試驗二__透射電鏡結構原理、樣品制備及觀察

1、實驗二參觀透射電子顯微鏡時間：2021年12月1日第一組：14:30-15:302021級金屬材料工程專業(yè)一班第二組：15:30-16:302021級金屬材料工程專業(yè)二班地點：材料科學與工程學院一樓TEM室講解：龔倫軍老師實驗二透射電鏡結構原理、樣品制備及觀察一、實驗內容及實驗目的1 .結合透射電鏡實物介紹其根本結構及工作原理,以加深對透射電鏡結構的整體印象,加深對透射電鏡工作原理的了解.2 .掌握材料薄膜樣品的制備方法一雙噴電解減薄法和離子薄化法.3 .選用適宜的樣品,通過明暗場像操作的實際演示,了解明暗場成像原理.4 .通過選區(qū)電子衍射的實際操作演示,加深對選區(qū)電子衍射原理的了解.二、透射

2、電鏡的根本結構及工作原理透射電子顯微鏡是一種具有高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學儀器,被廣泛應用于材料科學等研究領域.透射電鏡以波長極短的電子束作為光源,電子束經(jīng)由聚光鏡系統(tǒng)的電磁透鏡將其聚焦成一束近似平行的光線穿透樣品,再經(jīng)成像系統(tǒng)的電磁透鏡成像和放大,然后電子束投射到主鏡簡最下方的熒光屏上而形成所觀察的圖像.在材料科學研究領域,透射電鏡主要可用于材料微區(qū)的組織形貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結構測定.透射電子顯微鏡按加速電壓分類,通?？煞譃槌Ｒ?guī)電鏡100kV、高壓電鏡300kV和超高壓電鏡500kV以上.提升加速電壓,可縮短入射電子的波長.一方面有利于提升電鏡的分辨率；同時又可以提升對試樣的穿透

3、水平,這不僅可以放寬對試樣減薄的要求,而且厚試樣與近二維狀態(tài)的薄試樣相比,更接近三維的實際情況.就當前各研究領域使用的透射電鏡來看,其主要三個性能指標大致如下：加速電壓：803000kV分辨率：點分辨率為0.20.35nm、線分辨率為0.10.2nm最高放大倍數(shù)：30100萬倍盡管近年來商品電鏡的型號繁多,高性能多用途的透射電鏡不斷出現(xiàn),但總體說來,透射電鏡一般由電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源及限制系統(tǒng)三大局部組成.此外,還包括一些附加的儀器和部件、軟件等.有關的透射電鏡的工作原理可參照教材,并結合本實驗室的透射電鏡,根據(jù)具體情況進行介紹和講解.以下僅對透射電鏡的根本結構作簡單介紹.1 .電子光

4、學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)通常又稱為鏡筒,是電鏡的最根本組成局部,是用于提供照明、成像、顯像和記錄的裝置.整個鏡筒自上而下順序排列著電子槍、雙聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏及照相室等.通常又把電子光學系統(tǒng)分為照明、成像和觀察記錄局部.2 .真空系統(tǒng)為保證電鏡正常工作,要求電子光學系統(tǒng)應處于真空狀態(tài)下.電鏡的真空度一般應保持在10-5托,這需要機械泵和油擴散泵兩級串聯(lián)才能得到保證.目前的透射電鏡增加一個離子泵以提升真空度,真空度可高達133.322X10-8Pa或更高.如果電鏡的真空度達不到要求會出現(xiàn)以下問題：(1)電子與空氣分子碰撞改變運動軌跡,影響成像質量.(2)柵極與陽極間空

5、氣分子電離,導致極間放電.(3)陰極熾熱的燈絲迅速氧化燒損,縮短使用壽命甚至無法正常工作.(4)試樣易于氧化污染,產生假象.3 .供電限制系統(tǒng)供電系統(tǒng)主要提供兩局部電源,一是用于電子槍加速電子的小電流高壓電源；二是用于各透鏡激磁的大電流低壓電源.目前先進的透射電鏡多已采用自動限制系統(tǒng),其中包括真空系統(tǒng)操作的自動限制,從低真空到高真空的自動轉換、真空與高壓啟閉的連鎖限制,以及用微機限制參數(shù)選擇和鏡筒合軸對中等.三、材料薄膜樣品的制備方法制備薄膜樣品最常用的方法是雙噴電解減薄法和離子薄化法.1 .雙噴電解減薄法(一)裝置圖1為雙噴電解拋光裝置示意圖.此裝置主要由三局部組成：電解冷卻與循環(huán)局部,電解

6、拋光減薄局部以及觀察樣品局部O圖1雙噴電解拋光裝置原理示意圖1.冷卻設備；2.泵、電解液；3.噴嘴；4.試樣；5.樣品架；6.光導纖維管(1)電解冷卻與循環(huán)局部通過耐酸泵把低溫電解液經(jīng)噴嘴打在樣品外表.低溫循環(huán)電解減薄,不使樣品因過熱而氧化；同時又可得到外表平滑而光亮的薄膜,見圖1中1及2.(2)電解拋光減薄局部電解液由泵打出后,通過相對的兩個鉗陰極玻璃嘴噴到樣品外表.噴嘴口徑為1mm,樣品放在聚四氟乙烯制作的夾具上(見圖2).樣品通過直徑為0.5mm的鉗絲與不銹鋼陽極之間保持電接觸,調節(jié)噴嘴位置使兩個噴嘴位于同一直線上.見圖1中3.(3)觀察樣品局部電解拋光時一根光導纖維管把外部光源傳送到樣

7、品的一個側面.當樣品剛一穿孔時,透過樣品的光通過在樣品另一側的光導纖維管傳到外面的光電管,切斷電解拋光射流,并發(fā)出報警聲響.圖2樣品夾具(二)樣品制備過程(1)切薄片.用電火花(Mo絲)線切割機床或鋸片機從試樣上切割下厚約0.20.3mm的薄片.在冷卻條件下熱影響區(qū)很薄,一般不會影響樣品原來的顯微組織形態(tài).(2)在小沖床上將薄片沖成直徑為3mm的小試樣.(3)預減薄.預減薄分為機械磨薄和化學減薄兩類.機械磨薄時,用砂紙手工磨薄至50jim,注意均勻磨薄,試樣不能扭折以免產生過大的塑性變形,引起位錯及其它缺陷密度的變化.具體操作方法：用502膠將切片粘到玻璃塊或其它金屬塊的平整平面上,用系列砂紙

8、(從300號粗砂紙至金相4號砂紙)磨至一定程度后將樣品反轉后繼續(xù)研磨.注意樣品反轉時,通過丙酮溶解或火柴少許加熱使膜與磨塊脫落.反轉后樣品重新粘到磨塊上,重復上述過程,直至樣品切片膜厚到達50dm.化學減薄是直接適用于切片的減薄,減薄快速且均勻.但事先應磨去Mo絲切割留下的紋理,同時,磨片面積應盡量大于1cm2.普通鋼用HF,H2O2及H2O,比例為1:4.5:4.5的溶液,約6分鐘即可減薄至50dm,且效果良好.最后,將預減薄的厚度均勻、外表光滑的樣品膜片在小沖床上沖成直徑為3mm的小圓片以備用.(3)電解拋光減薄.電解拋光減薄是最終減薄,用雙噴電解減薄儀進行,目前電解減薄裝置已經(jīng)標準化.將

9、預減薄的直徑為3mm的樣品放入樣品夾具上(見圖2).要保證樣品與鉗絲接觸良好,將樣品夾具放在噴嘴之間,調整樣品夾具、光導纖維管和噴嘴在同一水平面上,噴嘴與樣品夾具距離大約15mm左右且噴嘴垂直于試樣.電解液循環(huán)泵馬達轉速應調節(jié)到能使電解液噴射到樣品上.按樣品材料的不同配不同的電解液.需要在低溫條件下電解拋光時,可先放入干冰和酒精冷卻,溫度限制在-20-40C左右,或采用半導體冷阱等專門裝置.由于樣品材料與電解液的不同,最正確拋光標準要發(fā)生改變.最有利的電解拋光條件,可通過在電解液溫度及流速恒定時,做電流一電壓曲線確定.雙噴拋光法的電流一電壓曲線一般接近于直線,如圖3.對于同一種電解液,不同拋光

10、材料的直線斜率差異不大,很明顯,圖中B處條件符合要求,可獲得大而平坦的電子束所能透射的面積.表1為某些金屬材料雙噴電觸拋光標準.(4)最后制成的樣品如圖4所示.樣品制成后應立即在酒精中進行兩次漂洗,以免殘留電解液腐蝕金屬薄膜外表.從拋光結束到漂洗完畢動作要迅速,爭取在幾秒鐘內完成,否那么將前功盡棄.(5)樣品制成后應立即觀察,暫時不觀察的樣品要妥善保存,可根據(jù)薄膜抗氧化水平選擇保存方法.假設薄膜抗氧化水平很強,只要保存在枯燥器內即可.易氧化的樣品要放在甘油、丙酮、無水酒精等溶液中保存.雙噴法制得的薄膜有較厚的邊緣,中央穿孔有一定的透明區(qū)域,不需要放在電鏡銅網(wǎng)上,可直接放在樣品臺上觀察.總之,在

11、制作過程中要仔細、認真、不斷地總結經(jīng)驗,一定會得到滿意的樣品.圖3噴射法電流-電壓曲線T13mm|-中央穿孔,LJ圖4最后制成的薄膜表1某些金屬材料雙噴電解拋光標準材料電解液技術條件電壓/V電流/mA鋁10%高氯酸酒精455030-40鈦合金10%高氯酸酒精4030-40不銹鋼10%高氯醒酒精7050-60矽鋼片10%高氯醒酒精7050鈦鋼10%高氯醒酒精80-10080-100馬氏體時效鋼10%高氯醒酒精80-10080-1006%Ni合金鋼10%高氯醒酒精80-10080-1002.離子薄化法離子薄化方法不僅適用于用雙噴方法所能減薄的各種樣品,而且還能減薄雙噴法所不能減薄的樣品,例如陶瓷材

12、料、高分子材料、礦物、多層結構材料、復合材料等.如用雙噴法穿孔后,孔邊緣過厚或穿孔后樣品外表氧化,皆可用離子減薄法繼續(xù)減薄直至樣品厚薄適宜或去掉氧化膜為止.用于高分辨電鏡觀察的樣品,通常雙噴穿孔后再進行離子減薄,只要嚴格按操作標準減薄就可以得到薄而均勻的觀察區(qū),該法的缺點是減薄速度慢,通常制備一個樣品需要十幾個小時甚至更長,而且樣品有一定的溫升,如操作不當樣品,會受到輻射損傷.一離子減薄裝置離子減薄裝置由工作室、電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)三局部組成.工作室是離子減薄裝置的一個重要組成局部,它是由離子槍、樣品臺、顯微鏡、微型電機等組成的.在工作室內沿水平方向有一對離子槍,樣品臺上的樣品中央位于兩槍發(fā)射出來

13、的離子束中央,離子槍與樣品的距離為2530mm左右.兩個離子槍均可以傾斜,根據(jù)減薄的需要可調節(jié)槍與樣品的角度,通常調節(jié)成7.20.角.樣品臺能在自身平面內旋轉,以使樣品外表均勻減薄.為了在減薄期間隨時觀察樣品被減薄情況,在樣品下面裝有光源,在工作室頂部安裝有顯微鏡,當樣品被減薄透光時,翻開光源在顯微鏡下可以觀察到樣品透光情況.電系統(tǒng)主要包括供電、限制及保護三局部.真空系統(tǒng)保證工作室高真空.二離子減薄的工作原理稀薄氣體僦氣在高壓電場作用下輝光放電產生僦離子,僦離子穿過盤壯陰極中央孔時受到加速與聚焦,高速運動的離子射向裝有試樣的陰極把原子打出樣品外表減薄樣品.三離子減薄程序1切片從大塊試樣上切下薄

14、片.對金屬、合金、陶瓷切片厚度應不小于0.3mm,對巖石和礦物等脆、硬樣品要用金剛石刀片或金剛石鋸切下在毫米數(shù)量級的薄片.2研磨用汽油等介質去除試樣油污后,用粘結劑將清洗的樣品粘在玻璃片上研磨直至樣品厚度小于3050m為止.操作過程同雙噴電解減薄中樣品的預減薄過程.3將研磨后的樣品切成直徑3mm的小園片.4裝入離子薄化裝置進行離子減薄.為提升減薄效率,一般情況減薄初期采用高電壓、大束流、大角度20,以獲得大陡坡的薄化,這個階段約占整個制樣時間的一半.然后減少高壓束流與角度一般采用15.使大陡坡的薄化逐漸削為小陡坡直至穿孔.最后以7.-10.的角度、適宜的電壓與電流繼續(xù)減薄,以獲得平整而寬闊的薄

15、區(qū).四、明暗場成像原理及操作1 .明暗場成像原理晶體薄膜樣品明暗場像的襯度即不同區(qū)域的亮暗差異,是由于樣品相應的不同部位結構或取向的差異導致衍射強度的差異而形成的,因此稱其為衍射襯度,以衍射襯度機制為主而形成的圖像稱為衍襯像.如果只允許透射束通過物鏡光欄成像,稱其為明場像；如果只允許某支衍射束通過物鏡光欄成像,那么稱為暗場像.有關明暗場成像的光路原理參見圖5.就衍射襯度而言,樣品中不同部位結構或取向的差異,實際上表現(xiàn)在滿足或偏離布喇格條件程度上的差異.滿足布喇格條件的區(qū)域,衍射束強度較高,而透射束強度相對較弱,用透射束成明場像該區(qū)域呈暗襯度；反之,偏離布喇格條件的區(qū)域衍射束強度較弱,透射束強度

16、相對較高,該區(qū)域在明場像中顯示亮襯度.而暗場像中的襯度那么與選擇哪支衍射束成像有關.如果在一個晶粒內,在雙光束衍射條件下,明場像與暗場像的襯度恰好相反.2 .明場像和暗場像明暗場成像是透射電鏡最根本也是最常用的技術方法,其操作比擬容易,這里僅對暗場像操作及其要點簡單介紹如下：(1)在明場像下尋找感興趣的視場.(2)插入選區(qū)光欄圍住所選擇的視場.(3)按衍射按鈕轉入衍射操作方式,取出物鏡光欄,此時熒光屏上將顯示選區(qū)域內晶體產生的衍射把戲.為獲得較強的衍射束,可適當?shù)膬A轉樣品調整其取向.(4)傾斜入射電子束方向,使用于成像的衍射束與電鏡光鈾平行,此時該衍射斑點應位于熒光屏中央.(5)插入物鏡光欄套

17、住熒光屏中央的衍射斑點,轉入成像操作方式,取出選區(qū)光欄.此時,熒光屏上顯示的圖像即為該衍射束形成的暗場像.通過傾斜入射束方向,把成像的衍射束調整至光軸方向,這樣可以減小球差,獲得高質量的圖像.用這種方式形成的暗場像稱為中央暗場像.在傾斜入射束時,應將透射斑移至原強衍射斑(hkl)位置,而(弱衍射斑相應地移至熒光屏中央,而變成強衍射斑點,這一點應該在操作時引起注意.前圖5明暗場成像的光路原理示意圖a)明場成像b)中央暗場成像圖6顯示析出相(ZrAl3)在鋁合金基體中分布的明場和暗場像,圖6b是析出相衍射束形成的暗場像.利用暗場像觀測析出相的尺寸、空間形態(tài)及其在基體中的分布,是衍襯分析工作中一種常

18、用的實驗技術.圖6顯示析出相(ZrAl3)在鋁合金基體中分布衍襯像a)明場像b)暗場像五、選區(qū)電子衍射的原理和操作3 .選區(qū)電子衍射的原理簡單地說,選區(qū)電子衍射借助設置在物鏡像平面的選區(qū)光欄,可以對產生衍射的樣品區(qū)域進行選擇,并對選區(qū)范圍的大小加以限制,從而實現(xiàn)形貌觀察和電子衍射的微觀對應.選區(qū)電子衍射的根本原理見圖7.選區(qū)光欄用于擋住光欄孔以外的電子束,只允許光欄孔以內視場所對應的樣品微區(qū)的成像電子束通過.使得在熒光屏上觀察到的電子衍射把戲,它僅來自于選區(qū)范圍內晶體的奉獻.實際上,選區(qū)形貌觀察和電子衍射把戲不能完全對應,也就是說選區(qū)衍射存在一定誤差,所選區(qū)域以外樣品晶體對衍射把戲也有奉獻.選

19、區(qū)范圍不宜太小,否那么將帶來太大的誤差.對于100kV的透射電鏡,最小的選區(qū)衍射范圍約0.5科叫加速電壓為1000kV時,最小的選區(qū)范圍可達0.1圖7選區(qū)電子衍射原理示意圖1-物鏡2-背焦面3-選區(qū)光欄4-中間鏡5-中間鏡像平面6-物鏡像平面4 .選區(qū)衍射電子的操作為了保證得到的衍射把戲來自所選的區(qū)域,應當遵循如下操作步驟：(1)在成像的操作方式下,使物鏡精確聚焦,獲得清楚的形貌像.(2)插人并選用尺寸適宜的選區(qū)光欄圍住被選擇的視場.(3)減小中間鏡電流,使其物平面與物鏡背焦面重合,轉入衍射操作方式.近代的電鏡此步操作可按衍射按鈕自動完成.(4)移出物鏡光欄,在熒光屏顯示電子衍射把戲可供觀察.(5)需要拍照記錄時,可適當減小第二聚光鏡電流,獲得更趨近平行的電子束,使衍射斑點尺寸變小.3、選區(qū)電子衍射的應用單晶電子衍射把戲可以直觀地反映晶體二維倒易平面上陣點的排列,而且選區(qū)衍射和形貌觀察在微區(qū)上具有對應性,因此選區(qū)電子衍射一般有以下幾個方面的應用.(1)根據(jù)電子衍射把戲斑點分布的幾何特征,可以確定衍射物質的晶體結構；再利用電子衍射根本公式Rd=L入,可以進行物相鑒定.(2)確定晶體相對于入射束的取向.