透射電子顯微鏡-TEM課件

透射電子顯微鏡-TEMTransmissionelectronmicroscope內(nèi)容簡介結(jié)構(gòu)原理樣品制備透射電子顯微像選區(qū)電子衍射分析TEM簡介1898年J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)電子1924年deBroglie提出物質(zhì)粒子波動性假說和1927年實驗的證實。1926年軸對稱磁場對電子束匯聚作用的提出。1932年，1935年，透射電鏡和掃描電鏡相繼出現(xiàn)，1936年，透射電鏡實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)。上世紀50年代，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的Hirsch和Howie等人建立電子衍射襯度理論并用于直接觀察薄晶體缺陷和結(jié)構(gòu)。1965年，掃描電子顯微鏡實現(xiàn)商品化。70年代初，美國阿利桑那州立大學(xué)J.M.Cowley提出相位襯度理論的多層次方法模型，發(fā)展了高分辨電子顯微象的理論與技術(shù)。飯島獲得原子尺度高分辨像（1970)。80年代，晶體缺陷理論和成像模擬得到進一步發(fā)展，透射電鏡和掃描電鏡開始相互融合，并開始對小于5埃的尺度范圍進行研究。90年代至今，設(shè)備的改進和周邊技術(shù)的應(yīng)用。為什么采用電子束而不用自然光？顯微鏡的分辨率自然光與電子束的波長有效放大倍數(shù)顯微鏡的分辨率通常人眼的分辨本領(lǐng)大概是0.2mm（即人眼可分辨的兩點間最小距離為0.2mm）顯微鏡可分辨的兩點間的最小距離，即為顯微鏡的分辨率自然光與電子束的波長可見光的波長在390～760nm電子波長：取V=100kV，理論得到電子波長為0.0037nm有效放大倍數(shù)光學(xué)顯微鏡必須提供足夠的放大倍數(shù)，把它能分辨的最小距離放大到人眼能分辨的程度。相應(yīng)的放大倍數(shù)叫做有效放大倍數(shù)，它可由下式來確定：有效放大倍數(shù)透射電鏡的有效放大倍數(shù)光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)由上面公式可以直接得出，光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)遠小于透射電鏡。為什么采用電子束做為光源?結(jié)論：由顯微鏡的分辨率與光源的波長決定了透射電子顯微鏡的放大倍率遠大于普通光學(xué)顯微鏡；一般來說，光學(xué)顯微鏡的最大放大倍率在2000倍左右，而透射電子顯微鏡的放大倍率可達百萬倍。電磁透鏡的分辨本領(lǐng)比光學(xué)玻璃透鏡提高一千倍左右，可以達到2?的水平，使觀察物質(zhì)納米級微觀結(jié)構(gòu)成為可能。

分析型透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)原理電子光學(xué)系統(tǒng)真空系統(tǒng)操作控制系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)（1）陰極電子源：鎢燈絲—熱發(fā)射束流密度~10A/cm2束斑大小~4nm2.場發(fā)射源束流密度105A/cm2

束斑大小<1nm常用肖特基源（2）陽極加速從陰極發(fā)射出的電子。為了操作安全，一般是陽極接地，陰極帶有負高壓。-50~200kV（3）控制極會聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)像的亮度。陰極、陽極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動能，習(xí)慣通稱為“電子槍”。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)聚光鏡高性能TEM采用雙聚光鏡系統(tǒng)，提高照明效果。成像系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)（1）物鏡物鏡是將試樣形成一次放大像和衍射譜。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。通常采用強激磁，短焦距的物鏡。放大倍數(shù)較高，一般為100～300倍。目前高質(zhì)量物鏡分辨率可達0.1nm左右。（3）投影鏡投影鏡的功能是把中間鏡形成的二次像及衍射譜放大到熒光屏上，成為試樣最終放大圖像及衍射譜。它和物鏡一樣是短焦距強磁透鏡。但是對投影鏡精度的要求不像物鏡那么嚴格，因為它只是把物鏡形成的像做第三次放大。具有很大的場深和焦深.場深是指在保持象清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離，或者說試樣超越物平面所允許的厚度。焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿鏡軸可移動的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動距離。成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)的兩個基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。（a）調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，此時背焦面上形成的衍射斑點就會被中間鏡進一步放大，并經(jīng)過投影鏡投影到熒光屏上得到衍射花樣。（b）由于物鏡成像在中間鏡以前，因此中間鏡以物鏡像為物，所成圖像在投影鏡前匯聚，投影鏡以中間鏡像為物進行投影。成像系統(tǒng)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)）。衍射狀態(tài)與成像狀態(tài)的變換是通過改變中間鏡的激磁電流實現(xiàn)的。先觀察顯微像，再轉(zhuǎn)換到衍射花樣。電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)觀察紀錄系統(tǒng)這部分的主要作用是提供獲取信息，一般由熒光屏，照相機，數(shù)據(jù)顯示等組成真空系統(tǒng)由機械泵，擴散泵，控制閥門和儀表組成，它的作用是：避免電子和氣體分子相遇，防止干擾減小樣品污染延長燈絲壽命操作控制系統(tǒng)提供透鏡組件線圈的電流電壓保證電流電壓穩(wěn)定，防止因電壓波動引起色差，從而影響分辨率提供各種操作模式的選擇和切換提供系統(tǒng)的預(yù)警和自動保護裝置透射電子顯微鏡樣品制備TEM應(yīng)用的深度和廣度一定程度上取決于試樣制備技術(shù)。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?shù)闹苽浞椒?。電子束穿透固體樣品的能力，主要取決于電壓V和樣品物質(zhì)的原子序數(shù)Z。一般V越高，Z越低，電子束可以穿透的樣品厚度越大。透射電子顯微鏡樣品制備制樣要求：

a.對于TEM常用的50～200kV電子束，樣品厚度控制在100～200nm，樣品經(jīng)銅網(wǎng)承載，裝入樣品臺，放入樣品室進行觀察。

b.制樣過程要防止污染和改變樣品的性質(zhì)，如機械損傷或熱損傷等；

c.根據(jù)觀察的目的和樣品的性質(zhì)，確定制樣方法。透射電子顯微鏡樣品制備制樣方法

a.粉末法

b.化學(xué)減薄法

c.雙噴電解減薄法

d.離子減薄法

e.復(fù)型法

透射電子顯微鏡樣品制備粉末法

1.主要用于原始狀態(tài)成粉末狀的樣品，如炭黑，黏土及溶液中沉淀的微細顆粒，其粒徑一般在1μm以下。2.制樣過程中基本不破壞樣品，除對樣品結(jié)構(gòu)進行觀察外，還可對其形狀，聚集狀態(tài)及粒度分布進行研究。透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：a.將樣品搗碎；b.將粉末投入液體，用超聲波振動成懸浮液，液體可以是水，甘油，酒精等，根據(jù)試樣粉末性質(zhì)而定；c.觀察時，將懸浮液滴于附有支持膜的銅網(wǎng)上，待液體揮發(fā)后即可觀察。透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法

1.此法是利用化學(xué)溶液對物質(zhì)的溶解作用達到減薄樣品的目的。2.通常采用硝酸，鹽酸，氫氟酸等強酸作為化學(xué)減薄液，因而樣品的減薄速度相當快。透射電子顯微鏡樣品制備制樣步驟：a.將樣品切片，邊緣涂以耐酸漆，防止邊緣因溶解較快而使薄片面積變??；b.薄片洗滌，去除油污，洗滌液可為酒精，丙酮等；c.將樣品懸浮在化學(xué)減薄液中減??；d.檢查樣品厚度，旋轉(zhuǎn)樣品角度，進行多次減薄直至達到理想厚度，清洗。透射電子顯微鏡樣品制備化學(xué)減薄法的缺點：1.減薄液與樣品反應(yīng)，會發(fā)熱甚至冒煙；2.減薄速度難以控制；3.不適于溶解度相差較大的混合物樣品。透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法

1.此法是通過電解液對金屬樣品的腐蝕，達到減薄目的。2.減薄步驟：a.用化學(xué)減薄機或機械研磨，制成薄片，并沖成3mm直徑的圓片，拋光；b.將樣品放入減薄儀，接通電源；c.樣品穿孔后，光導(dǎo)控制系統(tǒng)會自動切斷電源，并發(fā)出警報。此時應(yīng)關(guān)閉電源，馬上沖洗樣品，減小腐蝕和污染。透射電子顯微鏡樣品制備雙噴電解減薄法

缺點： 只適用于金屬導(dǎo)體，對于不導(dǎo)電的樣品無 能為力。透射電子顯微鏡樣品制備離子減薄法

1.用高能量的氬離子流轟擊樣品，使其表面原子不斷剝離，達到減薄的目的。2.主要用于非金屬塊狀樣品，如陶瓷，礦物材料等。透射電子顯微鏡樣品制備將樣品手工或機械打磨到30~50μm。用環(huán)氧樹脂將銅網(wǎng)粘在樣品上，用鑷子將大于銅網(wǎng)四周的樣品切掉。將樣品放減薄器中減薄，減薄時工作電壓為5kV，電流為0.1mA，樣品傾角為15°樣品穿孔后，孔洞周圍的厚度可滿足電鏡對樣品的觀察需要。非金屬導(dǎo)電性差，觀察前對樣品進行噴碳處理，防止電荷積累。制樣步驟：透射電子顯微鏡樣品制備離子減薄法

優(yōu)點：易于控制，可以提供大面積的薄區(qū)。 缺點：速度慢，減薄一個樣品需十幾個小時到 幾十個小時。透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型法

a.對物體表面特征進行復(fù)制的一種制樣方法。b.目的在于將物體表面的凹凸起伏轉(zhuǎn)換為復(fù)型材料的厚度差異，然后在電鏡下觀察，設(shè)法使這種差異轉(zhuǎn)換為透射電子顯微像的襯度高低。c.表面顯微組織浮雕的復(fù)型膜，只能進行形貌觀察和研究，不能研究試樣的成分分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。d.同一試塊，方法不同，得到復(fù)型像和像的強度分布差別很大，應(yīng)根據(jù)選用的方法正確解釋圖像。

透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型材料要求

a.復(fù)型材料本身在電鏡中不顯示結(jié)構(gòu)，應(yīng)為非晶物質(zhì)。b.有一定的強度和硬度，便于成型及保存，且不易損壞。c.有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在電子束的照射下性質(zhì)穩(wěn)定。透射電子顯微鏡樣品制備復(fù)型類型塑料一級復(fù)型碳一級復(fù)型塑料-碳二級復(fù)型抽取復(fù)型透射電子顯微鏡樣品制備分辨率1－2nm，電子束照射下易分解和破裂。塑料一級復(fù)型樣品上滴濃度為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。印模表面與樣品表面特征相反。透射電子顯微鏡樣品制備碳一級復(fù)型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。優(yōu)點：圖像分辨率高2－5nm，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好,電子束照下穩(wěn)定缺點：很難將碳膜從樣品上剝離透射電子顯微鏡樣品制備塑料-碳二級復(fù)型先用塑料做一級復(fù)型，以它為模型做碳的復(fù)型。用試劑溶去一級復(fù)型，經(jīng)過兩次復(fù)制的復(fù)型稱二級復(fù)型。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。二級復(fù)型照片二級復(fù)型照片透射電子顯微鏡樣品制備抽取復(fù)型又稱萃取復(fù)型，用碳膜把經(jīng)過深度侵蝕試樣表面的第二相粒子（如雜質(zhì)）黏附下來。在透鏡下可觀察第二相粒子形狀，大小，分布及其與樣品組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。透射電子顯微像透射電子顯微鏡成像實際上是透射電子束強度分布的記錄，由于電子與物質(zhì)相互作用，透射強度會不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為襯度，所得的像稱為襯度像。透射電鏡的襯度來源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋嘿|(zhì)厚襯度

：非晶樣品襯度的主要來源衍射襯度

：晶體樣品襯度的主要來源振幅襯度相位襯度

：僅適于很薄的晶體試樣(≈100?)質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度（又稱吸收襯度）：由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，各部分與入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束的強度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)厚襯度。質(zhì)厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源，它所反映的，更多是物體表面特性和形貌特征。是樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射，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)厚襯度不同微區(qū)Z和d的差異，使進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。Z較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。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)厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V的影響。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。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。支持膜法和萃取復(fù)型，質(zhì)厚襯度圖像比較直觀。質(zhì)厚襯度AB試樣電磁透鏡物鏡光闌IAIBA'(IA)B'(IB)I0I0物鏡光闌對質(zhì)厚襯度的作用衍射襯度衍射襯度：衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格衍射條件的程度差異以及結(jié)構(gòu)振幅不同而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對于非晶體試樣是不存在的。衍射襯度是晶體樣品襯度的主要來源。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。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(nèi)各晶面取向不同，各處衍射束強度I差異形成襯度。衍射襯度假設(shè)樣品由顆粒A、B組成，強度I0入射電子照射樣品，A的(hkl)晶面組與入射束滿足布拉格方程，產(chǎn)生衍射束Ihkl，忽略其它效應(yīng)（吸收），其透射束為：晶粒B與入射束不滿足布拉格方程，其衍射束I=0，透射束IB=I0衍射襯度明場像（BF）：讓透射束通過物鏡光闌，將衍射電子束擋去而得到圖像。直射電子成像，像清晰。暗場像（DF）：將物鏡光闌移動到擋住透射束的位置，讓hkl衍射束通過所形成的圖像。散射電子成像，像有畸變、分辨率低。注：一般將入射光束傾斜2a角度，使hkl衍射束的方向與光軸一致，亦可得到一個不畸變的，分辨率高的，清晰的暗場像。（a)明場像(b)暗場像晶體位向不同所引起的衍射效應(yīng)衍襯像根據(jù)衍射襯度原理形成的電子圖像稱為衍襯像。晶體厚度均勻、無缺陷，（hkl）滿足布拉格條件，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，均看不到襯度。衍襯像存在缺陷，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同，會產(chǎn)生襯度，得到衍襯像。衍襯成像技術(shù)可對晶體中的位錯、層錯、空位團等晶體缺陷進行直接觀察。位錯界面和孿晶第二相粒子相位襯度相位襯度：由穿透樣品的電子波的相位不同而產(chǎn)生的電子顯微像，它可揭示≤1nm的樣品細節(jié)，故又稱高分辨像。樣品足夠薄，使得其吸收作用可以忽略，則透射波與衍射波成為相干波，一定條件下發(fā)生干涉作用，某些地方始終加強，另一些地方始終減弱或完全消失，由此產(chǎn)生襯度。相位襯度若透射波和衍射波的強度分別為I1和I2，兩波疊加以后波的強度可用下式表示：表示兩波之間的相位差，其大小與樣品的厚度，晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，物鏡的聚焦狀態(tài)及球差有關(guān)；如果樣品的厚度，物鏡的聚焦狀態(tài)是一定的，透射波衍射波疊加以后，其強度變化僅與晶體樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。選區(qū)電子衍射分析電子衍射的基本概念TEM的電子衍射方法單晶的電子衍射譜多晶的電子衍射譜電子衍射譜的標定簡介電子衍射的物象分析特點電子衍射的基本概念按入射電子能量的大小，分為高能電子衍射、低能電子衍射。TEM中的電子衍射屬于高能電子衍射。特點：λ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。遵從衍射產(chǎn)生的必要條件和系統(tǒng)消光規(guī)律。 其中fj是晶胞中位于(xj,yj,zj)的第j個原子的原子散射因數(shù)類似于x射線，衍射束強度和晶面關(guān)系:結(jié)構(gòu)因子表征晶體中點陣晶胞內(nèi)所有原子散射波在衍射方向上的合成，表達為:基本公式當入射電子束I0照射到試樣晶面間距為d的晶面族{hkl}，滿足布拉格方程時，與入射束交角2θ方向上得到該晶面族的衍射束。透射束和衍射束分別與距離晶體為L的照相底板M相交，得到透射斑點Q和衍射斑點P。二者的距離為R，由圖知：電子λ很短，電子衍射的2θ很小時，有：基本公式代入布拉格方程得電子衍射基本公式：式中：L－衍射長度（相機長度）

一定加速電壓下，λ值確定，則：式中：K－儀器常數(shù)（相機常數(shù)）基本公式如果K已知，則有：

R與的正比關(guān)系是衍射斑點指數(shù)化的基礎(chǔ)?？捎裳苌浒唿c的R值計算與該斑點相應(yīng)的晶面（hkl）的d值。計算出d值后，通過查找ASTM卡片就可以找出相應(yīng)的（hkl）TEM的電子衍射方法衍射束經(jīng)物鏡匯聚，在物鏡后焦面成第一級衍射譜，經(jīng)中間鏡、投影鏡放大在熒光屏上得到最終電子衍射譜。相機長度L和相應(yīng)的相機常數(shù)K分別為：由此知，L及K并不是固定不變的，是隨選用的電子衍射方法及操作條件而改變的。因此稱為有效相機長度和有效相機常數(shù)。TEM通常采用的是選區(qū)電子衍射。即用位于物鏡平面的選區(qū)光闌選擇特定像區(qū)的各級衍射束成譜的電子衍射。通過改變選區(qū)光闌孔大小來改變選區(qū)范圍，所得到的衍射譜與所選試樣像區(qū)相對應(yīng)。TEM除常用的選區(qū)電子衍射外，還有為測定晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的衍射方法，如：微束衍射，高分解電子衍射，高分散性電子衍射和匯聚電子衍射等。

TEM的電子衍射方法

TEM選區(qū)電子衍射原理六角相Al5FeNi的選區(qū)電子衍射花樣單晶的電子衍射譜花樣特征：是一系列按一定幾何圖形分布、排列規(guī)則的衍射斑點，反映結(jié)構(gòu)的對稱性。斑點指數(shù)化：{hkl}晶面族產(chǎn)生的衍射斑點標為hkl

應(yīng)用：確定物相之間的取向關(guān)系；繞一個斑點旋轉(zhuǎn)可確定旋轉(zhuǎn)軸；通過細節(jié)分析可弄清缺陷結(jié)構(gòu)。

高嶺石的單晶電子衍射譜單晶的電子衍射譜

(a)[111],(b)[011],(c)[001],(d)[112]c-ZrO2衍射斑點單晶的電子衍射譜多晶的電子衍射譜花樣特征：一系列不同半徑的同心圓環(huán)。圓環(huán)半徑標定：{hkl}晶面組產(chǎn)生的衍射環(huán)標為hkl應(yīng)用：

已知晶體結(jié)構(gòu)，標定K；已知K，由d=K/R求d對照ASTM求(hkl)和a，確定樣品物相。

金的多晶衍射譜多晶的電子衍射譜電子衍射譜的標定簡介已知晶體點陣的標定：由于晶體的點陣類型及點陣常數(shù)都是已知的，對所獲得的電子衍射譜進行標定是為確定晶體取向。有一定了解的晶體點陣的標定：根據(jù)獲得的電子衍射譜，計算幾個重要斑點相應(yīng)晶面的間距d，然后查已知范圍內(nèi)的晶體