高分辨透射電子顯微術(shù)

1、1第二篇 材料電子顯微分析第八章 電子光學基礎(chǔ)第九章 透射電子顯微鏡第十章 電子衍射第十一章 晶體薄膜衍襯成像分析第十二章 高分辨透射電子顯微術(shù)第十三章 掃描電子顯微鏡第十四章 電子背散射衍射分析技術(shù)第十五章 電子探針顯微分析第十六章 其他顯微結(jié)構(gòu)分析方法2 高分辨電子顯微術(shù)是材料原子級別顯微組織結(jié)構(gòu)的相位高分辨電子顯微術(shù)是材料原子級別顯微組織結(jié)構(gòu)的相位襯度顯微術(shù)，利用該技術(shù)可使大多數(shù)晶體材料中的原子串成襯度顯微術(shù)，利用該技術(shù)可使大多數(shù)晶體材料中的原子串成像，稱為像，稱為高分辨像高分辨像圖圖12-1為面心立方結(jié)構(gòu)的為面心立方結(jié)構(gòu)的Si晶體沿晶體沿0 0 1方向的高分辨像，其方向的高分辨像，其中

2、白色亮點為中白色亮點為Si 原子串的投影位置原子串的投影位置 第十二章 高分辨透射電子顯微術(shù)3第十二章 高分辨透射電子顯微術(shù)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 高分辨透射電子顯微鏡的高分辨透射電子顯微鏡的 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征第二節(jié)第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理高分辨電子顯微像的原理第三節(jié)第三節(jié) 高分辨透射電子顯微鏡在高分辨透射電子顯微鏡在 材料科學中的應(yīng)用材料科學中的應(yīng)用4透射電子顯微鏡按其功能特點和主要用途可分為：透射電子顯微鏡按其功能特點和主要用途可分為：生物型生物型 特點是提供高襯度，加速電壓一般低于特點是提供高襯度，加速電壓一般低于120kV，主，主 要用于生物、醫(yī)學領(lǐng)域要用于生物、醫(yī)

3、學領(lǐng)域分析型分析型 特點是樣品臺具有較大的傾角，特點是樣品臺具有較大的傾角， 加速電壓要高于加速電壓要高于 120kV，此外要有配備，此外要有配備 EDS 等附件的能力，等附件的能力， 可實可實 現(xiàn)微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的原位分析，主現(xiàn)微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的原位分析，主 要用于材料科學、物理、化學等領(lǐng)域要用于材料科學、物理、化學等領(lǐng)域高分辨型高分辨型 特點是具有高分辨率，點分辨率應(yīng)優(yōu)于特點是具有高分辨率，點分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2nm， 用于觀察和分析用于觀察和分析晶體缺陷、晶體缺陷、 微疇、微疇、 界面及表面界面及表面 處的原子排列，處的原子排列，加速電壓在加速電壓在200kV或以上

4、，應(yīng)用或以上，應(yīng)用 領(lǐng)域與分析型電鏡相同領(lǐng)域與分析型電鏡相同上述三類電鏡主要因物鏡極靴結(jié)構(gòu)的差別，上述三類電鏡主要因物鏡極靴結(jié)構(gòu)的差別， 從而使物鏡球從而使物鏡球差系數(shù)差系數(shù)CS不同，減小不同，減小CS是提高分辨率的途徑之一是提高分辨率的途徑之一第一節(jié) 高分辨透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)特征5一、樣品透射函數(shù)一、樣品透射函數(shù)用樣品用樣品透射函數(shù)透射函數(shù)q(x,y)，以描述樣品對入射電子波的散射，以描述樣品對入射電子波的散射 q(x, y) = A(x, y)expit(x, y) (12-2)式中，式中，A(x, y)是振幅，且是振幅，且 A(x, y) = 1為單一值；為單一值； t(x, y)是相

5、是相位，樣品足夠薄時，有位，樣品足夠薄時，有 (12-8)式中，式中， = / E為相互作用常數(shù)。上式表明，總的相位移動為相互作用常數(shù)。上式表明，總的相位移動僅依賴于晶體的勢函數(shù)僅依賴于晶體的勢函數(shù)V(x, y, z)。忽略極小的吸收效應(yīng)，則。忽略極小的吸收效應(yīng)，則 q(x, y) = 1 + i Vt(x, y) (12-10)這就是這就是弱相位體近似弱相位體近似， 弱相位體近似表明，弱相位體近似表明， 對于非常薄的對于非常薄的樣品，樣品， 透射函數(shù)與晶體的投影勢呈線性關(guān)系，透射函數(shù)與晶體的投影勢呈線性關(guān)系， 且僅考慮晶且僅考慮晶體沿體沿z方向的二維投影勢方向的二維投影勢Vt(x, y) 第

6、二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理),(),(yxVdzzyxVt6二、襯度傳遞函數(shù)二、襯度傳遞函數(shù)電子波經(jīng)過物鏡在其背焦面上形成衍射花樣的過程，可用襯電子波經(jīng)過物鏡在其背焦面上形成衍射花樣的過程，可用襯度傳遞函數(shù)表示度傳遞函數(shù)表示 A(u) = R(u) expi (u) B(u) C( u ) (12-11)式中式中, u 是倒易矢量；是倒易矢量； R是物鏡光闌函數(shù)；是物鏡光闌函數(shù)；B和和C分別是照分別是照明明束發(fā)散度和色差效應(yīng)引起的衰減包絡(luò)函數(shù)；束發(fā)散度和色差效應(yīng)引起的衰減包絡(luò)函數(shù)； 是相位差是相位差 (u) = f u2 + 0.5 Cs 3u4 (12-12) 物鏡球差系數(shù)物鏡球差系數(shù)Cs

7、和離焦量和離焦量 f 是影響是影響sin 的兩個主要因素的兩個主要因素在最佳欠焦條件下在最佳欠焦條件下, sin 曲線上絕對值為曲線上絕對值為 1 的平臺的平臺 (通帶通帶) 最最寬，稱此為寬，稱此為Scherzer欠焦條件，欠焦條件，此時點分辨率最佳此時點分辨率最佳 sin 能否在倒易空間一個較寬的范圍內(nèi)接近于能否在倒易空間一個較寬的范圍內(nèi)接近于 1，是成像是成像最最佳與否的關(guān)鍵條件佳與否的關(guān)鍵條件 第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理7二、襯度傳遞函數(shù)二、襯度傳遞函數(shù) JEM 2010透射電鏡在加速電壓為透射電鏡在加速電壓為200kV、Cs = 0.5mm、 f = 43.3nm(最佳欠焦條件最

8、佳欠焦條件)時，時， 其其sin 函數(shù)見圖函數(shù)見圖12-2，點點分辨率為分辨率為0.19nm (曲線與橫軸的交點曲線與橫軸的交點u = 5.25nm-1處處)第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理8第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理三、相位襯度三、相位襯度 電子波穿過晶體后，攜帶著樣品的結(jié)構(gòu)信息，再經(jīng)過物電子波穿過晶體后，攜帶著樣品的結(jié)構(gòu)信息，再經(jīng)過物鏡聚焦，在物鏡背焦面上形成衍射花樣，因透射束與衍射束鏡聚焦，在物鏡背焦面上形成衍射花樣，因透射束與衍射束相互干涉在的結(jié)果，最終在物鏡像上平面形成相互干涉在的結(jié)果，最終在物鏡像上平面形成的高分辨像的高分辨像 如圖如圖12-3所示所示9第二節(jié) 高分辨電子顯微像的

9、原理三、相位襯度三、相位襯度 電子波電子波q(x, y)經(jīng)過物鏡在背焦面形成電子衍射圖經(jīng)過物鏡在背焦面形成電子衍射圖Q(x, y) Q(u, v)=Fq(x, y)A(u, v) (12-13)式中，式中， F 為為Fourier變換。變換。 Q(u, v)再經(jīng)一次再經(jīng)一次Fourier變換，在變換，在像平面上可重建放大的高分辨像像平面上可重建放大的高分辨像 。像平面上的強度分布。像平面上的強度分布 I(x, y) = 1 2 Vt(x, y)Fsin (u, v) RBC (12-15)式中，式中， 表示卷積運算。如不考慮表示卷積運算。如不考慮RBC的影響，像的襯度為的影響，像的襯度為 C(

10、x, y) = I(x, y) 1 = 2 Vt(x, y) F sin (u, v) (12-16)當當sin = 1時時, C(x, y) = 2 Vt(x, y) (12-17) 像襯度與晶體的投影勢成正比像襯度與晶體的投影勢成正比，可反映樣品的真實結(jié)構(gòu)，可反映樣品的真實結(jié)構(gòu) 10四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響 只有在只有在弱相位體近似及最佳欠焦條件弱相位體近似及最佳欠焦條件下拍攝的高分辨像下拍攝的高分辨像才能才能正確反映晶體結(jié)構(gòu)正確反映晶體結(jié)構(gòu)。但實際上弱相位體近似的要求很難。但實際上弱相位體近似的要求很難滿足滿足當不滿足弱相位體近似條件時，盡管仍

11、然可獲得清晰的高分當不滿足弱相位體近似條件時，盡管仍然可獲得清晰的高分辨像，但像襯度與晶體結(jié)構(gòu)投影已不存在一一對應(yīng)關(guān)系辨像，但像襯度與晶體結(jié)構(gòu)投影已不存在一一對應(yīng)關(guān)系隨離焦量和試樣厚度的改變，會出現(xiàn)圖像襯度反轉(zhuǎn)；像點分隨離焦量和試樣厚度的改變，會出現(xiàn)圖像襯度反轉(zhuǎn)；像點分布規(guī)律也會發(fā)生變化布規(guī)律也會發(fā)生變化 由圖由圖12-4可看出，隨欠焦量和厚度的改變，可看出，隨欠焦量和厚度的改變， 像點分布規(guī)律像點分布規(guī)律發(fā)發(fā)生了明顯變化。只有生了明顯變化。只有(欠焦量，厚度欠焦量，厚度)為為(-192, 14)、(-194, 12)(-196, 10)、(-198, 8)、(-200, 6)、 (-202,

12、 4)等條件下，等條件下， 亮點才亮點才代表代表第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理11四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理46810121416190192194196198200202204欠焦量（欠焦量（nm）樣品厚度（單胞數(shù)）樣品厚度（單胞數(shù)）12四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響 圖圖12-5所示為所示為Nb2O5單晶在相同欠焦量下，不同試樣厚單晶在相同欠焦量下，不同試樣厚度區(qū)域的高分辨照片?？梢钥闯鰪脑嚇舆吘壍絻?nèi)部，度區(qū)域的高分辨照片。可以看出從試樣邊緣到內(nèi)部， 因厚因厚度不均勻引起的圖像襯度

13、區(qū)域性變化度不均勻引起的圖像襯度區(qū)域性變化 第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理13五、電子束傾斜、樣品傾斜對像襯度的影響五、電子束傾斜、樣品傾斜對像襯度的影響 電子束傾斜和樣品傾斜均會影響高分辨像襯度，電子束電子束傾斜和樣品傾斜均會影響高分辨像襯度，電子束輕微傾斜，將在衍射束中引入不對稱的相位移動輕微傾斜，將在衍射束中引入不對稱的相位移動 圖圖12-6所示為所示為 Ti2Nb10O29 樣品厚度為樣品厚度為7.6 nm時的高分辨模擬時的高分辨模擬像。圖中清楚表明，電子束或樣品即使是輕微傾斜，對高分像。圖中清楚表明，電子束或樣品即使是輕微傾斜，對高分辨像襯度也會產(chǎn)生較明顯影響辨像襯度也會產(chǎn)生較明顯影

14、響第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理樣品傾斜樣品傾斜 / mrad電子束傾斜電子束傾斜 / mrad14六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬l 主要應(yīng)用主要應(yīng)用1) 解釋實驗獲得的高分辨像解釋實驗獲得的高分辨像2) 通過通過模擬像和實驗像的匹配，確認未知的晶體結(jié)構(gòu)模擬像和實驗像的匹配，確認未知的晶體結(jié)構(gòu)3) 獲得某些在實驗中不能觀察到的現(xiàn)象獲得某些在實驗中不能觀察到的現(xiàn)象l 模擬方法模擬方法主要由主要由Bloch波和多片層兩種方法波和多片層兩種方法l 主要步驟主要步驟1) 建立晶體或缺陷的結(jié)構(gòu)模型建立晶體或缺陷的結(jié)構(gòu)模型2) 入射電子束穿過晶體層的傳播入射電子束穿過晶體層的傳播 3)

15、電鏡光學系統(tǒng)對散射波的傳遞電鏡光學系統(tǒng)對散射波的傳遞 4) 模擬像與實驗像的定量比較模擬像與實驗像的定量比較 第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理15六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 Bloch波法直接求解與時間無關(guān)的波法直接求解與時間無關(guān)的Schrdinger方程，主方程，主要用于小型完整單胞的模擬計算；要用于小型完整單胞的模擬計算；多片層法基于物理光學多片層法基于物理光學近似，近似，其過程可用其過程可用Rayleigh-Sommerfeld衍射公式的衍射公式的Fresnel近似描述近似描述(圖圖12-7)，第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理16六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計

16、算機模擬第二節(jié) 高分辨電子顯微像的原理a)d)b)c)e)f)4nm4nm4nm實驗像實驗像 模擬像模擬像17 材料的微觀結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)，對材料的物理、化學和力材料的微觀結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)，對材料的物理、化學和力學性質(zhì)有重要影響。利用高分辨電子顯微術(shù)，可以在原子尺學性質(zhì)有重要影響。利用高分辨電子顯微術(shù)，可以在原子尺度對材料微觀結(jié)構(gòu)和缺陷進行研究，其應(yīng)用主要包括度對材料微觀結(jié)構(gòu)和缺陷進行研究，其應(yīng)用主要包括1) 晶體缺陷結(jié)構(gòu)的研究晶體缺陷結(jié)構(gòu)的研究2) 界面結(jié)構(gòu)的研究界面結(jié)構(gòu)的研究3) 表面結(jié)構(gòu)的研究表面結(jié)構(gòu)的研究4) 各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究下面給出一些典型的高分辨像，用圖示說明高分辨

17、透射電鏡下面給出一些典型的高分辨像，用圖示說明高分辨透射電鏡在材料原子尺度顯微組織結(jié)構(gòu)、表面與界面以及納米粉末結(jié)在材料原子尺度顯微組織結(jié)構(gòu)、表面與界面以及納米粉末結(jié)構(gòu)等分析研究中的應(yīng)用構(gòu)等分析研究中的應(yīng)用 第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用18六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 圖圖12-10為沿為沿 和和 -Si3N4相相c軸方向的高分辨結(jié)構(gòu)像，照軸方向的高分辨結(jié)構(gòu)像，照片中的暗點對應(yīng)于原子的位置片中的暗點對應(yīng)于原子的位置 第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用19六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬如圖如圖12-11，大暗點對應(yīng)，大暗點對應(yīng)Tl、Ba重原子位置，小暗點對應(yīng)重原

18、子位置，小暗點對應(yīng)Cu原子位置原子位置第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用20六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 如圖如圖12-12所示，在所示，在InAs和和InAsSb界面處可明顯觀察到界面處可明顯觀察到有刃型位錯存在，位置見圖中箭頭處有刃型位錯存在，位置見圖中箭頭處第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用21六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 如圖如圖12-13 所示，所示，A、B處各有一韌型位錯，處各有一韌型位錯，AB間夾著間夾著一片層錯，稱一片層錯，稱Z字形層錯偶極子字形層錯偶極子第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用22六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 如圖如圖12-14，Si顆粒中存在顆粒中存在A, B, C, D, E五次孿晶，五次孿晶，Al 的的 110方向與方向與Si的的110方向平行方向平行第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用23六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 由圖由圖12-15可說明，可說明，第三節(jié) 高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用24六、高分辨像的計算機模擬六、高分辨像的計算機模擬 由圖由圖12-16 可見，可見， 相相 與與 相相(100)面的點陣直接結(jié)面的點陣直接結(jié)合，界面處無非晶層，且相界面為穩(wěn)定界面與合，界面處無非晶層，且相界面為穩(wěn)定界面與(