透射電子顯微鏡儀器分析

關(guān)于透射電子顯微鏡儀器分析透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡是利用電子的波動性來觀察固體材料內(nèi)部的各種缺陷和直接觀察原子結(jié)構(gòu)的儀器。盡管復(fù)雜得多，它在原理上基本模擬了光學(xué)顯微鏡的光路設(shè)計，簡單化的可將其看成放大倍率高得多的成像儀器。一般光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。而透射電鏡的放大倍數(shù)在數(shù)千倍至一百萬倍之間，有些甚至可達(dá)數(shù)百萬倍或千萬倍。第2頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

目前，風(fēng)行于世界的大型電鏡，分辨本領(lǐng)為2~3埃，電壓為100～500kV，放大倍數(shù)50~1200000倍。由于材料研究強(qiáng)調(diào)綜合分析，電鏡逐漸增加了一些其它專門儀器附件，如掃描電鏡、掃描透射電鏡、X射線能譜儀、電子能損分析等有關(guān)附件，使其成為微觀形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)分析和成分分析的綜合性儀器，即分析電鏡。它們能同時提供試樣的有關(guān)附加信息。高分辨電鏡的設(shè)計分為兩類：一是為生物工作者設(shè)計的，具有最佳分辨本領(lǐng)而沒有附件；二是為材料科學(xué)工作者設(shè)計的，有附件而損失一些分辨能力。另外，也有些設(shè)計，在高分辨時采取短焦距，低分辨時采取長焦距。電鏡的主要結(jié)構(gòu)第3頁,共72頁，2024年2月25日，星期天高分辨分析透射電子顯微鏡JEM200CX第4頁,共72頁，2024年2月25日，星期天高分辨分析透射電子顯微鏡JEM2010第5頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

透射電鏡主要結(jié)構(gòu)電鏡的基本組成包括電子槍（光源）與加速級管、聚光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、放大系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。光路上主要由各種磁透鏡和光闌組成.1．照明系統(tǒng)2．成像放大系統(tǒng)

1）物鏡

2）光闌

3）中間鏡、投影鏡

M總＝M物×M中×M投

3．顯象記錄系統(tǒng)第10頁,共72頁，2024年2月25日，星期天透射電鏡組成示意圖第11頁,共72頁，2024年2月25日，星期天光學(xué)顯微鏡和電鏡路圖比較第12頁,共72頁，2024年2月25日，星期天光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏照相底板照相底板第13頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1.電子光學(xué)系統(tǒng)上圖是近代大型電子顯微鏡的剖面示意圖，從結(jié)構(gòu)上看，和光學(xué)透鏡非常類似。

1）照明部分（1）陰極：又稱燈絲，一般是由0.03~0.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。（2）陽極：加速從陰極發(fā)射出的電子。為了安全，一般都是陽極接地，陰極帶有負(fù)高壓。（3）控制極：會聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)象的亮度。陰極、陽極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動能，因此，人們習(xí)慣上把它們通稱為“電子槍”。

透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。第15頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（4）聚光鏡：由于電子之間的斥力和陽極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過陽極小孔后，又逐漸變粗，射到試樣上仍然過大。聚光鏡就是為克服這種缺陷加入的，它有增強(qiáng)電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會聚起來的作用。第16頁,共72頁，2024年2月25日，星期天陰極（接負(fù)高壓）控制極（比陰極負(fù)100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣照明部分示意圖第17頁,共72頁，2024年2月25日，星期天電子槍

電子槍的類型有熱發(fā)射和場發(fā)射兩種，大多用鎢和六硼化鑭材料。一般電子槍的發(fā)射原理與普通照明用白炙燈的發(fā)光原理基本相同，即通過加熱來使整個槍體來發(fā)射電子。電子槍的發(fā)射體使用的材料有鎢和六硼化鑭兩種。前者比較便宜并對真空要求較低，后者發(fā)射效率要高很多，其電流強(qiáng)度大約比前者高一個量級。第18頁,共72頁，2024年2月25日，星期天熱發(fā)射的和場發(fā)射的電子槍

熱發(fā)射的電子槍其主要缺點是槍體的發(fā)射表面比較大并且發(fā)射電流難以控制。近來越來越被廣泛使用的場發(fā)射型電子槍則沒有這一問題。如圖所示，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。這樣就在很大程度上縮小了發(fā)射表面。通過調(diào)節(jié)外加電壓可控制發(fā)射電流和發(fā)射表面。第19頁,共72頁，2024年2月25日，星期天場發(fā)射電子槍及原理示意圖第20頁,共72頁，2024年2月25日，星期天這部分有試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。（1）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。（2）物鏡：電鏡的最關(guān)鍵的部分，其作用是將來自試樣不同點同方向同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其象平面上，構(gòu)成與試樣組織相對應(yīng)的顯微象。投射電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。

2）成象放大部分第21頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

物鏡的最短焦距可達(dá)1毫米，放大倍數(shù)約為300倍，最佳分辨本領(lǐng)可達(dá)1埃，目前，實際的分辨本領(lǐng)為2埃。為了減小物鏡的球差和提高象的襯度，在物鏡極靴進(jìn)口表面和物鏡后焦面上還各放一個光闌，物鏡光闌（防止物鏡污染）和襯度光闌（提高襯度）在分析電鏡中，使用的皆為雙物鏡加輔助透鏡，試樣置于上下物鏡之間，上物鏡起強(qiáng)聚光作用，下物鏡起成象放大作用，輔助透鏡是為了進(jìn)一步改善場對稱性而加入的。第22頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

近代高性能電鏡一般都設(shè)有兩個中間鏡，兩個投影鏡。三級放大成象和極低放大成象示意圖如下所示。第23頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡

三次象（熒光屏）選區(qū)光闌第24頁,共72頁，2024年2月25日，星期天物鏡關(guān)閉無光闌

中間鏡（作物鏡用）投影鏡第一實象（熒光屏）普查象極低放大率象第25頁,共72頁，2024年2月25日，星期天這部分由觀察室和照相機(jī)構(gòu)組成。在分析電鏡中，還有探測器和電子能量分析附件。3）顯象部分第26頁,共72頁，2024年2月25日，星期天掃描發(fā)生儀顯象管和X-Y記錄儀數(shù)據(jù)處理放大器電子束掃描線圈入射光闌電子能量分析儀能量選擇光闌探測器圖1-14掃描電子衍射和電子能譜分析附件示意圖第27頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

為了保證真在整個通道中只與試樣發(fā)生相互作用，而不與空氣分子發(fā)生碰撞，因此，整個電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，一般真空度為10-4~10-7

毫米汞柱。2.真空系統(tǒng)作用第28頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。

電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個極為重要的標(biāo)志。所以，對供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。

近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動操作程序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)系統(tǒng)。3.供電系統(tǒng)第29頁,共72頁，2024年2月25日，星期天磁透鏡第30頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)透射電子顯微鏡成象原理光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡均只能觀察物質(zhì)表面的微觀形貌，它無法獲得物質(zhì)內(nèi)部的信息。而透射電鏡由于入射電子透射試樣后，將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用，從而改變其能量及運(yùn)動方向。顯然，不同結(jié)構(gòu)有不同的相互作用。這樣，就可以根據(jù)透射電子圖象所獲得的信息來了解試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。由于試樣結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性，因此所獲得的圖象也很復(fù)雜。它不象表面形貌那樣直觀、易懂。第32頁,共72頁，2024年2月25日，星期天透射電鏡電子圖象形成原理

1．散射襯度象①單個原子對入射電子的散射：彈性散射、非彈性散射②散射襯度象成原理

I/I0＝e-N/Aσρt

散射襯度象：樣品特征通過對電子散射能力的不同形成的明暗差別象。

2．衍射襯度象

3．相位襯度象第33頁,共72頁，2024年2月25日，星期天電子的散射與衍射

當(dāng)從電子槍發(fā)射的一束電子沿一定入射方向進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部后，由于與物質(zhì)的相互作用，使電子的運(yùn)動方向發(fā)生改變，這一過程稱為物質(zhì)對電子的散射。在散射過程中，如果入射電子只改變運(yùn)動方向，而不發(fā)生能量變化，稱為彈性散射。如果被散射的入射電子不但發(fā)生運(yùn)動方向的變化，同時還損失能量，則稱為非彈性散射。第34頁,共72頁，2024年2月25日，星期天由于晶體內(nèi)部原子的規(guī)則排列，使得在某些方向可以觀察到很強(qiáng)的衍射電子束，其他方向則無衍射電子出現(xiàn)。晶體對電子束產(chǎn)生的衍射過程都是彈性散射。第35頁,共72頁，2024年2月25日，星期天原子對電子的散射

θ

+Rnθ

-Re(a)(b)帶負(fù)電荷的電子進(jìn)入物質(zhì)時受到帶正電荷的原子核吸引而發(fā)生向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。受核外電子的庫倫排斥力作用發(fā)生向外偏轉(zhuǎn)，稱為盧瑟福散射。第36頁,共72頁，2024年2月25日，星期天由于電子的質(zhì)量與原子核相比是一個可以忽略的小量，在電子與原子核碰撞過程中原子核可以認(rèn)為是固定不動的，原子核對電子的吸引力滿足距離平方反比定律。如果原子的原子序數(shù)為Z,核電荷Ze，電子的電荷-e，勢能為散射角θ的大小由入射電子與核的距離Rn決定。在半徑為Rn的散射截面內(nèi)，電子的散射角大于θ,有關(guān)系式

第37頁,共72頁，2024年2月25日，星期天θ很小時，

利用核外電子對入射電子的散射則為核外電子對入射電子的散射主要是非彈性的，每次散射的能量損失一般只有幾個電子伏特，入射電子束方向的改變也不大。

簡化得第38頁,共72頁，2024年2月25日，星期天原子核對電子的散射可分為彈性和非彈性兩類，其中彈性散射是電子衍射的基礎(chǔ)。

非彈性散射與彈性散射的比值由原子序數(shù)Z決定，即電子在物質(zhì)中的非彈性散射部分僅為彈性部分的1/Z，這是因為原子核內(nèi)電荷集中，具有較大的散射能力。原子序數(shù)愈大的原子，非彈性散射的比列愈小。第39頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共72頁，2024年2月25日，星期天3透射電鏡樣品制備

1．陶瓷原料樣品㈠支持膜①塑料支持膜②塑料—碳支持膜③碳支持膜㈡粉末樣品的分散方法

超聲波振蕩法、噴霧法、懸浮液法。

第43頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2．陶瓷制品㈠復(fù)型

(1)一級復(fù)型

(2)二級復(fù)型（3）襯度的提高㈡超薄切片與直接薄膜樣品㈢萃取復(fù)型第44頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共72頁，2024年2月25日，星期天4電子衍射及結(jié)構(gòu)分析電子衍射與X射線衍射的基本原理上完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似，電子衍射與射線衍射相比的突出特點為：①在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來；②物質(zhì)對電子的散射更強(qiáng)，約為X射線的一百萬倍，特別適用于微晶、表面和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的研究，且衍射強(qiáng)度大，所需時間短，只需幾秒鐘。第49頁,共72頁，2024年2月25日，星期天1．電子衍射基本公式

Rd=λL=K2．有效相機(jī)常數(shù)K的標(biāo)定

3．單晶衍射花樣的分析第50頁,共72頁，2024年2月25日，星期天典型電子衍射圖（a）非晶（b）單晶（c）多晶（d）會聚束第51頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)TEM的典型應(yīng)用及其它功能簡介一、TEM的典型應(yīng)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(guān)系，雜質(zhì)相的分布、與主晶相的關(guān)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）第52頁,共72頁，2024年2月25日，星期天高嶺石蒙脫石纖蛇紋石葉蛇紋石第53頁,共72頁，2024年2月25日，星期天偏離參量s對位錯線像寬的影響（a）明場像，s

0；（b）明場像，s略大于零；（c）g/3g弱束暗場像第54頁,共72頁，2024年2月25日，星期天傾斜于樣品膜的位錯（a）鋸齒形位錯線像，偏離參量s≈0（b）略增大偏離參量后的位錯線像第55頁,共72頁，2024年2月25日，星期天位錯Burgers矢量的測定（a）近似似相互垂直排列的位錯構(gòu)成的位錯網(wǎng)，明場像（b），暗場像（c），暗場像（d），暗場像（e），暗場像第56頁,共72頁，2024年2月25日，星期天不銹鋼中的網(wǎng)形位錯長石中的位錯第57頁,共72頁，2024年2月25日，星期天(a)層錯面位置及襯度示意圖(b)層錯明場像(BF)及暗場像(DF)層錯的襯度特征第58頁,共72頁，2024年2月25日，星期天晶粒（1）與周圍4個晶粒（2、3、4、5）間晶粒邊界的衍襯像第59頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共72頁，2024年2月25日，星期天NiAl（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]]（c）SADP，B//[010]第61頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、

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(shù)。1．原位觀察利用相應(yīng)的樣品臺，在TEM中可進(jìn)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(yīng)變臺拉伸樣品觀察其形變和斷裂過程第62頁,共72頁，2024年2月25日，星期天250℃加熱時Ge/Ag/Ge層反應(yīng)前端的高分辨原位觀察（a）~（d）每兩幅照片間的時間間隔為8s第63頁,共72頁，2024年2月25日，星期天在透射電鏡電子束照射下，ZrO2（2Y）陶瓷m片在t晶粒中的形核和長大過程的原位觀察相對于照片（a）各照片對應(yīng)的電子束照射時間分別為：（a）t=0s；（b）t=10s；（c）t=60s；（d）t=140s；（e）t=350s；（f）t=1200s第64頁,共72頁，2024年2月25日，星期天TiAl合金

相中孿生過程的原位拉伸觀察從（a）到（b）到（c）應(yīng)變量逐漸增大第65頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2．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)，遠(yuǎn)早于前面所講的選區(qū)電子衍射(Lepoole，1947)。但是，由于儀器方面的原因，在較長的一段時間內(nèi)這一技術(shù)未得到應(yīng)有的發(fā)展。選區(qū)電子衍射有兩個嚴(yán)重的局限性：①由于選區(qū)誤差，當(dāng)所選區(qū)域直徑＜0.5

m時，對所得衍射譜的分析必須非常謹(jǐn)慎，衍射花樣可能包含了選區(qū)以外的物質(zhì)的信息，即難以實現(xiàn)甚至不能實現(xiàn)對小尺度晶體結(jié)構(gòu)特征的分析；②由于薄樣品使布拉格條件放寬，選區(qū)衍射譜僅給出很不精確的二維晶體學(xué)信息。會聚束電子