透射電子顯微鏡

第五章透射電子顯微鏡1當(dāng)前第1頁\共有121頁\編于星期四\23點5.1電子顯微鏡簡介

電子顯微鏡(簡稱電鏡，EM)

電子與物質(zhì)相互作用會產(chǎn)生透射電子，彈性散射電子，能量損失電子，二次電子，背反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子，陰極發(fā)光和電動力等等。電子顯微鏡就是利用這些信息來對試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測定的。

電子顯微鏡有很多類型，主要有透射電子顯微鏡(簡稱透射電鏡，TEM)和掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡，SEM)兩大類。掃描透射電子顯微鏡(簡稱掃描透射電鏡，STEM)則兼有兩者的性能。

2當(dāng)前第2頁\共有121頁\編于星期四\23點

為了進(jìn)一步表征儀器的特點，有以加速電壓區(qū)分的，如：超高壓(1MV)和中等電壓(200-500kV)透射電鏡、低電壓(～1kV)掃描電鏡；

有以電子槍類型區(qū)分的，如場發(fā)射槍電鏡(冷場發(fā)射、熱場發(fā)射電鏡)；

有以用途區(qū)分的，如高分辨電鏡，分析電鏡、能量選擇電鏡、生物電鏡、環(huán)境電鏡、原位電鏡、測長CD-掃描電鏡；

有以激發(fā)的信息命名的，如電子探針X射線微區(qū)分析儀(簡稱電子探針，EPMA)等。半個多世紀(jì)以來電子顯微學(xué)的奮斗目標(biāo)主要是力求觀察更微小的物體結(jié)構(gòu)、更細(xì)小的實體、甚至單個原子，并獲得有關(guān)試樣的更多的信息，如表征非晶和微晶，成分分布，晶粒形狀和尺寸，晶體的相、晶體的取向、晶界和晶體缺陷等特征，以便對材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析及表征研究。近來，電子顯微鏡(電子顯微學(xué))，包括掃描隧道顯微鏡、三維原子探針等，又有了長足的發(fā)展。Characterizationtechnology3當(dāng)前第3頁\共有121頁\編于星期四\23點5.2透射電子顯微鏡

TransmissionElectronmicroscope-TEM

CM200-FEG場發(fā)射槍電鏡加速電壓20KV、40KV、80KV、160KV、200KV

可連續(xù)設(shè)置加速電壓

熱場發(fā)射槍

晶格分辨率1.4?

點分辨率2.4?

最小電子束直徑1nm

能量分辨率約1ev

傾轉(zhuǎn)角度α=±20度

β=±25度4當(dāng)前第4頁\共有121頁\編于星期四\23點JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點分辨率1.94?EM420透射電子顯微鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率

2.04?

點分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm

傾轉(zhuǎn)角度α=±60度

β=±30度5當(dāng)前第5頁\共有121頁\編于星期四\23點入射電子束（照明束）主要有兩種形式平行束：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。6當(dāng)前第6頁\共有121頁\編于星期四\23點光學(xué)顯微鏡和電鏡光路圖比較請看下頁7當(dāng)前第7頁\共有121頁\編于星期四\23點光源中間像物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板電子槍聚光鏡試樣物鏡中間像投影鏡觀察屏照相底板8當(dāng)前第8頁\共有121頁\編于星期四\23點一.透射電鏡工作原理及構(gòu)造(1)工作原理

成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。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。

因電子波長極短，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。9當(dāng)前第9頁\共有121頁\編于星期四\23點K=k–k0kk0(hkl)qdhkl1/lk、k0分別代表出射和入射波矢。當(dāng)波矢指向倒易陣點時，產(chǎn)生衍射反射條件：Ik–k0I=IK=1/dhkl=2

sinq/l，得Bragg方程l=2d

sinq當(dāng)hkl有公因子時，nl=2dsinq，nhnknl代表偽晶面。

10當(dāng)前第10頁\共有121頁\編于星期四\23點(2)結(jié)構(gòu)11當(dāng)前第11頁\共有121頁\編于星期四\23點

通常TEM由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其中電子光學(xué)系統(tǒng)是電鏡的主要組成部分。12當(dāng)前第12頁\共有121頁\編于星期四\23點電子光學(xué)系統(tǒng)：a.電子照明系統(tǒng)

(電子槍，會聚鏡系統(tǒng)）

b.

試樣室

c.成像放大系統(tǒng)d.圖像記錄裝置13當(dāng)前第13頁\共有121頁\編于星期四\23點電子光學(xué)系統(tǒng)：a.電子照明系統(tǒng)*電子槍：*會聚鏡系統(tǒng)：

第一會聚鏡：

第二會聚鏡：

會聚光欄：

會聚光欄：(電子槍，會聚鏡系統(tǒng)）10-5托，以空氣鎖與試樣室隔開控制e束照射區(qū)域及強度

強透鏡短焦距，縮小束徑,會聚在后焦面，

控制e束發(fā)散及柱體中的氣體向電子槍區(qū)域擴散。

弱透鏡，擴束為2d，ED用于散焦減小孔徑角，獲得平行束。

加上消像散器，可變50－400μm，降低球差，消除像散

14當(dāng)前第14頁\共有121頁\編于星期四\23點電子槍是發(fā)射電子的照明光源。聚光鏡是把電子槍發(fā)射出來的電子會聚而成的交叉點，并進(jìn)一步擴束成平等光束后照射到樣品上。照明系統(tǒng)的作用就是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。熱電子源場發(fā)射源電子源鎢絲LaB6冷場熱場15當(dāng)前第15頁\共有121頁\編于星期四\23點b.

試樣室：

試樣裝入方式:

①側(cè)入式，

可作較大傾斜,雙傾,平衡性稍差.②頂入式:

冷、熱臺，加壓、拉伸

不能作傾斜，平衡性好.

空氣鎖，保證換樣同時電鏡柱體的真空度。16當(dāng)前第16頁\共有121頁\編于星期四\23點樣品托架當(dāng)前第17頁\共有121頁\編于星期四\23點c.成像放大系統(tǒng)：

物鏡中間鏡投影鏡照像裝置由物鏡、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；

物鏡是一個強激磁短焦距的透鏡，它的放大倍數(shù)較高，一般為100-300倍。目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達(dá)0.1nm左右。18當(dāng)前第18頁\共有121頁\編于星期四\23點物鏡中間鏡投影鏡照像裝置

物鏡是用來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。透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡(這一點與光學(xué)顯微鏡一致)。因為物鏡的任何缺陷都被成像系統(tǒng)中其它透鏡進(jìn)一步放大。欲獲得物鏡的高分辨率，必須盡可能降低像差。通常采用強激磁，短焦距的物鏡。19當(dāng)前第19頁\共有121頁\編于星期四\23點物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工的精度。

照像裝置物鏡中間鏡投影鏡

利用物鏡光闌可方便地進(jìn)行暗場和衍射成像操作。

物鏡光闌（又稱為襯度光闌）：在物鏡的后焦面上安放一個物鏡光闌，其作用為減小物鏡的球差、像散、色差；也可提高圖像的襯度。一般來說，極靴的內(nèi)孔和上下級之間的距離越小，物鏡的分辨率就越高。20當(dāng)前第20頁\共有121頁\編于星期四\23點照像裝置物鏡中間鏡投影鏡中間鏡

中間鏡是一個弱激磁的長焦距變倍透鏡，可在0-20倍范圍調(diào)節(jié)。當(dāng)M>1時，用來進(jìn)一步放大物鏡的像；當(dāng)M<1時，用來縮小物鏡的像。在電鏡操作過程中，主要是利用中間鏡的可變倍率來控制電鏡的放大倍數(shù)。投影鏡作用是把經(jīng)中間鏡的像或電子衍射花樣進(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上。短焦距的強磁透鏡。景深和焦距都非常大。即使改變中間鏡的放大倍數(shù)，使顯微鏡的總放大倍數(shù)有很大的變化，也不會影響圖像的清晰度。有時，中間鏡的像平面還會出現(xiàn)一定的位移，由于這個位移距離仍處于投影鏡的景深范圍之內(nèi)，因此，在熒光屏上的圖像仍舊是清晰的。21當(dāng)前第21頁\共有121頁\編于星期四\23點近似認(rèn)為中間鏡的相平面L2固定不變。

熒光屏得到顯微放大像的條件：

中間鏡物平面＝物鏡像平面

物鏡中間鏡投影鏡照像裝置通過改變中間鏡的激磁電流，使其焦距變化時，中間鏡的物距L1隨之改變。在電鏡操作中主要是利用中間鏡的可變分倍率來控制電鏡的總放大倍數(shù)。

投影鏡放大倍率中間鏡放大倍率物鏡放大倍率22當(dāng)前第22頁\共有121頁\編于星期四\23點照像裝置物鏡中間鏡投影鏡熒光屏得到衍射斑的條件：

中間鏡物平面＝物鏡后焦平面

即電子顯微鏡中的電子衍射操作。

光闌實際上透射電子顯微鏡中有三種光闌：除了物鏡光闌外，還有聚光鏡光闌（、、）和選區(qū)光闌（）。選區(qū)光闌（又稱為中間鏡光闌）

在中間鏡的上方，物鏡的像平面上有時插入一個中間鏡光闌，其光闌孔直徑是分檔或調(diào)的，故習(xí)慣上稱為選區(qū)光闌。23當(dāng)前第23頁\共有121頁\編于星期四\23點照像裝置物鏡中間鏡投影鏡選區(qū)光闌的作用只讓通過光闌孔的一次像所對應(yīng)的樣品區(qū)域提供衍射花樣，以便對該微區(qū)組織的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這就是選區(qū)操作。

d.

圖像記錄裝置：熒光屏和照像裝置第二聚光鏡光闌

聚光鏡光闌的作用是限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，安裝在第二聚光鏡下方的焦點位置。光闌孔的直徑為20～400μm作一般分析觀察時，聚光鏡的光闌孔徑可用200～300μm，若作微束分析時，則應(yīng)采用小孔徑光闌。24當(dāng)前第24頁\共有121頁\編于星期四\23點二.顯微成像及衍射花樣成像原理：

顯微放大成像衍射花樣成像襯度光欄衍射花樣成像物鏡像平面選區(qū)光欄中間鏡顯微成像中間鏡物平面物鏡后焦平面/中間鏡物平面物鏡成像原理

試樣襯度光欄選區(qū)光欄物鏡物鏡成像原理

物鏡后焦面物鏡像平面25當(dāng)前第25頁\共有121頁\編于星期四\23點

調(diào)整物鏡線圈電流，使中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則可得到放大的電子顯微圖像。

調(diào)整物鏡線圈電流，使中間鏡的物平面和物鏡的后焦平面重合，則可得到放大的衍射斑點像。當(dāng)前第26頁\共有121頁\編于星期四\23點三、透射電鏡的功能及發(fā)展從1934年至今得到了長足的發(fā)展。這些發(fā)展主要集中在三個方面：透射電子顯微鏡的功能的擴展；分辨率的不斷提高；計算機和微電子技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)、觀察與記錄系統(tǒng)等。早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀等）所不具備的。27當(dāng)前第27頁\共有121頁\編于星期四\23點增加附件后，其功能可以從原來的樣品內(nèi)部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進(jìn)行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。

結(jié)合樣品臺設(shè)計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動態(tài)的組織結(jié)構(gòu)、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進(jìn)一步的拓寬。28當(dāng)前第28頁\共有121頁\編于星期四\23點

利用電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的物理信號開發(fā)的多種分析附件，大大拓展了透射電子顯微鏡的功能。由此產(chǎn)生了透射電子顯微鏡的一個分支——分析型透射電子顯微鏡。分析型透射電子顯微鏡分析型透射電子顯微鏡及其附屬裝置示意圖29當(dāng)前第29頁\共有121頁\編于星期四\23點提高透射電子顯微鏡分辨率的關(guān)鍵在于物鏡制造和上下極靴之間的間隙，舍棄各種分析附件可以使透射電子顯微鏡的分辨率進(jìn)一步提高，由此產(chǎn)生了透射電子顯微鏡的另一個分支——高分辨透射電子顯微鏡（HREM）。高分辨透射電子顯微鏡

但是近年來隨著電子顯微鏡制造技術(shù)的提高，高分辨透射電子顯微鏡也在增加各種分析附件，完善其分析功能。30當(dāng)前第30頁\共有121頁\編于星期四\23點

透射電子顯微鏡的發(fā)展還表現(xiàn)在計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用。計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用使透射電子顯微鏡的控制變得簡單，自動化程度大大提高，整機性能提高。計算機技術(shù)的應(yīng)用

在透射電子顯微鏡的觀察與記錄系統(tǒng)中增加攝像系統(tǒng)，使分析觀察更加方便，而且能連續(xù)記錄。近幾年慢掃描CCD相機越來越多地取代傳統(tǒng)的觀察與記錄系統(tǒng)，將透射電子信號（圖象）傳送到計算機顯示器上，不僅方方便觀察記錄，而且與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使遠(yuǎn)程觀察記錄成為可能。31當(dāng)前第31頁\共有121頁\編于星期四\23點

小結(jié)透射電子顯微鏡主要組成部分是照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)

；成像系統(tǒng)中的物鏡是顯微鏡的核心，它的分辨率就是顯微鏡的分辨率；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；樣品臺是透射電子顯微鏡的重要附件之一，它可以實現(xiàn)樣品的平移、傾斜和轉(zhuǎn)動操作從而便于樣品的觀察分析；高溫臺、低溫臺和拉伸臺等可以進(jìn)一步擴大透射電子顯微鏡的功能。32當(dāng)前第32頁\共有121頁\編于星期四\23點

小結(jié)光闌在透射電子顯微鏡的光路中是用來限制電子束的發(fā)散角；第二聚光鏡光闌、物鏡光闌和選區(qū)光闌的位置和作用是各不相同的；33當(dāng)前第33頁\共有121頁\編于星期四\23點

五、樣品的制備透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要求被觀察的樣品對入射電子束是“透明”的。電子束穿透固體樣品的能力主要取決與加速電壓和樣品的物質(zhì)原子序數(shù)。

一般來說，加速電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電子束可以穿透樣品的厚度就越大。如果透射電鏡常用的加速電壓100KV，如果樣品是金屬其平均原子序數(shù)在Ga的原子附近，因此適宜的樣品厚度約200納米。金屬樣品遇到的困難就是樣品制備問題。34當(dāng)前第34頁\共有121頁\編于星期四\23點

五、樣品的制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。要求：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。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。

目前，樣品可以通過兩種方法獲得：表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)。35當(dāng)前第35頁\共有121頁\編于星期四\23點

復(fù)型的制備復(fù)型技術(shù)出現(xiàn)在40年代初期,即把由浸蝕產(chǎn)生的金相表面顯微組織浮雕復(fù)制到一種很薄的膜上,然后把復(fù)制薄膜(叫做復(fù)型)放到透射顯微鏡中觀察分析。能較簡便地復(fù)制和顯示試樣表面的形貌細(xì)節(jié),而且在一般情況下不損壞原始試樣表面,圖像容易解釋,故在光學(xué)顯微鏡下的金相顯微組織分析方面得到廣泛應(yīng)用。尤其當(dāng)工件形狀復(fù)雜時,用現(xiàn)場金相顯微鏡就無法對所檢測部位進(jìn)行觀察和照相,如帶孔型軋輥的孔型底部、離心軋輥的結(jié)合層部位等,這時復(fù)型技術(shù)就顯得必不可少。36當(dāng)前第36頁\共有121頁\編于星期四\23點

復(fù)型的制備目前復(fù)型技術(shù)主要應(yīng)用于透射電子顯微鏡的樣品制備，也可用于掃描電鏡。制備復(fù)型的材料應(yīng)具備的條件①必須是非晶材料或“無結(jié)構(gòu)“材料；？？？②其粒子尺寸必須很?。ㄌ寄ぃ悍直媛?nm;塑料：10-20nm）；③具備良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子轟擊的能力；④必須對電子束足夠透明。（物質(zhì)原子序數(shù)低）；⑤有足夠的強度和剛度。在復(fù)制過程中不致破裂或畸變。

真空蒸發(fā)形成的碳膜和通過澆鑄蒸發(fā)而成的塑料膜都是常用的非晶體薄膜。37當(dāng)前第37頁\共有121頁\編于星期四\23點

復(fù)型的制備按復(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）碳一級復(fù)型真空鍍膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖1-碳棒；2-樣品；3-機械泵；4-玻璃鐘罩432

直接把表面清潔并被浸蝕的金相樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上樣品表面被蒸發(fā)上一層厚度為數(shù)納米的碳膜。

厚度控制方法：在噴涂的樣品附近放一小塊白瓷片，如果瓷片呈黃褐色，則碳膜厚度適當(dāng)（20－30nm);瓷片呈褐色，表示膜較厚。38當(dāng)前第38頁\共有121頁\編于星期四\23點

復(fù)型的制備

碳膜厚度符合要求后，將噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線3mm的小方塊，然后把此樣品放入配好的分離液內(nèi)進(jìn)行電解或化學(xué)分離。分離后的碳膜在丙酮或酒精中清洗后便可置于鋼網(wǎng)上備用。

塑料一級復(fù)型的制備方法

在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴幾滴體積濃度為1%的醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平，多余的溶液用濾紙吸干，待溶劑蒸發(fā)后小心地從樣品表面揭下來，剪成對角線小于3mm的小方塊后，將其放在直徑為3mm的專用銅網(wǎng)上備用。

39當(dāng)前第39頁\共有121頁\編于星期四\23點

復(fù)型的制備

適合進(jìn)行金相樣品的分析，而不宜進(jìn)行斷口分析（高度差太大，不能保證獲得較薄的復(fù)型）。分辨率不高和易分解等缺點。碳膜復(fù)型與塑料復(fù)型的區(qū)別？

碳膜的厚度基本上是相同的，而塑料膜上有一個面是平面，膜的厚度隨試樣的位置而異。塑料膜制備時不破壞樣品，碳膜則破壞樣品。碳膜分辨率高。40當(dāng)前第40頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型的制備二級復(fù)型（塑料－碳二級復(fù)型）

二級復(fù)型是通過先制成中間復(fù)型，然后在中間復(fù)型上進(jìn)行碳復(fù)型，再把中間復(fù)型溶去，最后得到的一種復(fù)型。

塑料－碳二級復(fù)型中間復(fù)型的材料：醋酸纖維素（AC紙）和火棉膠。41當(dāng)前第41頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型的制備萃取復(fù)型

對第二相粒子形狀、大小和分布的分析以及對第二相粒子進(jìn)行物相分析時，常采用萃取復(fù)型。萃取復(fù)型

制取碳膜萃取復(fù)型前需要對金相樣品作深浸蝕，使需要萃取的第二相質(zhì)點暴露在樣品表面，以利于被碳膜包圍。如圖：42當(dāng)前第42頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用

浸蝕劑的選擇很重要，必須選擇對基體有腐蝕作用而對被萃取粒子無腐蝕作用或僅有微小腐蝕作用的試劑。不同材料選擇不同浸蝕劑。第二相分析

以33Mn2V鋼中的碳氮化物的分析為例進(jìn)行說明。43當(dāng)前第43頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用SchematicdiagramshowingtheN/Q&Toil-welltubeprocessingadoptedandsamplingpointProcess1:TA=850C,byairProcess2:TA=600C,byair44當(dāng)前第44頁\共有121頁\編于星期四\23點Process1:TA=850C,byairProcess2:TA=600C,byair復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用45當(dāng)前第45頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用Process1:TA=850C,byairLargersizeparticlesandnon-uniformdistribution46當(dāng)前第46頁\共有121頁\編于星期四\23點Process2:TA=600C,byair

Muchmorefineparticlesinferriteandlesslargerparticlesinpearlite

還可用于掃描電鏡和X射線分析復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用47當(dāng)前第47頁\共有121頁\編于星期四\23點復(fù)型技術(shù)在金屬材料分析中的應(yīng)用斷口分析

斷口分析主要利用二次復(fù)型法制備樣品。不受樣品高度的限制。復(fù)型法直接法48當(dāng)前第48頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－粉末樣品制備

粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團(tuán)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(具體應(yīng)用時，請查相關(guān)資料)

需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)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。49當(dāng)前第49頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－晶體薄膜樣品的制備雙噴電解拋光方法/離子減薄方法、超薄切片方法等。雙噴電解拋光方法/離子減薄方法：

一般程序：(1)初減薄－制備厚度約100~200μm的薄片；(2)從薄片上切取φ3mm的圓片；(3)預(yù)減?。瓘膱A片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)mm；(4)終減薄。50當(dāng)前第50頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－晶體薄膜樣品的制備

雙噴電解拋光裝置如圖示。電解液3由泵4控制，并循環(huán)反復(fù)使用，通過雙噴嘴2直射試樣1。直徑為3mm的試樣置于一側(cè)裝有鉑絲的試樣架內(nèi)(為陽極)，直徑為1mm的噴嘴內(nèi)置有鉑陰極，在合適的電解液和拋光條件下試樣被均勻拋光減薄直到穿孔時，由光敏電阻進(jìn)行報警而自動斷電。

電解雙噴裝置示意圖

1一試樣；2一內(nèi)有鉑絲的噴嘴2；

3一電解液；4一泵51當(dāng)前第51頁\共有121頁\編于星期四\23點當(dāng)前第52頁\共有121頁\編于星期四\23點鑄態(tài)AZ31＋1.0%RE鎂合金組織（a)光學(xué)顯微組織(b)針狀稀土相(TEM)53當(dāng)前第53頁\共有121頁\編于星期四\23點鑄態(tài)AZ31＋1.0%RE+1.0%Sb鎂合金中球化相的TEM形貌（a）及能譜(b)54當(dāng)前第54頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－晶體薄膜樣品的制備對于脆性材料或非導(dǎo)電材料，可使用離子減薄的方法得到材料的薄試樣，它是采用3～6kV的離子直接轟擊試樣，使樣品中的原子或分子逸出表面。這個過程需要在高真空中進(jìn)行。故離子減薄裝置由工作室、電器系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)與真空噴涂儀相似。離子減薄儀工作室示意圖

1一離子槍2一試樣

3一照明SS’一旋轉(zhuǎn)軸獲得具有較大薄區(qū)的試樣，應(yīng)選擇較小的φ角，但φ角應(yīng)適當(dāng)。合適的φ角是制樣又快又好的必要條件。55當(dāng)前第55頁\共有121頁\編于星期四\23點當(dāng)前第56頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－晶體薄膜樣品的制備

超薄切片方法適用于生物試樣薄片和比較軟的無機材料超薄切片試樣的制備。其它方法－聚焦離子束方法、真空蒸鍍方法

聚焦離子束方法是最近引起關(guān)注的制樣方法。特別對于不同物質(zhì)界面的觀察，使用離子減薄等別的方法無法獲得均勻厚度薄區(qū)時，采用該方法是很有效的。

通過檢測離子束照射放出的二次電子，能夠在試樣制備同時觀察試樣表面的像，因而能夠高精度地選定電子顯微鏡要觀察的區(qū)域。需要注意強離子束的損傷和可能產(chǎn)生的Ga離子注入。57當(dāng)前第57頁\共有121頁\編于星期四\23點直接樣品的制備－晶體薄膜樣品的制備真空蒸鍍方法

真空鍍膜是將固體材料置于真空室內(nèi)，在真空條件下，將固體材料加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的原子或分子能自由地彌布到容器的器壁上。當(dāng)把一些加工好的基板材料放在其中時，蒸發(fā)出來的原子或分子就會吸附在基板上逐漸形成一層薄膜。真空鍍膜有兩種方法,一是蒸發(fā),一是濺射。

用于金屬和合金等薄膜試樣制備

真空鍍膜是將固體材料置于真空室內(nèi)，在真空條件下，將固體材料加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的原子或分子能自由地彌布到容器的器壁上。當(dāng)把一些加工好的基板材料放在其中時，蒸發(fā)出來的原子或分子就會吸附在基板上逐漸形成一層薄膜。真空鍍膜有兩種方法,一是蒸發(fā),一是濺射。

用于金屬和合金等薄膜試樣制備

總結(jié)各種制樣方法的特點及其局限性58當(dāng)前第58頁\共有121頁\編于星期四\23點六、成像襯度－

TEM襯度像像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別像襯度可分為：散射襯度和衍射襯度。

①散射襯度：透過試樣不同部位時，散射與透射強度組成比例不同引起的反差。59當(dāng)前第59頁\共有121頁\編于星期四\23點60六、成像襯度－

TEM襯度像振幅襯度相位襯度質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源

如果所用試樣厚度小于l00nm，甚至30nm。它是讓多束衍射光束穿過物鏡光闌彼此相干成像，像的可分辨細(xì)節(jié)取決于入射波被試樣散射引起的相位變化和物鏡球差、散焦引起的附加相位差的選擇。

振幅襯度相位襯度當(dāng)前第60頁\共有121頁\編于星期四\23點鐵紅金圈結(jié)晶釉的表面形貌復(fù)型像質(zhì)厚襯度一次復(fù)型二次復(fù)型試樣

復(fù)型像一次復(fù)型二次復(fù)型(互補)(原貌)原子散射截面原子量61當(dāng)前第61頁\共有121頁\編于星期四\23點62②衍射襯度：透過試樣不同部位時，衍射與透射強度組成比例不同引起的反差。六、成像襯度－

TEM襯度像當(dāng)前第62頁\共有121頁\編于星期四\23點

對薄晶體

當(dāng)薄晶體中各部位(晶粒)符合Bragg條件不同時而產(chǎn)生的反差成為衍襯像。

②衍襯像①?。嚎赏高^e②晶體：可衍射

各部位，即取向差：小角晶界，晶粒取向，缺陷近旁取向及晶面間距差等。

電子束散射能力強，所以ED強度>>XRD，幾個數(shù)量級，所以襯度大。63當(dāng)前第63頁\共有121頁\編于星期四\23點*明場像：IDI0-ID

①晶體中(hkl)與入射e束成θ,

②衍射束與透射束聚焦在ob后焦面上。利用襯度光欄擋去只有少數(shù)晶粒符合Bragg――呈暗像；

多數(shù)晶粒不符合Bragg――呈不同亮度。

操作：,僅讓I0-ID透射束成像。符合Bragg方程發(fā)生衍射ID。ID64當(dāng)前第64頁\共有121頁\編于星期四\23點**暗場像：中心暗場像旁軸暗場像位錯、孿晶、電疇、共格相。試樣物鏡襯度光欄(1)傾斜電子束的方法。(2)移動襯度光欄的方法。使符合Bragg方程發(fā)生衍射的晶粒成像。使符合Bragg方程發(fā)生衍射的晶粒成像。65當(dāng)前第65頁\共有121頁\編于星期四\23點SrTiO3陶瓷TEM暗場像SrTiO3陶瓷TEM明場像66當(dāng)前第66頁\共有121頁\編于星期四\23點中B位有序區(qū)明場像中B位有序區(qū)暗場像67當(dāng)前第67頁\共有121頁\編于星期四\23點一般來說，觀察形貌用明場像，因為成像襯度好（尤其是加了合適的光闌），形變小。其主要表現(xiàn)為厚度襯度，對厚度敏感。

觀察缺陷如位錯/孿晶時用暗場像，因為暗場像是來自于選定的某個衍射束，對應(yīng)于晶體特定的晶面。在缺陷地方，電子衍射的方向和完整的地方不一樣，從而使得缺陷地方能夠在暗場像上清楚的顯示出來。明場像因為是多個衍射束的成像，對缺陷不敏感，雖然有時候也能反應(yīng)出缺陷，但是及其模糊。其主要表現(xiàn)為衍射襯度。也就是對衍射面敏感。當(dāng)前第68頁\共有121頁\編于星期四\23點

①等厚條紋:厚度不同引起(孔洞、邊緣)

ID高，可再次衍射。

試樣的厚度足以使電子束反復(fù)散射***條紋像：

非晶試樣不同厚度處對入射電子束形成入射，衍射線強度交替變化。

強度衍射線強度入射線強度這個周期距離稱為消光距離d。

形成兩股相互交叉在入射、衍射方向上的電子束，dAlN陶瓷的TEM顯微像d等厚條紋69當(dāng)前第69頁\共有121頁\編于星期四\23點

②等傾干涉條紋：彎曲各部晶面與入射電子束θ不同，***條紋像：強度入射電子束試樣彎曲(受熱或其他，薄片翹曲）衍射情況不同所出現(xiàn)的干涉條紋。符合Bragg條件不同，AlN陶瓷的TEM顯微像等傾干涉條紋70當(dāng)前第70頁\共有121頁\編于星期四\23點必須指出：①只有晶體試樣形成的衍襯像才存明場像與暗場像之分，其亮度是明暗反轉(zhuǎn)的，即在明場下是亮線，在暗場下則為暗線，其條件是，此暗線確實是所使用的操作反射斑引起的。②它不是表面形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作用后的反映。

為了使衍襯像與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系有機的聯(lián)系起來，從而能夠根據(jù)衍襯像來分析晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，探測晶體內(nèi)部的缺陷，必須建立一套理論，這就是衍襯運動學(xué)理論和動力學(xué)理論。71當(dāng)前第71頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射1.倒易點陣的概念

一種以長度倒數(shù)為量綱的點陣稱為倒易點陣。這種點陣所在的空間稱為倒易空間。72當(dāng)前第72頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射倒易點陣兩個重要的基本性質(zhì)在倒易點陣中，從原點指向陣點[(hkl)]*的倒易矢量Hhkl

=ha*+kb*+lc*必和正點陣的(hkl)面垂直，即倒易點陣的陣點方向[hkl]*和正點陣的(hkl)面垂直：[hkl]*⊥(hkl)。H(hkl)的模等于正點陣(hkl)面面間距d(hkl)的倒數(shù)。73當(dāng)前第73頁\共有121頁\編于星期四\23點d110g110bar110b*a*000100010110g110220倒易點陣正點陣74當(dāng)前第74頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射2.電子衍射原理

布拉格衍射時的幾何條件

水平方向的入射束和衍射晶面組(h’k’l’)作用時，相鄰平行晶面間的波程差：衍射晶面組的間距布拉格衍射角75當(dāng)前第75頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射

注意式中等號右邊的數(shù)值2表示衍射極數(shù)n=2,即相鄰平行晶面間的波程差等于波長的2倍。n總是整數(shù)值可為0，1，2，3…...。如果令

把反射極數(shù)n包括在之中，則在布拉格方程可改寫為恒為一級衍射的形式2dhklsinq=l2dh’k’l’sinq=2l

說明，若反射波陣面上相鄰平行晶面散射波間的波陣差等于波長的n倍時，散射波之間具有相同的位相，導(dǎo)致晶面組的衍射束加強。根據(jù)76當(dāng)前第76頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射2dhklsinq=l

我們可以把(h’k’l’)晶面看成（晶面間距為dh’k’l’

）產(chǎn)生的n級衍射看成是(hkl)晶面（晶面間距為）產(chǎn)生的一級衍射。

從面指數(shù)來看，h=nh’,k=nk’,l=nl’。例如(111)晶面的3級衍射可以看成(333)面的1級衍射，顯然d111是

d333的3倍

。77當(dāng)前第77頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射3.愛瓦爾德圖解在電子衍射的分析過程中常用到愛瓦爾德球作圖法，利用該方法可以比較直觀地觀察衍射時衍射晶面、入射束和衍射束間的幾何關(guān)系。愛瓦爾德圖解法即是布拉格方程的幾何表達(dá)形式。愛瓦爾德球是位于倒易空間中的一個球面，球的半徑等于電子波波長的倒數(shù)。具體做法：將衍射晶面置于球心O的位置，電子束自P點入射到樣品上。78當(dāng)前第78頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射愛瓦爾德圖解K－入射矢量；K/－衍射矢量；2θ上式為布拉格方程的矢量式。根據(jù)幾何關(guān)系，矢量的?？捎帽硎尽Ｓ蒏＝1/l,→ghkl=(2/l)sinq若令

ghkl=2/l=1/dhkl，則得2dhklsinq＝l與前文一級衍射形式完全一致。79當(dāng)前第79頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射相機長度衍射花樣的形成及衍射基本公式圖示3.電子衍射基本公式入射束形成的斑點O稱為透射斑或中心斑點。80當(dāng)前第80頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射衍射晶面與衍射花樣的對應(yīng)關(guān)系4.晶帶及其零層倒易面81當(dāng)前第81頁\共有121頁\編于星期四\23點七、電子衍射標(biāo)準(zhǔn)零層倒易面標(biāo)準(zhǔn)電子衍射花樣是標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面的比例圖像。倒易點的指數(shù)就是衍射斑點的指數(shù)。相對于某一特定晶帶軸[uvw]的零層倒易截面內(nèi)各倒易點的指數(shù)受到兩個條件的約束。

A

各倒易點和晶帶軸的指數(shù)間必須滿足晶帶定理，即hu+kv+lw=0;B只有不產(chǎn)生消光的晶面才能在零層倒易面上出現(xiàn)倒易點。82當(dāng)前第82頁\共有121頁\編于星期四\23點a)b)

體心立方晶體[001]和[011]晶帶的標(biāo)準(zhǔn)零層倒易截面圖a)[001]b)[011]83當(dāng)前第83頁\共有121頁\編于星期四\23點標(biāo)定的目的：給出底片上物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息（點陣類型晶格常數(shù)），給出底片上至少兩個不同方向衍射點的面指數(shù)(h1k1l1)(h2k2l2)和倒易面法線方向[UVW]84當(dāng)前第84頁\共有121頁\編于星期四\23點85當(dāng)前第85頁\共有121頁\編于星期四\23點圖3.9Al3Ni型正交相Al74.8Fe1.5Ni23.7的選區(qū)電子衍射花樣86當(dāng)前第86頁\共有121頁\編于星期四\23點PMN-PT陶瓷晶粒的ED花樣l

單晶：斑點花樣5.電子衍射花樣特征分類鑄態(tài)AZ31+1.0Ce合金中針狀相B點處的衍射斑點87當(dāng)前第87頁\共有121頁\編于星期四\23點5.電子衍射花樣特征分類l

多晶體：環(huán)花樣

(同心圓)

鐵鎳基合金內(nèi)的納米微晶區(qū)的顯微像(左)及ED花樣(右)88當(dāng)前第88頁\共有121頁\編于星期四\23點l

非晶體（玻璃）：衍射葷環(huán)堇青石玻璃陶瓷粉體的TEM圖像89當(dāng)前第89頁\共有121頁\編于星期四\23點6.電子衍射譜的標(biāo)定由Bragg公式:

1/

1/dO'O*OLR2薄(單)晶體電子衍射幾何：愛氏球薄晶體即有：

由圖：即：L:O'R倒易桿

試樣至底片有效長度R:斑點至底片中心距離相機長度90當(dāng)前第90頁\共有121頁\編于星期四\23點必須是針對照相底片的標(biāo)定標(biāo)定前我們需要了解的信息：加速電壓U,用于計算底片上讀到的信息

放大倍數(shù)和相機長度L相機常數(shù)L（協(xié)調(diào)正、倒空間的比例常數(shù)）內(nèi)標(biāo)法修正相機常數(shù)（選一個已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）電子衍射基本公式L=Rd6.電子衍射譜的標(biāo)定91當(dāng)前第91頁\共有121頁\編于星期四\23點由：

O'R那么：

由底片測出R，若已知L，可求d。

所以e束入射方向約等于由衍射晶面組成的晶帶的晶帶軸方向。

換言之，只有那些與e束入射方向為晶帶軸所組成的晶帶才能參與衍射。晶帶定理：

因為當(dāng)θ很小時，e束與衍射的晶面幾乎是平行的92當(dāng)前第92頁\共有121頁\編于星期四\23點

由結(jié)晶學(xué)知識，已知由兩個不共方向的倒易矢量即可確定一個倒易點陣，為兩條不共方向、相鄰的最短矢量。那么：

O*

因此，衍射矢量之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，滿足一定的關(guān)系：

滿足關(guān)系：

(1)(2)若和93當(dāng)前第93頁\共有121頁\編于星期四\23點由：

(1)(2)另有(3)

O*94當(dāng)前第94頁\共有121頁\編于星期四\23點(4)任意確定某衍射點1的(hkl)；#薄晶(單)體電子衍射花樣標(biāo)定步驟：

(1)測量各衍射點與中心點之距離R

;(2)求各衍射點的;

(3)對照J(rèn)CPDS卡試標(biāo)出各點的{hkl}；R1

O*R3

R2

{hkl}(5)用組成最小平行四邊形，試標(biāo)另2、3點的(hkl)；

之夾角，與Cos的求值比較、驗正標(biāo)定結(jié)果的正確性；(7)按指數(shù)沿一定方向整數(shù)增大，標(biāo)出其余各衍射點的(hkl)；(8)用1(hkl)R1

O*23(220)(110)(6)測量求晶帶軸95當(dāng)前第95頁\共有121頁\編于星期四\23點6.電子衍射譜的標(biāo)定已知結(jié)構(gòu)的標(biāo)定：單晶電子衍射的標(biāo)定：立方相的標(biāo)定步驟：1，量最短的三個矢量R1R2R3的長度

R1，R2，R3，滿足右手規(guī)則，R1+R2=R32，測R1R2，

R1R3夾角

3，完成下表序號RiRi2Ri2/R12N{hkl}(hkl)dia

4，驗證：R1R2，

R1R35，用晶帶定律求倒易面法線方向6，如果是多張衍射譜要驗證譜間夾角7，得出晶體結(jié)構(gòu)和a值96當(dāng)前第96頁\共有121頁\編于星期四\23點6.電子衍射譜的標(biāo)定不同點陣類型的立方晶系中，由于消光規(guī)律的作用，衍射晶面的N值也不同：簡立方：1:2:3:4:5:6:8:9:…體心立方：2:4:6:8:10:12:14:…面心立方：3:4:8:11:12:16:…金剛石立方：3:8:11:16:19:…所以：由R2

1:R2

2:R2

3:…比值規(guī)律可知是什么立方，然后由N值定出hkl.97當(dāng)前第97頁\共有121頁\編于星期四\23點6.電子衍射譜的標(biāo)定非立方相的標(biāo)定步驟：1，量最短的三個矢量R1R2R3的長度

R1，R2，R3，滿足右手規(guī)則，R1+R2=R32，測R1R2

3，計算R2/R1,R3/R1,d1,d2

4，利用reci程序計算出結(jié)果文件，查表得出結(jié)果

H1K1L1,H2K2L2,UVW,確定相reci程序結(jié)果文件查表需要的五個值：R2/R1R3/R1FAId1d298當(dāng)前第98頁\共有121頁\編于星期四\23點6.電子衍射譜的標(biāo)定對于不同的晶面（h1k1l1）,（h2k2l2）…必滿足下列等式：R2

1:R2

2:R2

3:…=（h12+k12+l12）:（h22+k22+l22）:（h32+k32+l32）:…=N1:N2:N3:…Ll=Rd

關(guān)于N值：N1,N2,N3,…為一系列整數(shù)，它對應(yīng)于整數(shù)（h2+k2+l2）這個數(shù)列中有一些不得出現(xiàn)的禁數(shù)：7，15，23，28，31，39，47，55，60，…R2=(Ll/a)2(H2+K2+L2)99當(dāng)前第99頁\共有121頁\編于星期四\23點

PARAMETERSA=5.8000B=5.8000C=5.8000?

AF=90.000BT=90.000GM=90.000NUVW=3NSY=1NL=1SY:1-CUBIC;2-TETRA;3-ORTH;4-HEX; 5-MONO;6-TRICLT:1-F;2-I;3-C;4-B;5-A;6-P;7-R;

KUVWH1K1L1H2K2L2R2/R1R3/R1FAId1d2111102-2-2021.0001.000120.002.0512.0512110-11-1-1111.0001.15570.533.3493.34931000-2000-21.0001.41490.002.9002.90043322-2011-31.1731.54190.002.0511.74952212-2002-41.5811.581108.432.0511.29762111-1-102-21.6331.91590.003.3492.051731000-2-13-11.6581.65872.452.9001.74983110-222-4-21.7321.73273.222.0511.184932202-2-4242.1212.121103.632.051.967103312-2020-62.2362.23677.082.051.9171121000-2-2402.2362.44990.002.9001.297123211-1-1-13-32.5172.58297.613.3491.3311332000-2-4603.6063.74290.002.900.804100當(dāng)前第100頁\共有