第二十二章透射電子顯微分析

1、第二十二章透射電子顯微分析電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡(jiǎn)稱透射電鏡掃描電子顯微鏡(SEM)可簡(jiǎn)稱掃描電鏡 電子探針X射線顯微分析儀簡(jiǎn)稱電子探針(EPA或EPMA)：波譜儀(波長(zhǎng)色散譜儀，WDS)與能譜儀(能量色散譜儀，EDS) 電子激發(fā)俄歇電子能譜(XAES或AES) 透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式出現(xiàn)，如： 高分辨電鏡（HRTEM） 透射掃描電鏡（STEM） 分析型電鏡（AEM）等等。 入射電子束（照明束）也有兩種主要形式： 平行束：透射電鏡成像及衍射 會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEM的形式第一節(jié)第一節(jié) 透射電子顯微鏡工作原理

2、及構(gòu)造透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造 一、工作原理 成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。 它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見(jiàn)光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。 由于電子波長(zhǎng)極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。 圖9-2 透射電子顯微鏡光路原理圖 二、構(gòu)造二、構(gòu)造 TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成。 1. 電磁透鏡電磁透鏡 能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electron lens） 靜電透鏡 電子透鏡

3、恒磁透鏡 磁透鏡 電磁透鏡 （1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)）電磁透鏡的結(jié)構(gòu) 圖9-3 電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖 （2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì) （9-1） 式中：u、v與f物距、像距與焦距。（9-2） 式中：V0電子加速電壓；R透鏡半徑；NI激磁線圈安匝數(shù)；A與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。 20)(NIRVAf fvu111 成像電子在電磁透鏡磁場(chǎng)中沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)，而可見(jiàn)光是以折線形式穿過(guò)玻璃透鏡。因此，電磁透鏡成像時(shí)有一附加的旋轉(zhuǎn)角度，稱為磁轉(zhuǎn)角。物與像的相對(duì)位向?qū)?shí)像為180，對(duì)虛像為。 電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場(chǎng)強(qiáng)度降低、焦距變長(zhǎng)(由f1變

4、為f2 ） 。（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)）電磁透鏡的分辨本領(lǐng) （9-3） 式中：A常數(shù)；照明電子束波長(zhǎng)；Cs透鏡球差系數(shù)。 r0nm，高分辨條件下，r0nm。 4/14/30sCAr2. 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng) 作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電子束。 組成：電子槍和聚光鏡 鎢絲 熱電子源 電子源 LaB6 場(chǎng)發(fā)射源 圖9-5 熱電子槍示意圖燈絲和陽(yáng)極間加高壓，柵極偏壓起會(huì)聚電子束的作用，使其形成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉 圖9-6 雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖 3. 成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) 由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。 成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光

5、屏上。 通過(guò)調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。 若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。 透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡 。 圖9-7 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏 (b)將顯微像投影到熒光屏 三、選區(qū)電子衍射三、選區(qū)電子衍射 圖9-8 在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實(shí)現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖 選區(qū)衍射操作步驟選區(qū)衍射操作步驟 （1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦 （2）使物鏡精確聚焦 （3）獲得衍射譜 第二節(jié)第二節(jié) 樣品制備樣品制備 TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。 要求： （1）供TEM分析的樣品必須對(duì)電子

6、束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100200nm為宜。 （2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。 一、間接樣品一、間接樣品(復(fù)型復(fù)型)的制備的制備 對(duì)復(fù)型材料的主要要求： 復(fù)型材料本身必須是“無(wú)結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的； 有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。 復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。 常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。 復(fù)型的種類復(fù)型的種類 按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為： 一級(jí)復(fù)型 二級(jí)復(fù)型 萃取復(fù)型（半

7、直接樣品） 圖9-14 塑料-碳二級(jí)復(fù)型制備過(guò)程示意圖 萃取復(fù)型二、直接樣品的制備二、直接樣品的制備 粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開(kāi)來(lái)，各自獨(dú)立而不團(tuán)聚。 膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對(duì)研并突然抽開(kāi)，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。 支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對(duì)電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。2. 晶體薄膜樣品的

8、制備晶體薄膜樣品的制備 一般程序： (1)初減薄制備厚度約100200m的薄片； (2)從薄片上切取3mm的圓片； (3)預(yù)減薄從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m； (4)終減薄。 圖9-15 雙噴電解拋光裝置原理圖 圖9-16 離子減薄裝置原理示意圖 第三節(jié)第三節(jié) 透射電鏡基本成像操作及像襯度透射電鏡基本成像操作及像襯度 一、成像操作 圖9-17 成像操作光路圖（a）明場(chǎng)像 (b)暗場(chǎng)像 (c)中心暗場(chǎng)像 二、像襯度二、像襯度 像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。 透射電鏡的像襯度來(lái)源于樣品對(duì)入射電子束的散射?？煞譃椋?質(zhì)厚襯度 ：非晶樣品襯度的主要來(lái)源 振幅襯度 衍射襯度 ：晶

9、體樣品襯度的主要來(lái)源 相位襯度 圖9-18 質(zhì)厚襯度成像光路圖 圖9-19 衍射襯度成像光路圖 第四節(jié)第四節(jié) 電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論 透射電鏡衍射襯度是由樣品底表面不同部位的衍射束強(qiáng)度存在差異而造成的。要深入理解和正確解釋透射電鏡衍襯像的襯度特征，就需要對(duì)衍射束的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。 動(dòng)力學(xué)衍射 運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射一、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè)一、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè) 運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)近似即忽略各級(jí)衍射束(透射束為零級(jí)衍射束)之間的相互作用基礎(chǔ)之上的用于討論衍射波強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)化理論。 其基本假設(shè)是： 入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射。 入射電子波在樣品內(nèi)的傳播過(guò)程中，強(qiáng)度的衰減可以忽略。即衍射波強(qiáng)度始終遠(yuǎn)小于入射波強(qiáng)度。否則衍射波會(huì)發(fā)生較為顯著的再次衍射，即動(dòng)力學(xué)衍射。 使樣品晶體處于足夠偏離布拉格條件的位向，以避免產(chǎn)生強(qiáng)的衍射，保證入射波強(qiáng)度不發(fā)生明顯衰減； 采用足夠薄的樣品，盡量減小電子受到多次散射的機(jī)會(huì)。 要達(dá)到這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)踐上都有困難。 一方面，原子對(duì)電子的散射振幅較大，散射強(qiáng)度不會(huì)很弱，而且當(dāng)選用的衍射束所對(duì)應(yīng)的倒易點(diǎn)足夠偏離厄瓦爾德