透射電鏡在材料分析中的應用課件

1、透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中的應用 透射電鏡的一般知識TEM工作原理透射電鏡的結(jié)構電子衍射物相分析電子顯微襯度像基本概念補充應用舉例透射電鏡樣品制備 透射電鏡的一般知識透射電鏡的一般知識什么是TEM?TEM發(fā)展簡史為什么要用TEM?透射電鏡的一般知識什么是TEM? 什么是TEM? 透射電子顯微鏡是以波長很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領，高放大倍數(shù)的電子光學儀器。 什么是TEM? 透射電子顯微鏡是以波長很短的電TEM發(fā)展簡史1924年de Broglie提出波粒二象性假說 1926 Busch指出“具有軸對稱性的磁場對電子束起著透鏡的作用，有可能使電

2、子束聚焦成像”。1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid 進行了電子衍射實驗。1933年柏林大學的Knoll和Ruska研制出第一臺電鏡（點分辨率50nm, 比光學顯微鏡高4倍)，Ruska 為此獲得了Nobel Prize（1986）。1949年Heidenreich觀察了用電解減薄的鋁試樣；TEM發(fā)展簡史1924年de Broglie提出波粒二象性假TEM發(fā)展簡史德布羅意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢？光的波粒二象性是不是可以推廣到電子這類的粒子呢？ “物質(zhì)波”的新概念 物質(zhì)波的波長公式h/PTEM發(fā)展簡史德布羅意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢

3、？光的例：質(zhì)量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度運動，試求人的德布羅意波波長。人的德波波長儀器觀測不到，宏觀物體的波動性不必考慮，只考慮其粒子性。例：質(zhì)量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度運電子的德波波長很短，用電子顯微鏡可放大200萬倍。例：求靜止電子經(jīng) 200kV 電壓加速后的德波波長。解：靜止電子經(jīng)電壓U加速后的動能電子的德波波長很短，用電子顯微鏡可放大200萬倍。例：求靜止 1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴維森與革末用電子束垂直投射到鎳單晶，做電子轟擊鋅板的實驗，隨著鎳的取向變化，電子束的強度也在變化，這種現(xiàn)象很像一

4、束波繞過障礙物時發(fā)生的衍射那樣。其強度分布可用德布羅意關系和衍射理論給以解釋。德布羅意波的實驗驗證-電子衍射實驗1探測器電子束電子槍鎳單晶 1927年 C.J. Davisson & G.P. 屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極德布羅意波的實驗驗證 -電子衍射實驗2同時英國物理學家G.P. Thompson & Reid也獨立完成了電子衍射實驗。電子束在穿過細晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。 德布羅意理論從此得到了有力的證實，獲得1929年的諾貝爾物理學獎，Davisson和Thompson則共同分享1937年的諾貝爾物理學獎金。 屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極德布羅意波的實驗驗近代TE

5、M發(fā)展史上三個重要階段像衍理論(5060年代)：英國牛津大學材料系P.B.Hirsch, M.J.Whelan；英國劍橋大學物理系 A.Howie(建立了直接觀察薄晶體缺陷和結(jié)構的實驗技術及電子衍射襯度理論）高分辨像理論（70年代初）：美國阿利桑那州立大學物理系J.M.Cowley，70年代發(fā)展了高分辨電子顯微像的理論與技術。高空間分辨分析電子顯微學70年代末，80年代初）:采用高分辨分析電子顯微鏡(HREM，NED，EELS, EDS)對很小范圍（5）的區(qū)域進行電子顯微研究(像，晶體結(jié)構，電子結(jié)構，化學成分)近代TEM發(fā)展史上三個重要階段像衍理論(5060年代)：英各國代表人物美國伯克萊加州

6、大學G.Thomas將TEM第一個用到材料研究上。日本崗山大學H. Hashimoto日本電鏡研究的代表人。中國：錢臨照、郭可信、李方華、葉恒強、朱靜。國內(nèi)電鏡做得好的有：北京電鏡室（物理所）、沈陽金屬所、清華大學等。各國代表人物美國伯克萊加州大學G.Thomas將TEM第一個為什么要用TEM?可以實現(xiàn)微區(qū)物相分析。 GaP納米線的形貌及其衍射花樣 為什么要用TEM?可以實現(xiàn)微區(qū)物相分析。 GaP納米線的形貌高的圖像分辨率。納米金剛石的高分辨圖像 不同加速電壓下電子束的波長V(kV)()1000.03702000.02513000.019710000.0087高的圖像分辨率。納米金剛石的高分辨

7、圖像 不同加速電壓獲得立體豐富的信息。三極管的溝道邊界的高分辨環(huán)形探測器（ADF）圖像及能量損失譜 獲得立體豐富的信息。三極管的溝道邊界的高分辨環(huán)形探測器（AD不同結(jié)構表征手段對比波長 分辨率 聚焦優(yōu) 點局限性OM400080002000可簡單，直觀只能觀察形態(tài), 不能做微區(qū)成份分析RD0.1100無相分析簡單精確無法觀察形貌EM0.0251(200kV)TEM：0.9-1.0可組織分析; 物相分析(電子衍射); 成分分析(能譜,波譜,電子能量損失譜 )價格昂貴,不直觀,操作復雜;樣品制備復雜不同結(jié)構表征手段對比波長分辨率聚焦優(yōu) 點局限性OM4000 成像原理阿貝成像原理平行光束受到有周期性特

8、征物體的散射作用形成各級衍射譜。(同級平行散射波經(jīng)過透射后都聚焦在后焦面上同一點，形成衍射振幅的極大值s2, s1, s0, s1, s2 )。各級衍射波通過干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。 成像原理阿貝成像原理兩種工作模式在電子顯微鏡中，用電子束代替平行入射光束，用薄膜狀的樣品代替周期性結(jié)構物體，就可重復以上衍射成像過程。在TEM中，改變中間鏡的電流。使中間鏡的物平面從一次像平面移向物鏡的后焦面，可得到衍射譜，反之，讓中間鏡的物面從后焦面向下移到一次像平面，就可看到像。 這就是為什么TEM既能得到衍射譜又能觀察像的原因。兩種工作模式在電子顯微鏡中，用電子束代替平行入射光束，用薄膜TE

9、M電子光學部分真 空 部 分電 子 部 分照明、成象、觀察和記錄機械泵、擴散泵、吸附泵、真空測量、顯示儀表高壓電源、透鏡電源、真空電源、輔助電源、安全系統(tǒng)、總調(diào)壓變壓器核心輔助輔助透射電鏡的結(jié)構TEM電子光學部分真 空 部 分電 子 部 分照明、成象、觀透射電鏡的結(jié)構電子光學部分真空部分電源與控制系統(tǒng)電磁透鏡的工作原理透射電鏡的結(jié)構電子光學部分電子光學部分A 照明系統(tǒng)電子槍聚光鏡B.成像系統(tǒng) 物鏡 (Objective lens) 中間鏡 (Intermediate lens) 投影鏡 (Projector lens)C. 觀察和記錄系統(tǒng)陰極發(fā)射電子陽極加速聚光鏡會聚作用樣品物鏡放大中間鏡放大

10、投影鏡放大熒光屏成像照相記錄電子光學部分A 照明系統(tǒng)陰極發(fā)射電子陽極加速聚光鏡會聚照明系統(tǒng)電子槍聚光鏡為成像系統(tǒng)提供一個亮度大、尺寸小的照明光斑。亮度由電子發(fā)射強度決定大小主要由聚光鏡的性能決定。照明系統(tǒng)電子槍成像系統(tǒng) -物鏡 形成第一幅電子像或衍射譜，它還承擔了物到像的轉(zhuǎn)換并加以放大的作用，既要求像差盡可能小又要求高的放大倍數(shù)(100 x-200 x)。物鏡光欄在后焦面附近 樣品物鏡物鏡光闌中間鏡目鏡熒光屏成像系統(tǒng) -物鏡 形成第一幅電子像或衍射譜，它還承擔成像系統(tǒng)-物鏡光欄 擋掉大角度散射的非彈性電子，減少色差和球差，提高襯度成像系統(tǒng)-物鏡光欄 擋掉大角度散射的非彈性電子，成像系統(tǒng)-物鏡光

11、欄 選擇后焦面上的晶體樣品衍射束成像，獲得明、暗場像。成像系統(tǒng)-物鏡光欄 選擇后焦面上的晶體樣品衍射束成 明場像和暗場像TEM圖像分為顯微像和衍射花樣。前者是透射電子成像，后者為散射電子成像。明場像(BF)：直射電子成像，像清晰。暗場像(DF)：散射電子成像，像有畸變、分辨率低。 明場像和暗場像TEM圖像分為顯微像和衍射花樣。前者是透射電明場像和暗場像成像電子的選擇是通過在物鏡的背焦面上插入物鏡光闌來實現(xiàn)的。中心暗場像(CDF)：入射電子束對試樣傾斜照明，得到的暗場像。像不畸變、分辨率高。明場像和暗場像成像電子的選擇是通過在物鏡的背焦面上插入物鏡光透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中

12、的應用暗場像明場像暗場像明場像成像系統(tǒng)-中間鏡 弱激磁長焦距可變倍率透鏡。作用是把物鏡形成的一次中間像或衍射譜投射到投影鏡的物平面上。EM的中間鏡控制總放大倍數(shù)M=M0MIMp成像系統(tǒng)-中間鏡 弱激磁長焦距可變倍率透鏡。作用成像系統(tǒng)-投影鏡 短焦距強磁透鏡。把經(jīng)中間鏡形成的二次中間像及衍射譜投影到熒光屏上，形成最終放大的電子像及衍射譜。成像系統(tǒng)-投影鏡 短焦距強磁透鏡。把經(jīng)中間鏡形成觀察和記錄系統(tǒng) 觀察: 熒光屏，小熒光屏和5-10倍的光學放大鏡。記錄：底片:典型的顆粒乳劑，由大約10%的鹵化銀顆粒分散在厚度約為25m的明膠層中TV camera: 可做動態(tài)記錄。CCD (Charge-Cou

13、pled Device) camera: 其最大特點是可以加工信息，缺點是速度慢及價格貴。Imaging plate(IP), 若將TEM像攝在專門的negative(IP)上，取下IP，放入專用的照相處理機上。馬上印出相片，像的質(zhì)量比普通膠片好。 觀察和記錄系統(tǒng) 觀察: 熒光屏，小熒光屏和5-10倍的光學放真空部分需要真空的原因：高速電子與氣體分子相互作用導致電子散射，引起炫光和減低像襯度電子槍會發(fā)生電離和放電，使電子束不穩(wěn)定；殘余氣體會腐蝕燈絲，縮短其壽命，且會嚴重污染樣品。樣品室要求真空度:107 torr UHV TEM 10-9torr FEG TEM Gun 10-11to真空部分

14、需要真空的原因：電源與控制系統(tǒng) 供電系統(tǒng)主要用于提供兩部分電源：一是電子槍加速電子用的小電流高壓電源；一是透鏡激磁用的大電流低壓電源。 電源與控制系統(tǒng) 供電系統(tǒng)主要用于提供兩部分電源：電磁透鏡的工作原理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，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，所以在目前研制的電子顯微鏡中大都采用電磁透鏡。磁場強度沿簡單螺旋管、包殼透鏡和極靴透鏡的軸向分布電磁透鏡的工作原理電子顯微鏡可以利用電場或磁場使電子束聚焦成運動電子在磁場中受到 Lorentz力作用，其表達式為：式中:e-運動電子電荷；v-電子運動速度矢

15、量；B-磁感應強度矢量；F-洛侖茲力F的方向垂直于矢量v和B所決定的平面，力的方向可由右手法則確定。 運動電子在磁場中受到 Lorentz力作用，其表達式為：電磁透鏡的工作原理電子在均勻磁場的運動方式電磁透鏡的磁場 電磁透鏡可以放大和匯聚電子束，是因為它產(chǎn)生的磁場沿透鏡長度方向是不均勻的，但卻是軸對稱的，其等磁位面的幾何形狀與光學玻璃透鏡的界面相似，使得電磁透鏡與光學玻璃凸透鏡具有相似的光學性質(zhì)。電磁透鏡的工作原理電子在均勻磁場的運動方式電磁透鏡的磁場 電子衍射物相分析電子衍射花樣的形成電子衍射的基本公式各種結(jié)構的衍射花樣選區(qū)電子衍射衍射花樣分析電子衍射物相分析電子衍射花樣的形成電子衍射花樣的

16、形成 電子衍射花樣實際上是晶體的倒易點陣與衍射球面相截部分在熒光屏上的投影電子衍射圖取決于倒易陣點相對于衍射球面的分布情況。電子衍射花樣的形成 電子衍射花樣實際上是晶體的倒易點陣與衍射電子衍射的基本公式 由于電子束波長很短，衍射球的半徑很大，在倒易點陣原點O附近，衍射球面非常接近平面 。在恒定的實驗條件下， 是一個常數(shù)，稱為衍射常數(shù) 電子衍射的基本公式 由于電子束波長很短，各種結(jié)構的衍射花樣 單晶體的衍射花樣不同入射方向的CZrO2衍射斑點 (a)111; (b)011; (c) 001; (d) 112各種結(jié)構的衍射花樣 單晶體的衍射花樣不同入射方向的CZrO多晶材料的電子衍射 NiFe多晶

17、納米薄膜的電子衍射 (a) 晶粒細小的薄膜 (b)晶粒較大的薄膜 多晶材料的電子衍射 NiFe多晶納米薄膜的電子衍射 (a) 非晶態(tài)物質(zhì)衍射 典型的非晶衍射花樣非晶態(tài)物質(zhì)衍射 典型的非晶衍射花樣選區(qū)電子衍射NiAl多層模的組織形貌（a），大范圍衍射花樣(b)，單個晶粒的選區(qū)衍射(c)選區(qū)電子衍射NiAl多層模的組織形貌（a），大范圍衍射花樣(電子束的光路具有可逆回溯的特點。如果在物鏡的像平面處加入一個選區(qū)光闌，只有AB范圍內(nèi)的成像電子能通過選區(qū)光闌,并最終在熒光屏上形成衍射花樣, 這一部分花樣實際上是由樣品上AB區(qū)域提供的，所以在像平面上放置選區(qū)光闌的作用等同于在物平面上放置一個光闌。電子束的

18、光路具有可逆回溯的特點。衍射花樣分析多晶體結(jié)構分析單晶體結(jié)構分析復雜電子衍射花樣衍射花樣分析多晶體結(jié)構分析多晶體結(jié)構分析多晶體的hkl倒易點是以倒易原點為中心，(hkl)晶面間距的倒數(shù)為半徑的倒易球面.此球面與Ewald反射球面相截于一個圓，所有能產(chǎn)生衍射的斑點都同理擴展成圓，所以多晶的衍射花樣是一系列同心的環(huán).環(huán)半徑正比于相應晶面間距的倒數(shù) 多晶體結(jié)構分析多晶體的hkl倒易點是以倒易原點為中心，(hk立方晶系中環(huán)的半徑立方晶系中環(huán)的半徑簡立方：N=1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 , 8 ,9,10,11,12,13,14 ,16 17 18bcc: h+k+l=偶數(shù)，F(xiàn)0 , N= 2,4

19、, 6 ,8 ,10,12,14,16 18fcc: hkl全奇數(shù)或全偶數(shù) F0 , N= 3 ,4 ,8 ,11,12 16簡立方：N=1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 , 8 ,9,多晶衍射花樣的標定測量環(huán)的半徑R;計算及 ，其中 為直徑最小的衍射環(huán)的半徑，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律，由此確定了晶體的結(jié)構類型，并可寫出衍射環(huán)的指數(shù)；根據(jù) 和 值可計算出不同晶面族的 。根據(jù)衍射環(huán)的強度確定3個強度最大的衍射環(huán)的d值，借助索引就可找到相應的ASTM卡片。全面比較d值和強度，就可最終確定晶體是什么物相。多晶衍射花樣的標定測量環(huán)的半徑R;例如已知L17.00mm , 測得環(huán)半徑為8.42mm, 11.

20、88mm, 14.52mm, 16.84mm, 18.88mm, 確定此多晶物體的物相。 R(mm) R2(mm2) N d(實驗) I/I1(實驗) d(查表) I/I1(查表) 8.42 70.90 2 2.02 100 2.01 100 11.81 141.1 4 1.44 20 1.41 15 14.52 210.8 6 1.17 40 1.17 38 16.84 283.6 8 1.01 18.88 356.5 10 0.9 由N的比值確定為bcc結(jié)構，由d= L/R得到d=2.0-2.5 , 發(fā)現(xiàn)Fe 的數(shù)據(jù)符合，確定此多晶物相為Fe。例如已知L17.00mm , 測得環(huán)半徑為8.

21、42mm單晶體結(jié)構分析單晶體結(jié)構分析的理論依據(jù)為：單晶電子衍射譜相當于一個倒易平面，每個衍射斑點與中心斑點的距離符合電子衍射的基本公式： ，從而可以確定每個倒易矢量對應的晶面間距和晶面指數(shù)；兩個不同方向的倒易點矢量遵循晶帶定律： ，因此可以確定倒易點陣平面 的指數(shù)；該指數(shù)也是平行于電子束的入射方向的晶帶軸的指數(shù)。 單晶體結(jié)構分析單晶體結(jié)構分析的理論依據(jù)為：單晶電子衍射譜相當已知晶體結(jié)構，確定晶面取向1)測量距離中心斑點最近的三個衍射斑點到中心斑點的距離2)測量所選衍射斑點之間的夾角 3)將測得的距離換算成面間距(Rd=L )4)將求得的d值與具體物質(zhì)的面間距表中的d值相對照(如PDF卡片)，得

22、出每個斑點的HKL 指數(shù)。5)決定離中心斑點最近衍射斑點的指數(shù)。若R1最短，則相應斑點的指數(shù)可以取等價晶面H1K1L1中的任意一個(H1K1L1 )；兩者的夾角已知晶體結(jié)構，確定晶面取向1)測量距離中心斑點最近的三個衍射6)決定第二個斑點的指數(shù)。第二個斑點的指數(shù)不能任選，因為它和第一個斑點間的夾角必須符合夾角公式。對立方晶系來說，兩者的夾角7)決定了兩個斑點，其它斑點可以根據(jù)矢量運算法則求得；8)根據(jù)晶帶定理，求晶帶軸的指數(shù)，即零層倒易截面法線的方向 。6)決定第二個斑點的指數(shù)。第二個斑點的指數(shù)不能任選，因為它和例子 已知純鎳(fcc)的衍射花樣(a=0.3523nm), 相機常數(shù)L為1.12

23、mmnm。確定該衍射花樣的晶帶軸 解：（1）各衍射斑點離中心斑點的距離為：r1=13.9mm, r2=3.5mm, r3=14.25mm。（2）夾角1=82o，2=76o，（3）由rd= L算出di: d1=0.0805nm 查表得331 d2=0.2038nm 查表得111 d3=0.0784nm 查表得420例子 已知純鎳(fcc)的衍射花樣(a=0.3523n(4)任意確定(H1K1L1)為(111)，(5)試選(H2K2L2 ) 為符合實測值，而其他指數(shù)如 、 不符合夾角要求。(6) 根據(jù)矢量運算(7)由晶帶定律可求得晶帶方向為:(4)任意確定(H1K1L1)為(111)，符合實測值，

24、而其未知結(jié)構的物相鑒定一張電子衍射圖能列出三個獨立的方程(兩個最短的倒易矢量長度和它們之間的夾角)； 而一個點陣單胞的參數(shù)有六個獨立變量；從另一個角度來看，一張電子衍射圖給出的是一個二維倒易面，無法利用二維信息唯一地確定晶體結(jié)構的三維單胞參數(shù)；因此從一張電子衍射圖上無法得到完整的晶體結(jié)構的信息。 為了得到晶體的三維倒易點陣需要繞某一倒易點陣方向傾轉(zhuǎn)晶體，得到包含該倒易點陣方向的一系列衍射圖，由它們重構出整個倒易空間點陣。未知結(jié)構的物相鑒定一張電子衍射圖能列出三個獨立的方程(兩個最具體操作時，應在幾個不同的方位攝取電子衍射花樣，保證能測出長度最小的八個R值。根據(jù)公式 ，將測得的距離換算成面間距d

25、；查ASTM卡片和各d值都相符的物相即為待測的晶體。 具體操作時，應在幾個不同的方位攝取電子衍射花樣，保證能測出長標準花樣對照法將實際觀察到的衍射花樣直接與標準花樣對比，寫出斑點的指數(shù)并確定晶帶軸的方向。所謂標準花樣就是各種晶體點陣主要晶帶的倒易截面，它可以根據(jù)晶帶定理和相應晶體點陣的消光規(guī)律繪出。一個較熟練的電鏡工作者，對常見晶體的主要晶帶標準衍射花樣是熟悉的。因此，在觀察樣品時，一套衍射斑點出現(xiàn)(特別是當樣品的材料已知時)，基本可以判斷是哪個晶帶的衍射斑點。 標準花樣對照法將實際觀察到的衍射花樣直接與標準花樣對比，寫出復雜電子衍射花樣超點陣花樣高階勞厄帶菊池線。 復雜電子衍射花樣超點陣花樣

26、 超點陣花樣 在AuCu3有序相中, 晶胞中四個原子的位置分別確定地由一個Au原子和三個Cu原子所占據(jù)。 超點陣花樣 在AuCu3有序相中, 晶所以，當H,K,L全奇全偶時， ；而當H,H,L有奇有偶時， 并不消光。所以，當H,K,L全奇全偶時， 超點陣花樣無序相(a)和有序相(b)的 001方向的衍射花樣超點陣花樣無序相(a)和有序相(b)的 001方向的衍射高階勞厄斑點高階勞厄帶的形成機理（a）和一階勞厄帶與零階勞厄帶共存的衍射花樣（b）高階勞厄斑點高階勞厄帶的形成機理（a）和一階勞厄帶與高階勞厄帶的特點高階勞厄帶的衍射斑點與零階勞厄帶的斑點有相同的分布和對稱性，只是有一個相對的位移；正的

27、高階勞厄帶的衍射斑點在零階勞厄帶的斑點外側(cè)，負的高階勞厄帶的衍射斑點靠近透射斑點。高階勞厄帶的特點高階勞厄帶的衍射斑點與零階勞厄帶的斑點有相同菊池衍射圖90Kikuchi bandKikuchi lines菊池衍射圖90Kikuchi bandKikuchi li菊池線的產(chǎn)生機理入射電子在晶體中遭受非彈性散射散射強度隨散射方向而變遭受非彈性散射的電子再次受到晶面的彈性散射(Bragg衍射)Kikuchi 線亮線暗線菊池線的產(chǎn)生機理入射電子在晶體散射強度遭受非彈性散射的Kik菊池線的幾何特征(1) hkl菊池線對與中心斑點到hkl衍射斑點的連線正交，而且菊池線對的間距與上述兩個斑點的距離相等。R

28、d=L(2) 一般情況下，菊池線對的增強線在衍射斑點附近，減弱線在透射斑點附近。(3) hkl菊池線對的中線對應于(hkl)面與熒光屏的截線。兩條中線的交點稱為菊池極，為兩晶面所屬晶帶軸與熒光屏的交點。(4) 傾動晶體時，菊池線好象與晶體固定在一起一樣發(fā)生明顯的移動。精度達0.1菊池線的幾何特征(1) hkl菊池線對與中心斑點到hkl衍射襯度定義四種襯度質(zhì)厚襯度衍射襯度相位襯度原子序數(shù)襯度電子顯微襯度像襯度定義電子顯微襯度像襯度(contrast)定義襯度（contrast）定義：兩個相臨部分的電子束強度差對于光學顯微鏡，襯度來源是材料各部分反射光的能力不同。當電子逸出試樣下表面時，由于試樣對

29、電子束的作用，使得透射到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻的電子象稱為襯度象。襯度(contrast)定義襯度（contrast）定義：兩四種襯度 試樣厚度100 時，振幅襯度為主；試樣厚度分辨率20 Z contrast四種襯度振幅相位質(zhì)量厚度襯度衍射襯度TEM襯度分辨率分辨率Z質(zhì)量厚度襯度(Mass-thickness contrast)：由材料的質(zhì)量厚度差異造成的透射束強度差異而產(chǎn)生的襯度(主要用于非晶材料)。對于非晶樣品,入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)目越多(或樣品越厚),樣品原子核庫侖電場越強(或原子序數(shù)或密度越大),被散射到物鏡光闌外的電子就越多,而通過物鏡光闌參與成像的電子

30、強度就越低,即襯度與質(zhì)量、厚度有關,故叫質(zhì)厚襯度。質(zhì)量厚度襯度(Mass-thickness contras質(zhì)厚襯度The mass and thickness contrast of InxGa12xAs QDs on a GaAs surface. 質(zhì)厚襯度The mass and thickness con質(zhì)厚襯度的公式 襯度與原子序數(shù)Z，密度，厚度t有關。用小的光闌(小)襯度大；降低電壓V，能提供高襯度 質(zhì)厚襯度的公式 襯度與原子序數(shù)Z，密度衍射襯度(Diffraction contrast)：由試樣各部分滿足布拉格條件的程度不同以及結(jié)構振幅不同而產(chǎn)生(主要用于晶體材料)。衍射襯度(D

31、iffraction contrast)：由試樣晶粒A與入射束不成布拉格角，不產(chǎn)生衍射，透射束強度IA=I0；晶粒B與入射束滿足布拉格衍射，衍射束強度為Ihkl，透射束強度IB=I0-Ihkl。如果讓透射束通過物鏡光闌，擋住衍射束，A晶粒比B晶粒亮(明場象)。如果讓hkl衍射束通過物鏡光闌，擋住透射束，B晶粒比A晶粒亮(暗場像)晶粒A與入射束不成布拉格角，不產(chǎn)生衍射，透射束強度IA=I0相位襯度(Phase contrast)：試樣內(nèi)部各點對入射電子作用不同，導致它們在試樣出口表面上相位不一，經(jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強度差而形成。 樣品厚度100納米時，衍射波振幅甚小，透射波振幅幾

32、乎與入射波相同。相位襯度(Phase contrast)：試樣內(nèi)部各點對入射衍射波與透射波的相位差為2 。如果物鏡沒有象差，且處于正焦狀態(tài)，光闌又足夠大，合成波與入射波相位位置稍有不同，但振幅沒變，沒有襯度。如果引入附加相位，使所嚴生的衍射波與透射波處于相等的或相反的相位位置，透射波與衍射波相干就會導致振幅增加或減少，從而使象強度發(fā)生變化，相位襯度得到了顯示。衍射波與透射波的相位差為2 。如果物鏡沒有象差，且處于正引入附加相位位移的方法：物鏡的球差和欠焦量。由于透鏡球差引入的程差 如果觀察面位于象面之下(物鏡欠焦f)，引進的程差則是DC-DC-0.5f2 適當選擇欠焦量，使兩種效應引起的附加相

33、位變化是(2n1)2，就可使相位差轉(zhuǎn)換成強度差，使相位襯度得以顯現(xiàn)。ABCABCC4 引入附加相位位移的方法：物鏡的球差和欠焦量。ABCABCHigh resolution trans- mission electron micros-copy of BaTiFeO natural magnetic multilayers. The highly periodic Fe-rich layers(yellow) are separated by a Ba-rich phase (blue).相位襯度-原子像High resolution trans- missionHRTEM Image of

34、a T1 Precipitate Plate (one unit-cell thick)in an Al-Cu-Li Alloy 相位襯度-原子像HRTEM Image of a T1 Precipitat相位襯度-原子像 多孔硅的截面像。（a）低倍像，（b）到（e）為漸次離開表面處的高分辨像。多孔硅的電子能量損失譜（a）硅L2,3峰和（b）氧k峰 相位襯度-原子像 多孔硅的截面像。（a）低倍像，（b）到（e相位襯度-原子像Carbon Nanotube相位襯度-原子像Carbon Nanotube原子序數(shù)襯度(Z contrast)： 襯度正比于Z2。相位襯度和振幅襯度同時存在。 Z襯度基于

35、掃描透射電子顯微術(STEM): 電子束掃描,環(huán)形暗場探測器。原子序數(shù)襯度(Z contrast)： 襯度正比于Z2。相位 TEM的像來源于當精細聚焦電子束(2 )掃描樣品時,逐一照射每個原子柱,在環(huán)形探測器上產(chǎn)生強度的變化圖,從而提供原子分辨水平的圖像。 TEM的像來源于當精細聚焦電子束(2 原子序數(shù)襯度當探測高角度散射信號時, 探測器上的強度主要來自聲子散射項每一個被照明的原子柱的強度與熱漫反射散射截面 ( )直接相關， 的值等于在探測器的環(huán)形范圍內(nèi)對原子類型因子進行積分 為原子對于彈性散射的波形系數(shù)，同原子序數(shù)成正比，因此TEM提供了原子序數(shù)襯度，襯度比例于原子序的平方。 原子序數(shù)襯度當

36、探測高角度散射信號時, 探測器上的強度主要來自 GaAs1.4AsGa Z=31 Z=33 001 取向Al-3.3wt%Cu合金GP區(qū)，較亮像點對應于Cu原子原子序數(shù)襯度 GaAs1.4AsGa Z=31 Z=33 001TEM衍襯分析必須的條件必須有一個孔徑足夠小的物鏡光闌(d10-30m)；樣品必須在適當?shù)慕嵌确秶鷥?nèi)可任意傾斜，以便利用晶體位向的變化選擇適于成像的合適條件；應有方便的選區(qū)衍射裝置，以便隨時觀察和記錄衍射花樣，選擇用以成像的衍射束。必須有可傾斜的照明系統(tǒng)(中心暗場象)，目前多用電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來實現(xiàn)。TEM衍襯分析必須的條件必須有一個孔徑足夠小的物鏡光闌(d基本概念補充基本概念

37、補充倒易點陣布拉格方程：倒易矢量 與晶體點陣的關系倒易點陣布拉格方程：gRgR正空間倒空間 晶帶正空間與倒空間對應關系圖正空間倒空間 晶帶正空間與倒空間對應關系圖 將所有hkl晶面相對應的倒易點都畫出來,就構成了倒易點陣,過O*點的面稱為0層倒易面,上、下和面依次稱為1，2層倒易面。 正點陣基矢與倒易點陣基矢之間的關系： aa*= bb*= cc*=1 ab*= ac*= ba*= bc*= ca*= cb*= 0 g=ha*+kb*+lb*晶體點陣和倒易點陣實際是互為倒易的 r=ua+vb+wc rg=hu+kv+lw=N 將所有hkl晶面相對應的倒易點都畫出來,就構成了倒與正點陣的關系與正

38、點陣的關系晶帶定律rg =0，狹義晶帶定律，倒易矢量與r垂直，它們構成過倒易點陣原點的倒易平面rgN，廣義晶帶定律,倒易矢量與r不垂直。這時g的端點落在第非零層倒易結(jié)點平面。注：書上為第N層不妥，第1層的N值可以為2。晶帶定律rg =0，狹義晶帶定律，倒易矢量與r垂直，它們構 與 的關系示意圖 與 的關系示意圖思考題1： 已知兩g1、g2，均在過原點的倒易面上，求晶帶軸r的指數(shù)UVW思考題2：求兩晶帶軸構成的晶面練習 二維倒易面的畫法 以面心立方 (321)*為例.1 試探法求(H1K1L1)及與之垂直的(H2K2L2), (1 -1 -1), (2 -8 10)；.2 求g1/g2, 畫g1

39、,g2；.3 矢量加和得點(3 9 9),由此找出(1 3 3), (2 6 6)；.4 重復最小單元。思考題1： 已知兩g1、g2，均在過原點的倒易面上衍射花樣與倒易面 (圖2-7), 平行入射束與試樣作用產(chǎn)生衍射束,同方向衍射束經(jīng)物鏡作用于物鏡后焦面會聚成衍射斑.透射束會聚成中心斑或稱透射斑.衍射花樣與倒易面 (圖2-7), 平行入射束與2q2q2q入射束試樣物鏡后焦面象平面圖2-7 衍射花樣形成示意圖2q2q2q入射束試樣物鏡后焦面象平面圖2-7 衍(圖2-8), Ewald圖解法: A:以入射束與反射面的交點為原點,作半徑為1/的球,與衍射束交于O*. B:在反射球上過O*點畫晶體的倒

40、易點陣; C:只要倒易點落在反射球上,即可能產(chǎn)生衍射.(圖2-8), Ewald圖解法:2q試樣入射束厄瓦爾德球倒易點陣底板圖2-8 電子衍射花樣形成示意圖2q試樣入射束厄瓦爾德球倒易點陣底板圖2-8 電子 K-K0=g r/f=tg2qsin2q2sinq = l/d r=fl/d , r=flg R=Mr, R=Mfl/d=Ll/d L=Mf, 稱為相機常數(shù) 衍射花樣相當于倒易點陣被反射球所截的二維倒易面的放大投影. 從幾何觀點看，倒易點陣是晶體點陣的另一種表達式，但從衍射觀點看，有些倒易點陣也是衍射點陣。 K-K0=g結(jié)構振幅 Bragg定律是必要條件,不充分, 如面心立方(100),

41、(110), 體心立方(100),(210)等結(jié)構振幅 Bragg定律是必要條件,不充分, 如面心圖2-9 相鄰兩原子的散射波圖2-9 相鄰兩原子的散射波r=xa+yb+zcd=r(lKg-lK0) f=2pd/l=2p r(Kg-K0) Fg=fnexp(ifn)=fnexp2p r(Kg-K0)=fnexp2p r(hxn+kyn+lzn)利用歐拉公式改寫Fg2=fncos2p (hxn+kyn+lzn)2+fnsin2p (hxn+kyn+lzn)2r=xa+yb+zc常用點陣的消光規(guī)律 簡單 無 面心點陣（Al,Cu） h,k,l 奇偶混合 體心點陣（a-Fe, W,V） h+k+l=

42、奇數(shù) hcp(Mg,Zr) h+2K=3n 和是奇數(shù)Pay attention常用點陣的消光規(guī)律Pay attention晶體尺寸效應 當賦予倒易點以衍射屬性時，倒易點的大小與形狀與晶體的大小和形狀有關，并且當?shù)挂c偏離反射球為s時，仍會有衍射發(fā)生，只是比s=0時弱。 把晶體視為若干個單胞組成，且單胞間的散射也會發(fā)生干涉作用。 設晶體在x,y,z方向的邊長分別為t1,t2,t3, (下圖 10，11) s=0, 強度最大；s=1/t,強度為0.晶體尺寸效應 當賦予倒易點以衍射屬性時，倒易點的大圖10 計算晶體尺寸效應單胞示意圖圖10 計算晶體尺寸效應單胞示意圖圖-11 沿 方向或 分布圖圖-1

43、1 沿 方向或 各種晶形相應的倒易點寬化的情況小立方體 六角形星芒小球體 大球加球殼，盤狀體 桿針狀體 盤 （參見圖2-12）問題為什么Ewald球與倒易面相切會有很多斑點?各種晶形相應的倒易點寬化的情況圖2-12各種晶形相應倒易點寬化情形晶形小立方體倒易空間的強度分布球盤針狀圖2-12各種晶形相應倒易點寬化情形晶形小立方體倒易空間的衍射束入射束倒易桿厄瓦爾德球倒易空間原點強度（任意單位）圖2-14 薄晶的倒易點拉長為倒易桿產(chǎn)生衍射 的厄瓦爾德球構圖衍射束入射束倒易桿厄瓦爾德球倒易空間原點強度（任意單位）圖2相機常數(shù)相機常數(shù)分辨率加速電壓(KV)60801002005001000電子波長( )

44、0.04870.04180.0370.0250.0140.0018分辨率加速電壓(KV)60801002005001000電子透射電鏡在材料分析中的應用球差球差是因為電磁透鏡近軸區(qū)域磁場和遠軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力不同而產(chǎn)生的。 原來的物點是一個幾何點，由于球差的影響現(xiàn)在變成了半徑為rS的漫散圓斑。我們用rS表示球差大小，計算公式為： 球差是像差影響電磁透鏡分辨率的主要因素，它還不能象光學透鏡那樣通過凸透鏡、凹透鏡的組合設計來補償或矯正。 球差球差是因為電磁透鏡近軸區(qū)域磁場和遠軸區(qū)域磁場對電子束的折像散像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱引起的像差。當極靴內(nèi)孔不圓、上下極靴的軸線錯位、制作極靴的磁

45、性材料的材質(zhì)不均以及極靴孔周圍的局部污染等都會引起透鏡的磁場產(chǎn)生橢圓度。 將RA折算到物平面上得到一個半徑為rA的漫散圓斑，用rA表示像散的大小，其計算公式為： 像散是可以消除的像差，可以通過引入一個強度和方位可調(diào)的矯正磁場來進行補償。產(chǎn)生這個矯正磁場的裝置叫消像散器。像散像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱引起的像差。當極靴內(nèi)孔不圓、色差色差是由于成像電子的能量不同或變化，從而在透鏡磁場中運動軌跡不同以致不能聚焦在一點而形成的像差。最小的散焦斑RC。同樣將RC折算到物平面上，得到半徑為rC的圓斑。色差rC由下式來確定： 引起電子能量波動的原因有兩個，一是電子加速電壓不穩(wěn)，致使入射電子能量不同；二是電

46、子束照射試樣時和試樣相互作用，部分電子產(chǎn)生非彈性散射，致使能量變化。色差色差是由于成像電子的能量不同或變化，從而在透鏡磁場中運動景深 電磁透鏡餓景深是指當成像時，像平面不動（像距不變），在滿足成像清晰的前提下，物平面沿軸線前后可移動的距離 當物點位于O處時，電子通過透鏡在O處會聚。讓像平面位于O處，此時像平面上是一像點；當物點沿軸線漸移到A處時，聚焦點則從O沿軸線移到了A處，由于像平面固定不動，此時位于O處的像平面上逐漸由像點變成一個散焦斑。如果衍射效應是決定電磁透鏡分辨率的控制因素，那么散焦斑半徑R0折算到物平面上的尺寸只要不大于r0，像平面上就能成一幅清晰的像。 軸線上AB兩點間的距離就是

47、景深Df。由圖5-9的幾何關系可推導出景深的計算公式為：景深 電磁透鏡餓景深是指當成像時，像平面不動（像距不變），在焦長 焦長是指物點固定不變（物距不變），在保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線可移動的距離。當物點位于O處時，電子通過透鏡在O處會聚。讓像平面位于O處，此時像平面上是一像點；當像平面沿軸線前后移動時，像平面上逐漸由像點變成一個散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于R0（折算到物平面上的尺寸不大于r0），像平面上將是一幅清晰的像。此時像平面沿軸線前后可移動的距離為DL：由圖5-10中幾何關系得：焦長 焦長是指物點固定不變（物距不變），在保持成像清晰的條件600 kx150 kx8 kx1

48、.2 kx應用舉例半導體器件結(jié)構600 kx150 kx8 kx1.2 kx應用舉例Ion polished commercial Al alloyAl-Cu metallization layer thinned on Si substrate金屬組織觀察.8 m1 mIon polished commercial Al allSi納米晶的原位觀察Si納米晶的原位觀察CdTe中的晶體缺陷CdTe中的晶體缺陷透射電鏡在材料分析中的應用納米碳管的生長納米碳管的生長SiC晶體點陣中的Er原子團SiC晶體點陣中的Er原子團Si原子排列,分辨率1.36 川崎博士 日本電子Si原子排列,分辨率1.36

49、川崎博士 沸石上的白金顆粒沸石上的白金顆粒玻璃的分相與析晶玻璃的分相與析晶透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中的應用鈞瓷TEM鈞瓷TEM透射電鏡在材料分析中的應用透射電鏡在材料分析中的應用樣品制備引言TEM應用的深度和廣度一定程度上取決于試樣制備技術。能否充分發(fā)揮電鏡的作用，樣品的制備是關鍵，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āｋ娮邮┩腹腆w樣品的能力，主要取決于V和樣品物質(zhì)的Z。一般V越高， Z越低，電子束可以穿透的樣品厚度越大。樣品制備引言對于TEM常用的50200kV電子束，樣品厚度控制在100200nm，樣品經(jīng)銅網(wǎng)承載，裝入樣品臺，放入樣品室進行觀察。TEM樣品制備方法有很多，常用支持膜法、晶體薄膜法、復型法和超薄切片法4種。對于TEM常用的