讲座2-2.ppt

1、1,内容： 2.2.1 绪论 - 电子显微镜的发展简史 2.2.2 电子光学基础 2.2.3 透射电镜的构造及原理 2.2.4 电子显微图像的形成及解释 2.2.5 电镜样品制备,2.2 透射电子显微分析技术,2,2.3.4电子显微图像的形成及分析,光学显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。透射电镜中入射电子穿透试样，与试样内部原子发生了相互作用。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。,3,4,在透射电镜中，对于不同的

2、试样，采用不同的衍射方式时，可以观察到多种形式的衍射结果。如单晶电子衍射花样，多晶电子衍射花样，非晶电子衍射花样，会聚束电子衍射花样，菊池花样等。而且由于晶体本身的结构特点也会在电子衍射花样中体现出来，会使电子衍射花样变得更加复杂。,电镜中的电子衍射,5,典型电子衍射图 （a）非晶 （b）单晶 （c）多晶 （d）会聚束,斑点花样：平行入射束与单晶作用产生斑点状花样；主要用于确定晶体结构、第二相、孪晶、晶体取向关系等。 会聚束花样：会聚束与单晶作用产生盘、线状花样；可以用来确定晶体试样的厚度、取向、点群、空间群以及晶体缺陷等,6,在弄清楚为什么会出现上面那些不同的衍射结果之前，我们应该先搞清楚电

3、子衍射的产生原理。电子衍射花样产生的原理与X 射线并没有本质的区别，但由于电子的波长非常短，使得电子衍射有其自身的特点。 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,许多问题可用与X射线衍射相类似的方法处理。,电镜中的电子衍射及分析,电镜中入射的电子波会与周期性的晶体物质发生作用，在空间某些方向上发生相干增强，而在其他方向上发生相干抵消，这种现象称为电子衍射。,7,q,反射面法线,q,F,E,B,A,q,布拉格（Bragg)公式,2d sin = n ,d,d:晶面间距,：反射角 n:衍射基数，为整数,相干加强 衍射,无论是入射波为电磁波还是物质波

4、，它们的衍射波都遵循着共同的衍射几何和强度分布规律。,8,N,G,d,q,Bragg公式的 厄瓦尔德反射球图解,2d sin = n,Kg-K0=g |g|=1/d，用g代表一个面，为(HKL)面倒易矢量。,只要倒易点落在反射球上，才可能产生衍射.,使晶面与点对应起来- 倒空间,9,倒易点阵,每一个衍射点，对应着晶体实际点阵（正空间)中的一个晶面，即不仅反映该晶面的取向，还能反映晶面间距；衍射点所形成的新点阵称为倒易点阵（倒空间）。倒易点阵的基矢为b1,b2,b3,与实际点阵中的基矢a1,a2,a3的关系如下：,10,厄瓦尔德反射球图解,如果倒易点阵都是理想意义上的点，那么不可能使某个零层倒易

5、面上的许多点同时落在厄瓦尔德球上。因此之所以能得到单晶电子衍射花样，是因为电子衍射有其自身的特点。 首先电子波的波长非常短，因为与其对应的厄瓦尔德球半径会非常大，因此与倒易点阵相交的地方接近是一个平面;第二个原因是在电镜下观察的是薄膜样品，因此在垂直于厚度的方向，倒易点会拉长为倒易杆。,11,晶体尺寸效应,当赋予倒易点以衍射属性时，倒易点的大小与形状与晶体的大小和形状有关，并且当倒易点偏离反射球为s时，仍会有衍射发生，只是比s=0时弱。,12,实空间中(hkl)晶面可用一个倒易矢量来表示，使晶体几何关系简单化。一个晶带的所有面的矢量（点）位于同一平面，具有上述特性的点、矢量、面分别称为倒易点，

6、倒易矢量、倒易面。因为它们与晶体空间相应的量有倒易关系。,倒易点阵与衍射点阵,晶面：（hkl）, 晶面族hkl 晶向: uvw, 晶向族 晶带：平行于晶体空间同一晶向的所有晶面的总称，uvw。此直线称为晶带轴 。,13,正空间,倒空间,晶带正空间与倒空间对应关系图: rg =0，倒易矢量与r垂直,正点阵基矢与倒易点阵基矢之间的关系： aa*= bb*= cc*=1 ab*= ac*= ba*= bc*= ca*= cb*= 0 g=ha*+kb*+lb*,晶带：平行于晶体空间同一晶向的所有晶面的总称，uvw。此直线称为晶带轴 。,r,g,14,入射束,试样,物镜,后焦面,像平面,衍射花样形成示

7、意图,平行入射束与试样作用产生衍射束,同方向衍射束经物镜作用于物镜后焦面会聚成衍射斑.透射束会聚成中心斑或称透射斑。,15,电子衍射花样形成示意图,R/L=g/K,16,d=Ll/R,L=Mf, 称为相机常数,衍射花样相当于倒易点阵被反射球所截的二维倒易面的放大投影. 从几何观点看，倒易点阵是晶体点阵的另一种表达式。,17,获取衍射花样的方法是选区光阑衍射和微束选区衍射，前者多在5微米以上，后者可在几个纳米的范围内，我们这里主要讲述前者。 光阑选区衍射是通过物镜像平面上插入选区光阑限制参加成象和衍射的区域来实现的。 另外，电镜的一个主要特点就是能够做到选区衍射和选区成象的一致性。,选区电子衍射

8、,18,选区电子衍射示意图,a,b,样品,物镜,像平面,选区光栏,中间镜,投影镜,荧光屏,19,选区电子衍射,20,电子衍射花样指数标定 花样分析分为两类，一是结构已知，确定晶体缺陷及有关数据或相关过程中的取向关系；二是结构未知，利用它鉴定物相。指数标定是基础。,电子衍射花样根据晶体的差异分为多晶电子衍射和单晶电子衍射。,21,多晶体电子衍射花样的特点,多晶体电子衍射花样是由一系列不同半径的同心园环组成，是由辐照区内大量取向杂乱无章的细小晶体颗粒产生，d值相同的同一(hkl)晶面族所产生的衍射束，构成以入射束为轴，2q为半顶角的园锥面，它与照相底板的交线即为半径为R=Ll/d的园环。,R和1/

9、d存在简单的正比关系,多晶电子衍射成像原理,22,晶面间距公式 两相邻近平行晶面间的垂直距离晶面间距，用dhkl表示 从原点作（h k l）晶面的法线，则法线被最近的（h k l） 面所交截的距离即是,23,常用点阵的消光规律 简单 无 面心点阵（Al,Cu） h,k,l 奇偶混合 体心点阵（a-Fe, W,V） h+k+l=奇数 密排六方(Mg,Zr) h+2K=3n 和是奇数,Bragg定律是必要条件，不充分,消光规律,由于原子在晶胞中的位置不同而引起的某些方向上衍射线的消失称为系统消光。,24,通过R2比值确定环指数和点阵类型,多晶电子衍射花样的特点,R12：R22：Rn2=N1：N2：

10、Nn,25,多晶体电子衍射标定方法,通用方法： 测量出衍射环的所用半径R，可由d=L/R求出d值，对照JCPDS卡片，鉴定物相，标出指数(hkl)。 B)部分适用方法： 测R、算R2、Ri2R12，找出最接近的整数比规律、根据消光规律确定晶体结构类型、写出衍射环指数(hkl)，算出a。,26,金多晶电子衍射花样标定数据处理过程与结果,27,单晶体电子衍射花样,花样特征 规则排列的衍射斑点。它是过倒易点阵原点的一个二维倒易面的放大像。 大量强度不等的衍射斑点。有些并不精确落在Ewald球面上仍能发生衍射，只是斑点强度较弱。,单晶电子衍射花样分析的任务： 确定花样中斑点的指数及其晶带轴方向UVW，

11、并确定样品的点阵类型和位向。,28,晶面夹角公式,设有晶面（h1 k1 l1）和晶面（h2 k2 l2），则二晶面的夹角以下列公式计算,立方晶系：,六方晶系：,29,(1)通用方法(偿试校核法)： a)量出透射斑到两个最近邻的衍射斑的长度，利用相机常数算出与各衍射斑对应的晶面间距，与标准d值（查JCPDS卡片）比较，确定其可能的晶面指数； b) 首先确定矢径最小的衍射斑的晶面指数，然后用尝试的办法选择矢径次小的衍射斑的晶面指数，两个晶面之间夹角应该自恰； c)然后用两个矢径相加减，得到其它衍射斑的晶面指数，看它们的晶面间距和彼此之间的夹角是否自恰。 d)由衍射花样中任意两个不共线的晶面叉 乘，

12、即可得出衍射花样的晶带轴指数。,单晶电子衍射花样分析,R1,R2,R3,30,JCPDS卡片示例,31,(2)查表法（R比值法 或 R2比值法）： 对于立方晶系、六方晶系，直接查R比值表（许多TEM教材后面都附有此表）可以直接标定衍射图。,R1,R2,R3,32,33,A,C,D,B,图例: 低碳合金钢基体的电子衍射花样,E,34,例：上图是由某低碳合金钢薄膜样品的区域记录的单晶花样，以些说明分析方法： (1)选中心附近A、B、C、D四斑点 (2) 测得RA7.1mm，RB10.0mm，RC12.3mm，RD21.5mm，同时用量角器测得R之间的夹角分别为(RA, RB)900, (RA, R

13、C)550, (RA, RD)710, (3)求得RB/RA=1.408, RC/RA=1.732, RD/RA=3.028， R2比值为2：4：6：18，,表明样品该区为体心立方点阵,A斑N为2，110,假定A为(1,1,0)。B斑点N为4，表明属于200晶面族，选（200），代入晶面夹角公式得f450，不符，发现（002）相符.,35,(4) RC= RARB，C为（1,1,2），N6与实测R2比值的N一致，查表或计算夹角为54.740,与实测的550相符. (5) RE2RB, E为（004）RDRARE（1,1,4），查表或计算（1,1,0）与（11 4）的夹角为70.530,依此类推

14、。 (6) 已知KL=14.1mmA, d=K/R, dA=1.986A(2.808), dB=1.410A(2.820), dC=1.146A(2.808), dD=0.656A(2.783) (7) 选取g1=gB=(002), g2=gA=(1-10), 求得晶帯轴110,36,课堂练习： Al, FCC, a=4.4049, 衍射花样中RA=RB=16.2mm, Rc=26.5mm, ( RA RB)=70.50, ( RA RC)=35.50, 分析A、B、C等的指数及UVW，Ll。,B,A,C,37,38,39,单晶花样的不唯一性,1表现形式 同一衍射花样有不同的指数化结果 2、产

15、生原因： 头两个斑点的任意性 二次对称性,一般要有几套斑点才能分析未知物相,40,原理：电子通过晶体时，产生的较强的衍射线，它们常常可以作为新的入射线，在晶体中再次产生衍射。 现象：重合：强度反常；不重合：多出斑点或出现“禁止斑点” 场合：多发生在两相合金衍射花样内，如基体与析出相；同结构不同方位的晶体之间，如孪晶，晶界附近；同一晶体内部,二次衍射,41,电子衍射与X射线衍射相比的优点,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

16、构的研究比X射线简单。 物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X射线的一百万倍，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。,42,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。,电子衍射与X射线衍射相比的缺点,43,透射电镜图象的衬度形成原理,1质量厚度衬度 质量厚度衬度成象原理 I/I0e-Nt/A N：阿伏伽德罗常数； A： 原子量 ：密度

17、：单原子的散射截面 t： 试样厚度 质量厚度衬度本质上是一种散射吸收衬度，即衬度是由散射物不同部位对入射电子的散射吸收程度有差异而引起的，它与散射物体不同部位的密度和厚度的差异有关。,44,质量厚度衬度形成原理,45,衍射衬度是由于晶体薄膜的不同部位满足布拉格衍射条件的程度有差异而引起的衬度。,2衍射衬度像,明场像 暗场像,46,相位衬度是多束干涉成像，当我们让透射束和尽可能多的衍射束，携带它们的振幅和相位信息一起通过样品时，通过与样品的相互作用，就能得到由于相位差而形成的能够反映样品真实结构的衬度（高分辨像）。,3相位衬度像,高分辨像的分析方法与电子衍射相似。,47,2.3.5 透射电镜样品制备,（1） 粉末样品的分散方法