材料分析測(cè)試方法第十一節(jié)透射電子顯微鏡ppt課件

1、1物理學(xué)院物理學(xué)院 邢曉東邢曉東xingxdnankai.ed件保存于：課件保存于：cailiaofenxi2019163密碼：密碼：xingxiaodong2一、透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)一、透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)二、透射電子顯微鏡的工作原理二、透射電子顯微鏡的工作原理3透射電鏡的組成部分：（1電子光學(xué)系統(tǒng)電鏡的核心部分，為直立積木式結(jié)構(gòu)鏡筒），上面是照明系統(tǒng)，中間是成像放大系統(tǒng)，下面是觀察與記錄系統(tǒng)；（2真空系統(tǒng) 為鏡筒提供10-4 10-6 Torr的真空度（3電源系統(tǒng)（4循環(huán)冷卻系統(tǒng)（5控制系統(tǒng)4照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng) 透射電

2、鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、原理與光學(xué)顯微鏡很相似，均包括三個(gè)部分：5透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)圖 透射電子顯微鏡的剖面圖 6（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)組成部分：電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對(duì)中、傾斜調(diào)節(jié)裝置作用：提供一束亮度高、相干性好能量穩(wěn)定、平行度好）、照明孔徑角小和束流穩(wěn)定的照明源。通過(guò)聚光鏡的控制可以實(shí)現(xiàn)從平行照明到大會(huì)聚角的照明條件。為滿足中心暗場(chǎng)成像的需要，照明電子束可在23范圍內(nèi)傾斜。7（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)A、電子槍類(lèi)型：熱電子發(fā)射型、場(chǎng)發(fā)射型熱電子發(fā)射型的熱陰極三極電子槍?zhuān)宏帢O：燈絲鎢、LaB6）陽(yáng)極：中央帶小孔的金屬板， 接地給電子加速）柵極：控制極，使電子束強(qiáng)烈 會(huì)聚

3、成實(shí)際電子源）圖 電子槍結(jié)構(gòu)示意圖1：陰極； 2：柵極； 3：陽(yáng)極；4：電子束交叉點(diǎn) 8（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng) 電鏡中唯一的靜電透鏡，等電位面在空間呈彎曲狀；電子槍交叉點(diǎn)即所電鏡中唯一的靜電透鏡，等電位面在空間呈彎曲狀；電子槍交叉點(diǎn)即所謂的電子源，交叉點(diǎn)處電子束直徑約幾十微米。謂的電子源，交叉點(diǎn)處電子束直徑約幾十微米。（a自偏壓回路自偏壓回路（b電子槍結(jié)構(gòu)圖電子槍結(jié)構(gòu)圖9（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)陰極材料：六硼化鑭LaB6）為了提高照明亮度，隨后發(fā)明了電子逸出功小的材料作陰極。它比鎢絲陰極的亮度高12數(shù)量級(jí)，而且使用壽命增長(zhǎng)。圖 LaB6電子槍的結(jié)構(gòu)原理圖 10（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)‵EG

4、：field emission gun目前亮度最高的電子槍。在金屬表面加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，金屬表面的勢(shì)壘就變小，由于隧穿效應(yīng)，金屬內(nèi)部的電子穿過(guò)勢(shì)壘從金屬表面發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為場(chǎng)發(fā)射。圖 場(chǎng)致發(fā)射電子槍結(jié)構(gòu)原理圖 11（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)表表 各種電子槍特性比較各種電子槍特性比較12（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)B、聚光鏡系統(tǒng)Condenser Lens) 聚光鏡用來(lái)會(huì)聚電子槍發(fā)出的電子束，以最小的損失照明樣品即將電子槍第一交叉點(diǎn)的電子束聚集到試樣上），并調(diào)節(jié)控制該處的照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑尺寸。照明系統(tǒng)光路圖照明系統(tǒng)光路圖13（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)光路圖照明系統(tǒng)光路圖雙聚光鏡系統(tǒng)：雙聚光鏡系統(tǒng)：第

5、一聚光鏡：短焦距的強(qiáng)激磁透第一聚光鏡：短焦距的強(qiáng)激磁透鏡鏡束斑縮小率約為束斑縮小率約為1/101/50，將，將電子槍第一交叉點(diǎn)束斑直徑電子槍第一交叉點(diǎn)束斑直徑50 m ）縮小為）縮小為15m；第二聚光鏡：長(zhǎng)焦距的弱激磁透第二聚光鏡：長(zhǎng)焦距的弱激磁透鏡鏡適焦時(shí)放大倍數(shù)為適焦時(shí)放大倍數(shù)為12倍；倍；樣品表面上的電子照明束斑直徑樣品表面上的電子照明束斑直徑為為210m；14（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)雙聚光鏡系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：雙聚光鏡系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：聚光鏡和物鏡之間有足夠的空間放置聚光鏡和物鏡之間有足夠的空間放置樣品和其他裝置；樣品和其他裝置；方便調(diào)節(jié)束斑尺寸，滿足滿屏要求和方便調(diào)節(jié)束斑尺寸，滿足滿屏要求和亮度要求，電子

6、束的平行性和相干性亮度要求，電子束的平行性和相干性都較好；都較好；15照強(qiáng)度。照強(qiáng)度。光闌孔直徑：光闌孔直徑：2020400 400 m m1617（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)DF物鏡光闌：選擇透射斑為明場(chǎng)像；衍射斑為暗場(chǎng)像；遠(yuǎn)軸電子，球差和像散嚴(yán)重，圖像質(zhì)量不高；18C、電子束傾斜與平移裝置、電子束傾斜與平移裝置電磁偏轉(zhuǎn)器：作用是使入射電子束平移和傾斜。電磁偏轉(zhuǎn)器：作用是使入射電子束平移和傾斜。19C、電子束傾斜與平移裝置、電子束傾斜與平移裝置通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)器使入射電子束平移和傾斜。通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)器使入射電子束平移和傾斜。中心暗場(chǎng)成像中心暗場(chǎng)成像CDFCDF：入射電子偏轉(zhuǎn)：入射電子偏轉(zhuǎn)22，衍射束平行于

7、光軸，衍射束平行于光軸，圖像分辨率高；圖像分辨率高；20（1照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)光路圖照明系統(tǒng)光路圖照明系統(tǒng)的作用：照明系統(tǒng)的作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好相干性好）、束流穩(wěn)平行度好相干性好）、束流穩(wěn)定的電子束；定的電子束；電子束的相干性：電子束的相干性：指電子波相互之間具有相同的頻指電子波相互之間具有相同的頻率和恒定的相位差。率和恒定的相位差。時(shí)間相干性：類(lèi)似于單色光，相時(shí)間相干性：類(lèi)似于單色光，相干的電子束要求具有相同的波長(zhǎng)，干的電子束要求具有相同的波長(zhǎng)，即相同的能量；即相同的能量；空間相干性：與電子源的尺寸有空間相干性：與電子源的尺寸有關(guān)，

8、理想的空間相干性是所有電關(guān)，理想的空間相干性是所有電子從電子源的一個(gè)點(diǎn)發(fā)出。電子子從電子源的一個(gè)點(diǎn)發(fā)出。電子源的尺寸越小，電子束的相干性源的尺寸越小，電子束的相干性越好，亮度也越高，但穩(wěn)定性降越好，亮度也越高，但穩(wěn)定性降低。低。21樣品室：樣品平移與傾斜裝置樣品室：樣品平移與傾斜裝置樣品室：承載樣品銅網(wǎng)：3mm），位于照明部分和物鏡之間承載樣品，并使樣品能在物鏡極靴孔內(nèi)平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進(jìn)行觀察分析。要求：樣品在樣品臺(tái)中保持良好的熱、電接觸；樣品移動(dòng)機(jī)構(gòu)有足夠的機(jī)械精度；樣品可以相對(duì)于電子束照射方向傾斜。側(cè)插式傾斜裝置22Double Tilt Holder 3mm

9、 size limitation樣品室：樣品平移與傾斜裝置樣品室：樣品平移與傾斜裝置23樣品室：樣品平移與傾斜裝置樣品室：樣品平移與傾斜裝置24（2成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)1874年，德國(guó)人阿貝年，德國(guó)人阿貝(E. Abbe)從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)提出了一種成像理論，把物體通過(guò)從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)提出了一種成像理論，把物體通過(guò)凸透鏡成像的過(guò)程分成兩步：凸透鏡成像的過(guò)程分成兩步：從物體發(fā)出的光發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射，在透鏡的像方焦平面上形成其傅里葉頻譜圖；從物體發(fā)出的光發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射，在透鏡的像方焦平面上形成其傅里葉頻譜圖；像方焦平面上頻譜圖各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的球面次級(jí)波在像平面上相干疊加形成物體的像。像方焦平面上

10、頻譜圖各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的球面次級(jí)波在像平面上相干疊加形成物體的像。電磁透鏡成像和光學(xué)透鏡成像一樣可分為兩個(gè)過(guò)程：電磁透鏡成像和光學(xué)透鏡成像一樣可分為兩個(gè)過(guò)程：第一，是平行電子束與樣品作用產(chǎn)生衍射波經(jīng)物鏡聚焦后在物鏡背焦面形成衍射譜第一，是平行電子束與樣品作用產(chǎn)生衍射波經(jīng)物鏡聚焦后在物鏡背焦面形成衍射譜衍射斑），即物的結(jié)構(gòu)信息通過(guò)衍射譜呈現(xiàn)出來(lái)。該過(guò)程可用傅里葉變換來(lái)描述。衍射斑），即物的結(jié)構(gòu)信息通過(guò)衍射譜呈現(xiàn)出來(lái)。該過(guò)程可用傅里葉變換來(lái)描述。第二，是背焦面上的衍射斑發(fā)出的球面次級(jí)波通過(guò)干涉重新在像面上形成反應(yīng)樣品特第二，是背焦面上的衍射斑發(fā)出的球面次級(jí)波通過(guò)干涉重新在像面上形成反應(yīng)樣品特征的像。該

11、過(guò)程是傅里葉變換的逆變換。征的像。該過(guò)程是傅里葉變換的逆變換。25（2成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)的核心：三組電磁透鏡、兩個(gè)金屬光闌和消像散器；電磁透鏡用于成像和放大，其數(shù)目取決于所需的最大放大倍數(shù)。光闌限制電子束，調(diào)整襯度和選擇圖像范圍。物鏡：強(qiáng)激磁、短焦距、低像差、高分辨率、放大倍數(shù)100300倍 中間鏡：弱激磁、長(zhǎng)焦距、變倍透鏡、020倍放大鏡其物平面與物鏡的像平面重合衍射鏡其物平面與物鏡后焦面重合投影鏡：強(qiáng)激磁、短焦距、景深大一般都設(shè)置兩個(gè)中間鏡和兩個(gè)投影鏡。物鏡物鏡中間鏡中間鏡投影鏡投影鏡26物鏡：作用是第一次形成高分辨率電子顯微圖物鏡：作用是第一次形成高分辨率電子顯微圖像或

12、電子衍射花樣。物鏡在成像系統(tǒng)中最重要，像或電子衍射花樣。物鏡在成像系統(tǒng)中最重要，決定了儀器的分辨本領(lǐng)和圖像的分辨率和襯度，決定了儀器的分辨本領(lǐng)和圖像的分辨率和襯度，因此必須降低其像差；因此必須降低其像差；組成：物鏡、物鏡光闌和消像散器；組成：物鏡、物鏡光闌和消像散器； 物鏡：強(qiáng)激磁、短焦距、低像差、高分辨率、物鏡：強(qiáng)激磁、短焦距、低像差、高分辨率、放大倍數(shù)放大倍數(shù)100100300300倍；倍；物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精度；目前，高質(zhì)量的物鏡分辨率可達(dá)度；目前，高質(zhì)量的物鏡分辨率可達(dá)0.1nm0.1nm左左右。右。27物鏡光闌：也叫襯度光闌

13、。物鏡光闌：也叫襯度光闌。作用：減小像差球差、像散和色差）；提高圖像襯度；進(jìn)作用：減小像差球差、像散和色差）；提高圖像襯度；進(jìn)行暗場(chǎng)及衍襯成像操作。行暗場(chǎng)及衍襯成像操作。光闌孔直徑：光闌孔直徑：2020120120m m 一般安放在物鏡的后焦面上。一般安放在物鏡的后焦面上。 選擇不同的電子透射束、散射選擇不同的電子透射束、散射束或衍射束進(jìn)行成像。束或衍射束進(jìn)行成像。 改善和調(diào)節(jié)圖像的最終襯度。改善和調(diào)節(jié)圖像的最終襯度。28物鏡光闌都用無(wú)磁性的金屬鉑、鉬等制造。物鏡光闌都用無(wú)磁性的金屬鉑、鉬等制造。高性能電鏡中常用抗污染光闌或稱(chēng)自潔光闌。高性能電鏡中常用抗污染光闌或稱(chēng)自潔光闌。光闌孔周?chē)_(kāi)口，電

14、光闌孔周?chē)_(kāi)口，電子束照射后熱量不易子束照射后熱量不易散出，處于高溫狀態(tài)，散出，處于高溫狀態(tài)，污染物不易沉積。污染物不易沉積。29消像散器消像散器像散是由于透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)而引起的，可以通過(guò)引入矯正磁像散是由于透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)而引起的，可以通過(guò)引入矯正磁場(chǎng)激磁強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向可以調(diào)節(jié)改變來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，把固有的橢場(chǎng)激磁強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向可以調(diào)節(jié)改變來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，把固有的橢圓形磁場(chǎng)校正成軸對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)，起到消除像散的作用。圓形磁場(chǎng)校正成軸對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)，起到消除像散的作用。消像散器：機(jī)械式、電磁式；消像散器：機(jī)械式、電磁式；一般安裝在透鏡的上、下極靴之間。一般安裝在透鏡的上、下極靴之間。30選區(qū)光闌：也叫場(chǎng)限

15、光闌或視場(chǎng)光闌選區(qū)光闌：也叫場(chǎng)限光闌或視場(chǎng)光闌作用：通過(guò)調(diào)節(jié)選區(qū)光闌的位置和大作用：通過(guò)調(diào)節(jié)選區(qū)光闌的位置和大小，可以選擇所要觀察的試樣區(qū)域；小，可以選擇所要觀察的試樣區(qū)域；實(shí)際是通過(guò)選擇由物鏡放大的圖像范實(shí)際是通過(guò)選擇由物鏡放大的圖像范圍來(lái)限制產(chǎn)生衍射的試樣區(qū)域范圍。圍來(lái)限制產(chǎn)生衍射的試樣區(qū)域范圍。位置：位于物鏡像平面附近；位置：位于物鏡像平面附近；光闌孔直徑：光闌孔直徑：2020400400m m31（2成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)弱激磁、長(zhǎng)焦距、變倍弱激磁、長(zhǎng)焦距、變倍0 02020倍透鏡；倍透鏡；進(jìn)一步放大物鏡所成的像。通過(guò)調(diào)節(jié)中間鏡進(jìn)一步放大物鏡所成的像。通過(guò)調(diào)節(jié)中間鏡的可變倍率來(lái)控制電

16、鏡的總放大倍數(shù)。的可變倍率來(lái)控制電鏡的總放大倍數(shù)。 中間鏡可以對(duì)中間鏡可以對(duì)“像或像或“衍射斑點(diǎn)聚衍射斑點(diǎn)聚焦，這也決定了熒光屏上顯示的是焦，這也決定了熒光屏上顯示的是“像還像還是是“衍射斑點(diǎn)衍射斑點(diǎn)”：放大鏡放大鏡其物平面與物鏡的像平面重合其物平面與物鏡的像平面重合衍射鏡衍射鏡其物平面與物鏡后焦面重合其物平面與物鏡后焦面重合32（2成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)作用：將經(jīng)過(guò)中間鏡放大或縮小的像或電子衍射花樣進(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上。它的激磁電流一般是固定的。強(qiáng)激磁、短焦距、景深和焦長(zhǎng)都非常大成像電子束進(jìn)入投影鏡時(shí)孔徑角很小，約10-3rad）；33（2成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)三級(jí)放大成像系統(tǒng)不同倍率范圍時(shí)的工作光路34（3觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)觀察屏：熒光屏照相機(jī)構(gòu)：相機(jī)、照相底板計(jì)算機(jī)：觀察和輸出圖像由于透射電子顯微鏡的焦長(zhǎng)很長(zhǎng)，雖然熒光屏和底片之間有數(shù)十厘米的間距，仍能得到清晰的圖像。35TEM的基本成像原理的基本成像原理像平面像平面光柵光柵后焦面后焦面入