透射电子显微镜成像原理

透射电子显微镜的成像原理透射电镜像1、复型像：反映试样表面状态的像，衬度取决于复型试样的原子序数和厚度；2、衍衬像：反映试样内部的结构和完整性，起源于衍射光束；3、相衬像：由透射束和一束以上的衍射束相互干涉产生的像。2、衍射衬度像明场像暗场像晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，导致各个晶粒对电子的衍射能力不同所产生的衬度变化。晶体中的取向：多晶、析出物、缺欠多晶析出物共格半共格非共格位错二、衍衬像：明场像与暗场像明场像的成像明场像：采用物镜光栏挡住所有的衍射线，只让透射光束通过的成像。透过取向位置满足布拉格关系的晶粒的电子束强度弱透过取向位置不满足布拉格关系的晶粒的电子束强度强2d

sinq

=

l暗场像的成像暗场像：采用物镜光栏挡住透射光束，只让一束衍射光通过的成像。透过取向位置满足布拉格关系的晶粒的电子束强度强透过取向位置不满足布拉格关系的晶粒的电子束强度弱2d

sinq

=

l暗场像的成像使光阑孔套住hkl斑点，把透射束和其它衍射束挡掉，在这种暗场成像的方式下，衍射束倾斜于光轴，故又称离轴暗场。离轴暗场像的质量差，物镜的球差限制了像的分辨能力。000hkl暗场像的成像000hkl通过倾斜照明系统使入射电子束倾斜2θB，让B晶粒的(

hk)l晶面处于布拉格条件，产生强衍射，而物镜光阑仍在光轴位置上，此时只有B晶粒的

衍hkl射束正好沿着光轴通过光阑孔，而透射束和其它衍射束被挡掉,这种方式称为中心暗场成像方式。衍射衬度理论000厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品：内有若干个晶粒，它们没有厚度差，同时又足够的薄，以致可不考虑吸收效应，两者的平均原子序数相同，唯一差别在于它们的晶体位向不同。晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，导致各个晶粒对电子的衍射能力不同所产生的衬度变化。如何解释衬度的变化？衍射衬度理论衍射衬度理论简称为衍衬理论衍衬理论运动学理论：不考虑入射波与衍射波的相互作用动力学理论：考虑入射波与衍射波的相互作用三、完整晶体中衍衬像运动学理论对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波1、有一个晶面严格满足布拉格条件：双束条件2、入射波与任何晶面都不满足布拉格条件，假设：a:透射波的强度几乎等于入射波的强度；b:衍射束不再被晶面反射到入射线方向。运动学近似双束动力学近似运动学近似成立的条件：样品足够薄，入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度；衍射处于足够偏离布拉格条件的位向，衍射束强度远小于透射束强度柱体近似模型电子束由试样上表面A入射，在样品下表面P点出射，透射束与衍射束相应的距离为：t

2q

»100

·

2

·10-2

nm

=

2nm三、完整晶体中衍衬像运动学理论对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波1、有一个晶面严格满足布拉格条件：双束条件2、入射波与任何晶面都不满足布拉格条件，假设：a:透射波的强度几乎等于入射波的强度；b:衍射束不再被晶面反射到入射线方向。运动学近似双束动力学近似完整晶体衍射强度完整晶体运动学柱体近似将薄晶体分成许多小的晶柱，晶柱平行于Z方向。每个晶柱内都含有一列元胞。假设每个晶柱内电子衍射波不进入其他晶柱，这样只要把每个晶柱中的各个单胞的衍射波的和波求出，则和波振幅的平方即为晶柱下面P点衍射波强度。各个晶柱下表面衍射波强度的差异则构成衍衬度像源是单胞的基矢因此，P

0

处的合成波振幅为R

n

=

xna

+

ynb

+

znc其中

a

，b

，c对于所考虑的晶柱来说，

xn

=

yn

=

0gf=

F

e-2piK

zncn=

F

e-2piK

R

nnK

=

g

+

ss

=sa*

+s

b*

+s

c*x

y

z写成积分形式ngnnef

=

F=

Fe-2pisz

zn-2piK

R0tge-2pisz

zdzf

=

F因为sz

很小，所以可写为((

)22sinsinzDzp

s

tp

sI

=

F

2((

)22sinzDzps

tpsI

=

F

2xggdzipx-2pis

zdf

=

e((

)2sin

z

2Dgzp

s

tp

2x

2p

sI

=ggxl

F=

p

Vc

cos

q衍射波振幅的微分形式是衍射波强度公式：式中

Vc

－单胞体积q

－衍射角之半Fg

－结构振幅l

－电子波长g

－消光距离x等厚条纹等厚条纹（s=常数，t变化）((

)2sin

z

2Dgzp

s

tp

2x

2p

sI

=ggxl

F=

p

Vc

cos

q衍射波强度：等厚条纹（s=常数，t变化）试样斜面和锥形孔产生等厚条纹示意图等厚条纹（s=常数，t变化）等厚条纹（s=常数，t变化）等倾干涉（

t=常数，s

变化）四、不完整晶体中衍衬像运动学理论1、不完整晶体衍射强度公式所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位错、层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和晶粒边界等缺陷。在完整晶体中引入缺陷的普遍效应，是使原来规则排列的周期点阵受到破坏，点阵发生了短程或长程畸变。四、不完整晶体中衍衬像运动学理论处理畸变晶体方法：1、把畸变晶体看成是局部倒易点阵矢量、或局部晶面间距发生变化：2、把畸变晶体看成是完整晶体的晶胞位置矢量发生变化，位置矢量由理想晶体g

fi

g

+

DgnnR'fi

R

+

R缺陷晶体衍射波合波的振幅为缺陷晶体衍射波合成振幅为f

=

F

e-2piK

Rn¢e-2pig

Rf

=

F

e-2piszK

=

g

+

sn

nR'=

R

+

R完整晶体的衍射强度公式是研究缺陷衬度的一个非常重要的参数a

=

2p

g

Ra

=0,表示g

^

R位错衍衬像Dislocations

inNi-basesuperalloyThe

micrographshows

thedislocationstructurefollowing

creep,with

dislocationslooping

aroundthe

particlesFine

secondary

γ’-particles

are

formed

in

the

specimenFig.

10.

The

area

containing

thin

Zr–C

particles

and

tiny

Zr-rich

particles

in

theannealed

specimen

after

creep

test

at

600

°C

(100

MPa,

9160

h,

totaldeformation

0.71%). Zone

axis

diffraction

pattern

of

both

matrix

and

thinplate-like

Zr–C

particles

in

the

insert.

Two

matrix

reflection

vectors

(D03structure)

are

marked

by

arrows.Fig.

1.

(a)

Selected

area 140

nm

diameter

of

image

containing

single

S

phaseparticle;

(b)

SAED

pattern

from

the

selected

area;

(c)

fast

Fourier

transform

ofthe

image

intensity

in

(d),

the

HRTEM

image

of

the

embedded

particle

in

(a);(e)

microdiffraction

pattern

of

the

precipitate

and

surrounding

matrix.Fig.

2.

TEM

micrographs

and

corresponding

diffraction

patterns

of

the

AA2324

alloyin

the

WQ-270

condition:

(a)

bright

field;

(b)

[0

0

1]Al

SAD

pattern

of

the

S

phaseprecipitate

in

dark

contrast

in

(a)

with

surrounding

matrix

(the

streaks

emanatingfrom

the

brighter

Al

spots

are

an

artefact

due

to

camera

saturation);

(c)

simulatedSAD

pattern

corresponding

to

(OR1).

The

rectangle

corresponds

to

the

rang