第十一講 透射電子顯微鏡

1、透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope 簡稱簡稱TEM)吳志國吳志國蘭州大學(xué)等離子體與金屬材料研究所蘭州大學(xué)等離子體與金屬材料研究所 現(xiàn)代材料物理研究方法現(xiàn)代材料物理研究方法 第十一講第十一講透射電子顯微鏡在形貌分析上的應(yīng)用透射電子顯微鏡在形貌分析上的應(yīng)用 基本知識基本知識 透射電鏡原理透射電鏡原理 透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的結(jié)構(gòu) 電子衍射原理電子衍射原理 高分辨透射電鏡高分辨透射電鏡 樣品制備樣品制備 材料應(yīng)用材料應(yīng)用基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識1925年，年，de Broglie提出波粒二象性假說提出波粒二象性假說1926年年 ，Busch發(fā)現(xiàn)了

2、不均勻的磁場可以聚焦電子束發(fā)現(xiàn)了不均勻的磁場可以聚焦電子束1927年，年，Davsso和和Germer分別進(jìn)行了單晶和多晶電子衍射實驗分別進(jìn)行了單晶和多晶電子衍射實驗 （1937）1931年，年，Knoll和和Ruska制造了帶雙透鏡的電子源，獲得了放大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)中光闌的像倍的電子光學(xué)系統(tǒng)中光闌的像1932年年 ， Knoll和和Ruska研制出第一臺電鏡（點分辨率達(dá)到研制出第一臺電鏡（點分辨率達(dá)到50nm）1936年，英國生產(chǎn)出第一批商用透射電鏡年，英國生產(chǎn)出第一批商用透射電鏡1939年，德國西門子公司生產(chǎn)商用透射電鏡（點分辨率年，德國西門

3、子公司生產(chǎn)商用透射電鏡（點分辨率10nm） 1950年，開始生產(chǎn)高壓電鏡（點分辨率優(yōu)于年，開始生產(chǎn)高壓電鏡（點分辨率優(yōu)于0.3nm，晶格條紋分辨率，晶格條紋分辨率 優(yōu)于優(yōu)于0.14nm） 1956年，門特年，門特(Menter)發(fā)明了多束電子成像方法，開創(chuàng)了高分辨電發(fā)明了多束電子成像方法，開創(chuàng)了高分辨電 子顯微術(shù)，子顯微術(shù)， 獲得原子像。獲得原子像。 阿貝光柵成像原理阿貝光柵成像原理 成像系統(tǒng)光路圖如圖所示。當(dāng)來成像系統(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)生透射束外晶體樣品上后，除產(chǎn)生透射束外還會產(chǎn)生各級衍射束，經(jīng)物鏡聚還會產(chǎn)生各級衍射

4、束，經(jīng)物鏡聚焦后在物鏡背焦面上產(chǎn)生各級衍焦后在物鏡背焦面上產(chǎn)生各級衍射振幅的極大值。每一振幅極大射振幅的極大值。每一振幅極大值都可看作是次級相干波源，由值都可看作是次級相干波源，由它們發(fā)出的波在像平面上相干成它們發(fā)出的波在像平面上相干成像，這就是阿貝光柵成像原理。像，這就是阿貝光柵成像原理。 透射電鏡的基本原理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。得晶體的電子衍射譜

5、。光學(xué)顯微鏡的局限性光學(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，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。假如物體上兩個相隔一定距離的點，幫助人們觀察用肉眼直接看不見的東西。假如物體上兩個相隔一定距離的點，利用顯微鏡把他們區(qū)分開來，這個距離的最小極限，即可以分辨的兩個點的利用顯微鏡把他們區(qū)分開來，這個距離的最小極限，即可以分辨的兩個點的最短距離稱為顯微鏡的最短距離稱為顯微鏡的分辨率分辨率，或稱，或稱分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)。人的眼睛的分辨本領(lǐng)為。人的眼睛的分辨本領(lǐng)為0.2mm左右。一個物體上的兩個相鄰

6、點能被顯微鏡分辨清晰，主要依靠顯微左右。一個物體上的兩個相鄰點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，這兩點未被分開的話，則無論利用多大鏡的物鏡。假如在物鏡形成的像中，這兩點未被分開的話，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，兩個發(fā)光點的倍數(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，兩個發(fā)光點的分辨距離為：分辨距離為： nsin-數(shù)值孔徑，用數(shù)值孔徑，用N.A表示。將玻璃透鏡的一般參數(shù)代入上述，即最大表示。將玻璃透鏡的一般參數(shù)代入上述，即最大孔徑半角孔徑半角=70-75=70-75。在介質(zhì)為油的情況下，在介質(zhì)為油的情況下，n-1.5

7、，其數(shù)值孔徑其數(shù)值孔徑nsin-1.25-1.35 sin61. 00nr 光學(xué)顯微鏡的局限性光學(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，而可見光這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長，而可見光的波長范圍為的波長范圍為390-760nm，故而光學(xué)顯微鏡的分辨率不可，故而光學(xué)顯微鏡的分辨率不可能高于能高于200nm。 為進(jìn)一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波長的射線。為進(jìn)一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波長的射線。例如用例如用紫外線作光源，分辨率可提高一倍。曾有人提出利紫外線作光源，分辨率可提高一倍。曾有人提出利用用X射線和射線和射線，當(dāng)時在技術(shù)上比較困難，至今沒有很射線，

8、當(dāng)時在技術(shù)上比較困難，至今沒有很大發(fā)展。但電子的波動性被發(fā)現(xiàn)后，很快就被用來作為提大發(fā)展。但電子的波動性被發(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。高顯微鏡分辨率的新光源，即出現(xiàn)了電子顯微鏡。 20r電子束的波長電子束的波長 電子束具有波動性，對于運動速度為電子束具有波動性，對于運動速度為v，質(zhì)量為，質(zhì)量為m的電子波長為的電子波長為=h/mv。一個初速度為零的電子，在電場中從電位為零處開始運動，因受加速一個初速度為零的電子，在電場中從電位為零處開始運動，因受加速電壓電壓U（陰極和陽極之間的電位差）的作用獲得運動速度為（陰極和陽極之間的電位差）的作用獲得運動速度為v，

9、那么，那么加速每個電子所做的功（加速每個電子所做的功（eU）就是電子獲得的全部動能，即）就是電子獲得的全部動能，即 UUUU)101 (225. 1)10979. 01 (225. 1661V1.226nm1000V0.0388nm100KV0.0037nm1000KV0.00087nm221meU 加速電壓為加速電壓為100 KV的電子束的波長是的電子束的波長是0.0037nm。最小分。最小分辨率可達(dá)辨率可達(dá)0.002nm左右，因此，電子波的波長不是分辨率左右，因此，電子波的波長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。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

10、以獲得很高的放大倍數(shù)（透射電鏡可以獲得很高的放大倍數(shù)（150萬倍），即可以萬倍），即可以獲得原子像。獲得原子像。電子束的波長電子束的波長電磁透鏡電磁透鏡 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)透鏡會聚成像。電子顯微鏡可以利用電它是帶電粒子，不能憑借光學(xué)透鏡會聚成像。電子顯微鏡可以利用電場或磁場使電子束聚焦成像，其中用靜電場成像的透鏡稱為靜電透鏡，場或磁場使電子束聚焦成像，其中用靜電場成像的透鏡稱為靜電透鏡，用電磁場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，用電磁場成像的

11、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。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。它由一個鐵殼，一個螺旋管線圈和下圖是一常用的電磁透鏡剖面圖。它由一個鐵殼，一個螺旋管線圈和一對中間嵌有黃銅的極靴組成的。一對中間嵌有黃銅的極靴組成的。 電磁透鏡電磁透鏡這種線圈產(chǎn)生的磁場有幾個特點：這種線圈產(chǎn)生的磁場有幾個特點：1.軸對稱磁場，軸對稱磁場，2.非均勻磁場，非均勻磁場，3.磁力線不和線圈平行，中間部分的磁場比兩邊的強。磁力線不和線圈平行，中間部分的磁場比兩邊的強。 運動電子在磁運動電子在磁場中受到場中受到Lore

12、ntz力作用，其表達(dá)式為：力作用，其表達(dá)式為：（1）若）若vB，則，則F=0，電子不受磁場力作用，其運動速度的大小及方向，電子不受磁場力作用，其運動速度的大小及方向 不變；不變； （2）若）若vB，則，則F=evB,方向反平行與方向反平行與vB，即只改變運動方向，不改，即只改變運動方向，不改 變運動速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓變運動速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓 周運動。周運動。 BVeF電磁透鏡電磁透鏡（3）若）若v與與B既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其運動既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其運動軌跡為螺旋線。軌跡為螺旋線。 由此可見，一束平行于

13、軸線的入射電由此可見，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，即焦點。子束通過電磁透鏡后將被聚焦于軸線上一點，即焦點。這表明電磁透鏡與光學(xué)玻璃凸透鏡具有相似的聚焦性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)。質(zhì)。 電磁透鏡的分辨本領(lǐng)電磁透鏡的分辨本領(lǐng) 電子波波長很短，在電子波波長很短，在100KV的加速電壓下，電子波波長為的加速電壓下，電子波波長為0.0037nm，用這樣短波長的電子波做顯微鏡的照明源，根，用這樣短波長的電子波做顯微鏡的照明源，根據(jù)據(jù)r0=0.61/（nsin）計算，顯微鏡的最小分辨率可達(dá)）計算，顯微鏡的最小分辨率可達(dá)0.002nm左右，然而到目前為

14、止，電鏡的最佳分辨率仍停左右，然而到目前為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在留在0.0.1-0.2nm的水平，這是因為電磁透鏡存在球差，像的水平，這是因為電磁透鏡存在球差，像散及色差等各種缺陷散及色差等各種缺陷-像差。像差。 球差球差 球差是由于電磁透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮訒勰芰η虿钍怯捎陔姶磐哥R中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮訒勰芰Σ煌斐傻?，下圖示意地表示了這種缺陷。遠(yuǎn)軸電子通不同而造成的，下圖示意地表示了這種缺陷。遠(yuǎn)軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子厲害得多，因而由同一物點過透鏡時被折射得比近軸電子厲害得多，因而由同一物點散射的電子經(jīng)過透鏡后不交在一點上，而是在透鏡像平面散射的電子經(jīng)過透鏡后

15、不交在一點上，而是在透鏡像平面上變成了一個漫射圓斑。上變成了一個漫射圓斑。 像散像散 像散是由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。磁場不同方向像散是由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。磁場不同方向?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ灰粯樱娮咏?jīng)透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，對電子的折射能力不一樣，電子經(jīng)透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，使圓形物點的像變成了一個漫射圓斑。使圓形物點的像變成了一個漫射圓斑。 色差色差 色差是由于成像電子的能量或波長不同而引起的一種像差。能量大的色差是由于成像電子的能量或波長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)的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中電子在距透鏡中

16、心比較遠(yuǎn)的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點聚焦。結(jié)果使得由同一物點散射的具有不同能量的電心比較近的地點聚焦。結(jié)果使得由同一物點散射的具有不同能量的電子經(jīng)透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射圓斑。子經(jīng)透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射圓斑。 由于上述像差的存在，雖然電子波長只有光波長的十萬分由于上述像差的存在，雖然電子波長只有光波長的十萬分之一左右，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

17、球差等缺陷的影響。電磁透鏡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。的分辨本領(lǐng)只比光學(xué)透鏡提高一千倍左右。 電磁透鏡的景深和焦長電磁透鏡的景深和焦長 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的距離移動的距離D Df f。換言之，在景深范圍內(nèi)，樣品位置的變化并不影響物。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。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D Df f與物與物鏡

18、的分辨本領(lǐng)鏡的分辨本領(lǐng)r r0 0成正比，而與孔徑半角成正比，而與孔徑半角成反比，即：成反比，即： D Df f rr0 0 / /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。貌在照片上都得到清晰的圖像。 透鏡的焦長是指在保持像清晰的前透鏡的焦長是指在保持

19、像清晰的前提下，像平面沿鏡軸上下移動的距離提下，像平面沿鏡軸上下移動的距離D Dt t=D=Df fM M 電磁透鏡的景深和焦長電磁透鏡的景深和焦長可見，焦長在數(shù)值上是很大的。因此，當(dāng)用傾斜觀察屏觀察像時，以可見，焦長在數(shù)值上是很大的。因此，當(dāng)用傾斜觀察屏觀察像時，以及當(dāng)照相底片不位于觀察屏同一像平面時，所拍攝的像也是清晰的。及當(dāng)照相底片不位于觀察屏同一像平面時，所拍攝的像也是清晰的。投影儀的投影平面之所以對距離要求不嚴(yán)也是由于焦長很大的緣故。投影儀的投影平面之所以對距離要求不嚴(yán)也是由于焦長很大的緣故。 放大原理放大原理 透射電子顯微鏡中，物鏡、中間鏡，透鏡是以積木方透射電子顯微鏡中，物鏡、中

20、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的物，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，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清晰的像。這樣才能保證經(jīng)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(shù)就是各個透鏡倍率的乘積。么總的放大倍數(shù)就是各個透鏡倍率的乘積。透射電鏡的放大倍數(shù)透射電鏡的放大倍數(shù)總放大倍數(shù)總放大倍數(shù)M總總M物物M中中M投投物鏡成像是分辨率的決定因素物鏡成像是分辨率的決定

21、因素 物鏡放大倍率，在物鏡放大倍率，在100-200范圍；范圍；中間鏡放大倍率，數(shù)值在中間鏡放大倍率，數(shù)值在0-20范范圍；圍；投影鏡放大倍率，數(shù)值在投影鏡放大倍率，數(shù)值在100-150范圍范圍總放大倍率在幾百總放大倍率在幾百-幾十萬倍幾十萬倍TEM的結(jié)構(gòu)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。統(tǒng)組成。 其中照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。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像部分主要由樣品室，物鏡，中間鏡和投影鏡等裝置組成。成。 圖像觀察和記錄系統(tǒng)：圖像觀察和

22、記錄系統(tǒng)：主要由熒光屏，照相機，數(shù)據(jù)顯示主要由熒光屏，照相機，數(shù)據(jù)顯示等部件組成。等部件組成。 透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的結(jié)構(gòu)成像部分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。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)于物鏡的優(yōu)劣。物鏡的最短焦距可達(dá)1mm，放大倍率，放大倍率300倍，最倍，最佳理論分辨率可達(dá)佳理論分辨率可達(dá)0.1nm，實際分辨率可達(dá)，實際分辨率可達(dá)0.2nm。加在物鏡前的光闌稱為物

23、鏡光闌，主要是為了縮小物鏡孔徑角的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。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。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。主要是將來自物鏡的中間鏡和投影鏡、物鏡相似，但焦距較長。主要是將來自物鏡的電子像繼續(xù)放大。電子像繼續(xù)放大。 真空部分真空部分 為了保證電子運動，減少與空氣分子的碰撞，因此所有裝為了保證電子運動，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，一般真空度為置

24、必須在真空系統(tǒng)中，一般真空度為102104Pa。 利用場發(fā)射電子槍時，其真空度應(yīng)在利用場發(fā)射電子槍時，其真空度應(yīng)在106108Pa左右。左右。 可采用機械泵，油擴散泵，分子泵等來實現(xiàn)。可采用機械泵，油擴散泵，分子泵等來實現(xiàn)。 目的：延長電子槍的壽命，增加電子的自由程，減少電子目的：延長電子槍的壽命，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。與殘余氣體分子碰撞所引起的散射以及減少樣品污染。 樣品制備樣品制備 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入射電子束是觀察的樣品對入射電子束是“透明透明

25、”的。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)。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。以穿透樣品的厚度就越大。 對于透射電鏡常用的加速對于透射電鏡常用的加速電壓電壓100KV，如果樣品是金屬，如果樣品是金屬，適宜的樣品厚度約適宜的樣品厚度約200nm。 樣品制備樣品制備 對于塊體樣品對于塊體樣品, ,表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)是制備的主表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)是制備的主要方法。要方法。 對于粉體樣品，可以采用超聲波

26、分散的方法制備樣品。對于粉體樣品，可以采用超聲波分散的方法制備樣品。表面復(fù)型技術(shù)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)復(fù)型型”）放到透射電鏡中去觀察分析，這樣才使透射電鏡應(yīng)）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際的可能。用于顯示金屬材料的顯微組織有了實際的可能。 常見的復(fù)型：常見的復(fù)型： 塑料一級復(fù)型，碳一級復(fù)型，塑料碳二級塑料一級復(fù)型，碳一級復(fù)型，塑料碳二級復(fù)型，萃取復(fù)型復(fù)型，萃取復(fù)

27、型。制備復(fù)型的材料特點制備復(fù)型的材料特點 本身必須是本身必須是“無結(jié)構(gòu)無結(jié)構(gòu)”的（或的（或“非晶體非晶體”的），也就是的），也就是說，為了不干擾對復(fù)制表面形貌的觀察，要求復(fù)型材料說，為了不干擾對復(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，也不顯示其本身的任即使在高倍（如十萬倍）成像時，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。 必須對電子束足夠透明（物質(zhì)原子序數(shù)低）；必須對電子束足夠透明（物質(zhì)原子序數(shù)低）； 必須具有足夠的強度和剛度，在復(fù)制過程中不致破裂或必須具有足夠的強度和剛度，在復(fù)制過程中不致破裂或畸變；畸變； 必須具有良好的導(dǎo)電性，耐電子束轟擊；必須具有良好的導(dǎo)電性，耐

28、電子束轟擊； 最好是分子尺寸較小的物質(zhì)最好是分子尺寸較小的物質(zhì)-分辨率較高。分辨率較高。 塑料碳二級復(fù)型技術(shù)塑料碳二級復(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)。是復(fù)型制備中最穩(wěn)定和應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。 特點是：在樣品制備過程中不損壞樣品表面，重復(fù)性好，特點是：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。導(dǎo)熱性好。具體制備方法具體制備方法 在樣品表面滴上一滴丙酮，然后用在樣品表面滴上一滴丙酮，然后用AC紙貼在樣品表面，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。最后一張蝕物以及污染物。最后一張AC

29、紙就是需要的塑料一級紙就是需要的塑料一級復(fù)型。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)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。合復(fù)型。 將復(fù)合復(fù)型剪成直徑將復(fù)合復(fù)型剪成直徑3mm的小片，放置到丙酮溶液中，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，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。樣品就可以進(jìn)行分析了。塑料碳復(fù)型過程塑料碳復(fù)型過程萃取復(fù)型技術(shù)萃取復(fù)型技術(shù) 其目的是如實地復(fù)制樣品表面的形貌，同時又把細(xì)小的第其目的

30、是如實地復(fù)制樣品表面的形貌，同時又把細(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）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原來在樣品中的分布完全相同，因而復(fù)型材料就提與它們原來在樣品中的分布完全相同，因而復(fù)型材料就提供了一個與基本結(jié)構(gòu)一樣的復(fù)制品。萃取出來的顆粒具有供了一個與基本結(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)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)型和火棉膠碳二次型的方法

31、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。萃取復(fù)型方法。 碳萃取復(fù)型技術(shù)碳萃取復(fù)型技術(shù) 按一般金相樣品要求對樣品進(jìn)行磨削和拋光；按一般金相樣品要求對樣品進(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，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，又不會腐蝕第二相顆粒；又不會腐蝕第二相顆粒； 清洗腐蝕產(chǎn)物；清洗腐蝕產(chǎn)物； 將樣品表面鍍碳；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。通過電解脫膜，并將碳膜清洗，用銅網(wǎng)撈起。 碳萃取復(fù)型碳萃取復(fù)型典型復(fù)型的應(yīng)用典型復(fù)型的應(yīng)用復(fù)型的典型應(yīng)用復(fù)型的典型應(yīng)用 a)珠光體組織珠光體組織 b) 準(zhǔn)解理斷口準(zhǔn)解理

32、斷口 c)斷口萃取復(fù)型斷口萃取復(fù)型 減薄樣品減薄樣品 復(fù)型技術(shù)只能對樣品表面形貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭示晶體內(nèi)復(fù)型技術(shù)只能對樣品表面形貌進(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)型雖然能對萃取物分辨率本領(lǐng)不能得到充分發(fā)揮，萃取復(fù)型雖然能對萃取物相作結(jié)構(gòu)分析，但對基體組織仍是表面形貌的復(fù)制。在這相作結(jié)構(gòu)分析，但對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，特別是對金屬薄種情況下，樣品減薄技術(shù)具有許多特點，特別是對金屬薄膜樣品。膜樣品。減薄的特點減薄的特點1.可以最

33、有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領(lǐng)；可以最有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領(lǐng)； 2.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；結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系起來； 3.能夠進(jìn)行動態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的成核長大能夠進(jìn)行動態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的成核長大過程，以及位錯等晶體缺陷在引力下的運動與交互作用。過程，以及位錯等晶體缺陷在引力下的運動與交互作用。 薄膜的制備薄膜的制備 要求對電子束透明，樣品制備過程不影響其原有的結(jié)構(gòu)，要求對電子束透明，樣品制

34、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。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。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)在平行，厚度應(yīng)在50-200nm，表面清潔。由大塊試樣制備，表面清潔。由大塊試樣制備薄膜一般需要經(jīng)歷以下三個步驟：薄膜一般需要經(jīng)歷以下三個步驟： 薄膜的制備薄膜的制備 一般可一般可利用砂輪片，金屬絲或用電火花切割方法切取厚度利用砂輪片，金屬絲或用電火花切割方法切取厚度0.200.30mm； 用金相砂紙研磨，把薄塊減

35、薄到用金相砂紙研磨，把薄塊減薄到0.1mm-0.05mm左右的薄左右的薄片。這種方法可能會嚴(yán)重發(fā)熱或形成應(yīng)力使樣品受到影響，片。這種方法可能會嚴(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。它的特點是可用于陶瓷等不導(dǎo)電為此可采用化學(xué)拋光法。它的特點是可用于陶瓷等不導(dǎo)電的樣品。的樣品。 用用離子束減薄或離子束減薄或電解拋光的方法進(jìn)行最終減薄，在孔洞邊電解拋光的方法進(jìn)行最終減薄，在孔洞邊緣獲得厚度小于緣獲得厚度小于200nm200nm的薄膜。的薄膜。離子減薄離子減薄電子衍射電子衍射 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)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。用。

36、 透射電鏡還可得到另外一類圖像透射電鏡還可得到另外一類圖像-電子衍射圖。圖中每電子衍射圖。圖中每一斑點都分別代表一個晶面族，不同的電子衍射譜圖又反一斑點都分別代表一個晶面族，不同的電子衍射譜圖又反映出不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。映出不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。 電子衍射主要研究金屬，非金屬以及有機固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電子衍射主要研究金屬，非金屬以及有機固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)。和表面結(jié)構(gòu)。 電子衍射電子衍射 所用的電子束能量在所用的電子束能量在102106eV的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 電子衍射與電子衍射與X射線一樣，也遵循布拉格方程。射線一樣，也遵循布拉格方程。 電子束衍射的角度小，測量精度差。測量晶體結(jié)構(gòu)不如電子束衍射的角度

37、小，測量精度差。測量晶體結(jié)構(gòu)不如XRD。 電子束很細(xì)，適合作微區(qū)分析。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。材料中的結(jié)構(gòu)缺陷等。 電子衍射特點電子衍射特點1.電子衍射可與物像的形貌觀察結(jié)合起來，使人們能在高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；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； 2.電子波長短，使單晶電子衍射斑點大都分布在一個二維電子波長短，使單晶電子衍射斑點大都分布在一個二維倒易截面內(nèi)，這對分析晶體結(jié)構(gòu)和位

38、向關(guān)系帶來很大方倒易截面內(nèi)，這對分析晶體結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系帶來很大方便；便；3.電子衍射強度大，所需曝光時間短，攝取衍射花樣時僅電子衍射強度大，所需曝光時間短，攝取衍射花樣時僅需幾秒鐘。需幾秒鐘。 電子衍射原理電子衍射原理 當(dāng)波長為當(dāng)波長為的單色平面電子波以入射角的單色平面電子波以入射角照射到晶面間距為照射到晶面間距為d的平行晶面組時，各個晶面的散射波干涉加強的條件是的平行晶面組時，各個晶面的散射波干涉加強的條件是滿足布拉格關(guān)系：滿足布拉格關(guān)系： 2dsin =n 入射電子束照射到晶體上，一部分透射出去，一部分使晶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面間距為d的晶面發(fā)生衍射，

39、產(chǎn)生衍射束。的晶面發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射束。 電子衍射原理電子衍射原理 當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時，透射束穿過薄膜當(dāng)一電子束照射在單晶體薄膜上時，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)則的衍射斑點形成有規(guī)則的衍射斑點 對于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶面位向在空對于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶面位向在空間任意分布，多晶體的倒易點陣將變成倒易球。倒易間任意分布，多晶體的倒易點陣將變成倒易球。倒易球與愛瓦爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個個球與愛瓦爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個個同心圓同心圓。 電子衍射結(jié)果實

40、際上是得到了被測晶體的倒易點陣花電子衍射結(jié)果實際上是得到了被測晶體的倒易點陣花樣，對它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正樣，對它們進(jìn)行倒易反變換從理論上講就可知道其正點陣的情況點陣的情況電子衍射花樣的標(biāo)定。電子衍射花樣的標(biāo)定。 電子衍射原理電子衍射原理 右圖是電子衍射示意圖。右圖是電子衍射示意圖。 Rd=L。其中。其中R為衍射斑點與為衍射斑點與透射斑點的距離。透射斑點的距離。d為晶面的為晶面的晶面間距，晶面間距，為入射電子波的為入射電子波的波長，波長，L為樣品到底片的距離。為樣品到底片的距離。 可以用于相機常數(shù)的測定，一可以用于相機常數(shù)的測定，一般用金來進(jìn)行標(biāo)定。般用金來進(jìn)行標(biāo)定。 多晶金

41、的電子衍射圖多晶金的電子衍射圖選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射通過在物鏡像平面處插入一個孔徑可變化的選區(qū)光闌，讓通過在物鏡像平面處插入一個孔徑可變化的選區(qū)光闌，讓光闌的孔只套住我們感興趣的那個微區(qū)，那么光闌以后的光闌的孔只套住我們感興趣的那個微區(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)與衍射的不對應(yīng)性。射中還應(yīng)該

42、注意選區(qū)與衍射的不對應(yīng)性。 選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射單晶衍射花樣單晶衍射花樣 單晶電子衍射譜直接反映晶體的倒易點陣，衍射花樣簡單，可以通過計單晶電子衍射譜直接反映晶體的倒易點陣，衍射花樣簡單，可以通過計算獲得晶體對稱性，點陣參數(shù)大小，相變等參數(shù)。算獲得晶體對稱性，點陣參數(shù)大小，相變等參數(shù)。 多晶的衍射花樣多晶的衍射花樣 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)。樣為一系列的同心圓環(huán)。 多次衍射花樣多次衍射花樣 由于衍

43、射束的強度很大，由于衍射束的強度很大，幾乎與透射束的強度相當(dāng)，幾乎與透射束的強度相當(dāng)，因此，可以產(chǎn)生二次衍射因此，可以產(chǎn)生二次衍射或多次衍射，使得衍射花或多次衍射，使得衍射花樣復(fù)雜化。樣復(fù)雜化。 電子衍射的標(biāo)定電子衍射的標(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射線的射線的方法來處理?？梢杂嬎惬@得各衍射環(huán)所對應(yīng)的晶面間距。方法來處理?？梢杂嬎惬@得各衍射環(huán)所對應(yīng)的晶面間距。由此可以分析此相的晶體結(jié)構(gòu)或點陣類型，也可以由晶面由此可以分析此相的晶體結(jié)構(gòu)或點陣類型，也可以由晶面指數(shù)和晶面間距獲得點陣常數(shù)。可以和指數(shù)和晶面間距獲得點陣常數(shù)?？梢院蚗射線衍

44、射分析的射線衍射分析的數(shù)據(jù)對照。數(shù)據(jù)對照。 單晶的衍射花樣比較簡單，可以獲得晶面間距以及點陣類單晶的衍射花樣比較簡單，可以獲得晶面間距以及點陣類型和晶體學(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。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)化過程可以通過計算機完成。具體指標(biāo)化過程可以通過計算機完成。 高分辨高分辨TEM 高分辨高分辨TEM是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的方法。不僅可以獲得是觀察材料微觀結(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。晶胞排列的信息，還可以確定晶胞中原子的位置。 200KV的的TEM點分辨率為點分辨率為0.2nm，1000KV的的TEM點分

45、辨點分辨率為率為0.1nm。 可以直接觀察原子像?？梢灾苯佑^察原子像。高分辨高分辨TEM用物鏡光闌選擇透射波，觀察到的象為明場象；用物鏡光闌選擇透射波，觀察到的象為明場象；用物鏡光闌選擇一個衍射波，觀察到的是暗場像；用物鏡光闌選擇一個衍射波，觀察到的是暗場像；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。微像。高分辨顯微像高分辨顯微像 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。所形成的。 入射電子與原子發(fā)生碰撞作用后，會使入射電子波發(fā)生相入射電子與原子

46、發(fā)生碰撞作用后，會使入射電子波發(fā)生相位的變化。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有對應(yīng)關(guān)系。勢有對應(yīng)關(guān)系。 重原子具有較大的勢，像強度弱。重原子具有較大的勢，像強度弱。高分辨像高分辨像 晶格條紋像晶格條紋像 一維結(jié)構(gòu)像一維結(jié)構(gòu)像 二維晶格像（單胞尺度的像）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）二維結(jié)構(gòu)像（原子尺度的像；晶體結(jié)構(gòu)像） 特殊像特殊像晶格條紋像晶格條紋像 如果用物鏡光闌選擇后焦平面上的兩個波來成像，由于兩如果用物鏡光闌選擇后焦平面上的兩個波來成像，由于兩個波的干涉，得到一維方向

47、上強度呈周期變化的條紋花樣，個波的干涉，得到一維方向上強度呈周期變化的條紋花樣，就是晶格條紋像。就是晶格條紋像。 不要求電子束準(zhǔn)確平行與晶格平面不要求電子束準(zhǔn)確平行與晶格平面 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。條紋間距來獲得。A: 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金B(yǎng):熱處理后微晶的晶格條紋像熱處理后微晶的晶格條紋像C:微晶的電子衍射微晶的電子衍射明亮部位為非晶明亮部位為非晶暗的部位為微晶暗的部位為微晶一維結(jié)構(gòu)像一維結(jié)構(gòu)像 如果

48、傾斜晶體，使電子束平行于某一晶面入射，就可以獲如果傾斜晶體，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照，就可以獲有晶體結(jié)構(gòu)的信息。即將觀察像與模擬像對照，就可以獲得像的襯度與原子排列的對應(yīng)關(guān)系。得像的襯度與原子排列的對應(yīng)關(guān)系。二維晶格像二維晶格像 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。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。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，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。稱為晶格像。二維結(jié)構(gòu)像二維結(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。