材料高分辨电子显微学

高分辨电子显微学林鹏081820022目录1.绪论2.高分辨电子显微相位衬度像的成像原理3.高分辨电子显微像衬度的影响因素4.高分辨电子显微像的计算机模拟5.高分辨电子显微观察和拍摄图像的程序6.高分辨电子显微图像的类型和应用实例1.绪论不同材料有不同的使用性能；材料的性能决定于材料的结构，特别是它的微观结构。为了获得能满足人类生活和生产需要的材料，必须研究材料的结构，首先要直接观察到结构的细节。1956年，门特用分辨率为0.8nm的透射电子显微镜直接观察到酞菁铜晶体的相位衬度像，这是高分辨电子显微学诞生的萌芽。1971年，钣岛澄男拍摄到Ti2Nb10O29的相位衬度像，所用电子显微分辨率很高，像上直观地看到了原子团沿入射电子束方向的投影，像的细节前进了一大步。与些同时，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究也取得了重要的进展。之后，钣岛澄男和植田夏几乎同时发表了氯酞菁铜的高分辨电子显微像，像上可以看到分子的轮廓。这种直接观测晶体结构和缺陷的技术在20世纪70年代迅速发展，日趋完善，并广泛应用于物理、化学、材料科学、矿物等领域。实验技术的进一步完善，以及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志的理论进展，宣布了高分辨电子显微学的成熟，迈上新的阶段。2.高分辨电子显微相位衬度像的成像原理2.1概述2.2成像过程2.3薄试样高分辨电子显微像2.4厚试样高分辨电子显微像2.1概述（1）电子束入射到试样是为了获取试样的普遍结构信息，即衍射谱；后焦面处的物镜光阑让透射束通过，呈现常规的振幅衬度像；除透射束外，若还让一个或多个衍射束通过光阑，便获得高分辨相位衬度像。（2）两种不同衬度像反映的结构细节的层次是和参加成像的衍射束的多少（透射束视为零级衍射束）相对应的。每一衍射束都携带着一定的结构信息，参加成像的衍射束愈多，最终成像所包含的试样结构信息越丰富，即层次越高，越逼真。2.2成像过程

成像过程可以由图2-1给出。简单的说，就是实空间到倒空间，再回到实空间。带有晶体的投影电势φ(r)的出射波q(r)穿过物镜，在物镜的后焦面处，形成衍射波Q(H),此处就是实空间的出射波q(r)经过第一次傅里叶变换，进入倒空间；在这里经过对衍射波Q(H)和物镜传递函数T(H)的乘积的第二次傅里叶变换，就获得了物镜像面处的第一次成像的物波Ψ(r)，又回到了实空间。图2-1高分辨电子显微成像过程光路示意图2.3薄试样高分辨电子显微像（1）入射电子与试样物质的相互作用设试样为薄晶体，忽略电子吸收，在相位体近似下，只引起入射电子的相位变化，用下述透射函数（即出射波函数）表示试样经受入射电子的作用：q(x,y)=exp(iσφ(x,y)Δz)（1）上式表明，入射电子只发生了相位变化σφ(x,y)Δz。σ称为相互作用常数，和电镜加速电压成反比。φ(x,y)是反映晶体势场沿电子束入射方向分布并受晶体结构调制的波函数。通常情况下试样厚度Δz比较小，式（1）中的exp指数项要比这小的多，因此q(x,y)可以按下式展开（弱相位近似）q(x,y)≈1+iσφ(x,y)Δz（2）（2）经物镜作用在后焦面处形成衍射谱Q(u,v)=F[q(x,y)]（3）像平面上形成高分辨电子显微像当物平面与像平面严格地为一对共轭面时，像面波Ψ(r)真实地放大了物面波q(r)，而当物镜有像差时，像平面不严格与物平面共轭，此时像面波不再真实地复现物面波。像面波与物面波之间的这种偏差可用在物镜后焦面上给衍射波加上一个乘子，就是衬度传递函数exp(iⅹ(u,v))。

同时考虑物镜光阑的作用C(U,V).因而像平面的电子散射振幅为：Ψ(u,v)=F[C(U,V)Q(u,v)exp(iⅹ(u,v))]像平面上像的强度为像平面上电子散射振幅的平方，即振幅及其共轭的乘积：I(x,y)=Ψ*(u,v)·Ψ(u,v)=│1+iF{C(U,V)F[σφ(x,y)Δz]exp(iⅹ(u,v))}│2（4）为简简单起见，，不考虑光光阑的作用用，即令C(U,V)＝1,并设定两两个理想的的物镜条件件，即exp(iⅹⅹ(u,v))＝±i(u,v≠0时)可可得假定条条件下的像像强度为：：I(x,y)=││1±σσφ(-x,-y)ΔΔz│2≈1±σφφ(-x,-y)ΔΔz从上式可以以看出：原原晶体的势势分布φ(x,y)在像的的强度I(x,y)中反映出出来了。即即像强度分分布记录了了晶体的势势分布。高高分辨电子子显微像确确实反映了了试样晶体体沿电子束束入射方向向投影的势势分布。（5）处于于最佳欠焦焦条件下的的像强度分分布接近于于理想透镜镜的像强度度分布，即即：I(x,y)=1-σφ(-x,-y)ΔΔz（6）由于于重原子具具有较大的的势，对应应得重子列列的位置，，像强度弱弱。一般说说，黑点处处是有原子子的位置，，黑衬度也也有深浅，，深黑衬度度对应Z较较大的原子子，浅黑衬衬度对应着着Z较小的的原子；两两个相邻近近的原子，，其像衬也也可连在一一起，这涉涉及到电子子显微镜的的分辨率。。2.4厚试试样高分辨辨电子显微微像当试样达到到5nm以以上时，用用弱相位体体近似和相相位体近似似地处理就就不够了。。此时必须须充分考虑虑试样内的的多次散射射及其引起起的相位变变化，亦即即考虑电子子与试样物物质交互作作用过程透透射束与衍衍射束以及及衍射束之之间的动力力学交互作作用。此时需要通通过计算模模拟像与实实验像之间间细致拟合合并对所设设定的结构构模型做适适当的调整整，才能给给出试样投投影结构的的正确解释释。物面波形成成是一个动动力学衍射射过程，描描述这个过过程的方法法大致有两两类：一类类是基于电电子的波动动方程，另另一类是基基于物理光光学原理。。有Born迭代法法、Howie-Whelan线性微微分方程组组法、Bethe本本征值法和和Sturkey散散射矩阵法法等，这里里重点介绍绍应用最为为广泛的Cowley-Moodie多片层法法。Cowley-Moodie多片层法法的要点是是：把物体体沿垂直于于电子入射射方向分割割成许多薄薄层，将每每一层看作作一个相位位体；上层层的衍射束束看成是下下一层的入入射束，并并要考虑上上层到下层层之间的菲菲涅耳传播播过程。该法的示意意图如图2-2所示示。薄片层层的厚度一一般取与单单胞长度对对应的0.2～0.5nm为宜，各各层的作用用视为由两两部分组成成：一是由由于物体的的存在，使使相位发生生变化；二二是在这个个厚度范围围内波的传传播。（1）第一一薄层内物物质对入射射波的作用用：看成是是在晶体上上表面发生生了q(x,y)=exp(iσφ(x,y)Δz)表示的的相位变化化。其次，，将电子波波传播过程程看成从晶晶体上表面面到第一薄薄层下表面面在真空中中的小角散散射P(x,y)。。从而第一一薄层下表表面处的散散射振幅Ψ1(x,y)可以表示示为Ψ1(x,y)＝q(x,y)*P(x,y)（2）第二二薄层内发发生的过程程：只要将将Ψ1(x,y)看作是第第二层的入入射波，然然后按照上上面处理第第一薄层发发生过程的的同样方法法进行处理理。于是有有：Ψ2(x,y)＝[q(x,y)Ψ1(x,y)]*P(x,y)这样，由n个薄层组组成的试样样的下表面面处的散射射振幅Ψn(x,y)就依次类类推下去。。图2-2使使用多层层法时,各各薄层中透透射函数和和传播函数数表示的示示意图3.高分辨辨电子显微微像衬度的的影响因素素高分辨电子子显微像衬衬度的影响响因素主要要体现在影影响衬度传传递函数（（CTF））的因素，，另外还和和试样厚度度，电子束束倾斜、样样品倾斜等等有关。（1）衬度度传递函数数（CTF）和分辨辨率的关系系从传递函数数exp(iⅹ(u,v))＝cosⅹ+isinx中，可以以看出对像像衬(或对对成像逼真真度)有实实际影响的的是它的虚虚部sinx，它是是倒空间(后焦面处处)中倒易易矢长度g的函数。。以g为横横坐标。sinx为为纵坐标，，可以作sinx-g曲线线。图3-1它是在在加速电压压和物镜球球差均固定定的条件下下作出的曲曲线。可以以看出，CTF随成成像时的离离焦条件的的不同发生生急剧变化化。所以并并不是任意意成像条件件(Δf)的像都能能“如实””反映晶体体的结构。。只当物镜镜处于最佳佳欠焦状态态时，CTF才能能在相当宽宽的范围内内近似为一一常数(平平台)，在在此条件下下摄取的像像，才较近近似于晶体体结构晶体体势场的投投影分布。。由图3-1看出，当当100KV,Cs=1.6mm,ΔΔf=87nm时，曲线线在sinx≈-1处，有有一较宽的的平台(称称为“通带带”),平台右端端对应着高高指数衍射射(大g值值)，左端端衍射(低低指数衍射射)接近透透射斑(ooo)。。平台越宽宽，说明被被物镜光栏栏选取用来来成像的各各衍射束，，在较宽的的范围内，，都能使sinx的影响较较小，平台台右端的g值对应于于较小的面面间距d值值。它就是是在此成像像条件下(取此Δf值成像)，所能达达到的分辨辨能力。左左端g值小小，对应大大的尺寸细细节(d大大)，而此此处曲线往往往偏离sinx=-1较较大。说明明在此Δf条件下成成像，某些些大尺寸细细节，反而而失真(畸畸变)严重重，好在我我们关心的的是尽可能能小尺寸细细节的分辨辨能力能达达到什么水水平，故平平台左端对对应的较大大尺寸细节节的失真度度，倒是无无关紧要的的。图3-1固固定加加速电压(100kV)，，固定Cs(1.6mm)下的sinx-g曲线因而存在着着最佳离焦焦量。对实实际电子显显微镜，最最佳离焦量量，即谢乐乐策聚焦值值为：Δf＝1.2(Csλ)½由此推算出出的电子显显微镜的分分辨率为：：ds＝0.65Cs¼λ¾（2）加速速电压对CTF的影影响从图3-2可以看出出提高加速速电压有利利于扩展CTF曲曲线的sinx＝-1的平台台宽度，并并有利于平平台向大g值的一端端右移。一定欠焦条条件下，从从图3-2可知，减减少Cs,提高加速速电压E(λ减小)，均有利利于提高分分辨率。可可以估计出出为了使分分辨率缩小小一半，要要求Cs减至原来的的十六分之之一，这在在透镜设计计制造上是是非常困难难的。不如如走提高加加速电压的的途径，因因为只需将将波长缩小小至原来的的五分之二二就可以了了。图3-2加加速速电压对sinx-g曲线线的影响（3）光源源非相干性性、物镜色色差和物镜镜光栏几何何因素对CTF的影影响。电子束非相相干性来自自:一是加加速电压不不稳定;二二是非理想想点光源引引起电子束束发散;三三是物镜色色差;四是是物镜光栏栏几何因素素。原则上上讲，上述述各因素均均可找到一一个相位修修正函数来来对衍射波波进行校正正。将这些些修正函数数连乘起来来，得到一一个总的修修正函数。。即传递函函数，像计计算时将它它作用到衍衍射波上，，即可得到到一个经过过修正的衍衍射波函数数。一种全面综综合考虑上上述四种因因素的物镜镜传递函数数表示如下下:它是表征物物镜球差和和欠焦量引引起的相位位差函数。。S(h,k)则是是考虑非理理想点光源源(电子束束发散)引引起的振幅幅衰减(振振幅包络)的函数。。P(h,k)为为表征物镜镜色差引起起的振幅衰衰减(振幅幅包络)的的函数。上述诸因素素中，除加加速电压对对sinx-g曲线线的影响表表现为改变变sinx频率外，，其余因素素对sinx-g曲曲线的影响响，均表现现为在原频频率条件下下，使振幅幅发生衰减减(包络)。（4）样样品厚度度对像衬衬度的影影响高分辨像像实际上上是所有有参加成成像的衍衍射束与与透射束束之间因因相位差差而形成成的干涉涉图像。。因此，，试样厚厚度非直直观地影影响高分分辨像的的衬度。。图3-3所示为为Nb2O5单晶在同同一欠焦焦量下不不同试样样厚度区区域的高高分辨照照片。在在照片上上能看到到由于试试样厚度度不均匀匀等因素素引起的的图像衬衬度区域域性变化化，即图图像从试试样边缘缘的非晶晶衬度过过渡到合合适厚度度下的晶晶胞单元元结构像像。图3-3Nb2O5单晶在同同一欠焦焦量下不不同试样样厚度区区域的高高分辨像像右侧样品品边缘的的衬度明明显不同同于左侧侧满足弱弱相位体体近似厚厚度处的的衬度特特征（5）电电子束倾倾斜、样样品倾斜斜对像衬衬度的影影响电子束倾倾斜和样样品倾斜斜均对高高分辨像像衬度有有影响，，二者的的作用是是相当的的。电子子束轻微微倾斜的的主要影影响是在在衍射束束中导入入了不对对称的相相位移动动。图3-4是是Ti2Nb10O29晶体在样样品厚度度为7.6nm时的高高分辨模模拟像，，图中清清楚地表表明了即即使是轻轻微的电电子束或或样品倾倾斜对高高分辨像像衬度也也会产生生显著的的影响。。实际电镜镜操作过过程中，，可利用用样品边边缘的非非晶层（（或非晶晶支持膜膜）来对对中电子子束。如如果这一一区域的的衍射花花样非常常对称，，则电子子束倾斜斜非常小小。对那那些抗污污染的样样品来说说，其周周边没有有非晶层层，这时时得考虑虑衍射谱谱的晶体体对称性性，或者者观察样样品较厚厚区域的的二级效效应来获获得足够够精确的的电子束束和样品品对中性性能。图3-4电子子束和样样品倾斜斜对Ti2Nb10O29的模拟高高分辨像像衬度的的影响4.高分分辨电子子显微像像的计算算机模拟拟从高分辨辨电子显显微图像像确定结结构的途途径有：：（1）从从图像ΨΨ(r)→→出射波波q(r)并从从中解析析出，晶晶体结构构，即φφ(r)。（2）从从图像ΨΨ(r)→φφ(r)，从从图像中中直接求求晶体结结构φ(r)。。（3）从从一张““离轴电电子全息息图”或或多张““欠焦系系列或倾倾转系列列的”实实验高分分辨像，，重新构构造出样样品在下下表面的的出射波波函数q(r)，然后后从q(r)中中解读出出结构信信息φ(r)。。（4）由由李方华华等在1985年提出出并在后后来不断断完善的的高分辨辨电子显显微像与与电子衍衍射相结结合测定定晶体结结构的两两步图像像法。方方法包括括解卷和和相位外外推两个个步骤。。目前普遍遍广泛采采用的仍仍是像模模拟方法法。此法是先先假定一一种原子子排列模模型，然然后依据据电子波波成像的的物理过过程进行行模拟计计算，以以获得模模拟的高高分辨像像。如果果模拟像像与实验验像相匹匹配，便便得到了了正确的的原子排排列结构构像。因此事先先基于结结构模型型、恰当当考虑动动力学效效应和物物镜像差差、色差差等参数数进行计计算机模模拟是高高分辨电电子显微微学里很很重要的的一部分分。下面面简要的的介绍一一下高分分辨电子子显微像像的计算算机模拟拟。4.1程程序构成成与参数数输入1.程序序构成通常计算算程序分分两部分分，每一一部分又又包含若若干计算算项目。。（1）电电子在物物质内的的散射，，包括：：A.计算算结构因因子；B.计算算透射函函数和传传播函数数；C.考虑虑动力学学效应，，用多片片层法计计算物面面波Ψn。（2）像像差影响响和像平平面像的的形成：：A.物镜镜像散的的影响；；B.色差差与会聚聚角的影影响。2.参数数输入输入的数数据包括括：被研研究物质质的晶体体学参数数，即晶晶格常数数a,b,c……、原子子在单胞胞中的坐坐标、德德拜参数数、原子子散射因因子等；；以及与与电镜性性能和观观察条条件有关关的参数数，如加加速电压压、球差差系数、、色差引引起的聚聚焦偏离离、会聚聚角等。。图4-1是一一个有代代表性的的计算框框图。图中所示示，在考考虑动力力学衍射射效应的的Ψn的反复计计算中，，有图左左侧所示示的在倒倒易空间间进行卷卷积的运运算、和和右侧所所示的快快速傅里里叶变换换（FFT）的的运算。。在进行FFT时时，晶体体势引起起的入射射波的相相位变化化（透射射函数式式）的运运算是在在实空间间中进行行的。真真空中电电子波的的传播（（传播函函数式）），则是是在倒易易空间进进行运算算的。如果采样样点（指指计算中中使用的的散射波波数目））很多时时，使用用快速傅傅里叶变变换（FFT））能有效效缩短运运算时间间。图4-1多层层片法的的高分辨辨电子显显微像计计算过程程方框图图4.2考考虑晶体体缺陷和和吸收时时的计算算机模拟拟前面研究究的高分分辨电子子显微像像的模拟拟，是将将试样作作为相位位体，并并假定晶晶体为完完整晶体体。实际际情况可可能要复复杂得多多。这里里讨论含含有晶体体缺陷、、有吸收收效应、、入射束束倾斜以以及存在在原子离离子化等等更一般般的情况况。（1）晶晶体缺陷陷含缺陷晶晶体的电电子衍射射花样上上，除显显现强的的布拉格格反射外外，有时时还可看看到弱的的、呈连连续强度度分布的的漫散射射。为了了正确评评价解释释这些漫漫散射，，应当考考虑含有有孤立缺缺陷的无无限大晶晶体中的的大量散散射波，，并计算算其散射射振幅。。但如果果单胞取取得过大大，相应应地在计计算时采采集散射射波的数数目（采采样点））也会增增多，就就得延长长计算时时间。实践中，，常常假假定缺陷陷是周期期地排列列在假想想晶体中中来进行行运算。。此时常常假定晶晶格缺陷陷做晶格格排列且且相邻晶晶片不发发生干涉涉，这样样取单胞胞为好。。为了确认认单胞大大小是否否选取恰恰当，可可以将离离开缺陷陷的完整整晶体部部分（例例如选取取周期排排列的两两片缺陷陷之间的的中间位位置）的的像与没没有缺陷陷的计算算像进行行比较，，看二者者是否一一致。图图4-2是含有有缺陷置置换原子子的Au-Mn的模拟拟有序结结构像，，箭头所所示的弱弱亮点可可以理解解为Mn原子列列中的个个别Mn原子被被Au原原子所置置换。如如果不是是置换型型缺陷，，而是插插入型缺缺陷，对对于空洞洞或位错错等尺寸寸较大的的缺陷，，有必要要假设更更大的单单胞，且且应考虑虑选取不不同的透透射函数数，以反反映不同同缺陷组组态的动动力学效效应，不不过此时时计算需需要很大大的存储储量。图4-2Au-Mnx(Mn=22.6%)的有序序结构像像(1000KV电镜、、沿[001]入射。。箭头所所指处的的白点亮亮度与其其他邻近近白点相相比要弱弱一些，，可理解解为该处处Mn原原子列中中的一部部分被Au置换换了)（2）吸吸收效应应由式q(x,y)=exp(iσφ(x,y)ΔΔz)给出的透透射函数数中，认认为物质质对电子子的作用用只是使使电子的的相位发发生改变变，忽略略了吸收收效应。。而在计计算厚试试样的高高分辨电电子显微微像时，，必须将将吸收效效应引入入计算过过程，在在透射函函数中引引入吸收收函数：：exp[-μ(x,y)ΔΔz]计算厚试试样的透透射函数数应该采采用下式式：q(x,y)=exp[iσφ(x,y)ΔΔz-μ(x,y)Δz]（3）入入射电子子束倾斜斜为了考虑虑入射电电子束相相对于所所选晶带带轴倾斜斜一个小小的角度度（αx,αy），传播播函数P(u,v)应应乘因子子exp[2ΠiΔz(utanααx+vtanααy)]（4）原原子离子子化通常的计计算中，，我们常常用中性性原子的的散射因因子，而而对于离离子化倾倾向强的的物质，，则有必必要使用用计入离离子化各各构成元元素的原原子散射射因子。。但是，，即使考考虑了离离子化，，与中性性原子的的结构构因子比比较，也也只在倒倒易原点点附近的的低波数数区域才才显示出出差别。。4.3程程序序检检查查在模模拟拟计计算算中中，，应应对对执执行行程程序序进进行行适适时时的的检检查查，，以以避避免免执执行行运运算算带带来来的的时时间间浪浪费费。。（1））采采样样数数调调整整计算算中中采采样样数数过过多多过过少少均均不不妥妥，，若若使使用用散散射射波波太太少少，，不不足足以以精精确确反反映映动动力力学学效效应应，，对对于于厚厚试试样样误误差差更更大大。。因因此此，，在在倒倒空空间间中中，，宜宜将将散散射射振振幅幅取取至至高高阶阶反反射射足足够够小小的的数数值值进进行行运运算算。。一一般般说说采采样样数数（（选选定定的的散散射射波波数数目目））应应足足够够多多，，适适当当尝尝试试增增加加透透射射波波和和衍衍射射波波散散射射波波数数目目，，直直至至使使计计算算值值并并无无明明显显变变化化为为止止。。（2））薄薄片片层层厚厚度度模拟拟计计算算时时，，若若每每一一薄薄层层取取得得过过厚厚，，则则总总薄薄层层数数太太少少，，以以致致相相位位体体近近似似不不成成立立了了。。检检查查的的方方法法是是过过程程中中适适当当减减少少薄薄层层厚厚度度值值，，如如此此时时计计算算结结果果不不发发生生明明显显差差异异，，就就可可认认为为原原设设计计厚厚度度是是适适当当的的，，不不必必减减薄薄。。加加速速电电压压使使σ减小小，故故对高高的加速电电压，，薄层层厚度度允许许选得得稍厚厚一点点，此此外，，对由由低密密度轻轻元素素组成成的物物质，，由于于此时时平均均内势势较小小，薄薄层厚厚度也也可以以选得得稍厚厚一些些。（3））平均均内势势模拟计计算运运行中中，总总是先先计算算结构构因子子，然然后是是求投投影势势，这这时确确认晶晶体平平均势势的大大小对对程序序的检检查和和参数数的设设定是是必要要的。。表4-1列出出了代代表性性物质质的内内势参参考值值，可可作为为检查查时进进行比比较的的依据据。（4））散射射振幅幅比较较对某些些典型型物质质，如如以前前已计计算过过它的的散射射振幅幅（或或强度度），，当前前正在在模拟拟计算算的物物质又又与此此相同同，可可将过过去的的数据据和正正在模模拟计计算的的结果果进行行比较较检验验。表4-1几几种种常见见物质质原子子的平平均内内势表表元素原子序数平均内势/VC67.8±0.6Al1313.0±0.412.4±111.9±7Si1411.5Cu2920.1±1.023.5±0.6Ge3215.6±0.8Au7921.1±25.高高分辨辨电子子显微微观察察和拍拍摄图图像的的程序序衍射条条件不不同，，试样样厚度度不同同，操操作设设定条条件不不同，，可以以拍摄摄到不不同类类型的的高分分辨电电子显显微像像，它它们含含有不不同类类型的的信息息。首先，，观察察前应应根据据工作作目的的和设设备技技术性性能条条件，，确定定拟拍拍图像像的类类型。。第二，，对工工作电电镜的的技术术性能能必须须了解解清楚楚。分分辨率率是由由加速速电压压，色色差，，物镜镜球差差和试试样台台的机机械稳稳定性性和热热稳定定性诸诸因素素决定定的，，除物物镜球球差以以外，，使用用者必必须对对各因因素进进行检检查，，对出出现的的异常常情况况认真真加以以处理理，不不可仓仓促开开机，，以免免影响响观察察和拍拍摄图图像效效果。。5.1电子子显微微镜性性能和和工作作状态态的预预检和和调整整（1））对含含非晶晶结构构的膜膜成高高分辨辨像时时，应应注意意图像像中晶晶区和和非晶晶区特特别是是界面面处的的细节节；含含有纳纳米晶晶和非非晶区区的纳纳米晶晶试样样，高高分辨辨像具具有优优越性性。当当晶区区和非非晶区区边界界细节节模糊糊时，，说明明加速速电压压和透透镜电电流稳稳定性性或工工作环环境稳稳定性性有问问题。。（2））高分分辨像像质量量和拍拍摄时时的聚聚焦漂漂移与与试样样漂移移关系系极大大。聚聚焦飘飘移是是指聚聚焦随随着时时间向向欠焦焦一侧侧或过过焦一一侧移移动的的现象象。可可以一一边观观察非非晶膜膜的无无序点点状衬衬度或或试样样边缘缘的菲菲涅耳耳条纹纹，一一边检检查聚聚焦漂漂移，，由此此可以以判断断加速速电压压和电电流直直流成成分的的稳定定性。。应当当记录录加高高压和和通透透镜电电流之之后，，需要要多少少时间间才能能稳定定，作作为实实际图图像拍拍照时时的依依据。。注意意实验验室的的温度度变化化和冷冷却水水的温温度变变化，，它往往往也也能造造成聚聚焦和和试样样漂移移，切切忌让让空调调和其其他控控温冷冷却设设备的的急风风直吹镜镜体，，冷却却控温温设备备急开开急关关的瞬瞬间，，常是是导致致聚焦焦漂移移的原原因，，应予予注意意。（3））试样样漂移移往往往出现现在试试样刚刚刚插插入试试样台台瞬间间以及及刚加加液氮氮有关关，因因此要要测定定上述述两种种操作作后使使试样样达到到稳定定的时时间。。高倍倍观察察时，，要按按上述述测定定的稳稳定所所需时时间进进行拍拍照。。这个个时间间有时时长达达2～3min。。（4））确认认物镜镜球差差系数数。一一般可可以依依据厂厂家提提供的的数据据，正正确操操作，，选定定最佳佳聚焦焦量（（谢尔尔策聚聚焦）），达达到电电子显显微镜镜的最最佳分分辨率率水平平。5.2正确确的观观察操操作程程序在对仪仪器状状态预预检查查后，，严格格、规规范的的操作作程序序是十十分重重要的的。（1））观察察前对对电镜镜进行行认真真的合合轴调调整一般在在观察察前，，先打打开电电镜的的透镜镜电流流，加加高压压后进进行系系统的的合轴轴调整整，调调整好好后，，寻找找均匀匀无翘翘曲的的试样样薄区区，等等待2～3h后后，即即可进进行高高分辨辨显微微像观观察。。（2））选取取、设设置合合适的的衍射射条件件选取适适当的的低指指数的的晶带带，以以保证证衍射射束数数目足足够多多，和和随后后的投投影内内势函函数计计算有有足够够的精精度；；另一一方面面应设设定尽尽可能能准确确的带带轴方方向，，以避避免因因轴倾倾斜带带来内内势投投影出出现重重叠，，进而而使随随后图图像衬衬度分分析发发生困困难。。所需需衍射射束数数目与与晶体体单胞胞尺寸寸所规规定的的值有有关，，一般般说，，进入入计算算的衍衍射束束最高高空间间频率率应远远大于于物镜镜光阑阑尺寸寸所规规定的的值，，例如如以倒倒空间间尺度度表示示的物物镜光光阑半半径为为5nm-1，则在在计算算中空空间频率小小于10nm-1的所有有衍射射束都都应包包括进进来。。由于于采用用FFT，，不会会因增增加衍衍射束束太多多而延延长很很多计计算时时间。。一般般，一一开始始总是是尽可可能取取低的的放大大倍数数，以以显示示更多多的有有用视视场，，便于于从中中挑选选合适适的观观察区区。（3））消像像散，，检查查试样样漂移移和对对衍射射条件件进行行复核核电子透透镜由由于设设计和和加工工精度度的原原因，，其工工作状状态难难免存存在畸畸变，，意味味着正正焦点点的位位置随随方向向而异异，这这种像像差称称为像像散。。它可可以借借助电电磁补补偿予予以消消除。。高分分辨工工作在在拍照照前的的最终终调整整中，，消像像散是是十分分重要要的。。此外外，物物镜光光阑的的尺寸寸和位位置的的微小小变化化，也也会引引起像像散；；插入入物镜镜光阑阑后，，一般般都要要消像像散，，才能能保证证图像像质量量。像像散一一般会会通过过非晶晶膜的的傅里里叶变变换花花样上上的椭椭圆度度显示示出来来，消消像散散时可可以由由椭圆圆度的的改善善判断断消像像散后后的效效果。。图5-1是是存在在像散散(a)和和由于于试样样漂移移(b)引引起的的非晶晶膜高高分辨辨电子子显微微像的的光衍衍射花花样。。像散散使得得光衍衍射花花样呈呈现明明显的非非圆形形不对对称，，而试试样漂漂移则则使得得傅里里叶变变换光光衍射射环在在沿漂漂移方方向出出现缺缺失，，如图图5-1(b)中箭箭头所所示。。这也也是区区别像像散和和试样样漂移移的方方法。。消像散散和检检查试试样漂漂移后后，难难免使使本已已调整整好的的试样样衍射射条件件（取取向））发生生微小小改变变，因因此经经过消消像散散和漂漂移检检查并并调整整后，，还需需对衍衍射条条件再再检查查一次次，并并做适适当调调整，，由于于变动动不会会太大大，只只需检检查衍衍射谱谱上衍衍射斑斑点的的强度度是否否仍保保持中中心对对称分分布即即可。。图5-1有有像像散(a)有有试样样漂移移(b)（（试样样移动动后立立即拍拍摄））时，，非非晶膜膜高分分辨电电子显显微像像的光光衍射射花样样（4））放大大倍数数的设设定为了尽尽可能能得到到大范范围的的结构构信息息，应应尽可可能在在必要要的对对尽可可能低低的倍倍率下下进行行拍摄摄；倍倍率过过高，，不仅仅进入入底片片的视视场过过于狭狭窄，，而且且由于于曝光光时间间增加加也会会引起起试样样漂移移。（5））设定定最佳佳离焦焦量可以根根据物物镜球球差系系数，，确定定薄膜膜试样样的最最佳离离焦量量（谢谢尔策策聚焦焦）。。随着着试样样增厚厚，最最佳离离焦量量有从从谢尔尔策聚聚焦态态偏离离的倾倾向，，但最最佳离离焦量量总在在谢尔尔策聚聚焦附附近。。从试试样边边缘的的菲涅涅耳条条纹可可以知知道正正焦点点的位位置，，据此此设定定谢尔尔策聚聚焦，，在此此值附附近改改变焦焦距（（每5nm或10nm））拍摄摄几张张照片片，如如果将将试样样边缘缘拍进进底片片中，，那么么聚焦焦量、、像散散、漂漂移、、衍射射条件件不完完备等等影响响图像像质量量的原原因都都能知知道，，对几几张照照片中中的细细节仔仔细对对比分分析，，就可可以决决定最最贴近近物样样的真真实显显微图图像的的最佳佳离焦焦量。。综上上所所述述，，高高分分辨辨电电子子显显微微像像拍拍摄摄前前的的工工作作顺顺序序如如图图5-2所所示示。。图5-2高高分分辨辨电电子子显显微微像像拍拍摄摄前前工工作作顺顺序序6.高高分分辨辨电电子子显显微微图图像像的的类类型型和和应应用用实实例例高分分辨辨电电子子显显微微像像是是让让物物镜镜后后焦焦面面的的透透射射束束和和若若干干衍衍射射束束通通过过物物镜镜光光阑阑，，由由于于它它们们的的相相位位相相干干而而形形成成的的相相位位衬衬度度显显微微图图像像。。由由参参加加成成像像的的衍衍射射束束的的数数量量不不同同，，得得到到不不同同名名称称的的高高分分辨辨图图像像。。显显然然，，不不同同高高分分辨辨图图像像含含有有不不同同结结构构信信息息。。下面面通通过过应应用用实实例例介介绍绍这这些些图图像像的的结结构构信信息息内内涵涵。。6.1晶晶格格条条纹纹，，一一维维晶晶格格像像指选选择择物物镜镜后后焦焦面面上上的的透透射射束束加加一一个个衍衍射射束束相相干干所所成成的的像像。。其其图图像像是是垂垂直直于于衍衍射射束束所所代代表表晶晶面面法法线线方方向向的的呈呈周周期期变变化化的的条条纹纹衬衬度度花花样样，，称称为为晶晶格格条条纹纹。。有有时时这这些些条条纹纹还还包包含含某某些些原原子子排排列列的的结结构构信信息息，，就就称称为为一一维维结结构构像像。。下图图6-1(b)中中显显示示FINEMENT软软磁磁材材料料（（Fe73.5CuNb3Si13.5B9）550℃℃1h热热处处理理后后得得到到的的微微晶晶颗颗粒粒的的(110)晶晶格格条条纹纹图图像像，，它它是是用用图图6-1(c)晶晶衍衍射射谱谱中中至至少少包包含含了了第第三三个个强强衍衍射射环环(110)在在内内的的高高分分辨辨像像。。可可以以看看到到图图像像由由典典型型无无序序点点状状衬衬度度（（黑黑色色箭箭头头所所示示））的的区区域域，，加加上上一一些些呈呈条条纹纹衬衬度度的的微微晶晶区区域域。。后后者者尺尺寸寸约约为为15～～20nm。。这这些些条条纹纹就就是是各各微微晶晶区区的的{110}反反射射提提供供的的。。这这些些条条纹纹并并未未提提供供其其他他原原子子排排列列信信息息，，只只能能称称为为晶晶格格条条纹纹。。图图6-1(a)是是试试样样从从液液态态急急冷冷下下来来获获得得的的组组织织，，完完全全是是均均匀匀的的非非晶晶态态，，未未见见微微晶晶。。图6-1(b)拍拍含含微微晶晶的的样样品品。。高高分分辨辨成成像像操操作作比比较较简简单单，，它它在在研研究究纳纳米米晶晶材材料料结结构构的的工工作作中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用，，优优点点是是可可以以揭揭示示合合金金不不同同热热处处理理下下晶晶化化的的程程度度、、微微晶晶和和非非晶晶区区的的边边界界结结构构，，以以及及微微晶晶的的晶晶粒粒尺尺寸寸分分布布等等。。图6-2是是Bi系系超超导导氧氧化化物物(Bi-Sr-Ca-Cu-O)的的一一维维结结构构像像。。微微量量倾倾斜斜晶晶体体，，使使电电子子束束基基本本平平行行于于某某一一晶晶面面族族入入射射，，可可得得到到与与该该面面族族对对应应的的晶晶格格条条纹纹。。图图6-2(a)是是物物镜镜光光阑阑包包含含如如图图6-2(b)所所示示诸诸衍衍射射斑斑点点所所成成的的高高分分辨辨像像，，虽虽然然也也是是一一维维像像，，但但它它显显示示了了晶晶体体结结构构中中一一些些原原子子层层次次的的信信息息。。例例如如图图6-2(a)、、(c)中中的的数数字字表表示示Cu-O面面的的数数目目，，亮亮线线对对应应于于Cu-O层层。。说说明明材材料料中中的的Cu-O面面以以2层层、、3层层和和4层层三三种种重重叠叠方方式式排排列列。。图图6-2是是一一维维结结构构像像。。图6-1FINEMET的的晶晶格格条条纹纹(a)液液体体急急冷冷状状态态的的非非晶晶的的高高分分辨辨电电子子显显微微像像；；(b)在在550℃℃1h热热处处理理状状态态下下看看到到的的微微晶晶晶晶格格条条纹纹；；(c)是是对对应应于于图图(b)的的电电子子衍衍射射花花样样（（试试样样：：Fe73.5CuNb3Si13.5B9;400KV下下的的高高分分辨辨电电子子显显微微像像））图6-2Bi系系超超导导氧氧化化物物的的400KV下下的的一一维维结结构构像像(a)一维维高高分分辨辨结结构构像像；；(b)与(a)对对应应的的电电子子衍衍射射花花样样；；(c)(a)中中下下部部方方框框部部分分的的放放大大像像（（(a)和(c)中中的的数数字字表表示示Cu-O重重叠叠面面的的数数目目））6.2二二维维晶晶格格像像如果果试试样样可可以以得得到到二二维维平平面面分分布布的的衍衍射射斑斑点点分分布布图图，，则则可可以以利利用用透透射射束束加加二二维维方方向向衍衍射射束束成成能能够够显显示示单单胞胞的的二二维维晶晶格格像像，，这这种种像像虽虽然然包包含含有有单单胞胞尺尺度度的的信信息息，，却却不不包包含含单单胞胞内内原原子子排排列列的的信信息息。。由由于于二二维维晶晶格格像像只只利利用用了了有有限限的的衍衍射射波波，，故故即即使使偏偏离离谢谢尔尔策策聚聚焦焦也也能能进进行行观观察察。。如如图图6-3所所示示，，硅硅单单晶晶沿沿[1-10]入入射射，，取取晶晶体体厚厚度度6nm，，离离焦焦量量从从过过焦焦-20nm起起每每挡挡按按10nm变变到到欠欠焦焦90nm，，计计算算其其晶晶格格像像衬衬的的变变化化，，共共得得到到12帧帧图图像像，，如如图图6-3所所示示。。计算算结结果果显显示示，，图图像像虽虽然然有有黑黑白白衬衬度度也也有有反反转转，，如如a～～b、、d～～f、、h～～j的的聚聚焦焦条条件件下下，，可可以以观观察察到到晶晶格格像像，，却却难难以以确确定定亮亮点点还还是是暗暗区区对对应应于于原原子子位位置置。。可见见二二维维晶晶格格像像能能在在各各种种条条件件下下进进行行观观察察，，它它比比下下面面将将要要介介绍绍的的结结构构像像的的观观察察要要容容易易得得多多。。但但是是，，如如果果要要观观察察缺缺陷陷（晶晶格格中中可可能能存存在在的的不不完完整整性性）），，那那就就一一定定要要在在薄薄试试样样和和最最佳佳聚聚焦焦条条件件下下进进行行观观察察。。这这是是因因为为，，当当拍拍摄摄条条件件稍稍不不适适当当时时，，将将使使微微小小的的点点阵阵不不完完整整性性的的像像发发生生紊紊乱乱，，图图像像解解释释将将很很困困难难。。应当当指指出出的的是是，，如如果果工工作作的的目目的的不不是是希希望望揭揭示示材材料料单单胞胞中中的的原原子子排排列列，，而而只只是是希希望望观观察察晶晶粒粒内内部部或或晶晶界界的的结结构构等等稍稍微微““宏宏观观””一一点点的的内内容容（（它它们们往往往往与与材材料料宏宏观观性性能能更更为为直直接接相相关关）），，那那么么这这种种二二维维晶晶格格像像仍仍然然是是非非常常有有用用的的，，而而且且操操作作并并不不那那么么复复杂杂。。图图6-4所所示示是是电电子子束束沿沿ββ碳碳化化硅硅(SiC)的的[110]带带轴轴方方向向入入射射时时的的二二维维晶晶格格像像。。它它是是用用透透射射束束加加(002)、、(1-11)反反射射所所形形成成的的像像，，图图像像显显示示了了化化学学气气相相沉沉积积法法制制得得的的SiC晶晶体体中中的的丰丰富富缺缺陷陷组组态态。。标标记记从从f到到m是是倾倾斜斜晶晶界界，，箭箭头头所所指指为为孪孪晶晶界界，，s是是层层错错，，b-c和和d-e是是位位错错等等。。图6-3硅硅单单晶[1-10]入入射射的高高分辨辨电子子显微微像随随离焦焦量的的变化化（（按200KV电镜镜、试试样厚厚度为为6nm来来计算算；从从(a)～～(l)对应应于从从过焦焦-20nm到到欠焦焦90nm（每每档为为10nm）的的变化化）图6-4ββ型型碳化化硅的的二维维晶格格像试试样样：用用化学学气相相沉积积法制制备的的SiC;试样样制备备：离离子减减薄；；拍摄摄：200KV电镜镜，沿沿[100]入入射6.3二维维结构构像这类结结构像像要求求在图图像上上含有有单胞胞内原原子排排列的的信息息。现现通过过图6-5对这这个问问题加加以说说明，，并扼扼要介介绍拍拍摄二二维结结构像像的过过程。。图6-5(a)是ββ型氮氮化硅硅沿[001]方向向入射射的计计算电电子衍衍射图图谱。。白圈圈是对对应于于分辨辨率为为0.17nm的物物镜光光阑。。图6-5(b)是是参与与成像像的衍衍射波波振幅幅随试试样厚厚度的的对应应关系系，它它是400KV下的的计算算结果果。它它显示示只在在约8nm厚度度时，，衍射射波才才按正正比（（线性性）关关系激激发。。(c)是是实拍拍的ββ型氮氮化硅硅高分分辨电电子显显微结结构像像，右右上角角插图图是设设定400KV，ΔΔf＝45nm，，试样样厚度度3nm条条件下下的模模拟计计算像像；右右下角角插图图是原原子排排列示示意图图。(d)为确确定最最佳试试样厚厚度模模拟计计算的的β型型氮化化硅高高分辨辨电子子显微微结构构像与与试样样厚度度的关关系，，将它它和实实拍结结构像像(c)比比较，，显示示(d)上上第二二图，，即当当厚度度为3nm时，，与实实拍的的(c)图图，二二者衬衬度分分布匹匹配良良好，，这与与(b)图图上的的厚度度在0～3nm区间振振幅呈呈良好好线性性关系系的结结果是是一致致。由由此确确定设设定电电镜加加速电电压为为400KV，，试样样厚度度为3nm条件件下，，计算算β型型氮化化硅高高分辨辨结构构像与与成像像时欠欠焦条条件ΔΔf之之间的的关系系。结结果如如图(e)所示示。它它显示示当ΔΔf取取30～50nm间间的值值时计计算像像与实实拍像像二者者符合合良好好，而而谢尔尔策聚聚焦45nm正正好落落在此此区间间。综上所所述，，得出出结论论：此此试验验（获获得ββ型氮氮化硅硅高分分辨电电子显显微像像）的的最佳佳条件件是：：40KV下，，试样样厚度度3nm离离焦30～～50nm之之间，，试样样取向向[001]。。图6-5ββ型型氮化化硅的的高分分辨电电子显显微结结构像像分析析(a)沿[001]的电电子衍衍射花花样（（模拟拟）；；(b)参参与形形成结结构像像的衍衍射波波振幅幅随试试样厚厚度的的变化化（400KV下计计算））；(c)ββ型氮氮化硅硅的高高分辨辨电子子显微微结构构像（（右上上方为为400KV，，ΔΔf＝＝45nm，，厚度度为3nm下的的模拟拟像；；右下下为原原子排排列示示意图图）；；(d)ββ型型氮化化硅高