《材料分析測試技術(shù)》 透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡【教學(xué)內(nèi)容】1.透射電子顯微鏡的構(gòu)造與成像原理；2.透射電鏡圖像的成像過程；3.透射電鏡主要性能；4.外表復(fù)型技術(shù)；【重點掌握內(nèi)容】1.透射電子顯微鏡構(gòu)造；2.外表復(fù)型技術(shù)；3.復(fù)型電子顯微鏡圖像的分析；【教學(xué)難點】外表復(fù)型技術(shù)一.透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理

日本日立公司H－700電子顯微鏡，配有雙傾臺，并帶有7010掃描附件和EDAX9100能譜。該儀器不但適合于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、微生物等方面的研究，由于加速電壓高，更適合于金屬材料、礦物及高分子材料的觀察與結(jié)構(gòu)分析，并能配合能譜進行微區(qū)成份分析。分辨率：0.34nm加速電壓：75KV－200KV放大倍數(shù)：25萬倍能譜儀：EDAX－9100掃描附件：S7010CM200-FEG場發(fā)射槍電鏡JEM-2010透射電鏡加速電壓20KV、40KV、80KV、160KV、200KV可連續(xù)設(shè)置加速電壓晶格分辨率

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度加速電壓200KVLaB6燈絲點分辨率

1.94?PhilipsCM12透射電鏡CEISS902電鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KVLaB6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(zhuǎn)角度α=±20度

β=±25度加速電壓50KV、80KVW燈絲頂插式樣品臺能量分辨率1.5ev傾轉(zhuǎn)角度α=±60度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(一)照明系統(tǒng)

組成：由電子槍、聚光鏡〔1、2級〕和相應(yīng)的平移對中、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、平行度高、束斑小、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足明場和暗場成像需要，照明束可在20-30范圍內(nèi)傾斜。1.電子槍作用是發(fā)射并加速電子，并會聚成交叉點。目前電子顯微鏡使用的電子源有兩類：熱電子源——加熱時產(chǎn)生電子，W絲，LaB6場發(fā)射源——在強電場作用下產(chǎn)生電子熱陰極電子源電子槍的結(jié)構(gòu)如右圖所示，形成自偏壓回路，柵極和陰極之間存在數(shù)百伏的電位差。電子束在柵極和陽極間會聚為尺寸為d0的交叉點，通常為幾十um。柵極的作用：限制和穩(wěn)定電流。2.聚光鏡從電子槍發(fā)射出的電子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，為此，需進一步會聚成近似平行的照明來，這個任務(wù)由聚光鏡實現(xiàn)，通常有兩級聚光鏡來聚焦。如右圖。C1—強磁透鏡，C2—弱磁透鏡，長焦，小α。

為了調(diào)整束斑大小還在C2聚光鏡下裝一個聚光鏡光闌。通常經(jīng)二級聚光后可獲得Num的電子束斑。為了減小像散，在C2下還要裝一個消像散器，以校正磁場成軸對稱性的。電子槍還可以傾斜2—30，以實現(xiàn)中心磁場成像。(二)成像系統(tǒng)

由物鏡、物鏡光欄、選區(qū)光欄、中間鏡〔1、2〕和投影鏡組成。物鏡：強勵磁短焦透鏡〔f=1-3mm〕,放大倍數(shù)100—300倍。作用：形成第一幅放大像物鏡光欄：裝在物鏡背焦面，直徑20—120um，無磁金屬制成。作用：a.提高像襯度，b.減小孔經(jīng)角，從而減小像差。C.進行暗場成像選區(qū)光欄：裝在物鏡像平面上，直徑20-400um，作用：對樣品進行微區(qū)衍射分析。中間鏡：弱壓短透鏡，長焦，放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)0—20倍作用：a.控制電鏡總放大倍數(shù)。B.成像/衍射模式選擇。投影鏡：短焦、強磁透鏡，進一步放大中間鏡的像。投影鏡內(nèi)孔徑較小，使電子束進入投影鏡孔徑角很小。小孔徑角有兩個特點：景深大，改變中間鏡放大倍數(shù)，使總倍數(shù)變化大，也不影響圖象清晰度。焦深長，放寬對熒光屏和底片平面嚴格位置要求。注意：有些電鏡還裝有附加投影鏡，用以自動校正磁轉(zhuǎn)角。近代電鏡一般都有兩個中間鏡、兩個投影鏡。30萬倍以上成象時，物鏡、兩個中間鏡和兩個投影鏡同時起放大作用。低倍時，關(guān)掉物鏡，第一個中間鏡對試樣進行第一次成象，這樣因為物距加長，加之改變投影鏡的電流，總的放大倍數(shù)可在一千倍以下。（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次像中間鏡二次像投影鏡三次像（熒光屏）選區(qū)光闌物鏡關(guān)閉無光闌中間鏡（作物鏡用）投影鏡第一實像（熒光屏）普查像極低放大率像(三)觀察記錄系統(tǒng)

觀察和記錄系統(tǒng)包括熒光屏和照相機構(gòu)。熒光屏涂有在暗室操作條件下，人眼較敏感、發(fā)綠光的熒光物質(zhì)，有利于高放大倍數(shù)、低亮度圖像的聚集和觀察。照相機構(gòu)是一個裝在熒光屏下面，可以自動換片的照相暗盒。膠片是一種對電子束曝光敏感、顆粒度很小的溴化物乳膠底片，為紅色盲片，曝光時間很短，一般只需幾秒鐘。新型電鏡均采用電磁快門，與熒光屏聯(lián)動。有的裝有自動曝光裝置。現(xiàn)代電鏡已開始裝有電子數(shù)碼照相裝置，即CCD相機。(四)真空系統(tǒng)為了保證電子在整個通道中只與樣品發(fā)生相互作用，而不與空氣分子碰撞，因此，整個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)。如果真空度不夠，就會出現(xiàn)以下問題：1〕高壓加不上去2〕成象襯度變差3〕極間放電4〕使鎢絲迅速氧化，縮短壽命電鏡真空系統(tǒng)一般是由機械泵、油擴散泵、離子泵、閥門、真空測量儀和管道等局部組成。(五)供電系統(tǒng)

透射電鏡需要兩局部電源：一是供給電子槍的高壓局部，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流局部。電壓的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個極為重要的標(biāo)志。加速電壓和透鏡電流的不穩(wěn)定將使電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重像差，從而使分辨本領(lǐng)下降。所以對供電系統(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。在所有的透鏡中，物鏡激磁電流的穩(wěn)定度要求也最高。近代儀器除了上述電源局部外，尚有自動操作程序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的計算機系統(tǒng)。二.主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理

(一)樣品平移與傾斜裝置〔樣品臺SpecimenHolders〕電鏡樣品小而薄，通常用外徑3mm的樣品銅網(wǎng)支持，網(wǎng)孔或方或園，約0.075mm。樣品臺的作用是承載樣品，并使樣品在物鏡極靴孔內(nèi)平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進行觀察分析。平移是樣品臺的根本動作，平移最大值1mm。傾斜裝置用的最普遍的是“側(cè)插〞式傾斜裝置有的樣品桿本身還帶有使樣品傾斜或原位旋轉(zhuǎn)的裝置。這些樣品桿和傾斜樣品臺組合在一起成為側(cè)插式雙傾樣品臺和單傾旋轉(zhuǎn)樣品臺。雙傾臺是最常用的，沿X和Y軸傾轉(zhuǎn)

45度。樣品臺的傾斜和旋轉(zhuǎn)裝置可以進行三維立體分析，測定晶體的位向、相變時的慣習(xí)面以及析出相的方位等。(二)電子束傾斜與平移裝置新式電鏡都帶有電磁偏轉(zhuǎn)器，使入射電子束平移和傾轉(zhuǎn)，其原理見圖，上、下兩線圈聯(lián)動的。利用電子束原位傾斜可以進行中心暗場成像操作。電子束平移和傾斜的原理圖〔a〕平移〔b〕傾斜(三)消像散器〔Stigmators〕作用：消除或減小透鏡磁場的非軸對稱性，把固有的橢圓形磁場校正成旋轉(zhuǎn)對稱磁場的裝置。消像散器分為兩類：機械式；電磁式。機械式：電磁透鏡的磁場周圍放置幾塊位置可以調(diào)節(jié)的導(dǎo)磁體來吸引局部磁場。電磁式：通過電磁極間的吸引和排斥來校正磁場，如下圖，兩組四對電磁體排列在透鏡磁場外圍，每對電磁體同極相對安置。通過改變兩組電磁體的勵磁強度和磁場的方向?qū)崿F(xiàn)校正磁場。消像散器一般安裝在透鏡的上、下極靴之間(四)光闌〔Diaphragmholdersandchoiceofdiaphragms〕透射電鏡有三種主要光闌〔Typesofdiaphragms〕聚光鏡光闌〔Condenserlensholder〕物鏡光闌〔Objectivelensholders〕選區(qū)光闌〔Diffractionlensholders〕由光闌架和光闌孔組成。1.聚光鏡光闌作用：限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，該光闌裝在第二聚光鏡下方。光闌孔直徑：20-400um，一般分析用時光闌孔直徑用200-300um，作微束分析時，采用小孔徑光闌。2.物鏡光闌也稱襯度光闌，安裝于物鏡后焦面。光闌孔徑20-120um功能與作用：提高像襯度；減小孔徑角，從而減小像差；進行暗場成像；3.選區(qū)光闌為了分析樣品上的微區(qū)，應(yīng)在樣品上放置光闌來限定微區(qū)，對該微區(qū)進行衍射分析叫做選區(qū)衍射。該光闌是選區(qū)光闌，也稱限場光闌或視場光闌。因為要分析的微區(qū)很小，一般數(shù)微米量級，要做這樣小的光闌孔在技術(shù)上有難度，也很容易污染，因此選取光闌都放置在物鏡的像平面位置?？梢缘竭_放置在樣品平面上的效果，但光闌可以做的更大些。如果物鏡的放大倍數(shù)是50，那么一個直徑為50um的光闌可以選擇樣品上1um的微區(qū)。三.透射電鏡的主要性能參數(shù)及其測定(一)主要性能參數(shù)分辨率；放大倍數(shù)；加速電壓(二)分辨率及其測定1.點分辨率定義：透射電鏡剛能分清的兩個獨立顆粒的間隙或中心距離。測定方法：Pt或貴金屬蒸發(fā)法。將Pt或貴金屬真空加熱蒸發(fā)到支持膜〔火棉膠、碳膜〕上，可得到粒徑0.5-1nm、間距0.2-1nm的粒子。高倍下拍攝粒子像，再光學(xué)放大5倍，從照片上找粒子間最小間距，除以總放大倍數(shù)，即為相應(yīng)的點分辨率。2.晶格分辨率定義：當(dāng)電子束射入樣品后，通過樣品的透射束和衍射束間存在位相差。由于透射和衍射束間的位相不同，它們間通過動力學(xué)干預(yù)在相平面上形成能反映晶面間距大小和晶面方向的條紋像，即晶格條紋像。晶格分辨率與點分辨率是不同的，點分辨率就是實際分辨率，晶格分辨率的晶格條紋像是因位相差引起的干預(yù)條紋，實際是晶面間距的比例圖像。測定方法：利用外延生長方法制得的定向單晶薄膜做標(biāo)樣，拍攝晶格像。測定晶格分辨率常用的晶體見下表。根據(jù)儀器分辨率的上下選擇晶面間距不同的樣品做標(biāo)樣。(三)放大倍數(shù)透射電鏡的放大倍數(shù)隨樣品平面高度、加速電壓、透鏡電流而變化。TEM在使用過程中，各元件的電磁參數(shù)會發(fā)生少量變化，從而影響放大倍數(shù)的精度。因此，必須定期標(biāo)定。標(biāo)定方法：用衍射光柵復(fù)型為標(biāo)樣，在一定條件下〔加速電壓、透鏡電流〕，拍攝標(biāo)樣的放大像，然后從底片上測量光柵條紋像間距，并與實際光柵條紋間距相比即為該條件下的放大倍數(shù)。例如，衍射光柵2000條/mm，條紋間距0.0005mm.利用光柵復(fù)型上噴鍍碳微粒法。碳微粒間距較光柵微粒間距小，用光柵間距標(biāo)定碳粒間距，就可以擴大標(biāo)定范圍，適用于5000-50000倍的情況。晶格條紋像法。利用測定晶格分辨率的樣品為標(biāo)樣，拍攝條紋像，測量條紋像間距，再計算條紋像間距與實際晶面間距的比值，即為放大倍數(shù)。適用于高倍，如10萬倍以上的情況。(a)5700倍(b)8750倍(一)概述襯度：是指試樣不同部位由于對入射電子作用不同，經(jīng)成象放大系統(tǒng)后，在顯示裝置上〔圖象〕顯示的強度差異。透射電鏡圖象襯度包括：振幅襯度：是由于離開試樣下外表的電子，局部被物鏡光闌擋掉不能參與成象造成的，是揭示試樣20?細節(jié)的主要機制。散射襯度〔質(zhì)量厚度襯度〕衍射襯度相位襯度：是試樣內(nèi)各點對入射電子作用不同，導(dǎo)致它們在試樣出口外表上相位不一，經(jīng)成象放大系統(tǒng)讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強度差而形成的，是揭示10?物體細節(jié)的主要機制〔如結(jié)構(gòu)象、原子象等〕。四.復(fù)型技術(shù)1.成像原理入射電子進入試樣后，與試樣原子的原子核和核外電子發(fā)生相互作用，使入射電子發(fā)生散射：彈性散射——入射電子與原子核的作用主要發(fā)生彈性散射，只發(fā)生方向變化而能量不變；非彈性散射——入射電子與核外電子的作用主要發(fā)生非彈性散射，其方向和能量均發(fā)生變化。由于試樣上各部位對電子的散射能力不同所形成的襯度稱為散射襯度〔質(zhì)厚襯度〕，主要用于分析復(fù)型成像和粉末試樣成像象。(二)質(zhì)厚襯度原理成像過程物鏡光闌放在物鏡的后焦面上，光闌孔與透鏡同軸；散射角大的電子被光闌擋住，只有與光軸平行及散射角很小的那一局部電子可以通過光闌孔；如圖中A點比B點對電子散射能力強，那么IAIB，即圖象上A'點比B'點暗。試樣電磁透鏡物鏡光闌IAI0I0ABB'(IB)A'(IA)IB2.明場像和暗場像用物鏡光闌擋掉散射電子的方法所得到的圖像稱為明場像。用物鏡光闌擋住直接透過的電子，使散射電子從光闌孔穿過成像，這樣得到的電子圖像稱為暗場像。實現(xiàn)暗場像的方法有兩種：使光闌孔偏離透鏡軸使入射電子束傾斜A.使光闌孔偏離B.使入射電子束傾斜3.質(zhì)厚襯度公式以強度為I0的電子束照射在試樣上，經(jīng)一次散射后參與成象的電子束強度I為：

式中N0—阿佛加德羅常數(shù)A—原子量

—密度t—厚度

a—原子散射截面圖像上相鄰點的反差決定于成象電子束的強度差，那么襯度為：

IA、IB為相鄰點的成象電子束強度由于透射試樣很薄，〔Qt〕1，那么：這就是質(zhì)厚襯度公式。4.圖像襯度與試樣參數(shù)的關(guān)系與原子序數(shù)的關(guān)系：物質(zhì)的原子序數(shù)越大，散射電子的能力越強，在明場象中參與成象的電子越少，圖象上相應(yīng)位置越暗。與試樣厚度的關(guān)系：設(shè)試樣上相鄰兩點的物質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)完全相同，只是電子穿越的厚度不同，那么

圖像襯度反映了試樣上各部位的厚度差異，在明場象中，暗的部位對應(yīng)的試樣厚，亮的部位對應(yīng)的試樣薄。與物質(zhì)密度的關(guān)系：試樣中不同的物質(zhì)或者不同的聚集狀態(tài)，其密度一般不同，也可形成圖象的反差，但這種反差一般比較弱。5.圖像分析中假象的排除假象多是制樣時、儀器本身或操作不當(dāng)造成的。分析圖象時，假設(shè)遇到異常形貌，要判斷其在試樣中是否有意義，可在試樣上取幾次復(fù)型，以確定此形貌是否如一地出現(xiàn)，或者采用不同的方法復(fù)型進行觀察，看是否如一地出現(xiàn)。在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴上幾滴體積濃度為1%的火棉膠醋酸戍酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品外表展平，多余的溶液用濾紙吸掉，待溶劑蒸發(fā)后樣品外表即留下一層100nm左右的塑料薄膜。把這層塑料薄膜小心地從樣品外表揭下來就是塑料一級復(fù)型樣品。但塑料一級復(fù)型因其塑料分子較大，分辨率較低；塑料一級復(fù)型在電子束照射下易發(fā)生分解和破裂。(三)一級復(fù)型1.塑料一級復(fù)型2.碳一級復(fù)型法直接把外表清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品外表蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線小于3mm的小方塊，然后把樣品放入配好的別離液中進行電解或化學(xué)別離。蒸發(fā)沉積層的厚度可用放在金相樣品旁邊的乳白瓷片的顏色變化來估計。碳一級復(fù)型的特點是在電子束照射下不易發(fā)生分解和破裂，分辨率可比塑料復(fù)型高一個數(shù)量級，但制備碳一級復(fù)型時，樣品易遭到破壞。

(四)二級復(fù)型方法：先制成中間復(fù)型〔一次復(fù)型〕，然后在中間復(fù)型上進行第二次碳復(fù)型，再把中間復(fù)型溶去，最后得到的是第二次復(fù)型。塑料－碳二級復(fù)型可以將兩種一級復(fù)型的優(yōu)點結(jié)合，克服各自的缺點。制備復(fù)型時不破壞樣品的原始外表；最終復(fù)型是帶有重金屬投影的碳膜，其穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性都很好，在電子束照射下不易發(fā)生分解和破裂；但分辨率和塑料一級復(fù)型相當(dāng)。(五)萃取復(fù)型

在需要對第二相粒子形狀、大小和分布進行分析的同時對第二相粒子進行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析時，常采用萃取復(fù)型的方法。這種復(fù)型的方法和碳一級復(fù)型類似，只是金相樣品在腐蝕時應(yīng)進行深腐蝕，使第二相粒子容易從基體上剝離。進行噴鍍碳膜時，厚度應(yīng)稍厚，以便把第二相粒子包絡(luò)起來。

一.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。衍射方向可以由愛瓦爾德球(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。1.電子衍射的特點〔與X射線衍射相比〕電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。電子波長短，在滿足布拉格條件時，它的衍射角θ很小，約為10-2rad。薄樣品的倒易陣點會沿著樣品厚度方向延伸成桿狀，增加了倒易陣點和愛瓦爾德球交截的時機，使略微偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射。電子波長短，單晶的電子衍射把戲可以近似看成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把戲可以直觀地識別出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡單。物質(zhì)對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。缺乏之處：電子衍射強度有時幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射把戲，特別是強度分析變得復(fù)雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結(jié)構(gòu)。散射強度高導(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。在精度方面也遠比X射線低。2.電子衍射把戲特征單晶體：一般為斑點把戲；多晶體：同心圓環(huán)狀把戲；織構(gòu)樣品：弧狀把戲；無定形試樣〔準(zhǔn)晶、非晶〕：彌散環(huán)。高嶺石的單晶電子衍射譜金的多晶衍射譜3.衍射把戲的分類斑點把戲：平行入射束與單晶作用產(chǎn)生斑點狀把戲；主要用于確定第二相、孿晶、有序化、調(diào)幅結(jié)構(gòu)、取向關(guān)系、成像衍射條件；菊池線把戲：平行入射束經(jīng)單晶非彈性散射失去很少能量，隨之又遭到彈性散射而產(chǎn)生線狀把戲；主要用于襯度分析、結(jié)構(gòu)分析、相變分析以及晶體的精確取向、布拉格位置偏移矢量、電子波長的測定等；會聚束把戲：會聚束與單晶作用產(chǎn)生盤、線狀把戲；可以用來確定晶體試樣的厚度、強度分布、取向、點群、空間群以及晶體缺陷等。(一)布拉格定律一般形式：2dsin=極限條件：2d，即對于給定的晶體，只有當(dāng)入射波長足夠短時，才能產(chǎn)生衍射。對于透射電鏡，加速電壓為100～200kV，那么電子波波長10-2～10-3nm，而常見晶體的晶面間距為d10～10-1nm,因此，sin=／2d10-2，即10-2rad電子衍射角非常小，是電子衍射與X射線衍射之間的主要區(qū)別。二.電子衍射原理(二)偏離矢量理論上獲得衍射把戲的條件：由于倒易陣點具有一定形狀，因此在偏離布拉格角范圍±

max內(nèi)，倒易點也有可能與愛瓦爾德球面相接觸而產(chǎn)生衍射。如圖是倒易桿與愛瓦爾德球相交的情況，當(dāng)2

偏離

時，倒易桿中心至與厄瓦爾德球面交截點的距離可用矢量s表示，s就是偏離矢量。

為正時，s矢量為正，反之為負；精確符合布拉格條件時，

＝0，s＝02q試樣入射束厄瓦爾德球倒易點陣底板電子衍射花樣形成示意圖(三)電子衍射根本公式如圖，一束波長為

的平行單色入射電子束照射下，面間距為d的晶面族{hkl}滿足布拉格條件，在距晶體樣品為L的底片上照下了透射斑點Q和衍射斑點P。由于電子波波長很短，電子衍射角很小，一般僅為1～2，所以

代入布拉格公式可得：

這就是電子衍射的根本公式。其中L一般是確定的，稱為相機長度，稱為相機常數(shù)，用K表示：一般K是的，因而通過底版測出R就可求出d。(一)有效相機常數(shù)同一晶面的衍射束是平行的〔如hkl的衍射束方向均為〕，所以同一晶面的衍射束將在物鏡背焦面上聚焦成一點，所有滿足衍射條件的晶面將在物鏡的背焦面上形成一幅由透射斑點和衍射斑點組成的衍射把戲，該衍射把戲與厄瓦爾德球倒易截面相似。由于通過透鏡中心的電子束可以看成不受折射，對于物鏡背焦面上形成的第一幅把戲而言，物鏡的焦距f0相當(dāng)于它的相機長度。三.電子顯微鏡中的電子衍射使中間鏡物平面與物鏡背焦面重合，且設(shè)中間鏡及投影鏡的放大倍數(shù)分別為MI、MP，那么在底版上：樣品物鏡f0O’P’背焦面r2

(二)選區(qū)電子衍射選區(qū)衍射就是在樣品上選擇一個感興趣的區(qū)域，并限制其大小，得到該微區(qū)電子衍射圖的方法，也稱微區(qū)衍射。兩種方法：光闌選區(qū)衍射：用位于物鏡象平面上的選區(qū)光闌限制微區(qū)大小。先在明場象上找到感興趣的微區(qū)，將其移到熒光屏中心，再用選區(qū)光闌套住微區(qū)而將其余局部擋掉。理論上，這種選區(qū)的極限0.5m。微束選區(qū)衍射：用微細的入射束直接在樣品上選擇感興趣部位獲得該微區(qū)衍射像。電子束可聚焦很細，所選微區(qū)可小于0.5m。可用于研究微小析出相和單個晶體缺陷等。目前已開展成為微束衍射技術(shù)。(三)磁轉(zhuǎn)角電子顯微鏡所用的電磁透鏡在聚焦、成象過程中，除了使電子發(fā)生徑向折射外，還有使電子運動的軌跡繞光軸轉(zhuǎn)動的作用，無論是顯微圖像還是衍射把戲，都存在一個磁轉(zhuǎn)角的問題。設(shè)圖像相對于樣品的磁轉(zhuǎn)角為i，衍射斑點相對于樣品的磁轉(zhuǎn)角為d，那么衍射斑點相對于圖像的磁轉(zhuǎn)角為：=i-d現(xiàn)代電鏡一般都安裝有磁轉(zhuǎn)角自動補正裝置。(一)單晶電子衍射把戲的幾何意義單晶電子衍射把戲?qū)嶋H上是一個二維的倒易截面(uvw)*。把戲中出現(xiàn)大量強度不等的衍射斑點，主要得益于：倒易陣點的擴展〔倒易桿、盤、球等〕；厄瓦爾德球半徑1/很大，球面近似于平面；加速電壓不夠穩(wěn)定，入射電子束波長不單一，厄瓦爾德球面具有一定厚度。上述因素使倒易陣點接觸球面的時機大大增多，從而形成一幅完整的衍射把戲。四.單晶電子衍射把戲標(biāo)定(二)單晶把戲分析的任務(wù)根本任務(wù)確定把戲中斑點的指數(shù)及其晶帶軸方向［uvw］；確定樣品的點陣類型、物相和位向。一般分析任務(wù)可分為兩大類：測定新結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)的參數(shù)是完全未知的，在ASTM卡片中和其它文獻中都找不到；鑒定舊結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)的參數(shù)前人已作過測定，要求在這些結(jié)構(gòu)中找出符合的結(jié)構(gòu)來。(三)單晶電子衍射把戲的指數(shù)化標(biāo)定根本程序主要方法有嘗試－校核法和標(biāo)準(zhǔn)把戲?qū)φ辗?。?biāo)定步驟：選擇靠近中心且不在一直線上的幾個斑點，測量它們的R值；利用R2比值的遞增規(guī)律確定點陣類型和這幾個斑點所屬的晶面族指數(shù){hkl}。如果樣品和相機常數(shù)，可分別計算產(chǎn)生這幾個斑點的晶面間距〔R＝K／d〕，并與標(biāo)準(zhǔn)d值比較直接寫出{hkl}；進一步確定晶面組指數(shù)〔hkl〕。嘗試－校核法：首先根據(jù)斑點所屬的{hkl},任意假定其中一個斑點的指數(shù)，如h1k1l1，再根據(jù)和的夾角測量值與計算值相符的原那么，確定第二個斑點的指數(shù)h2k2l2。夾角可通過計算或查表得到，立方體的夾角計算公式：其余斑點的指數(shù)，可由的矢量運算得到，必要時也應(yīng)反復(fù)驗算夾角。任取不在同直線上的兩個斑點〔如h1k1l1和h2k2l2〕確定晶帶軸指數(shù)[uvw]。事實上，單晶電子衍射把戲就是倒易點陣內(nèi)以入射電子束方向為法線的零層倒易截面放大象。如果我們預(yù)先畫出各種晶體點陣主要晶帶的倒易截面，以此作為不同入射條件下的標(biāo)準(zhǔn)把戲，那么實際觀察記錄到的衍射把戲，可以直接通過與標(biāo)準(zhǔn)把戲的對照，寫出斑點指數(shù)并確定晶帶軸方向。(四)單晶電子衍射把戲標(biāo)定實例如圖為某一電子衍射把戲，試標(biāo)定。，RA=7.3mm，RB=12.7mm，RC=12.6mm，RD=14.6mm，RE=16.4mm，=73；加速電壓200kV，相機長度800mm。000ABEDC

斑點編號ABCDER/mm7.312.712.614.616.4R253.29161.29158.76213.16268.96Rj2/RA213.032.9845.05(Rj2/RA2)226.055.96810.1N266810{hkl}110211211220310Hkl110211121220301一.薄膜樣品的制備方法1.薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過程中，這些組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。2.薄膜樣品厚度必須足夠薄，只有能被電子束透過，才有可能進行觀察和分析。3.薄膜樣品應(yīng)有一定強度和剛度，在制備，夾持和操作過程中，在一定的機械力作用下不會引起變形或損壞。4.在樣品制備過程中不容許外表產(chǎn)生氧化和腐蝕。氧化和腐蝕會使樣品的透明度下降，并造成多種假象。(一)薄膜樣品制備的根本要求(二)工藝過程第一步是從大塊試樣上切割厚度為0.3－0.5mm厚的薄片。電火花線切割法是目前用得最廣泛的方法。電火花切割可切下厚度小于0.5mm的薄片,切割時損傷層比較淺,可以通過后續(xù)的磨制或減薄除去。電火花切割只能用導(dǎo)電樣品。對于陶瓷等不導(dǎo)電樣品可用金剛石刃內(nèi)圓切割機切片。第二步是樣品的預(yù)先減薄預(yù)先減薄的方法有兩種，即機械法和化學(xué)法。機械減薄法是通過手工研磨來完成的，把切割好的薄片一面用黏結(jié)劑粘接在樣品座外表，然后在水砂紙上進行研磨減薄。如果材料較硬，可減薄至70μm左右；假設(shè)材料較軟，那么減薄的最終厚度不能小于100μm?；瘜W(xué)減薄法是把切割好的金屬薄片放入配好的試劑中，使它外表受腐蝕而繼續(xù)減薄?；瘜W(xué)減薄的最大優(yōu)點是外表沒有機械硬化層，薄化后樣品的厚度可以控制在20-50μm。但是，化學(xué)減薄時必須先把薄片外表充分清洗，去除游污或其它不潔物，否那么將得不到滿意的結(jié)果。第三步是最終減薄----雙噴減薄和離子減薄用這樣的方法制成的薄膜樣品，中心空附近有一個相當(dāng)大的薄區(qū)，可以被電子束穿透，直徑3mm圓片周邊好似一個厚度較大的剛性支架，因為透射電子顯微鏡樣品座的直徑也是3mm，因此，用雙噴拋光裝置制備好的樣品可以直接裝入電鏡，進行分析觀察。雙噴減薄離子減薄離子減薄是物理方法減薄，它采用離子束將試樣表層材料層層剝?nèi)?，最終使試樣減薄到電子束可以通過的厚度。圖7-7是離子減薄裝置示意圖。試樣放置于高真空樣品室中，離子束〔通常是高純氬〕從兩側(cè)在3-5KV加速電壓加速下轟擊試樣外表，樣品外表相對離子束成0-30o角的夾角。離子減薄方法可以適用于礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金等電解拋光所不能減薄的場合。離子減薄的效率較低，一般情況下4μm/小時左右。但是離子減薄的質(zhì)量高薄區(qū)大。雙噴減薄和離子減薄的比較適用的樣品效率薄區(qū)大小操作難度儀器價格雙噴減薄金屬與部分合金高小容易便宜離子減薄礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金低大復(fù)雜昂貴二.衍襯成像原理在透射電子顯微鏡下觀察晶體薄膜樣品所獲得的圖像，其襯度特征與該晶體材料同入射電子束交互作用產(chǎn)生的電子衍射現(xiàn)象直接有關(guān)，此種襯度被稱為衍射襯度，簡稱“衍襯〞。本章僅討論其中最簡單的情況，即所謂“雙光束條件〞下的衍襯圖像。(一)“雙光束條件〞下的衍襯圖像衍射襯度那么是只利用透射束或衍射束獲得的圖像，像點亮度將僅由相應(yīng)物點處的衍射波振幅Φg決定〔Ig|φg|2〕，也被稱為振幅襯度。這種利用單一光束的成像方式可以簡單地通過在物鏡背焦平面上插入一個孔徑足夠小的光闌〔光闌孔半徑小于r〕來實現(xiàn)。(二)明暗場襯度明場：

光闌孔只讓透射束通過，熒光屏上亮的區(qū)域是透射區(qū)暗場：

光闌孔只讓衍射束通過，熒光屏上亮的區(qū)域是產(chǎn)生衍射的晶體區(qū)三.衍襯運動學(xué)理論簡介

衍襯理論所要處理的問題是通過對入射電子波在晶體樣品內(nèi)受到的散射過程作分析，計算在樣品底外表射出的透射束和衍射束的強度分布，即計算底外表對應(yīng)于各物點處電子波的振幅進而求出它們的強度，這也就相當(dāng)于求出了衍襯圖像的襯度分布。借助衍襯理論，可以預(yù)示晶體中某一特定結(jié)構(gòu)細節(jié)的圖像襯度特征；反過來，又可以把實際觀察到的衍襯圖像與一定的結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來，加以分析、詮釋和判斷。衍襯理論的兩種處理方法衍襯理論可有兩種處理方法?？紤]到電子波與物質(zhì)的交互作用十分強烈〔與X射線相比，電子的原子散射因子要大四個數(shù)量級〕，所以在晶體內(nèi)透射波與衍射波之間的能量交換是不容無視的，以此為出發(fā)點的衍襯動力學(xué)理論成功地演釋出了接近實際情況的結(jié)果，是衍襯圖像定量襯度計算的必要方法。然而，如果只需要定性地了解衍襯圖像的襯度特征，可應(yīng)用簡化了的衍襯運動學(xué)理論。運動學(xué)理論簡單明了，物理模型直觀，對于大多數(shù)衍襯現(xiàn)象都能很好地定性說明。下面我們將講述衍襯運動學(xué)的根本概念和應(yīng)用。(一)運動學(xué)理論的近似運動學(xué)理論是討論晶體激發(fā)產(chǎn)生的衍射波強度的簡單方法，其主要特點是不考慮入射波與衍射波之間的動力學(xué)相互作用。從入射電子受到樣品內(nèi)原子散射過程的分析中我們知道，此種散射作用在本質(zhì)上是非常強烈的，所以忽略了動力學(xué)相互作用的運動學(xué)理論只能是一種相當(dāng)近似的理論。運動學(xué)理論所包含的根本近似是：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)傳播的過程中，強度的衰減可以忽略，這意味著衍射波的強度與透射波相比始終是很小的。實驗中的兩個先決條件結(jié)合晶體薄膜樣品的透射電子顯微分析的具體情況，我們可以通過以下兩條途徑近似地滿足運動學(xué)理論根本假設(shè)所要求的實驗條件：〔1〕采用足夠薄的樣品，使入射電子受到屢次散射的時機減少到可以忽略的程度。同時由于參與散射作用的原子不多，衍射波強度也較弱；〔2〕或者讓衍射晶面處于足夠偏離布喇格條件的位向，即存在較大的偏離參量S，此時衍射波強度較弱。正是由于我們采用較薄的樣品，由非彈性散射引起吸收效應(yīng)一般也不必在運動學(xué)理論中加以認真的考慮。兩個根本假設(shè)為了進一步簡化衍襯圖像襯度的計算，我們還必須引入兩個近似的處理方法。首先，我們通常僅限于在“雙光束條件〞下進行討論；樣品平面內(nèi)位于座標(biāo)〔x，y〕處、高度等于厚度t、截面足夠小的一個晶體柱內(nèi)原子或晶胞的散射振幅疊加而得。該柱體外的散射波并不影響g，這叫做“柱體近似〞。(二)理想晶體的衍射強度首先要計算出柱體下外表處的衍射波振幅Φg，由此可求得衍射強度。晶體下外表的衍射振幅等于上外表到下外表各層原子面在衍射方向k′上的衍射波振幅疊加的總和，考慮到各層原子面衍射波振幅的相位變化，那么可得到Φg的表達式如下

式中，是r處原子面散射波相對于晶體上外表位置散射波的相位角差。消光距離ξg引入消光距離那么得到ξg是衍襯理論中一個重要的參數(shù)，表示在精確符合布拉格條件時透射波與衍射波之間能量交換或強度振蕩的深度周期。衍射波振幅與強度

考慮到在偏離布拉格條件時〔圖7-10b〕，衍射矢量K′為K′=k′+k=g+s故相位角可表示如下:

其中g(shù)·r=整數(shù)〔因為g=ha*+kb*+lc*，而r必為點陣平移矢量的整數(shù)倍，可以寫成r=ua+vb+wc〕，s//r//z。且r=z，于是有:積分得衍射波振幅:衍射波強度:(三)缺陷晶體的衍射強度與理想晶體相比，不管是何種類型缺陷的存在，都會引起缺陷附近某個區(qū)域內(nèi)點陣發(fā)生畸變。此時，圖7-10中的晶柱在OA也將發(fā)生某種畸變，柱體內(nèi)位于z深度處的體積元dz因受缺陷的影響發(fā)生位移R，其坐標(biāo)矢量由理想位置的r變?yōu)閞′：r′=r+R顯然，當(dāng)考慮樣品平面內(nèi)一個確定位置〔x,y〕的物點處的晶體柱時，R僅是深度z的函數(shù)；在一般情況下，R當(dāng)然也與柱體離開缺陷的位置有關(guān)。至于R〔z〕函數(shù)的具體形式，因缺陷的類型而異。1.缺陷晶體的衍射強度晶體柱發(fā)生畸變后，位于r′處的體積元dz的散射振幅為

因為ghkl·r等于整數(shù)，s·R數(shù)值很小，有時s和R接近垂直可以略去，又因s和R接近平行，故s·R=sr，所以令α=2πg(shù)hkl·R與理想晶體相比，可發(fā)現(xiàn)缺陷晶體附近的點陣畸變范圍內(nèi)衍射振幅的表達式中出現(xiàn)了一個附加位相角α=2πg(shù)·R。2.缺陷的襯度一般地說，附加位相因子e-iαα=2πg(shù)·R。引入將使缺陷附近物點的衍射強度有別于無缺陷的區(qū)域，從而使缺陷在衍襯圖像中產(chǎn)生相應(yīng)的襯度。對于給定的缺陷，R〔x,y,z〕是確定的；g是用以獲得衍射襯度的某一發(fā)生強烈衍射的晶面倒易矢量，即操作反射。通過樣品臺的傾轉(zhuǎn)，選用不同的g成像，同一缺陷將呈現(xiàn)不同的襯度特征。如果g·R=整數(shù)(0,1,2,…)〔7-10〕那么e-iα=1，(α=2π的整數(shù)倍。)此時缺陷的襯度將消失，即在圖像中缺陷不可見。如果g·R≠整數(shù),那么e-iα≠1，(α≠2π的整數(shù)倍。)此時缺陷的襯度將出現(xiàn)，即在圖像中缺陷可見。由式〔7-10〕所表示的“不可見性判據(jù)〞，是衍襯分析中用以鑒定缺陷的性質(zhì)并測定缺陷的特征參量的重要依據(jù)和出發(fā)點。(四)衍襯圖像的根本特征當(dāng)操作反射的偏離參量s恒定時,強度衍射強度將隨樣品的厚度t發(fā)生周期性的震蕩，其深度或厚度周期為tg=1/s

當(dāng)試樣厚度t恒定時,強度衍射強度也將發(fā)生周期性震蕩：震蕩周期為sg=1/t

1.等厚條紋和等傾條紋2.晶界和相界的襯度

等厚條紋襯度不只出現(xiàn)在