《材料现代研究方法》教学课件：透射电子显微分析

1、第一节 透射电子显微镜工作原理及构造,一、工作原理 成像原理与光学显微镜类似。 它们的根本不同点在于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，在电子显微镜中聚焦成像的为磁透镜。 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。,透射电子显微镜光路原理图,二、构造,TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。,1. 电磁透镜,能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens） 静电透镜 电子透镜 恒磁透镜 磁透镜 电

2、磁透镜,（1）电磁透镜的结构,电磁透镜结构示意图,电磁透镜工作原理,透射电子显微镜实际使用的是具有轴对称非均匀磁场的短磁透镜。短磁透镜通常是由圆柱壳子、短线圈和极靴组件三个部分组成。圆柱壳子由软磁材料做成，内有环形间隙。短线圈由铜做成，装在软磁壳子里。极靴组件由具有同轴圆孔的上下极靴和连接筒组成，装在软磁壳内环形间隙两端。当铜线圈通电时，在极靴圆孔内产生一个一个非均匀的轴对称磁场。,（2）电磁透镜的光学性质,（1） 式中：u、v与f物距、像距与焦距。 （2） 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。,成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光

3、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 ） 。,（3）电磁透镜的分辨本领,（3） 式中：A常数；照明电子束波长；Cs透镜球差系数。 r0的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。,2. 照明系统,作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。 组成：电子枪和聚光镜 钨丝 热电子源 电子源 LaB6 场发射源,图5 热电子枪示意图 灯丝和阳极间加高压，栅极偏压起会聚电子束

4、的作用， 使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉,图6 双聚光镜照明系统光路图,3. 成像系统,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。 若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。 透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜 。,图9-7 透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏,三、选区电子衍射,图8 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图,选区衍射操作步骤,（1）使选区光阑以

5、下的透镜系统聚焦 （2）使物镜精确聚焦 （3）获得衍射谱 由单晶试样衍射得到的衍射谱是对称于中心斑点的规则排列的斑点。由多晶得到的衍射花样则是以中心斑点为中心的衍射环。,第二节 样品制备,TEM样品可分为间接样品和直接样品。 要求： （1）供TEM分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度以控制在约100200nm为宜。 （2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知道影响的方式和程度。,一、间接样品(复型)的制备,对复型材料的主要要求： 复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； 有足够的强度和刚度，良好的导

6、电、导热和耐电子束轰击性能。 复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的细节特征。 常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜。,复型的种类,按复型的制备方法，复型主要分为： 一级复型 二级复型 萃取复型（半直接样品）,萃取复型,二、直接样品的制备,1.粉末样品制备 粉末样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。 胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上，两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。 支持

7、膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。,2. 晶体薄膜样品的制备,一般程序： (1)取样：用砂轮片、金属丝锯或电火花切割等方法从大块试样上切取厚度为0.5mm左右的“薄块“。 (2)预先减薄：用机械研磨、化学抛光或电解抛光等方法将“薄块”试样预先减薄至0.1mm左右的“薄片” (3)最终减薄：一般来说，机械研磨的损伤层较大，因此最终减薄时不用机械方法，而用某些特殊的电解抛光或离子轰击等技术将“薄片”最终减薄到2000埃的“薄膜”,图15 离子减薄装置原理示意图

8、,离子减薄包括了用高能离子或中性原子轰击薄片试样，使试样中原子或分子被溅出试样表面，直到试样有足够大的、对电子束“透明”的薄区。 入射离子束与试样表面的夹角（入射角）是一个重要的控制参量，在其他参量不变的条件下，它决定了等离子体穿透的深度和试样薄化速率。离子入射角越小，试样薄区面积越大，但相应减薄时间增加。通常采用两个阶段减薄。在开始阶段，采用较高的入射角（大于10），快速减薄；在第二阶段，即接近穿孔时，采用较低的入射角（小于10），以增加薄区面积。 离子减薄除了可用于各种块状材料薄膜的减薄外，还可以用于纤维和粉末材料的减薄，但需要事先将纤维和粉末镶嵌在环氧树脂中制成薄片。,图16 双喷电解抛

9、光装置原理图,电解抛光仅适用于导电材料的制备。与离子减薄相比，所用时间要短得多，而且试样不会产生机械损伤，但可能会引起试样表面化学性质的改变。此外，由于电解液都是腐蚀性很强的酸性溶液，在操作过程中要非常小心，需要采取一定的防护措施。 电解抛光所要控制的参量有外加电压、电解液类型、电解液温度、电解液喷射速度、抛光电流等。 好的减薄效果是试样孔洞附近有较大的薄区，并且薄区表面十分光亮。 电解双喷时，一般要进行冷却，常用液氮加酒精的方法来冷却，尤其是钢铁材料，必须冷却，而且最好用液氮。,常用电解抛光溶液成分,1 乙醇（80ml），冰醋酸(80ml)，高氯酸(15ml)，甘油(10ml) 适用材料：高

10、温合金，耐热钢，铝及其合金。 2 正磷酸(480ml)，硫酸(50ml)，铬酐(80g)，水(60ml) 适用材料：铝及铝合金 3 高氯酸(80ml)，冰醋酸(70ml) 适用材料：钢，硅钢 4 高氯酸(10ml)，乙醇(90ml) 适用材料：镍基合金，硅钢，马氏体时效钢,第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度,一、成像操作 图17 成像操作光路图 （a）明场像 (b)暗场像 (c)中心暗场像,明场与暗场成像,当要在透射电镜中获得电子图像时，可以用未散射的透射电子束产生图像，也可以用所有的电子衍射束或者某些电子衍射束成像。选择不同电子束用于成像的方法是在背焦面处插入一个光阑，只有通过该光阑的电子

11、束才可以参与成像。这个光阑就是物镜光阑。用另外的装置来移动物镜光阑，使得只有未散射的透射电子束通过它，其他衍射的电子束被光阑挡掉，由此得到的图像被称为明场像（BF）。或者只有衍射电子束通过物镜光阑，透射电子束被光阑挡掉，称由此得到的图像为暗场像（DF）。通过调节中间镜的电流就可以得到不同放大倍数的明场像和暗场像。 暗场成像有两种方法：偏心暗场像与中心暗场像。,二、像衬度,像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。 透射电镜的像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 振幅衬度 衍射衬度 ：晶体样品衬度的主要来源 相位衬度,电子束透过试样所得到的透射电子束的强

12、度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子像称为透射电子衬度像。 其形成的机制有两种： 1.相位衬度 如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格像，或者一个个原子的晶体结构像。仅适于很薄的晶体试样(100)。 2. 振幅衬度 振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：, 质厚衬度 由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使

13、得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。 衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。,质厚衬度原理,由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄，吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜的孔径角时,它不能参与成像而相应地变暗.这种电子越多,其像越暗.或者说,散射本领大,透射电子少的部分所形成的像要暗些,反之则亮些。,图18 质厚衬度成像光路图,图19 衍射衬度成像光路图, 只有晶体试样形成的衍衬像才

14、存明场像与暗场像之分，其亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗线，其条件是，此暗线确实是所选用的操作反射斑引起的。 它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之间相互作用后的反映。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理论。,第四节 电子衍射运动学理论,透射电镜衍射衬度是由样品底表面不同部位的衍射束强度存在差异而造成的。要深入理解和正确解释透射电镜衍衬像的衬度特征，就需要对衍射束的强度进行计算。 动力学衍射 运动学衍射,一、运动学理论的基本假设,运动学理论是建立

15、在运动学近似即忽略各级衍射束(透射束为零级衍射束)之间的相互作用基础之上的用于讨论衍射波强度的一种简化理论。 其基本假设是： 入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射。 入射电子波在样品内的传播过程中，强度的衰减可以忽略。即衍射波强度始终远小于入射波强度。否则衍射波会发生较为显著的再次衍射，即动力学衍射。,使样品晶体处于足够偏离布拉格条件的位向，以避免产生强的衍射，保证入射波强度不发生明显衰减； 采用足够薄的样品，尽量减小电子受到多次散射的机会。 要达到这两个实验条件，实践上都有困难。 一方面，原子对电子的散射振幅较大，散射强度不会很弱，而且当选用的衍射束所对应的倒易点足够偏离厄瓦尔德球面时，其附近的某个或某些倒易点又将靠近厄瓦尔德球面； 另一方面，随着样品厚度的减小，倒易杆拉长，更容易产生较强的衍射，而且样品越薄则越难完全代表大块材料的性质，所以衍衬分析时样品通常不应制得太薄。可见，用运动学理论解释衍衬在大多数情况下都是近似的。,为满足上述基本假设，在实践上可通过以下两条途径