透射電子顯微分析

1、1010透射電子顯微分析透射電子顯微分析p10.1 透射電子顯微鏡工透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造作原理及構(gòu)造p10.2 樣品制備樣品制備p10.3 透射電鏡基本成像透射電鏡基本成像操作及像襯度操作及像襯度電子顯微分析方法的種類電子顯微分析方法的種類p透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡p掃描電子顯微鏡(SEM)可簡稱掃描電鏡 p電子探針X射線顯微分析儀簡稱電子探針(EPA或EPMA)：波譜儀(波長色散譜儀，WDS)與能譜儀(能量色散譜儀，EDS) p電子激發(fā)俄歇電子能譜(XAES或AES) p透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡（簡稱（簡稱透射電鏡透射電鏡，TEMTEM），），可以以幾種不可以以幾種

2、不同的形式出現(xiàn)，如：同的形式出現(xiàn)，如：p 高分辨電鏡高分辨電鏡（HRTEMHRTEM）p 透射掃描電鏡透射掃描電鏡（STEMSTEM）p 分析型電鏡分析型電鏡（AEMAEM）等等。等等。p入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：p 平行束：平行束：透射電鏡成像及衍射透射電鏡成像及衍射p 會聚束會聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEMTEM的形式的形式10.1 10.1 透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造 p10.1.1 10.1.1 工作原理工作原理p成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。成像原理與光學(xué)顯

3、微鏡類似。p它們的根本不同點在于光學(xué)顯微鏡以它們的根本不同點在于光學(xué)顯微鏡以可見光可見光作照作照明束，透射電子顯微鏡則以明束，透射電子顯微鏡則以電子電子為照明束。在光為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡玻璃透鏡，在，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡磁透鏡。p由于電子波長極短，同時與物質(zhì)作用遵從由于電子波長極短，同時與物質(zhì)作用遵從布拉格布拉格（BraggBragg）方程方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的身在具有高的像分辨本領(lǐng)像分辨本領(lǐng)的同時兼有的同時兼有結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析的的功能。功能。 圖圖1

4、0-1 10-1 透射電子顯微鏡光路原理圖透射電子顯微鏡光路原理圖 10.1.2 10.1.2 構(gòu)造構(gòu)造TEMTEM由由p電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)n照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)n成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)n觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)p真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)p電器系統(tǒng)電器系統(tǒng)n電源電源n控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)組成。組成。 1. 1. 電磁透鏡電磁透鏡 20)(NIRVAf 電磁透鏡是一種焦距電磁透鏡是一種焦距( (或放大倍數(shù)或放大倍數(shù)) )可調(diào)的會可調(diào)的會聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強度降低、焦距變長強度降低、焦距變長( (由由f1f1變?yōu)樽優(yōu)閒2f2 ） 。4/14/30sCAr2

5、. 2. 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng) p作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的p 照明電子束。p組成：電子槍和聚光鏡p 鎢絲 p 熱電子源p電子源 LaB6p 場發(fā)射源 p要求：為滿足明場和暗場成像需要，照明束可p 在2 3范圍內(nèi)傾斜燈絲和陽極間加高壓燈絲和陽極間加高壓柵極偏壓起會聚電子束的作用柵極偏壓起會聚電子束的作用使其形成直徑為使其形成直徑為d d0 0、會聚會聚/ /發(fā)散角為發(fā)散角為 0 0的交叉的交叉 偏壓回路可以起到限制和穩(wěn)定束流的作用偏壓回路可以起到限制和穩(wěn)定束流的作用電子槍圖圖10-5 熱電子槍示意圖熱電子槍示意圖雙聚透鏡圖10-6 雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖 聚光鏡用來會聚電子槍射出的電子

6、束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)。C1強激磁透鏡控制束斑大小C1弱激磁透鏡改變孔徑角和獲得最佳亮度3. 3. 成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) p由物鏡、中間鏡(1、2個)和投影鏡(1、2個)組成。p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。p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。p若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。p透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡物鏡 。 成像系統(tǒng)的兩種基本操作圖圖10-7 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏將

7、衍射譜投影到熒光屏 (b)將顯微像投影到熒光屏將顯微像投影到熒光屏 物鏡中間鏡中間鏡 如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像，這就是電子顯微鏡中的成像操作；如果把中間到一幅放大像，這就是電子顯微鏡中的成像操作；如果把中間鏡的物平面和物鏡的背焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子鏡的物平面和物鏡的背焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣，這就是透射電子顯微鏡中的電子衍射操作。衍射花樣，這就是透射電子顯微鏡中的電子衍射操作。投影鏡投影鏡p 投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大(或縮小或縮小)的像的

8、像(或電子衍射花樣或電子衍射花樣)進一步放大，并投影到熒光屏進一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個短焦距的強磁透鏡。上，它和物鏡一樣，是一個短焦距的強磁透鏡。投影鏡的激磁電流是固定的，因為成像電子束進投影鏡的激磁電流是固定的，因為成像電子束進入投影鏡時孔徑角很小入投影鏡時孔徑角很小(約約10-5rad)因此它的因此它的景深和焦長都非常大。景深和焦長都非常大。p目前，高性能的透射電子顯微鏡大都采用目前，高性能的透射電子顯微鏡大都采用5級透級透鏡放大，即中間鏡和投影銳有兩級分第一中間鏡鏡放大，即中間鏡和投影銳有兩級分第一中間鏡和第二中間鏡，第一投影鏡和第二投影鏡。和第二中間鏡，第一投影

9、鏡和第二投影鏡。透射電鏡TEM中三種主要光闌（名稱、位置和作用）中三種主要光闌（名稱、位置和作用）4.4.觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)5.5.真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)10.1.3 10.1.3 選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射 圖圖4-8 4-8 在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖 選區(qū)衍射操作步驟選區(qū)衍射操作步驟p（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦 p（2）使物鏡精確聚焦 p（3）獲得衍射譜 10.2 10.2 樣品制備樣品制備pTEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。 p要求：p（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

10、100200nm為宜。p（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。 10.2.1 10.2.1 間接樣品間接樣品( (復(fù)型復(fù)型) )的制備的制備p對復(fù)型材料的主要要求：p復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；p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。p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。p常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。 制備復(fù)型的材料應(yīng)具備的條件制備復(fù)型的材料應(yīng)具備的條件復(fù)型的種類復(fù)型的種類p按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為

11、：n 一級復(fù)型n 二級復(fù)型n 萃取復(fù)型（半直接樣品）一級復(fù)型一級復(fù)型- -塑料塑料p在已制備好的金相樣品或斷口樣品上摘上幾 滴體積濃度為1的火棉膠醋酸戊酯溶液或 醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平， 多余的溶液用濾紙吸掉，待溶劑蒸發(fā)后樣 品表面即留下一層100nm左右的塑料薄膜。 把這層塑料薄膜小心地從樣品表面上揭下來， 剪成對角線小于3mm的小方塊后，就可以 放在直徑為3mm的專用銅網(wǎng)上，進行透射電子顯微分析。從右上圖可以看出，這種復(fù)型是負復(fù)型，也就是說樣品上凸出部分在復(fù)型上是凹下?lián)舻摹塑料一級復(fù)型大都只能做金相樣品的分析p不宜做表面起伏較大的斷口分析，因為當(dāng)斷口上的高度差比較大時無法

12、做出較薄的可被電子束透過的復(fù)型膜。p此外，塑料一級復(fù)型存在分辨率不高和在電子束照射下容易分解等缺點。一級復(fù)型一級復(fù)型- -碳碳p制備這種復(fù)型的過程是直接把表面制備這種復(fù)型的過程是直接把表面清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。p把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線小于線小于3mm3mm的小方塊，然后把此樣的小方塊，然后把此樣品放入配好的分離液內(nèi)進行電解或品放入配好的分離液內(nèi)進行電解或化學(xué)分離。化學(xué)分離。p塑料一級復(fù)型與碳一級復(fù)型的區(qū)別塑

13、料一級復(fù)型與碳一級復(fù)型的區(qū)別厚度、損壞樣品和分辨率。厚度、損壞樣品和分辨率。二級復(fù)型二級復(fù)型（塑料（塑料碳二級復(fù)碳二級復(fù)型）型）圖10-14 塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖 二級復(fù)型（塑料碳二級復(fù)型）特點二級復(fù)型（塑料碳二級復(fù)型）特點p制備復(fù)型時不破壞樣品的原始面。p最終復(fù)型是帶有重金屬投影的碳膜，這種復(fù)合膜的穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性都很好，因此，在電子束照射下不易發(fā)牛分解和破裂。p雖然最終復(fù)型主要是碳膜但因中間復(fù)型是塑料，所以，塑料碳二級復(fù)型的分辨率和塑料一級復(fù)型相當(dāng)。p最終的碳復(fù)型是通過溶解中間復(fù)型得到的，不必從樣品上直接剝離，而碳復(fù)型是一層厚度約為10nm的薄層，可以被電子束透過。p由于二級復(fù)

14、型制作簡便，因此它是目前使用得最多的一種復(fù)型技術(shù)。p下圖為合金鋼回火組織及低碳鋼冷脆斷口的二級復(fù)型照片，可以清楚地看到回火組織中析出的顆粒狀碳化物和解理斷口上的河流花樣。二級復(fù)型圖像(a)30CrMnSi鋼回火組織 (b)低碳鋼冷脆斷口p在需要對第二相粒子在需要對第二相粒子形狀、大小和分布進形狀、大小和分布進行分析的同時對第二行分析的同時對第二相粒子進行相粒子進行物相及晶物相及晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)分析時，常采分析時，常采用萃取復(fù)型的方法。用萃取復(fù)型的方法。p這種復(fù)型的方法和碳這種復(fù)型的方法和碳一級復(fù)型類似只是一級復(fù)型類似只是金相樣品在腐蝕時應(yīng)金相樣品在腐蝕時應(yīng)進行深腐蝕，使第二進行深腐蝕，使第二相粒

15、子容易從基體上相粒子容易從基體上剝離。剝離。萃取復(fù)型萃取復(fù)型10.2.2 10.2.2 直接樣品的制備直接樣品的制備p1.粉末樣品制備p粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團聚。p膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對研并突然抽開，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。p支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末顆粒一般都遠小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上

16、送入電鏡分析。超細陶瓷粉未的透射電鏡照片超細陶瓷粉未的透射電鏡照片2. 2. 晶體薄膜樣品的制備晶體薄膜樣品的制備p一般程序：p(1)初減薄制備厚度約100200m的薄片； p(2)從薄片上切取3mm的圓片；p(3)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)m機械研磨和化學(xué)薄化機械研磨和化學(xué)薄化p(4)終減薄雙噴電解拋光法雙噴電解拋光法圖10-15 雙噴電解拋光裝置原理圖 圖10-16 離子減薄裝置原理示意圖 不導(dǎo)電的陶瓷樣品不導(dǎo)電的陶瓷樣品10.3 10.3 透射電鏡基本成像操作及像襯度透射電鏡基本成像操作及像襯度p10.3.1 10.3.1 成像操作成像操作p10.3.2 10.3.2

17、 像襯度像襯度n質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度n衍射襯度衍射襯度10.3.1 10.3.1 成像操作成像操作圖10-17 成像操作光路圖（a）明場像 (b)暗場像 (c)中心暗場像 10.3.2 10.3.2 像襯度像襯度 p像襯度是熒光屏或圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。 p透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋簆振幅襯度n質(zhì)厚襯度 ：非晶樣品襯度的主要來源n衍射襯度 ：晶體樣品襯度的主要來源p相位襯度 質(zhì)厚襯度原理質(zhì)厚襯度原理p質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度是建立在非晶體樣品中原子原子對入射電子的散射散射和透射電子顯微鏡小孔徑角成像小孔徑角成像基礎(chǔ)上的成像原理，是解釋非晶態(tài)樣品(如復(fù)型)電子顯微圖像襯

18、度的理論依據(jù)。p單個原子對入射電子的散射：單個原子對入射電子的散射：彈性散射、非彈性散射、散射角、瞄準(zhǔn)距離p原子核彈性散射截面：p核外電子非彈性散射截面：p原子對入射電子的散射截面：透射電子顯微鏡小孔徑角成像透射電子顯微鏡小孔徑角成像p為了確保透射電子顯微鏡的高分辨本領(lǐng)，采用小孔徑角成像。p通過在物鏡背焦平面上沿徑向插入一個小孔徑 的物鏡光闌來實現(xiàn)的。p結(jié)果，把散射角大于的電子擋掉，只允許散 射角小于的電子通過物鏡光闌參與成像。質(zhì)厚襯度成像原理質(zhì)厚襯度成像原理p襯度襯度是指在熒光屏或照相底片上，眼睛能觀察到是指在熒光屏或照相底片上，眼睛能觀察到的光強度或感光度的差別。的光強度或感光度的差別。p電子顯微鏡圖像的襯度取決于投射到熒光屏或照電子顯微鏡圖像的襯度取決于投射到熒光屏或照相底片上不同區(qū)域的相底片上不同區(qū)域的電子強度差