电子显微技术

第6章电子显微技术

6.1透射电子显微镜p279发明背景：它是在发现电子束具有波动性质及利用磁场改变电子束行径，在上述理论的指导下发明出的。电子显微镜：是用电子束成像的显微镜，电子显微镜是一种高精密度的电子光学仪器，它具有较高分辨率本领和放大倍数，是观察和研究物质微观结构的重要工具。●现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功能材料。●材料的性能往往取决于微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材料成分—工艺—微观结构—性能之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合金设计。透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，得到全面的信息。

TEM的主要发展方向：(1)高电压：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，现场观察(in-situobservalion)辐射损伤;减少波长散布像差(chromaticaberration);增加分辨率等，目前已有数部2-3MeV的TEM在使用中。图为200keVTEM之外形图。(2)高分辨率：最佳解像能力为点与点间0.18nm、线与线间0.14nm。美国於1983年成立国家电子显微镜中心，其中1000keV之原子分辨电子显微镜(atomicresolutionelectronmicroscope，AREM)其点与点间之分辨率达0.17nm，可直接观察晶体中的原子。(3)多功能分析装置：如附加电子能量分析仪(electronanalyzer，EA)可监定微区域的化学组成。(4)场发射电子光源:具高亮度及契合性，电子束可小至1nm。除适用於微区域成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术(holography)。两种类型的散射及产物

①弹性散射改变轨道，能量不变

②非弹性散射改变轨道，能量改变

6.1.1电子与物质的相互作用p279散射：一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当电子的运动方向被改变时。散射可分为弹性和非弹性两类，其中弹性散射是电子衍射的基础。

非弹性散射与弹性散射的比值由原子序数Z决定，即电子在物质中的非弹性散射部分仅为弹性部分的1/Z，这是因为原子核内电荷集中，具有较大的散射能力。原子序数愈大的原子，非弹性散射的比例愈小，弹性散射的比例愈大。电子与试样相互作用可以得到各种信息感应电动势荧光特征X射线二次电子被散射电子俄歇电子吸收电子透射电子电子显微分析方法的种类透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)：波谱仪(波长色散谱仪，WDS)与能谱仪(能量色散谱仪，EDS)电子激发俄歇电子能谱(XAES或AES)透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），可以以几种不同的形式出现，如：高分辨电镜（HRTEM）透射扫描电镜（STEM）分析型电镜（AEM）等等。入射电子束（照明束）也有两种主要形式：平行束：透射电镜成像及衍射会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。TEM的形式透射电子显微镜工作原理成像原理与光学显微镜类似。它们的根本不同点：光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg）方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。图9-2透射电子显微镜光路原理图光学显微镜和透射电镜光路图比较：光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子镜聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏根据阿贝成像理论在物镜的后焦面上有衍射谱，可以通过减弱中间镜电流来增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，这样就可以把物镜产生的衍射谱透到中间镜的像平面上，得到一次放大了的电子衍射谱，再经过投影镜的放大作用，最后在荧光屏上得到二次放大的电子衍射谱。电子衍射谱

电镜中的电子衍射,其衍射几何与X射线完全相同,都遵循布拉格方程所规定的衍射条件和几何关系.衍射方向可以由厄瓦尔德球(反射球)作图求出.因此,许多问题可用与X射线衍射相类似的方法处理.即电子衍射两种技术所得到的晶体衍射花样在几何特征上也大致相似电子衍射与X射线衍射相比的优点p299

电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。电子波长短，单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。物质对电子的散射更强，约为X射线的一百万倍，曝光时间短。特别适用于微晶、表面和薄膜的晶体结构的研究，且衍射强度大，所需时间短，只需几秒钟。

不足之处电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构。此外，散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X射线复杂；在精度方面也远比X射线低。透射电镜的主要性能指标（1）分辨率：是透射电镜的最主要的性能指标，它反应了电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。点分辨率：表示电镜所能分辨的两个点之间的最小距离。线分辨率：表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离。p288根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分辨本领；由此得出显微镜的分辨本领公式（Airy公式）为：r=0.612/(nsin)，其中，nsin是透镜的孔径数（简写为NA

），常于镜头上标明，其最大值为1.3。因此，上式可近似化简为：r=0.5

光镜采用的可见光的波长为400~760nm。加速电压与电子波长（p280）加速电压(kv)电子波长(nm)10.0388100.0122500.005361000.0037010000.00087透射电镜的加速电压一般为50~100kv，电子波长在0.0536~0.0370Å,比可见光的波长小十几万倍，比结构分析中常用的X射线的波长也小1~2个数量级。透射电镜（TEM）与光镜（LM）的对比照明光源：LM是用可见光，TEM是用由电子枪发出的电子束做光源。镜筒：LM的镜筒内部可以是大气，TEM的镜筒内部必须是真空状态。透镜：LM所用的透镜一般是用固体介质（如玻璃）制成，TEM的电子透镜是由特殊形状的电场或磁场构成。观察：LM的图像可以直接用肉眼观察，图像的结构层次可以是彩色显示，而TEM的电子图像的结构层次只能以灰度（黑白）对比显示，不能直接以是彩色显示。磁透镜p281磁场对电子的作用：当电子运动的方向与磁力线垂直，电子运动的轨迹是一个圆。圆的平面与磁场方向垂直。e

0B=m

02/RR=m0/eB假设从A点发射一束电子，与磁力线成一定角度，每个电子的速度矢量可分为两个分速度矢量：一个平行于磁力线（使电子沿磁力线方向运动），一个垂直于磁力线（使电子作圆周运动）。电子运动的轨迹是一个螺旋线。周期T=2R/r=2m/eB.所有满足旁轴条件的电子沿着各自的螺旋轨道经过相同时间又在同一点会聚，即这样的线圈起着聚焦的作用。但放大倍数

1.然而，当电子经过短线圈造成的磁场就不同了。短线圈形成的磁场是不均匀的，作用于电子的力是变化的。在这类轴对称的弯曲磁场中，电子运动的轨迹是一条空间曲线，离开磁场后，电子的旋转加速度减为零，电子作偏向轴的直线运动，并进而与轴相交。从以上分析可见，轴对称的磁场对运动电子总是起会聚作用，磁透镜都是会聚透镜。短磁透镜p283焦距f=ARV/(NI)2,式中V是加速电压，NI是透镜线包的安匝数，R是线包的半径，A是与透镜结构有关的常数（A>0）由上式可见：1）f>0,表明磁透镜总是会聚透镜，2）f1/I2,表明当励磁电流稍有变化时，就会引起透镜焦距大幅度的改变，因此，可以用调节电流的办法来改变磁透镜的焦距，3）焦距f与加速电压V有关，加速电压不稳定将使图像不清晰。透射电镜的主要性能指标（2）放大倍数：是指电子图象对于所观察试样区的线性放大率。p290肉眼可见（大于0.2mm）——宏观形态光学显微镜镜（LM）可见（小于0.2mm，大于200nm）——微观形态放大倍率：M=肉眼分辨率/显微镜的分辨率光镜的最高有效放大倍数约为：Me=0.2mm/200nm=1000（倍）电镜的分辨率为106（3）电磁透镜的光学性质

式中：u、v与f——物距、像距与焦距。式中：V0——电子加速电压；R——透镜半径；NI——激磁线圈安匝数；A——与透镜结构有关的比例常数。p284成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为磁转角

。物与像的相对位向对实像为180

，对虚像为

。电磁透镜是一种焦距(或放大倍数)可调的会聚透镜。减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f1变为f2）。如果像不具有足够的衬度，即使电镜有极高的分辨率和放大倍数，人的眼睛也不能分辨。因此，高的分辨率、适宜的放大率和衬度是电镜高质量图像的三大要素。

对于无定形或非晶体试样，电子图象的衬度是由于试样各部分的密度和厚度不同形成的，这种衬度称为质（量）厚（度）衬度（散射衬度）。由于样品的不均匀性，即同一样品的相邻两点，可能有不同的样品密度、不同的样品厚度或不同的组成，因而对入射电子有不同的散射能力。散射角大的电子，由于光阑孔径的限制，只有部分散射电子通过光阑参与成像，形成图象中的暗点；相反，散射角小的电子，大部分甚至全部通过物镜光阑参与成像，形成图象的亮点；这两方面共同形成图象的明暗衬度，这种衬度反映了样品各点在厚度、密度和组成上的差异。（4）衬度：样品特征通过对电子散射能力的不同形成的明暗差别象。（p291）衍射衬度明场像——采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通过而得到图象衬度的方法称为明场成像，所得的图象称为明场像。暗场像——用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让一束强衍射束通过光栏参与成像的方法，称为暗场成像，所得图象为暗场像。吸收衬度位相衬度p290明场像暗场像二、构造p292

TEM由以下组成。电子光学部分：照明系统、成像系统、记录系统真空系统电源系统JEM-2010透射电镜加速电压200KV

LaB6灯丝

点分辨率1.94ÅEM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm

倾转角度α=±60度

β=±30度PhilipsCM12透射电镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W灯丝

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm；

倾转角度α=±20度

β=±25度CEISS902电镜加速电压50KV、80KV

W灯丝

顶插式样品台

能量分辨率1.5ev

倾转角度α=±60度

转动40001．电子光学部分

整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、照相机构等装置。根据这些装置的功能不同又可将电子光学部分分为照明系统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统。照明系统样品室成像系统观察和记录系统(1)照明系统

照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中及倾斜调节装置组成。它的作用：是为成像系统提供一束亮度高、相干性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在2-3度范围内倾斜。

①电子枪。它由阴极、栅极和阳极构成。在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流。

②聚光镜。聚光镜的作用是会聚从电子枪发射出来的电子束，控制照明孔径角、电流密度和光斑尺寸。1）照明部分（1）阴极：又称灯丝，一般是由0.03~0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。（2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。（3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，人们习惯上把它们通称为“电子枪”。

①电子枪。②聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用。阴极（接负高压）控制极（比阴极负100~1000伏）阳极电子束聚光镜试样照明部分示意图

(2)样品室

样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。

(3)成像系统一般由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜的分辨本领决定了电镜的分辨本领，中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的图像进一步放大。物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组织相对应的显微象。透射电镜的分辨率的高低，很大程度上取决于物镜的好坏。

成像系统补充说明：由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。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。通过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，可在荧光屏上得到衍射花样。近代高性能电镜一般都设有两个中间镜，两个投影镜。三级放大放大成像成像（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜

三次象（荧光屏）选区光阑(4)图像观察与记录系统

该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成．在分析电镜中，还有探测器和电子能量分析等附件（见下页示意图）。扫描发生仪显象管和X-Y记录仪数据处理放大器电子束扫描线圈入射光阑电子能量分析仪能量选择光阑