第十二講透射電子顯微鏡

第十二講透射電子顯微鏡第一頁，共95頁。透射電子顯微鏡在形貌分析上的應(yīng)用基本知識(shí)透射電鏡原理透射電鏡的結(jié)構(gòu)電子衍射原理高分辨透射電鏡樣品制備材料應(yīng)用2第二頁，共95頁?；A(chǔ)知識(shí)1925年，deBroglie提出波粒二象性假說（1929）1926年，Busch發(fā)現(xiàn)了不均勻的磁場(chǎng)可以聚焦電子束1927年，Davsso和Germer分別進(jìn)行了單晶和多晶電子衍射實(shí)驗(yàn)（1937）1931年，Knoll和Ruska制造了帶雙透鏡的電子源，獲得了放大12-17倍的電子光學(xué)系統(tǒng)中光闌的像1932年，Knoll和Ruska研制出第一臺(tái)電鏡（點(diǎn)分辨率達(dá)到50nm）1936年，英國(guó)生產(chǎn)出第一批商用透射電鏡1939年，德國(guó)西門子公司生產(chǎn)商用透射電鏡（點(diǎn)分辨率10nm）1950年，開始生產(chǎn)高壓電鏡（點(diǎn)分辨率優(yōu)于0.3nm，晶格條紋分辨率優(yōu)于0.14nm）1956年，門特(Menter)發(fā)明了多束電子成像方法，開創(chuàng)了高分辨電子顯微術(shù)，獲得原子像。3第三頁，共95頁。阿貝光柵成像原理成像系統(tǒng)光路圖如圖所示。當(dāng)來自照明系統(tǒng)的平行電子束投射到晶體樣品上后，除產(chǎn)生透射束外還會(huì)產(chǎn)生各級(jí)衍射束，經(jīng)物鏡聚焦后在物鏡背焦面上產(chǎn)生各級(jí)衍射振幅的極大值。每一振幅極大值都可看作是次級(jí)相干波源，由它們發(fā)出的波在像平面上相干成像，這就是阿貝光柵成像原理。

4第四頁，共95頁。透射電鏡的基本原理阿貝光學(xué)顯微鏡衍射成像原理同樣適合于透射電子顯微鏡。不僅可以在物鏡的像平面獲得放大的電子像，還可以在物鏡的后焦面處獲得晶體的電子衍射譜。5第五頁，共95頁。光學(xué)顯微鏡的局限性

任何顯微鏡的用途都是將物體放大，使物體上的細(xì)微部分清晰地顯示出來，幫助人們觀察用肉眼直接看不見的東西。假如物體上兩個(gè)相隔一定距離的點(diǎn)，利用顯微鏡把他們區(qū)分開來，這個(gè)距離的最小極限，即可以分辨的兩個(gè)點(diǎn)的最短距離稱為顯微鏡的分辨率，或稱分辨本領(lǐng)。人的眼睛的分辨本領(lǐng)為0.2mm左右。一個(gè)物體上的兩個(gè)相鄰點(diǎn)能被顯微鏡分辨清晰，主要依靠顯微鏡的物鏡。假如在物鏡形成的像中，這兩點(diǎn)未被分開的話，則無論利用多大倍數(shù)的投影鏡或目鏡，也不能再把它們分開。根據(jù)光學(xué)原理，兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)的分辨距離為：

nsinα----數(shù)值孔徑，用N.A表示。將玻璃透鏡的一般參數(shù)代入上述，即最大孔徑半角α=70-75。在介質(zhì)為油的情況下，n--1.5，其數(shù)值孔徑nsinα---1.25-1.35

6第六頁，共95頁。光學(xué)顯微鏡的局限性這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長(zhǎng)，而可見光的波長(zhǎng)范圍為390-760nm，故而光學(xué)顯微鏡的分辨率不可能高于200nm。為進(jìn)一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波長(zhǎng)的射線。例如用紫外線作光源，分辨率可提高一倍。曾有人提出利用X射線和γ射線，當(dāng)時(shí)在技術(shù)上比較困難，至今沒有很大發(fā)展。但電子的波動(dòng)性被發(fā)現(xiàn)后，很快就被用來作為提高顯微鏡分辨率的新光源，即出現(xiàn)了電子顯微鏡。

7第七頁，共95頁。電子束的波長(zhǎng)

電子束具有波動(dòng)性，對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度為v，質(zhì)量為m的電子波長(zhǎng)為λ=h/mv。一個(gè)初速度為零的電子，在電場(chǎng)中從電位為零處開始運(yùn)動(dòng)，因受加速電壓U（陰極和陽極之間的電位差）的作用獲得運(yùn)動(dòng)速度為v，那么加速每個(gè)電子所做的功（eU）就是電子獲得的全部動(dòng)能，即1V1.226nm1000V0.0388nm100KV0.0037nm1000KV0.00087nm8第八頁，共95頁。加速電壓為100KV的電子束的波長(zhǎng)是0.0037nm。最小分辨率可達(dá)0.002nm左右，因此，電子波的波長(zhǎng)不是分辨率的限制因素。球差和色差是分辨率的主要限制因素。透射電鏡可以獲得很高的放大倍數(shù)（150萬倍），即可以獲得原子像。電子束的波長(zhǎng)9第九頁，共95頁。電磁透鏡

光學(xué)顯微鏡是利用玻璃透鏡使可見光聚焦成像的。電子和可見光不同,它是帶電粒子，不能憑借光學(xué)透鏡會(huì)聚成像。電子顯微鏡可以利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)使電子束聚焦成像，其中用靜電場(chǎng)成像的透鏡稱為靜電透鏡，用電磁場(chǎng)成像的稱為電磁透鏡。由于靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前研制的電子顯微鏡中大都采用電磁透鏡。下圖是一常用的電磁透鏡剖面圖。它由一個(gè)鐵殼，一個(gè)螺旋管線圈和一對(duì)中間嵌有黃銅的極靴組成的。

10第十頁，共95頁。電磁透鏡這種線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)有幾個(gè)特點(diǎn)：1.軸對(duì)稱磁場(chǎng)，2.非均勻磁場(chǎng)，3.磁力線不和線圈平行，中間部分的磁場(chǎng)比兩邊的強(qiáng)。

運(yùn)動(dòng)電子在磁場(chǎng)中受到Lorentz力作用，其表達(dá)式為：（1）若v∥B，則F=0，電子不受磁場(chǎng)力作用，其運(yùn)動(dòng)速度的大小及方向不變；

（2）若v⊥B，則F=evB,方向反平行與v×B，即只改變運(yùn)動(dòng)方向，不改變運(yùn)動(dòng)速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

11第十一頁，共95頁。電磁透鏡（3）若v與B既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線。

由此可見，一束平行于軸線的入射電子束通過電磁透鏡后將被聚焦于軸線上一點(diǎn)，即焦點(diǎn)。這表明電磁透鏡與光學(xué)玻璃凸透鏡具有相似的聚焦性質(zhì)。

12第十二頁，共95頁。電磁透鏡的分辨本領(lǐng)

電子波波長(zhǎng)很短，在100KV的加速電壓下，電子波波長(zhǎng)為0.0037nm，用這樣短波長(zhǎng)的電子波做顯微鏡的照明源，根據(jù)Δr0=0.61λ/（nsinα）計(jì)算，顯微鏡的最小分辨率可達(dá)0.002nm左右，然而到目前為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在0.1-0.2nm的水平，這是因?yàn)殡姶磐哥R存在球差，像散及色差等各種缺陷----像差。

13第十三頁，共95頁。球差球差是由于電磁透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮訒?huì)聚能力不同而造成的，下圖示意地表示了這種缺陷。遠(yuǎn)軸電子通過透鏡時(shí)被折射得比近軸電子厲害得多，因而由同一物點(diǎn)散射的電子經(jīng)過透鏡后不交在一點(diǎn)上，而是在透鏡像平面上變成了一個(gè)漫射圓斑。

14第十四頁，共95頁。像散

像散是由于透鏡的磁場(chǎng)軸向不對(duì)稱所引起的一種像差。磁場(chǎng)不同方向?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ灰粯?，電子?jīng)透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，使圓形物點(diǎn)的像變成了一個(gè)漫射圓斑。

15第十五頁，共95頁。色差

色差是由于成像電子的能量或波長(zhǎng)不同而引起的一種像差。能量大的電子在距透鏡中心比較遠(yuǎn)的地點(diǎn)聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點(diǎn)聚焦。結(jié)果使得由同一物點(diǎn)散射的具有不同能量的電子經(jīng)透鏡后不再會(huì)聚于一點(diǎn)，而是在像面上形成一漫射圓斑。

16第十六頁，共95頁。由于上述像差的存在，雖然電子波長(zhǎng)只有光波長(zhǎng)的十萬分之一左右，但并不能使電磁透鏡的分辨率提高十萬倍。目前還不能制造出無像差的大孔徑角的電磁透鏡，而只能采用很小的孔徑角盡可能減小球差等缺陷的影響。電磁透鏡的分辨本領(lǐng)只比光學(xué)透鏡提高一千倍左右。

17第十七頁，共95頁。電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)

透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離Df。換言之，在景深范圍內(nèi)，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。造成景深現(xiàn)象的原因是像差和衍射綜合影響的結(jié)果。景深大小Df與物鏡的分辨本領(lǐng)Δr0成正比，而與孔徑半角α成反比，即：

Df～Δr0/α利用景深的這一性質(zhì)可以產(chǎn)生一些特殊效果，例如選擇孔徑半角的大小，可以得到背景和主題都清晰的圖像，或者只有主題清晰，而背景被虛化掉。在金相攝影中只要景深允許可以使樣品表面凸凹不平的形貌在照片上都得到清晰的圖像。透鏡的焦長(zhǎng)是指在保持像清晰的前提下，像平面沿鏡軸上下移動(dòng)的距離Dt=DfM18第十八頁，共95頁。電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)可見，焦長(zhǎng)在數(shù)值上是很大的。因此，當(dāng)用傾斜觀察屏觀察像時(shí)，以及當(dāng)照相底片不位于觀察屏同一像平面時(shí)，所拍攝的像也是清晰的。投影儀的投影平面之所以對(duì)距離要求不嚴(yán)也是由于焦長(zhǎng)很大的緣故。

19第十九頁，共95頁。放大原理透射電子顯微鏡中，物鏡、中間鏡，透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(shí)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(jīng)過連續(xù)放大的最終像是一個(gè)清晰的像。在這種成像方式中，如果電子顯微鏡是三級(jí)成像，那么總的放大倍數(shù)就是各個(gè)透鏡倍率的乘積。20第二十頁，共95頁。透射電鏡的放大倍數(shù)總放大倍數(shù)M總＝M物×M中×M投物鏡成像是分辨率的決定因素物鏡放大倍率，在100-300范圍；中間鏡放大倍率，數(shù)值在0-20范圍；投影鏡放大倍率，數(shù)值在100-150范圍總放大倍率在幾百-幾十萬倍21第二十一頁，共95頁。TEM的結(jié)構(gòu)主要由照明系統(tǒng)，樣品室，成像系統(tǒng)，圖像觀察和記錄系統(tǒng)組成。

其中照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。

成像部分主要由樣品室，物鏡，中間鏡和投影鏡等裝置組成。

圖像觀察和記錄系統(tǒng)：主要由熒光屏，照相機(jī)，數(shù)據(jù)顯示等部件組成。

22第二十二頁，共95頁。透射電鏡的結(jié)構(gòu)23第二十三頁，共95頁。成像部分樣品室位于照明部分和物鏡之間，一般還可以配置加熱，冷卻和形變裝置。物鏡是最關(guān)鍵部分，透射電鏡分辯本領(lǐng)的好壞在很大程度上取決于物鏡的優(yōu)劣。物鏡的最短焦距可達(dá)1mm，放大倍率～300倍，最佳理論分辨率可達(dá)0.1nm，實(shí)際分辨率可達(dá)0.2nm。加在物鏡前的光闌稱為物鏡光闌，主要是為了縮小物鏡孔徑角的作用。加在物鏡后的光闌稱為襯度光闌，可以提高振幅襯度作用。此外在物鏡極靴附近還裝備有消象散器和防污染裝置。中間鏡和投影鏡、物鏡相似，但焦距較長(zhǎng)。主要是將來自物鏡的電子像繼續(xù)放大。24第二十四頁，共95頁。真空部分為了保證電子運(yùn)動(dòng)，減少與空氣分子的碰撞，因此所有裝置必須在真空系統(tǒng)中，一般真空度為10－2～10－4Pa。利用場(chǎng)發(fā)射電子槍時(shí)，其真空度應(yīng)在10－6－10－8Pa左右?？刹捎脵C(jī)械泵，油擴(kuò)散泵，分子泵等來實(shí)現(xiàn)。目的：延長(zhǎng)電子槍的壽命，增加電子的自由程，減少電子與殘余氣體分子碰撞所引起的散射以及減少樣品污染。25第二十五頁，共95頁。樣品制備透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要求被觀察的樣品對(duì)入射電子束是“透明”的。電子束穿透固體樣品的能力主要取決于加速電壓和樣品的物質(zhì)原子序數(shù)。一般來說，加速電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電子束可以穿透樣品的厚度就越大。對(duì)于透射電鏡常用的加速電壓100KV，如果樣品是金屬，適宜的樣品厚度約200nm。26第二十六頁，共95頁。樣品制備對(duì)于塊體樣品,表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)是制備的主要方法。對(duì)于粉體樣品，可以采用超聲波分散的方法制備樣品。27第二十七頁，共95頁。表面復(fù)型技術(shù)

所謂復(fù)型技術(shù)就是把金相樣品表面經(jīng)浸蝕后產(chǎn)生的顯微組織浮雕復(fù)制到一種很薄的膜上，然后把復(fù)制膜（叫做“復(fù)型”）放到透射電鏡中去觀察分析，這樣才使透射電鏡應(yīng)用于顯示金屬材料的顯微組織有了實(shí)際的可能。

常見的復(fù)型：

塑料一級(jí)復(fù)型，碳一級(jí)復(fù)型，塑料碳二級(jí)復(fù)型，萃取復(fù)型。28第二十八頁，共95頁。制備復(fù)型的材料特點(diǎn)

本身必須是“無結(jié)構(gòu)”的（或“非晶體”的），也就是說，為了不干擾對(duì)復(fù)制表面形貌的觀察，要求復(fù)型材料即使在高倍（如十萬倍）成像時(shí)，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。必須對(duì)電子束足夠透明（物質(zhì)原子序數(shù)低）；必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在復(fù)制過程中不致破裂或畸變；必須具有良好的導(dǎo)電性，耐電子束轟擊；最好是分子尺寸較小的物質(zhì)---分辨率較高。

29第二十九頁，共95頁。30第三十頁，共95頁。塑料－碳二級(jí)復(fù)型技術(shù)是復(fù)型制備中最穩(wěn)定和應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。特點(diǎn)是：在樣品制備過程中不損壞樣品表面，重復(fù)性好，導(dǎo)熱性好。31第三十一頁，共95頁。具體制備方法在樣品表面滴上一滴丙酮，然后用AC紙貼在樣品表面，不留氣泡，待干后取下。反復(fù)多次清除樣品表面的腐蝕物以及污染物。最后一張AC紙就是需要的塑料一級(jí)復(fù)型。把復(fù)型紙的復(fù)型面朝上固定在襯紙上。利用真空鍍膜的方法蒸鍍上重金屬，最后再蒸鍍上一層碳，獲得復(fù)合復(fù)型。將復(fù)合復(fù)型剪成直徑3mm的小片，放置到丙酮溶液中，待醋酸纖維素溶解后，用銅網(wǎng)將碳膜撈起。經(jīng)干燥后，樣品就可以進(jìn)行分析了。32第三十二頁，共95頁。塑料－碳復(fù)型過程33第三十三頁，共95頁。萃取復(fù)型技術(shù)

其目的是如實(shí)地復(fù)制樣品表面的形貌，同時(shí)又把細(xì)小的第二相顆粒（如金屬間化合物，碳化物和非金屬夾雜物等）從腐蝕的金屬表面萃取出來，被萃取出的細(xì)小顆粒的分布與它們?cè)瓉碓跇悠分械姆植纪耆嗤?，因而?fù)型材料就提供了一個(gè)與基本結(jié)構(gòu)一樣的復(fù)制品。萃取出來的顆粒具有相當(dāng)好的襯度，還可以在電鏡下做電子衍射分析。萃取復(fù)型的方法很多，最常用的是碳萃取復(fù)型和火棉膠－碳二次萃取復(fù)型方法。

34第三十四頁，共95頁。碳萃取復(fù)型技術(shù)按一般金相樣品要求對(duì)樣品進(jìn)行磨削和拋光；選擇適當(dāng)溶劑進(jìn)行腐蝕，要求這種腐蝕劑既能溶去基體，又不會(huì)腐蝕第二相顆粒；清洗腐蝕產(chǎn)物；將樣品表面鍍碳；通過電解脫膜，并將碳膜清洗，用銅網(wǎng)撈起。35第三十五頁，共95頁。碳萃取復(fù)型36第三十六頁，共95頁。典型復(fù)型的應(yīng)用復(fù)型的典型應(yīng)用

a)珠光體組織

b)準(zhǔn)解理斷口

c)斷口萃取復(fù)型

37第三十七頁，共95頁。減薄樣品復(fù)型技術(shù)只能對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭示晶體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)信息，受復(fù)型材料本身尺寸的限制，電鏡的高分辨率本領(lǐng)不能得到充分發(fā)揮，萃取復(fù)型雖然能對(duì)萃取物相作結(jié)構(gòu)分析，但對(duì)基體組織仍是表面形貌的復(fù)制。在這種情況下，樣品減薄技術(shù)具有許多特點(diǎn)，特別是對(duì)金屬薄膜樣品。38第三十八頁，共95頁。減薄的特點(diǎn)可以最有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領(lǐng)；能夠觀察金屬及其合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，并能對(duì)同一微區(qū)進(jìn)行衍襯成像及電子衍射研究，把形貌信息與結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系起來；能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的成核長(zhǎng)大過程，以及位錯(cuò)等晶體缺陷在應(yīng)力下的運(yùn)動(dòng)與交互作用。

39第三十九頁，共95頁。薄膜的制備要求對(duì)電子束透明，樣品制備過程不影響其原有的結(jié)構(gòu)，樣品不能太厚，應(yīng)該盡量減少非彈性散射所造成的影響。如色差，襯度的降低等。用于透射電鏡觀察試樣的要求是：它的上下底面應(yīng)該大致平行，厚度應(yīng)在50-200nm，表面清潔。由大塊試樣制備薄膜一般需要經(jīng)歷以下三個(gè)步驟：

40第四十頁，共95頁。薄膜的制備一般可利用砂輪片，金屬絲或用電火花切割方法切取厚度0.20~0.30mm；用金相砂紙研磨，把薄塊減薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。這種方法可能會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱或形成應(yīng)力使樣品受到影響，為此可采用化學(xué)拋光法。它的特點(diǎn)是可用于陶瓷等不導(dǎo)電的樣品。用離子束減薄或電解拋光的方法進(jìn)行最終減薄，在孔洞邊緣獲得厚度小于200nm的薄膜。41第四十一頁，共95頁。離子減薄42第四十二頁，共95頁。電子衍射利用透射電鏡進(jìn)行物相形貌觀察，僅是一種較為直接的應(yīng)用。透射電鏡還可得到另外一類圖像---電子衍射圖。圖中每一斑點(diǎn)都分別代表一個(gè)晶面族，不同的電子衍射譜圖又反映出不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

電子衍射主要研究金屬，非金屬以及有機(jī)固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)。

43第四十三頁，共95頁。電子衍射所用的電子束能量在102～106eV的范圍內(nèi)。電子衍射與X射線一樣，也遵循布拉格方程。電子束衍射的角度小，測(cè)量精度差。測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)不如XRD。電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析。因此，主要用于確定物相以及它們與基體的取向關(guān)系以及材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。44第四十四頁，共95頁。電子衍射特點(diǎn)電子衍射可與物像的形貌觀察結(jié)合起來，使人們能在高倍下選擇微區(qū)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，弄清微區(qū)的物相組成；電子波長(zhǎng)短，使單晶電子衍射斑點(diǎn)大都分布在一個(gè)二維倒易截面內(nèi)，這對(duì)分析晶體結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系帶來很大方便；電子衍射強(qiáng)度大，所需曝光時(shí)間短，攝取衍射花樣時(shí)僅需幾秒鐘。45第四十五頁，共95頁。電子衍射原理當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色平面電子波以入射角θ照射到晶面間距為d的平行晶面組時(shí)，各個(gè)晶面的散射波干涉加強(qiáng)的條件是滿足布拉格關(guān)系：2dsinθ=nλ

入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，一部分使晶面間距為d的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射束。46第四十六頁，共95頁。電子衍射原理當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時(shí)，透射束穿過薄膜到達(dá)感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī)則的衍射斑點(diǎn)對(duì)于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶面位向在空間任意分布，多晶體的倒易點(diǎn)陣將變成倒易球。倒易球與愛瓦爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個(gè)個(gè)同心圓。

電子衍射結(jié)果實(shí)際上是得到了被測(cè)晶體的倒易點(diǎn)陣花樣，對(duì)它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正點(diǎn)陣的情況――電子衍射花樣的標(biāo)定。

47第四十七頁，共95頁。電子衍射原理右圖是電子衍射示意圖。Rd=Lλ。其中R為衍射斑點(diǎn)與透射斑點(diǎn)的距離。d為晶面的晶面間距，λ為入射電子波的波長(zhǎng)，L為樣品到底片的距離?？梢杂糜谙鄼C(jī)常數(shù)的測(cè)定，一般用金來進(jìn)行標(biāo)定。48第四十八頁，共95頁。多晶金的電子衍射圖49第四十九頁，共95頁。選區(qū)電子衍射

通過在物鏡像平面處插入一個(gè)孔徑可變化的選區(qū)光闌，讓光闌的孔只套住我們感興趣的那個(gè)微區(qū)，那么光闌以后的成像電子束將被擋住，只有該微區(qū)的成像電子束才能通過光闌進(jìn)入中間鏡和投影鏡參與成像。當(dāng)把成像操作變換為衍射操作后，就可以獲得選區(qū)的電子衍射花樣。在選區(qū)衍射中還應(yīng)該注意選區(qū)與衍射的不對(duì)應(yīng)性。50第五十頁，共95頁。選區(qū)電子衍射51第五十一頁，共95頁。單晶衍射花樣

單晶電子衍射譜直接反映晶體的倒易點(diǎn)陣，衍射花樣簡(jiǎn)單，可以通過計(jì)算獲得晶體對(duì)稱性，點(diǎn)陣參數(shù)大小，相變等參數(shù)。

52第五十二頁，共95頁。多晶的衍射花樣多晶衍射花樣：由于樣品是由取向混亂的小晶粒構(gòu)成，因此多晶體的晶面間距的倒數(shù)為半徑的倒易球面。其衍射花樣為一系列的同心圓環(huán)。

53第五十三頁，共95頁。多次衍射花樣

由于衍射束的強(qiáng)度很大，幾乎與透射束的強(qiáng)度相當(dāng)，因此，可以產(chǎn)生二次衍射或多次衍射，使得衍射花樣復(fù)雜化。

54第五十四頁，共95頁。電子衍射的標(biāo)定多晶衍射花樣是同心的環(huán)花樣，可以用類似粉末X射線的方法來處理。可以計(jì)算獲得各衍射環(huán)所對(duì)應(yīng)的晶面間距。由此可以分析此相的晶體結(jié)構(gòu)或點(diǎn)陣類型，也可以由晶面指數(shù)和晶面間距獲得點(diǎn)陣常數(shù)?？梢院蚗射線衍射分析的數(shù)據(jù)對(duì)照。單晶的衍射花樣比較簡(jiǎn)單，可以獲得晶面間距以及點(diǎn)陣類型和晶體學(xué)數(shù)據(jù)。下表是電子衍射花樣與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。具體指標(biāo)化過程可以通過計(jì)算機(jī)完成。55第五十五頁，共95頁。56第五十六頁，共95頁。掃描透射電子顯微鏡STEM

(scanningtransmissionelectronmicroscopy)象SEM一樣，STEM用電子束在樣品的表面掃描，但又象TEM，通過電子穿透樣品成像。STEM能夠獲得TEM所不能獲得的一些關(guān)于樣品的特殊信息。掃描透射電子顯微鏡是透射電子顯微鏡的一種發(fā)展。掃描線圈迫使電子探針在薄膜試樣上掃描，與掃描電子顯微鏡不同之處在于探測(cè)器置于試樣下方，探測(cè)器接受透射電子束流或彈性散射電子束流，經(jīng)放大后，在熒光屏上顯示與常規(guī)透射電子顯微鏡相對(duì)應(yīng)的掃描透射電子顯微鏡的明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像。57第五十七頁，共95頁。STEM工作原理STEM成像不同于一般的平行電子束TEM、EDS成像，它是利用會(huì)聚的電子束在樣品上掃描來完成的。在掃描模式下，場(chǎng)發(fā)射電子源發(fā)射出電子，通過在樣品前磁透鏡以及光闌把電子束會(huì)聚成原子尺度的束斑。電子束斑聚焦在試樣表面后，通過線圈控制逐點(diǎn)掃描樣品的一個(gè)區(qū)域。在每掃描一點(diǎn)的同時(shí)，樣品下面的探測(cè)器同步接收被散射的電子。對(duì)應(yīng)于每個(gè)掃描位置的探測(cè)器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流強(qiáng)度顯示在熒光屏或計(jì)算機(jī)顯示器上。樣品上的每一點(diǎn)與所產(chǎn)生的像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。從探測(cè)器中間孔洞通過的電子可以利用明場(chǎng)探測(cè)器形成一般高分辨的明場(chǎng)像。環(huán)形探測(cè)器接受的電子形成暗場(chǎng)像。58第五十八頁，共95頁。STEM優(yōu)點(diǎn)利用掃描透射電子顯微鏡可以觀察較厚的試樣和低襯度的試樣。利用掃描透射模式時(shí)物鏡的強(qiáng)激勵(lì)，可以實(shí)現(xiàn)微區(qū)衍射。利用后接能量分析器的方法可以分別收集和處理彈性散射和非彈性散射電子。進(jìn)行高分辨分析、成像及生物大分子分析。59第五十九頁，共95頁。STEM應(yīng)用60第六十頁，共95頁。STEM應(yīng)用61第六十一頁，共95頁。高分辨TEM高分辨TEM是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的方法。不僅可以獲得晶胞排列的信息，還可以確定晶胞中原子的位置。200KV的TEM點(diǎn)分辨率為0.2nm，1000KV的TEM點(diǎn)分辨率為0.1nm?？梢灾苯佑^察原子像。62第六十二頁，共95頁。高分辨TEM用物鏡光闌選擇透射波，觀察到的象為明場(chǎng)象；用物鏡光闌選擇一個(gè)衍射波，觀察到的是暗場(chǎng)像；在后焦平面上插上大的物鏡光闌可以獲得合成象，即高分辨電子顯微像。63第六十三頁，共95頁。高分辨顯微像高分辨顯微像的襯度是由合成的透射波與衍射波的相位差所形成的。入射電子與原子發(fā)生碰撞作用后，會(huì)使入射電子波發(fā)生相位的變化。透射波和衍射波的作用所產(chǎn)生的襯度與晶體中原子的晶體勢(shì)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。重原子具有較大的勢(shì)，像強(qiáng)度弱。64第六十四頁，共95頁。65第六十五頁，共95頁。高分辨像晶格條紋像一維結(jié)構(gòu)像二維晶格像（單胞尺度的像）二維結(jié)構(gòu)像（原子尺度的像；晶體結(jié)構(gòu)像）特殊像66第六十六頁，共95頁。晶格條紋像如果用物鏡光闌選擇后焦平面上的兩個(gè)波來成像，由于兩個(gè)波的干涉，得到一維方向上強(qiáng)度呈周期變化的條紋花樣，就是晶格條紋像。不要求電子束準(zhǔn)確平行于晶格平面。常用于微晶和析出物的觀察，可以揭示微晶的存在以及形狀，但不能獲得結(jié)構(gòu)信息。但可通過衍射環(huán)的直徑和晶格條紋間距來獲得。67第六十七頁，共95頁。A:非晶態(tài)合金B(yǎng):熱處理后微晶的晶格條紋像C:微晶的電子衍射明亮部位為非晶暗的部位為微晶68第六十八頁，共95頁。一維結(jié)構(gòu)像如果傾斜晶體，使電子束平行于某一晶面入射，就可以獲得一維衍射條件的花樣。使用這種衍射花樣，在最佳聚焦條件下拍攝的高分辨率電子顯微像不同于晶格條紋像，含有晶體結(jié)構(gòu)的信息。即將觀察像與模擬像對(duì)照，就可以獲得像的襯度與原子排列的對(duì)應(yīng)關(guān)系。69第六十九頁，共95頁。70第七十頁，共95頁。二維晶格像如果電子束平行于某晶帶軸入射，就可以滿足二維衍射條件的衍射花樣。在透射波附近出現(xiàn)反映晶體單胞的衍射波。在衍射波和透射波干涉生成的二維像中，能觀察到顯示單胞的二維晶格像。該像雖然含有單胞尺度的信息，但不含原子尺度的信息，稱為晶格像。71第七十一頁，共95頁。72第七十二頁，共95頁。二維結(jié)構(gòu)像在分辨率允許的范圍內(nèi)，盡可能多用衍射波成像，就可以使獲得的像中含有單胞內(nèi)原子排列的信息。一般結(jié)構(gòu)像只有在比較薄的區(qū)域才能觀察到，但對(duì)于輕元素在較厚的區(qū)域也可以觀察到結(jié)構(gòu)像。73第七十三頁，共95頁。A:β氮化硅的結(jié)構(gòu)像B:α氮化硅的結(jié)構(gòu)像C,E：β氮化硅的模擬像和原子排列D,F：α氮化硅的結(jié)構(gòu)像模擬像和原子排列74第七十四頁，共95頁。TEM的應(yīng)用納米粉體的觀察薄膜形貌觀察缺陷結(jié)構(gòu)研究75第七十五頁，共95頁。高分子納米球的合成76第七十六頁，共95頁。SrAl2O4納米材料的水解純水為溶劑，水解絲狀物居多，晶體77第七十七頁，共95頁。形貌的變化過程structuretransitionofspherehydrolysateunderelectronbeamA:30sec;B:2min;C:5min;D:10min;E:15min78第七十八頁，共95頁。無定型納米Se金屬顆粒的形貌、物相和成分分析79第七十九頁，共95頁。層狀結(jié)構(gòu)80第八十頁，共95頁。催化劑的研究81第八十一頁，共95頁。催化劑

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