品通過直徑為 0.5mm 的鉑絲與不銹鋼陽極之 間保持電接觸，調(diào)節(jié)噴嘴位置使兩個噴嘴位于同一直線上。見圖1 中 3。(3) 觀察樣品部分 電解拋光時一根光導纖維管把外部光源傳送到樣品的一個側(cè)面。當樣品剛一穿孔時， 透過樣品的光通過在樣品另一側(cè)的光導纖維管傳到外面的光電管， 切斷電解拋光射流， 并發(fā) 出報警聲響。圖 2 樣品夾具(二 ) 樣品制備過程(1) 切薄片。用電火花( Mo 絲)線切割機床或鋸片機從試樣上切割下厚約 0.20.3mm 的 薄片。在冷卻條件下熱影響區(qū)很薄，一般不會影響樣品原來的顯微組織形態(tài)。(2) 在小沖床上將薄片沖成直徑為 3mm 的小試

8、樣。(3) 預減薄。預減薄分為機械磨薄和化學減薄兩類。機械磨薄時，用砂紙手工磨薄至 50m，注意均勻磨薄，試樣不能扭折以免產(chǎn)生過大的 塑性變形， 引起位錯及其它缺陷密度的變化。 具體操作方法： 用 502 膠將切片粘到玻璃塊或 其它金屬塊的平整平面上， 用系列砂紙 (從 300 號粗砂紙至金相 4 號砂紙) 磨至一定程度后 將樣品反轉(zhuǎn)后繼續(xù)研磨。注意樣品反轉(zhuǎn)時，通過丙酮溶解或火柴少許加熱使膜與磨塊脫落。 反轉(zhuǎn)后樣品重新粘到磨塊上，重復上述過程，直至樣品切片膜厚達到50m?；瘜W減薄是直接適用于切片的減薄，減薄快速且均勻。但事先應磨去 Mo 絲切割留下 的紋理，同時，磨片面積應盡量大于1cm2。普

9、通鋼用 HF， H2O2 及 H2O，比例為 1:4.5:4.5的溶液，約 6 分鐘即可減薄至 50m，且效果良好。最后， 將預減薄的厚度均勻、 表面光滑的樣品膜片在小沖床上沖成直徑為3mm 的小圓片以備用。(3) 電解拋光減薄。電解拋光減薄是最終減薄，用雙噴電解減薄儀進行，目前電解減薄裝 置已經(jīng)規(guī)范化。 將預減薄的直徑為 3mm 的樣品放入樣品夾具上 (見圖 2)。要保證樣品與鉑絲 接觸良好，將樣品夾具放在噴嘴之間，調(diào)整樣品夾具、光導纖維管和噴嘴在同一水平面上， 噴嘴與樣品夾具距離大約 15mm 左右且噴嘴垂直于試樣。電解液循環(huán)泵馬達轉(zhuǎn)速應調(diào)節(jié)到 能使電解液噴射到樣品上。 按樣品材料的不同配

10、不同的電解液。 需要在低溫條件下電解拋光 時，可先放入干冰和酒精冷卻，溫度控制在 -20-40 左右，或采用半導體冷阱等專門裝置。 由于樣品材料與電解液的不同， 最佳拋光規(guī)范要發(fā)生改變。 最有利的電解拋光條件， 可通過 在電解液溫度及流速恒定時， 做電流 電壓曲線確定。 雙噴拋光法的電流 電壓曲線一般接 近于直線，如圖 3。對于同一種電解液，不同拋光材料的直線斜率差別不大，很明顯，圖中 B 處條件符合要求， 可獲得大而平坦的電子束所能透射的面積。表 1 為某些金屬材料雙噴電觸拋光規(guī)范。(4) 最后制成的樣品如圖 4 所示。樣品制成后應立即在酒精中進行兩次漂洗，以免殘留電 解液腐蝕金屬薄膜表面。

11、 從拋光結(jié)束到漂洗完畢動作要迅速， 爭取在幾秒鐘內(nèi)完成， 否則將 前功盡棄。(5) 樣品制成后應立即觀察，暫時不觀察的樣品要妥善保存，可根據(jù)薄膜抗氧化能力選擇 保存方法。若薄膜抗氧化能力很強，只要保存在干燥器內(nèi)即可。易氧化的樣品要放在甘油、 丙酮、無水酒精等溶液中保存。雙噴法制得的薄膜有較厚的邊緣，中心穿孔有一定的透明區(qū)域，不需要放在電鏡銅網(wǎng)上， 可直接放在樣品臺上觀察?？傊谥谱鬟^程中要仔細、認真、不斷地總結(jié)經(jīng)驗，一定會得到滿意的樣品。圖4 最后制成的薄膜表 1 某些金屬材料雙噴電解拋光規(guī)范材料電解液技術條件電壓 / V電流 / mA鋁10高氯酸酒精455030-40鈦合金10高氯酸酒精4

12、030-40不銹鋼10高氯醒酒精7050-60矽鋼片10高氯醒酒精7050鈦鋼10高氯醒酒精80-10080-100馬氏體時效鋼10高氯醒酒精80-10080-1006 Ni 合金鋼10高氯醒酒精80-10080-1002離子薄化法離子薄化方法不僅適用于用雙噴方法所能減薄的各種樣品， 而且還能減薄雙噴法所不能 減薄的樣品，例如陶瓷材料、高分子材料、礦物、多層結(jié)構(gòu)材料、復合材料等。如用雙噴法 穿孔后， 孔邊緣過厚或穿孔后樣品表面氧化， 皆可用離子減薄法繼續(xù)減薄直至樣品厚薄合適或去掉氧化膜為止。 用于高分辨電鏡觀察的樣品， 通常雙噴穿孔后再進行離子減薄， 只要嚴 格按操作規(guī)范減薄就可以得到薄而均勻

13、的觀察區(qū)， 該法的缺點是減薄速度慢， 通常制備一個 樣品需要十幾個小時甚至更長， 而且樣品有一定的溫升， 如操作不當樣品， 會受到輻射損傷。（一）離子減薄裝置離子減薄裝置由工作室、電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)三部分組成。工作室是離子減薄裝置的一個重要組成部分， 它是由離子槍、 樣品臺、 顯微鏡、微型電 機等組成的。在工作室內(nèi)沿水平方向有一對離子槍， 樣品臺上的樣品中心位于兩槍發(fā)射出來的離子束 中心，離子槍與樣品的距離為 2530mm 左右。兩個離子槍均可以傾斜，根據(jù)減薄的需要可 調(diào)節(jié)槍與樣品的角度，通常調(diào)節(jié)成 7 20角。樣品臺能在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以使樣品表面 均勻減薄。 為了在減薄期間隨時觀察樣品被減薄

14、情況， 在樣品下面裝有光源， 在工作室頂部 安裝有顯微鏡，當樣品被減薄透光時，打開光源在顯微鏡下可以觀察到樣品透光情況。電系統(tǒng)主要包括供電、控制及保護三部分。真空系統(tǒng)保證工作室高真空。（二）離子減薄的工作原理稀薄氣體氬氣在高壓電場作用下輝光放電產(chǎn)生氬離子， 氬離子穿過盤壯陰極中心孔時受 到加速與聚焦，高速運動的離子射向裝有試樣的陰極把原子打出樣品表面減薄樣品。（三）離子減薄程序（ 1）切片 從大塊試樣上切下薄片。對金屬、合金、陶瓷切片厚度應不小于0.3mm ，對巖石和礦物等脆、硬樣品要用金剛石刀片或金剛石鋸切下在毫米數(shù)量級的薄片。（ 2）研磨 用汽油等介質(zhì)去除試樣油污后，用粘結(jié)劑將清洗的樣品粘

15、在玻璃片上研磨直 至樣品厚度小于 3050m 為止。操作過程同雙噴電解減薄中樣品的預減薄過程。（ 3）將研磨后的樣品切成直徑 3mm 的小園片。（ 4）裝入離子薄化裝置進行離子減薄。為提高減薄效率，一般情況減薄初期采用高電壓、大束流、大角度（20），以獲得大陡坡的薄化， 這個階段約占整個制樣時間的一半。 然后減少高壓束流與角度 （一般采用 15） 使大陡坡的薄化逐漸削為小陡坡直至穿孔。 最后以 7-10的角度、 適宜的電壓與電流繼續(xù)減 薄，以獲得平整而寬闊的薄區(qū)。四、明暗場成像原理及操作1明暗場成像原理晶體薄膜樣品明暗場像的襯度 （即不同區(qū)域的亮暗差別 ），是由于樣品相應的不同部位結(jié) 構(gòu)或取向

16、的差別導致衍射強度的差異而形成的， 因此稱其為衍射襯度， 以衍射襯度機制為主 而形成的圖像稱為衍襯像。 如果只允許透射束通過物鏡光欄成像， 稱其為明場像； 如果只允 許某支衍射束通過物鏡光欄成像，則稱為暗場像。有關明暗場成像的光路原理參見圖5。就衍射襯度而言， 樣品中不同部位結(jié)構(gòu)或取向的差別， 實際上表現(xiàn)在滿足或偏離布喇格條件程度上的差別。滿足布喇格條件的區(qū)域，衍射束強度較高， 而透射束強度相對較弱， 用透射束 成明場像該區(qū)域呈暗襯度；反之，偏離布喇格條件的區(qū)域,衍射束強度較弱，透射束強度相對較高，該區(qū)域在明場像中顯示亮襯度。而暗場像中的襯度則與選擇哪支衍射束成像有關。 如果在一個晶粒內(nèi)，在雙

17、光束衍射條件下，明場像與暗場像的襯度恰好相反。2明場像和暗場像明暗場成像是透射電鏡最基本也是最常用的技術方法， 其操作比較容易， 這里僅對暗場 像操作及其要點簡單介紹如下：(1) 在明場像下尋找感興趣的視場。(2) 插入 選區(qū)光欄 圍住所選擇的視場。(3) 按“衍射 ”按鈕轉(zhuǎn)入衍射操作方式，取出 物鏡光欄 ，此時熒光屏上將顯示選區(qū)域內(nèi)晶體 產(chǎn)生的衍射花樣。為獲得較強的衍射束，可適當?shù)膬A轉(zhuǎn)樣品調(diào)整其取向。(4) 傾斜入射電子束方向，使用于成像的衍射束與電鏡光鈾平行，此時該衍射斑點應位于 熒光屏中心。(5) 插入物鏡光欄套住熒光屏中心的衍射斑點， 轉(zhuǎn)入成像操作方式， 取出選區(qū)光欄。 此時， 熒光屏

18、上顯示的圖像即為該衍射束形成的暗場像。通過傾斜入射束方向，把成像的衍射束調(diào)整至光軸方向，這樣可以減小球差，獲得高 質(zhì)量的圖像。 用這種方式形成的暗場像稱為中心暗場像。 在傾斜入射束時， 應將透射斑移至 原強衍射斑 (hkl)位置，而 (hkl) 弱衍射斑相應地移至熒光屏中心， 而變成強衍射斑點， 這一點 應該在操作時引起注意。圖 5 明暗場成像的光路原理示意圖a) 明場成像 b) 中心暗場成像圖 6 顯示析出相 (ZrAl 3) 在鋁合金基體中分布的明場和暗場像，圖6b 是析出相衍射束形成的暗場像。 利用暗場像觀測析出相的尺寸、 空間形態(tài)及其在基體中的分布， 是衍襯分析工 作中一種常用的實驗技

19、術。圖6 顯示析出相 (ZrAl3)在鋁合金基體中分布衍襯像a) 明場像 b) 暗場像五、選區(qū)電子衍射的原理和操作1選區(qū)電子衍射的原理簡單地說， 選區(qū)電子衍射借助設置在物鏡像平面的選區(qū)光欄，可以對產(chǎn)生衍射的樣品區(qū)域進行選擇， 并對選區(qū)范圍的大小加以限制， 從而實現(xiàn)形貌觀察和電子衍射的微觀對應。 選 區(qū)電子衍射的基本原理見圖 7。選區(qū)光欄用于擋住光欄孔以外的電子束，只允許光欄孔以內(nèi) 視場所對應的樣品微區(qū)的成像電子束通過。 使得在熒光屏上觀察到的電子衍射花樣， 它僅來 自于選區(qū)范圍內(nèi)晶體的貢獻。 實際上， 選區(qū)形貌觀察和電子衍射花樣不能完全對應， 也就是 說選區(qū)衍射存在一定誤差， 所選區(qū)域以外樣品

20、晶體對衍射花樣也有貢獻。 選區(qū)范圍不宜太小， 否則將帶來太大的誤差。 對于 100kV 的透射電鏡， 最小的選區(qū)衍射范圍約 0.5 m；加速電壓 為 1000kV 時，最小的選區(qū)范圍可達 0.1 m。圖 7 選區(qū)電子衍射原理示意圖1-物鏡 2-背焦面 3-選區(qū)光欄 4-中間鏡 5-中間鏡像平面 6-物鏡像平面2選區(qū)衍射電子的操作為了確保得到的衍射花樣來自所選的區(qū)域，應當遵循如下操作步驟：(1) 在成像的操作方式下，使物鏡精確聚焦，獲得清晰的形貌像。(2) 插人并選用尺寸合適的 選區(qū)光欄 圍住被選擇的視場。(3) 減小中間鏡電流，使其物平面與物鏡背焦面重合，轉(zhuǎn)入衍射操作方式。近代的電鏡此 步操作可按 “衍射 ”按鈕自動完成。(4) 移出物鏡光欄，在熒光屏顯示電子衍射花樣可供觀察。(5) 需要拍照記錄時，可適當減小第二聚光鏡電流，獲得更趨近平行的電子束，使衍射斑 點尺寸變小。3、選區(qū)電子衍射的應用單晶電子衍射花樣可以直觀地反映晶體二維倒易平面上陣點的排列， 而且選區(qū)衍射和形 貌觀察在微區(qū)上具有對應性，因此選區(qū)電子衍射一般有以下幾個方面的應用。(1) 根據(jù)電子衍射花樣斑點分布的幾何特征，可以確定衍射物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)；再利用電子 衍射基本公式 Rd L，可以進行物相鑒定。(2) 確定晶體相對于入射束的取向。(3) 在