透射电子显微分析课件

第五节

透射电子显微分析

TransmissionElectronMicroanalysis

（TEM）透射电子显微分析是利用透射电子对试样的显微形貌和显微结构进行分析的一种方法，是材料测试的一种重要手段。本节主要内容一.透射电镜的结构二.透射电镜的主要性能指标三.电子衍射四.透射电镜图像的衬度五.透射电镜样品的制备方法六.复型图像分析中应注意的问题电子照明系统成像放大系统样品室和样品台图像显示及观察记录系统真空系统电气系统日立H800透射电子显微镜TEM与SEM的比较光学显微镜与TEM的光路比较视平面投影镜照明设备聚光镜物镜试样（二）放大倍数透射电镜的放大倍数变化范围为100倍~80万倍，并连续可调。超级电子显微镜的放大倍数可达1500万倍。（三）加速电压加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电位差。它决定电子枪发射电子的波长和能量。加速电压高，电子束的能量大，穿透能力强，可以观察较厚的试样。普通透射电镜的最高加速电压为100~200KV。超高压透射电镜的加速电压高达3000KV。日本东京大学用放大倍率为1500万倍的超级电子显微镜获得的碳化硅的结构像。三.电子衍射电子衍射的概念衍射的条件和衍射方向电子衍射的基本原理单晶电子衍射原理和衍射花样多晶电子的衍射原理和衍射花样电子衍射的条件和方向电子衍射与X射线的衍射一样，必须满足布拉格方程或劳埃方程。衍射方向遵守光学镜面反射定律。电子衍射的基本原理如图所示，如果入射电子束的波长λ、入射电子束与hkl晶面的夹角θ、hkl晶面的面网间距d满足布拉格方程2dsinθ=λ，电子束将会产生衍射，形成衍射电子束，在荧光屏或照相底板上将留下衍射斑点P。单晶的电子衍射原理入射电子束照射到不同方向的晶面上，如果某些晶面满足衍射条件就会产生电子衍射。一个面网族产生一个衍射斑，多个面网族发生衍射就会形成多个衍射斑。高岭石的单晶电子衍射花样多晶电子衍射原理如果某晶面如（401）满足衍射条件产生衍射，由许多晶粒的同名晶面产生的衍射线将形成一个以入射电子束为轴，半锥角为2θ的衍射圆锥。这个衍射圆锥与荧光屏或照相底板相交就会形成一个衍射环。多晶的电子衍射花样一个同名晶面族产生的衍射线形成一个衍射圆锥。多个不同名晶面族产生的衍射线将形成多个衍射圆锥。不同名晶面族的衍射圆锥的半锥角2不同，但各衍射圆锥均共顶、共轴。多个共顶、共轴的衍射圆锥与垂直于入射电子束的荧光屏或照相底板相交，其交线为多个同心圆（称为衍射圆环）。故多晶的电子衍射花样是由多个同心圆环组成的多环图。透射电镜图像的衬度透射电镜的图像是由于透过试样各点参与成像的电子强度不同所造成的。透射电镜图像的衬度主要有散射（质量-厚度）衬度、衍射衬度和相位衬度。不同图像衬度的形成机理是不相同的。（一）散射衬度散射衬度是由于试样不同部位对入射电子的散射能力不同所形成的衬度。1．电子的散射与散射截面当聚焦电子束照射到试样上时，入射电子将受到试样原子的作用而改变其运动方向，即发生散射，包括弹性散射和非弹性散射。散射电子偏离入射方向的角度称为电子的散射角。电子受到某种原子的作用，散射角大于某一角度α的几率称为该原子的散射截面，通常用σα来表示。原子散射截面越大，说明该原子对电子的散射能力越强。原子的散射截面σa包含了弹性散射截面σe和非弹性散射截面σi，即σa=σe+σi。散射截面主要与原子序数Z和加速电压V有关，其中由此可见，散射截面随原子序数（Z）的增大而增大；随加速电压的增大而减小。2．散射衬度的形成（1）物质组成不同对散射衬度的影响

原子序数越大，散射截面越大，通过物镜光栏参与成像的电子越少，所成的图像亮度越小。如右图所示，由于试样不同部位的物质组成不同，A、B、C三点对入射电子的散射能力不同，散射截面不同σA＜σB＜σC，通过物镜光栏参与成像的电子数就不相同，IA＞IB＞IC，所成电子像的亮度也就不同，A′最亮，B′次之，C′最暗，这样就形成了具有明暗反差的电子图像。明场像：让散射角较小的电子通过物镜光栏所成的像称为明场像。在明场像中，散射截面越大的物点，亮度越小，散射截面越小的物点，亮度越大。暗场像：使物镜光栏偏离透镜轴或使入射电子束倾斜，利用物镜光栏将散射角较小的电子挡去，而让散射角较大的电子通过光栏所成的像称为暗场像。在暗场像中，散射截面较大的物点，成像较明亮；散射截面小的物点，成像较暗。物镜光栏的作用（2）厚度不同对散射衬度的影响

厚度越大，被散射的电子数量越多，透射电子数量越少，所成电子像的亮度越小。由于散射衬度与试样的物质组成和厚度有关，因此，散射衬度又称为质量-厚度衬度或质厚衬度。无定形或非晶质试样和复型膜的透射电子像一般属于散射衬度像。硅藻土颗粒的碳一级复型像钠硅玻璃腐蚀断面的二级复型像钛酸钡陶瓷的二级复型像钛酸钡陶瓷的复型像

复型膜只有厚度差别，其透射电子像的衬度很小，经重金属投影可提高衬度。影响散射衬度的其它因素物镜光栏的孔径:缩小物镜光栏孔径可提高衬度加速电压:

提高加速电压可减小衬度（二）衍射衬度衍射衬度是由于试样中的不同晶粒对入射电子的衍射效应不同所形成的衬度。衍射衬度的形成B晶粒的hkl面网满足布拉格方程产生衍射衍射束＝Ihkl透射束＝I0－Ib－Is－Ia－IhklA晶粒不产生衍射透射束＝I0－Ib－Is－Ia用物镜光栏将B晶粒的hkl衍射束挡掉，只让透射束通过光栏成像，则A晶粒较亮而B晶粒较暗。BA（三）相位衬度相位衬度是由于试样各点的散射波与直接透射波的相位差不同而形成的衬度。相位衬度的形成

穿过试样各点的散射波与透射波的相位差各不相同，它们在像平面上发生干涉形成的合成波也各不相同，因而形成明暗不同的图像衬度。高分辨透射电子像（如一维或二维的晶格条纹像，反映晶体中原子或分子配置情况的结构像，和反映单个重金属原子的原子像）的衬度属于相位衬度。SiC的晶格条纹像包头矿(001)的结构像硅[110]晶向的结构像×15000K碳化硅的结构像五.透射电镜样品的制备方法（一）透射电镜样品的一般要求试样必须是固体，且不含水分。厚度超薄（＜100~200nm）。大小＜铜网直径（2~3mm）。具有一定的强度和稳定性，在电子轰击下不致损坏。试样必须清洁，没受污染。导电,不导电的试样要蒸镀碳膜。（二）样品制备方法透射电镜的试样大致上分为三类：即粉末样、薄膜样和复型样。不同类型的样品制备方法各异。1.粉末样品的制备1.

用超声分散器将需要观察的粉末在合适的溶液中分散成悬浮液；2.用滴管滴几滴悬浮液在预置于电镜铜网中的支持膜上，用滤纸吸干或让其自然干燥;3.将样品置于真空镀膜室中，在试样表面蒸镀一层碳膜，即可用于观察。2.薄膜样品的制备块状材料一般是通过减薄的方法制成对电子束透明的薄膜样品。减薄的方法有：

超薄切片法——适用于生物试样。

电解抛光减薄法——适用于金属材料。

化学抛光减薄法——适用于在化学试剂中能均匀减薄的材料，如单晶体。

解理法——适用于具有一组完善解理的矿物如云母类、石墨、辉铜矿等。

离子轰击减薄法——适用于无机非金属材料。离子轰击减薄用离子束轰击试样的两面，使试样表面的原子脱离试样，试样逐渐变薄，最终样品中心穿孔。穿孔样品的孔的边缘极薄，对电子束是透明的，可以在透射电镜下观察。陶瓷薄膜样品的制备将待观察的试样按一定的方向切取薄片；通过机械研磨、抛光等过程预减薄至30~40μm的薄膜；在薄膜上钻取或切取直径为2.5至3mm的小片，装入离子轰击减薄器中用离子束轰击试样的两面，使试样逐渐变薄，直到中心穿孔。3.复型样品的制备用对电子束透明的薄膜把材料表面或断口的形貌复制下来，这个过程通常称为复型。复型方法主要有碳一级复型，塑料-碳二级复型和萃取复型。（1）碳一级复型碳一级复型的制作方法在试样表面（待观察表面）上垂直蒸镀一层厚10~30nm的连续碳膜；用针尖将碳膜划成2mm的小方块；将试样浸入对其有轻度腐蚀作用的溶液中，使碳膜与试样分离；将碳膜用蒸馏水漂洗干净后，用电镜铜网将其小心地捞起，晾干后即成。碳一级复型的优缺点优点：其电子像具有较高的分辨率（可达3~5nm），缺点：图象衬度较低。若投影重金属，图像会被复杂化，给解释带来困难。复型制备过程中会破坏试样原有的表面状态。（2）塑料-碳二级复型塑料-碳二级复型的制作方法制备塑料一级复型：在待观察的试样表面上滴上一滴丙酮（或醋酸甲脂），在丙酮尚未完全挥发或被试样吸干之前贴上一块醋酸纤维素塑料膜（简称AC纸）（膜和试样间不能有气泡）。待丙酮挥发后将AC纸揭下。制备塑料－碳二级复型：在塑料复型膜的复型面上垂直蒸碳，形成一层10~30nm的碳膜。以一定的角度投影重金属。将蒸碳和重金属投影后的塑料膜剪成2mm见方的小块，置于丙酮溶液中溶去塑料膜。漂洗干净后用电镜铜网将碳膜平正地捞到铜网上，晾干。塑料-碳二级复型的优缺点优点：制样过程中不损坏试样的表面形貌。缺点：其图像分辨率较低（比碳一级复型低），约为10nm。（3）萃取复型萃取复型的概念在复型与试样分离的过程中，试样中的分散相随同复型膜一起离开试样基体，并保持了原来的分布状态，这种兼有间接试样和直接试样特点的复型，称为萃取复型。利用萃取复型样品不仅可以观察基体的形貌和分散相的形态和分布状态，而且可以对分散相作电子衍射分析和成分分析。萃取复型的制备方法(1)侵蚀试样，使分散相暴露出来，形成浮雕；(2)蒸碳形成碳膜并将凸出的分散相包埋住；(3)泡在侵蚀液中使碳膜和凸出的分散相与基体分离；(4)将碳膜漂洗干净，用