透射電子顯微分析2

1、l第二節(jié)第二節(jié) 透射電子顯微鏡工作原理及構造透射電子顯微鏡工作原理及構造l第五節(jié)第五節(jié) 樣品制備、樣品制備、TEMTEM的典型應用的典型應用l第四節(jié)第四節(jié) 透射電鏡像襯度分析透射電鏡像襯度分析l第三節(jié)第三節(jié) 電子衍射原理及分析電子衍射原理及分析l第一節(jié)第一節(jié) 概述概述成象系統(tǒng)成象系統(tǒng) 這部分有試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。這部分有試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。 （1 1）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。試樣臺承載試樣，移動試樣。 （2 2）物鏡：電鏡的最關鍵的部分，其作用是將來自試樣不同

2、點）物鏡：電鏡的最關鍵的部分，其作用是將來自試樣不同點同方向同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構成含有試樣結構同方向同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構成含有試樣結構信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其象平面上，構成與試樣組織相對應的顯微象。投射散射束會聚于其象平面上，構成與試樣組織相對應的顯微象。投射電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。 物鏡的最短焦距可達物鏡的最短焦距可達1 1毫米，放大倍數約為毫米，放大倍數約為300300倍，最佳分辨本倍，最佳分辨

3、本領可達領可達1 1埃。埃。 為了減小物鏡的球差和提高象的襯度，在物鏡極靴進口表面和為了減小物鏡的球差和提高象的襯度，在物鏡極靴進口表面和物鏡后焦面上還各放一個光闌，物鏡光闌（防止物鏡污染）和襯度物鏡后焦面上還各放一個光闌，物鏡光闌（防止物鏡污染）和襯度光闌（提高襯度）光闌（提高襯度） 在分析電鏡中，使用的皆為雙物鏡加輔助透鏡，試樣置于上下在分析電鏡中，使用的皆為雙物鏡加輔助透鏡，試樣置于上下物鏡之間，上物鏡起強聚光作用，下物鏡起成象放大作用，輔助透物鏡之間，上物鏡起強聚光作用，下物鏡起成象放大作用，輔助透鏡是為了進一步改善場對稱性而加入的。鏡是為了進一步改善場對稱性而加入的。透射電子顯微鏡中

4、，物鏡、中間鏡，投影鏡是以積木方式成像，即上一透鏡的像就是下一透鏡成像時的物，也就是說，上一透鏡的像平面就是下一透鏡的物平面，這樣才能保證經過連續(xù)放大的最終像是一個清晰的像。在這種成像方式中，如果電子顯微鏡是三級成像，那么總的放大倍數就是各個透鏡倍率的乘積。M = M0.Mi.Mp M0-物鏡放大倍率，數值在50-100范圍； Mi-中間鏡放大倍率，數值在0-20范圍； Mp-投影鏡放大倍率，數值在100-150范圍， 調整中間鏡的電流調整中間鏡的電流調整中間鏡的電流調整中間鏡的電流物鏡形成得物鏡形成得衍射譜被中衍射譜被中間鏡和投影間鏡和投影鏡放大到觀鏡放大到觀察屏上面察屏上面衍射斑衍射斑圖象

5、圖象物鏡形成得物鏡形成得圖象被中間圖象被中間鏡和投影鏡鏡和投影鏡放大到觀察放大到觀察屏上面屏上面 透射電鏡需要兩部分電源：透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，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。二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。 電源的穩(wěn)定性電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個極為重要是電鏡性能好壞的一個極為重要的標志。的標志。所以，對供電系統(tǒng)的主要要求是產生高穩(wěn)定的加速電所以，對供電系統(tǒng)的主要要求是產生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。壓和各透鏡的激磁電流。 近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動操作近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動操作程序控制系統(tǒng)和數據處理

6、的計算機系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)和數據處理的計算機系統(tǒng)。供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)l對于對于TEMTEM常用的常用的5050200kV200kV電子束，樣品厚度控制在電子束，樣品厚度控制在100100200nm200nm，樣品經，樣品經銅網銅網承載，裝入樣品臺，放入樣品承載，裝入樣品臺，放入樣品室進行觀察。室進行觀察。lTEMTEM樣品制備方法有很多，常用支持膜法、晶體薄膜法、樣品制備方法有很多，常用支持膜法、晶體薄膜法、復型法和超薄切片法復型法和超薄切片法4 4種。種。l粉末試樣多采用此方法。粉末試樣多采用此方法。l將試樣載在支持膜上，再用銅網承載。將試樣載在支持膜上，再用銅網承載。l支持膜的作用是支撐粉末

7、試樣，銅網的作用是加強支支持膜的作用是支撐粉末試樣，銅網的作用是加強支持膜。持膜。支持膜法支持膜法3mm3mml支持膜材料必須具備的條件：支持膜材料必須具備的條件： 無結構，對電子束的吸收不大；無結構，對電子束的吸收不大； 顆粒度小，以提高樣品分辨率；顆粒度小，以提高樣品分辨率； 有一定的力學強度和剛度，能承受電子束的照射而不有一定的力學強度和剛度，能承受電子束的照射而不變形、破裂。變形、破裂。l常用的支持膜材料：火棉膠、碳、氧化鋁、聚乙酸甲常用的支持膜材料：火棉膠、碳、氧化鋁、聚乙酸甲基乙烯酯等?；蚁サ取在火棉膠等塑料支持膜上鍍一層碳，提高強度和耐熱在火棉膠等塑料支持膜上鍍一層碳，提高

8、強度和耐熱性，稱為加強膜。性，稱為加強膜。l支持膜上的粉末試樣要求高度分散，可根據不同情況支持膜上的粉末試樣要求高度分散，可根據不同情況選用分散方法：選用分散方法： 懸浮法：超聲波分散器將粉末在與其不發(fā)生作用的溶懸浮法：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。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。的就分散在支持膜上。l塊狀材料多采用此方法。塊狀材料多采用此方法。l通過減薄制成對電子束透明的薄膜樣品。通過減薄制成對電子束透明的薄膜樣品。l薄

9、膜樣品制備方法要求：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。制備過程中不引起材料組織的變化。 薄，避免薄膜內不同層次圖像的重疊，干擾分析。薄，避免薄膜內不同層次圖像的重疊，干擾分析。 具有一定的強度。具有一定的強度。晶體薄膜法晶體薄膜法超薄切片法超薄切片法-有機高分子薄膜樣品制備步驟有機高分子薄膜樣品制備步驟： 修剪樣塊修剪樣塊 在液氮中冷凍或還氧樹脂包覆在液氮中冷凍或還氧樹脂包覆 超薄切片機：用金剛石刀或玻璃刀進行超薄切片，薄膜樣超薄切片機：用金剛石刀或玻璃刀進行超薄切片，薄膜樣品一般控制在品一般控制在50nm50nm左右左右雙噴式電解拋光減薄雙噴式電解拋光減薄 離子減薄離子

10、減薄（p158 p158 要求）要求）l無機薄膜樣品制備步驟：無機薄膜樣品制備步驟： 切?。呵腥”K（厚度切取：切取薄塊（厚度0.5mm0.5mm） 預減?。河脵C械研磨、化學拋光、電解拋光減薄成預減?。河脵C械研磨、化學拋光、電解拋光減薄成“薄片薄片”（0.1mm0.1mm） 終減?。河秒娊鈷伖?、離子轟擊減薄成終減?。河秒娊鈷伖?、離子轟擊減薄成“薄膜薄膜”（50nm50nm）l避免引起組織結構變化，不用或少用機械方法。終減避免引起組織結構變化，不用或少用機械方法。終減薄時去除損傷層。薄時去除損傷層。復型的種類復型的種類按復型的制備方法，復型主要分為：按復型的制備方法，復型主要分為： 一級復型一級

11、復型 二級復型二級復型 萃取復型（半直接樣品）萃取復型（半直接樣品）一級碳復型一級碳復型塑料塑料-碳碳 二級復型二級復型1 1）準備工作）準備工作準備工作：金相試樣準備和塑料膜準備工作：金相試樣準備和塑料膜準備準備 金相試樣的制備過程與一般金相試樣的制備過程與一般金相試樣一樣，只是要求更嚴格一金相試樣一樣，只是要求更嚴格一些。些。 塑料膜準備就是預先制備一塑料膜準備就是預先制備一種塑料膜。常用的是種塑料膜。常用的是ACAC紙紙 （醋酸（醋酸纖維素膜）。纖維素膜）。2 2）第一級復型）第一級復型3 3）第二級復型）第二級復型4 4）復型分離）復型分離碳膜碳膜ACAC紙復型紙復型ACAC紙噴碳紙噴

12、碳ACAC紙溶掉紙溶掉碳膜碳膜試樣試樣萃取復型法萃取復型法（半直接樣品）（半直接樣品） 萃取復型法是選擇一種侵蝕劑，只侵蝕基萃取復型法是選擇一種侵蝕劑，只侵蝕基體而不侵蝕第二相，結果在金相試樣的磨面上體而不侵蝕第二相，結果在金相試樣的磨面上第二相凸起。第二相凸起。a split polepieceobjective lensholderbeam Heating and strainingTwin specimen holderDouble tilt heating旋轉旋轉, , 傾斜傾斜, , 加熱加熱, , 冷卻冷卻 和和 拉伸拉伸TEMTEM顯微像有兩種：透射電子成像，散射電子顯微像有兩種

13、：透射電子成像，散射電子成像。成像。l明場像（明場像（BFBF）：透射電子成像，像清晰。）：透射電子成像，像清晰。l暗場像（暗場像（DFDF）：散射電子成像，像有畸變、分辨率低。）：散射電子成像，像有畸變、分辨率低。l中心暗場像（中心暗場像（CDFCDF）：入射電子束對試樣傾斜照明，得到的）：入射電子束對試樣傾斜照明，得到的暗場像。像不畸變、分辨率高。暗場像。像不畸變、分辨率高。明場像和暗場像明場像和暗場像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現(xiàn)的。實現(xiàn)的。 Objective aperture C-filmamorphouscr

14、ystalDTBF imageC-filmcrystalDTC-filmcrystalDF imageDiffraction + mass-thickness ContrastObjective apertureDDF CDFBeam tiltT-transmittedD-diffractedHole in OAOAOATEMTEM顯微圖像的襯度分析顯微圖像的襯度分析襯度襯度位相襯度位相襯度質厚襯度質厚襯度衍射襯度衍射襯度l 襯度（contrast）定義：兩個相臨部分的電子束強度差l對于光學顯微鏡，襯度來源是材料各部分對于光學顯微鏡，襯度來源是材料各部分反射光反射光的能力不的能力不同。同。l

15、當電子逸出試樣下表面時，由于試樣對電子束的作用，當電子逸出試樣下表面時，由于試樣對電子束的作用，使得透射到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻使得透射到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻的電子象稱為的電子象稱為襯度像襯度像。1121IIIIICl電子束通過厚度分別為電子束通過厚度分別為t1和和t2的試樣，則襯度與原子序的試樣，則襯度與原子序數數Z，密度，密度 ，厚度，厚度t有關。用小的光闌（有關。用小的光闌（?。┬。┮r度大；襯度大；降低電壓降低電壓V，能提供高襯度，能提供高襯度 （ A A2 2. A. A1 1-試樣原子量）試樣原子量） N0 - 阿佛加德羅常數）)(1112122

16、2222220AtZAtZVeNCn明場像中，較厚或者質量較高的區(qū)域，暗一些；明場像中，較厚或者質量較高的區(qū)域，暗一些； 暗場像則相反暗場像則相反。l非晶體樣品襯度的主要來源。非晶體樣品襯度的主要來源。l樣品不同微區(qū)存在原子序數和厚度的差異形成的。樣品不同微區(qū)存在原子序數和厚度的差異形成的。l來源于電子的非相干散射，來源于電子的非相干散射，Z Z越高，產生散射的比例越高，產生散射的比例越大；厚度越大；厚度d d增加，將發(fā)生更多的散射。增加，將發(fā)生更多的散射。l不同微區(qū)不同微區(qū)Z Z和和d d的差異，使進入物鏡光闌并聚焦于像平的差異，使進入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子的強度有差別，形成像的襯

17、度。面的散射電子的強度有差別，形成像的襯度。lZ Z較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。l圖像上的襯度變化反映了樣品相應區(qū)域的原子序數和圖像上的襯度變化反映了樣品相應區(qū)域的原子序數和厚度的變化。厚度的變化。( (例例 p150 p150 圖圖3-43)3-43)質厚襯度質厚襯度質厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速質厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V V的影響。的影響。l選擇選擇大孔徑大孔徑（較多散射電子參與成像），圖像亮（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。度增加，散射與非散射區(qū)域間的襯度降低。l選擇選擇低電壓低電壓（較多電子散射到

18、光闌孔徑外），襯（較多電子散射到光闌孔徑外），襯度提高，亮度降低。度提高，亮度降低。l晶體樣品襯度的主要來源。晶體樣品襯度的主要來源。l樣品中各部分滿足衍射條件的程度不同引起。衍射襯度成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來產生晶體樣品像襯度的方法。像就是利用電子衍射效應來產生晶體樣品像襯度的方法。l晶體樣品的成像過程中，起決定作用的是晶體對電子的衍晶體樣品的成像過程中，起決定作用的是晶體對電子的衍射。試樣內各晶面取向不同，各處衍射束射。試樣內各晶面取向不同，各處衍射束I I差異形成襯度。差異形成襯度。l假設樣品由顆粒假設樣品由顆粒A A、B B組成，強度組

19、成，強度I I0 0入射電子照射樣品，入射電子照射樣品，B B的的(hkl)(hkl)面與入射束滿足布拉格方程，產生衍射束面與入射束滿足布拉格方程，產生衍射束I I，忽略其，忽略其它效應（吸收），其透射束為：它效應（吸收），其透射束為：l晶粒晶粒A A與入射束不滿足布拉格方程，其衍射束與入射束不滿足布拉格方程，其衍射束I=0 I=0 ，透射束，透射束 I IA A=I=I0 0衍射襯度衍射襯度IIIB0l若成若成明場像明場像 I IB BIIA A （I I0 0-II-IIIA A （I 0I 0） 圖像中圖像中B B亮、亮、A A暗暗。l晶體厚度均勻、無缺陷晶體厚度均勻、無缺陷，（，（hk

20、lhkl）滿足布拉）滿足布拉格條件，晶面組在各處滿足條件的程度相格條件，晶面組在各處滿足條件的程度相同，無論明場像還是暗場像，同，無論明場像還是暗場像，均看不到襯均看不到襯度度。l存在缺陷，周圍晶面發(fā)生畸變，這組晶面存在缺陷，周圍晶面發(fā)生畸變，這組晶面在樣品的不同部位滿足布拉格條件程度不在樣品的不同部位滿足布拉格條件程度不同，會產生襯度，得到衍襯像。同，會產生襯度，得到衍襯像。Disk specimenthicknessthinnerthicker12345678G.B. . . . . High mass LowmassTTSSSBright Dark StrongdiffractionWe

21、ak diffraction8 grains are in different orientationsor different diffraction conditionsthicknessfringes明場像明場像d dL L樣品樣品22Ld22LdLn干涉條件干涉條件它是讓多束衍射光束穿過物鏡光闌彼此相干成象，它它是讓多束衍射光束穿過物鏡光闌彼此相干成象，它追求的是試樣小原子及其排列狀態(tài)的直接顯示。追求的是試樣小原子及其排列狀態(tài)的直接顯示。 采用大孔徑物鏡光闌，使得透射電子束和衍射電子采用大孔徑物鏡光闌，使得透射電子束和衍射電子束同時通過。像襯度由其間的干涉得出。束同時通過。像襯度由其間

22、的干涉得出。 l電子衍射已成為當今研究物質微觀結構的重要手段電子衍射已成為當今研究物質微觀結構的重要手段，是電子顯微學的重要分支。，是電子顯微學的重要分支。l電子衍射可在電子衍射儀或電子顯微鏡中進行。電電子衍射可在電子衍射儀或電子顯微鏡中進行。電子衍射分為低能電子衍射和高能電子衍射，前者電子衍射分為低能電子衍射和高能電子衍射，前者電子加速電壓較低（子加速電壓較低（1010500V500V），電子能量低。電子），電子能量低。電子的波動性就是利用低能電子衍射得到證實的。目前的波動性就是利用低能電子衍射得到證實的。目前，低能電子衍射廣泛用于表面結構分。高能電子衍，低能電子衍射廣泛用于表面結構分。高能

23、電子衍射的加速電壓射的加速電壓100kV100kV，電子顯微鏡中的電子衍射就，電子顯微鏡中的電子衍射就是高能電子衍射是高能電子衍射 l普通電子顯微鏡的普通電子顯微鏡的“寬束寬束”衍射（束斑直徑衍射（束斑直徑1m1m）只能得到較大體積內的統(tǒng)計平均信息，而微束衍）只能得到較大體積內的統(tǒng)計平均信息，而微束衍射可研究分析材料中亞納米尺度顆料、單個位錯、射可研究分析材料中亞納米尺度顆料、單個位錯、層錯、疇界面和無序結構，可測定點群和空間群。層錯、疇界面和無序結構，可測定點群和空間群。l電子衍射的優(yōu)點是可以原位同時得到微觀形貌電子衍射的優(yōu)點是可以原位同時得到微觀形貌和結構信息，并能進行對照分析。電子顯微鏡

24、和結構信息，并能進行對照分析。電子顯微鏡物鏡背焦面上的衍射像常稱為電子衍射花樣。物鏡背焦面上的衍射像常稱為電子衍射花樣。電子衍射作為一種獨特的結構分析方法，在材電子衍射作為一種獨特的結構分析方法，在材料科學中得到廣泛應用，主要有以下三個方面料科學中得到廣泛應用，主要有以下三個方面：l（1 1）物相分析和結構分析；）物相分析和結構分析；l（2 2）確定晶體位向；）確定晶體位向；l（3 3）確定晶體缺陷的結構及其晶體學特征。）確定晶體缺陷的結構及其晶體學特征。l電子衍射的原理和電子衍射的原理和X X射線衍射相似，是以滿射線衍射相似，是以滿足（或基本滿足）布拉格方程作為產生衍足（或基本滿足）布拉格方

25、程作為產生衍射的必要條件。射的必要條件。l兩種衍射技術得到的衍射花樣在幾何特征兩種衍射技術得到的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)，單晶衍射花一系列不同半徑的同心圓環(huán)，單晶衍射花樣由排列得十分整齊的許多斑點所組成，樣由排列得十分整齊的許多斑點所組成，而非晶體物質的衍射花樣只有一個漫散的而非晶體物質的衍射花樣只有一個漫散的中心斑點中心斑點 acSingle crystal Fe (BCC) thin film-001Polycrystalline thin film of Pd2SiAmorphous thin fi

26、lm of Pd2Si. The diffusehalo is indicative of scattering from anamorphous material.lNiFe多晶納米薄膜的電子衍射l首先，電子波的波長比首先，電子波的波長比X射線短得多，在同樣滿足布拉射線短得多，在同樣滿足布拉格條件時，它的衍射角格條件時，它的衍射角很小，約為很小，約為10-2rad。而。而X射線射線產生衍射時，其衍射角最大可接近產生衍射時，其衍射角最大可接近90度（德拜相機）。度（德拜相機）。l物質對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為物質對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射射線一萬倍，曝光時間短；

27、線一萬倍，曝光時間短；l電子波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點電子波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影，從底片上的電陣的一個二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結構和有關子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結構和有關取向關系，使晶體結構的研究比取向關系，使晶體結構的研究比X射線簡單。射線簡單。l電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產生交互作用，另外，由于晶體樣品很薄，造成產生交互作用，另外，由于晶體樣品很薄，造成倒易點陣點發(fā)生形變，使得本不能出現(xiàn)衍射的晶倒易點陣點

28、發(fā)生形變，使得本不能出現(xiàn)衍射的晶面也能產生衍射，使電子衍射花樣，特別是強度面也能產生衍射，使電子衍射花樣，特別是強度分析變得復雜，不能象分析變得復雜，不能象X X射線那樣從測量衍射強射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結構。度來廣泛的測定結構。l此外，由于試樣薄，使試樣制備工作較此外，由于試樣薄，使試樣制備工作較X X射線復射線復雜；在精度方面也遠比雜；在精度方面也遠比X X射線低。射線低。l電子衍射花樣中：電子衍射花樣中：Q Q是中心斑點是中心斑點 P P是是hklhkl晶面族的衍射晶面族的衍射斑點，二者距離為：斑點，二者距離為：電子電子很短，電子衍射的很短，電子衍射的2 2很小，有很小，有 LdR2r0tgf sin22sin2tgrf0rd = f0代入布拉格方程得：代入布拉格方程得：R = rMiMpRd = f0