透射電鏡講義(原稿).doc

a-SiNx/nc-Si/a-SiNx多層膜的高分辨透射電鏡實驗報告一. 透射電鏡的發(fā)展史（1）世界上第一臺電子顯微鏡始創(chuàng)于1932年。它由德國科學家Ruska研制，奠定了利用電子束研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；（2）在50年代，隨著電子與原子相互作用的理論和磁透鏡球差校正技術(shù)的發(fā)展，從而可顯著提高電子顯微鏡的空間分辨率；（3）1956年，晶體理論強度、位錯的直接觀察是電子顯微學的最大貢獻； （4）7080年代，分析型電子顯微技術(shù)興起、發(fā)展，可在微米、納米區(qū)域進行成分、結(jié)構(gòu)等微分析； （5）現(xiàn)在，通過計算機輔助修正，可以實現(xiàn)零或負值的球差系數(shù)，大大提高了透射電鏡的空間分辨率，達到低于0.1 納米的點分辨率。另外，通過單色儀等，可以使電子束的能量分辨率低于0.1 eV，大大提高了能量分辯能力。 二. 透射電鏡的構(gòu)成（1）電子槍，（2）高壓發(fā)生器和加速管，（3）照明電子系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，（4）試樣臺和試樣架，（5）放大和成像電子系統(tǒng)，（6）觀察室 和照相室，（7）真空系統(tǒng)，（8）電子計算機控制系統(tǒng)。三. 電子顯微鏡分析原理1. 波長和分辨率與傳統(tǒng)的光學顯微鏡一樣，電子顯微鏡也有所謂波長與分辨率的概念。光學顯微鏡分辨本領(lǐng)受到光波衍射的限制，其分辨率極限為： 由此可見，要提高分辨率就得縮短照明光源的波長l和增大數(shù)值孔徑角nsina。數(shù)值孔徑的增大是很有限的，因此，必須采用波長短的光源以提高分辨率。把電子與光一樣具有波動性，把電子看作波傳播，由于電子的波長很短，加速電壓為100kV時，波長僅為0.0037，約為可見光波長的10-6，這為電子顯微鏡的發(fā)明提供了理論依據(jù)。2. 電子受物質(zhì)的散射當電子沿一定方向射入試樣后，在物質(zhì)的電場作用下方向發(fā)生改變，稱為散射。散射可進一步分為彈性散射和非彈性散射。在彈性散射中，電子只改變方向，基本上無能量變化。在非彈性散射中，電子將根據(jù)散射的具體情況給出散射角分布，動能也有不同程度的減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光、X射線、二次電子發(fā)射等。在彈性散射情況下，電子受原子集合體的散射后，各原子散射的電子波可相互干涉，使合成電子波的強度角分布受到調(diào)制，形成衍射。從衍射圖的強度測量可得出原子相對位置的信息。如果衍射束的能量遠遠小于入射束的能量，即可應(yīng)用運動學理論或一次散射近似。這時，衍射波振幅作為空間角分布的函數(shù)就是試樣內(nèi)部電場電勢函數(shù)的傅立葉變換。電子顯微鏡在觀察衍射圖的同時，還可以利用電子透鏡完成第二次傅立葉變換，觀察到襯度與試樣電勢分布成比例的高分辨結(jié)構(gòu)像，從而獲得試樣晶體結(jié)構(gòu)及原子排列直觀像的信息。值得指出的是，與X射線散射相比較，電子散射有兩個特點：第一，電子可以受電磁場偏轉(zhuǎn)而聚焦成像，完成對試樣的放大。第二，電子受原子散射強度比X射線要高四個量級。這些特點，使得在電鏡中可以在原子的尺度上看到試樣結(jié)構(gòu)的細節(jié)。電子受試樣的非彈性散射而損失的動能除了主要轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵬?，依?jù)具體發(fā)生的物理過程，還會產(chǎn)生X射線、光子和發(fā)射電子。當電子射入試樣后，入射電子可使核外電子脫離原子變成二次電子，而原子被電離。電離使原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，外層電子躍入內(nèi)層空穴使能量降低，同時釋放出能量。能量釋放可以采取兩種方式：一種是外層電子向內(nèi)層的一次躍遷，產(chǎn)生特征X射線；另一種是外層電子復(fù)位釋放能量過程中還使另一核外電子變?yōu)槎坞娮?，這種具有特征能量的電子稱俄歇電子。根據(jù)X射線或俄歇電子的波長及強度，可對試樣的化學組分得出定性及定量的分析結(jié)果。因此，電子受試樣彈性散射后，通過衍射和在電鏡里成像，主要提供了原子排列的信息，即電子衍射譜、衍襯像和高分辨像。而非彈性散射通過能量散射X射線譜（EDS）及電子能量損失譜(ELLS)，主要提供試樣的化學組分。3. 普通透射電鏡中的成像軸對稱電場和磁場對運動帶電粒子有聚焦作用，這是設(shè)計電子透鏡的理論基礎(chǔ)。目前，就一般的電子顯微鏡而言，電子透鏡是指產(chǎn)生軸對稱磁場的線圈，它對電子束起著透鏡的作用。實驗和理論工作表明，只需附加考慮到電子波長與成像時的像旋轉(zhuǎn)的特點，用物理光學來描述電子波衍射及在電子透鏡中的成像是非常有效的。透鏡的成像作用可以分為兩個過程：第一個過程是平行光束經(jīng)物的散射作用而分裂成各級衍射譜，即由物變換到衍射譜的過程；第二個過程是各級衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上聚焦成像，即由衍射譜重新變換到物（像是放大了的物）的過程。這個原理完全適用于電子顯微鏡的物鏡成像作用，晶體對于電子束就是一個三維光柵。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在熒光屏上得到三次放大像（見圖15.11）。圖15.11是透射電鏡的光路圖。把空間分成三個部分：（1）試樣前區(qū)，這里由電子槍和聚光鏡形成入射電子束。（2）試樣區(qū)，這里可發(fā)生復(fù)雜的多次散射。（3）試樣后區(qū)，這里的透鏡和光欄影響到最后的像。物鏡后焦面上形成晶體的衍射花樣，物鏡光欄放在物鏡后焦面上，以選取近軸光線成像。當中間鏡的物面與物鏡的像面重合時，熒光屏上得到顯微像，而當中間鏡的物面與物鏡的后焦面重合時，熒光屏上得到兩次放大了的電子衍射圖。實驗中，改變物鏡光欄的大小和位置，可得到不同的像。當使用小光欄只讓某一束衍射束通過時（包括透射束），形成衍襯像；當使用大光欄讓多束衍射束通過時，可形成晶格像或高分辨像。具體講，放在圖15.12中a處的小光欄使透射束通過形成明場像；放在b處的小光欄使強透射束（雙光束條件下）通過形成暗場像；放在c處的大光欄使多束通過形成高分辨晶格像。4電子衍射譜電子射入物質(zhì)后，會在物質(zhì)電場作用下發(fā)生散射。晶體內(nèi)部質(zhì)點的排列是規(guī)則的，結(jié)構(gòu)上的這種規(guī)則性使電子散射后在一些方向相互加強形成衍射峰，在其他方向則相互干涉而抵消。電子衍射圖中產(chǎn)生衍射波的條件是Bragg方程：。 圖15.16是電子衍射圖形成的幾何構(gòu)圖。當電子束垂直入射時，倒易陣點沿樣品表面法線方向拉長成倒易桿，厄瓦爾球同時與若干個倒易桿相交，產(chǎn)生若干衍射束。在樣品下方垂直于入射束方向放一底片，入射束方向記錄了透射斑點，衍射束方向記錄了衍射斑點。圖中L是樣品到底片的有效距離，R是底片上中心斑點到衍射斑點的距離。從幾何關(guān)系tg2q=R/L，由于q很小，可近似得到。由布拉格方程2dsinq=l可得 這是電子衍射幾何分析的基本方程。Ll稱為衍射常數(shù)，由實驗條件決定；R可直接在底片上測出。這樣，衍射面的晶面間距d可以從上式中計算出來。四透射電鏡樣品的制備要拍攝高質(zhì)量的透射電子顯微照片，樣品制備起著至關(guān)重要的作用。然而制作一個好的透射電鏡樣品并非是一件簡單的事，是非常精細的技術(shù)。因此，對于透射電鏡的樣品制備要予以足夠的重視和極大的耐心。認真做好樣品制備的每一個步驟。1樣品制備的基本要求：（1）樣品被觀察區(qū)對入射電子必須是“透明”的。而電子穿透樣品的能力與其本身的能量及樣品所含元素的原子序數(shù)有關(guān)。一般來說，透射電鏡樣品的厚度應(yīng)在100nm以下。對于高分辯電鏡樣品，厚度必須小于50nm。（2）對于易碎的塊狀樣品，必須將其粘在銅網(wǎng)上，銅網(wǎng)對樣品起著加固作用。對于粉末樣品，可設(shè)法將其分散在附有支持膜（如火棉膠膜.微柵膜、超薄炭膜）的銅網(wǎng)上，銅網(wǎng)及火棉膠膜對粉末樣品起支撐作用。載網(wǎng)也可用Ni、Mo、W、Al和尼龍等材料制作。（3）對于非導(dǎo)電樣品，應(yīng)在表面噴一層很薄的炭膜，以防止電荷集累而影響觀察。（4）在制樣過程中，應(yīng)嚴格防止樣品被污染及樣品性質(zhì)的改變（如相變、氧化等）2平面樣品制備（1）切割樣品切割樣品方法很多，可以用超聲切割，沖壓器沖獲得3mm圓片，如果你沒有上面這兩種工具，可以用其他任何方法，把樣品切成小塊，無論是長方形還是方形，只要對角線不超過3mm，長邊2.5mm即可。把切好的樣品在加熱爐上粘到磨具上，自然冷卻后就可以平磨。（2）平面磨簡單的平面磨可以產(chǎn)生大面積的薄區(qū)，但卻使樣品過于脆弱，很容易損壞，一般Si材料可以平磨到50m左右，對于脆性材料可適當增加厚度。手工平磨時，應(yīng)采用不斷變換樣品角度，或者沿“8”字軌跡的手法?？梢员苊膺^早出現(xiàn)樣品邊緣傾角，用粒度p1500P20001m金剛石拋光膏拋光，每更換一次砂紙用水徹底清洗樣品。磨下去原始厚度的一半時拋光，拋光后用水清洗干凈，再用無水乙醇棉球擦干，就可以翻面磨另一面。最終厚度控制在80m以內(nèi)（3）氬離子減薄3截面樣品制備（1）選樣品 低倍立體顯微鏡下選樣品，表面平坦，沒有損傷，不選樣品的邊緣。用線鋸或解理刀把樣品切成小塊，樣品的對角線不超過3mm即可。（2）清潔處理 無水乙醇-丙酮-兩次超聲清洗，每次2至3分鐘。（3）對粘樣品清洗后的樣品從丙酮里撈出來，自然干燥后，在樣品的生長表面里涂上少量膠（M-Bon