透射電子顯微分析課件

第五節(jié)

透射電子顯微分析

TransmissionElectronMicroanalysis

（TEM）透射電子顯微分析是利用透射電子對試樣的顯微形貌和顯微結(jié)構(gòu)進行分析的一種方法，是材料測試的一種重要手段。本節(jié)主要內(nèi)容一.透射電鏡的結(jié)構(gòu)二.透射電鏡的主要性能指標三.電子衍射四.透射電鏡圖像的襯度五.透射電鏡樣品的制備方法六.復(fù)型圖像分析中應(yīng)注意的問題電子照明系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)樣品室和樣品臺圖像顯示及觀察記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)電氣系統(tǒng)日立H800透射電子顯微鏡TEM與SEM的比較光學顯微鏡與TEM的光路比較視平面投影鏡照明設(shè)備聚光鏡物鏡試樣（二）放大倍數(shù)透射電鏡的放大倍數(shù)變化范圍為100倍~80萬倍，并連續(xù)可調(diào)。超級電子顯微鏡的放大倍數(shù)可達1500萬倍。（三）加速電壓加速電壓是指電子槍的陽極相對于陰極的電位差。它決定電子槍發(fā)射電子的波長和能量。加速電壓高，電子束的能量大，穿透能力強，可以觀察較厚的試樣。普通透射電鏡的最高加速電壓為100~200KV。超高壓透射電鏡的加速電壓高達3000KV。日本東京大學用放大倍率為1500萬倍的超級電子顯微鏡獲得的碳化硅的結(jié)構(gòu)像。三.電子衍射電子衍射的概念衍射的條件和衍射方向電子衍射的基本原理單晶電子衍射原理和衍射花樣多晶電子的衍射原理和衍射花樣電子衍射的條件和方向電子衍射與X射線的衍射一樣，必須滿足布拉格方程或勞埃方程。衍射方向遵守光學鏡面反射定律。電子衍射的基本原理如圖所示，如果入射電子束的波長λ、入射電子束與hkl晶面的夾角θ、hkl晶面的面網(wǎng)間距d滿足布拉格方程2dsinθ=λ，電子束將會產(chǎn)生衍射，形成衍射電子束，在熒光屏或照相底板上將留下衍射斑點P。單晶的電子衍射原理入射電子束照射到不同方向的晶面上，如果某些晶面滿足衍射條件就會產(chǎn)生電子衍射。一個面網(wǎng)族產(chǎn)生一個衍射斑，多個面網(wǎng)族發(fā)生衍射就會形成多個衍射斑。高嶺石的單晶電子衍射花樣多晶電子衍射原理如果某晶面如（401）滿足衍射條件產(chǎn)生衍射，由許多晶粒的同名晶面產(chǎn)生的衍射線將形成一個以入射電子束為軸，半錐角為2θ的衍射圓錐。這個衍射圓錐與熒光屏或照相底板相交就會形成一個衍射環(huán)。多晶的電子衍射花樣一個同名晶面族產(chǎn)生的衍射線形成一個衍射圓錐。多個不同名晶面族產(chǎn)生的衍射線將形成多個衍射圓錐。不同名晶面族的衍射圓錐的半錐角2不同，但各衍射圓錐均共頂、共軸。多個共頂、共軸的衍射圓錐與垂直于入射電子束的熒光屏或照相底板相交，其交線為多個同心圓（稱為衍射圓環(huán)）。故多晶的電子衍射花樣是由多個同心圓環(huán)組成的多環(huán)圖。透射電鏡圖像的襯度透射電鏡的圖像是由于透過試樣各點參與成像的電子強度不同所造成的。透射電鏡圖像的襯度主要有散射（質(zhì)量-厚度）襯度、衍射襯度和相位襯度。不同圖像襯度的形成機理是不相同的。（一）散射襯度散射襯度是由于試樣不同部位對入射電子的散射能力不同所形成的襯度。1．電子的散射與散射截面當聚焦電子束照射到試樣上時，入射電子將受到試樣原子的作用而改變其運動方向，即發(fā)生散射，包括彈性散射和非彈性散射。散射電子偏離入射方向的角度稱為電子的散射角。電子受到某種原子的作用，散射角大于某一角度α的幾率稱為該原子的散射截面，通常用σα來表示。原子散射截面越大，說明該原子對電子的散射能力越強。原子的散射截面σa包含了彈性散射截面σe和非彈性散射截面σi，即σa=σe+σi。散射截面主要與原子序數(shù)Z和加速電壓V有關(guān)，其中由此可見，散射截面隨原子序數(shù)（Z）的增大而增大；隨加速電壓的增大而減小。2．散射襯度的形成（1）物質(zhì)組成不同對散射襯度的影響

原子序數(shù)越大，散射截面越大，通過物鏡光欄參與成像的電子越少，所成的圖像亮度越小。如右圖所示，由于試樣不同部位的物質(zhì)組成不同，A、B、C三點對入射電子的散射能力不同，散射截面不同σA＜σB＜σC，通過物鏡光欄參與成像的電子數(shù)就不相同，IA＞IB＞IC，所成電子像的亮度也就不同，A′最亮，B′次之，C′最暗，這樣就形成了具有明暗反差的電子圖像。明場像：讓散射角較小的電子通過物鏡光欄所成的像稱為明場像。在明場像中，散射截面越大的物點，亮度越小，散射截面越小的物點，亮度越大。暗場像：使物鏡光欄偏離透鏡軸或使入射電子束傾斜，利用物鏡光欄將散射角較小的電子擋去，而讓散射角較大的電子通過光欄所成的像稱為暗場像。在暗場像中，散射截面較大的物點，成像較明亮；散射截面小的物點，成像較暗。物鏡光欄的作用（2）厚度不同對散射襯度的影響

厚度越大，被散射的電子數(shù)量越多，透射電子數(shù)量越少，所成電子像的亮度越小。由于散射襯度與試樣的物質(zhì)組成和厚度有關(guān)，因此，散射襯度又稱為質(zhì)量-厚度襯度或質(zhì)厚襯度。無定形或非晶質(zhì)試樣和復(fù)型膜的透射電子像一般屬于散射襯度像。硅藻土顆粒的碳一級復(fù)型像鈉硅玻璃腐蝕斷面的二級復(fù)型像鈦酸鋇陶瓷的二級復(fù)型像鈦酸鋇陶瓷的復(fù)型像

復(fù)型膜只有厚度差別，其透射電子像的襯度很小，經(jīng)重金屬投影可提高襯度。影響散射襯度的其它因素物鏡光欄的孔徑:縮小物鏡光欄孔徑可提高襯度加速電壓:

提高加速電壓可減小襯度（二）衍射襯度衍射襯度是由于試樣中的不同晶粒對入射電子的衍射效應(yīng)不同所形成的襯度。衍射襯度的形成B晶粒的hkl面網(wǎng)滿足布拉格方程產(chǎn)生衍射衍射束＝Ihkl透射束＝I0－Ib－Is－Ia－IhklA晶粒不產(chǎn)生衍射透射束＝I0－Ib－Is－Ia用物鏡光欄將B晶粒的hkl衍射束擋掉，只讓透射束通過光欄成像，則A晶粒較亮而B晶粒較暗。BA（三）相位襯度相位襯度是由于試樣各點的散射波與直接透射波的相位差不同而形成的襯度。相位襯度的形成

穿過試樣各點的散射波與透射波的相位差各不相同，它們在像平面上發(fā)生干涉形成的合成波也各不相同，因而形成明暗不同的圖像襯度。高分辨透射電子像（如一維或二維的晶格條紋像，反映晶體中原子或分子配置情況的結(jié)構(gòu)像，和反映單個重金屬原子的原子像）的襯度屬于相位襯度。SiC的晶格條紋像包頭礦(001)的結(jié)構(gòu)像硅[110]晶向的結(jié)構(gòu)像×15000K碳化硅的結(jié)構(gòu)像五.透射電鏡樣品的制備方法（一）透射電鏡樣品的一般要求試樣必須是固體，且不含水分。厚度超?。ǎ?00~200nm）。大?。笺~網(wǎng)直徑（2~3mm）。具有一定的強度和穩(wěn)定性，在電子轟擊下不致?lián)p壞。試樣必須清潔，沒受污染。導電,不導電的試樣要蒸鍍碳膜。（二）樣品制備方法透射電鏡的試樣大致上分為三類：即粉末樣、薄膜樣和復(fù)型樣。不同類型的樣品制備方法各異。1.粉末樣品的制備1.

用超聲分散器將需要觀察的粉末在合適的溶液中分散成懸浮液；2.用滴管滴幾滴懸浮液在預(yù)置于電鏡銅網(wǎng)中的支持膜上，用濾紙吸干或讓其自然干燥;3.將樣品置于真空鍍膜室中，在試樣表面蒸鍍一層碳膜，即可用于觀察。2.薄膜樣品的制備塊狀材料一般是通過減薄的方法制成對電子束透明的薄膜樣品。減薄的方法有：

超薄切片法——適用于生物試樣。

電解拋光減薄法——適用于金屬材料。

化學拋光減薄法——適用于在化學試劑中能均勻減薄的材料，如單晶體。

解理法——適用于具有一組完善解理的礦物如云母類、石墨、輝銅礦等。

離子轟擊減薄法——適用于無機非金屬材料。離子轟擊減薄用離子束轟擊試樣的兩面，使試樣表面的原子脫離試樣，試樣逐漸變薄，最終樣品中心穿孔。穿孔樣品的孔的邊緣極薄，對電子束是透明的，可以在透射電鏡下觀察。陶瓷薄膜樣品的制備將待觀察的試樣按一定的方向切取薄片；通過機械研磨、拋光等過程預(yù)減薄至30~40μm的薄膜；在薄膜上鉆取或切取直徑為2.5至3mm的小片，裝入離子轟擊減薄器中用離子束轟擊試樣的兩面，使試樣逐漸變薄，直到中心穿孔。3.復(fù)型樣品的制備用對電子束透明的薄膜把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來，這個過程通常稱為復(fù)型。復(fù)型方法主要有碳一級復(fù)型，塑料-碳二級復(fù)型和萃取復(fù)型。（1）碳一級復(fù)型碳一級復(fù)型的制作方法在試樣表面（待觀察表面）上垂直蒸鍍一層厚10~30nm的連續(xù)碳膜；用針尖將碳膜劃成2mm的小方塊；將試樣浸入對其有輕度腐蝕作用的溶液中，使碳膜與試樣分離；將碳膜用蒸餾水漂洗干凈后，用電鏡銅網(wǎng)將其小心地撈起，晾干后即成。碳一級復(fù)型的優(yōu)缺點優(yōu)點：其電子像具有較高的分辨率（可達3~5nm），缺點：圖象襯度較低。若投影重金屬，圖像會被復(fù)雜化，給解釋帶來困難。復(fù)型制備過程中會破壞試樣原有的表面狀態(tài)。（2）塑料-碳二級復(fù)型塑料-碳二級復(fù)型的制作方法制備塑料一級復(fù)型：在待觀察的試樣表面上滴上一滴丙酮（或醋酸甲脂），在丙酮尚未完全揮發(fā)或被試樣吸干之前貼上一塊醋酸纖維素塑料膜（簡稱AC紙）（膜和試樣間不能有氣泡）。待丙酮揮發(fā)后將AC紙揭下。制備塑料－碳二級復(fù)型：在塑料復(fù)型膜的復(fù)型面上垂直蒸碳，形成一層10~30nm的碳膜。以一定的角度投影重金屬。將蒸碳和重金屬投影后的塑料膜剪成2mm見方的小塊，置于丙酮溶液中溶去塑料膜。漂洗干凈后用電鏡銅網(wǎng)將碳膜平正地撈到銅網(wǎng)上，晾干。塑料-碳二級復(fù)型的優(yōu)缺點優(yōu)點：制樣過程中不損壞試樣的表面形貌。缺點：其圖像分辨率較低（比碳一級復(fù)型低），約為10nm。（3）萃取復(fù)型萃取復(fù)型的概念在復(fù)型與試樣分離的過程中，試樣中的分散相隨同復(fù)型膜一起離開試樣基體，并保持了原來的分布狀態(tài)，這種兼有間接試樣和直接試樣特點的復(fù)型，稱為萃取復(fù)型。利用萃取復(fù)型樣品不僅可以觀察基體的形貌和分散相的形態(tài)和分布狀態(tài)，而且可以對分散相作電子衍射分析和成分分析。萃取復(fù)型的制備方法(1)侵蝕試樣，使分散相暴露出來，形成浮雕；(2)蒸碳形成碳膜并將凸出的分散相包埋?。?3)泡在侵蝕液中使碳膜和凸出的分散相與基體分離；(4)將碳膜漂洗干凈，用