材料測(cè)試-透射電子顯微鏡

1、透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡Transmission electron microscope2. 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 TEMn電子光學(xué)應(yīng)用的最典型例子是TEM ，它是觀察和分析材料的形貌、組織和結(jié)構(gòu)的有效工具。nTEM用聚焦電子束作照明源，使用對(duì)電子束透明的薄膜試樣，以透過試樣的透射電子束或衍射電子束所形成的圖像來分析試樣內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)。Philips CM12透射電鏡加速電壓20、40、60、80、100 、 120KVLaB6或W燈絲晶格分辨率 2.04點(diǎn)分辨率 3.4最小電子束直徑約2nm；傾轉(zhuǎn)角度=20度 =25度CEISS902電鏡加速電壓50、80KVW燈絲頂插式樣品

2、臺(tái)能量分辨率1.5ev傾轉(zhuǎn)角度=60度加速電壓200KVLaB6燈絲點(diǎn)分辨率 1.94JEM-2010透射電鏡加速電壓20、40、60、80、100 、 120KV晶格分辨率 2.04點(diǎn)分辨率 3.4最小電子束直徑約2nm傾轉(zhuǎn)角度=60度 =30度EM420透射電子顯微鏡分 辨 率：0.34nm加速電壓：75200KV放大倍數(shù)：25萬倍日立H700電子顯微鏡JEM-2010透射電鏡加速電壓200KVLaB6燈絲點(diǎn)分辨率 1.942.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)nTEM是高分辨本領(lǐng)、高M(jìn)的電子光學(xué)儀器。n由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng) 和操作控制系統(tǒng)組成。n電子光學(xué)系統(tǒng)分為照明、成像及觀察紀(jì)錄、輔助系統(tǒng)。2

3、.1.1 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)n作用是提供光源（控制其穩(wěn)定度、照明強(qiáng)度和照明孔徑角）；選擇照明方式（明場(chǎng)或暗場(chǎng)成像）。（1 1）陰極陰極n又稱燈絲，一般由0.030.1mm鎢絲作成V或Y形狀。（2 2）陽極陽極n加速從陰極發(fā)射出的電子。n為了操作安全，一般是陽極接地，陰極帶有負(fù)高壓。 -50200kV（3 3）控制極控制極n會(huì)聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)像的亮度。n陰極、陽極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能，習(xí)慣通稱為“電子槍”。n電子槍的重要性僅次于物鏡。決定像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品的能力。 (4) (4) 聚光鏡聚光鏡n由于電子之間的斥力和陽極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過陽極后，

4、逐漸變粗，射到試樣上仍然過大。n聚光鏡有增強(qiáng)電子束密度和再次將發(fā)散的電子會(huì)聚起來的作用。n多為磁透鏡，調(diào)節(jié)其電流控制照明亮度、照明孔徑角和束斑大小。陰極控制極陽極電子束聚光鏡試樣聚光鏡聚光鏡n高性能TEM采用雙聚光鏡系統(tǒng)，提高照明效果。2.1.2 成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)n物鏡、中間鏡和投影鏡與樣品室構(gòu)成，作用是安置樣品、放大成像。（1）物鏡n成一次像。n決定透射電鏡的分辨本領(lǐng)，要求它有盡可能高的分辨本領(lǐng)、足夠高的放大倍數(shù)和盡可能小的像差。（1）物鏡）物鏡n通常采用強(qiáng)激磁，短焦距的物鏡。n放大倍數(shù)較高，一般為100300倍。n目前高質(zhì)量物鏡分辨率可達(dá)0.1nm左右。 （2）中間鏡）中間鏡n成二次像。n

5、弱激磁的長焦距變倍透鏡，020倍可調(diào)。（3）投影鏡）投影鏡n短焦距強(qiáng)磁透鏡，最后一級(jí)放大像，最終顯示到熒光屏上，稱為三級(jí)放大成像。n具有很大的場(chǎng)深和焦深。成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)n樣品在物鏡的物平面上，物鏡的像平面是中間鏡的物平面，中間鏡的像平面是投影鏡的物平面，熒光屏在投影鏡的像平面上。n物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)固定，通過改變中間鏡的電流來調(diào)節(jié)電鏡總M。nM越大，成像亮度越低，成像亮度與M2成反比。成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)n高性能TEM大都采用5級(jí)透鏡放大，中間鏡和投影鏡有兩級(jí)。n放大成像操作：中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，熒光屏上得到放大像。n電子衍射操作：中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，得到電子衍射

6、花樣。成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)2.1.3 觀察紀(jì)錄系統(tǒng)觀察紀(jì)錄系統(tǒng)n人眼無法觀測(cè)電子，TEM中的電子信息通過熒光屏和照相底版轉(zhuǎn)換為可觀察圖像。2.2 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)2.2.1 分辨率分辨率n是TEM的最主要性能指標(biāo)，表征電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。n點(diǎn)分辨率：能分辨兩點(diǎn)之間的最短距離n線分辨率：能分辨兩條線之間的最短距離，通過拍攝已知晶體的晶格象測(cè)定，又稱晶格分辨率。2.2.2 放大倍數(shù)放大倍數(shù)n指電子圖像對(duì)于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。n目前高性能TEM的M范圍為80100萬倍。n不僅考慮最高和最低放大倍數(shù)，還要考慮是否覆蓋低倍到高倍的整個(gè)范圍。放大倍數(shù)放大倍數(shù)n電鏡不能將其所分辨的

7、細(xì)節(jié)放大到人眼可辨認(rèn)程度。對(duì)細(xì)節(jié)觀察是用電鏡放大在熒光屏上成像，經(jīng)附帶的立體顯微鏡進(jìn)行聚焦和觀察。n將儀器的最小可分辨距離放大到人眼可分辨距離所需的放大倍數(shù)稱為有效放大倍數(shù)。一般儀器的最大倍數(shù)稍大于有效放大倍數(shù)。放大倍數(shù)放大倍數(shù)式中： 常數(shù) 中間鏡激磁電流，BAIMMMM中投中物總2BA、中ImA說明說明n人眼分辨本領(lǐng)約0.2mm，OM約0.2m。n把0.2m放大到0.2mm的M是1000倍,是有效放大倍數(shù)。nOM分辨率在0.2m時(shí)，有效M是1000倍。nOM的M可以做的更高，但高出部分對(duì)提高分辨率沒有貢獻(xiàn)，僅是讓人眼觀察舒服。2.2.3 加速電壓加速電壓n指電子槍陽極相對(duì)于陰極燈絲的電壓，決

8、定了發(fā)射的電子的和E。n電壓越高，電子束對(duì)樣品的穿透能力越強(qiáng)（厚試樣）、分辨率越高、對(duì)試樣的輻射損傷越小。n普通TEM的最高V一般為100kV和200kV，通常所說的V是指可達(dá)到的最高加速電壓。2.3 樣品制備樣品制備nTEM應(yīng)用的深度和廣度一定程度上取決于試樣制備技術(shù)。n能否充分發(fā)揮電鏡的作用，樣品的制備是關(guān)鍵，必須根據(jù)不同儀器的要求和試樣的特征選擇適當(dāng)?shù)闹苽浞椒?。n電子束穿透固體樣品的能力，主要取決于V和樣品物質(zhì)的Z。一般V越高， Z越低，電子束可以穿透的樣品厚度越大。樣品制備樣品制備n對(duì)于TEM常用的50200kV電子束，樣品厚度控制在100200nm，樣品經(jīng)銅網(wǎng)承載，裝入樣品臺(tái)，放入樣

9、品室進(jìn)行觀察。nTEM樣品制備方法有很多，常用支持膜法、晶體薄膜法、復(fù)型法和超薄切片法4種。2.3.1 支持膜法支持膜法n粉末試樣多采用此方法。n將試樣載在支持膜上，再用銅網(wǎng)承載。n支持膜的作用是支撐粉末試樣，銅網(wǎng)的作用是加強(qiáng)支持膜。支持膜法支持膜法n支持膜材料必須具備的條件： 無結(jié)構(gòu)，對(duì)電子束的吸收不大； 顆粒度小，以提高樣品分辨率； 有一定的力學(xué)強(qiáng)度和剛度，能承受電子束的照射而不變形、破裂。n常用的支持膜材料：火棉膠、碳、氧化鋁、聚乙酸甲基乙烯酯等。n在火棉膠等塑料支持膜上鍍一層碳，提高強(qiáng)度和耐熱性，稱為加強(qiáng)膜。支持膜法支持膜法n支持膜上的粉末試樣要求高度分散，可根據(jù)不同情況選用分散方法：

10、 懸浮法：超聲波分散器將粉末在與其不發(fā)生作用的溶液中分散成懸浮液，滴在支持膜上，干后即可。 散布法：直接撒在支持膜表面，叩擊去掉多余，剩下的就分散在支持膜上。2.3.2 晶體薄膜法晶體薄膜法n塊狀材料多采用此方法。n通過減薄制成對(duì)電子束透明的薄膜樣品。n薄膜樣品制備方法要求： 制備過程中不引起材料組織的變化。 薄，避免薄膜內(nèi)不同層次圖像的重疊，干擾分析。 具有一定的強(qiáng)度。晶體薄膜法晶體薄膜法n薄膜樣品制備步驟： 切?。呵腥”K（厚度0.5mm） 預(yù)減?。河脵C(jī)械研磨、化學(xué)拋光、電解拋光減薄成“薄片”（0.1mm） 終減?。河秒娊鈷伖?、離子轟擊減薄成“薄膜”（500nm）n避免引起組織結(jié)構(gòu)變化，不

11、用或少用機(jī)械方法。終減薄時(shí)去除損傷層。終減薄方法終減薄方法雙噴式電解拋光減薄 離子減薄2.3.3 復(fù)型法復(fù)型法n在電鏡中易起變化的樣品和難以制成薄膜的試樣采用此方法。n用對(duì)電子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來的一種間接樣品制備方法。復(fù)型法復(fù)型法n復(fù)型材料和支持膜材料相同。n表面顯微組織浮雕的復(fù)型膜，只能進(jìn)行形貌觀察和研究，不能研究試樣的成分分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 塑料塑料一級(jí)一級(jí)復(fù)型復(fù)型n樣品上滴濃度為1%的火棉膠醋酸戍酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平，多余的用濾紙吸掉，溶劑蒸發(fā)后樣品表面留下一層100nm左右的塑料薄膜。n分辨率低（1020nm），電

12、子束照射下易分解和破裂。碳碳一級(jí)一級(jí)復(fù)型復(fù)型n樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。把樣品放入配好的分離液中進(jìn)行電解或化學(xué)分離。n分辨率高（25nm），電子束照射下不易分解和破裂，樣品易遭到破壞。 二級(jí)二級(jí)復(fù)型復(fù)型n先一次復(fù)型，然后進(jìn)行二次碳復(fù)型，把一次復(fù)型溶去，得到第二次復(fù)型。n為了增加襯度可在傾斜15-45的方向上噴鍍一層重金屬，如Cr、Au等。塑料塑料- -碳碳二級(jí)二級(jí)復(fù)型復(fù)型n塑料-碳二級(jí)復(fù)型結(jié)合兩種一級(jí)復(fù)型的優(yōu)點(diǎn)。不破壞樣品原始表面；最終復(fù)型碳膜，穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性都很好，電子束照射下不易分解和破裂；分辨率和塑料一級(jí)復(fù)型相當(dāng)。 n適于粗糙表面和斷

13、口的復(fù)型。二級(jí)復(fù)型照片二級(jí)復(fù)型照片二級(jí)復(fù)型照片二級(jí)復(fù)型照片 萃取復(fù)型萃取復(fù)型n用碳膜把經(jīng)過深度侵蝕（溶去部分基體）試樣表面的第二相粒子黏附下來。n既復(fù)制表面形貌，又保持第二相分布狀態(tài)，并可通過電子衍射確定物相。兼顧了復(fù)型膜和薄膜的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)型法復(fù)型法n根據(jù)復(fù)型像分析試樣表面的形貌、結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意復(fù)型方法。n同一試塊，方法不同，得到復(fù)型像和像的強(qiáng)度分布差別很大，根據(jù)選用的方法正確解釋圖像。n復(fù)型觀察斷口比SEM清晰，復(fù)型金相組織和光學(xué)金相組織之間的相似，使復(fù)型電鏡分析技術(shù)至今為人們所采用。2.4 電子衍射電子衍射n按入射電子能量的大小，分為高能電子衍射、低能電子衍射。nTEM中的電子衍射屬于高能電子

14、衍射。2.4.1 電子衍射的特點(diǎn)電子衍射的特點(diǎn)n 恒定的電子束，與晶體材料作用，因相干散射而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，其原理與x射線衍射作用相同，獲得的衍射圖案相似。n遵從衍射產(chǎn)生的必要條件和系統(tǒng)消光規(guī)律。電子衍射與電子衍射與x射線衍射比較射線衍射比較優(yōu)勢(shì)：n電子短，小，入射束、衍射束近乎與衍射晶面平行。使電子衍射分析過程更為簡單，其晶體幾何關(guān)系的研究比x射線衍射要簡單、直觀。n物質(zhì)對(duì)電子的散射作用很強(qiáng)，電子束穿透物質(zhì)的能力下降。電子衍射只適于材料表層或薄膜樣品的結(jié)構(gòu)分析。n能夠在同一試樣上把形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。（可進(jìn)行選區(qū)衍射）電子衍射與電子衍射與x射線衍射比較射線衍射比較不足：n電子束與原子作

15、用散射強(qiáng)度大于x射線的作用，衍射束與透射束強(qiáng)度相當(dāng)，兩者產(chǎn)生交互作用，使得電子衍射線束強(qiáng)度分析復(fù)雜。n薄膜樣品制備復(fù)雜。n分析精度不如x射線衍射。2.4.2 基本公式基本公式n入射電子束 照射到試樣晶面間距為d的晶面族hkl，滿足布拉格方程時(shí)，與入射束交角2方向上得到該晶面族的衍射束。n透射束和衍射束分別與距離晶體為L的照相底板相交，得到透射和衍射斑點(diǎn)。 0I112qd1oo GG RL試樣厄瓦爾德球倒易點(diǎn)陣底板 電子衍射花樣形成示意圖基本公式基本公式n電子衍射花樣中： Q是中心斑點(diǎn) P是hkl晶面族的衍射斑點(diǎn)，二者距離為：n電子很短，電子衍射的2很小，有 q2tgLRqqqsin22sin2

16、tg基本公式基本公式n代入布拉格方程得： 式中：L衍射長度、相機(jī)長度（mm）n一定加速電壓下，值確定，則 式中：K儀器常數(shù)、相機(jī)常數(shù)（nm,mm） LdRLK 基本公式基本公式n如果K已知，則有： nR與 的正比關(guān)系是衍射斑點(diǎn)指數(shù)化的基礎(chǔ)。n可由衍射斑點(diǎn)的R值計(jì)算與該斑點(diǎn)相應(yīng)的晶面（hkl）的d值。RKd dKR d12.4.3 衍射花樣衍射花樣（1）單晶體的斑點(diǎn)花樣n一系列按一定幾何圖形分布、排列規(guī)則的衍射斑點(diǎn)，反映結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。n斑點(diǎn)指數(shù)化：hkl晶面族產(chǎn)生的衍射斑點(diǎn)標(biāo)為hkl n應(yīng)用：確定物相之間的取向關(guān)系； 繞一個(gè)斑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)可確定旋轉(zhuǎn)軸； 通過細(xì)節(jié)分析可弄清缺陷結(jié)構(gòu)。高嶺石的單晶電子衍射

17、譜高嶺石的單晶電子衍射譜c-ZrO2衍射斑點(diǎn)(a)111,(b)011,(c)001,(d)112斑點(diǎn)指數(shù)標(biāo)定斑點(diǎn)指數(shù)標(biāo)定衍射花樣衍射花樣（2）多晶體的環(huán)形花樣n一系列不同半徑的同心圓環(huán)。 圓環(huán)半徑n標(biāo)定：hkl晶面組產(chǎn)生的衍射環(huán)標(biāo)為hkl n應(yīng)用：測(cè)定儀器常數(shù)； 鑒定物相。dLR金的多晶衍射譜金的多晶衍射譜衍射花樣衍射花樣nNiFe多晶納米薄膜的電子衍射衍射花樣衍射花樣n織構(gòu)樣品：弧狀花樣n無定形試樣（準(zhǔn)晶、非晶）：彌散環(huán)。2.4.4 選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射n衍射束經(jīng)物鏡會(huì)聚，在物鏡后焦面成第一級(jí)衍射譜，經(jīng)中間鏡、投影鏡放大在熒光屏上得到最終電子衍射譜。n相機(jī)長度L、相機(jī)常數(shù)K不是固定不變

18、，隨選用的電子衍射方法及操作條件而變。選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射式中： 物鏡焦距 中間鏡及投影鏡總放大倍數(shù)n選擇特定像區(qū)的各級(jí)衍射束成譜(對(duì)樣品中指定區(qū)域進(jìn)行電子衍射) MfL0MfK00fMn你Use double tilting to determine directly a 3D reciprocal lattice圖 六角相Al5FeNi的選區(qū)電子衍射花樣選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射n通過在物鏡的像平面上插入選區(qū)光闌實(shí)現(xiàn)的。n材料研究中，希望弄清很小區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形貌，既要觀察其顯微像（形貌），又要得到其衍射花樣（分析結(jié)構(gòu)）。選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射n衍射狀態(tài)與成像狀態(tài)的變換是通過改變中間鏡的

19、激磁電流實(shí)現(xiàn)的。n先觀察顯微像，再轉(zhuǎn)換到衍射花樣。選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射 透射束 像平面 一次顯微像電子樣品 物鏡 衍射束 背焦面 第一級(jí)衍射花樣 像平面 顯微像調(diào)整中間鏡 I使物平面與物鏡 重合投影鏡熒光屏 背焦面 衍射花樣 2.5 成像操作及像襯度成像操作及像襯度n襯度：試樣不同部位對(duì)入射電子作用不同，經(jīng)成像放大后所顯示的強(qiáng)度差異。n像襯度是圖像上不同區(qū)域明暗程度的差別。nTEM的像襯度與樣品材料自身的組織結(jié)構(gòu)、采用的成像方式和研究內(nèi)容有關(guān)。n了解像襯度的形成機(jī)理，對(duì)具體圖像給予正確解釋是電子顯微分析的前提。像襯度像襯度n分為振幅襯度和相位襯度。n振幅襯度包括質(zhì)量厚度襯度（質(zhì)厚襯度、散射

20、襯度）和衍射襯度。n多數(shù)情況兩種襯度對(duì)同一幅圖像的形成都有貢獻(xiàn)，只是其中之一占主導(dǎo)。2.5.1 明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像nTEM圖像分為顯微像和衍射花樣。前者是透射電子成像，后者為散射電子成像。n明場(chǎng)像（BF）：直射電子成像，像清晰。n暗場(chǎng)像（DF）：散射電子成像，像有畸變、分辨率低。明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像n成像電子的選擇是通過在物鏡的背焦面上插入物鏡光闌來實(shí)現(xiàn)的。n中心暗場(chǎng)像（CDF）：入射電子束對(duì)試樣傾斜照明，得到的暗場(chǎng)像。像不畸變、分辨率高。暗場(chǎng)像明場(chǎng)像2.5.2 質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度n非晶體樣品襯度的主要來源。n樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異形成的。n來源于電子的非相干散射

21、，Z越高，產(chǎn)生散射的比例越大；d增加，將發(fā)生更多的散射。質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度n不同微區(qū)Z和d的差異，使進(jìn)入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子I有差別，形成像的襯度。nZ較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。n圖像上的襯度變化反映了樣品相應(yīng)區(qū)域的原子序數(shù)和厚度的變化。質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度 AB試樣電磁透鏡物鏡光闌IAIBA(IA)B(IB)I0I0質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度n質(zhì)厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V的影響。n選擇大孔徑（較多散射電子參與成像），圖像亮度增加，散射與非散射區(qū)域間的襯度降低。n選擇低電壓（較多電子散射到光闌孔徑外），襯度提高，亮度降低。n支持膜法和萃取復(fù)型，質(zhì)厚襯度圖像比較直觀。2.5.3 衍射襯度衍射襯度n晶體樣品襯度的主要來源。n樣品中各部分滿足衍射條件的程度不同引起。衍射襯度成像就是利用電子衍射效應(yīng)來產(chǎn)生晶體樣品像襯度的方法。n晶體樣品的成像過程中，起決定作用的是晶體對(duì)電