第三章透射電鏡

1、 第三章第三章 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡100/120kV200kV300kV1.3MVJEM-1011JEM-1400JEM-2100JEM-2100FJEM-3010JEM-3100FJEOL公司系列透射電鏡公司系列透射電鏡3.1 3.1 透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)3.1.1 3.1.1 透射電鏡工作原理透射電鏡工作原理3.1 3.1 透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)3.1.2 3.1.2 透射電鏡結(jié)構(gòu)透射電鏡結(jié)構(gòu)(1)(1)光學(xué)成像系統(tǒng)：光學(xué)成像系統(tǒng)：照明、成像放大系統(tǒng)、圖像觀察記錄系統(tǒng)照明、成像放大系統(tǒng)、圖像觀察記錄系統(tǒng)1 1、透射電鏡的結(jié)構(gòu)、透射電鏡

2、的結(jié)構(gòu) 透射電鏡主要由光學(xué)成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和透射電鏡主要由光學(xué)成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成。電氣系統(tǒng)三部分組成。是產(chǎn)生具有一定能量、足是產(chǎn)生具有一定能量、足夠亮度和適當(dāng)小孔徑角的夠亮度和適當(dāng)小孔徑角的穩(wěn)定電子束的裝置，包括：穩(wěn)定電子束的裝置，包括：電子槍、電子槍、 聚光鏡聚光鏡3.1 3.1 透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)3.1.2 3.1.2 透射電鏡結(jié)構(gòu)透射電鏡結(jié)構(gòu)(2)(2)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 電子顯微鏡鏡筒必須具有高真空，這是因?yàn)椋弘娮语@微鏡鏡筒必須具有高真空，這是因?yàn)椋喝翮R筒中存在氣體，會(huì)產(chǎn)生氣體電離和放電現(xiàn)象；若鏡筒中存在氣體，會(huì)產(chǎn)生氣體電離和放電現(xiàn)象；電子

3、槍燈絲被氧化而燒斷；電子槍燈絲被氧化而燒斷；高速電子與氣體分子碰撞而散射，降低成像襯度及高速電子與氣體分子碰撞而散射，降低成像襯度及污染樣品。污染樣品。 電子顯微鏡的真空度要求在電子顯微鏡的真空度要求在1010-4-4-10-10- -5 5 Pa Pa。(3)(3)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng) 主要有燈絲電源和高壓電源，使電子槍產(chǎn)生穩(wěn)主要有燈絲電源和高壓電源，使電子槍產(chǎn)生穩(wěn)定的高照明電子束；各個(gè)磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；定的高照明電子束；各個(gè)磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；電氣控制電路。電氣控制電路。 3.1 3.1 透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)透射電鏡工作原理及結(jié)構(gòu)3.1.2 3.1.2 透射電鏡結(jié)構(gòu)透射電鏡結(jié)構(gòu) (1)

4、 (1)分辨率分辨率 是透射電鏡的最主要的性能指標(biāo)，它反應(yīng)了電鏡顯示是透射電鏡的最主要的性能指標(biāo)，它反應(yīng)了電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。用兩種指標(biāo)表示：亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。用兩種指標(biāo)表示：v點(diǎn)分辨率：表示電鏡所能分辨的兩個(gè)點(diǎn)之間的最小距離。點(diǎn)分辨率：表示電鏡所能分辨的兩個(gè)點(diǎn)之間的最小距離。v線分辨率：表示電鏡所能分辨的兩條線之間的最小距離。線分辨率：表示電鏡所能分辨的兩條線之間的最小距離。(2) 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 是指電子圖象對(duì)于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。是指電子圖象對(duì)于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。(3)加速電壓加速電壓 是指電子槍的陽(yáng)極相對(duì)于陰極的電壓，它決定了電是指電子槍的陽(yáng)極

5、相對(duì)于陰極的電壓，它決定了電子槍發(fā)射的電子的能量和波長(zhǎng)。子槍發(fā)射的電子的能量和波長(zhǎng)。3.2 3.2 透射電鏡主要性能指標(biāo)透射電鏡主要性能指標(biāo)3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法 應(yīng)用透射電鏡對(duì)材料的組織、結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，需應(yīng)用透射電鏡對(duì)材料的組織、結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，需具備以下兩個(gè)前提：具備以下兩個(gè)前提：制備適合制備適合TEMTEM觀察的試樣，厚度觀察的試樣，厚度100-200100-200nmnm，甚至甚至更??；更薄；建立闡明各種電子圖象的襯度理論。建立闡明各種電子圖象的襯度理論。對(duì)于材料研究用的對(duì)于材料研究用的TEMTEM試樣大致有三種類型：試樣大致有三種類型：經(jīng)懸浮分

6、散的超細(xì)粉末顆粒。經(jīng)懸浮分散的超細(xì)粉末顆粒。用一定方法減薄的材料薄膜。用一定方法減薄的材料薄膜。用復(fù)型方法將材料表面或斷口形貌復(fù)制下來(lái)的復(fù)用復(fù)型方法將材料表面或斷口形貌復(fù)制下來(lái)的復(fù)型膜。型膜。 分散：分散：用超聲波分散器將需要觀察的粉末在溶用超聲波分散器將需要觀察的粉末在溶液（不與粉末發(fā)生作用的）中分散成懸浮液。液（不與粉末發(fā)生作用的）中分散成懸浮液。 鍍膜：鍍膜：用滴管滴幾滴在覆蓋有碳加強(qiáng)火棉膠支用滴管滴幾滴在覆蓋有碳加強(qiáng)火棉膠支持膜的電鏡銅網(wǎng)上。待其干燥（或用濾紙吸干）后，持膜的電鏡銅網(wǎng)上。待其干燥（或用濾紙吸干）后，再蒸上一層碳膜，即成為電鏡觀察用的粉末樣品。再蒸上一層碳膜，即成為電鏡觀

7、察用的粉末樣品。 檢查檢查: :如需檢查粉末在支持膜上的分散情況，可如需檢查粉末在支持膜上的分散情況，可用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。也可把載有粉末的銅網(wǎng)再用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。也可把載有粉末的銅網(wǎng)再作一次投影操作，以增加圖像的立體感，并可根據(jù)作一次投影操作，以增加圖像的立體感，并可根據(jù)投影投影“影子影子”的特征來(lái)分析粉末顆粒的立體形狀。的特征來(lái)分析粉末顆粒的立體形狀。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 直接樣品的制備直接樣品的制備1 1、粉末樣品制備、粉末樣品制備3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 直接樣品的制備

8、直接樣品的制備2 2薄膜樣品的制備薄膜樣品的制備 塊狀材料是通過(guò)減薄的方法（需要先進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)塊狀材料是通過(guò)減薄的方法（需要先進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)方法的預(yù)減?。┲苽涑蓪?duì)電子束透明的薄膜樣品。減薄的方法的預(yù)減?。┲苽涑蓪?duì)電子束透明的薄膜樣品。減薄的方法有方法有超薄切片超薄切片、電解拋光電解拋光、化學(xué)拋光化學(xué)拋光和和離子轟擊離子轟擊等等. .適用于適用于生物試生物試樣樣適用于金適用于金屬材料屬材料適用于在化學(xué)試劑適用于在化學(xué)試劑中能均勻減薄的材中能均勻減薄的材料，如半導(dǎo)體、單料，如半導(dǎo)體、單晶體、氧化物等。晶體、氧化物等。無(wú)機(jī)非金屬材料大無(wú)機(jī)非金屬材料大多數(shù)為多相、多組多數(shù)為多相、多組分的的非導(dǎo)電材料

9、，分的的非導(dǎo)電材料，上述方法均不適用。上述方法均不適用。6060年代初產(chǎn)生了離年代初產(chǎn)生了離子轟擊減薄裝置后，子轟擊減薄裝置后，才使無(wú)機(jī)非金屬材才使無(wú)機(jī)非金屬材料的薄膜制備成為料的薄膜制備成為可能。可能。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 直接樣品的制備直接樣品的制備 將待觀察的試樣按預(yù)定取向切割成薄片，再經(jīng)機(jī)將待觀察的試樣按預(yù)定取向切割成薄片，再經(jīng)機(jī)械減薄拋光等過(guò)程預(yù)減薄至械減薄拋光等過(guò)程預(yù)減薄至30304040umum的薄膜。把薄膜的薄膜。把薄膜鉆取或切取成尺寸為鉆取或切取成尺寸為2.52.53 3mmmm的小片。裝入離子轟擊的小片。裝入離子轟擊

10、減薄裝置進(jìn)行離子轟擊減薄和離子拋光。減薄裝置進(jìn)行離子轟擊減薄和離子拋光。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 直接樣品的制備直接樣品的制備 其減薄原理是：其減薄原理是：在高真空中，兩個(gè)相對(duì)的冷陰極離在高真空中，兩個(gè)相對(duì)的冷陰極離子槍，提供高能量的氬離子流，以一定角度對(duì)旋轉(zhuǎn)的樣子槍，提供高能量的氬離子流，以一定角度對(duì)旋轉(zhuǎn)的樣品的兩面進(jìn)行轟擊。品的兩面進(jìn)行轟擊。當(dāng)轟擊能量大于樣品材料表層原子當(dāng)轟擊能量大于樣品材料表層原子的結(jié)合能時(shí)，樣品表層原子受到氬離子擊發(fā)而濺射、經(jīng)的結(jié)合能時(shí)，樣品表層原子受到氬離子擊發(fā)而濺射、經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)轟擊、濺射，最終樣品中心部分

11、穿孔。較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)轟擊、濺射，最終樣品中心部分穿孔。穿孔后的樣品在孔的邊緣處極薄，對(duì)電子束是透明的，穿孔后的樣品在孔的邊緣處極薄，對(duì)電子束是透明的，就成為薄膜樣品。就成為薄膜樣品。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 直接樣品的制備直接樣品的制備 1 1、復(fù)型樣品的制備、復(fù)型樣品的制備 復(fù)型制樣方法是用對(duì)電子束透明的薄膜把材料表復(fù)型制樣方法是用對(duì)電子束透明的薄膜把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來(lái)，常稱為復(fù)型。面或斷口的形貌復(fù)制下來(lái)，常稱為復(fù)型。 復(fù)型方法中用得較普遍的是碳一級(jí)復(fù)型、塑料復(fù)型方法中用得較普遍的是碳一級(jí)復(fù)型、塑料碳二級(jí)復(fù)型和萃取復(fù)型。碳二級(jí)復(fù)

12、型和萃取復(fù)型。 對(duì)已經(jīng)充分暴露其組織結(jié)構(gòu)和形貌的試塊表面或?qū)σ呀?jīng)充分暴露其組織結(jié)構(gòu)和形貌的試塊表面或斷口，除在必要時(shí)進(jìn)行清潔外，不需作任何處理即可斷口，除在必要時(shí)進(jìn)行清潔外，不需作任何處理即可進(jìn)行復(fù)型，當(dāng)需觀察被基體包埋的第二相時(shí)，則需要進(jìn)行復(fù)型，當(dāng)需觀察被基體包埋的第二相時(shí)，則需要選用適當(dāng)侵蝕劑和侵蝕條件侵蝕試塊表面，使第二相選用適當(dāng)侵蝕劑和侵蝕條件侵蝕試塊表面，使第二相粒子凸出，形成浮雕，然后再進(jìn)行復(fù)型。粒子凸出，形成浮雕，然后再進(jìn)行復(fù)型。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 間接樣品的制備間接樣品的制備 碳一級(jí)復(fù)型是通過(guò)碳一級(jí)復(fù)型是通過(guò)真空蒸發(fā)碳

13、，在試樣表真空蒸發(fā)碳，在試樣表面沉淀形成連續(xù)碳膜而面沉淀形成連續(xù)碳膜而制成的。制成的。 塑料塑料碳二級(jí)復(fù)碳二級(jí)復(fù)型是無(wú)機(jī)非金屬材料型是無(wú)機(jī)非金屬材料形貌與斷口觀察中最形貌與斷口觀察中最常用的一種制樣方法常用的一種制樣方法3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 間接樣品的制備間接樣品的制備 萃取復(fù)型既復(fù)制了試樣表面的形貌，同時(shí)又把萃取復(fù)型既復(fù)制了試樣表面的形貌，同時(shí)又把第二相粒子粘附下來(lái)并基本上保持原來(lái)的分布狀態(tài)。第二相粒子粘附下來(lái)并基本上保持原來(lái)的分布狀態(tài)。通過(guò)它不僅可觀察基體的形貌，直接觀察第二相的通過(guò)它不僅可觀察基體的形貌，直接觀察第二相的形態(tài)和分布

14、狀態(tài)，還可通過(guò)電子衍射來(lái)確定其物相。形態(tài)和分布狀態(tài)，還可通過(guò)電子衍射來(lái)確定其物相。因此，萃取復(fù)型兼有復(fù)型試樣與薄膜試樣的優(yōu)點(diǎn)。因此，萃取復(fù)型兼有復(fù)型試樣與薄膜試樣的優(yōu)點(diǎn)。 2 2、萃取復(fù)型、萃取復(fù)型 3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 間接樣品的制備間接樣品的制備 在一般復(fù)型中，有時(shí)為了暴露第二相的形貌需在一般復(fù)型中，有時(shí)為了暴露第二相的形貌需選用適當(dāng)?shù)那治g劑溶去部分基體，使第二相粒子凸選用適當(dāng)?shù)那治g劑溶去部分基體，使第二相粒子凸出，形成浮雕，但并不希望在復(fù)型過(guò)程中把材料本出，形成浮雕，但并不希望在復(fù)型過(guò)程中把材料本身的碎屑粘附下來(lái)，因?yàn)檫@些碎屑的密

15、度和厚度比身的碎屑粘附下來(lái)，因?yàn)檫@些碎屑的密度和厚度比之碳膜要大得多，在圖像中形成黑色斑塊，影響形之碳膜要大得多，在圖像中形成黑色斑塊，影響形貌觀察和圖像質(zhì)量，因此要適當(dāng)控制侵蝕程度。貌觀察和圖像質(zhì)量，因此要適當(dāng)控制侵蝕程度。 在實(shí)際制作塑料在實(shí)際制作塑料- -碳二級(jí)復(fù)型時(shí)，往往把第一、碳二級(jí)復(fù)型時(shí)，往往把第一、二次的塑料復(fù)型棄去不要，以清潔表面。而萃取復(fù)二次的塑料復(fù)型棄去不要，以清潔表面。而萃取復(fù)型則有意識(shí)的通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)那治g劑侵蝕試塊表面，型則有意識(shí)的通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)那治g劑侵蝕試塊表面，形成浮雕，用復(fù)型膜把需要觀察的相（一般是指第形成浮雕，用復(fù)型膜把需要觀察的相（一般是指第二相）萃取下來(lái)。二

16、相）萃取下來(lái)。3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 間接樣品的制備間接樣品的制備 3 3、復(fù)型像及復(fù)型襯度的改善、復(fù)型像及復(fù)型襯度的改善 有些材料不能直接制成薄膜樣品，往往采用復(fù)型技有些材料不能直接制成薄膜樣品，往往采用復(fù)型技術(shù)把材料表面復(fù)制下來(lái)，制成復(fù)型膜，在電鏡上觀察。術(shù)把材料表面復(fù)制下來(lái)，制成復(fù)型膜，在電鏡上觀察。這種用復(fù)型膜形成的電子圖象可稱為復(fù)型像。這種用復(fù)型膜形成的電子圖象可稱為復(fù)型像。 復(fù)型膜試樣雖有一定的厚度差別，但由于整個(gè)試樣復(fù)型膜試樣雖有一定的厚度差別，但由于整個(gè)試樣的密度一樣，僅由厚度差別引起的襯度很小。的密度一樣，僅由厚度差別引

17、起的襯度很小。 可通過(guò)以一定的角度在復(fù)型膜上蒸鍍一層密度大的可通過(guò)以一定的角度在復(fù)型膜上蒸鍍一層密度大的金屬，增加試樣形貌不同部位的密度差，則能大大改善金屬，增加試樣形貌不同部位的密度差，則能大大改善圖象的襯度，使圖象層次豐富，立體感強(qiáng)。這種方法稱圖象的襯度，使圖象層次豐富，立體感強(qiáng)。這種方法稱為重金屬投影技術(shù)。如圖：為重金屬投影技術(shù)。如圖：3.3 3.3 透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法3.3.1 3.3.1 間接樣品的制備間接樣品的制備3.4 3.4 電子衍射電子衍射 早在早在19271927年，戴維森（年，戴維森（DavissonDavisson）和革末（和革末（GermerGe

18、rmer）就已用電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性，但電子衍射就已用電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子的波動(dòng)性，但電子衍射的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于X X射線衍射。射線衍射。 直到直到5050年代，才隨著電子顯微鏡的發(fā)展，把成像和年代，才隨著電子顯微鏡的發(fā)展，把成像和衍射有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)后，為物相分析和晶體結(jié)構(gòu)分析研衍射有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)后，為物相分析和晶體結(jié)構(gòu)分析研究開(kāi)拓了新的途徑。究開(kāi)拓了新的途徑。 許多材料和粘土礦物中的晶粒只有幾十微米大小，許多材料和粘土礦物中的晶粒只有幾十微米大小，有時(shí)甚至小到幾百納米，不能用有時(shí)甚至小到幾百納米，不能用X X射線進(jìn)行單個(gè)晶體的射線進(jìn)行單個(gè)晶體的衍射，但卻可以

19、用電子顯微鏡在放大幾萬(wàn)倍的情況下，衍射，但卻可以用電子顯微鏡在放大幾萬(wàn)倍的情況下，用選區(qū)電子衍射和微束電子衍射來(lái)確定其物相或研究這用選區(qū)電子衍射和微束電子衍射來(lái)確定其物相或研究這些微晶的晶體結(jié)構(gòu)。些微晶的晶體結(jié)構(gòu)。 另一方面，薄膜器件和薄晶體透射電子顯微術(shù)的發(fā)另一方面，薄膜器件和薄晶體透射電子顯微術(shù)的發(fā)展顯著地?cái)U(kuò)大了電子衍射的研究和范圍，并促進(jìn)了衍射展顯著地?cái)U(kuò)大了電子衍射的研究和范圍，并促進(jìn)了衍射理論的進(jìn)一步發(fā)展。理論的進(jìn)一步發(fā)展。 3.4 3.4 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡3.4.53.4.5電子衍射電子衍射 電子衍射幾何學(xué)與電子衍射幾何學(xué)與X X射線衍射完全一樣，都遵循射線衍射完全一樣，

20、都遵循勞厄方程或布喇格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系。勞厄方程或布喇格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系。 電子衍射與電子衍射與X X射線衍射的主要區(qū)別在于電子波的射線衍射的主要區(qū)別在于電子波的波長(zhǎng)短受物質(zhì)的散射強(qiáng)（原子對(duì)電子的散射能力比波長(zhǎng)短受物質(zhì)的散射強(qiáng)（原子對(duì)電子的散射能力比X X射線高一萬(wàn)倍）。射線高一萬(wàn)倍）。 電子波長(zhǎng)短，決定了電子衍射的幾何特點(diǎn)，它使電子波長(zhǎng)短，決定了電子衍射的幾何特點(diǎn)，它使單晶的電子衍射譜和晶體倒易點(diǎn)陣的二維截面完全相單晶的電子衍射譜和晶體倒易點(diǎn)陣的二維截面完全相似，從而使晶體幾何關(guān)系的研究變得簡(jiǎn)單多了。似，從而使晶體幾何關(guān)系的研究變得簡(jiǎn)單多了。 散射強(qiáng)，決定了電子衍

21、射的光學(xué)特點(diǎn)：第一，衍散射強(qiáng)，決定了電子衍射的光學(xué)特點(diǎn)：第一，衍射束強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)；第二，由于散射強(qiáng)射束強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)；第二，由于散射強(qiáng)度高，導(dǎo)致電子穿透能力有限，因而比較適用于研究度高，導(dǎo)致電子穿透能力有限，因而比較適用于研究微晶、表面和薄膜晶體。微晶、表面和薄膜晶體。1.1.電子衍射基本公式和相機(jī)常電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)數(shù) 右圖為電子衍射的幾何關(guān)右圖為電子衍射的幾何關(guān)系圖，當(dāng)電子束系圖，當(dāng)電子束I I0 0照射到試樣照射到試樣晶面間距為晶面間距為d d的晶面組（的晶面組（hklhkl），），在滿足布拉格條件時(shí)，將產(chǎn)生在滿足布拉格條件時(shí)，將產(chǎn)生衍射。衍射。 透射束和衍

22、射束在相機(jī)底透射束和衍射束在相機(jī)底版相交得到透射斑點(diǎn)版相交得到透射斑點(diǎn)Q Q和衍射斑和衍射斑點(diǎn)點(diǎn)P P，它們的距離為它們的距離為R R。由圖可由圖可知：知：3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.13.4.1電子衍射基本公式電子衍射基本公式3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.13.4.1電子衍射基本公式電子衍射基本公式L L RddLRLK L sin 2 sin22sin2 tg 22tg 的乘積為一常數(shù)：和值確定，速電壓一定時(shí)，為衍射相機(jī)長(zhǎng)度，當(dāng)加式。這就是電子衍射基本公，得：代入布拉格公式很小，所以子衍射的由于電子波長(zhǎng)很短，電 K K為相機(jī)常數(shù)。如果為相機(jī)常數(shù)。如果K K值已知，即可

23、由衍射斑點(diǎn)的值已知，即可由衍射斑點(diǎn)的R R值計(jì)算出晶面組值計(jì)算出晶面組d d值：值：RKRLd3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.13.4.1電子衍射基本公式電子衍射基本公式 單晶電子衍射得到的衍射花樣是一系列按一定幾單晶電子衍射得到的衍射花樣是一系列按一定幾何圖形配置的衍射斑點(diǎn)。根據(jù)厄瓦爾德作圖法，只要何圖形配置的衍射斑點(diǎn)。根據(jù)厄瓦爾德作圖法，只要倒易點(diǎn)與球面相截就滿足布拉格條件。衍射譜就是落倒易點(diǎn)與球面相截就滿足布拉格條件。衍射譜就是落在厄瓦爾德球面上所有倒易點(diǎn)構(gòu)成的圖形的投影放大在厄瓦爾德球面上所有倒易點(diǎn)構(gòu)成的圖形的投影放大像。單晶電子衍射譜與倒易點(diǎn)陣一樣具有幾何圖形與像。單晶電子衍

24、射譜與倒易點(diǎn)陣一樣具有幾何圖形與對(duì)稱性。對(duì)稱性。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.2 3.4.2 單晶單晶電子衍射譜電子衍射譜3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.2 3.4.2 單晶單晶電子衍射譜電子衍射譜3 3多晶電子衍射譜多晶電子衍射譜 多晶電子衍射譜的幾何特征和粉末法的多晶電子衍射譜的幾何特征和粉末法的X X射線衍射射線衍射譜非常相似，由一系列不同半徑的同心圓環(huán)所組成。譜非常相似，由一系列不同半徑的同心圓環(huán)所組成。 3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.3 3.4.3 多晶多晶電子衍射譜電子衍射譜 當(dāng)有許多取向不同的小晶粒，其當(dāng)有許多取向不同的小晶粒，其 hklhkl晶面簇的

25、晶面簇的晶面組符合衍射條件時(shí)，則形成以入射束為軸，晶面組符合衍射條件時(shí)，則形成以入射束為軸，2 2為半角的衍射束構(gòu)成的圓錐面，它與熒光屏或照相底為半角的衍射束構(gòu)成的圓錐面，它與熒光屏或照相底板的交線，就是半徑為板的交線，就是半徑為R= LR= Ld d的圓環(huán)。的圓環(huán)。 因此，多晶衍射譜的環(huán)形花樣實(shí)際上是許多取向因此，多晶衍射譜的環(huán)形花樣實(shí)際上是許多取向不同的小單晶的衍射的疊加。不同的小單晶的衍射的疊加。d d值不同的值不同的hklhkl晶面晶面簇，將產(chǎn)生不同的圓環(huán)、從而形成由不同半徑同心圓簇，將產(chǎn)生不同的圓環(huán)、從而形成由不同半徑同心圓環(huán)構(gòu)成的多晶電子衍射譜。環(huán)構(gòu)成的多晶電子衍射譜。 產(chǎn)生這種環(huán)

26、形花樣的原因是：多晶試樣是許多取產(chǎn)生這種環(huán)形花樣的原因是：多晶試樣是許多取向不同的細(xì)小晶粒的集合體，在入射電子束照射下，向不同的細(xì)小晶粒的集合體，在入射電子束照射下，對(duì)每一顆小晶體來(lái)說(shuō)，當(dāng)其面間距為對(duì)每一顆小晶體來(lái)說(shuō)，當(dāng)其面間距為d d的的 hklhkl晶面簇晶面簇的晶面組符合衍射條件時(shí)，將產(chǎn)生衍射束，并在熒光的晶面組符合衍射條件時(shí)，將產(chǎn)生衍射束，并在熒光屏或照相底板上得到相應(yīng)的衍射斑點(diǎn)。屏或照相底板上得到相應(yīng)的衍射斑點(diǎn)。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.3 3.4.3 多晶多晶電子衍射譜電子衍射譜（1 1） 選區(qū)電子衍射選區(qū)電子衍射 透射電鏡中通常采用選區(qū)電透射電鏡中通常采用選區(qū)電子衍

27、射，就是選擇特定像區(qū)的各子衍射，就是選擇特定像區(qū)的各級(jí)衍射束成譜。級(jí)衍射束成譜。 選區(qū)是通過(guò)置于物鏡像平面選區(qū)是通過(guò)置于物鏡像平面的專用選區(qū)光闌（或稱視場(chǎng)光闌）的專用選區(qū)光闌（或稱視場(chǎng)光闌）來(lái)進(jìn)行的。來(lái)進(jìn)行的。在圖在圖2 25050所示的選區(qū)所示的選區(qū)光闌孔情況下，只有試樣光闌孔情況下，只有試樣ABAB區(qū)的區(qū)的各級(jí)衍射束能通過(guò)選區(qū)光闌最終各級(jí)衍射束能通過(guò)選區(qū)光闌最終在熒光屏上成譜，而在熒光屏上成譜，而ABAB區(qū)外的各區(qū)外的各級(jí)衍射束均被選區(qū)光闌擋住而不級(jí)衍射束均被選區(qū)光闌擋住而不能參與成譜。能參與成譜。 因此所得到的衍射譜僅與試樣因此所得到的衍射譜僅與試樣ABAB區(qū)相對(duì)應(yīng)。通過(guò)改區(qū)相對(duì)應(yīng)。通過(guò)

28、改變選區(qū)光闌孔大小，可以改變選區(qū)大小，使衍射譜與所變選區(qū)光闌孔大小，可以改變選區(qū)大小，使衍射譜與所造試樣像區(qū)一一對(duì)應(yīng)。造試樣像區(qū)一一對(duì)應(yīng)。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.4 3.4.4 電子衍射方法電子衍射方法（2 2）微束電子衍射）微束電子衍射 微束電子衍射是利用微束電子衍射是利用經(jīng)聚光鏡系統(tǒng)會(huì)聚的、很經(jīng)聚光鏡系統(tǒng)會(huì)聚的、很細(xì)的電子束對(duì)試樣進(jìn)行衍細(xì)的電子束對(duì)試樣進(jìn)行衍射。微束電子衍射的電子射。微束電子衍射的電子束直徑最小可達(dá)束直徑最小可達(dá)5050nmnm，因因而不需要使用選區(qū)光闌就而不需要使用選區(qū)光闌就能得到微區(qū)電子衍射，也能得到微區(qū)電子衍射，也不會(huì)產(chǎn)生衍射與選區(qū)不相不會(huì)產(chǎn)生衍射與選

29、區(qū)不相對(duì)應(yīng)的情況。微束電子衍對(duì)應(yīng)的情況。微束電子衍射的光路原理如圖射的光路原理如圖2 25151b b。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.4 3.4.4 電子衍射方法電子衍射方法（3 3）高分辨電子衍射）高分辨電子衍射 電子衍射的分辨率定義為：電子衍射的分辨率定義為： r r為衍射斑點(diǎn)半徑，為衍射斑點(diǎn)半徑，R R為衍射斑到透射斑的距離。為衍射斑到透射斑的距離。r r對(duì)對(duì)L L或或R R比值越小，分辨率越高。但在選區(qū)衍射時(shí)，物比值越小，分辨率越高。但在選區(qū)衍射時(shí)，物鏡后焦平面的第一級(jí)衍射譜的分辨率為鏡后焦平面的第一級(jí)衍射譜的分辨率為r/fr/f0 0與熒光與熒光屏上得到的分辨率相同。因屏上

30、得到的分辨率相同。因f f0 0很小所以分辨率不高。很小所以分辨率不高。若按圖若按圖2-512-51c c所示進(jìn)行衍射，則大大提高了分辨率。所示進(jìn)行衍射，則大大提高了分辨率。（4 4）高分散性電子衍射（小角度電子衍射）高分散性電子衍射（小角度電子衍射） 高分散性電子衍射的目的是拉開(kāi)衍射斑點(diǎn)和透射高分散性電子衍射的目的是拉開(kāi)衍射斑點(diǎn)和透射斑的距離，以便于分辨和分析。原理如圖斑的距離，以便于分辨和分析。原理如圖2-512-51d d。RrLr3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.4 3.4.4 電子衍射方法電子衍射方法（5 5）會(huì)聚束電子衍射）會(huì)聚束電子衍射 是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種電子衍射，它

31、可以給是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種電子衍射，它可以給出有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的三維信息。會(huì)聚束經(jīng)試樣衍射后成出有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的三維信息。會(huì)聚束經(jīng)試樣衍射后成透射束的明場(chǎng)圓盤(pán)和衍射束的暗場(chǎng)圓盤(pán)，這些衍射盤(pán)透射束的明場(chǎng)圓盤(pán)和衍射束的暗場(chǎng)圓盤(pán)，這些衍射盤(pán)中的強(qiáng)度分布細(xì)節(jié)及其對(duì)稱性給出晶體結(jié)構(gòu)的三維信中的強(qiáng)度分布細(xì)節(jié)及其對(duì)稱性給出晶體結(jié)構(gòu)的三維信息?？捎糜诰w對(duì)稱性的測(cè)定，微區(qū)點(diǎn)陣參數(shù)的精確息?？捎糜诰w對(duì)稱性的測(cè)定，微區(qū)點(diǎn)陣參數(shù)的精確測(cè)定等。下圖為測(cè)定等。下圖為SiSi（111111）的會(huì)聚束電子衍射圖。的會(huì)聚束電子衍射圖。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.4 3.4.4 電子衍射方法電子衍射方法衍射譜電子可

32、用于物相分析，它有以下優(yōu)點(diǎn)：衍射譜電子可用于物相分析，它有以下優(yōu)點(diǎn)：分析靈敏度非常高，可分析小到幾個(gè)納米的微晶。分析靈敏度非常高，可分析小到幾個(gè)納米的微晶。適用于微量試樣，待定物含量很低的物相分析。適用于微量試樣，待定物含量很低的物相分析?？梢缘玫接嘘P(guān)晶體取向的資料?？梢缘玫接嘘P(guān)晶體取向的資料?？傻玫接嘘P(guān)物相大小、形態(tài)和分布的情況（與形可得到有關(guān)物相大小、形態(tài)和分布的情況（與形貌觀察結(jié)合）貌觀察結(jié)合） 但也因注意，由于其分析靈敏度太高，分析中但也因注意，由于其分析靈敏度太高，分析中會(huì)出現(xiàn)一些假象。會(huì)出現(xiàn)一些假象。3.4 3.4 電子衍射電子衍射3.4.4 3.4.4 電子衍射物相分析的特點(diǎn)電子

33、衍射物相分析的特點(diǎn)3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.1 3.5.1 質(zhì)厚襯度像質(zhì)厚襯度像1 1、質(zhì)厚襯度（散射襯度）、質(zhì)厚襯度（散射襯度） 對(duì)于無(wú)定形或非晶體試樣，電子圖象的襯度是由對(duì)于無(wú)定形或非晶體試樣，電子圖象的襯度是由于試樣各部分的密度和厚度不同形成的，這種襯度稱于試樣各部分的密度和厚度不同形成的，這種襯度稱為質(zhì)（量）厚（度）襯度（散射襯度）為質(zhì)（量）厚（度）襯度（散射襯度） 。 由于樣品的不均勻性，即同一樣品的相鄰兩點(diǎn)，由于樣品的不均勻性，即同一樣品的相鄰兩點(diǎn)，可能有不同的樣品密度、不同的樣品厚度或不同的組可能有不同的樣品密度、不同的樣品厚度或不同的組成，因而對(duì)入射電

34、子有不同的散射能力。成，因而對(duì)入射電子有不同的散射能力。 散射角大的電子，由于光闌孔徑的限制，只有部分散射角大的電子，由于光闌孔徑的限制，只有部分散射電子通過(guò)光闌參與成像，形成圖象中的暗點(diǎn)；相反，散射電子通過(guò)光闌參與成像，形成圖象中的暗點(diǎn)；相反，散射角小的電子，大部分甚至全部通過(guò)物鏡光闌參與成散射角小的電子，大部分甚至全部通過(guò)物鏡光闌參與成像，形成圖象的亮點(diǎn)；這兩方面共同形成圖象的明暗襯像，形成圖象的亮點(diǎn)；這兩方面共同形成圖象的明暗襯度，這種襯度反映了樣品各點(diǎn)在厚度、密度和組成上的度，這種襯度反映了樣品各點(diǎn)在厚度、密度和組成上的差異，如下圖。差異，如下圖。1 1、衍射襯度、衍射襯度 如前所述，

35、質(zhì)厚襯度理論適用于解釋非晶體、復(fù)如前所述，質(zhì)厚襯度理論適用于解釋非晶體、復(fù)型膜試樣的電子圖象。對(duì)于晶體，若要研究其內(nèi)部缺型膜試樣的電子圖象。對(duì)于晶體，若要研究其內(nèi)部缺陷及界面，就要把晶體制成薄膜試樣。由于試樣薄膜陷及界面，就要把晶體制成薄膜試樣。由于試樣薄膜的厚度差不多，密度一致，薄膜對(duì)電子散射作用大致的厚度差不多，密度一致，薄膜對(duì)電子散射作用大致相同，即使是多相材料也相差無(wú)幾，因此不可能以質(zhì)相同，即使是多相材料也相差無(wú)幾，因此不可能以質(zhì)厚襯度獲得晶體中缺陷的圖象。但是晶體的衍射強(qiáng)度厚襯度獲得晶體中缺陷的圖象。但是晶體的衍射強(qiáng)度卻因其內(nèi)部缺陷、界面而不同，故可根據(jù)衍射襯度成卻因其內(nèi)部缺陷、界面

36、而不同，故可根據(jù)衍射襯度成像理論來(lái)研究晶體。像理論來(lái)研究晶體。3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像 所謂所謂衍射襯度衍射襯度是基于晶體薄膜內(nèi)各部分滿足衍射是基于晶體薄膜內(nèi)各部分滿足衍射條件的程度不同而形成襯度。根據(jù)衍射襯度理論形成條件的程度不同而形成襯度。根據(jù)衍射襯度理論形成的電子圖象稱為的電子圖象稱為衍襯像衍襯像。研究衍襯像的理論稱為衍襯。研究衍襯像的理論稱為衍襯理論。理論。選擇衍射成像選擇衍射成像: :透射電鏡實(shí)驗(yàn)方法中，不僅可以選擇特透射電鏡實(shí)驗(yàn)方法中，不僅可以選擇特定的像區(qū)進(jìn)行電子衍射（選區(qū)電子衍射），也可以選定的像區(qū)進(jìn)行電子衍射（選

37、區(qū)電子衍射），也可以選擇一定的衍射束成像，稱為選擇衍射成像。選擇單光擇一定的衍射束成像，稱為選擇衍射成像。選擇單光束用于晶體的衍襯像，選擇多光束用于晶體的晶格像。束用于晶體的衍襯像，選擇多光束用于晶體的晶格像。3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像 圖圖2-532-53為選擇單光束成像的光路原理，一般成像為選擇單光束成像的光路原理，一般成像時(shí)以圖中時(shí)以圖中a a的方式進(jìn)行，物鏡光闌套住其后焦面的中的方式進(jìn)行，物鏡光闌套住其后焦面的中心透射斑，把其它所有衍射斑擋住，即選擇透射束心透射斑，把其它所有衍射斑擋住，即選擇透射束（0 0級(jí)衍射束）成像。用

38、透射束形成的電子圖像最清級(jí)衍射束）成像。用透射束形成的電子圖像最清晰、明亮，稱為晰、明亮，稱為明場(chǎng)像（明場(chǎng)像（BFBF）。 若物鏡光闌孔套住某一衍射斑（圖中若物鏡光闌孔套住某一衍射斑（圖中b b），），而把而把中心透射斑和其它衍射斑擋住，即選擇該衍射束成像。中心透射斑和其它衍射斑擋住，即選擇該衍射束成像。用衍射束形成的電子圖像稱為用衍射束形成的電子圖像稱為暗場(chǎng)像（暗場(chǎng)像（DFDF）。按圖中按圖中b b的方式成像時(shí)，由于衍射束偏離光軸，暗場(chǎng)像朝一的方式成像時(shí)，由于衍射束偏離光軸，暗場(chǎng)像朝一個(gè)方向拉長(zhǎng)，分辨率不高，因此選擇衍射束成暗場(chǎng)像個(gè)方向拉長(zhǎng)，分辨率不高，因此選擇衍射束成暗場(chǎng)像時(shí)大多采用圖中時(shí)

39、大多采用圖中c c的傾斜（的傾斜（2 2）照明方式，使衍射束照明方式，使衍射束與光軸相重。這樣得到的暗場(chǎng)像不畸變，分辨率高。與光軸相重。這樣得到的暗場(chǎng)像不畸變，分辨率高。 3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像 晶體衍射時(shí)，一般有多組晶面滿足衍射條件，晶體衍射時(shí)，一般有多組晶面滿足衍射條件，若轉(zhuǎn)動(dòng)晶體使其某一晶面精確滿足布拉格條件，而若轉(zhuǎn)動(dòng)晶體使其某一晶面精確滿足布拉格條件，而使其它晶面都偏離布拉格條件較多，此時(shí)得到的衍使其它晶面都偏離布拉格條件較多，此時(shí)得到的衍射譜中心有一透射斑外，另有一很亮的衍射斑，而射譜中心有一透射斑外，另有一很亮的衍射

40、斑，而其余的衍射斑都很弱，這種衍射條件稱為其余的衍射斑都很弱，這種衍射條件稱為“雙光束雙光束條件條件”。在雙光束條件下明場(chǎng)與暗場(chǎng)的像襯度互補(bǔ)。在雙光束條件下明場(chǎng)與暗場(chǎng)的像襯度互補(bǔ)。3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像衍射襯度的產(chǎn)生衍射襯度的產(chǎn)生: : 現(xiàn)以單相的多晶體薄膜為例說(shuō)明如何利用衍射成像現(xiàn)以單相的多晶體薄膜為例說(shuō)明如何利用衍射成像原理獲得圖像的襯度。若薄膜內(nèi)有兩顆晶粒原理獲得圖像的襯度。若薄膜內(nèi)有兩顆晶粒A A和和B B，它們它們之間的唯一差別在于取向不同，當(dāng)強(qiáng)度為之間的唯一差別在于取向不同，當(dāng)強(qiáng)度為I I0 0的入射電子的入射電子照

41、射試樣，若照射試樣，若B B晶粒的某晶粒的某hklhkl晶面組與入射電子束交成精晶面組與入射電子束交成精確的布喇格角確的布喇格角B B，產(chǎn)生衍射，則入射電子束在產(chǎn)生衍射，則入射電子束在B B晶粒區(qū)晶粒區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)散射之后，將分成強(qiáng)度為域內(nèi)經(jīng)過(guò)散射之后，將分成強(qiáng)度為I Ihklhkl的衍射束和強(qiáng)度的衍射束和強(qiáng)度為為I I0 0-I-Ihklhkl的透射束兩部分。的透射束兩部分。 又設(shè)又設(shè)A A晶粒的各晶面組均完全不滿足布喇格條件，晶粒的各晶面組均完全不滿足布喇格條件，衍射束強(qiáng)度可視為零，于是透射束強(qiáng)度仍近似等于入射衍射束強(qiáng)度可視為零，于是透射束強(qiáng)度仍近似等于入射束強(qiáng)度束強(qiáng)度I I。如果用物鏡后焦面

42、上的物鏡光闌把如果用物鏡后焦面上的物鏡光闌把B B晶粒的晶粒的hklhkl衍射束擋掉；只讓透射束通過(guò)光闌孔進(jìn)行成像，由衍射束擋掉；只讓透射束通過(guò)光闌孔進(jìn)行成像，由于于I IA AII0 0，I IB BII0 0-I-Ihklhkl，則像平面上兩顆晶粒的亮度不則像平面上兩顆晶粒的亮度不同，于是形成襯度。此時(shí)同，于是形成襯度。此時(shí)A A晶粒較亮而晶粒較亮而B(niǎo) B晶粒較暗。晶粒較暗。3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像3.5 3.5 透射電子顯微像透射電子顯微像3.5.2 3.5.2 衍射襯度像衍射襯度像衍襯像衍襯像: : 如果晶體試樣為一厚度完

43、全均勻、沒(méi)有任何彎曲和缺如果晶體試樣為一厚度完全均勻、沒(méi)有任何彎曲和缺陷的完整晶體的薄膜，當(dāng)其某一組晶面（陷的完整晶體的薄膜，當(dāng)其某一組晶面（hklhkl）滿足布拉格滿足布拉格條件，則該晶面組在各處滿足布喇格條件程度相同，衍射強(qiáng)條件，則該晶面組在各處滿足布喇格條件程度相同，衍射強(qiáng)度相同，無(wú)論用透射束成像或衍射束成像，均看不到襯度。度相同，無(wú)論用透射束成像或衍射束成像，均看不到襯度。 但如果在樣品晶體中存在缺陷，例如有一刃型位錯(cuò)，圖但如果在樣品晶體中存在缺陷，例如有一刃型位錯(cuò)，圖2 25656a a中的中的D D處，則位錯(cuò)周圍的晶面畸變發(fā)生歪扭，在如圖處，則位錯(cuò)周圍的晶面畸變發(fā)生歪扭，在如圖所示條件下，位錯(cuò)右側(cè)晶面所示條件下，位錯(cuò)右側(cè)晶面B B順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，位錯(cuò)左側(cè)晶面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，位錯(cuò)左側(cè)晶面D D反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使這組晶面在樣品的不同部位滿足布拉格條件反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使這組晶面在樣品的不同部位滿足布拉格條件的速度不同。的速度不同。 若若D D處晶面處于精確滿足布拉格條件，處晶面處于精確滿足布拉格條件，B B處晶面不完全處晶面不完全滿足布拉格條件，于是滿足布拉格條件，于是A A、B B、C C、D D處晶面的衍射強(qiáng)度不同，處晶面的衍