透射電子顯微分析48課件

1、 第七章 透射電子顯微分析緒論7.1 透射電鏡的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用7.2 電子衍射7.3透射電子顯微分析樣品制備7.4薄晶樣品的衍襯成像原理緒論 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求材料科學(xué)工作者能夠及時提供具有良好力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料及具有各種物理化學(xué)性能的功能材料。而材料的性能往往取決于它的微觀結(jié)構(gòu)及成分分布。因此，為了研究新的材料或改善傳統(tǒng)材料，必須以盡可能高的分辨能力觀測和分析材料在制備、加工及使用條件下（包括相變過程中，外加應(yīng)力及各種環(huán)境因素作用下等）微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的變化，并進而揭示材料成分工藝微觀結(jié)構(gòu)性能之間關(guān)系的規(guī)律，建立和發(fā)展材料科學(xué)的基本理論。改炒菜式為合金設(shè)計。透射電子顯微鏡（TEM）正

2、是這樣一種能夠以原子尺度的分辨能力，同時提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功能的儀器。特別是選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進行微區(qū)成份分析，得到全面的信息。TEM簡介：透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式出現(xiàn)，如： 高分辨電鏡（HRTEM） 透射掃描電鏡（STEM） 分析型電鏡（AEM）等等。入射電子束（照明束）也有兩種主要形式： 平行束：透射電鏡成像及衍射 會聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。 TEM的主要發(fā)展方向： (1) 高電壓：增加電子穿透試樣的能力，可觀察較厚、較具代表性的試樣，現(xiàn)場觀察(in-situ ob

3、servalion) 輻射損傷; 減少波長散布像差(chromatic aberration) ; 增加分辨率等，目前已有數(shù)部 2-3 MeV 的TEM在使用中。左圖為200 keV TEM之外形圖。 (2)高分辨率：最佳解像能力為點與點間0.18 nm、線與線間0.14nm。美國於1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中1000 keV之原子分辨電子顯微鏡 (atomic resolution electron microscope，AREM) 其點與點間之分辨率達0. 17nm，可直接觀察晶體中的原子。 (3) 多功能分析裝置：如附加電子能量分析儀 (electron analyzer，EA

4、) 可監(jiān)定微區(qū)域的化學(xué)組成。 (4)場發(fā)射電子光源: 具高亮度及契合性，電子束可小至1 nm。除適用於微區(qū)域成份分析外，更有潛力發(fā)展三度空間全像術(shù)(holography)。7.1 透射電鏡的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用7.1.1 透射電鏡的結(jié)構(gòu) 7.1.2 透射電鏡成像原理 7.1.1 透射電鏡的結(jié)構(gòu) 我們這里先看一看一些電鏡的外觀圖片，再就透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理做一簡單介紹。JEM-2010透射電鏡加速電壓200KVLaB6燈絲點分辨率 1.94EM420透射電子顯微鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率 2.04點分辨率 3.4最小電子束直徑約2nm傾轉(zhuǎn)角度=60度

5、=30度Philips CM12透射電鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KVLaB6或W燈絲晶格分辨率 2.04點分辨率 3.4最小電子束直徑約2nm；傾轉(zhuǎn)角度=20度 =25度CEISS902電鏡加速電壓50KV、80KVW燈絲頂插式樣品臺能量分辨率1.5ev傾轉(zhuǎn)角度=60度轉(zhuǎn)動4000右圖為透射電子顯微鏡光路原理圖 ：光學(xué)顯微鏡和透射電鏡光路圖比較：光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏 透射電鏡一般是由電子光學(xué)部分、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。1電子光學(xué)部分整個電子光學(xué)部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上而下順序排列著電子槍、

6、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構(gòu)等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學(xué)部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。照明系統(tǒng)樣品室成像系統(tǒng)觀察和記錄系統(tǒng)(1)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對中及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用：是為成像系統(tǒng)提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內(nèi)傾斜。電子槍。它由陰極、柵極和陽極構(gòu)成。 在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。聚光鏡。聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。照明系統(tǒng)示意圖陰極

7、（接負高壓）控制極（比陰極負1001000伏）陽極電子束聚光鏡試樣 (2)樣品室樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。其位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。 (3)成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領(lǐng)決定了電鏡的分辨本領(lǐng)，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。成像系統(tǒng)補充說明：由物鏡、中間鏡(1、2個)和投影鏡(1、2個)組成。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。通過調(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，可在熒光屏上得到衍射花樣。若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。透射電鏡分辨率的高

8、低主要取決于物鏡 。 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏 (b)將顯微像投影到熒光屏(4)圖像觀察與記錄系統(tǒng) 該系統(tǒng)由熒光屏、照相機、數(shù)據(jù)顯示等組成在分析電鏡中，還有探測器和電子能量分析等附件（見下頁示意圖）。掃描發(fā)生儀顯象管和X-Y記錄儀數(shù)據(jù)處理放大器電子束掃描線圈入射光闌電子能量分析儀能量選擇光闌探測器分析電鏡圖像觀察與記錄系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)示意圖2真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在10-4 pa以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子?xùn)艠O與陽極間高壓電

9、離導(dǎo)致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。 3供電控制系統(tǒng) 加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產(chǎn)生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領(lǐng)，所以加速電壓和透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉(zhuǎn)器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅(qū)動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器。7.1.2 透射電鏡成像原理阿貝光學(xué)顯微鏡衍射成像原理也適用于電子顯微鏡。下圖為阿貝衍射像原理示意圖。物平面像平面頻譜面白光光源 透鏡的成像作用可以分為兩個過程： 第一個過程

10、是平行電子束遭到物的散射作用而分裂成為各級衍射譜，即由物變換到衍射的過程； 第二個過程是各級衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上會聚成諸像點，即由衍射重新變換到物(像是放大了的物)的過程。 晶體對于電子束就是一個三圍光柵。 近代高性能電鏡一般都設(shè)有兩個中間鏡，兩個投影鏡。三級放大放大成象和衍射成象示意圖如下頁所示： （a）高放大率（b）衍射物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡選區(qū)光闌在電子顯微鏡中，物鏡產(chǎn)生的一次放大像還要經(jīng)過中間鏡和投影鏡的放大作用而得到最終的三次放大像。三次放大圖像的總放大倍率為：M總=M物M中M投 根據(jù)阿貝成像理論在物鏡的后焦面上有衍射譜，可以通過減弱中間鏡電流來增大其物距，使其

11、物平面與物鏡的后焦面相重，這樣就可以把物鏡產(chǎn)生的衍射譜透到中間鏡的像平面上，得到一次放大了的電子衍射譜，再經(jīng)過投影鏡的放大作用，最后在熒光屏上得到二次放大的電子衍射譜。電子衍射譜7.2 電子衍射 概述 7.2.1 電子衍射基本公式和相機常數(shù) 7.2.2 選區(qū)電子衍射 7.2.3 常見的幾種電子衍射譜 7.2.4 電子衍射花樣的標定 概述 電鏡中的電子衍射,其衍射幾何與X射線完全相同,都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系. 衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出.因此,許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理.即電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)

12、合起來。電子波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡單。物質(zhì)對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。 不足之處電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強度分析變得復(fù)雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結(jié)構(gòu)。此外，散射強度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復(fù)雜；在精度方面也遠比X射線低。7.2.1 電子衍射基本公式和相機常數(shù)物鏡后焦面上形成一幅斑點花樣經(jīng)物鏡下面的各透

13、鏡再次放大后投射到觀察屏上，形成我們觀察到的衍射花樣。gR設(shè)物鏡以下各透鏡總放大倍數(shù)為M，觀察屏上衍射斑距透射斑的距離為R，則：R=Mr=Mf/d令L=Mf，稱K=L為相機常數(shù)，則：R=L/d（電子衍射計算的基本公式）或 R=Lg（g：倒易矢量）相機常數(shù)通常可以利用金膜衍射花樣或者利用已知晶體結(jié)構(gòu)單晶體的衍射花樣測定（具體見衍射花樣分析部分）。7.2.2 選區(qū)電子衍射 獲取衍射花樣的方法是光闌選區(qū)衍射和微束選區(qū)衍射，前者多在5平方微米以上，后者可在0.5平方微米以下，我們這里主要講述前者。 光闌選區(qū)衍射是是通過物鏡象平面上插入選區(qū)光闌限制參加成象和衍射的區(qū)域來實現(xiàn)的。另外，電鏡的一個特點就是能

14、夠做到選區(qū)衍射和選區(qū)成象的一致性。選區(qū)成象選區(qū)衍射選區(qū)形貌選區(qū)衍射斑點選區(qū)衍射操作步驟： 為了盡可能減小選區(qū)誤差，應(yīng)遵循如下操作步驟：1. 插入選區(qū)光欄，套住欲分析的物相，調(diào)整中間鏡電流使選區(qū)光欄邊緣清晰，此時選區(qū)光欄平面與中間鏡物平面生重合；2. 調(diào)整物鏡電流，使選區(qū)內(nèi)物象清晰，此時樣品的一次象正好落在選區(qū)光欄平面上，即物鏡象平面，中間鏡物面，光欄面三面重合； 3. 抽出物鏡光欄，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡背焦面，熒光屏上可觀察到放大的電子衍射花樣 4. 用中間鏡旋鈕調(diào)節(jié)中間鏡電流，使中心斑最小最園，其余斑點明銳，此時中間鏡物面與物鏡背焦面相重合。 5. 減弱第二聚光鏡電流，使投

15、影到樣品上 的入射束散焦（近似平行束），攝照（30s左右）選區(qū)誤差：角度較正：像和譜所使用的中間鏡電流不同，旋轉(zhuǎn)角不同。 物鏡球差：Csa3 物鏡聚焦：Da 后兩種引起的總位移 h= Csa3 Da7.2.3 常見的幾種電子衍射譜1.單晶電子衍射譜多晶電子衍射譜復(fù)雜電子衍射花樣100nm167mabcFig. 6 TEM microstructure of No. 2 alloys after 350/6h homogenizationa-dark field image b-bright field image c-electron diffraction pattern7.2.4 電子衍射

16、花樣的標定 花樣分析分為兩類： 一是結(jié)構(gòu)已知，確定晶體缺陷及有關(guān)數(shù)據(jù)或相關(guān)過程中的取向關(guān)系； 二是結(jié)構(gòu)未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標定是基礎(chǔ)。1 多晶體電子衍射花樣的標定2 單晶體電子衍射花樣的標定3 復(fù)雜電子衍射分花樣析 1 多晶體電子衍射花樣的標定 a. 花樣 與X射線衍射法所得花樣的幾何特征相似，由一系列不同半徑的同心園環(huán)組成，是由輻照區(qū)內(nèi)大量取向雜亂無章的細小晶體顆粒產(chǎn)生，d值相同的同一(hkl)晶面族所產(chǎn)生的衍射束，構(gòu)成以入射束為軸，2 為半頂角的園錐面，它與照相底板的交線即為半徑為R=L /dK/d的園環(huán)。R和1/d存在簡單的正比關(guān)系對立方晶系： 1/d2=（h2+k2+l2）/a2

17、N/a2 通過R2比值確定環(huán)指數(shù)和點陣類型。1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測R、算R2、分析R2比值的遞增規(guī)律、定N、求(hkl)和a 。 如已知K,也可由d=K/R求d對照ASTM求(hkl)。2)晶體結(jié)構(gòu)未知：測R、算R2、Ri2R12，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律、根據(jù)消光規(guī)律確定晶體結(jié)構(gòu)類型、寫出衍射環(huán)指數(shù)(hkl)，算a . 如已知K,也可由d=K/R求d對照ASTM求(hkl)和a,確定樣品物相。b. 分析方法已知晶體結(jié)構(gòu)，標定相機常數(shù)，一般用Au, FCC, a=0.407nm，也可用內(nèi)標。物相鑒定：大量彌散的萃取復(fù)型粒子或其它粉末粒子。c.主要用途例：儀器常數(shù)L的確定2 單晶體電子衍射花樣的標定

18、 a.花樣特征規(guī)則排列的衍射斑點。它是過倒易點陣原點的一個二維倒易面的放大像。 RKg大量強度不等的衍射斑點。有些并不精確落在Ewald球面上仍能發(fā)生衍射，只是斑點強度較弱。倒易桿存在一個強度分布。微區(qū)晶體分析往往是單晶或為數(shù)不多的幾個單晶復(fù)合衍射花樣。b、花樣分析任務(wù)：在于確定花樣中斑點的指數(shù)及其晶帶軸方向u v w，并確定樣品的點陣類型和位向。方法：有三種 指數(shù)直接標定法、比值法(償試校核法)、標準衍射圖法選擇靠近中心透射斑且不在一條直線上的斑點，測量它們的R，利用R2比值的遞增規(guī)律確定點陣類型和這幾個斑點所屬的晶面族指數(shù)(hkl)等。(1)、指數(shù)直接標定法：(已知樣品和相機 常數(shù)L) 可

19、分別計算產(chǎn)生這幾個斑點的晶面間距d=L /R并與標準d值比較直接寫出(hkl)，(見下頁)。也可事先計算R2R1，R3R1，和R1、R2間夾角，據(jù)此進行標定(見下頁)。111lkh222lkh333lkh222lkh1R1j2R333lkh111lkh11113382024133000111204 能使斑點花樣指數(shù)化 的兩個特征量根據(jù)d=L /R查PDF卡片得出花樣指數(shù)標定的結(jié)果(2)、比值法(償試校核法)：物相未知根據(jù)Ri/R1比值查表(例P93)或Ri2/R12比值查表(例P94),再利用Ri之間的夾角來校驗。任取(h1k1l1)，而第二個斑點的指數(shù)(h2k2l2),應(yīng)根據(jù)R1與R2之間的

20、夾角的測量值是否與該兩組晶面的夾角相苻來確定。夾角公式為：再根據(jù)矢量加和公式，求出全部的斑點指數(shù)。R3R1R2， R3R3任取不在一條直線上的兩斑點確定晶帶軸指數(shù)B = r = RB RA 詳見下例ACDB011211411004002000低碳合金鋼基體的電子衍射花樣底版負片描制圖例：例：上圖是由某低碳合金鋼薄膜樣品的區(qū)域記錄的單晶花樣，以些說明分析方法：選中心附近A、B、C、D四斑點，測得RA7.1mm，RB10.0mm，RC12.3mm，RD21.5mm，同時用量角器測得R之間的夾角分別為(RA, RB)900, (RA, RC)550, (RA, RD)710,求得R2比值為2：4：6

21、：18，RB/RA=1.408, RC/RA=1.732, RB/RA=3.028,表明樣品該區(qū)為體心立方點陣,A斑N為2，110,假定A為(1，1，0)。B斑點N為4，表明屬于200晶面族，初選（200），代入晶面夾角公式得夾角為450（實際為900），不符，發(fā)現(xiàn)（002）與之相符，所以B為（002）。RC= RARB，C為（1，2，1），N6與實測R2比值的N一致，查表或計算夾角為54.740,與實測的550相 符， RE2RB,E為（004）RDRARE（1，1，4），查表或計算（1，1，0）與（1，1，4）的夾角為70.530,依此類推可標定其余點。已知K14.1mmA,用公式 d=K

22、/R,得 dA=1.986A, dB=1.410A, dC=1.146A, dD=0.656A, 查PDF卡發(fā)現(xiàn)與-Fe的標準d值相符，由此確定樣品上該微區(qū)為鐵素體。選取R1=RB=(002), R2=RA=(1，-1，0),求得晶帶軸指數(shù)B = RB RA= 110一般要有幾套斑點才能分析未知物相： (P92表71)衍射花樣為平行四邊形，七個晶系均可， 正方形，可能為四方或立方 六角形，可能晶系為六方，三角、立方 如果上述三個花樣均由同一試樣同一部位產(chǎn)生，則 此晶體只能屬于立方晶系單晶花樣的不唯一性1表現(xiàn)形式 同一衍射花樣有不同的指數(shù)化結(jié)果2、產(chǎn)生原因： 頭兩個斑點的任意性 二次對稱性 偶合

23、不唯一性，常出現(xiàn)于立方晶系的中高指數(shù)，如(352)和(611)，(355)和(173)3、影響：物相分析，可不考慮；但作取向關(guān)系、計算缺陷矢量分析時必須考慮。4、消除辦法 轉(zhuǎn)動晶體法，讓斑點自洽。 借助復(fù)雜電子衍射花樣分析，如雙晶帶衍射花樣、高階勞厄帶花樣分析。3 復(fù)雜電子衍射花樣分析簡單花樣：單質(zhì)或均勻固溶體的散射，由近似平行于B的晶帶軸所產(chǎn)生。復(fù)雜花樣：在簡單花樣中出現(xiàn)許多“額外斑點”，分析目的在于辯認額外信息，排除干擾。 a 雙晶帶引起的斑點花樣原因：Ewald球是一個有一定曲率的球面，可能使兩個晶帶軸指數(shù)相差不大的晶帶的0層倒易面同時與球面相截，產(chǎn)生分屬于兩個晶帶的兩套衍射斑點。產(chǎn)生些

24、情況必須具備的條件為：r1,r2夾角很小；g1.r2 0, g2.r10現(xiàn)象：一邊一套衍射斑（見下頁）標定方法：同簡單花樣。驗證標定結(jié)果采用上述必備條件。O*r1r2g2g1g3入射束BFBOGDCEHA矩形格子平形四邊形格子AlN雙晶帶電子衍射花樣原理圖b 高階勞厄帶通過倒易原點的零層倒易平面上的倒易陣點與反射球相截，相應(yīng)的晶面將產(chǎn)生衍射，這些衍射斑點稱為零階勞厄區(qū)斑點或零階勞厄帶斑點。在有些情況下，除零層倒易平面與反射球相截外，與此平行的高層倒易平面上的陣點也可能與反射球相截，從而產(chǎn)生相應(yīng)的衍射稱這些衍射斑點為高階勞厄斑點或高階勞厄帶斑點。高階勞厄帶斑點可以給出三維倒易點陣的資料，是晶體相

25、分析和取向分析中非常有用的信息。 標定方法：采用廣義晶帶定律: hu+kv+lw=N N=0 1 -1 2 -2 標定， 只要標定出高階勞厄帶的一個斑點指數(shù)，就可參照零階勞厄帶中的斑點指數(shù)，將高階勞厄帶中的其它斑點指數(shù)標定出來。c 二次衍射原理：電子通過晶體時，產(chǎn)生的較強，它們常常可以作為新的入射線，在晶體中再次產(chǎn)生衍射。現(xiàn)象：重合：強度反常；不重合：多出斑點或出現(xiàn)“禁止斑點” 場合：多發(fā)生在兩相合金衍射花樣內(nèi)，如基體與析出相；同結(jié)構(gòu)不同方位的晶體之間，如孿晶，晶界附近；同一晶體內(nèi)部。 判斷：二次衍射起因于花樣的對稱性,所以可以通過將試樣繞強衍射斑點傾斜10左右以產(chǎn)生雙束條件，即透射束和一去強

26、衍射束。若起因于二次衍射，在雙束條件政斑點就會消失；若部分強度起因于這種作用，強度就會減弱。也可用二次衍射斑形成中心暗場象來區(qū)分，如晶界會亮。 d 孿晶原理：在凝固、相變和再結(jié)晶變形過程中，晶體內(nèi)的一部分相對于基體按一定的對稱關(guān)系成長，即形成孿晶。如以孿晶面為鏡面反映，或以孿晶面的法線為軸，旋轉(zhuǎn)60、90、120、180，多數(shù)為180，可以與另一晶體相重。晶體中的這種孿晶關(guān)系自然也反映在相應(yīng)的倒易點陣中，從而由相應(yīng)的衍射花樣中反映出來?，F(xiàn)象：出現(xiàn)的額外孿晶斑與基體斑有一定的距離，如立方晶系中為13判斷：傾斜試樣或用暗場e 有序化與長周期結(jié)構(gòu)原理： 無序、有序轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)反常衍射。如面心立方簡單立

27、方。有序合金的衍射花樣中出現(xiàn)的超點陣（超結(jié)構(gòu)）衍射斑是有序的確鑿證據(jù)。超點陣反向強度取決于所含異類原子散射振幅之差，一般較弱。 長周期：有序疇在某方向的規(guī)則排列。其衍射花樣的特征是，除基體衍射斑點外，還出現(xiàn)一系列間隔較密的微弱斑點。f 調(diào)幅結(jié)構(gòu)原理：在某些穩(wěn)定的第二相生成之前，固溶體中常常產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象，溶質(zhì)原子在某些特定的晶面上偏聚。這樣在每個溶質(zhì)原子富集區(qū)兩側(cè)就有可能出現(xiàn)溶質(zhì)原子的貧乏區(qū)，形成相繼交替的周期性層狀結(jié)構(gòu)特征：只在hkl斑點兩側(cè)出現(xiàn)衛(wèi)星斑，在透射斑兩側(cè)不產(chǎn)生。7.3透射電子顯微分析樣品制備要求7.3.1 透射電鏡的復(fù)型技術(shù)7.3.2 金屬薄膜樣品的制備7.3.3 陶瓷材料試樣

28、的制備要求： TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。 （1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。 7.3.1 透射電鏡的復(fù)型技術(shù)（間接樣品） 對復(fù)型材料的主要要求：復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；有足夠的強度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。 1塑料碳二級復(fù)型

29、塑料一碳二級復(fù)型由于其制備過程不損壞金相試樣表面，重復(fù)性好，供觀察的第二級復(fù)型一碳膜導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，在電子束照射下較為穩(wěn)定，因而得到廣泛的應(yīng)用。具體制備方法如下述： 塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖（1） 在樣品表面滴一滴丙酮，然啟貼上一片與樣品大小相近的AC紙(6醋酸纖維素丙酮溶液薄膜)。注意不要留下氣泡或皺折待AC紙干透后小心揭下。反復(fù)貼AC紙3-4次以去除腐蝕產(chǎn)物，將最后一片AC紙留下，這片AC紙就是所需要的塑料一級復(fù)型。（2） 將AC紙復(fù)型面朝上平整地貼在襯有紙片的膠帶紙上。（3） 將復(fù)型放人真空鍍膜機真空室中，使投影重金屬的蒸發(fā)源與復(fù)型成一定角度，角度視表面凸凹而定，通常在15一45度之

30、間。常投影后再沿垂直方向噴鍍一層碳當無油處白色瓷片變成淺褐色時為宜。 （4） 將醋酸纖維一碳復(fù)合膜剪成小于中3mm小片投入丙酮中，待醋酸纖維素溶解后，用鑷子夾住銅網(wǎng)將碳膜撈起如果碳膜卷曲，可將其撈人蒸餾水中，靠水的表面聲力把卷負的碳膜展開，然后再用銅網(wǎng)撈起（5） 將撈起的碳膜放到濾紙上吸水干燥后即可放人電鏡中觀察2 萃取復(fù)型（半直接樣品）萃取復(fù)型7.3.2 金屬薄膜樣品的制備薄膜制備的基本要求：首先薄膜應(yīng)對電子束透明，制得的薄膜應(yīng)當保持與大塊樣品相同的組織結(jié)構(gòu)。其次簿膜得到的圖像應(yīng)當便于分析，所以即使在高壓電子顯微鏡中也不宜采用太厚的樣品，減薄過程做到盡可能的均勻薄膜g應(yīng)具有適當?shù)膹姸群蛣傂?

31、。最后，薄膜制備方法必須便于控制，具備足夠的可靠性和重復(fù)性。一般程序：(1)線切割制備厚度約0.20-0.30mm的薄片； (2)機械研磨減薄：用金相砂紙研磨至100 m 左右，不可太薄防止損傷貫穿薄片。(3) 化學(xué)拋光預(yù)減薄從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)100m 左右；從薄片上切取3mm的圓片。(4)雙噴電解終減薄。（拋光液體：10%高氯酸酒精溶液 ；樣品用丙酮或者無水酒精裝）雙噴電解拋光裝置原理圖 7.3.3 陶瓷材料試樣的制備1.顆粒試樣的制備方法2 陶瓷薄膜試樣（離子減?。?離子減薄裝置原理示意圖 7.4.1 衍襯像形成原理 7.4.2電子衍襯像的運動學(xué)原理 7.4.3 衍襯

32、運動學(xué)理論的適用范圍7.4薄晶樣品的衍射成像原理 衍射襯度是來源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不同和結(jié)構(gòu)振幅的差異。 明場像采用物鏡光欄將衍射束擋掉，只讓透射束通過而得到圖象襯度的方法稱為明場成像，所得的圖象稱為明場像。 暗場像用物鏡光欄擋住透射束及其余衍射束，而只讓一束強衍射束通過光欄參與成像的方法，稱為暗場成像，所得圖象為暗場像。 暗場成像有兩種方法：偏心暗場像與中心暗場像。7.4.1 衍襯像形成原理明場像暗場像必須指出： 只有晶體試樣形成的衍襯像才存明場像與暗場像之分，其亮度是明暗反轉(zhuǎn)的，即在明場下是亮線，在暗場下則為暗線，其條件是，此暗線確實是所造用的操作反射斑引起的。 它不是表面

33、形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作用后的反映。 為了使衍襯像與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系有機的聯(lián)系起來，從而能夠根據(jù)衍襯像來分析晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，探測晶體內(nèi)部的缺陷，必須建立一套理論，這就是衍襯運動學(xué)理論和動力學(xué)理論（超出范圍不講）。1 衍襯象運動理論的基本假設(shè)： a.采用雙束近似處理方法，即所謂的“雙光束條件” 除透射束外，只有一束較強的衍射束參與成象，忽略其它衍射束，故稱雙光成象。 這一強衍射束相對于入射束而言仍然是很弱的。這在入射電子束波長較弱以及晶體試樣較薄的情況下是合適的。7.4.2電子衍襯像的運動學(xué)原理因為波長短，球面半徑1/大，垂直于入射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的“

34、倒易桿”效應(yīng)。因此，試樣雖然處于任意方位，仍然可以在不嚴格滿足布拉格反射條件下與反射球相交而形成衍射斑點。 由于強衍射束比入射束弱得多，因此認為這一衍射束不是完全處于準確得布拉格反射位置，而存在一個偏離矢量S，S表示倒易點偏離反射球的程度，或反映偏離布拉格角2的程度。b. 入射束與衍射束不存在相互作用，二者之間無能量交換。 c. 假設(shè)電子束在晶體試樣內(nèi)多次反射與吸收可以忽略不計。d. 假設(shè)相鄰兩入射束之間沒有相互作用。 每一入射束范圍可以看作在一個圓柱體內(nèi)，只考慮沿柱體軸向上的衍射強度的變化，認為dx、dy方向的位移對布拉格反射不起作用，即對衍射無貢獻。這樣變?nèi)S情況為一維情況，這在晶體很薄，

35、且布拉格反射角2很小的情況下也是符合實際的。根據(jù)布拉格反射定律，這個柱體截向直徑近似為： Dt 2，t為試樣厚度。設(shè)t=1000， 10-2弧度，則D=20 ，也就是說，柱體內(nèi)的電子束對范圍超過20 以外的電子不產(chǎn)生影響。若把整個晶體表面分成很多直徑為20 左右的截向，則形成很多很多柱體。計算每個柱體下表面的衍射強度，匯合一起就組成一幅由各柱體衍射強度組成的衍襯象，這樣處理問題的方法，稱為柱體近似。2 完整晶體的衍襯像運動學(xué)：根據(jù)上述假設(shè),將晶體分成許多晶粒,晶粒平行于Z方向,每個晶粒內(nèi)部含有一列單胞,每個單胞的結(jié)構(gòu)振幅為F,相當于一個散射波源,各散射波源相對原點的位置矢量為： R n = x

36、 n a+ y n b+ z n c a, b , c 單胞基矢,分別平行于x,y,z軸; x n ,y n ,z n為各散射波源坐標. 對所考慮的晶格來說 x n = y n=0. 各散射波的位相差 =kR n . 因此,P0處的合成振幅為: g=F n e-2i kR n = F n e-2i k(Z n c)運動學(xué)條件s0, 所以 k = g + s, s = s x a +s y b +s z c因為薄品試樣只有Z分量,所以 s = s z c Zn是單胞間距的整數(shù)倍, gR n=整數(shù) e 2i gR n = 1 所以 g=F n e-2i kR n = F n e-2i S z Zn

37、 ID = g g 設(shè) ID= F2 sin2( s z t)/ sin2( s z ) S z 很小,上式可寫成 ID= F2 sin2( s z t)/ ( s z ) 上兩式里簡化處理的運動學(xué)強度公式. 若令入射電子波振幅0=1,則根據(jù)費涅耳衍射理論,得到衍射波振幅的微分形式: d g = i F g e-2 isz dz / V c cos (7-1) 令g = V c cos / F g , 并稱為消光距離.將該微分式積分并乘以共軛復(fù)數(shù),得到衍射波強度公式為: ID=2sin2(s2)/ g 2(s)2 (7-2) V c單胞體積, : 半衍射角, F g 結(jié)構(gòu)振幅, 電子波長, s

38、in2(s z)/(s)2 稱為干涉函數(shù). 公式表明,I g是厚度 t 與偏離矢量S的周期性函數(shù),下面討論此式的物理意義. 1. 等厚消光條紋,衍射強度隨樣品厚度的變化. 如果晶體保持確定的位向,則衍射晶面的偏離矢量保持恒定,此時上式變?yōu)? I g = sin2(s t)/(s g )2 （1）等厚干涉條紋 顯然，當S =常數(shù)時，隨著樣品厚度t的變化衍射強度將發(fā)生周期性的振蕩。 振蕩的深度周期：t g = 1/s 這就是說，當t=n/s (n為整數(shù)）時， I g =0。 當t=(n+1/2)/s時， I g = I g max=1/(s g )2 I g 隨t的周期性振蕩這一運動學(xué)結(jié)果。定性地

39、解釋了晶體樣品的鍥形邊緣處出現(xiàn)的厚度消光條紋。（2） 彎曲消光條紋現(xiàn)在我們討論衍射強度I g 隨晶體位向的變化，公式(7-2)可改寫成為：I g =2 t2sin2( t s)/ g 2( t s)2 (7-3) 當t=常數(shù)時，衍射強度I g 隨衍射晶面的偏離參量s的變化如下圖所示。 由此可見，隨著s絕對值的增大， I g 也發(fā)生周期性的強度振蕩，振蕩周期為： s g =1/t, 如果s=1/t、 2/t ,I g=0,發(fā)生消光.而s=0、 3/2t、 5/2t, I g有極大值,但隨著s的絕對值的增大,極大值峰值強度迅速減小.圖1 s=0, I g max= 2 t2/ g 利用(7-3)和

40、上圖,可以定性的解釋倒易陣點在晶體尺寸最小方向上的擴展.當只考慮到衍射強度主極大值的衰減周期(-1/t1/t)時,倒易陣點的擴展范圍即2/t大致相當于強度峰值包括線的半高寬s, 與晶體的厚度成反比.這就是通常晶向發(fā)生衍射所能允許的最大偏離范圍(s0,則在遠離位錯線D的區(qū)域(如A和C位置,相當于理想晶體)衍射波強度I(即暗場中的背景強度).位錯引起它附近晶面的局部轉(zhuǎn)動,意味著在此應(yīng)變場范圍內(nèi),(hkl)晶面存在著額外的附加偏差S.離位錯線愈遠, S愈小,在位錯線右側(cè)S0,在其左側(cè)SS0,使衍襯強度IBI; 而在左側(cè),由于S0與S符號相反,總偏差S0+SS0,且在某個位置(例如D)恰巧使S0+S=

41、0,衍射強度I D=Imax. 這樣,在偏離位錯線實際位置的左側(cè),將產(chǎn)生位錯線的象(暗場中為亮線,明場相反).不難理解,如果衍射晶面的原始偏離參量S00,則位錯線的象將出現(xiàn)在其實際位置的另一側(cè).這一結(jié)論已由穿過彎曲消光條紋(其兩側(cè)S0符號相反)的位錯線相互錯開某個距離得到證實. 位錯線像總是出現(xiàn)在它的實際位置的一側(cè)或另一側(cè)。襯度本質(zhì)上是由位錯附近的點陣畸變所產(chǎn)生的,叫做“應(yīng)變場襯度”. 而且,由于附近的偏差S隨離開位錯中心的距離而逐漸變化,使位錯線像總是有一定的寬度(一般在30100左右).盡管嚴格來說,位錯是一條幾何意義上的線,但用來觀察位錯的電子顯微鏡卻并不必須具有極高的分辨本領(lǐng).通常,位

42、錯線像偏離實際位置的距離也與像的寬度在同一數(shù)量級范圍內(nèi). 對于位錯襯度的上述特征,運動學(xué)理論給出了很好的定性解釋.7.4.3 衍襯運動學(xué)理論的適用范圍衍襯運動學(xué)理論在定量上是不可靠的，定性解釋上也有局限性(因為我們所有結(jié)論都是從理想的假設(shè)出發(fā)得到的，和實際有所差別）。另外電子衍射強度往往可以產(chǎn)生二次衍射效應(yīng)以及透射線與衍射線之間的相互作用，還有由于吸收出現(xiàn)的反常襯度效應(yīng)等衍襯像的細節(jié)等，都是衍襯運動學(xué)無法處理的。$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!p

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