透射电子显微镜-TEM.ppt

透射电子显微镜 TEM Transmissionelectronmicroscope 内容 8 1简介8 2结构原理8 3样品制备8 4透射电子显微镜的电子衍射8 5透射电子显微镜图像分析 8 1TEM简介 电子显微镜 ElectronMicroscope EM 利用电子与物质作用所产生的信息来鉴定微区域晶体结构 CrystalStructure CS 精细组织 FineStructure FS 化学成分 ChemicalComposition CC 化学键结 ChemicalBonding CB 和电子分布情况 ElectronicStructure ES 的电子光学装置 电子显微镜发展史 1898年J J Thomson发现电子1924年deBroglie提出物质粒子波动性假说和1927年实验的证实 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出 1932年 1935年 透射电镜和扫描电镜相继出现 1936年 透射电镜实现了工厂化生产 20世纪50年代 英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和Howie等人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和结构 1965年 扫描电子显微镜实现商品化 20世纪70年代初 美国阿利桑那州立大学J M Cowley提出相位衬度理论的多层次方法模型 发展了高分辨电子显微象的理论与技术 饭岛获得原子尺度高分辨像 1970 20世纪80年代 晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展 透射电镜和扫描电镜开始相互融合 并开始对小于5埃的尺度范围进行研究 20世纪90年代至今 设备的改进和周边技术的应用 透射电子显微镜 TransmissionElectronMicroscope TEM TEM是以波长极短的电子束作为照明源 用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率 高放大倍数的电子光学仪器 可同时实现微观形貌观察 晶体结构分析和成分分析 配以能谱或波谱或能量损失谱 为什么采用电子束而不用自然光 1 显微镜的分辨率2 有效放大倍数 1 显微镜的分辨率 通常人眼的分辨本领大概是0 2mm 即人眼可分辨的两点间最小距离为0 2mm 显微镜可分辨的两点间的最小距离 即为显微镜的分辨率 自然光与电子束的波长 可见光的波长在390 760nm电子波长 取V 100kV 理论得到电子波长为0 0037nm 采用物镜的孔径角接近90度考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微镜系统 可得d 200nm对于TEM在100kV加速电压下 波长0 0037nm d约为0 002nm 目前电子显微镜达不到其理论极限分辨率 最小分辨率达到0 1nm 2 有效放大倍数 光学显微镜必须提供足够的放大倍数 把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度 相应的放大倍数叫做有效放大倍数 它可由下式来确定 有效放大倍数 透射电镜的有效放大倍数 光学显微镜的有效放大倍数 光学显微镜的有效放大倍数远小于透射电镜 为什么采用电子束做为光源 结论 由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透射电子显微镜的放大倍率远大于普通光学显微镜 一般来说 光学显微镜的最大放大倍率在2000倍左右 而透射电子显微镜的放大倍率可达百万倍 电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高一千倍左右 可以达到2 的水平 使观察物质纳米级微观结构成为可能 EM420透射电子显微镜 日本电子 加速电压20KV 40KV 60KV 80KV 100KV 120KV晶格分辨率2 04 点分辨率3 4 最小电子束直径约2nm倾转角度 60度 30度 FEITitan80 300kVS TEM世界上功能最强大的商用透射电子显微镜 TEM 已迅速成为全球顶级研究人员的首选S TEM 从而实现了TEM及S TEM模式下的亚埃级分辨率研究及探索 主要技术参数 1 TEM分辨率 12 STEM分辨率 13 能量分辨率 0 15eV或 0 25eV4 加速电压80 300kV 内容 8 1简介8 2结构原理8 3样品制备8 4透射电子显微镜的电子衍射8 5透射电子显微镜图像分析 8 2透射电子显微镜结构原理 电子光学系统真空系统电源与控制系统 一 透射电子显微镜的结构 一 电子光学系统 照明系统 成像系统 观察记录系统 1 照明系统 包括 电子枪 阴极 阳极 控制极 聚光镜 调节装置 平移对中 倾斜 作用 提供一束亮度高 照明孔径角小 平行度好 束流稳定的照明源满足 明场或暗场成像需求 照明束在2 3 范围内倾斜 电子源 1 阴极 电子源 热发射 发夹形钨灯丝 LaB6单晶丝 束流密度 10A cm2束斑大小 4nm 场发射源 冷 热阴极 束流密度105A cm2束斑大小 1nm常用肖特基源 热阴极 电子源 2 阳极 作用 加速从阴极发射出的电子 为了操作安全 一般是阳极接地 阴极带有负高压 50 200kV 电子源 3 控制极 栅极 会聚电子束 控制电子束电流大小 调节像的亮度 阴极 阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能 习惯通称为 电子枪 电子枪的重要性仅次于物镜 决定像的亮度 图像稳定度和穿透样品的能力 电子源 比阴极负100 1000伏 4 聚光镜 由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用 电子束穿过阳极后 逐渐变粗 射到试样上仍然过大 作用 会聚电子束 获得近似平行电子束 多为磁透镜 调节其电流 控制照明亮度 照明孔径角和束斑大小 4 聚光镜 高性能TEM采用双聚光镜系统 提高照明效果 2 成像系统 照明系统 成像系统 观察记录系统 1 物镜 功能 将试样形成一次放大像和衍射谱 决定透射电镜的分辨本领 要求它有尽可能高的分辨本领 足够高的放大倍数和尽可能小的像差 通常采用强激磁 短焦距的物镜 放大倍数较高 一般为100 300倍 目前高质量物镜分辨率可达0 1nm左右 2 中间镜 功能 弱激磁透镜 把物镜形成的一次中间像或衍射谱投射到投影镜物面上 再由投射镜放大到终平面 荧光屏 弱激磁的长焦距变倍透镜 0 20倍可调 在电镜中变倍率的中间镜控制总放大倍率 用M表示放大倍率 它等于成像系统各透镜放大率的乘积 即 需要提及的一点是 增加中间镜的数量 可以增加放大倍数 但当达到显微镜有效放大倍数时 再增加中间镜的数量已是徒劳的 因为此时显微镜所能提供的分辨率已经达到极限 即使继续放大 也无法分辨出更紧密的两点 3 投影镜 功能 把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上 成为试样最终放大图像及衍射谱 短焦距强磁透镜 放大倍数固定 但是对投影镜精度的要求不像物镜那么严格 因为它只是把物镜形成的像做第三次放大 具有很大的场深和焦深 场深 景深 在保持象清晰的前提下 试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离 或者说试样超越物平面所允许的厚度 焦深 焦长 在保持象清晰的前提下 象平面沿镜轴可移动的距离 或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离 成像系统 成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上 a 调整中间镜的透镜电流 使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合 此时背焦面上形成的衍射斑点就会被中间镜进一步放大 并经过投影镜投影到荧光屏上得到衍射花样 b 由于物镜成像在中间镜以前 因此中间镜以物镜像为物 所成图像在投影镜前汇聚 投影镜以中间镜像为物进行投影 投影镜 终了像 L1 L2 L2 L1 成像系统 材料研究中 希望弄清很小区域的结构和形貌 既要观察其显微像 形貌 又要得到其衍射花样 分析结构 衍射状态与成像状态的变换是通过改变中间镜的激磁电流实现的 先观察显微像 再转换到衍射花样 成像系统 透射束像平面 一次显微像电子 样品物镜衍射束背焦面 第一级衍射花样像平面显微像调整中间镜I使物平面与物镜重合 投影镜 荧光屏背焦面衍射花样 电子光学系统 照明系统 成像系统 观察记录系统 3 观察纪录系统 主要作用 提供获取信息 一般由荧光屏 照相机 数据显示等组成 二 真空系统 由机械泵 扩散泵 控制阀门和仪表组成作用 避免电子和气体分子相遇 防止干扰减小样品污染延长灯丝寿命 三 操作控制系统 提供透镜组件线圈的电流电压保证电流电压稳定 防止因电压波动引起色差 从而影响分辨率提供各种操作模式的选择和切换提供系统的预警和自动保护装置 二 透射电子显微镜分辨率和放大倍数的测定 1 点分辨率的测定 将铂 铂 铱或铂 钯等合金 用真空蒸镀法得到粒度为0 5 1mm 间距为0 2 1mm的粒子 将其均匀地分布在火棉胶 或碳 支持膜上 在高放大倍数下拍照 然后经光学放大 5倍左右 找出粒子间最小间距 除以总放大倍数 点分辨率 图10 12点分辨率的测定 真空蒸镀金颗粒 2 晶格分辨率的测定利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜作为标样 拍摄其晶格像 因位相差引起的干涉条纹 实际是晶面间距的比例像 图10 13晶格分辨率测定金 220 200 晶格像 3 放大倍数的测定 常用方法 衍射光栅复型作为标样 在一定条件下 加速电压 透射电流 拍摄标样的放大像 然后从底片上测量光栅条纹像间距 并与实际光栅条纹间距相比 放大倍数 5000 光栅复型上喷镀碳微粒法 5000 50000倍晶格条纹像 10万倍以上 条纹像间距 实际晶面间距 内容 8 1简介8 2结构原理8 3样品制备8 4透射电子显微镜的电子衍射8 5透射电子显微镜图像分析 8 3透射电子显微镜样品制备 TEM应用的深度和广度一定程度上取决于试样制备技术 能否充分发挥电镜的作用 样品的制备是关键 必须根据不同仪器的要求和试样的特征选择适当的制备方法 电子束穿透固体样品的能力 主要取决于电压V和样品物质的原子序数Z 一般V越高 Z越低 电子束可以穿透的样品厚度越大 根据原子序数不同 一般在5 500nm之间 100kv 100nm 200kv 200nm 透射电子显微镜样品制备 一 制样要求 a 对于TEM常用的50 200kV电子束 样品厚度控制在100 200nm 样品经铜网承载 装入样品台 放入样品室进行观察 b 制样过程要防止污染和改变样品的性质 如机械损伤或热损伤等 c 根据观察的目的和样品的性质 确定制样方法 透射电子显微镜样品制备 二 制样方法1 粉末样品的制备2 块状薄膜样品的制备3 薄膜样品的制备4 复型样品的制备 透射电子显微镜样品制备 1 粉末样品的制备 1 应用 原始状态成粉末状的样品 如炭黑 黏土及溶液中沉淀的微细颗粒 超细粉体 纳米材料 纳米陶瓷 其粒径一般在1 m以下 2 特点 制样过程中基本不破坏样品 除对样品结构进行观察外 还可对其形状 聚集状态及粒度分布进行研究 透射电子显微镜样品制备 3 制样步骤 胶粉混合法a 干净玻璃上滴火棉胶溶液 将粉末放在玻璃片胶液上并搅匀b 将另一玻璃片压上 两玻璃片对研并突然抽开 等待膜干c 用刀片划成小方格 将方形膜与玻璃分离 用铜网捞起 待观察 支持膜分散粉末法a 将样品捣碎 b 将粉末投入液体 用超声波振动成悬浮液 液体可以是水 甘油 酒精等 根据试样粉末性质而定 c 观察时 将悬浮液滴于附有支持膜的铜网上 待液体挥发后即可观察 1 初切薄片 从实物或大块上切割0 3 0 5 厚的薄片 透射电子显微镜样品制备 导电样品 电火花线切割不导电样品 金刚石刃内圆切割机 2 样品薄片的预减薄方法 机械法 手工磨制 和化学法 机械法 透射电子显微镜样品制备 透射电子显微镜样品制备 化学减薄法 1 原理 利用化学溶液对物质的溶解作用达到减薄样品的目的 2 特点 通常采用硝酸 盐酸 氢氟酸等强酸作为化学减薄液 因而样品的减薄速度相当快 透射电子显微镜样品制备 3 制样步骤 a 将切片样品的边缘涂以耐酸漆 防止边缘因溶解较快而使薄片面积变小 b 薄片洗涤 去除油污 洗涤液可为酒精 丙酮等 c 将样品悬浮在化学减薄液中减薄 d 检查样品厚度 旋转样品角度 进行多次减薄直至达到理想厚度 清洗 透射电子显微镜样品制备 4 化学减薄法的缺点 减薄液与样品反应 会发热甚至冒烟 减薄速度难以控制 不适于溶解度相差较大的混合物样品 3 最终减薄 透射电子显微镜样品制备 透射电子显微镜样品制备 双喷电解抛光法 1 原理 通过电解液对金属样品的腐蚀 达到减薄目的 3 最终减薄 双喷电解抛光法 离子减薄法 2 减薄步骤 a 将预先减薄的样品剪成直径3mm的圆片 b 将样品放入减薄仪 接通电源 c 样品穿孔后 光导控制系统会自动切断电源 并发出警报 此时应关闭电源 马上冲洗样品 减小腐蚀和污染 3 缺点 只适用于金属导体 对于不导电的样品无能为力 目前效率最高和操作最简便的方法是双喷电解抛光法 透射电子显微镜样品制备 离子减薄法 1 原理 用高能量的氩离子流轰击样品 使其表面原子不断剥离 达到减薄的目的 2 应用 主要用于非金属块状样品 如陶瓷 矿物材料等 透射电子显微镜样品制备 将样品手工或机械打磨到30 50 m 用环氧树脂将铜网粘在样品上 用镊子将大于铜网四周的样品切掉 将样品放减薄器中减薄 减薄时工作电压为5kV 电流为0 1mA 样品倾角为15 样品穿孔后 孔洞周围的厚度可满足电镜对样品的观察需要 非金属导电性差 观察前对样品进行喷碳处理 防止电荷积累 3 制样步骤 透射电子显微镜样品制备 4 离子减薄法优缺点优点 易于控制 可以提供大面积的薄区 缺点 速度慢 减薄一个样品需十几个小时到几十个小时 双喷减薄与离子减薄的比较 透射电子显微镜样品制备 透射电子显微镜样品制备 3 薄膜样品的制备 薄膜样品 1 膜面观察 参照块体薄膜样品的制备流程进行制备 2 薄膜界面观察 对黏样品制成块状 参照块体薄膜样品制备 透射电子显微镜样品制备 4 复型样品的制备 复型法 1 定义 对物体表面特征进行复制的一种制样方法 2 目的 将物体表面的凹凸起伏转换为复型材料的厚度差异 然后在电镜下观察 设法使这种差异转换为透射电子显微像的衬度高低 3 特点 表面显微组织浮雕的复型膜 只能进行形貌观察和研究 不能研究试样的成分分布和内部结构 同一试块 方法不同 得到复型像和像的强度分布差别很大 应根据选用的方法正确解释图像 透射电子显微镜样品制备 4 复型材料要求a 复型材料本身在电镜中不显示结构 应为非晶物质 b 有一定的强度和硬度 便于成型及保存 且不易损坏 c 有良好的导电性和导热性 在电子束的照射下性质稳定 5 复型类型一级复型 塑料一级复型 碳一级复型 二级复型 塑料 碳二级复型 抽取复型 萃取复型 透射电子显微镜样品制备 分辨率1 2nm 电子束照射下易分解和破裂 塑料一级复型 样品上滴浓度为1 的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液 溶液在样品表面展平 多余的用滤纸吸掉 溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜 印模表面与样品表面特征相反 透射电子显微镜样品制备 碳一级复型样品放入真空镀膜装置中 在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜 优点 图像分辨率高2 5nm 导电导热性能好 电子束照下稳定缺点 很难将碳膜从样品上剥离 透射电子显微镜样品制备 塑料 碳二级复型先用塑料做一级复型 以它为模型做碳的复型 用试剂溶去一级复型 经过两次复制的复型称二级复型 为了增加衬度可在倾斜15 45 的方向上喷镀一层重金属 如Cr Au等 二级复型照片 二级复型照片 透射电子显微镜样品制备 抽取复型又称萃取复型 用碳膜把经过深度侵蚀试样表面的第二相粒子 如杂质 黏附下来 在透镜下可观察第二相粒子形状 大小 分布及其与样品组织结构的关系 内容 8 1简介8 2结构原理8 3样品制备8 4透射电子显微镜电子衍射分析8 5透射电子显微镜图像分析 透射电子显微镜图像分析 透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强度分布的记录 由于电子与物质相互作用 透射强度会不均匀分布 这种现象称为衬度 所得的像称为衬度像 透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射 可分为 质厚衬度 非晶样品衬度的主要来源衍射衬度 晶体样品衬度的主要来源 振幅衬度 相位衬度 仅适于很薄的晶体试样 100 一 质厚衬度像 1 定义 质量厚度衬度 简称质厚衬度 又称吸收衬度 由于试样的质量和厚度不同 各部分与入射电子发生相互作用 产生的吸收与散射程度不同 而使得透射电子束的强度分布不同 形成反差 称为质厚衬度 质厚衬度 2 特点是非晶体样品衬度的主要来源 反映了物体表面特性和形貌特征 是样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的 来源于电子的非相干散射 Z 原子序数 越高 产生散射的比例越大 d 厚度 增加 将发生更多的散射 不同微区Z和d的差异 使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子I有差别 形成像的衬度 Z较高 样品较厚区域在屏上显示为较暗区域 图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化 质厚衬度 3 影响因素 质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的影响 选择大孔径 较多散射电子参与成像 图像亮度增加 散射与非散射区域间的衬度降低 选择低电压 较多电子散射到光阑孔径外 衬度提高 亮度降低 支持膜法和萃取复型 质厚衬度图像比较直观 质厚衬度 A B 试样 电磁透镜 物镜光阑 IA IB A IA B IB I0 I0 物镜光阑对质厚衬度的作用 二 衍射衬度像 一 衍衬成像原理1 定义 衍射衬度 主要是由于晶体试样满足布拉格衍射条件的程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差 也可以说 由于样品中不同位向的晶体的衍射条件不同造成的衬度差别 它仅属于晶体结构物质 对于非晶体试样是不存在的 衍射衬度 是晶体样品衬度的主要来源 样品中各部分满足衍射条件的程度不同引起 衍射衬度成像就是利用电子衍射效应来产生晶体样品像衬度的方法 晶体样品的成像过程中 起决定作用的是晶体对电子的衍射 试样内各晶面取向不同 各处衍射束强度I差异形成衬度 双光束条件 单束成像 衍射衬度 2 成像原理 衍射衬度 明场像 BF 让透射束通过物镜光阑 将衍射电子束挡去而得到图像 直射电子成像 像清晰 a 明场像 2 成像原理 暗场像 DF 让衍射电子束通过物镜光阑 将透射束挡去而得到图像 像畸变 不清晰 衍射衬度 中心暗场像 CDF 将入射光束倾斜2 角度 将物镜光阑移动到挡住透射束的位置 使hkl衍射束的方向与光轴一致 让hkl衍射束通过所形成的图像 像不畸变 分辨率高 清晰 二 衍衬运动学理论及应用 1 消光距离 定义 由于透射波和衍射波强烈的动力学相互作用结果 使I0和Ig在晶体深度方向上发生周期性的振荡 此振荡的深度周期叫消光距离 用 g表示消光 尽管满足衍射条件 但由于动力学相互作用而在晶体内一定深度处衍射波 或 透射波的强度为零的现象 2 衍衬运动学简介 1 基本假设 两个先决条件 忽略衍射束和入射束的相互作用 忽略电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸收 两个基本假设 双光束近似 除透射束外 只存在一束较强的衍射束 且此衍射束的反射晶面位置接近布拉格条件 柱状近似 成像单元缩小到一个晶胞相当的尺寸 把薄晶体小表面每点的衬度和晶柱结构对应起来的处理方法 柱体近似 2 理想晶体的衍射强度 衍衬运动学基本公式 Ig与样品的厚度t 偏移矢量S有关 3 理想晶体衍衬运动学基本方程的应用 1 等厚条纹 衍射强度随样品厚度的变化 S 常数 晶体上表面 厚度单元 相邻厚度单元的散射波之间的位向角差 t Ndz处的结构振幅 dz很小 等厚条纹明场像 等厚条纹暗场像 条纹衬度特征比较 2 等倾条纹 t 常数 为什么倒易杆为2 t 4 非理想晶体的衍射衬度 由于晶体内存在缺陷而引入的附加位相角 当 2 的整数倍时 晶体缺陷引起的衍射衬度不显示 5 晶体缺陷分析 1 层错 层错相对位移矢量R面心立方晶体中平行于堆垛层切变垂直于堆垛层方向上晶格的扩展或坍塌抽出型层错 嵌入型层错 不锈钢的倾斜层错 2 位错 1 螺型位错 2 刃型位错 刃型位错衬度像为什么偏离真实位置 S0 晶面 hkl 的偏移矢量S 由于刃型位错的存在导致的附加偏差 NiAl合金中的位错 不锈钢中析出相周围的位错缠结 位错缠结形成的晶界 Ni基高温合金高温蠕变后的位错组态 3 第二相粒子 明场像 操作反射 在用双光束成像时 参与成像的衍射斑除了透射斑以外 只有衍射斑hkl 因此无论是在明场成像还是暗场成像时 如果该衍射斑参与了成像 则图像上的衬度在理论上来讲就与该衍射斑有非常密切的关系 所以我们经常将该衍射斑称为操作反射 记为ghkl 无衬度线 操作矢量 第二相粒子可以通过两种不同的方式造成衬度 1 穿过粒子的晶体柱内衍射波 波振幅和位相发生了变化 叫做沉淀物衬度 2 粒子的存在引起周围基本点阵发生局部的畸变 也是一种应变场衬度 叫做基体衬度 三 相位衬度 相位衬度 由穿透样品的电子波的相位不同而产生的电子显微像 它可揭示 1nm