電子衍射分析

1、電子顯微分析第一節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ)一、光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)阿貝（Abbe）根據(jù)衍射理論導(dǎo)出了光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)的公式為： r=0.61/nsin （nm） 其中：r分辨本領(lǐng) -照明源的波長(zhǎng) n透鏡上下方介質(zhì)的折射率 a透鏡的孔徑半角習(xí)慣上 nsin 稱為數(shù)值孔徑用N*A表示。將玻璃透鏡的一般參數(shù)代入上式，即最大孔徑半角=7075，在介質(zhì)為油的情況下，n=1.5,其數(shù)值孔徑nsin=1.251.35 可見光的波長(zhǎng)范圍39007600故而光學(xué)顯微鏡的分辨率不可能高于2000埃。 提高透鏡的分辨本領(lǐng)的途徑： 1、增加介質(zhì)的折射率 2、增大物鏡的孔徑半角 3、采用短波長(zhǎng)的照明源二、電子的波性及其波長(zhǎng) 德布羅意

2、公式：德布羅意公式： E=h P=h/ 德布羅意波長(zhǎng)德布羅意波長(zhǎng)：=h/p=h/mv m粒子的質(zhì)量（kg） v粒子的運(yùn)動(dòng)速度（m/s）晶體對(duì)入射電子波的衍射現(xiàn)象證實(shí)晶體對(duì)入射電子波的衍射現(xiàn)象證實(shí)了德布羅意假說的正確性，它揭示了德布羅意假說的正確性，它揭示了在微觀世界中，粒子的運(yùn)動(dòng)服從了在微觀世界中，粒子的運(yùn)動(dòng)服從波動(dòng)規(guī)律，在波振幅大的地方粒子波動(dòng)規(guī)律，在波振幅大的地方粒子出現(xiàn)的幾率大，在波振幅小的地方出現(xiàn)的幾率大，在波振幅小的地方出現(xiàn)的幾率小出現(xiàn)的幾率小。 E=eV=1/2m 其中：e電子電荷 m電子質(zhì)量 V加速電位加速電壓（kV）電子波長(zhǎng)（A）加速電壓（kV）電子波長(zhǎng)（A）10.388100

3、0.0370100.1225000.0142500.053610000.00687加速電壓與電子波長(zhǎng)的關(guān)系 可見，只要能使加速電壓提高到一定值就可得到很短的電子波。正是這一原因，用高壓加速電子就成為近代電鏡的最重要特點(diǎn)，用這樣的電子波作為照明源就可顯著提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)。電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為10-2-10-3rad。如果加速電壓為100kV，孔徑半角為10-2rad，那么分辨本領(lǐng)為： d0 = 0.613.710-3/10-2 = 0.225 nm 三、靜電透鏡 原因：這是因?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)電子作用力的方向總是沿著電子所處點(diǎn)的等電位面的法線，從低電位指向高電位，所以沿電子所處點(diǎn)的等電位面切

4、線方向電場(chǎng)力的分量為零，電子沿該方向運(yùn)動(dòng)速度分量保持不變。由圖可知： 與一定形狀的光學(xué)介質(zhì)界面（如玻璃，凸透鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲折射界面）可以使光線聚焦成像相似，一定形狀的等電位曲面簇也可使電子束聚焦成像。產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等電位曲面簇的電極裝置。 sin/sin= 2/1=1/2=（V2/V1） 四、磁透鏡 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的磁場(chǎng)對(duì)電子束有聚焦作用，在電子光學(xué)系統(tǒng)中用于使電子聚焦成像的磁場(chǎng)是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其等磁位面形狀與靜電透鏡的等電位面或光學(xué)玻璃透鏡的界面相似，產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)的線圈裝置稱為磁透鏡。 短線圈磁透鏡 包殼磁透鏡 極靴磁透鏡 五、電磁透鏡成像公式 電磁透鏡物距L1，像距L2和焦距f三者之間

5、的關(guān)系： 1/f=1/L1+1/L2 放大倍數(shù)M分別為： M=L2/L1=f/L1-f=（L2-f）/f 當(dāng)L2一定時(shí)，M和f成反比：當(dāng)L12f，M1；當(dāng)fL11。電磁透鏡的焦距計(jì)算式：電磁透鏡的焦距計(jì)算式： f=KVDF/（IN） 式中K-為比例常數(shù)； D -為極靴孔徑； I為通過線圈導(dǎo)線的電流強(qiáng)度； N- 是線圈在每厘米長(zhǎng)度上的圈數(shù)； F-為透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與極靴間隙S有關(guān)。電磁透鏡總是會(huì)聚透鏡電磁透鏡總是會(huì)聚透鏡。當(dāng)改變激磁電流大小時(shí)，電磁透鏡的焦距，放大倍數(shù)將發(fā)生相應(yīng)變化。因此，電磁透鏡是一種可變焦距可變焦距或可變倍率的會(huì)聚透鏡或可變倍率的會(huì)聚透鏡，這是它有別于光學(xué)玻璃凸透鏡的一個(gè)特點(diǎn)

6、。 六、電磁透鏡的像差和理論分辨率 要想得到清晰而又與物體的幾何形狀相似的圖像，必須滿足以下的條件： （1）磁場(chǎng)分布是嚴(yán)格對(duì)稱的。 （2）滿足旁軸情況。 （3）電子的波長(zhǎng)（速度）相同。 實(shí)際的電磁透鏡并不能完全滿足上述條件，因此從物面上一點(diǎn)散射出的電子束，不一定全部會(huì)聚在一點(diǎn)，或者物面上的各點(diǎn)并不按比例成像于同一平面內(nèi)，結(jié)果圖像模糊不清，或者與原物的幾何形狀不完全相似，這種現(xiàn)象叫做像差。 電鏡中電磁透鏡的主要像差是：球差，色差，軸上像散，畸變等電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng) Rth=ACs1/23/4 （2-25） 其中：A-常數(shù)。約0.40.5，決定于推導(dǎo)Rth的不同假設(shè)條件。 電磁透鏡的理論分辨本

7、領(lǐng)為0.2nm七、電磁透鏡的場(chǎng)深 場(chǎng)深場(chǎng)深是在不影響透鏡成像分辨本領(lǐng)的前提下，物平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離。場(chǎng)深大小Df與物鏡的分辨本領(lǐng)r0成正比，而與孔徑半角成反比， 即：Df 2 r0 / 當(dāng)=0.0010.01rad時(shí)，Df約為2002000nm，對(duì)于加速電壓為100kv的電子顯微鏡，樣品厚度一般控制在200nm以下，在透鏡場(chǎng)深范圍內(nèi)，試樣各部分都能調(diào)焦成像。 焦深焦深是指在不影響透鏡成像分辨本領(lǐng)的前提下，像平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離。焦深反應(yīng)了觀察屏或照相底板可在像平面上、下沿鏡軸移動(dòng)的距離。Di=2M2r/=DfM2 式中M在單一磁透鏡情況是透鏡放大倍數(shù)，對(duì)電鏡觀察屏上的終像來(lái)說是電鏡的

8、總放大倍數(shù)。當(dāng)r=1nm ，=0.01rad，M=2000倍時(shí)Di=80cm。八、電磁透鏡的焦深 電子顯微分析第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子顯微分析第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用一、各種信號(hào)一、各種信號(hào)各種信號(hào)彈性散射電子非彈性散射電子透射電子二次電子吸收電子特征X射線俄歇電子應(yīng)用在試樣表面上方接收到的電子譜二、入射電子強(qiáng)度分配 如果試樣接地保持電中性，則入射電子強(qiáng)度I0和背散射電子信號(hào)強(qiáng)度Ib，二次電子信號(hào)強(qiáng)度Is，透射電子信號(hào)強(qiáng)度It，吸收電子信號(hào)強(qiáng)度Ia之間存在以下關(guān)系： I0=Ib+Is+It+Ia +=1 式中=Ib/I-稱背散射電子系數(shù)； =Is/I-稱二次電子系數(shù)； =I

9、t/I-稱透射電子系數(shù)； =Ia/I-稱吸收電子系數(shù)。 試樣的密度與厚度和乘積越小，則透射電子系數(shù)越大；反之，則稱吸收電子系數(shù)和背散射電子系數(shù)越大。圖為電子在銅試樣中的透射電子系數(shù)，吸收電子系數(shù)和背散射電子系數(shù)（包括二次電子）隨試樣質(zhì)量厚度Z的變化。三、各種物理信號(hào)產(chǎn)生的廣度和深度四、背散射電子與二次電子特點(diǎn)比較背散射電子能量很高，其中相當(dāng)部分接近入射電子能量，在試樣中產(chǎn)生的范圍大，像的分辨率低； 背散射電子發(fā)射系數(shù)隨試樣原子序數(shù)增加而增大； 雖然作用體積雖入射束能量增加而增大，但背散射電子的發(fā)射系數(shù)受入射束能量影響不大； 當(dāng)試樣表面傾角增加時(shí)，作用體積改變，將顯著增加被散射電子的發(fā)射系數(shù)；

10、背散射電子在試樣上方有一點(diǎn)光的角分布。當(dāng)垂直入射時(shí)，為預(yù)選分布，如下式所示，當(dāng)試樣傾角增加時(shí)，分布為非對(duì)稱分布。cos)(0背散射電子與二次電子特點(diǎn)比較二次電子能量小于50ev，主要反映試樣表面10nm層內(nèi)的狀態(tài)，成像分辨率高； 二次電子發(fā)射系數(shù)與入射束的能量有關(guān)，當(dāng)入射束能量大于一定值時(shí)，隨著入射束能量的增加，二次電子發(fā)射系數(shù)減?。?二次電子發(fā)射系數(shù)與試樣表面傾角有關(guān)，它們之間存在如左關(guān)系式，可知，二次電子發(fā)射系數(shù)隨試樣傾角增加而增大。 二次電子在試樣表面有一定的角分布。服從余弦分布，且不隨試樣傾角改變而該變。 cos)(0cos)(0電子顯微分析第三節(jié)透射電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡 透射電鏡 光

11、源 可見光(日光、電燈光) 電子源(電子槍) 照明控制 玻璃聚光鏡 電子聚光鏡 樣本 1mm厚的載玻片 約10nm厚的薄膜 放大成象系統(tǒng) 玻璃透鏡 電子透鏡 介質(zhì) 空氣和玻璃 高度真空 像的觀察 直接用眼 利用熒光屏 聚焦方法 移動(dòng)透鏡 改變線圈電流或電壓 分辨本領(lǐng) 200nm 0.20.3nm 有效放大倍數(shù) 103 106 物鏡孔徑角 約700 10 景深 較小 較大 焦長(zhǎng) 較短 較長(zhǎng) 像的記錄 照相底板 照相底板 透射電鏡的主要性能指標(biāo)n分辨率 點(diǎn)分辨率：0.230.25nm，線分辨率：0.1040.14nm n放大倍數(shù) 高性能透射電鏡的放大倍數(shù)從100倍到100萬(wàn)倍，要求透射電鏡的放大倍

12、數(shù)能夠覆蓋整個(gè)范圍 n加速電壓 通常使用中為50KV，普通透射電鏡的最高加速電壓一般為100KV和200KV，材料研究中通常選用200KV的電鏡，目前有3000KV的電鏡。電子透鏡使用的樣品有粉末樣品和薄膜樣品兩種 由透射電鏡的工作原理可知，供透射電鏡分析的樣品必須對(duì)電子師是透明的；此外，所制得的樣品還必須可以真實(shí)反映所分析材料的某些特性，因此樣品制備在透射電子顯微分析技術(shù)中占有相當(dāng)重要的位置，也是一個(gè)涉及面很 廣的題目。大體上透射電鏡樣品可分為間接樣品和直接樣品。我們下面將對(duì)間接樣品的制備作簡(jiǎn)單介紹。樣品制備樣品臺(tái)TEM的樣品制備方法n支持膜法 n復(fù)型法 n晶體薄膜法 n超薄切片法 n高分子

13、材料必要時(shí)還要: 染色 刻蝕 支持膜法粉末試樣和膠凝物質(zhì)水化漿體多采用此法。一般做法是將試樣載在一層支持膜上或包在薄膜中，該薄膜再用銅網(wǎng)承載。常用的支持膜材料有：火棉膠、聚醋酸甲基乙烯酯、碳、氧化鋁等。 支持膜上的粉末試樣要求高度分散，可根據(jù)不同情況選用如下分散方法： 1) 包藏法：包藏法：將適量微粒試樣加入制造支持膜的有機(jī)溶液中，使之分散，再制成支持膜。2) 撒布法：撒布法：干燥分散的微粒試樣可以直接撒在支持膜表面，然后用手輕輕叩擊，或用超聲波儀進(jìn)行處理，去掉多余的微粒，剩下的就分散在支持膜上。3) 懸浮法懸浮法：以蒸餾水或有機(jī)劑作為懸浮劑，樣品制成懸浮液后滴在支持膜上，干后即成。不能使用對(duì)

14、試樣或支持膜有溶解性的溶劑。 4) 糊狀法：糊狀法： 用少量的懸浮劑和分散劑與微粒試樣調(diào)成糊狀，涂在金屬網(wǎng)的支持膜上，然后浸入懸浮液中或用懸浮液沖洗，則殘留在支持膜上的試樣就達(dá)到均勻分散的目的。 薄膜樣品制備n超薄切片 n電解拋光 n化學(xué)拋光 n離子轟擊 n厚度要求100200nm二次復(fù)型樣品制備過程金相試樣的制備過程金相試樣較理想的形狀是圓柱體或正方體，其直徑或邊長(zhǎng)約10-20mm,高約10mm. 鑲嵌是把試樣鑲?cè)觇偳读现?夾持是把試樣夾入預(yù)先制備好夾具內(nèi). 磨制 經(jīng)截取鑲嵌好的試樣表面粗糙形變層厚.在顯微鏡檢查之前,必須經(jīng)過磨光和拋光.磨光是為了消除取樣時(shí)產(chǎn)生的變形層. 金相試樣經(jīng)磨光后，

15、仍有細(xì)微磨痕及表面金屬形變擾動(dòng)層，這將影響正確的顯示組織，因而必須通過拋光加以消除。拋光的基本方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、和電解拋光。 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。 制樣過程錄像剪輯 透射電鏡的作用樣品形貌分析目前通常由掃描電鏡進(jìn)行觀察利用相應(yīng)的樣品臺(tái)，可以在透射電鏡中進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)。例如，利用加熱臺(tái)加熱樣品觀察其相變過程，利用應(yīng)變臺(tái)拉伸樣品觀察其形變和斷裂過程等。提高顯微鏡的分辨率以便能深入觀察研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，一直是人們不斷追求的目標(biāo)。高分辨率電子顯微鏡利用的是電子束相位的變，由兩束以上的電子束相干成像，

16、在電子顯微鏡分辨率足夠高的條件下，所用的電子束越多，圖象的分辨率越高，甚至可以用于薄樣品原子的結(jié)構(gòu)成像。 除了各種缺陷可以產(chǎn)生不同的衍射 花紋外，各種不同的晶體微觀組織 也會(huì)對(duì)應(yīng)有不同的像和衍射花紋， 通過它們可以在觀察組織形貌的同 時(shí)進(jìn)行晶體的結(jié)構(gòu)和取向分析。晶體缺陷分析 組織分析 原位觀察 高分析顯微術(shù)質(zhì)厚襯度理論對(duì)于無(wú)定形和非晶試樣，投射電鏡圖像是由于試樣個(gè)部分的密度（或原子序數(shù)）和厚度不同形成的，這種襯度成為質(zhì)量厚度襯度，簡(jiǎn)稱質(zhì)厚襯度。珠光體組織準(zhǔn)解理斷口斷口萃取復(fù)型 復(fù)型膜透射電鏡照片質(zhì)厚襯度圖像的分析質(zhì)厚襯度圖像的分析 1) 復(fù)型表面浮雕與試樣表面浮雕的關(guān)系必須確定。目前常用的塑料

17、一級(jí)復(fù)型和塑料-碳二級(jí)復(fù)型皆屬于“負(fù)復(fù)型”，即塑料一級(jí)復(fù)型表面浮雕的凹凸特征正好與試樣相反：在原來(lái)試樣凸起的，在塑料一級(jí)復(fù)型上凹進(jìn)去，反之亦然。 由于塑料-碳二級(jí)復(fù)型投影是在負(fù)復(fù)型上進(jìn)行的，所以圖像上“影子”所反映的凹凸情況恰與原來(lái)試樣表面相反。 2) 要想根據(jù)表面形貌確定物相，必須熟悉各種物相在試樣表面的浮雕特征。試樣表面浮雕主要取決于試樣的成分、樣品制備、浸蝕劑和浸蝕規(guī)范等。必須對(duì)這些資料詳盡分析，甚至配合其他分析手段進(jìn)行綜合分析。 3) 判定浮雕凹凸也是正確分析圖像的重要一步。這一般是通過先從圖像上辨認(rèn)出投影方向，然后根據(jù)“影子”特點(diǎn)來(lái)確定的。 復(fù)型與試樣表面形貌的關(guān)系復(fù)型與試樣表面形貌

18、的關(guān)系 電子衍射電子衍射與X射線衍射的主要區(qū)別是什么？在透射電鏡像中，L=f0M f0為物鏡焦距；M為中間鏡與投影鏡的總放大倍數(shù)多晶電子衍射譜NiFe多晶納米薄膜的電子衍射 衍射襯度明場(chǎng)像暗場(chǎng)像中心暗場(chǎng)像所謂衍射襯度是基于晶體薄膜內(nèi)各部分滿足衍射條件的程度不同而形成的襯度，跟讀衍射襯度原理形成的電子圖像稱為衍襯象。研究衍襯象的理論成為衍襯理論。位錯(cuò)像與晶體中的實(shí)際缺陷形狀并不相像，因此必須依據(jù)衍射理論來(lái)對(duì)圖像做出正確的解釋，這是衍襯象的特點(diǎn)之一。衍襯象的應(yīng)用 衍襯成像技術(shù)可以對(duì)晶體中的位錯(cuò)、層錯(cuò)、空位團(tuán)等晶體缺陷進(jìn)行直接觀察，因此研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已經(jīng)延伸到晶體電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)

19、的研究。n相位襯度 n高分辨率像 高分辨率像有直接反映晶體晶格一維或二維結(jié)構(gòu)的晶格條文像，反映晶體結(jié)構(gòu)中原子或分子配置情況的結(jié)構(gòu)像，以及反映單個(gè)重金屬原子的原子像。 n高壓電子顯微鏡電子顯微分析第四節(jié)掃描電子顯微鏡掃描電鏡早在1935年，克諾爾（Knoll）就提出了掃描電鏡的工作原理，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)裝置，1938年阿登納（Ardenne）制成第一臺(tái)掃描電鏡。特點(diǎn)： 1、可觀察直徑為1030nm的大塊試樣，且制樣簡(jiǎn)單； 2、場(chǎng)深大，三百倍于光學(xué)顯微鏡； 3、放大倍數(shù)變化范圍大，1030萬(wàn)倍； 4、分辨率高，最高可達(dá)2nm； 5、可進(jìn)行多功能的分析； 6、可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)

20、試驗(yàn)。掃描電鏡是電子顯微鏡中的一種，它是通過電子束打到固定樣品表面所產(chǎn)生的電子為分析對(duì)象來(lái)分析固體表面 形貌，結(jié)構(gòu)或成分.掃描電鏡早在1935年，克諾爾（Knoll）就提出了掃描電鏡的工作原理，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)裝置，1938年阿登納（Ardenne）制成第一臺(tái)掃描電鏡。特點(diǎn)： 1、可觀察直徑為1030nm的大塊試樣，且制樣簡(jiǎn)單； 2、場(chǎng)深大，三百倍于光學(xué)顯微鏡； 3、放大倍數(shù)變化范圍大，1030萬(wàn)倍； 4、分辨率高，最高可達(dá)2nm； 5、可進(jìn)行多功能的分析； 6、可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。掃描電鏡是電子顯微鏡中的一種，它是通過電子束打到固定樣品表面所產(chǎn)生的電子為分析對(duì)象來(lái)分

21、析固體表面 形貌，結(jié)構(gòu)或成分.掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的應(yīng)用掃描電鏡在觀察斷口形貌方面的優(yōu)勢(shì)是 人們公認(rèn)的，它可以直接觀察斷口，不 需要象透射電鏡那樣進(jìn)行復(fù)雜的樣品制 備，可以對(duì)斷口在很寬的倍率范圍內(nèi)進(jìn) 行連續(xù)觀察。即可以進(jìn)行低倍的大范圍 掃描，又可以對(duì)某些感興趣的區(qū)域進(jìn)行 高倍掃描，顯示斷口形貌特征，揭示斷 裂機(jī)理。掃描電鏡具有比光學(xué)顯微鏡和透射電鏡 大的多的景深，所以可以獲得其他顯微 鏡無(wú)法得到的三維立體形態(tài)像，為了進(jìn) 一步分析組成相的形成機(jī)理及三維形態(tài) 特征提供了一種有效的方法。場(chǎng)發(fā)射電子槍具有亮度高能量分散小和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)分辨率的提高有極大的幫助，隨著高真空技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射技術(shù)的完善

22、，在發(fā)展高性能電鏡方面會(huì)有一定作為的。斷口形貌觀察 顯微組織觀察 提高分辨本領(lǐng)總之，鑒于掃描電鏡的 特點(diǎn)和現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展， 顯微形貌+顯微成分+顯 微結(jié)構(gòu)+顯微組織綜合 研究分析已經(jīng)成為掃描 電鏡現(xiàn)代顯微分析的 趨勢(shì)。低壓掃描電鏡是掃描電鏡發(fā)展的新方向，它可以直接觀察絕緣樣品而不會(huì)產(chǎn)生充電現(xiàn)象，而且電子能量小，穿透力弱，對(duì)樣品的輻射損失小。掃描電鏡的發(fā)展還在于在其基礎(chǔ) 上發(fā)展的多種新型電子顯微鏡： 如掃描透射電鏡，分析電鏡，掃 描隧道顯微鏡，電子背散射衍射 系統(tǒng)。低壓掃描電鏡 發(fā)展新型電鏡 顯微分析趨勢(shì)掃描電鏡像的襯度形貌襯度 形貌襯度是由于試樣表面形貌差別而形成的襯度。成像信號(hào)有二次電子和背散射電子 原子序數(shù)襯度 原子學(xué)說