九透射電子顯微分析

第九章透射電子顯微分析第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造第二節(jié)樣品制備第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度第四節(jié)TEM的典型應用及其它功能簡介1顯微鏡的發(fā)展R.虎克在17世紀中期

制做的復式顯微鏡

19世紀中期的顯微鏡

20世紀初期的顯微鏡

帶自動照相機

的光學顯微鏡

裝有場發(fā)射槍的

掃描電子顯微鏡

超高壓透射電子顯微鏡

234電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)簡稱透射電鏡電子衍射(ED)掃描電子顯微鏡(SEM)簡稱掃描電鏡電子探針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)

能譜儀(能量色散譜儀，EDS)電子激發(fā)俄歇電子能譜(EAES或AES)5TEM可以以不同的形式出現(xiàn)，如：高分辨電鏡（HRTEM）掃描透射電鏡（STEM）分析型電鏡（AEM）等等入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：平行束：透射電鏡成像及衍射會聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射TEM的形式6第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造

透射電子顯微鏡光學顯微鏡透射電子顯微鏡的成像原理與光學顯微鏡類似。照明束可見光電子為照明束聚焦裝置玻璃透鏡電磁透鏡放大倍數(shù)小，不可調(diào)大，可調(diào)分辨本領一、工作原理低高結(jié)構(gòu)分析不能能7透射電子顯微鏡光路原理圖物鏡：形成第一幅放大的像×0~100中間鏡：長焦×0~20投影鏡：放大×0~100景深大，放大不影響清晰度焦深大，放寬對熒光屏和照相底片要求

8二、構(gòu)造

靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡磁透鏡

電磁透鏡

1.電磁透鏡TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成。能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electronlens）9（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)

電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖10（2）電磁透鏡的光學性質(zhì)

物距像距焦距電子加速電壓透鏡半徑激磁線圈安匝數(shù)與透鏡結(jié)構(gòu)有關的比例常數(shù)由此可知，改變激磁電流，可改變焦距f，即可改變電磁透鏡的放大倍數(shù)。11電磁透鏡(通過改變激磁電流)實現(xiàn)焦距和放大倍率調(diào)整示意圖減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強度降低、焦距變長(由f1變?yōu)閒2

）。物距u焦距f像距v12（3）電磁透鏡的分辨本領

常數(shù)照明電子束波長透鏡球差系數(shù)線分辨率

r0的典型值約為0.25~0.3nm，高分辨條件下，

r0可達約0.15nm。

光學顯微鏡可見光：390-760nm，最佳：照明光的波長的1/2。極限值：200nm100KV電子束的波長為0.0037nm；200KV，0.00251nm透射電鏡132.照明系統(tǒng)

作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電子束。組成：電子槍和聚光鏡鎢絲熱電子源電子源LaB6

場發(fā)射源14電子槍場發(fā)射電子槍一般電子槍的發(fā)射原理和普通照明用白熾燈的發(fā)光原理基本相同，即通過加熱來使槍體發(fā)射電子。鎢絲便宜并對真空要求比較低。六硼化鑭發(fā)射效率要高很多，其電流強度大約比前者高一個數(shù)量級。場發(fā)射槍的電子發(fā)射是通過外加電場將電子從槍尖拉出來實現(xiàn)的。由于越尖銳處槍體的電子脫出能力越大，因此只有槍尖部位才能發(fā)射電子。15熱電子槍示意圖燈絲和陽極間加高壓，柵極偏壓起會聚電子束的作用，使其形成直徑為d0、會聚/發(fā)散角為

0的交叉會聚/發(fā)散角16雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖173.成像系統(tǒng)

由物鏡、中間鏡(1、2個)和投影鏡(1、2個)組成。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。

衍射操作：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。

成像操作：若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。18F焦點fFF'焦平面凸透鏡的焦點PQABFQ'P'A'透鏡的成像OOO像平面復習192021三、各種結(jié)構(gòu)的衍射花樣1）單晶體的衍射花樣。

不同入射方向的ZrO2衍射斑點(a)[111];(b)[011];(c)[001];(d)[112]單晶電子衍射圖是由規(guī)則排列的衍射斑點構(gòu)成的，是二維倒易平面點陣的放大像，它可以給出試樣晶體結(jié)構(gòu)和晶體學有關的諸多信息。222）多晶材料的電子衍射NiFe多晶納米薄膜的電子衍射233）非晶態(tài)物質(zhì)衍射典型的非晶衍射花樣24對材料的微區(qū)進行觀察，獲取更為細致的結(jié)構(gòu)信息選區(qū)25如何實現(xiàn)選區(qū)？1、加物鏡光闌2、加選區(qū)光闌26衍射花樣標定多晶金衍射花樣27多晶電子衍射花樣的標定指多晶電子衍射花樣指數(shù)化，即確定花樣中各衍射圓環(huán)對應衍射晶面干涉指數(shù)（HKL）并以之標識（命名）各圓環(huán)。立方晶系多晶電子衍射花樣指數(shù)化經(jīng)推導：d=C/RC為相機常數(shù)，R為某同心圓環(huán)半徑將d=C/R代入立方晶系晶面間距公式，得

式中：N——衍射晶面干涉指數(shù)平方和，即N=H2+K2+L2。28多晶電子衍射花樣的標定對于同一物相、同一衍射花樣各圓環(huán)而言，（C2/a2）為常數(shù)，有R12：R22：…：Rn2=N1：N2：…：Nn此即指各衍射圓環(huán)半徑平方（由小到大）順序比等于各圓環(huán)對應衍射晶面N值順序比。立方晶系不同結(jié)構(gòu)類型晶體系統(tǒng)消光規(guī)律不同，故產(chǎn)生衍射各晶面的N值順序比也各不相同。參見表6-1，表中之m即此處之N（有關電子衍射分析的文獻中習慣以N表示H2+K2+L2，此處遵從習慣）29表6-1立方晶系衍射晶面及其干涉指數(shù)平方和(m)30金多晶電子衍射花樣標定[數(shù)據(jù)處理]過程與結(jié)果31（1）利用已知晶體（點陣常數(shù)a已知）多晶衍射花樣指數(shù)化可標定相機常數(shù)。衍射花樣指數(shù)化后，按計算衍射環(huán)相應晶面間距離，并由Rd=C即可求得C值。（2）已知相機常數(shù)C，則按d＝C／R，由各衍射環(huán)之R，可求出各相應晶面的d值。應用32單晶電子衍射花樣的標定主要指：單晶電子衍射花樣指數(shù)化，包括確定各衍射斑點相應衍射晶面干涉指數(shù)（HKL）并以之命名（標識）各斑點和確定衍射花樣所屬晶帶軸指數(shù)[uvw]。對于未知晶體結(jié)構(gòu)的樣品，還包括確定晶體點陣類型等內(nèi)容。單晶電子衍射花樣標定的主要方法為：

嘗試核算法標準花樣對照法33復雜電子衍射花樣簡介實際遇到的單晶電子衍射花樣并非都如前述單純，除上述規(guī)則排列的斑點外，由于晶體結(jié)構(gòu)本身的復雜性或衍射條件的變化等，常常會出現(xiàn)一些“額外的斑點”或其它圖案，構(gòu)成所謂“復雜花樣”。主要有：高階勞埃區(qū)電子衍射譜菊池花樣(KikuchiPattern)二次衍射斑點超點陣斑點孿晶（雙晶）衍射斑點等。34（1）高階勞埃區(qū)電子衍射譜用途:可以提供許多重要的晶體學信息，如：測定電子束偏離晶帶軸方向的微小角度估算晶體樣品的厚度求正空間單胞常數(shù)當兩個物相的零階勞埃區(qū)斑點排列相同時，可利用二者高階勞埃區(qū)斑點排列的差異，鑒定物相。高階勞埃區(qū)衍射譜示意圖(a)對稱入射(b)不對稱入射35（2）菊池花樣(KikuchiPattern)在單晶體電子衍射花樣中，除了前面提到的衍射斑點外，還經(jīng)常出現(xiàn)一些線狀花樣。菊池(Kikuchi)于1928年(在透射電鏡產(chǎn)生以前)首先描述了這種現(xiàn)象，所以被稱為菊池線。菊池線的位置對晶體取向的微小變化非常敏感。因此，菊池花樣被廣泛用于晶體取向的精確測定，以及解決其它一些與此相關的問題。t-ZrO2菊池衍射花樣36第二節(jié)樣品制備

TEM的樣品可分為間接樣品和直接樣品。

TEM的樣品要求：（1）對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度約100~200nm。（2）必須具有代表性，能真實反映所分析材料的特征。37383940414243444546二、直接樣品的制備

粉末和晶體薄膜樣品的制備。1.粉末樣品制備關鍵：如何將超細粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團聚。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。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，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。4748492.塊狀樣品的制備一般程序：(1)初減薄——制備厚度約100~200

m的薄片；(2)從薄片上切取

3mm的圓片；(3)預減薄——從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)

m；(4)終減薄。50雙噴電解拋光裝置原理圖適用樣品：1）不易于腐蝕的裂紋端試樣2）非粉末冶金試樣3）組織中各相電解性能相差不大的材料4）不易于脆斷、不能清洗的試樣51離子減薄裝置原理示意圖1）不導電的陶瓷樣品2）要求質(zhì)量高的金屬樣品3）不宜雙噴電解的金屬與合金樣品適用樣品：52第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度

一、成像操作（a）明場像(b)暗場像(c)中心暗場像成像操作光路圖直射束成像衍射束成像衍射束成像5354a)明場像b)暗場像析出相(ZrAl3)在鋁合金基體中分布衍襯像55二、像襯度像襯度：圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。對于光學顯微鏡，襯度來源是材料各部分反射光的能力不同透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射。像襯度的分類：56質(zhì)厚襯度成像光路圖質(zhì)量厚度襯度(簡稱質(zhì)厚襯度)：由于樣品不同微區(qū)間存在原子序數(shù)或厚度的差異而形成的襯度質(zhì)厚襯度來源于電子的非相干彈性散射當電子穿過樣品時，通過與原子核的彈性作用被散射而偏離光軸，彈性散射截面是原子序數(shù)的函數(shù).隨樣品厚度增加，將發(fā)生更多的彈性散射。57質(zhì)厚襯度的公式襯度與原子序數(shù)Z，密度

，厚度t有關。用小的光闌（θ?。┮r度大；降低電壓V，能提供高襯度58衍射襯度成像光路圖對晶體樣品，電子將發(fā)生相干散射即衍射。所以，在晶體樣品的成像過程中用的是晶體對電子的衍射。衍射襯度：由于晶體對電子的衍射效應而形成的襯度。A、B兩晶粒的結(jié)晶學位向不同，滿足衍射條件的情況不同。衍射束強度越大，直射束強度就越小。該光路圖中是明場成像還是暗場成像？59相位襯度(Phasecontrast)：試樣內(nèi)部各點對入射電子作用不同，導致它們在試樣出口表面上相位不一，經(jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強度差而形成的。60第四節(jié)TEM的典型應用及其它功能簡介一、TEM的典型應用1.形貌觀察

晶粒(顆粒)形狀，形態(tài)，大小，分布等2.晶體缺陷分析

線缺陷：位錯（刃型位錯和螺型位錯）面缺陷：層錯體缺陷：包裹體表面、界面（晶界、粒界）等3.組織觀察

晶粒分布、相互之間的關系，雜質(zhì)相的分布、與主晶相的關系等4.晶體結(jié)構(gòu)分析、物相鑒定（電子衍射）5.晶體取向分析（電子衍射）61高嶺石蒙脫石纖蛇紋石葉蛇紋石1.形貌觀察62刃位錯bub

uubu//b螺位錯2.晶體缺陷分析-位錯線63（a）明場像，s

0；（b）明場像，s略大于零；（c）g/3g弱束暗場像2.晶體缺陷分析-位錯線64晶粒（1）與周圍4個晶粒（2、3、4、5）間晶粒邊界的衍襯像2.晶體缺陷分析-界面653.組織觀察66NiAl（7）合金中的析出相（a）明場像，g=220（b）中心暗場像，g=110（c）SADP（選區(qū)衍射譜），B//[]（c）SADP，B//[010]3.組織觀察67二、

TEM的其它功能簡介原位觀察，會聚束衍射分析，高分辨電子顯微術。1．原位觀察利用相應的樣品臺，在TEM中可進行原位實驗(insituexperiments)。如：利用加熱臺加熱樣品觀察其相變過程利用應變臺拉伸樣品觀察其形變和斷裂過程682．會聚束衍射分析會聚束電子衍射(CBED)是電子顯微鏡中最早實現(xiàn)的電子衍射方式(Kossel和Mollenstedt，1939