材料研究方法 (7)

1、材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-274.2.4 透射電鏡象襯形成原理透射電鏡象襯形成原理 (一一) 質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度 1. 原子核和核外電子對(duì)入射電子的散射 經(jīng)典理論認(rèn)為散射是入射電子在靶物質(zhì)粒子場(chǎng)中受力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。采用散射截面的模型處理散射問(wèn)題，即設(shè)想在靶物質(zhì)中每一個(gè)散射元（一個(gè)電子或原子核）周圍有一個(gè)面積為 的圓盤，圓盤面垂直于入射電子束，并且每個(gè)入射電子射中一個(gè)圓盤就發(fā)生偏轉(zhuǎn)而離開原入射方向；未射中圓盤的電子則不受影響直接通過(guò)。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27

2、核外電子原子核散射截面模型材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27p 原子核對(duì)入射電子的散射是彈性散射，而核外電子對(duì)入射電子的散射是非彈性散射。 透射電鏡主要是利用前者進(jìn)行成像，而后者則構(gòu)成圖像背景，從而降低了圖像襯度，對(duì)圖像分析不利，可用電子過(guò)濾器將其除去。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-273. 質(zhì)厚襯度原理 設(shè)電子束射到一個(gè)原子量為M、原子序數(shù)為 Z、密度為 和厚度為 t 的樣品上，若入射電子數(shù)為 n，通過(guò)厚度為 dt 后不參與成象的電子數(shù)為 dn，則入射電子散射率為tMNnnAdd0材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM

3、2022-5-27 實(shí)際上，實(shí)際上，NA0dt/M是單位面積上、厚度為是單位面積上、厚度為dt的晶的晶體總散射截面。將上式積分，得：體總散射截面。將上式積分，得：式中式中 N0 為入射電子總數(shù)（即為入射電子總數(shù)（即 t=0 時(shí)的時(shí)的 n 值），值），N 為最為最后參與成像的電子數(shù)。后參與成像的電子數(shù)。MtNNNA00exp材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 當(dāng)其他條件相同時(shí)，像的質(zhì)量決定于襯度（像中各部分的亮度差異）。 現(xiàn)在討論的這種差異是由于相鄰部位原子對(duì)入射電子散射能力不同，因而通過(guò)物鏡光闌參與成像的電子數(shù)也不同形成的。材料研究方法材料研究方法 SEM an

4、d TEM2022-5-27質(zhì)厚襯度表達(dá)式：質(zhì)厚襯度表達(dá)式： 令令 N1 為為 A 區(qū)樣品單位面積參與成像的電子數(shù)，區(qū)樣品單位面積參與成像的電子數(shù)，N2為為 B 區(qū)樣品單位面積參與成像的電子數(shù)，則區(qū)樣品單位面積參與成像的電子數(shù)，則 A、B 兩兩區(qū)的電子襯度區(qū)的電子襯度 G 為為1110122202121exp1MtMtNNNNGA材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27將上式展成級(jí)數(shù)，并略去二級(jí)及其以后的各項(xiàng)，得：將上式展成級(jí)數(shù)，并略去二級(jí)及其以后的各項(xiàng)，得： 將將 t 稱為質(zhì)量厚度。稱為質(zhì)量厚度。1110122202MtMtNGA材料研究方法材料研究方法 SEM a

5、nd TEM2022-5-27 對(duì)于大多數(shù)復(fù)型來(lái)說(shuō)，因其是用同一種材料做的，對(duì)于大多數(shù)復(fù)型來(lái)說(shuō)，因其是用同一種材料做的，上式可寫為上式可寫為 即襯度即襯度G取決于質(zhì)量厚度取決于質(zhì)量厚度 t ，這就是所謂質(zhì)量厚，這就是所謂質(zhì)量厚度襯度度襯度(簡(jiǎn)稱質(zhì)厚襯度簡(jiǎn)稱質(zhì)厚襯度)的來(lái)源。實(shí)際上，這里的來(lái)源。實(shí)際上，這里G僅與厚僅與厚度有關(guān)，即度有關(guān)，即120ttMNGAtG材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27B BA AA材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-274.2.6 TEM像襯形成原理像襯形成原理 (二二)衍射襯度衍射襯度所謂所謂“衍襯衍襯”，是

6、指晶體中各部分因滿足衍射，是指晶體中各部分因滿足衍射條件條件 (Bragg方程方程) 的程度不同而引起的襯度，它是利的程度不同而引起的襯度，它是利用電子衍射效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生晶體樣品像襯度的一種方法用電子衍射效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生晶體樣品像襯度的一種方法。 材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 假設(shè)薄晶樣品由兩顆粒假設(shè)薄晶樣品由兩顆粒A、B組成，以強(qiáng)度為組成，以強(qiáng)度為I0 的入射電子束打到樣品上，其中的入射電子束打到樣品上，其中B 樣品（樣品（hkl）面與入射束符合面與入射束符合Bragg方程，產(chǎn)生衍射束方程，產(chǎn)生衍射束I，若忽，若忽略其他效應(yīng)，其透射束為略其他效應(yīng)，其透射束為 IB

7、 = I0 - I材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 而而A晶粒與入射束不符合布喇格方程，衍射束晶粒與入射束不符合布喇格方程，衍射束I = 0，透射束，透射束IAI0。若在物鏡背焦面上插進(jìn)一只。若在物鏡背焦面上插進(jìn)一只足夠小的光闌，把足夠小的光闌，把B晶粒的晶粒的 (hkl) 面衍射束擋掉，面衍射束擋掉，而只讓透射束通過(guò)，即只讓透射束參與成象，就而只讓透射束通過(guò)，即只讓透射束參與成象，就可以得到明場(chǎng)像。因?yàn)榭梢缘玫矫鲌?chǎng)像。因?yàn)?IBIA，對(duì)應(yīng)于，對(duì)應(yīng)于 B 晶粒的晶粒的像強(qiáng)度將比像強(qiáng)度將比 A 晶粒的像強(qiáng)度來(lái)得低，晶粒的像強(qiáng)度來(lái)得低，B 晶粒將表晶粒將表現(xiàn)為暗的

8、襯度?，F(xiàn)為暗的襯度。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27明場(chǎng)成像明場(chǎng)成像 暗場(chǎng)成像暗場(chǎng)成像衍襯效應(yīng)光路圖衍襯效應(yīng)光路圖材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 若將未發(fā)生衍射的若將未發(fā)生衍射的 A 晶粒的像強(qiáng)度晶粒的像強(qiáng)度 IA 作為像的作為像的背景像強(qiáng)度背景像強(qiáng)度 I，則，則 B 晶粒的像襯度為晶粒的像襯度為 (I/I)B =（IA-IB）/IA=I /I0 這就是衍射襯度明場(chǎng)成像原理的最簡(jiǎn)單表式達(dá)。這就是衍射襯度明場(chǎng)成像原理的最簡(jiǎn)單表式達(dá)。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 若將一個(gè)足夠小的光闌插到物鏡

9、背焦平面上，將若將一個(gè)足夠小的光闌插到物鏡背焦平面上，將某一個(gè)衍射斑點(diǎn)套住，只允許與此斑點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的衍某一個(gè)衍射斑點(diǎn)套住，只允許與此斑點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的衍射束通過(guò)物鏡參與成像，而把透射束擋掉射束通過(guò)物鏡參與成像，而把透射束擋掉(通過(guò)移動(dòng)通過(guò)移動(dòng)光闌或傾斜入射束光闌或傾斜入射束)，這種成像方式叫做暗場(chǎng)衍襯成，這種成像方式叫做暗場(chǎng)衍襯成像，它的像襯度正好與明場(chǎng)像相反，像，它的像襯度正好與明場(chǎng)像相反，B晶粒將表現(xiàn)晶粒將表現(xiàn)為亮的襯度。為亮的襯度。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 若仍以若仍以A晶粒的像強(qiáng)度為背景強(qiáng)度，則暗場(chǎng)衍射像晶粒的像強(qiáng)度為背景強(qiáng)度，則暗場(chǎng)衍射像襯度為襯度為

10、 I/I=（IA-IB）/IA 顯而易見，暗場(chǎng)成像比明場(chǎng)成像襯度大得多。晶體顯而易見，暗場(chǎng)成像比明場(chǎng)成像襯度大得多。晶體樣品的衍射成象原理，一般說(shuō)來(lái)不如質(zhì)厚像襯度那樣樣品的衍射成象原理，一般說(shuō)來(lái)不如質(zhì)厚像襯度那樣簡(jiǎn)單和直觀。簡(jiǎn)單和直觀。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27GaAs薄膜內(nèi)的孿晶界圖4.42 孿晶消光條紋（左：明場(chǎng)； 右：暗場(chǎng)）材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27硅中的堆積層錯(cuò)（左：明場(chǎng)；硅中的堆積層錯(cuò)（左：明場(chǎng)； 右：暗場(chǎng)）右：暗場(chǎng)） 材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-274.2.3 TEM

11、樣品制備原理樣品制備原理n由于電子束竟能透過(guò)厚度為由于電子束竟能透過(guò)厚度為200nm以下的樣以下的樣品，因此品，因此TEM樣品的制備要求較高。樣品的制備要求較高。nTEM樣品制備包括薄膜法和體材料法兩種。樣品制備包括薄膜法和體材料法兩種。n薄膜法通常采用表面復(fù)型等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。薄膜法通常采用表面復(fù)型等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。n體材料法主要采用切割、拋光等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。體材料法主要采用切割、拋光等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 金屬：電解拋光；金屬：電解拋光； 陶瓷：離子磨。陶瓷：離子磨。Ion MillElectro-polishing材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27nTo make a sp

12、ecimen from the bulk material, one has to cut it into a disk of 3 mm diameter, and about 100 nm thickness. The following techniques can be used:機(jī)械切割機(jī)械切割(金剛石刀具金剛石刀具)劈開法劈開法電解拋光電解拋光化學(xué)拋光化學(xué)拋光離子束刻蝕離子束刻蝕體材料樣品制備體材料樣品制備材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 TEM的樣品制備方法的樣品制備方法: 支持膜法支持膜法 復(fù)型法復(fù)型法 晶體薄膜法晶體薄膜法 超薄切片法超薄切片法

13、 高分子材料必要時(shí)還要高分子材料必要時(shí)還要: 染色染色 刻蝕刻蝕材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27支持膜法透射電鏡圖像支持膜法透射電鏡圖像 6000 a-墨汁墨汁(1:10)b-ZnOc-白堊顆粒白堊顆粒d-聚苯乙烯塑料球聚苯乙烯塑料球材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 薄膜樣品制備方法要求：薄膜樣品制備方法要求：（1）不引起材料組織的變化；）不引起材料組織的變化；（2）足夠薄，否則將引起薄膜內(nèi)不同層次圖象的重迭，）足夠薄，否則將引起薄膜內(nèi)不同層次圖象的重迭，干擾分析；干擾分析；（3）薄膜應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，具有較大面積的透明區(qū)域）

14、薄膜應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，具有較大面積的透明區(qū)域；（4）制備過(guò)程應(yīng)易于控制，有一定的重復(fù)性，可靠性。）制備過(guò)程應(yīng)易于控制，有一定的重復(fù)性，可靠性。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27染色和刻蝕染色和刻蝕 大多數(shù)聚合物由輕元素組成。在用質(zhì)厚襯度成象時(shí)圖大多數(shù)聚合物由輕元素組成。在用質(zhì)厚襯度成象時(shí)圖象的反差很弱，因此，由超薄切片得到的試樣還不能直接象的反差很弱，因此，由超薄切片得到的試樣還不能直接用來(lái)進(jìn)行透射電鏡的觀察，還需要通過(guò)染色或蝕刻來(lái)改善用來(lái)進(jìn)行透射電鏡的觀察，還需要通過(guò)染色或蝕刻來(lái)改善襯度。襯度。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27 所謂染色所謂染色 用一種含重金屬的試劑對(duì)試樣中的某一相或某一組用一種含重金屬的試劑對(duì)試樣中的某一相或某一組分進(jìn)行選擇性的化學(xué)處理，使其結(jié)合或吸附上重金屬，從分進(jìn)行選擇性的化學(xué)處理，使其結(jié)合或吸附上重金屬，從而導(dǎo)致其對(duì)電子的散射能力有明顯的變化。而導(dǎo)致其對(duì)電子的散射能力有明顯的變化。 例如，例如，SBS嵌段共聚物微觀相分離結(jié)構(gòu)的透射電鏡觀嵌段共聚物微觀相分離結(jié)構(gòu)的透射電鏡觀察。察。材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27材料研究方法材料研究方法 SEM and TEM2022-5-27染色：染色： 通過(guò)把重金屬引入到試樣表