電子顯微技術

第6章電子顯微技術

6.1透射電子顯微鏡p279發(fā)明背景：它是在發(fā)現(xiàn)電子束具有波動性質及利用磁場改變電子束行徑，在上述理論的指導下發(fā)明出的。電子顯微鏡：是用電子束成像的顯微鏡，電子顯微鏡是一種高精密度的電子光學儀器，它具有較高分辨率本領和放大倍數(shù)，是觀察和研究物質微觀結構的重要工具?！瘳F(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，要求材料科學工作者能夠及時提供具有良好力學性能的結構材料及具有各種物理化學性能的功能材料。●材料的性能往往取決于微觀結構及成分分布。因此，為了研究新的材料或改善傳統(tǒng)材料，必須以盡可能高的分辨能力觀測和分析材料在制備、加工及使用條件下（包括相變過程中，外加應力及各種環(huán)境因素作用下等）微觀結構和微區(qū)成分的變化，并進而揭示材料成分—工藝—微觀結構—性能之間關系的規(guī)律，建立和發(fā)展材料科學的基本理論。改炒菜式為合金設計。透射電子顯微鏡（TEM）正是這樣一種能夠以原子尺度的分辨能力，同時提供物理分析和化學分析所需全部功能的儀器。特別是選區(qū)電子衍射技術的應用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結構分析結合起來，再配以能譜或波譜進行微區(qū)成份分析，得到全面的信息。

TEM的主要發(fā)展方向：(1)高電壓：增加電子穿透試樣的能力，可觀察較厚、較具代表性的試樣，現(xiàn)場觀察(in-situobservalion)輻射損傷;減少波長散布像差(chromaticaberration);增加分辨率等，目前已有數(shù)部2-3MeV的TEM在使用中。圖為200keVTEM之外形圖。(2)高分辨率：最佳解像能力為點與點間0.18nm、線與線間0.14nm。美國於1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中1000keV之原子分辨電子顯微鏡(atomicresolutionelectronmicroscope，AREM)其點與點間之分辨率達0.17nm，可直接觀察晶體中的原子。(3)多功能分析裝置：如附加電子能量分析儀(electronanalyzer，EA)可監(jiān)定微區(qū)域的化學組成。(4)場發(fā)射電子光源:具高亮度及契合性，電子束可小至1nm。除適用於微區(qū)域成份分析外，更有潛力發(fā)展三度空間全像術(holography)。兩種類型的散射及產物

①彈性散射改變軌道，能量不變

②非彈性散射改變軌道，能量改變

6.1.1電子與物質的相互作用p279散射：一束電子射到試樣上，電子與物質相互作用，當電子的運動方向被改變時。散射可分為彈性和非彈性兩類，其中彈性散射是電子衍射的基礎。

非彈性散射與彈性散射的比值由原子序數(shù)Z決定，即電子在物質中的非彈性散射部分僅為彈性部分的1/Z，這是因為原子核內電荷集中，具有較大的散射能力。原子序數(shù)愈大的原子，非彈性散射的比例愈小，彈性散射的比例愈大。電子與試樣相互作用可以得到各種信息感應電動勢熒光特征X射線二次電子被散射電子俄歇電子吸收電子透射電子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)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的形式透射電子顯微鏡工作原理成像原理與光學顯微鏡類似。它們的根本不同點：光學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的為磁透鏡。由于電子波長極短，同時與物質作用遵從布拉格（Bragg）方程，產生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領的同時兼有結構分析的功能。圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖光學顯微鏡和透射電鏡光路圖比較：光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏根據阿貝成像理論在物鏡的后焦面上有衍射譜，可以通過減弱中間鏡電流來增大其物距，使其物平面與物鏡的后焦面相重，這樣就可以把物鏡產生的衍射譜透到中間鏡的像平面上，得到一次放大了的電子衍射譜，再經過投影鏡的放大作用，最后在熒光屏上得到二次放大的電子衍射譜。電子衍射譜

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系.衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出.因此,許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理.即電子衍射兩種技術所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點p299

電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結構分析結合起來。電子波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結構和有關取向關系，使晶體結構的研究比X射線簡單。物質對電子的散射更強，約為X射線的一百萬倍，曝光時間短。特別適用于微晶、表面和薄膜的晶體結構的研究，且衍射強度大，所需時間短，只需幾秒鐘。

不足之處電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強度分析變得復雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結構。此外，散射強度高導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射線復雜；在精度方面也遠比X射線低。透射電鏡的主要性能指標（1）分辨率：是透射電鏡的最主要的性能指標，它反應了電鏡顯示亞顯微組織、結構細節(jié)的能力。點分辨率：表示電鏡所能分辨的兩個點之間的最小距離。線分辨率：表示電鏡所能分辨的兩條線之間的最小距離。p288根據“瑞利”判據，當A、B兩點靠近到使像斑的重疊部分達到各自的一半時，則認為此兩點的距離即是透鏡的分辨本領；由此得出顯微鏡的分辨本領公式（Airy公式）為：r=0.612/(nsin)，其中，nsin是透鏡的孔徑數(shù)（簡寫為NA

），常于鏡頭上標明，其最大值為1.3。因此，上式可近似化簡為：r=0.5

光鏡采用的可見光的波長為400~760nm。加速電壓與電子波長（p280）加速電壓(kv)電子波長(nm)10.0388100.0122500.005361000.0037010000.00087透射電鏡的加速電壓一般為50~100kv，電子波長在0.0536~0.0370?,比可見光的波長小十幾萬倍，比結構分析中常用的X射線的波長也小1~2個數(shù)量級。透射電鏡（TEM）與光鏡（LM）的對比照明光源：LM是用可見光，TEM是用由電子槍發(fā)出的電子束做光源。鏡筒：LM的鏡筒內部可以是大氣，TEM的鏡筒內部必須是真空狀態(tài)。透鏡：LM所用的透鏡一般是用固體介質（如玻璃）制成，TEM的電子透鏡是由特殊形狀的電場或磁場構成。觀察：LM的圖像可以直接用肉眼觀察，圖像的結構層次可以是彩色顯示，而TEM的電子圖像的結構層次只能以灰度（黑白）對比顯示，不能直接以是彩色顯示。磁透鏡p281磁場對電子的作用：當電子運動的方向與磁力線垂直，電子運動的軌跡是一個圓。圓的平面與磁場方向垂直。e

0B=m

02/RR=m0/eB假設從A點發(fā)射一束電子，與磁力線成一定角度，每個電子的速度矢量可分為兩個分速度矢量：一個平行于磁力線（使電子沿磁力線方向運動），一個垂直于磁力線（使電子作圓周運動）。電子運動的軌跡是一個螺旋線。周期T=2R/r=2m/eB.所有滿足旁軸條件的電子沿著各自的螺旋軌道經過相同時間又在同一點會聚，即這樣的線圈起著聚焦的作用。但放大倍數(shù)

1.然而，當電子經過短線圈造成的磁場就不同了。短線圈形成的磁場是不均勻的，作用于電子的力是變化的。在這類軸對稱的彎曲磁場中，電子運動的軌跡是一條空間曲線，離開磁場后，電子的旋轉加速度減為零，電子作偏向軸的直線運動，并進而與軸相交。從以上分析可見，軸對稱的磁場對運動電子總是起會聚作用，磁透鏡都是會聚透鏡。短磁透鏡p283焦距f=ARV/(NI)2,式中V是加速電壓，NI是透鏡線包的安匝數(shù)，R是線包的半徑，A是與透鏡結構有關的常數(shù)（A>0）由上式可見：1）f>0,表明磁透鏡總是會聚透鏡，2）f1/I2,表明當勵磁電流稍有變化時，就會引起透鏡焦距大幅度的改變，因此，可以用調節(jié)電流的辦法來改變磁透鏡的焦距，3）焦距f與加速電壓V有關，加速電壓不穩(wěn)定將使圖像不清晰。透射電鏡的主要性能指標（2）放大倍數(shù)：是指電子圖象對于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。p290肉眼可見（大于0.2mm）——宏觀形態(tài)光學顯微鏡鏡（LM）可見（小于0.2mm，大于200nm）——微觀形態(tài)放大倍率：M=肉眼分辨率/顯微鏡的分辨率光鏡的最高有效放大倍數(shù)約為：Me=0.2mm/200nm=1000（倍）電鏡的分辨率為106（3）電磁透鏡的光學性質

式中：u、v與f——物距、像距與焦距。式中：V0——電子加速電壓；R——透鏡半徑；NI——激磁線圈安匝數(shù)；A——與透鏡結構有關的比例常數(shù)。p284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角度，稱為磁轉角

。物與像的相對位向對實像為180

，對虛像為

。電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調的會聚透鏡。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）。如果像不具有足夠的襯度，即使電鏡有極高的分辨率和放大倍數(shù)，人的眼睛也不能分辨。因此，高的分辨率、適宜的放大率和襯度是電鏡高質量圖像的三大要素。

對于無定形或非晶體試樣，電子圖象的襯度是由于試樣各部分的密度和厚度不同形成的，這種襯度稱為質（量）厚（度）襯度（散射襯度）。由于樣品的不均勻性，即同一樣品的相鄰兩點，可能有不同的樣品密度、不同的樣品厚度或不同的組成，因而對入射電子有不同的散射能力。散射角大的電子，由于光闌孔徑的限制，只有部分散射電子通過光闌參與成像，形成圖象中的暗點；相反，散射角小的電子，大部分甚至全部通過物鏡光闌參與成像，形成圖象的亮點；這兩方面共同形成圖象的明暗襯度，這種襯度反映了樣品各點在厚度、密度和組成上的差異。（4）襯度：樣品特征通過對電子散射能力的不同形成的明暗差別象。（p291）衍射襯度明場像——采用物鏡光欄將衍射束擋掉，只讓透射束通過而得到圖象襯度的方法稱為明場成像，所得的圖象稱為明場像。暗場像——用物鏡光欄擋住透射束及其余衍射束，而只讓一束強衍射束通過光欄參與成像的方法，稱為暗場成像，所得圖象為暗場像。吸收襯度位相襯度p290明場像暗場像二、構造p292

TEM由以下組成。電子光學部分：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)電源系統(tǒng)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

傾轉角度α=±60度

β=±30度PhilipsCM12透射電鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W燈絲

晶格分辨率2.04?

點分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm；

傾轉角度α=±20度

β=±25度CEISS902電鏡加速電壓50KV、80KV

W燈絲

頂插式樣品臺

能量分辨率1.5ev

傾轉角度α=±60度

轉動40001．電子光學部分

整個電子光學部分完全置于鏡筒之內，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。照明系統(tǒng)樣品室成像系統(tǒng)觀察和記錄系統(tǒng)(1)照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調節(jié)裝置組成。它的作用：是為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內傾斜。

①電子槍。它由陰極、柵極和陽極構成。在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。

②聚光鏡。聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。1）照明部分（1）陰極：又稱燈絲，一般是由0.03~0.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。（2）陽極：加速從陰極發(fā)射出的電子。為了安全，一般都是陽極接地，陰極帶有負高壓。（3）控制極：會聚電子束；控制電子束電流大小，調節(jié)象的亮度。陰極、陽極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動能，因此，人們習慣上把它們通稱為“電子槍”。

①電子槍。②聚光鏡：由于電子之間的斥力和陽極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過陽極小孔后，又逐漸變粗，射到試樣上仍然過大。聚光鏡就是為克服這種缺陷加入的，它有增強電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會聚起來的作用。陰極（接負高壓）控制極（比陰極負100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣照明部分示意圖

(2)樣品室

樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。其位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。

(3)成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。物鏡：電鏡的最關鍵的部分，其作用是將來自試樣不同點同方向同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構成含有試樣結構信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其象平面上，構成與試樣組織相對應的顯微象。透射電鏡的分辨率的高低，很大程度上取決于物鏡的好壞。

成像系統(tǒng)補充說明：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。近代高性能電鏡一般都設有兩個中間鏡，兩個投影鏡。三級放大放大成像成像（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡

三次象（熒光屏）選區(qū)光闌(4)圖像觀察與記錄系統(tǒng)

該系統(tǒng)由熒光屏、照相機、數(shù)據顯示等組成．在分析電鏡中，還有探測器和電子能量分析等附件（見下頁示意圖）。掃描發(fā)生儀顯象管和X-Y記錄儀數(shù)據處理放大器電子束掃描線圈入射光闌電子能量分析儀能量選擇光闌