材料科學研究方法透射電子顯微成像分析g市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

第七章

透射電子顯微鏡成象原理與圖象解釋第1頁金相顯微鏡及掃描電鏡均只能觀察物質(zhì)表面微觀形貌，它無法取得物質(zhì)內(nèi)部信息。而透射電鏡因為入射電子透射試樣后，將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用，從而改變其能量及運動方向。顯然，不一樣結(jié)構(gòu)有不一樣相互作用。這么，就能夠依據(jù)透射電子圖象所取得信息來了解試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因為試樣結(jié)構(gòu)和相互作用復(fù)雜性，所以所取得圖象也很復(fù)雜。它不象表面形貌那樣直觀、易懂。第2頁所以，怎樣對一張電子圖象取得信息作出正確解釋和判斷，不但很主要，也很困難。必須建立一套對應(yīng)理論才能對透射電子象作出正確解釋。如前所述電子束透過試樣所得到透射電子束強度及方向均發(fā)生了改變，因為試樣各部位組織結(jié)構(gòu)不一樣，因而透射到熒光屏上各點強度是不均勻，這種強度不均勻分布現(xiàn)象就稱為襯度，所取得電子象稱為透射電子襯度象。

第3頁襯度（contrast）定義

襯度（contrast）定義：兩個相臨部分電子束強度差對于光學顯微鏡，襯度起源是材料各部分反射光能力不一樣。

當電子逸出試樣下表面時，因為試樣對電子束作用，使得透射到熒光屏上強度是不均勻，這種強度不均勻電子象稱為襯度象。第4頁其形成機制有兩種：1.相位襯度假如透射束與衍射束能夠重新組合，從而保持它們振幅和位相，則可直接得到產(chǎn)生衍射那些晶面晶格象，或者一個個原子晶體結(jié)構(gòu)象。僅適于很薄晶體試樣(≈100?)?！叻直嫦?/p>

第5頁相位襯度—原子像樣品厚度＜100nm時，衍射波振幅甚小，透射波振幅幾乎與入射波相同。衍射波與透射波相位差為/2。假如物鏡沒有象差，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一樣，但振幅沒變，沒有襯度。假如引入附加相位，使所產(chǎn)生衍射波與透射被處于相等或相反相位位置，透射波與衍射波相干就會造成振幅增加或降低，從而使象強度發(fā)生改變，相位襯度得到了顯示。第6頁HighresolutiontransmissionelectronmicroscopyofBaTiFeOnaturalmagneticmultilayers.ThehighlyperiodicFe-richlayers(yellow)areseparatedbyaBa-richphase(blue).相位襯度—原子像第7頁相位襯度—原子像引入附加相位位移方法：物鏡球差和欠焦量。因為透鏡球差引入程差

假如觀察面位于象面之下（物鏡欠焦

f），引進程差則是DC－D’C’≈-0.5

f

2

適當選擇欠焦量，使兩種效應(yīng)引發(fā)附加相位改變是(2n－1)

／2，就可使相位差轉(zhuǎn)換成強度差，使相位襯度得以顯現(xiàn)。(再移動

／2，二者相位差就可為

)

ABC—ABC’＝C

4

第8頁欠焦量和樣品厚度對圖像影響exampleofimagesimulation“thicknessdefocusmap”ofspinel(MgAl2O4)in<001>projection

第9頁HRTEMImageofaT1PrecipitatePlate(oneunit-cellthick)inanAl-Cu-LiAlloy相位襯度—原子像第10頁相位襯度—原子像

多孔硅截面像。（a）低倍像，（b）到（e）為漸次離開表面處高分辨像。多孔硅電子能量損失譜∶（a）硅L2,3峰和（b）氧k峰第11頁相位襯度—原子像CarbonNanotube第12頁

GaAs1.4?AsGaZ=31Z=33

[001]取向Al-3.3wt%Cu合金GP區(qū)，較亮像點對應(yīng)于Cu原子原子序數(shù)襯度第13頁2.3原子序數(shù)襯度Z襯度基于掃描透射電子顯微術(shù)（STEM）:電子束掃描，環(huán)形暗場探測器STEM像起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)生強度改變圖，從而提供原子分辨水平圖像。第14頁原子序數(shù)襯度當探測高角度散射信號時,探測器上強度主要來自聲子散射項每一個被照明原子柱強度與熱漫反射散射截面()直接相關(guān)，值等于在探測器環(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波形系數(shù)，同原子序數(shù)成正比，所以STEM提供了原子序數(shù)襯度，襯度百分比于原子序平方。第15頁2.振幅襯度振幅襯度是因為入射電子經(jīng)過試樣時，與試樣內(nèi)原子發(fā)生相互作用而發(fā)生振幅改變，引發(fā)反差。振幅襯度主要有質(zhì)厚襯度和衍射襯度兩種：

①質(zhì)厚襯度因為試樣質(zhì)量和厚度不一樣，各部分對入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生吸收與散射程度不一樣，而使得透射電子束強度分布不一樣，形成反差，稱為質(zhì)-厚襯度。ThemassandthicknesscontrastofInxGa12xAsQDsonaGaAssurface.第16頁二、衍襯像：明場像與暗場像②衍射襯度衍射襯度主要是因為晶體試樣滿足布拉格反射條件程度差異以及結(jié)構(gòu)振幅不一樣而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對于非晶體試樣是不存在。第17頁第一節(jié)質(zhì)厚襯度原理透過試樣不一樣部位時，散射和透射強度百分比不一樣質(zhì)厚襯度起源于入射電子與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作用而引發(fā)吸收與散射。因為試樣很薄，吸收極少。襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚度，也可歸于厚度），當散射角大于物鏡孔徑角α時,它不能參加成象而對應(yīng)地變暗.這種電子越多,其象越暗.或者說,散射本事大,透射電子少部分所形成象要暗些,反之則亮些.第18頁對于透射電鏡試樣,因為樣品較厚，則質(zhì)厚襯度可近似表示為:Gρt=N(δ02ρ2t2/A2-δ01ρ1t1/A1)(4-1)其中δ02.δ01---原子有效散射截面A2.A1---試樣原子量ρ2.ρ1---樣品密度t2,t1---試樣厚度N---阿佛加德羅常數(shù)第19頁對于復(fù)型試樣σ02=σ01A1=A2ρ1=ρ2則有Gρt=N(δ0ρ(t2-t1)/A)=N(δ0ρ△t/A)(4-2)

即復(fù)型試樣質(zhì)厚襯度主要取決于厚度,對于常數(shù)復(fù)型,則其襯度差由式(4-1)決定,即由質(zhì)量與厚度差共同決定,故(4-1)稱為質(zhì)量襯度表示式。第20頁散射截面:彈性:rn=z·e/(u·α)бn=πrn

2=π(z2e2/u2α)非彈性:re=e/u·αбe=πre

2

zбe=zπre

2бo=бn+zбeбn/zбe=z表明原子序數(shù)越大，彈性散射百分比就越大，彈性散射是透射電子成像基礎(chǔ)，而非彈性散射主要引發(fā)背底增強，圖象反差下降。第21頁第二節(jié)衍射襯度形成機理

明場像與暗場像衍射襯度是起源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不一樣和結(jié)構(gòu)振幅差異。

第22頁晶體中取向：多晶、析出物、缺欠多晶析出物共格半共格非共格位錯晶體衍襯像：因為晶體取向不一樣，造成各個晶粒對電子衍射能力不一樣所產(chǎn)生襯度改變。第23頁設(shè)入射電子束恰好與試樣OA晶粒(h1k1l1)平面交成準確布拉格角θ，形成強烈衍射，而OB晶粒則偏離Bragg反射，結(jié)果在物鏡背焦面上出現(xiàn)強衍射斑h1k1l1。若用物鏡光欄將該強斑束h1k1l1擋住，不讓其經(jīng)過，只讓透射束經(jīng)過，這么，因為經(jīng)過OA晶粒入射電子受到(h1k1l1)第24頁晶面反射并受到物鏡光欄擋住，所以，在熒光屏上就成為暗區(qū)，而OB晶粒則為亮區(qū)，從而形成明暗反差。因為這種襯度是因為存在布拉格衍射造成，所以，稱為衍射襯度。設(shè)入射電子強度為IO，(hkl)衍射強度為Ihkl，則A晶粒強度為IA=IO-Ihkl，B晶粒為IB=IO，其反差為IA/IB=(IO-Ihkl)/IO。明場像——上述采取物鏡光欄將衍射束擋掉，只讓透射束經(jīng)過而得到圖象襯度方法稱為明場成像，所得圖象稱為明場像。第25頁明場像成像衍襯像形成方法第26頁暗場像——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經(jīng)過光欄參加成像方法，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。必須指出：①只有晶體試樣形成衍襯像才存明場像與暗場像之分，其亮度是明暗反轉(zhuǎn)，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操作反射斑引發(fā)。第27頁暗場像成像離軸暗場像質(zhì)量差，物鏡球差限制了像分辨能力。第28頁衍射襯度理論衍射襯度理論簡稱為衍襯理論衍襯理論運動學理論：不考慮入射波與衍射波相互作用動力學理論：考慮入射波與衍射波相互作用

衍射忖度不是表面形貌直觀反應(yīng)，是入射電子束與晶體試樣之間相互作用后反應(yīng)。為了使衍襯像與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系有機聯(lián)絡(luò)起來，從而能夠依據(jù)衍襯像來分析晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探測晶體內(nèi)部缺點，必須建立一套理論，這就是衍襯運動學理論和動力學理論（超出范圍不講）。第29頁三、完整晶體中衍襯像運動學理論對于晶體，衍襯像起源于相干散射，即起源于衍射波1、有一個晶面嚴格滿足布拉格條件：雙束條件2、入射波與任何晶面都不滿足布拉格條件，假設(shè)：a:透射波強度幾乎等于入射波強度；b:衍射束不再被晶面反射到入射線方向。運動學近似雙束動力學近似第30頁運動學近似成立條件：樣品足夠薄，入射電子受到屢次散射機會降低到能夠忽略程度；衍射處于足夠偏離布拉格條件位向，衍射束強度遠小于透射束強度柱體近似模型電子束由試樣上表面A入射，在樣品下表面P點出射，透射束與衍射束對應(yīng)距離為：第31頁衍射襯度動力學理論000厚度均勻單相多晶金屬薄膜樣品：內(nèi)有若干個晶粒，它們沒有厚度差，同時又足夠薄，以致可不考慮吸收效應(yīng)，二者平均原子序數(shù)相同，唯一差異在于它們晶體位向不一樣。晶體衍襯像：因為晶體取向不一樣，造成各個晶粒對電子衍射能力不一樣所產(chǎn)生襯度改變。

怎樣解釋襯度改變？第32頁完整晶體衍射強度完整晶體運動學柱體近似將薄晶體分成許多小晶柱，晶柱平行于Z方向。每個晶柱內(nèi)都含有一列元胞。假設(shè)每個晶柱內(nèi)電子衍射波不進入其它晶柱，這么只要把每個晶柱中各個單胞衍射波和波求出，則和波振幅平方即為晶柱下面P點衍射波強度。各個晶柱下表面衍射波強度差異則組成衍襯度像源第33頁其中，，是單胞基矢第34頁

因為K=Kg-K0

對于所考慮晶柱來說，而，Rn=ZnC故，P

0處合成波振幅為第35頁第36頁

∵

ID=Φ·

Φ*

寫成積分形式其中F=π/ξg第37頁衍射波振幅微分形式是衍射波強度公式：式中－單胞體積－衍射角之半－結(jié)構(gòu)振幅－電子波長－消光距離其中第38頁透射波I0和衍射波Ig和在晶體深度方向上發(fā)生周期性振蕩，此振蕩深度周期叫消光距離。

這里，“消光”意義指是，盡管滿足衍射條件，但因為動力學相互作用而在晶體一定深度處衍射波和透射波實際強度為0。

第39頁等厚條紋像（s=常數(shù)，t改變）試樣斜面和錐形孔產(chǎn)生等厚條紋示意圖第40頁第41頁等厚條紋（s=常數(shù)，t改變）第42頁等厚條紋（s=常數(shù)，t改變）第43頁第44頁等傾消光當厚度t不改變時，ID隨s而改變。當t=const.,S=0,衍射強度有極大值,s=n/t(n為整數(shù))，ID=0。這稱為等傾消光，對應(yīng)衍襯象稱為等傾消光輪廓線。第45頁第46頁第47頁等傾干涉（t=常數(shù)，s改變）第48頁對于完整晶體，樣品各處衍射強度ID一樣，不顯示襯度。而實際晶體是不完整，包含由取向關(guān)系改變引發(fā)。比如：晶界、孿晶界、沉淀物與基體界面。晶體缺點引發(fā)彈性位移。比如：點、線、面、體缺點。相變引發(fā)不完整性。比如：成份改變而組織不變，如Spindals組織改變而成份不變，如馬氏體相變相界面（共格、半共格、非共格）因為缺點存在，使得晶體中某一區(qū)域原子偏離了原來正常位置而產(chǎn)生畸變，畸變使缺點處晶面與電子束相對方向發(fā)生了改變，在有缺點區(qū)域和無缺點區(qū)域滿足布拉格條件程度不一樣，產(chǎn)生了襯度。依據(jù)這種襯度效應(yīng)，人們能夠判斷晶體內(nèi)存在什么缺點和相變。四、不完整晶體中衍襯像運動學理論第49頁四、不完整晶體中衍襯像運動學理論處理畸變晶體方法：1、把畸變晶體看成是局部倒易點陣矢量、或局部晶面間距發(fā)生改變：2、把畸變晶體看成是完整晶體晶胞位置矢量發(fā)生改變，位置矢量由理想晶體第50頁4.1不完整晶體運動學理論對不完整晶體暗場象，可采取與完整晶體相同處理方法，其衍射振幅)()(22'nnnRrsgiggrkiggeiei

??????+·+-·-=?ppxxpxpiszRgigrsiRgiggeeieei

nnppppxpxp2222-·-·-·-??????=·?第51頁缺點晶體衍射波合波振幅為缺點晶體衍射波合成振幅為完整晶體衍射強度公式第52頁4.3不完整晶體運動學理論用積分代替試樣厚度為t，則在晶體下表面逸出散射波振幅是：dzeei

isztRgiggppxp202-·-ò??=第53頁討論點缺點第54頁線缺點第55頁位錯與入射方向垂直，為一直線。此時，含有最大襯度刃位錯像g∥b第56頁位錯與入射平行，物襯度。此時，位錯襯度趨于零g⊥b第57頁第58頁位錯理論解釋刃位錯bub

uubu//b螺位錯第59頁*假如g·b=0，則位錯衍襯像不可見。由此規(guī)則能夠確定位錯Burgers矢量：由g1·b=0g2·b=0則b//g1×g2

>

<

ubBgu×B不完整晶體運動學理論應(yīng)用－位錯第60頁刃型位錯襯度產(chǎn)生及其特征

位錯引發(fā)它附近晶面局部轉(zhuǎn)動，意味著在此應(yīng)變場范圍內(nèi)，（hkl）晶面存在著額外附加偏差。位錯線像將出現(xiàn)在其實際位置另一側(cè)。位錯線像總是有一定寬度對應(yīng)“應(yīng)變場襯度”

第61頁位錯－SrTiO3第62頁位錯編號gD1D2D3D4D5D8D9D10vvivrirvrvirrirvvviviirvviiviiirivvivvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvivvvvviBurgers矢量v:visible;i:invisible;r:residualcontrast第63頁面缺點第64頁0abcAAAAAAABBBCCC正常排列：ABCABCABCACABC層錯相當于A原子層上面一層由B位置平移到C位置，位移矢量為層錯第65頁1）平行于薄膜表面層錯衍襯圖像上，存在層錯區(qū)域與無層錯區(qū)域出現(xiàn)不一樣亮度，層錯區(qū)顯示為均勻亮或暗第66頁2）傾斜于薄膜表面層錯晶柱I總振幅：

晶柱Ⅱ總振幅：

因為AB為一平面，則相鄰晶柱衍射強度將發(fā)生連續(xù)改變，假如某晶柱Q點位置恰好是消光距離整數(shù)倍，這個晶柱即使包含了層錯，但它和非層錯區(qū)亮度相等，于是在層錯區(qū)內(nèi)就形成明暗相間條紋。第67頁Rz0tt/2t1設(shè)

0＝1層錯理論分析第68頁Rz0tt/2t11.Ig隨t/2-t1作周期性改變，故層錯像為平行于層錯與膜面交線條紋；2.

＝2n

時，層錯條紋不可見,由此可測定R;層錯第69頁體缺點第70頁體缺點——第二相粒子襯度這里指第二相粒子主要是指那些和基體之間處于共格或半共格狀態(tài)粒子。它們存在會使基體晶格發(fā)生畸變，由此就引入了缺點矢量R，使產(chǎn)生畸變晶體部分和不產(chǎn)生畸變部分之間出現(xiàn)襯度差異，所以，這類襯度被稱為應(yīng)變場襯度。第71頁第二相粒子襯度以球形共格粒子為例，粒子周圍基體中晶格結(jié)點原子產(chǎn)生位移，結(jié)果使原來理想晶柱彎曲成弓形，二者衍射波振幅必定存在差異。不過，凡經(jīng)過粒子中