第十章_透射電子顯微鏡

1、材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法第十章第十章 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法Transmission Electron Microscope 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 電磁透鏡的特點(diǎn)： 電磁透鏡的景深大、焦長(zhǎng)大的原因： 復(fù)型樣品具備的條件及制備工藝材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 光學(xué)活性化合物C8H10O顯示寬的IR譜帶,中心吸收在3300cm-1處。該化合物的NMR譜數(shù)據(jù)為:=7.18(5H),寬的一重峰;4.65(1H),四重峰;2.76(1H),寬的單峰;1.32(3H),二重峰。推出此化合物的結(jié)構(gòu)。 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 化合物A(

2、C9H12O),IR在36003200cm-1,760cm-1,700cm-1有特征吸收。NMR譜數(shù)據(jù)如下：0.9(三重峰,3H);1.6(多重峰,2H);2.7(寬單峰,1H);4.4(三重峰,1H); 7.20(單峰,5H)。推出A的結(jié)構(gòu)式。 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 化合物A（C6H10），溶于乙醚,不溶于水。于A的CCl4溶液中定量地加入Br2, 則0.100molA可使0.100molBr2褪色。A經(jīng)催化氫化生成B,B的相對(duì)分子質(zhì)量為84。A的NMR譜顯示三個(gè)吸收峰,=4.82(五重峰,J=4Hz,相對(duì)強(qiáng)度=1)=2.22(多重峰,相對(duì)強(qiáng)度=2),=1.65 (多重峰,相對(duì)強(qiáng)

3、度=2)。試推A,B結(jié)構(gòu)式。 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 電磁透鏡的特點(diǎn)： 1、分辨率高 2、景深大 3、焦長(zhǎng)大。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法透射電鏡的結(jié)構(gòu)10.2透射電鏡樣品制備方法10.3電子波與電磁透鏡10.1第十章 透射電子顯微鏡電子衍射10.4材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1 電子波與電磁透鏡12光學(xué)顯微鏡的分辨率極限光學(xué)顯微鏡的分辨率極限電子波的波長(zhǎng)電子波的波長(zhǎng)34電磁透鏡電磁透鏡電磁透鏡的像差和分辨率電磁透鏡的像差和分辨率5電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率極限任何顯微鏡的用途都是將物體放大，

4、使物體上的細(xì)微部分清晰地顯示出來(lái)，幫助人們觀察用肉眼直接看不見的東西。圖圖10-1 10-1 兩個(gè)光源成像時(shí)形成的兩個(gè)光源成像時(shí)形成的AiryAiry斑斑材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率極限根據(jù)光學(xué)原理，兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)的分辨距離為： （10-1） （10-1）式可化簡(jiǎn)為： （10-2） 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率極限圖圖10-2 10-2 電磁波譜圖電磁波譜圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.2 電子波的波長(zhǎng) 電子顯微鏡的照明光源是高速運(yùn)動(dòng)的電子波。電子波的波長(zhǎng)取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，即 =h/mv=h/mv (10

5、-3) mv2/2=eU mv2/2=eU 即 v=(2eU/m)1/2 v=(2eU/m)1/2 (10-4) = h/(2emU)1/2 = h/(2emU)1/2 (10-5) m = m0/1-(v/c)21/2 m = m0/1-(v/c)21/2 （10-6）材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.2 電子波的波長(zhǎng)表表10-1 10-1 不同加速電壓下電子波的波長(zhǎng)（經(jīng)相對(duì)論校正）不同加速電壓下電子波的波長(zhǎng)（經(jīng)相對(duì)論校正）加速電壓/kv 電子波波/ 加速電壓/kv 電子波波/10. 388400. 060120. 274500. 053630. 224600. 048740. 19

6、4800. 041850. 7131000. 0370100. 1222000. 0251200. 08595000. 0142300. 069810000. 0087材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.3 電磁透鏡透射電子顯微鏡中用磁場(chǎng)來(lái)使電子波聚焦成像的裝置是電磁透鏡。圖圖10-310-3為電磁透鏡的聚焦原理圖為電磁透鏡的聚焦原理圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.3 電磁透鏡圖圖10-310-3為電磁透鏡的聚焦原理圖為電磁透鏡的聚焦原理圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.3 電磁透鏡圖圖10104 4電磁透鏡示意圖電磁透鏡示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.

7、1.3 電磁透鏡圖圖10-5 10-5 靜電透鏡示意圖靜電透鏡示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4 電磁透鏡的像差和分辨率電磁透鏡的像差分成兩類，即幾何像差和色差。1幾何像差是因?yàn)橥哥R磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的。幾何像差主要指球差和像散。2色差是由于電子波的波長(zhǎng)或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4 電磁透鏡的像差和分辨率（一）球差（一）球差球差即球面像差，是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ环项A(yù)定的規(guī)律而造成的。 rs=(1/4)Cs3 rs=(1/4)Cs3 (10-7) 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4

8、 電磁透鏡的像差和分辨率圖圖10-6 10-6 球差示意圖球差示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4 電磁透鏡的像差和分辨率( (二二) )像散像散像散是由透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱而引起的。 rA=rA=fA fA (10-8)圖圖10-7 10-7 像散示意圖像散示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4 電磁透鏡的像差和分辨率( (三三) )色差色差色差是由于入射電子波長(zhǎng)(或能量)的非單一性所造成的。 rc = Ccrc = CcE/EE/E (10-9)圖圖10-8 10-8 色差示意圖色差示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.4 電磁透鏡的像差和分辨率（10-

9、10） （10-11） （10-12）61. 0sin61. 00nr3004161. 0sC41025. 1sC4341049. 0sCr 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.5 電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)（一）景深（一）景深 電磁透鏡的另一特點(diǎn)是景深（或場(chǎng)深）大，焦長(zhǎng)很長(zhǎng)，這是由于小孔徑角成像的結(jié)果。 Df = 2Df = 2r0/tan2r0/tan2r0/ r0/ （10-13）材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.5 電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)圖圖10-9 10-9 電磁透鏡景深示意圖電磁透鏡景深示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.5 電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)（二）焦長(zhǎng)（二）焦

10、長(zhǎng)當(dāng)透鏡焦距和物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦。 DL=2DL=2r0M/tanr0M/tan22r0M/r0M/ DL=2 DL=2r0M2/ r0M2/ （10-14） 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.1.5 電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)圖圖10-10 10-10 電磁透鏡焦長(zhǎng)示意圖電磁透鏡焦長(zhǎng)示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2 透射電鏡的結(jié)構(gòu)12照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) 3觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2 透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子

11、光學(xué)儀器。它由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源與控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)及真空系統(tǒng)幾部分組成。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2 透射電鏡的結(jié)構(gòu)圖圖10-11 10-11 透射顯微鏡構(gòu)造原理和光路透射顯微鏡構(gòu)造原理和光路（a a）透射光學(xué)顯微鏡（）透射光學(xué)顯微鏡（b b）透射電子顯微鏡）透射電子顯微鏡材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2 透射電鏡的結(jié)構(gòu)圖圖10-12 10-12 透射電子顯微鏡（透射電子顯微鏡（JEM-2010JEM-2010）主體斷面圖）主體斷面圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.1 照明系統(tǒng)（一）電子槍（一）電子槍電子槍是透射電子顯微鏡的電子源。圖圖10-13 10-13

12、 電子槍示意圖電子槍示意圖（a a） 自偏壓回路自偏壓回路 （b b）電子槍內(nèi)的等電位圖）電子槍內(nèi)的等電位圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.1 照明系統(tǒng)圖圖10-14 10-14 幾種燈絲的比較幾種燈絲的比較（a a）發(fā)叉式鎢燈絲）發(fā)叉式鎢燈絲 （b b）LaB6LaB6燈絲燈絲 （c c）場(chǎng)發(fā)射燈絲）場(chǎng)發(fā)射燈絲材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.1 照明系統(tǒng)表表10-2 10-2 幾種燈絲參數(shù)比較幾種燈絲參數(shù)比較燈絲種類亮度A/cm2*rad穩(wěn)定性(%)電子束尺寸能量分散真空度W3X105150mm3.0(eV)10-5 (t)LaB63x10625mm1.510-6(t)C

13、-FEG10955nm0.310-10(t)T-FEG109120nm0.710-9(t)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.1 照明系統(tǒng)（二）聚光鏡（二）聚光鏡聚光鏡用來(lái)會(huì)聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑大小。圖圖10-15 10-15 聚光鏡照明光路圖聚光鏡照明光路圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.2 成像系統(tǒng) （一）（一） 物鏡物鏡物鏡是用來(lái)形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。圖圖10-1610-16從聚光鏡到物鏡從聚光鏡到物鏡材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.2 成像系統(tǒng) （二）中間鏡（二）中間鏡中間鏡是一個(gè)

14、弱激磁的長(zhǎng)焦距變倍透鏡，可在020倍范圍調(diào)節(jié)。圖圖10-17 10-17 成像系統(tǒng)光路成像系統(tǒng)光路（a a）顯微組織像光路）顯微組織像光路 （b b）衍射像光路）衍射像光路材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.2 成像系統(tǒng) （三）（三） 投影鏡投影鏡投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮?。┑南瘢ɑ螂娮友苌浠樱┻M(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個(gè)短焦距的強(qiáng)磁透鏡。投影鏡的激磁電流是固定的，因?yàn)槌上耠娮邮M(jìn)入投影鏡時(shí)孔鏡角很小，因此它的景深和焦距都有非常大。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.2.3 觀察記錄系統(tǒng)觀察和記錄裝置包括熒光屏和照相機(jī)構(gòu)，在熒光屏下面放置一下可以自動(dòng)換

15、片的照相暗盒。照相時(shí)只要把熒光屏掀往一側(cè)并豎起，電子束即可使照相底片曝光。由于透射電子顯微鏡的焦長(zhǎng)很大，顯然熒光屏和底片之間有數(shù)厘米的間距，但仍能得到清晰的圖像。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3 透射電鏡樣品制備方法12復(fù)型技術(shù)復(fù)型技術(shù)粉末樣品制備技術(shù)粉末樣品制備技術(shù)34電解減薄技術(shù)電解減薄技術(shù)超薄切片法超薄切片法56離子減薄技術(shù)離子減薄技術(shù)聚焦離子束（聚焦離子束（FIBFIB）方法）方法材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)所謂復(fù)型，就是樣品表面形貌的復(fù)制，其原理與偵破案件時(shí)用石膏復(fù)制罪犯鞋底花紋相似。制備復(fù)制的樣品應(yīng)具備以下條件：第一是復(fù)型材料本身必須是非晶態(tài)材料。

16、第二是復(fù)型材料的粒子尺寸必須很小。第三是復(fù)型材料應(yīng)具備耐電子轟擊的性能，既在電子束照射下能保持穩(wěn)定，不發(fā)生分解和破壞。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)（一）一級(jí)復(fù)型（一）一級(jí)復(fù)型一級(jí)復(fù)型有兩種，即塑料一級(jí)復(fù)型和碳一級(jí)復(fù)型。圖圖10-18 10-18 塑料一級(jí)復(fù)型示意圖塑料一級(jí)復(fù)型示意圖 圖圖10-19 10-19 碳一級(jí)復(fù)型示意圖碳一級(jí)復(fù)型示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)圖圖10-20 10-20 二級(jí)復(fù)型制備過(guò)程示意圖二級(jí)復(fù)型制備過(guò)程示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)（二）二級(jí)復(fù)型（二）二級(jí)復(fù)型二級(jí)復(fù)型是目前應(yīng)用最廣

17、的一種復(fù)型方法。它是先制成中間復(fù)型（一次復(fù)型），然后在中間復(fù)型上進(jìn)行第二次碳復(fù)型，再把中間復(fù)型溶去，最后得到的是第二次復(fù)型。醋酸纖維素（AC紙）和火棉膠都可以作中間復(fù)型。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)圖圖10-2110-21為合金鋼回火組織及低碳鋼冷脆斷口的二級(jí)復(fù)型照片為合金鋼回火組織及低碳鋼冷脆斷口的二級(jí)復(fù)型照片材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.1 復(fù)型技術(shù)（三）萃取復(fù)型（三）萃取復(fù)型在需要對(duì)第二相粒子形狀、大小和分布進(jìn)行分析的同時(shí)對(duì)第二相粒子進(jìn)行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析時(shí)。(a) (b)(a) (b)圖圖10-22 (a) 10-22 (a) 萃取復(fù)型制備示意圖萃

18、取復(fù)型制備示意圖 (b)(b)鋼中氧化物萃取復(fù)型鋼中氧化物萃取復(fù)型TEMTEM照片照片材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.2 粉末樣品制備技術(shù)這種方法多用于氧化物陶瓷材料。這是最簡(jiǎn)單的試樣制備方法，它表面污染小，可以看到幾納米的非常薄的區(qū)域。(a) (b)(a) (b)圖圖10-23 10-23 粉末樣品的制備方法粉末樣品的制備方法（a a）TEMTEM粉末樣品制備所需各種銅網(wǎng)粉末樣品制備所需各種銅網(wǎng)（b b）碳膜銅網(wǎng)上分布氧化鐵粒子的）碳膜銅網(wǎng)上分布氧化鐵粒子的TEMTEM照片照片材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.2 粉末樣品制備技術(shù)塑料支撐膜，常用火棉膠（硝化纖維素）或方華膜

19、（聚乙烯醇縮甲醛）來(lái)制備，主要特點(diǎn)是制備簡(jiǎn)便，適用于作為分辨率要求不高的樣品支撐膜。具體制備方法：a. 配制濃度為13的火棉膠醋酸戊酯溶液b. 在玻璃容器內(nèi)注入蒸餾水，用滴管在水面上滴一滴預(yù)先配置好的塑料溶液。c. 把銅網(wǎng)粗糙的一面放在浮于水面上的塑料膜上，銅網(wǎng)之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x（35mm），一張完整的支撐膜上通常可以貼放數(shù)十個(gè)銅網(wǎng)。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.3 電解減薄技術(shù)這個(gè)方法主要用于金屬和合金的薄膜試樣的制備。首先，將塊狀試樣用切割機(jī)切成0.2mm左右的薄片。接著，將這個(gè)薄片在砂紙上機(jī)械研磨到0.1mm厚。圖圖10-2410-24雙噴電解減薄雙噴電解減薄V VI I曲線

20、曲線材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.3 電解減薄技術(shù)表表10-3 10-3 常用各種類型的電解減薄液和減薄條件常用各種類型的電解減薄液和減薄條件材料方法條件Al和Al合金電解拋光 62磷酸14硫酸/L鉻酸912V化學(xué)拋光 40mL氫氟酸60mL水氯化鎳電解拋光20高氯酸80乙醇1520V，70（80-75）甲醇30（20-25）硝酸1220V，左右Cr合金電解拋光 5高氯酸95甲醇40Co合金電解拋光 2高氯酸8檸檬酸10丙酮80乙醇/L硫氰化鈉25，Cu化學(xué)拋光 50硝酸25醋酸25磷酸銅合金電解拋光20硝酸80甲醇33硝酸67 甲醇59V，Cu-Ni合金 電解拋光 30mL硝酸5

21、0mL醋酸10mL磷酸2.9V，F(xiàn)e，低合金鋼不銹鋼化學(xué)拋光 50鹽酸10硝酸5磷酸35水 或5鹽酸30硝酸10氫氟酸45水熱熱電解拋光 133mL醋酸7mL水鉻酸2530V，材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.3 電解減薄技術(shù)續(xù)上表續(xù)上表材料方法條件不銹鋼化學(xué)拋光 45水30硝酸10氫氟酸15鹽酸電解拋光 5高氯酸95醋酸60磷酸40硫酸 10高氯酸90乙醇20V，25V12V，GaAs化學(xué)拋光 鹽酸：過(guò)氯化氫：水40：4：1Ge化學(xué)拋光 氫氟酸:：硝酸：丙酮：溴15:25:15:0.32minMg-Al合金化學(xué)拋光80正磷酸20乙醇Mo，Mo合金電解拋光1高氯酸99乙醇3050V，不

22、銹鋼陰極電解拋光 75%酒精25硫酸Ni合金噴射 10硝酸90水Ni基高溫合金電解拋光 10高氯酸90丙酮鉑陽(yáng)極電解拋光20高氯酸80酒精22V，Nb，Nb合金 化學(xué)噴射60硝酸40氫氟酸材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.3 電解減薄技術(shù)續(xù)上表續(xù)上表材料方法條件Si化學(xué)薄化 氫氟酸：硝酸：醋酸1：3：2Ti化學(xué)拋光 30氫氟酸（濃度48）70硝酸Ti合金電解拋光 30mL高氯酸（30濃度）175mL丁醇300mL甲醇1120V不銹鋼陰極Ti-Al合金 電解拋光 甲醇：丁醇：高氯酸60：35：5Ti-Ni合金 電解拋光6高氯酸94甲醇20V，W及W合金電解拋光氫氧化鈉100mL水5VU電

23、解拋光 133mL醋酸鉻酐（CrO3）3540V，V合金電解拋光 /L氫氧化鈉水溶液5VZn電解拋光 50正磷酸50乙醇Zr電解拋光 2高氯酸98甲醇材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.3 電解減薄技術(shù)電解減薄后，要迅速將薄膜試樣放入酒精或丙酮等溶液中漂洗干凈。漂洗不干凈時(shí)，試樣表面就會(huì)形成一層氧化物之類的污染層，給分析帶來(lái)較大的影響。圖圖10-25 10-25 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)MTP-1AMTP-1A磁力驅(qū)動(dòng)雙噴電解減薄器磁力驅(qū)動(dòng)雙噴電解減薄器材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.4 超薄切片法切片方法普遍用于生物試樣的薄片制備和比較軟的無(wú)機(jī)材料的切割。圖圖10-25 10-25 超薄切片

24、示意圖超薄切片示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.5 離子減薄技術(shù)近年來(lái)，這種方法已廣泛用于半導(dǎo)體、燒結(jié)陶瓷材料，以及多層膜的電鏡試樣的制備。圖圖10-26 10-26 離子減薄法制樣步驟離子減薄法制樣步驟材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.5 離子減薄技術(shù)圖圖10-27 10-27 離子減薄后的離子減薄后的CuNiCuNi合金薄膜樣品合金薄膜樣品( (低倍低倍) )薄區(qū)薄區(qū)遠(yuǎn)離薄區(qū)的區(qū)域遠(yuǎn)離薄區(qū)的區(qū)域材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.3.6 聚焦離子束（FIB）方法目前利用FIB制備TEM樣品有兩種方法：一是“刻槽法（trench method）”二是“取出法（lift

25、-out method）”（a a）刻槽法）刻槽法 （b b）提出法）提出法圖圖10-28 FIB10-28 FIB制備透射電鏡樣品示意圖制備透射電鏡樣品示意圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4 電子衍射12電子衍射原理電子衍射原理電子衍射圖的分析及標(biāo)定電子衍射圖的分析及標(biāo)定 34復(fù)雜電子衍射花樣復(fù)雜電子衍射花樣高分辨電子顯微鏡高分辨電子顯微鏡材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4 電子衍射電子衍射的原理和X射線衍射相似，是以滿足（或基本滿足）布拉格方程作為產(chǎn)生衍射的必要條件。兩種衍射技術(shù)所得到的衍射花樣在幾何特征上也大致相似。多晶體的電子衍射花樣是一系列不同半徑的同心圓環(huán)，單晶衍射花

26、樣由排列得十分整齊的許多斑點(diǎn)所組成。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4 電子衍射圖圖10-29 10-29 典型的電子衍射花樣典型的電子衍射花樣（a a）單晶電子衍射花樣；（）單晶電子衍射花樣；（b b）多晶電子衍射花樣；（）多晶電子衍射花樣；（c c）非晶電子衍射花樣）非晶電子衍射花樣材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理（一）布拉格定律（一）布拉格定律當(dāng)一束平面單色波照射到晶體上時(shí)，各族晶面與電子束成不同坡度，電子束在晶面上的掠射角為，按波的理論，兩支散射束相干加強(qiáng)的條件為波程差是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。 2dsin= 2dsin= (10-15) 2d 2d (10-16

27、) sin=/2d10-2sin=/2d10-2 =10-2rad1 =10-2rad1材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理（二）（二） 倒易點(diǎn)陣與愛(ài)瓦爾德球圖解法倒易點(diǎn)陣與愛(ài)瓦爾德球圖解法1 1、 倒易點(diǎn)陣的概念倒易點(diǎn)陣的概念人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果把晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為正點(diǎn)陣，它與其電子衍射斑點(diǎn)之間可以通過(guò)另外一個(gè)假想的點(diǎn)陣很好地聯(lián)系起來(lái)，這就是倒易點(diǎn)陣。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理圖圖10-30 10-30 倒易基失和正空間基失之間關(guān)系倒易基失和正空間基失之間關(guān)系材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理倒易點(diǎn)陣是與正點(diǎn)陣

28、相對(duì)應(yīng)的量綱為長(zhǎng)度倒數(shù)的一個(gè)三維空間（倒易點(diǎn)陣）點(diǎn)陣，設(shè)正點(diǎn)陣的原點(diǎn)為O，基矢為a，b，c，倒易點(diǎn)陣的原點(diǎn)為O*，基矢為a*，b*，c*(圖10-30)，則有 a a* *=b=bc/V, bc/V, b* *=c=ca/Va/V c c* *=a=ab/V b/V (10-17)式中V為正點(diǎn)陣中單胞的體積： V=a(bV=a(bc)=b(cc)=b(ca)=c(aa)=c(ab) b) (10-18)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理（1）根據(jù)式(10-17) a a* *b=ab=a* *c=bc=b* *a=ba=b* *c=cc=c* *b=0 b=0 (10-

29、19) a a* *a=ba=b* *b=cb=c* *c=1 c=1 (10-20)（2）在倒易點(diǎn)陣中，由原點(diǎn)O*指向任意坐標(biāo)為（h,k,l）的陣點(diǎn)的矢量ghkl(倒易矢量)為 ghkl=haghkl=ha* *+kb+kb* *+lc+lc* * (10-21)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理（3）倒易矢量的長(zhǎng)度等于正點(diǎn)陣中相應(yīng)晶面間距的倒數(shù)，即 ghkl=1/dhkl ghkl=1/dhkl (10-22)（4）對(duì)正交點(diǎn)陣，有 a a* */a, b/a, b* */b, c/b, c* */c, a/c, a* *=1/a.,=1/a., b b* *=1/b

30、,c=1/b,c* *=1/c =1/c (10-23)(5) 只有在立方點(diǎn)陣中，晶面法向和同指數(shù)的晶向是重合（平行）的。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理2 2、愛(ài)瓦爾德球圖解法、愛(ài)瓦爾德球圖解法圖圖10-31 10-31 愛(ài)瓦爾德球愛(ài)瓦爾德球材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理在倒易空間中，畫出衍射晶體的倒易點(diǎn)陣，以倒易原點(diǎn)O*為端點(diǎn)作入射波的波矢量k（即圖10-31中的矢量OO*），該矢量平行于入射束方向，長(zhǎng)度等于波長(zhǎng)的倒數(shù)，即 k=1/, k=1/, (10-24) kk=g kk=g (10-25) O O* *D=OOD=OO* *si

31、nsin (10-26) 2dsin= 2dsin= 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理（三）晶帶定理與零層倒易截面（三）晶帶定理與零層倒易截面晶體中的許多晶面族（hkl）同時(shí)與一個(gè)晶向uvw平行時(shí)，這些晶面族總稱為一個(gè)晶帶，這個(gè)晶向稱為晶帶軸。 hu + kv +1w = 0 hu + kv +1w = 0 （10-27） u=k1l2-k2l1, v=l1h2-l2h1, w=h1k2-h2k1 u=k1l2-k2l1, v=l1h2-l2h1, w=h1k2-h2k1 （10-28）或?qū)懗杀阌谶\(yùn)算的形式材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理在它

32、上面或下面并與之平行的第N 層(uvw) * 倒易面不通過(guò)原點(diǎn)， g r = N g r = N 或 hu + kv + lw = Nhu + kv + lw = N （10-29）進(jìn)行電子衍射分析時(shí)，大都是以零層倒易面作為主要分析對(duì)象的，此時(shí) ghkl r = 0ghkl r = 0或 hu + kv +lw =0 hu + kv +lw =0 (10-30)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理圖圖10-3210-32為正空間中晶體的為正空間中晶體的uvwuvw晶帶及其相應(yīng)的零層倒易截面晶帶及其相應(yīng)的零層倒易截面材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理

33、 uvw=gh1k1l1 uvw=gh1k1l1gh2k2l2 gh2k2l2 (10-31)圖圖10-3310-33立方晶體立方晶體001001晶帶的倒易平面晶帶的倒易平面（a a）正空間）正空間 （b b）倒易矢量）倒易矢量材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理圖圖10-34 10-34 體心立方低指數(shù)晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面圖體心立方低指數(shù)晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.1 電子衍射原理圖圖10-35 10-35 面心立方低指數(shù)晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面圖面心立方低指數(shù)晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面圖材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電

34、子衍射圖的分析及標(biāo)定 （一）已知相機(jī)常數(shù)和樣品晶體結(jié)構(gòu)（一）已知相機(jī)常數(shù)和樣品晶體結(jié)構(gòu)兩者的夾角可用公式求得 (10-32) h1+h2=h3 h1+h2=h3， k1+k2=k3k1+k2=k3， l1+l2=l3l1+l2=l3(10-33) uvw=gh1k1l1 uvw=gh1k1l1gh2k2l2 gh2k2l2 (10-34)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 圖圖10-36 10-36 單晶電子衍射花樣的標(biāo)定單晶電子衍射花樣的標(biāo)定材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 相機(jī)常數(shù)未知、晶體結(jié)構(gòu)已知時(shí)衍射花樣的標(biāo)定量數(shù)個(gè)

35、斑點(diǎn)的R值（靠進(jìn)中心斑點(diǎn)，但不在同一直線上），按數(shù)個(gè)斑點(diǎn)R值的大小排序，若把排好序的R1，R2，R3值平方，則 R12 R12：R22R22：R32R32：=N1=N1：N2N2：N3 N3 (10-35)（1 1） 四方晶體四方晶體已知 d=1/(h2+k2)/a2+l2/c21/2 d=1/(h2+k2)/a2+l2/c21/2 (10-36)故 1/d2=1/d2=（h2+k2h2+k2）/a2+l2/c2/a2+l2/c2材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 (2 )(2 )立方晶體立方晶體知 d=1/4(h2+hk+k2)/3a2+l2/c21/2 d

36、=1/4(h2+hk+k2)/3a2+l2/c21/2 (10-38) 1/d2=4/31/d2=4/3(h2+hk+k2)/a2+l2/c2(h2+hk+k2)/a2+l2/c2令h2+hk+k2=P，六方晶體l=0的hk0面族有R12R12：R22R22：R32R32：=P1=P1：P2P2：P3P3：=1=1：3 3：4 4：7 7：9 9：1212：1313：1616：1919：2121材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 （三）未知晶體結(jié)構(gòu)。（三）未知晶體結(jié)構(gòu)。相機(jī)常數(shù)已知時(shí)衍射花樣的標(biāo)定。（1） 測(cè)定底指數(shù)斑點(diǎn)的R值。（2） 根據(jù)R，計(jì)算各個(gè)d值。（

37、3） 查ASTM卡片和各d值都相符的物相即為待測(cè)的晶體。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 （四）標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照法（四）標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照法這是一種簡(jiǎn)單易行而又常用的方法。事實(shí)上，所謂標(biāo)準(zhǔn)花樣就是各種晶體點(diǎn)陣主要晶帶的零層倒易截面的放大像，它可以根據(jù)晶帶定理和相應(yīng)晶體點(diǎn)陣的消光規(guī)律繪出。標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)照法即是將實(shí)際觀察、記錄的衍射花樣直接與標(biāo)準(zhǔn)花樣對(duì)比，寫出斑點(diǎn)的指數(shù)并確定晶帶軸的方向。一個(gè)較熟練的電鏡工作者，對(duì)常見的主要晶帶標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣是熟悉的。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 （五）多晶體電子衍射花樣標(biāo)定（五）多晶體電子衍射花樣標(biāo)定

38、樣品為多晶體時(shí)，電子衍射和X射線粉末法所得花樣的幾何特征非常相似，由一系列不同半徑的同心圓環(huán)所組成。圖圖10-37 10-37 多晶體電子衍射多晶體電子衍射花樣的產(chǎn)生花樣的產(chǎn)生材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 下面以面心立方TiC晶粒的標(biāo)定為例說(shuō)明，步驟如下：1、測(cè)量園環(huán)半徑Ri（通常是測(cè)量直徑Di，Ri=Di/2這樣測(cè)量的精度較高）。2、由d=L/R式，計(jì)算dEi，并與已知晶體粉末卡片或d值表上的dTi比較，確定各環(huán)hkli。 材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 圖圖10-38 10-38 面心立方面心立方TiCTiC多晶

39、電子衍射圖的標(biāo)定（上）多晶電子衍射圖的標(biāo)定（上）材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法10.4.2 電子衍射圖的分析及標(biāo)定 圖圖10-38 10-38 面心立方面心立方TiCTiC多晶電子衍射圖的標(biāo)定（下）多晶電子衍射圖的標(biāo)定（下）編號(hào)12345Di(1)19.022.231.636.638.5Di(2)18.521.530.035.037.0Ri9.3810.9315.3617.8818.88Ri287.89119.36236.39319.52356.27Ri2/ R1211.362.693.644.05Ri2/ R12334.0712.168.0710.91N3481112hkli1112002

40、20222311材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣（一）孿晶斑點(diǎn)（一）孿晶斑點(diǎn)材料在凝固、相變和變形過(guò)程中，晶體內(nèi)的一部分相對(duì)于基體按一定的對(duì)稱關(guān)系生成，即形成孿晶。圖圖10-39 10-39 面心立方晶體孿晶的衍射花樣及標(biāo)定面心立方晶體孿晶的衍射花樣及標(biāo)定材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣對(duì)立方晶體可采用下列公式計(jì)算ht=-h+p(ph+qk+rl)/3ht=-h+p(ph+qk+rl)/3kt=-k+q(ph+qk+rl)/3 kt=-k+q(ph+qk+rl)/3 （10-39）lt=-l+r(ph+qk+rl)/3lt=-l+

41、r(ph+qk+rl)/3對(duì)于面心立方晶體，其計(jì)算公式為ht=-h+2p(ph+qk+rl)/3ht=-h+2p(ph+qk+rl)/3kt=-k+2q(ph+qk+rl)/3 kt=-k+2q(ph+qk+rl)/3 （10-40）lt=-l+2r(ph+qk+rl)/3lt=-l+2r(ph+qk+rl)/3材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣圖圖10-40 10-40 面心立方銅的攣晶衍射斑點(diǎn)面心立方銅的攣晶衍射斑點(diǎn)材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣（二）菊池衍射花樣（二）菊池衍射花樣在透射電鏡操作過(guò)程中，如果樣品晶體比較厚（約在最大可穿透厚度的一半以上）、樣品內(nèi)缺陷的密度較低，我們經(jīng)常會(huì)看到在其衍射花樣中，除了規(guī)則的斑點(diǎn)以外，還常常出現(xiàn)一些亮、暗成對(duì)的平行線條，這就是所謂菊池線或菊池衍射花樣。材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣圖圖10-4110-41典型的菊池衍射花樣典型的菊池衍射花樣材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電子衍射花樣圖圖10-42 10-42 菊池線的產(chǎn)生及其衍射花樣菊池線的產(chǎn)生及其衍射花樣材料現(xiàn)代研究方法材料現(xiàn)代研究方法 10.4.3 復(fù)雜電