第三章+電子顯微分析-TEM+1

第三章電子顯微分析

——透射電子顯微分析

主要內(nèi)容二、透射電鏡的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用三、電子衍射四、透射電子顯微分析樣品制備五、電子顯微襯度像一、電子顯微基礎(chǔ)納米尺度的圖片概念1、光學(xué)顯微鏡的極限分辨率所謂分辨本領(lǐng)（分辨率）是指顯微鏡能分辨的樣品上兩點(diǎn)間的最小距離。人眼分辨率約為:

0.2mm。光學(xué)顯微鏡：極限分辯率為0.2μm。比人眼分辨率提高了1000倍。用光鏡來觀察材料內(nèi)部顯微組織，以弄清材料組織結(jié)構(gòu)、成分與性能間內(nèi)在聯(lián)系，已成為工業(yè)生產(chǎn)和科研常用的工具，發(fā)揮著很大的作用。隨著科技的發(fā)展，對(duì)顯微鏡分辨率的要求愈來愈高。光學(xué)顯微鏡：已無法分辨材料中許多更細(xì)微組織，而這些細(xì)微的組織對(duì)材料的性能有很大的影響。1、光學(xué)顯微鏡的極限分辨率光鏡分辨率為何不能再進(jìn)一步提高呢？光的衍射現(xiàn)象是限制光鏡的分辨率的主要原因。1.1光的衍射現(xiàn)象：光的波動(dòng)性，使得由透鏡各部位折射到像平面上的像點(diǎn)及其周圍區(qū)域的光波相互發(fā)生干涉作用而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。圓孔的衍射現(xiàn)象1、光學(xué)顯微鏡的極限分辨率圓孔的衍射花樣

埃利斑2.2埃利（Airy）斑：一個(gè)理想的點(diǎn)光源，經(jīng)透鏡成像，因衍射效應(yīng)，在像平面上形成一個(gè)有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)所組成的衍射花樣－埃利(Airy)斑。1、光學(xué)顯微鏡的分辨率極限3.3埃利斑大?。阂蚬鈴?qiáng)度84％集中在中央亮斑，常以埃利斑的第一暗環(huán)的半徑來衡量。由衍射理論推導(dǎo)得，埃利斑半徑R0：孔徑半角放大倍數(shù)數(shù)值孔徑可見，R0與光波長λ成正比，與數(shù)值孔徑n·sinα成反比。2R01、光學(xué)顯微鏡的極限分辨率瑞利（Rayleigh）分辨兩Airy斑像的判據(jù)：當(dāng)兩個(gè)Airy斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0，樣品上兩物點(diǎn)剛能被分辨，并定義為透鏡的分辨率Δr0

。1、光學(xué)顯微鏡的極限分辨率由此可得，透鏡的分辯本領(lǐng)：瑞利公式玻璃透鏡：可用組合辦法或設(shè)計(jì)特殊形狀的折射界面等措施來降低幾何像差，故用較大孔徑角成像，其最大孔徑角α=70o～75o；油介質(zhì)時(shí)：n≈1.5，則數(shù)值孔徑：n?sinα=1.25～1.35，代入上式得：比可見光波長更短的有：

1）紫外線——會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；

2）X射線——無法使其會(huì)聚；

3）電子波

-------德布羅意波2、電子波的波長

1924年11月，法國著名理論物理學(xué)家路易斯-維克多·德布羅意（Louls-VictordeBroglie1892-1987）鑒于光的波粒二象性，在他的博士論文《量子理論的研究》中提出著名的物質(zhì)波理論。他認(rèn)為：任何微觀運(yùn)動(dòng)著的粒子，在一定的條件下也會(huì)顯示出波動(dòng)性，即任一勻速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子都有一個(gè)波與之對(duì)應(yīng)，且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)和波的傳播分開。并且，發(fā)現(xiàn)了電子波的波長比可見光短十萬倍。這使人們想到電子束可作為新光源的可能性。法國著名理論物理學(xué)家－德布羅意路易斯-維克多·德布羅意（Louls-VictordeBroglie1892-1987）：1892年2月15日生于法國一貴族家庭。1910年，獲巴黎大學(xué)文學(xué)學(xué)士學(xué)位，后轉(zhuǎn)向理論物理學(xué)。1913年，又獲理學(xué)士學(xué)位。1929的德布羅意1923年9～10月，連續(xù)在《法國科學(xué)院通報(bào)》上發(fā)表了三篇有關(guān)波和量子的論文。1924年11月，在博士論文中提出著名物質(zhì)波理論，指出電子波動(dòng)性，為波動(dòng)力學(xué)奠定基礎(chǔ)。1929年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（第一個(gè)以學(xué)位論文獲獎(jiǎng)的學(xué)者）。2、電子波的波長那末，電子束的波長是不是很短？根據(jù)德布羅意公式，電子波長λ與其運(yùn)動(dòng)速度v

和質(zhì)量m

存在如下關(guān)系，即h—普朗克常數(shù)6.62×10-34J·s；

m—電子的質(zhì)量9.11×10-28g；

v—電子的速度m/s；

此波成為物質(zhì)波或德布羅意波。而電子速度v與它所受加速電壓V有關(guān)或電子顯微鏡所用的電壓在幾十千伏以上，必須考慮相對(duì)論效應(yīng)。經(jīng)相對(duì)論修正后，電子波長與加速電壓之間的關(guān)系為：式中m0為電子的靜止質(zhì)量，c為光速。加速電壓和電子波長的關(guān)系為加速電壓(kV)電子波長(?)相對(duì)論修正后的電子波長(?)10.38780.3876100.12260.1220500.05480.05361000.03880.037010000.01230.00873電磁透鏡的工作原理電子顯微鏡可以利用電場或磁場使電子束聚焦成像，其中用靜電場成像的透鏡稱為靜電透鏡，用電磁場成像的稱為電磁透鏡。靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前研制的電子顯微鏡中大都采用電磁透鏡。靜電透鏡根據(jù)電磁學(xué)原理，電子在靜電場中受到的電場力F為如果電子不是沿電場的方向運(yùn)動(dòng)，電場將使運(yùn)動(dòng)電子發(fā)生折射。電子在靜電場中遵循電子光學(xué)折射定律—

sin1/sin2=(V2)1/2/(V1)1/2=ne2/ne1(V)1/2起著電子光學(xué)折射率的作用靜電透鏡用來使電子槍的陰極發(fā)射出的電子會(huì)聚成很細(xì)的電子束。磁透鏡(用磁場使電子波聚焦成像)

運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中受到的洛倫茲力為q--運(yùn)動(dòng)電子電荷；v----電子運(yùn)動(dòng)速度矢量；B--磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；F-----洛侖茲力F的方向垂直于矢量v和B所決定的平面，力的方向可由右手法則確定。

。電子在磁場中的受力和運(yùn)動(dòng)有以下三種情況：①電子運(yùn)動(dòng)與磁場同向：電子不受磁場影響②電子運(yùn)動(dòng)與磁場垂直：電子在與磁場垂直的平面做均勻圓周運(yùn)動(dòng)。③電子運(yùn)動(dòng)與磁場交角θ：電子是一螺旋線電子在均勻磁場的運(yùn)動(dòng)方式電磁透鏡的磁場電磁透鏡可以放大和匯聚電子束，是因?yàn)樗a(chǎn)生的磁場沿透鏡長度方向是不均勻的，但卻是軸對(duì)稱的，其等磁位面的幾何形狀與光學(xué)玻璃透鏡的界面相似，使得電磁透鏡與光學(xué)玻璃凸透鏡具有相似的光學(xué)性質(zhì)。

4電子透鏡的缺陷和分辨距離

電子透鏡也存在缺陷，使得實(shí)際分辨距離遠(yuǎn)小于理論分辨距離，對(duì)電鏡分辨本領(lǐng)起作用的是球差、象散、色差和衍射效應(yīng)。αP’象P’’透鏡物P光軸圖球差

1)球差

球差是由于電子透鏡的中心區(qū)域和邊沿區(qū)域?qū)﹄娮拥臅?huì)聚能力不同而造成的。遠(yuǎn)軸的電子通過透鏡后折射得比近軸電子要厲害得多，以致兩者不交在一點(diǎn)上，結(jié)果在象平面成了一個(gè)漫散圓斑，半徑為還原到物平面，則

Cs為球差系數(shù)，最佳值是0.3mm。

α為孔徑角，透鏡分辨本領(lǐng)隨其增大而迅速變壞。2)象散

磁場不對(duì)稱時(shí)，就出現(xiàn)象散。有的方向電子束的折射比別的方向強(qiáng)，如圖所示，在A平面運(yùn)行的電子束聚焦在PA點(diǎn)，而在B平面運(yùn)行的電子聚焦在PB點(diǎn)，依次類推。這樣，圓形物點(diǎn)的象就變成了橢圓形的漫散圓斑，其平均半徑為還原到物平面

ΔfA

為象散引起的最大焦距差；透鏡磁場不對(duì)稱，可能是由于極靴被污染，或極靴的機(jī)械不對(duì)稱性，或極靴材料各項(xiàng)磁導(dǎo)率差異引起。

象散可由附加磁場的電磁消象散器來校正。平面BPA透鏡平面物P光軸PBΔfA平面A圖象散2)象散

3)色差

色差是由于入射電子波的波長和能量發(fā)生一定的變化所造成的。電子透鏡的焦距隨著電子能量而改變，因此，能量不同的電子束將沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的漫散圓斑還原到物平面，其半徑為

Cc是透鏡的色差系數(shù)，大致等于其焦距，ΔE/E是電子能量的變化率。引起電子束能量變化的主要有兩個(gè)原因：一是電子的加速電壓不穩(wěn)定；二是電子束照射到試樣時(shí)，和試樣相互作用，一部分電子發(fā)生非彈性散射，致使電子的能量發(fā)生變化。

使用薄試樣和小孔徑光闌將散射角大的非彈性散射電子擋掉，將有助于減小色散。能量為E的電子軌跡象1透鏡物P光軸圖色差能量為E-ΔE的電子軌跡象2

在電磁透鏡中，除了衍射效應(yīng)外，球差對(duì)分辨率的影響最為重要，因?yàn)闆]有一種簡便的方法使其矯正過來。而其他像差在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┦强梢韵摹ayAttention!電磁透鏡分辨率（分辨距離、分辨本領(lǐng)）顯微鏡的分辨本領(lǐng)基本上決定于球差和衍射。電子透鏡中，可通過減小孔徑角的方法來減小球差，提高分辨本領(lǐng)，但不能過小。

顯微鏡的分辨極限是：

在電鏡情況下：

可見，光闌尺寸過小，會(huì)使分辨本領(lǐng)變差，但過大則球差變大。這就是說，光闌的最佳尺寸應(yīng)該是球差和衍射兩者所限定的值。

目前，通用的較精確的理論分辨本領(lǐng)公式和最佳孔徑角公式為：

將各類電鏡缺陷的影響減至最小，電子透鏡的分辨本領(lǐng)比光學(xué)透鏡提高了一千倍左右。返回

5電子透鏡的景深和焦深

電子透鏡分辨本領(lǐng)大，場深（景深）大，焦深長。

景深是指在保持象清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說試樣超越物平面所允許的厚度。

焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動(dòng)距離。電子透鏡所以有這種特點(diǎn)，是由于所用的孔徑角非常小的緣故。這種特點(diǎn)在電子顯微鏡的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有重大意義。景深與電磁透鏡分辨本領(lǐng)dmin、孔徑半角α之間的關(guān)系為Df=2dmin/α若dmin

約為5埃，α

=7*10-3弧度時(shí)，Df大約是1400埃，這就是說，厚度小于1400埃的試樣，其間所有細(xì)節(jié)都可調(diào)焦成象。由于電子透鏡景深大，電子透鏡可用于斷口觀察。焦深DL=DfM2

這里的M是總放大倍數(shù)?？梢姡股钍呛艽蟮?。例如，M=104，Df

=1400埃時(shí)，DL=14米。因此，當(dāng)用傾斜觀察屏觀察象時(shí)，以及當(dāng)照相底片不位于觀察屏同一象平面時(shí)，所拍照的象依然是清晰的。二、透射電鏡的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用三、電子衍射四、透射電子顯微分析樣品制備一、電子顯微基礎(chǔ)五、電子顯微襯度像投射電鏡（TEM）的發(fā)展簡史1924年deBroglie提出波粒二象性假說1926Busch指出“具有軸對(duì)稱性的磁場對(duì)電子束起著透鏡的作用，有可能使電子束聚焦成像”。1927Davisson&Germer,ThompsonandReid進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。1933年柏林大學(xué)的Knoll和Ruska研制出第一臺(tái)電鏡（點(diǎn)分辨率50nm,比光學(xué)顯微鏡高4倍)，Ruska為此獲得了NobelPrize（1986）。1950年，開始生產(chǎn)高壓電鏡（點(diǎn)分辨率優(yōu)于0.3nm，晶格條紋分辨率由于0.14nm）1956年，門特(Menter)發(fā)明了多束電子成像方法，開創(chuàng)了高分辨電子顯微術(shù)，獲得原子象。近代TEM發(fā)展史上三個(gè)重要階段像衍理論(50－60年代)：英國牛津大學(xué)材料系P.B.Hirsch,M.J.Whelan；英國劍橋大學(xué)物理系A(chǔ).Howie（建立了直接觀察薄晶體缺陷和結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及電子衍射襯度理論）高分辨像理論（70年代初）：美國阿利桑那州立大學(xué)物理系J.M.Cowley，70年代發(fā)展了高分辨電子顯微像的理論與技術(shù)。高空間分辨分析電子顯微學(xué)（70年代末，80年代初）

采用高分辨分析電子顯微鏡（HREM，NED，EELS,EDS）對(duì)很小范圍（～5?）的區(qū)域進(jìn)行電子顯微研究（像，晶體結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分）

電子顯微學(xué)發(fā)展的重要階段1930‘1950-70’1970-90‘1980-2000’2000-電鏡誕生衍射襯度相位襯度分析電子顯微學(xué)亞埃尺度

EDSEELSNBEDCBEDREMSTEME.RuskaP.B.HirschM.J.WhelanA.HowieS.IijimaJ.M.Cowley超高真空透射電子顯微鏡JEM-2000V

飯島教授世界首次成功拍攝的CarbonNanoTube照片Nature，354(1991)56

1982年以色列科學(xué)家Schechtman發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體（quasicrystal）。獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)神奇的納米世界

單根碳納米彈簧

靚麗的納米世界

透射電子顯微鏡（TEM）是一種能夠以原子尺度的分辨能力，同時(shí)提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功能的儀器。特別是選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進(jìn)行微區(qū)成分分析，得到全面的信息。什么是TEM?透射電子顯微鏡是以波長極短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。1為什么要用TEM?1）可以實(shí)現(xiàn)微區(qū)物相分析。GaP納米線的形貌及其衍射花樣納米金剛石的高分辨圖像不同加速電壓下電子束的波長2）高的圖像分辨率三極管的溝道邊界的高分辨環(huán)形探測(cè)器（ADF）圖像及能量損失譜3）獲得立體豐富的信息1為什么要用TEM?波長分辨率聚焦優(yōu)點(diǎn)局限性光學(xué)顯微鏡4000~8000?2000?可聚焦簡單，直觀只能觀察表面形態(tài),不能做微區(qū)成份分析。射線衍射儀0.1~100?無法聚焦相分析簡單精確無法觀察形貌電子顯微分析0.0251?(200kV)TEM：0.9-1.0?可聚焦組織分析;物相分析（電子衍射);成分分析（能譜，波譜，電子能量損失譜）價(jià)格昂貴不直觀操作復(fù)雜；樣品制備復(fù)雜。2TEM的結(jié)構(gòu)JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點(diǎn)分辨率1.94?原荷蘭PHILIPS公司透射電鏡

CM200-TEM用于普通的材料研究CM120-TEM可用于生命科學(xué)領(lǐng)域高電壓電子顯微鏡JEM-ARM1300

日本電子公司（JEOL)的超高壓電子顯微鏡。●加速電壓：400～1,300kV●點(diǎn)分辨率：0.10nm●倍率：×200～1,500,000

TEM電子光學(xué)部分真空部分電子部分照明、成像、觀察和記錄機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、吸附泵、真空測(cè)量、顯示儀表高壓電源、透鏡電源、真空電源、輔助電源、安全系統(tǒng)、總調(diào)壓變壓器核心輔助輔助2TEM的結(jié)構(gòu)2.1電子光學(xué)部分A照明系統(tǒng)電子槍聚光鏡B.成像系統(tǒng)物鏡(Objectivelens)

中間鏡(Intermediatelens)

投影鏡(Projectorlens)

樣品室C.觀察和記錄系統(tǒng)電子光學(xué)部分：A電子照明系統(tǒng)

(電子槍，會(huì)聚鏡系統(tǒng)）

試樣室B成像放大系統(tǒng)C圖象記錄裝置陰極發(fā)射電子陽極加速聚光鏡會(huì)聚作用樣品物鏡放大中間鏡放大投影鏡放大熒光屏成像照相記錄A、照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和電子束平移對(duì)中、傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足明場和暗場成像需要，電子束可在2o～3o范圍內(nèi)傾斜。電子槍電子槍決定了像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品能力，要求其亮度、發(fā)射穩(wěn)定度和加速電壓都要高。類型：熱電子發(fā)射電子槍

A、普通鎢絲型(W)B、六硼化鑭型(LaB6)場發(fā)射電子槍

A、熱陰極型ZrO/W(100)(1800K)W(100)(1600K)B、冷陰極型W(310)(300K)

幾種電子槍性能對(duì)比熱電子發(fā)射W熱電子發(fā)射LaB6場發(fā)射ZrO/W(100)熱陰極亮度(在200kV)[Acm-2str-1]5X1055X1065X108光源尺寸[mm]50100.1~1發(fā)射電流[mA]10020100能量發(fā)散度[eV]2.31.50.6-0.8所需真空[Pa]10-310-510-7溫度[K]280018001800電子槍普通鎢燈絲熱陰極三極電子槍（電子源）：由發(fā)夾形鎢絲陰極、柵極帽和陽極組成。聚光鏡：就是對(duì)電子束進(jìn)一步聚焦作用。以獲得一束強(qiáng)度高、直徑小、相干性好的電子束。電子束傾斜與平移裝置：新式電鏡都帶有電磁偏轉(zhuǎn)器，可使入射電子束平移和傾斜。電子束平移的原理圖

B、成像系統(tǒng)：

由樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡（1個(gè)或2個(gè)）組成。作用：安置樣品、放大成像電子槍樣品照明源聚光鏡2物鏡中間鏡2投影鏡熒光屏或照相底片選區(qū)光闌聚光鏡1中間鏡1放大成像操作：中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，熒光屏上得到放大像。電子衍射操作：中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，得到電子衍射花樣。高性能TEM大都采用5級(jí)透鏡放大，中間鏡和投影鏡有兩級(jí)。

(1)物鏡成一次像。決定透射電鏡的分辨本領(lǐng)，要求有盡可能高的分辨本領(lǐng)、足夠高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。通常采用強(qiáng)激磁，短焦距的物鏡。放大倍數(shù)較高，一般為100～300倍。目前高質(zhì)量物鏡分辨率可達(dá)0.2nm左右。(2)中間鏡弱激磁、長焦距、可變倍率透鏡，0～20倍可調(diào)。把物鏡形成的一次中間像或衍射譜投射到投影鏡的物平面上。(3)投影鏡短焦距、強(qiáng)磁透鏡。把經(jīng)中間鏡形成的二次中間像及衍射譜投影到熒光屏上，形成最終放大的電子像及衍射譜。樣品室作用是承載樣品，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。樣品銅網(wǎng)放大像（a）方孔b）圓孔C、觀察和記錄裝置：包括熒光屏和照相機(jī)構(gòu)。

為了保證電子在整個(gè)通道中只與試樣發(fā)生相互作用，而不與空氣分子發(fā)生碰撞。因此，整個(gè)電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi).

真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、換向閥門、真空測(cè)量儀奉及真空管道組成。一般真空度為10-4~10-7

毫米汞柱。2.2真空部分2.3電子部分(供電系統(tǒng))(高壓電源、透鏡電源、真空電源、輔助電源、安全系統(tǒng)、總調(diào)壓變壓器)透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。

電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個(gè)極為重要的標(biāo)志。所以，對(duì)供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。高壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)(1)分辨率

是透射電鏡的最主要的性能指標(biāo)，它反應(yīng)了電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。用兩種指標(biāo)表示：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)

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

是指電子槍的陽極相對(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。TEM的主要性能指標(biāo)600kx150kx8kx1.2kx半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)3TEM的應(yīng)用

(a)SiC納米線的形貌像；(b)垂直型SiC納米線

(c)啞鈴型SiC納米線；(d)竹節(jié)型SiC納米線（JEM-2010)納米材料觀察類似竹節(jié)狀的形貌納米材料觀察碳納米管負(fù)載金低倍像高倍像納米材料研究應(yīng)用舉例－Si納米晶的原位觀察IonpolishedcommercialAlalloyAl-CumetallizationlayerthinnedonSisubstrate應(yīng)用舉例－金屬組織觀察.8μm1μm高分子乳液的顆料形態(tài)PVC乳液顆粒形態(tài)PMMA包PSPS乳液顆粒高分子材料研究物平面像平面后焦面白光光源4.透射電鏡的成像原理透鏡的成像作用可以分為兩個(gè)過程：

1）平行電子束遭到物的散射作用而分裂成為各級(jí)衍射譜，即由物變換到衍射的過程；

2）各級(jí)衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上會(huì)聚成物像點(diǎn)，即由衍射重新變換到物(像是放大了的物)的過程。

透射電子顯微鏡中，物鏡、中間鏡、投影鏡，總的放大倍數(shù)就是各個(gè)透鏡倍率的乘積。

M=MO.Mi.MP式中：MO---物鏡放大倍率，數(shù)值在50-100范圍；Mi----中間鏡放大倍率，數(shù)值在0-20范圍；MP---投影鏡放大倍率，數(shù)值在100-150范圍。

總的放大倍率M在1000-200,000倍內(nèi)連續(xù)變化。

第二章透射電子顯微分析二、透射電鏡的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用三、電子衍射四、透射電子顯微分析樣品制備一、電子顯微基礎(chǔ)五、電子顯微襯度像三電子衍射

電子衍射概述1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)2常見的幾種電子衍射譜3選區(qū)電子衍射4電子衍射花樣的標(biāo)定

電子衍射概述

電鏡中的電子衍射,其衍射幾何與X射線完全相同,都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系。因此，許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理。入射束衍射束透射束（hkl）dNhkl晶體θ2θ2dhklsinθ=nλ電子衍射基本原理（布拉格定律）電子衍射與X射線的衍射相比的特點(diǎn)：1）衍射角很小，一般為1-2度。2）物質(zhì)對(duì)電子的散射作用強(qiáng)，電子衍射強(qiáng)，攝取電子衍射花樣的時(shí)間只需幾秒鐘，而X射線衍射則需數(shù)小時(shí)。3）晶體樣品的顯微像與電子衍射花樣結(jié)合，可以作選區(qū)電子衍射。

不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，兩者的交互作用使電子衍射花樣（特別是強(qiáng)度分析）變復(fù)雜，不能象X射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來廣泛的測(cè)定結(jié)構(gòu)。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)比X射線低。1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)物鏡后焦面上形成一幅斑點(diǎn)花樣經(jīng)物鏡下面的各透鏡再次放大后投射到觀察屏上，形成我們觀察到的衍射花樣。gR設(shè)觀察屏上衍射斑距透射斑的距離為R，則：d·R=L

·

λ

(電子衍射計(jì)算的基本公式)K=L·λ，稱為相機(jī)常數(shù)，通常可以利用金膜衍射花樣或利用已知晶體結(jié)構(gòu)單晶體的衍射花樣測(cè)定。gR三電子衍射

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2常見的幾種電子衍射譜（1）單晶體的斑點(diǎn)花樣一系列按一定幾何圖形分布、排列規(guī)則的衍射斑點(diǎn)，反映結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。斑點(diǎn)指數(shù)化：{hkl}晶面族產(chǎn)生的衍射斑點(diǎn)標(biāo)為hkl應(yīng)用：確定物相之間的取向關(guān)系；繞一個(gè)斑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)可確定旋轉(zhuǎn)軸；通過細(xì)節(jié)分析可弄清缺陷結(jié)構(gòu)。高嶺石的單晶電子衍射譜不同入射方向的c-ZrO2衍射斑點(diǎn)(a)[111],(b)[011],(c)[001],(d)[112]（2）多晶體的環(huán)形花樣一系列不同半徑的同心圓環(huán)。圓環(huán)半徑標(biāo)定：{hkl}晶面族產(chǎn)生的衍射環(huán)標(biāo)為hkl應(yīng)用：測(cè)定儀器常數(shù)；鑒定物相。金的多晶衍射譜無定形試樣（準(zhǔn)晶、非晶）：彌散環(huán)三電子衍射

電子衍射概述1電子衍射基本公式和相機(jī)常數(shù)2常見的幾種電子衍射譜3選區(qū)電子衍射4電子衍射花樣的標(biāo)定

3選區(qū)電子衍射材料研究中，希望弄清很小區(qū)域的結(jié)構(gòu)和形貌，既要觀察其顯微像（形貌），又要得到其衍射花樣（分析結(jié)構(gòu)）。在物鏡的像平面上插入選區(qū)光闌，限定產(chǎn)生花樣的樣品區(qū)域，實(shí)現(xiàn)選區(qū)成像和選區(qū)衍射，進(jìn)而分析該微區(qū)內(nèi)樣品的結(jié)構(gòu)特征CAOBB’O’A’C’樣品物平面物鏡物鏡光闌背焦面（衍射花樣）選區(qū)光闌像平面000hkl2θ（樣品像）選區(qū)電子衍射獲得技術(shù)（a）NiAl多層模的組織形貌

(b)大范圍衍射花樣（c）單個(gè)晶粒的選區(qū)衍射

圖1α/β\|Sialon復(fù)相陶瓷TEM照片(a)及α\|Sialon,Sialon晶粒在［001］方向的選區(qū)電子衍射花樣(b,c)。α為α\|Sialon，β為β\|Sialon三電子衍射

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4電子衍射花樣的標(biāo)定

花樣分析分為兩類：一是結(jié)構(gòu)已知，確定晶體缺陷及有關(guān)數(shù)據(jù)；二是結(jié)構(gòu)未知，利用它鑒定物相。指數(shù)標(biāo)定是基礎(chǔ)。4.1

多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定4.2單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定4.3復(fù)雜電子衍射花樣分析a.花樣特征由一系列不同半徑的同心圓環(huán)組成

圓環(huán)半徑為R=Lλ/d＝K/d的圓環(huán)。R和1/d存在簡單的正比關(guān)系。對(duì)立方晶系：1/d2=（h2+k2+l2）/a2＝N/a2

通過R2比值確定環(huán)指數(shù)和點(diǎn)陣類型。4.1

多晶體電子衍射花樣的標(biāo)定1)晶體結(jié)構(gòu)已知：測(cè)R、算R2、分析R2比值的遞增規(guī)律、定N、求(hkl)和a。如已知K，也可由d=K/R求d對(duì)照ASTM求(hkl)。2)晶體結(jié)構(gòu)未知：測(cè)R、算R2、Ri2／R12，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律、根據(jù)消光規(guī)律確定晶體結(jié)構(gòu)類型、寫出衍射環(huán)指數(shù)(hkl)，算a.

如已知K，也可由d=K/R求d對(duì)照ASTM求(hkl)和a，確定樣品物相。b.分析方法1)測(cè)量環(huán)的半徑R;2)計(jì)算及Ri2/R12，其中R1為直徑最小的衍射環(huán)的半徑，找出最接近的整數(shù)比規(guī)律，由此確定了晶體的結(jié)構(gòu)類型，并可寫出衍射環(huán)的指數(shù)；3)根據(jù)Lλ和Ri值可計(jì)算出不同晶面族的di。并最終確定晶體是什么物相。確定多晶物體的物相c.主要用途例2已知L＝17.00mm?,測(cè)得環(huán)半徑為8.42mm,11.88mm,14.52mm,16.84mm,18.88mm,確定此多晶物體的物相。

R(mm)R2(mm2)Nd(實(shí)驗(yàn))I/I1(實(shí)驗(yàn))d(查表)I/I1(查表)8.4270.9022.021002.0110011.81141.141.44201.411514.52210.861.17401.173816.84283.681.0118.88356.5100.9由N的比值確定為bcc結(jié)構(gòu)，由d=L/R得到d=2.0-2.5?,發(fā)現(xiàn)與－Fe的數(shù)據(jù)符合，確定此多晶物相為－Fe。

a.花樣特征規(guī)則排列的衍射斑點(diǎn)微區(qū)晶體分析往往是單晶或?yàn)閿?shù)不多的幾個(gè)單晶復(fù)合衍射花樣。4.2單晶體電子衍射花樣的標(biāo)定gRb、花樣分析指數(shù)直接標(biāo)定法、比值法(償試－校核法)、標(biāo)準(zhǔn)衍射圖法選擇靠近中心透射斑且不在一條直線上的斑點(diǎn)，測(cè)量它們的R，利用R2比值的遞增規(guī)律確定點(diǎn)陣類型和這幾個(gè)斑點(diǎn)所屬的晶面族指數(shù)(hkl)等。1、指數(shù)直接標(biāo)定法：(已知樣品和相機(jī)常數(shù)L)

可分別計(jì)算產(chǎn)生這幾個(gè)斑點(diǎn)的晶面間距d=L/R并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫出(hkl)，(見下頁)。111lkh222lkh333