《材料現(xiàn)代研究方法》教學(xué)課件：透射電子顯微分析

1、第一節(jié) 透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造,一、工作原理 成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。 它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見(jiàn)光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中聚焦成像的為磁透鏡。 由于電子波長(zhǎng)極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。,透射電子顯微鏡光路原理圖,二、構(gòu)造,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。,1. 電磁透鏡,能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electron lens） 靜電透鏡 電子透鏡 恒磁透鏡 磁透鏡 電

2、磁透鏡,（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu),電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖,電磁透鏡工作原理,透射電子顯微鏡實(shí)際使用的是具有軸對(duì)稱非均勻磁場(chǎng)的短磁透鏡。短磁透鏡通常是由圓柱殼子、短線圈和極靴組件三個(gè)部分組成。圓柱殼子由軟磁材料做成，內(nèi)有環(huán)形間隙。短線圈由銅做成，裝在軟磁殼子里。極靴組件由具有同軸圓孔的上下極靴和連接筒組成，裝在軟磁殼內(nèi)環(huán)形間隙兩端。當(dāng)銅線圈通電時(shí)，在極靴圓孔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)非均勻的軸對(duì)稱磁場(chǎng)。,（2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì),（1） 式中：u、v與f物距、像距與焦距。 （2） 式中：V0電子加速電壓；R透鏡半徑；NI激磁線圈安匝數(shù)；A與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。,成像電子在電磁透鏡磁場(chǎng)中沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)，而可見(jiàn)光

3、是以折線形式穿過(guò)玻璃透鏡。因此，電磁透鏡成像時(shí)有一附加的旋轉(zhuǎn)角度，稱為磁轉(zhuǎn)角。物與像的相對(duì)位向?qū)?shí)像為180，對(duì)虛像為。,電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場(chǎng)強(qiáng)度降低、焦距變長(zhǎng)(由f1變?yōu)閒2 ） 。,（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng),（3） 式中：A常數(shù)；照明電子束波長(zhǎng)；Cs透鏡球差系數(shù)。 r0的典型值約為0.250.3nm，高分辨條件下，r0可達(dá)約0.15nm。,2. 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(chǎng)發(fā)射源,圖5 熱電子槍示意圖 燈絲和陽(yáng)極間加高壓，柵極偏壓起會(huì)聚電子束

4、的作用， 使其形成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉,圖6 雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖,3. 成像系統(tǒng),由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。 成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。 通過(guò)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。 若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。 透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡 。,圖9-7 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 (b)將顯微像投影到熒光屏,三、選區(qū)電子衍射,圖8 在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實(shí)現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖,選區(qū)衍射操作步驟,（1）使選區(qū)光闌以

5、下的透鏡系統(tǒng)聚焦 （2）使物鏡精確聚焦 （3）獲得衍射譜 由單晶試樣衍射得到的衍射譜是對(duì)稱于中心斑點(diǎn)的規(guī)則排列的斑點(diǎn)。由多晶得到的衍射花樣則是以中心斑點(diǎn)為中心的衍射環(huán)。,第二節(jié) 樣品制備,TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。 要求： （1）供TEM分析的樣品必須對(duì)電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100200nm為宜。 （2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)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。,一、間接樣品(復(fù)型)的制備,對(duì)復(fù)型材料的主要要求： 復(fù)型材料本身必須是“無(wú)結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的； 有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)

6、電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。 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(xì)節(jié)特征。 常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。,復(fù)型的種類,按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為： 一級(jí)復(fù)型 二級(jí)復(fù)型 萃取復(fù)型（半直接樣品）,萃取復(fù)型,二、直接樣品的制備,1.粉末樣品制備 粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開(kāi)來(lái)，各自獨(dú)立而不團(tuán)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(duì)研并突然抽開(kāi)，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

7、膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對(duì)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。,2. 晶體薄膜樣品的制備,一般程序： (1)取樣：用砂輪片、金屬絲鋸或電火花切割等方法從大塊試樣上切取厚度為0.5mm左右的“薄塊“。 (2)預(yù)先減薄：用機(jī)械研磨、化學(xué)拋光或電解拋光等方法將“薄塊”試樣預(yù)先減薄至0.1mm左右的“薄片” (3)最終減?。阂话銇?lái)說(shuō)，機(jī)械研磨的損傷層較大，因此最終減薄時(shí)不用機(jī)械方法，而用某些特殊的電解拋光或離子轟擊等技術(shù)將“薄片”最終減薄到2000埃的“薄膜”,圖15 離子減薄裝置原理示意圖

8、,離子減薄包括了用高能離子或中性原子轟擊薄片試樣，使試樣中原子或分子被濺出試樣表面，直到試樣有足夠大的、對(duì)電子束“透明”的薄區(qū)。 入射離子束與試樣表面的夾角（入射角）是一個(gè)重要的控制參量，在其他參量不變的條件下，它決定了等離子體穿透的深度和試樣薄化速率。離子入射角越小，試樣薄區(qū)面積越大，但相應(yīng)減薄時(shí)間增加。通常采用兩個(gè)階段減薄。在開(kāi)始階段，采用較高的入射角（大于10），快速減??；在第二階段，即接近穿孔時(shí)，采用較低的入射角（小于10），以增加薄區(qū)面積。 離子減薄除了可用于各種塊狀材料薄膜的減薄外，還可以用于纖維和粉末材料的減薄，但需要事先將纖維和粉末鑲嵌在環(huán)氧樹脂中制成薄片。,圖16 雙噴電解拋

9、光裝置原理圖,電解拋光僅適用于導(dǎo)電材料的制備。與離子減薄相比，所用時(shí)間要短得多，而且試樣不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷，但可能會(huì)引起試樣表面化學(xué)性質(zhì)的改變。此外，由于電解液都是腐蝕性很強(qiáng)的酸性溶液，在操作過(guò)程中要非常小心，需要采取一定的防護(hù)措施。 電解拋光所要控制的參量有外加電壓、電解液類型、電解液溫度、電解液噴射速度、拋光電流等。 好的減薄效果是試樣孔洞附近有較大的薄區(qū)，并且薄區(qū)表面十分光亮。 電解雙噴時(shí)，一般要進(jìn)行冷卻，常用液氮加酒精的方法來(lái)冷卻，尤其是鋼鐵材料，必須冷卻，而且最好用液氮。,常用電解拋光溶液成分,1 乙醇（80ml），冰醋酸(80ml)，高氯酸(15ml)，甘油(10ml) 適用材料：高

10、溫合金，耐熱鋼，鋁及其合金。 2 正磷酸(480ml)，硫酸(50ml)，鉻酐(80g)，水(60ml) 適用材料：鋁及鋁合金 3 高氯酸(80ml)，冰醋酸(70ml) 適用材料：鋼，硅鋼 4 高氯酸(10ml)，乙醇(90ml) 適用材料：鎳基合金，硅鋼，馬氏體時(shí)效鋼,第三節(jié) 透射電鏡基本成像操作及像襯度,一、成像操作 圖17 成像操作光路圖 （a）明場(chǎng)像 (b)暗場(chǎng)像 (c)中心暗場(chǎng)像,明場(chǎng)與暗場(chǎng)成像,當(dāng)要在透射電鏡中獲得電子圖像時(shí)，可以用未散射的透射電子束產(chǎn)生圖像，也可以用所有的電子衍射束或者某些電子衍射束成像。選擇不同電子束用于成像的方法是在背焦面處插入一個(gè)光闌，只有通過(guò)該光闌的電子

11、束才可以參與成像。這個(gè)光闌就是物鏡光闌。用另外的裝置來(lái)移動(dòng)物鏡光闌，使得只有未散射的透射電子束通過(guò)它，其他衍射的電子束被光闌擋掉，由此得到的圖像被稱為明場(chǎng)像（BF）。或者只有衍射電子束通過(guò)物鏡光闌，透射電子束被光闌擋掉，稱由此得到的圖像為暗場(chǎng)像（DF）。通過(guò)調(diào)節(jié)中間鏡的電流就可以得到不同放大倍數(shù)的明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像。 暗場(chǎng)成像有兩種方法：偏心暗場(chǎng)像與中心暗場(chǎng)像。,二、像襯度,像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。 透射電鏡的像襯度來(lái)源于樣品對(duì)入射電子束的散射。可分為： 質(zhì)厚襯度 ：非晶樣品襯度的主要來(lái)源 振幅襯度 衍射襯度 ：晶體樣品襯度的主要來(lái)源 相位襯度,電子束透過(guò)試樣所得到的透射電子束的強(qiáng)

12、度及方向均發(fā)生了變化，由于試樣各部位的組織結(jié)構(gòu)不同，因而透射到熒光屏上的各點(diǎn)強(qiáng)度是不均勻的，這種強(qiáng)度的不均勻分布現(xiàn)象就稱為襯度，所獲得的電子像稱為透射電子襯度像。 其形成的機(jī)制有兩種： 1.相位襯度 如果透射束與衍射束可以重新組合，從而保持它們的振幅和位相，則可直接得到產(chǎn)生衍射的那些晶面的晶格像，或者一個(gè)個(gè)原子的晶體結(jié)構(gòu)像。僅適于很薄的晶體試樣(100)。 2. 振幅襯度 振幅襯度是由于入射電子通過(guò)試樣時(shí)，與試樣內(nèi)原子發(fā)生相互作用而發(fā)生振幅的變化，引起反差。振幅襯度主要有質(zhì)厚襯度和衍射襯度兩種：, 質(zhì)厚襯度 由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，各部分對(duì)入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使

13、得透射電子束的強(qiáng)度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)-厚襯度。 衍射襯度 衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射條件程度差異以及結(jié)構(gòu)振幅不同而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)于非晶體試樣是不存在的。,質(zhì)厚襯度原理,由于質(zhì)厚襯度來(lái)源于入射電子與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作用而引起的吸收與散射。由于試樣很薄，吸收很少。襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚度，也可歸于厚度），當(dāng)散射角大于物鏡的孔徑角時(shí),它不能參與成像而相應(yīng)地變暗.這種電子越多,其像越暗.或者說(shuō),散射本領(lǐng)大,透射電子少的部分所形成的像要暗些,反之則亮些。,圖18 質(zhì)厚襯度成像光路圖,圖19 衍射襯度成像光路圖, 只有晶體試樣形成的衍襯像才

14、存明場(chǎng)像與暗場(chǎng)像之分，其亮度是明暗反轉(zhuǎn)的，即在明場(chǎng)下是亮線，在暗場(chǎng)下則為暗線，其條件是，此暗線確實(shí)是所選用的操作反射斑引起的。 它不是表面形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作用后的反映。 為了使衍襯像與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，從而能夠根據(jù)衍襯像來(lái)分析晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，探測(cè)晶體內(nèi)部的缺陷，必須建立一套理論，這就是衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和動(dòng)力學(xué)理論。,第四節(jié) 電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,透射電鏡衍射襯度是由樣品底表面不同部位的衍射束強(qiáng)度存在差異而造成的。要深入理解和正確解釋透射電鏡衍襯像的襯度特征，就需要對(duì)衍射束的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。 動(dòng)力學(xué)衍射 運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射,一、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè),運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是建立

15、在運(yùn)動(dòng)學(xué)近似即忽略各級(jí)衍射束(透射束為零級(jí)衍射束)之間的相互作用基礎(chǔ)之上的用于討論衍射波強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)化理論。 其基本假設(shè)是： 入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射。 入射電子波在樣品內(nèi)的傳播過(guò)程中，強(qiáng)度的衰減可以忽略。即衍射波強(qiáng)度始終遠(yuǎn)小于入射波強(qiáng)度。否則衍射波會(huì)發(fā)生較為顯著的再次衍射，即動(dòng)力學(xué)衍射。,使樣品晶體處于足夠偏離布拉格條件的位向，以避免產(chǎn)生強(qiáng)的衍射，保證入射波強(qiáng)度不發(fā)生明顯衰減； 采用足夠薄的樣品，盡量減小電子受到多次散射的機(jī)會(huì)。 要達(dá)到這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)踐上都有困難。 一方面，原子對(duì)電子的散射振幅較大，散射強(qiáng)度不會(huì)很弱，而且當(dāng)選用的衍射束所對(duì)應(yīng)的倒易點(diǎn)足夠偏離厄瓦爾德球面時(shí)，其附近的某個(gè)或某些倒易點(diǎn)又將靠近厄瓦爾德球面； 另一方面，隨著樣品厚度的減小，倒易桿拉長(zhǎng)，更容易產(chǎn)生較強(qiáng)的衍射，而且樣品越薄則越難完全代表大塊材料的性質(zhì)，所以衍襯分析時(shí)樣品通常不應(yīng)制得太薄?？梢?jiàn)，用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論解釋衍襯在大多數(shù)情況下都是近似的。,為滿足上述基本假設(shè)，在實(shí)踐上可通過(guò)以下兩條途徑