第九章透射电子显微分析.ppt

1、1,第九章 透射电子显微分析,第一节 透射电子显微镜工作原理及构造 第二节 样品制备 第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度 第四节 TEM的典型应用及其它功能简介,2,显微镜的发展,R.虎克在17世纪中期制做的复式显微镜,19世纪中期的显微镜,20世纪初期的显微镜,带自动照相机的光学显微镜,装有场发射枪的扫描电子显微镜,超高压透射电子显微镜,3,4,5,电子显微分析方法的种类,透射电子显微镜(TEM)简称透射电镜 电子衍射(ED) 扫描电子显微镜(SEM)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) 能谱仪(能量色散谱仪，EDS) 电子

2、激发俄歇电子能谱(EAES或AES),6,TEM可以以不同的形式出现，如： 高分辨电镜（HRTEM） 扫描透射电镜（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,7,第一节 透射电子显微镜工作原理及构造,透射电子显微镜,光学显微镜,透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜类似。,照明束,可见光,电子为照明束,聚焦装置,玻璃透镜,电磁透镜,放大倍数,小，不可调,大，可调,分辨本领,一、工作原理,低,高,结构分析,不能,能,8,透射电子显微镜光路原理图,物镜：形成第一幅放大的像 0100

3、,中间镜：长焦 020,投影镜：放大 0100 景深大，放大不影响清晰度 焦深大，放宽对荧光屏和照相底片要求,9,二、构造,静电透镜 电子透镜 恒磁透镜 磁透镜 电磁透镜,1. 电磁透镜,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。,能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens）,10,（1）电磁透镜的结构,电磁透镜结构示意图,11,（2）电磁透镜的光学性质,物距 像距 焦距,由此可知，改变激磁电流，可改变焦距f，即可改变电磁透镜的放大倍数。,12,电磁透镜(通过改变激磁电流)实现焦距和放大倍率调整示意图,减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f

4、1变为f2 ） 。,物距u,焦距f,像 距v,13,（3）电磁透镜的分辨本领,常数,照明电子束波长,透镜球差系数,线分辨率,r0的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。,光学显微镜 可见光：390-760nm， 最佳：照明光的波长的1/2。极限值：200nm,100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV，0.00251nm,透射电镜,14,2. 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,15,电子枪,场发射电子枪,一般电子枪的发射原理和普通照明用白炽灯的发光原理基本相同，

5、即通过加热来使枪体发射电子。钨丝便宜并对真空要求比较低。 六硼化镧发射效率要高很多，其电流强度大约比前者高一个数量级。,场发射枪的电子发射是通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。 由于越尖锐处枪体的电子脱出能力越大，因此只有枪尖部位才能发射 电子。,16,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的作用， 使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉,会聚/发散角,17,双聚光镜照明系统光路图,18,3. 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。 衍射操作：通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物

6、镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。 成像操作：若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。,19,F 焦点,f,F,F,焦平面,凸透镜的焦点,P,Q,A,B,F,Q,P,A,透镜的成像,O,O,O,像平面,复习,20,21,22,三、各种结构的衍射花样,1） 单晶体的衍射花样。,不同入射方向的ZrO2衍射斑点 (a)111; (b)011; (c) 001; (d) 112,单晶电子衍射图是由规则排列的 衍射斑点构成的，是二维倒易平 面点阵的放大像，它可以给出试样 晶体结构和晶体学有关的诸多信息。,23,2）多晶材料的电子衍射,NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射,24,3）非晶态物质

7、衍射,典型的非晶衍射花样,25,对材料的微区进行观察，获取更为细致的结构信息,选区,26,如何实现选区？,1、加物镜光阑,2、加选区光阑,27,衍射花样标定,多晶金衍射花样,28,多晶电子衍射花样的标定,指多晶电子衍射花样指数化，即确定花样中各衍射圆环对应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之标识（命名）各圆环。 立方晶系多晶电子衍射花样指数化 经推导：d=C/R C为相机常数，R为某同心圆环半径 将d=C/R代入立方晶系晶面间距公式，得 式中：N衍射晶面干涉指数平方和，即N=H2+K2+L2。,29,多晶电子衍射花样的标定,对于同一物相、同一衍射花样各圆环而言，（C2/a2）为常数，有 R12：R

8、22：Rn2=N1：N2：Nn 此即指各衍射圆环半径平方（由小到大）顺序比等于各圆环对应衍射晶面N值顺序比。 立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同，故产生衍射各晶面的N值顺序比也各不相同。 参见表6-1，表中之m即此处之N（有关电子衍射分析的文献中习惯以N表示H2+K2+L2，此处遵从习惯）,30,表6-1 立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m),31,金多晶电子衍射花样标定数据处理过程与结果,32,（1）利用已知晶体（点阵常数a已知）多晶衍射花样指数化可标定相机常数。 衍射花样指数化后，按 计算衍射环相应晶面间距离，并由Rd=C即可求得C值。 （2）已知相机常数C，则按dCR，由各衍射

9、环之R，可求出各相应晶面的d值。,应 用,33,单晶电子衍射花样的标定,主要指：单晶电子衍射花样指数化，包括确定各衍射斑点相应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之命名（标识）各斑点和确定衍射花样所属晶带轴指数uvw。对于未知晶体结构的样品，还包括确定晶体点阵类型等内容。,单晶电子衍射花样标定的主要方法为： 尝试核算法 标准花样对照法,34,复杂电子衍射花样简介,实际遇到的单晶电子衍射花样并非都如前述单纯，除上述规则排列的斑点外，由于晶体结构本身的复杂性或衍射条件的变化等，常常会出现一些“额外的斑点”或其它图案，构成所谓“复杂花样”。主要有： 高阶劳埃区电子衍射谱 菊池花样(Kikuchi Patt

10、ern) 二次衍射斑点 超点阵斑点 孪晶（双晶）衍射斑点等。,35,（1）高阶劳埃区电子衍射谱,用途: 可以提供许多重要的晶体学信息，如： 测定电子束偏离晶带轴方向的微小角度 估算晶体样品的厚度 求正空间单胞常数 当两个物相的零阶劳埃区斑点排列相同时，可利用二者高阶劳埃区斑点排列的差异，鉴定物相。,高阶劳埃区衍射谱示意图,(a)对称入射,(b)不对称入射,36,（2）菊池花样(Kikuchi Pattern),在单晶体电子衍射花样中，除了前面提到的衍射斑点外，还经常出现一些线状花样。 菊池(Kikuchi)于1928年(在透射电镜产生以前)首先描述了这种现象，所以被称为菊池线。 菊池线的位置对

11、晶体取向的微小变化非常敏感。因此，菊池花样被广泛用于晶体取向的精确测定，以及解决其它一些与此相关的问题。,t-ZrO2菊池衍射花样,37,第二节 样品制备,TEM的样品可分为间接样品和直接样品。 TEM的样品要求： （1）对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度约100200nm。 （2）必须具有代表性，能真实反映所分析材料的特征。,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,二、直接样品的制备,粉末和晶体薄膜样品的制备。 1.粉末样品制备 关键：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

12、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。,48,49,50,2. 块状样品的制备,一般程序： (1)初减薄制备厚度约100200m的薄片； (2)从薄片上切取3mm的圆片； (3)预减薄从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄至数m； (4)终减薄。,51,双喷电解抛光装置原理图,适用样品：,1）不易于腐蚀的裂纹端试

13、样 2）非粉末冶金试样 3）组织中各相电解性能相差不大 的材料 4）不易于脆断、不能清洗的试样,52,离子减薄装置原理示意图,1）不导电的陶瓷样品 2）要求质量高的金属样品 3）不宜双喷电解的金属 与合金样品,适用样品：,53,第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度,一、成像操作,（a）明场像 (b)暗场像 (c)中心暗场像,成像操作光路图,直射束成像,衍射束成像,衍射束成像,54,55,a) 明场像,b) 暗场像,析出相(ZrAl3)在铝合金基体中分布衍衬像,56,二、像衬度,像衬度：图像上不同区域间明暗程度的差别。 对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同 透射电镜的像衬度来源于

14、样品对入射电子束的散射。,像衬度的分类：,57,质厚衬度成像光路图,质量厚度衬度(简称质厚衬度)：由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的衬度,质厚衬度来源于电子的非相干弹性散射 当电子穿过样品时，通过与原子核的弹性作用被散射而偏离光轴，弹性散射截面是原子序数的函数. 随样品厚度增加，将发生更多的弹性散射。,58,质厚衬度的公式,衬度与原子序数Z，密度，厚度t有关。用小的光阑（小）衬度大；降低电压V，能提供高衬度,59,衍射衬度成像光路图,对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射。所以，在晶体样品的成像过程中用的是晶体对电子的衍射。,衍射衬度：由于晶体对电子的衍射效应而形成的衬度。,A、

15、B两晶粒的结晶学位向不同，满足衍射条件的情况不同。衍射束强度越大，直射束强度就越小。,该光路图中是明场成像还是暗场成像？,60,相位衬度(Phase contrast)： 试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。,61,第四节 TEM的典型应用及其它功能简介,一、TEM的典型应用 1.形貌观察 晶粒(颗粒)形状，形态，大小，分布等 2.晶体缺陷分析 线缺陷：位错（刃型位错和螺型位错） 面缺陷：层错 体缺陷：包裹体 表面、界面（晶界、粒界）等 3.组织观察 晶粒分布、相互之间的关系，杂质相的分布、与主晶相的关系等 4.

16、晶体结构分析、物相鉴定（电子衍射） 5.晶体取向分析（电子衍射）,62,高岭石,蒙脱石,纤蛇纹石,叶蛇纹石,1.形貌观察,63,刃位错,bu,u/b,螺位错,2.晶体缺陷分析-位错线,64,（a）明场像，s0；（b）明场像，s略大于零； （c）g/3g弱束暗场像,2.晶体缺陷分析-位错线,65,晶粒（1）与周围4个晶粒（2、3、4、5）间晶粒边界的衍衬像,2.晶体缺陷分析-界面,66,3.组织观察,67,NiAl（7）合金中的析出相 （a）明场像，g=220 （b）中心暗场像，g=110 （c）SADP（选区衍射谱），B/ （c）SADP，B/010,3.组织观察,68,二、 TEM的其它功能

17、简介,原位观察，会聚束衍射分析，高分辨电子显微术。 1原位观察 利用相应的样品台，在TEM中可进行原位实验(in situ experiments)。 如：利用加热台加热样品观察其相变过程 利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程,69,2会聚束衍射分析,会聚束电子衍射(CBED)是电子显微镜中最早实现的电子衍射方式(Kossel和Mollenstedt，1939)，远早于前面所讲的选区电子衍射(Lepoole，1947)。 但是，由于仪器方面的原因，在较长的一段时间内这一技术未得到应有的发展。 选区电子衍射有两个严重的局限性： 由于选区误差，当所选区域直径0.5m时，对所得衍射谱的分析必须非常谨慎，衍射花样可能包含了选区以外的物质的信息，即难以实现甚至不能实现对小尺度晶体结构特征的分析； 由于薄样品使布拉格条件放宽，选区衍射谱仅给出很不精确的二维晶体学信息。 会聚束电子衍射技术克服了以上两个局限性，在许多方面有其独特的优势，如测定样品薄膜厚度、微区的晶体学取向、点阵常数、结构因子、晶体的对称性等等。,70,Si晶体111倒聚束衍射花样,面心立方晶体111会聚束衍射花样的示意图,71,3高分辨电子显微术,衍衬成