第九章透射電子顯微分析

第九章透射電子顯微分析第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡掃描電子顯微鏡(SEM)可簡稱掃描電鏡電子探針X射線顯微分析儀簡稱電子探針(EPA或EPMA)：波譜儀(波長色散譜儀，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)第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，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聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEM的形式第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)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。它們的根本不同點在于光學(xué)顯微鏡以可見光作照明束，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。由于電子波長極短，同時與物質(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)的同時兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、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。第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.電磁透鏡

能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electronlens）

靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡磁透鏡

電磁透鏡

第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)

圖9-3電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日（2）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)。

第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日成像電子在電磁透鏡磁場中沿螺旋線軌跡運動，而可見光是以折線形式穿過玻璃透鏡。因此，電磁透鏡成像時有一附加的旋轉(zhuǎn)角度，稱為磁轉(zhuǎn)角。物與像的相對位向?qū)嵪駷?80，對虛像為。電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強度降低、焦距變長(由f1變?yōu)閒2）。第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日（3）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；Cs——透鏡球差系數(shù)。r0的典型值約為0.25~0.3nm，高分辨條件下，r0可達約0.15nm。

第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.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場發(fā)射源第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-5熱電子槍示意圖燈絲和陽極間加高壓，柵極偏壓起會聚電子束的作用，使其形成直徑為d0、會聚/發(fā)散角為0的交叉第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-6雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖

第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日3.成像系統(tǒng)

由物鏡、中間鏡(1、2個)和投影鏡(1、2個)組成。成像系統(tǒng)的兩個基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。通過調(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。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖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第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日三、選區(qū)電子衍射

圖9-8在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日選區(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）獲得衍射譜第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)樣品制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。

要求：（1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100~200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日一、間接樣品(復(fù)型)的制備

對復(fù)型材料的主要要求：①復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；②有足夠的強度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。③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節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：一級復(fù)型二級復(fù)型萃取復(fù)型（半直接樣品）

第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-14塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖

第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日萃取復(fù)型第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、直接樣品的制備

1.粉末樣品制備粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團聚。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，兩玻璃片對研并突然抽開，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小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對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。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.晶體薄膜樣品的制備一般程序：(1)初減薄——制備厚度約100~200m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。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-15雙噴電解拋光裝置原理圖

第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-16離子減薄裝置原理示意圖第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日第三節(jié)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）明場像(b)暗場像(c)中心暗場像第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、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源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋?/p>

質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源振幅襯度

衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源相位襯度

第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-18質(zhì)厚襯度成像光路圖

第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖9-19衍射襯度成像光路圖

第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第四節(jié)電子衍射運動學(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，就需要對衍射束的強度進行計算。動力學(xué)衍射運動學(xué)衍射第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日一、運動學(xué)理論的基本假設(shè)運動學(xué)理論是建立在運動學(xué)近似[即忽略各級衍射束(透射束為零級衍射束)之間的相互作用]基礎(chǔ)之上的用于討論衍射波強度的一種簡化理論。其基本假設(shè)是：①入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射。②入射電子波在樣品內(nèi)的傳播過程中，強度的衰減可以忽略。即衍射波強度始終遠小于入射波強度。否則衍射波會發(fā)生較為顯著的再次衍射，即動力學(xué)衍射。第三十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日①使樣品晶體處于足夠偏離布拉格條件的位向，以避免產(chǎn)生強的衍射，保證入射波強度不發(fā)生明顯衰減；②采用足夠薄的樣品，盡量減小電子受到多次散射的機會。要達到這兩個實驗條件，實踐上都有困難。一方面，原子對電子的散射振幅較大，散射強度不會很弱，而且當(dāng)選用的衍射束所對應(yīng)的倒易點足夠偏離厄瓦爾德球面時，其附近的某個或某些倒易點又將靠近厄瓦爾德球面；另一方面，隨著樣品厚度的減小，倒易桿拉長，更容易產(chǎn)生較強的衍射，而且樣品越薄則越難完全代表大塊材料的性質(zhì)，所以衍襯分析時樣品通常不應(yīng)制得太薄?？梢?，用運動學(xué)理論解釋衍襯在大多數(shù)情況下都是近似的。為滿足上述基本假設(shè)，在實踐上可通過以下兩條途徑實現(xiàn)：第三十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日①雙束條件，即除直射束外只激發(fā)產(chǎn)生一個衍射束的成像條件。由上述討論可知