第12章-哈工大-第三版-材料分析測試-周玉

第12章-哈工大-第三版-材料分析測試-周玉第一頁，共27頁。

高分辨電子顯微術(shù)是材料原子級別顯微組織結(jié)構(gòu)的相位襯度顯微術(shù)，利用該技術(shù)可使大多數(shù)晶體材料中的原子串成像，稱為高分辨像圖12-1為面心立方結(jié)構(gòu)的Si晶體沿[001]方向的高分辨像，其中白色亮點(diǎn)為Si原子串的投影位置第十二章高分辨透射電子顯微術(shù)圖12-1Si單質(zhì)晶體[001]方向的高分辨像2第二頁，共27頁。第十二章高分辨透射電子顯微術(shù)本章主要內(nèi)容第一節(jié)高分辨透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)特征第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理第三節(jié)高分辨透射電子顯微鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用3第三頁，共27頁。透射電子顯微鏡按其功能特點(diǎn)和主要用途可分為：生物型特點(diǎn)是提供高襯度，加速電壓一般低于120kV，主要用于生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域分析型特點(diǎn)是樣品臺具有較大的傾角，加速電壓要高于

120kV，此外要有配備EDS等附件的能力，可實現(xiàn)微觀組織、晶體結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的原位分析，主要用于材料科學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域高分辨型特點(diǎn)是具有高分辨率，點(diǎn)分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2nm，用于觀察和分析晶體缺陷、微疇、界面及表面處的原子排列，加速電壓在200kV或以上，應(yīng)用領(lǐng)域與分析型電鏡相同上述三類電鏡主要因物鏡極靴結(jié)構(gòu)的差別，從而使物鏡球差系數(shù)CS不同，減小CS是提高分辨率的途徑之一第一節(jié)高分辨透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)特征4第四頁，共27頁。一、樣品透射函數(shù)用樣品透射函數(shù)q(x,y)，以描述樣品對入射電子波的散射

q(x,y)=A(x,y)exp[iφt(x,y)]

(12-2)式中，A(x,y)是振幅，且A(x,y)=1為單一值；φt(x,y)是相位，樣品足夠薄時，有

(12-8)式中，

=/E為相互作用常數(shù)。上式表明，總的相位移動僅依賴于晶體的勢函數(shù)V(x,y,z)。忽略極小的吸收效應(yīng)，則

q(x,y)=1+iVt(x,y)

(12-10)這就是弱相位體近似，弱相位體近似表明，對于非常薄的樣品，透射函數(shù)與晶體的投影勢呈線性關(guān)系，且僅考慮晶體沿z方向的二維投影勢Vt(x,y)第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理5第五頁，共27頁。二、襯度傳遞函數(shù)電子波經(jīng)過物鏡在其背焦面上形成衍射花樣的過程，可用襯度傳遞函數(shù)表示

A(u)=R(u)exp[i(u)]B(u)C(u)(12-11)式中,u是倒易矢量；R是物鏡光闌函數(shù)；B和C分別是照明束發(fā)散度和色差效應(yīng)引起的衰減包絡(luò)函數(shù)；是相位差

(u)=fu2

+0.5Cs3u4

(12-12)物鏡球差系數(shù)Cs和離焦量f

是影響sin的兩個主要因素在最佳欠焦條件下,sin

曲線上絕對值為1的平臺(通帶)最寬，稱此為Scherzer欠焦條件，此時點(diǎn)分辨率最佳

sin

能否在倒易空間一個較寬的范圍內(nèi)接近于1，是成像最佳與否的關(guān)鍵條件第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理6第六頁，共27頁。二、襯度傳遞函數(shù)

JEM2010透射電鏡在加速電壓為200kV、Cs

=0.5mm、f

=43.3nm(最佳欠焦條件)時，

其sin

函數(shù)見圖12-2，點(diǎn)分辨率為0.19nm

(曲線與橫軸的交點(diǎn)u

=5.25nm-1處)第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理圖12-2JEM2010透射電鏡最佳欠焦條件下的sin函數(shù)7第七頁，共27頁。第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理

Q(u,v)圖12-3高分辨電子顯微像形成過程示意圖三、相位襯度電子波穿過晶體后，攜帶著樣品的結(jié)構(gòu)信息，再經(jīng)過物鏡聚焦，在物鏡背焦面上形成衍射花樣，因透射束與衍射束相互干涉在的結(jié)果，最終在物鏡像上平面形成的高分辨像。

高分辨電子顯微像形成過程如圖12-3所示8第八頁，共27頁。第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理三、相位襯度電子波q(x,y)經(jīng)過物鏡在背焦面形成電子衍射圖Q(x,y)

Q(u,v)=F[q(x,y)]A(u,v)(12-13)式中，F(xiàn)為Fourier變換。Q(u,v)再經(jīng)一次Fourier變換，在像平面上可重建放大的高分辨像。像平面上的強(qiáng)度分布

I(x,y)=12Vt(x,y)F[sin(u,v)RBC](12-15)式中，表示卷積運(yùn)算。如不考慮RBC的影響，像的襯度為

C(x,y)=

I(x,y)1=

2Vt(x,y)F[sin(u,v)](12-16)當(dāng)sin=1時,C(x,y)=2Vt(x,y)(12-17)像襯度與晶體的投影勢成正比，可反映樣品的真實結(jié)構(gòu)

9第九頁，共27頁。四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響只有在弱相位體近似及最佳欠焦條件下拍攝的高分辨像才能正確反映晶體結(jié)構(gòu)。但實際上弱相位體近似的要求很難滿足當(dāng)不滿足弱相位體近似條件時，盡管仍然可獲得清晰的高分辨像，但像襯度與晶體結(jié)構(gòu)投影已不存在一一對應(yīng)關(guān)系隨離焦量和試樣厚度的改變，會出現(xiàn)圖像襯度反轉(zhuǎn)；像點(diǎn)分布規(guī)律也會發(fā)生變化由圖12-4可看出，隨欠焦量和厚度的改變，像點(diǎn)分布規(guī)律發(fā)生了明顯變化。只有(欠焦量，厚度)為(-192,14)、(-194,12)(-196,10)、(-198,8)、(-200,6)、(-202,4)等條件下，亮點(diǎn)才代表Y0.25Zr0.75O2-x相中Y原子的投影位置第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理10第十頁，共27頁。四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理46810121416190192194196198200202204欠焦量（nm）樣品厚度（單胞數(shù)）圖12-4不同欠焦量和厚度下Y0.25Zr0.75O2-x相的模擬高分辨像

11第十一頁，共27頁。四、欠焦量、樣品厚度對像襯度的影響圖12-5所示為Nb2O5單晶在相同欠焦量下，不同試樣厚度區(qū)域的高分辨照片?？梢钥闯鰪脑嚇舆吘壍絻?nèi)部，因厚度不均勻引起的圖像襯度區(qū)域性變化第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理圖12-5Nb2O5化合物的高分辨像襯度隨樣品厚度的變化12第十二頁，共27頁。五、電子束傾斜、樣品傾斜對像襯度的影響電子束傾斜和樣品傾斜均會影響高分辨像襯度，電子束輕微傾斜，將在衍射束中引入不對稱的相位移動圖12-6所示為Ti2Nb10O29樣品厚度為7.6nm時的高分辨模擬像。圖中清楚表明，電子束或樣品即使是輕微傾斜，對高分辨像襯度也會產(chǎn)生較明顯影響第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理樣品傾斜

/mrad電子束傾斜

/mrad圖12-6電子束和樣品傾斜對Ti2Nb10O29模擬高分辨像襯度的影響

13第十三頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬主要應(yīng)用1)解釋實驗獲得的高分辨像2)通過模擬像和實驗像的匹配，確認(rèn)未知的晶體結(jié)構(gòu)3)獲得某些在實驗中不能觀察到的現(xiàn)象模擬方法主要由Bloch波和多片層兩種方法主要步驟1)建立晶體或缺陷的結(jié)構(gòu)模型2)入射電子束穿過晶體層的傳播

3)電鏡光學(xué)系統(tǒng)對散射波的傳遞

4)模擬像與實驗像的定量比較

第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理14第十四頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬

Bloch波法直接求解與時間無關(guān)的Schr?dinger方程，主要用于小型完整單胞的模擬計算；多片層法基于物理光學(xué)近似，其過程可用Rayleigh-Sommerfeld衍射公式的Fresnel近似描述(圖12-7)，多片層法系列投射和傳播見示意圖12-8

第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理圖12-8多片層法系列投射和傳播示意圖圖12-7入射波穿過復(fù)合傳遞系數(shù)為qn(x,y)的物體時的衍射情況

15第十五頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬第二節(jié)高分辨電子顯微像的原理a)d)b)c)e)f)4nm4nm4nm實驗像 模擬像圖12-9c-ZrO2,Y0.25Zr0.75O2-x和Y0.5Zr0.5O2-y相的實驗像a)、b)、c)及模擬高分辨像d)、e)、f)16第十六頁，共27頁。

材料的微觀結(jié)構(gòu)與缺陷結(jié)構(gòu)，對材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)有重要影響。利用高分辨電子顯微術(shù)，可以在原子尺度對材料微觀結(jié)構(gòu)和缺陷進(jìn)行研究，其應(yīng)用主要包括1)晶體缺陷結(jié)構(gòu)的研究2)界面結(jié)構(gòu)的研究3)表面結(jié)構(gòu)的研究4)各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究下面給出一些典型的高分辨像，用圖示說明高分辨透射電鏡在材料原子尺度顯微組織結(jié)構(gòu)、表面與界面以及納米粉末結(jié)構(gòu)等分析研究中的應(yīng)用

第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用17第十七頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬圖12-10為沿和-Si3N4相c軸方向的高分辨結(jié)構(gòu)像，照片中的暗點(diǎn)對應(yīng)于原子的位置第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用圖12-10氮化硅的高分辨結(jié)構(gòu)像a)-Si3N4和b)-Si3N418第十八頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬如圖12-11，大暗點(diǎn)對應(yīng)Tl、Ba重原子位置，小暗點(diǎn)對應(yīng)Cu原子位置第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用圖12-11Tl2Ba2CuO6超導(dǎo)氧化物的高分辨結(jié)構(gòu)像

19第十九頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬如圖12-12所示，在InAs和InAsSb界面處可明顯觀察到有刃型位錯存在，位置見圖中箭頭處第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用圖12-12半導(dǎo)體材料InAs和InAsSb界面的高分辨像

界面界面20第二十頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬如圖12-13所示，A、B處各有一韌型位錯，AB間夾著一片層錯，稱Z字形層錯偶極子第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用圖12-13Si單晶中層錯偶極子的高分辨晶格像

21第二十一頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬如圖12-14，Si顆粒中存在A,B,C,D,E五次孿晶，Al的[110]方向與Si的[110]方向平行第三節(jié)高分辨電子顯微術(shù)的應(yīng)用圖12-14Al-Si合金粉末的高分辨像a)、SEM像b)和TEM明場像c)22第二十二頁，共27頁。六、高分辨像的計算機(jī)模擬由圖12-15可說明，Si3N4晶界上有一非晶層，NiAl2O4與NiO相界為穩(wěn)定界面，F(xiàn)e2O3表面為其(0001)面第三節(jié)高分辨