第九章透射電子顯微分析

第九章透射電子顯微分析第一節(jié)透射電子顯微鏡任務(wù)原理及構(gòu)造第二節(jié)樣品制備第三節(jié)透射電鏡根本成像操作及像襯度第四節(jié)TEM的典型運(yùn)用及其它功能簡(jiǎn)介1顯微鏡的開(kāi)展R.虎克在17世紀(jì)中期

制做的復(fù)式顯微鏡19世紀(jì)中期的顯微鏡20世紀(jì)初期的顯微鏡帶自動(dòng)照相機(jī)

的光學(xué)顯微鏡裝有場(chǎng)發(fā)射槍的

掃描電子顯微鏡超高壓透射電子顯微鏡234電子顯微分析方法的種類(lèi)透射電子顯微鏡(TEM)簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡電子衍射(ED)掃描電子顯微鏡(SEM)簡(jiǎn)稱(chēng)掃描電鏡電子探針X射線顯微分析儀簡(jiǎn)稱(chēng)電子探針(EPA或EPMA)波譜儀(波長(zhǎng)色散譜儀，WDS)能譜儀(能量色散譜儀，EDS)電子激發(fā)俄歇電子能譜(EAES或AES)5TEM可以以不同的方式出現(xiàn)，如：高分辨電鏡〔HRTEM〕掃描透射電鏡〔STEM〕分析型電鏡〔AEM〕等等入射電子束〔照明束〕也有兩種主要方式：平行束：透射電鏡成像及衍射會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射TEM的方式6第一節(jié)透射電子顯微鏡任務(wù)原理及構(gòu)造透射電子顯微鏡光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡的成像原理與光學(xué)顯微鏡類(lèi)似。照明束可見(jiàn)光電子為照明束聚焦安裝玻璃透鏡電磁透鏡放大倍數(shù)小，不可調(diào)大，可調(diào)分辨身手一、任務(wù)原理低高構(gòu)造分析不能能7透射電子顯微鏡光路原理圖物鏡：構(gòu)成第一幅放大的像×0~100中間鏡：長(zhǎng)焦×0~20投影鏡：放大×0~100景深大，放大不影響明晰度焦深大，放寬對(duì)熒光屏和照相底片要求

8二、構(gòu)造靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡磁透鏡電磁透鏡1.電磁透鏡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。能使電子束聚焦的安裝稱(chēng)為電子透鏡〔electronlens〕9〔1〕電磁透鏡的構(gòu)造電磁透鏡構(gòu)造表示圖10〔2〕電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)物距像距焦距電子加速電壓透鏡半徑激磁線圈安匝數(shù)與透鏡構(gòu)造有關(guān)的比例常數(shù)由此可知，改動(dòng)激磁電流，可改動(dòng)焦距f，即可改動(dòng)電磁透鏡的放大倍數(shù)。11電磁透鏡(經(jīng)過(guò)改動(dòng)激磁電流)實(shí)現(xiàn)焦距和放大倍率調(diào)整表示圖減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場(chǎng)強(qiáng)度降低、焦距變長(zhǎng)(由f1變?yōu)閒2〕。物距u焦距f像距v12〔3〕電磁透鏡的分辨身手常數(shù)照明電子束波長(zhǎng)透鏡球差系數(shù)線分辨率r0的典型值約為0.25~0.3nm，高分辨條件下，r0可達(dá)約0.15nm。光學(xué)顯微鏡可見(jiàn)光：390-760nm，最正確：照明光的波長(zhǎng)的1/2。極限值：200nm100KV電子束的波長(zhǎng)為0.0037nm；200KV，0.00251nm透射電鏡132.照明系統(tǒng)作用：提供亮度高、相關(guān)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(chǎng)發(fā)射源14電子槍場(chǎng)發(fā)射電子槍普通電子槍的發(fā)射原理和普通照明用白熾燈的發(fā)光原理根本一樣，即經(jīng)過(guò)加熱來(lái)使槍體發(fā)射電子。鎢絲廉價(jià)并對(duì)真空要求比較低。六硼化鑭發(fā)射效率要高很多，其電流強(qiáng)度大約比前者高一個(gè)數(shù)量級(jí)。場(chǎng)發(fā)射槍的電子發(fā)射是經(jīng)過(guò)外加電場(chǎng)將電子從槍尖拉出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于越鋒利處槍體的電子脫出才干越大，因此只需槍尖部位才干發(fā)射電子。15熱電子槍表示圖燈絲和陽(yáng)極間加高壓，柵極偏壓起會(huì)聚電子束的作用，使其構(gòu)成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉會(huì)聚/發(fā)散角16雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖173.成像系統(tǒng)由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。成像系統(tǒng)的兩個(gè)根本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。衍射操作：經(jīng)過(guò)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。成像操作：假設(shè)使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合那么得到顯微像。18F焦點(diǎn)fFF'焦平面凸透鏡的焦點(diǎn)PQABFQ'P'A'透鏡的成像OOO像平面復(fù)習(xí)192021三、各種構(gòu)造的衍射花樣1〕單晶體的衍射花樣。不同入射方向的ZrO2衍射斑點(diǎn)(a)[111];(b)[011];(c)[001];(d)[112]單晶電子衍射圖是由規(guī)那么陳列的衍射斑點(diǎn)構(gòu)成的，是二維倒易平面點(diǎn)陣的放大像，它可以給出試樣晶體構(gòu)造和晶體學(xué)有關(guān)的諸多信息。222〕多晶資料的電子衍射N(xiāo)iFe多晶納米薄膜的電子衍射233〕非晶態(tài)物質(zhì)衍射典型的非晶衍射花樣24對(duì)資料的微區(qū)進(jìn)展察看，獲取更為細(xì)致的構(gòu)造信息選區(qū)25如何實(shí)現(xiàn)選區(qū)？1、加物鏡光闌2、加選區(qū)光闌26衍射花樣標(biāo)定多晶金衍射花樣27多晶電子衍射花樣的標(biāo)定指多晶電子衍射花樣指數(shù)化，即確定花樣中各衍射圓環(huán)對(duì)應(yīng)衍射晶面干涉指數(shù)〔HKL〕并以之標(biāo)識(shí)〔命名〕各圓環(huán)。立方晶系多晶電子衍射花樣指數(shù)化經(jīng)推導(dǎo)：d=C/RC為相機(jī)常數(shù)，R為某同心圓環(huán)半徑將d=C/R代入立方晶系晶面間距公式，得

式中：N——衍射晶面干涉指數(shù)平方和，即N=H2+K2+L2。28多晶電子衍射花樣的標(biāo)定對(duì)于同一物相、同一衍射花樣各圓環(huán)而言，〔C2/a2〕為常數(shù)，有R12：R22：…：Rn2=N1：N2：…：Nn此即指各衍射圓環(huán)半徑平方〔由小到大〕順序比等于各圓環(huán)對(duì)應(yīng)衍射晶面N值順序比。立方晶系不同構(gòu)造類(lèi)型晶體系統(tǒng)消光規(guī)律不同，故產(chǎn)生衍射各晶面的N值順序比也各不一樣。參見(jiàn)表6-1，表中之m即此處之N〔有關(guān)電子衍射分析的文獻(xiàn)中習(xí)慣以N表示H2+K2+L2，此處服從習(xí)慣〕29表6-1立方晶系衍射晶面及其干涉指數(shù)平方和(m)30金多晶電子衍射花樣標(biāo)定[數(shù)據(jù)處置]過(guò)程與結(jié)果31〔1〕利用知晶體〔點(diǎn)陣常數(shù)a知〕多晶衍射花樣指數(shù)化可標(biāo)定相機(jī)常數(shù)。衍射花樣指數(shù)化后，按計(jì)算衍射環(huán)相應(yīng)晶面間間隔，并由Rd=C即可求得C值?！?〕知相機(jī)常數(shù)C，那么按d＝C／R，由各衍射環(huán)之R，可求出各相應(yīng)晶面的d值。應(yīng)用32單晶電子衍射花樣的標(biāo)定主要指：?jiǎn)尉щ娮友苌浠又笖?shù)化，包括確定各衍射斑點(diǎn)相應(yīng)衍射晶面干涉指數(shù)〔HKL〕并以之命名〔標(biāo)識(shí)〕各斑點(diǎn)和確定衍射花樣所屬晶帶軸指數(shù)[uvw]。對(duì)于未知晶體構(gòu)造的樣品，還包括確定晶體點(diǎn)陣類(lèi)型等內(nèi)容。單晶電子衍射花樣標(biāo)定的主要方法為：嘗試核算法規(guī)范花樣對(duì)照法33復(fù)雜電子衍射花樣簡(jiǎn)介實(shí)踐遇到的單晶電子衍射花樣并非都如前述單純，除上述規(guī)那么陳列的斑點(diǎn)外，由于晶體構(gòu)造本身的復(fù)雜性或衍射條件的變化等，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些“額外的斑點(diǎn)〞或其它圖案，構(gòu)成所謂“復(fù)雜花樣〞。主要有：高階勞埃區(qū)電子衍射譜菊池花樣(KikuchiPattern)二次衍射斑點(diǎn)超點(diǎn)陣斑點(diǎn)孿晶〔雙晶〕衍射斑點(diǎn)等。34〔1〕高階勞埃區(qū)電子衍射譜用途:可以提供許多重要的晶體學(xué)信息，如：測(cè)定電子束偏離晶帶軸方向的微小角度估算晶體樣品的厚度求正空間單胞常數(shù)當(dāng)兩個(gè)物相的零階勞埃區(qū)斑點(diǎn)陳列一樣時(shí)，可利用二者高階勞埃區(qū)斑點(diǎn)陳列的差別，鑒定物相。高階勞埃區(qū)衍射譜表示圖(a)對(duì)稱(chēng)入射(b)不對(duì)稱(chēng)入射35〔2〕菊池花樣(KikuchiPattern)在單晶體電子衍射花樣中，除了前面提到的衍射斑點(diǎn)外，還經(jīng)常出現(xiàn)一些線狀花樣。菊池(Kikuchi)于1928年(在透射電鏡產(chǎn)生以前)首先描畫(huà)了這種景象，所以被稱(chēng)為菊池線。菊池線的位置對(duì)晶體取向的微小變化非常敏感。因此，菊池花樣被廣泛用于晶體取向的準(zhǔn)確測(cè)定，以及處理其它一些與此相關(guān)的問(wèn)題。t-ZrO2菊池衍射花樣36第二節(jié)樣品制備TEM的樣品可分為間接樣品和直接樣品。TEM的樣品要求：〔1〕對(duì)電子束是透明的，通常樣品察看區(qū)域的厚度約100~200nm?！?〕必需具有代表性，能真實(shí)反映所分析資料的特征。37383940414243444546二、直接樣品的制備粉末和晶體薄膜樣品的制備。1.粉末樣品制備關(guān)鍵：如何將超細(xì)粉的顆粒分散開(kāi)來(lái)，各自獨(dú)立而不聚會(huì)。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(duì)研并忽然抽開(kāi)，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，膜片逐漸零落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待察看。支持膜分散粉末法：需TEM分析的粉末顆粒普通都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對(duì)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。4748492.塊狀樣品的制備普通程序：(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)或兩那么將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m；(4)終減薄。50雙噴電解拋光安裝原理圖適用樣品：1〕不易于腐蝕的裂紋端試樣2〕非粉末冶金試樣3〕組織中各相電解性能相差不大的資料4〕不易于脆斷、不能清洗的試樣51離子減薄安裝原理表示圖1〕不導(dǎo)電的陶瓷樣品2〕要求質(zhì)量高的金屬樣品3〕不宜雙噴電解的金屬與合金樣品適用樣品：52第三節(jié)透射電鏡根本成像操作及像襯度一、成像操作〔a〕明場(chǎng)像(b)暗場(chǎng)像(c)中心暗場(chǎng)像成像操作光路圖直射束成像衍射束成像衍射束成像5354a)明場(chǎng)像b)暗場(chǎng)像析出相(ZrAl3)在鋁合金基體中分布衍襯像55二、像襯度像襯度：圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。對(duì)于光學(xué)顯微鏡，襯度來(lái)源是資料各部分反射光的才干不同透射電鏡的像襯度來(lái)源于樣品對(duì)入射電子束的散射。像襯度的分類(lèi)：56質(zhì)厚襯度成像光路圖質(zhì)量厚度襯度(簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)厚襯度)：由于樣品不同微區(qū)間存在原子序數(shù)或厚度的差別而構(gòu)成的襯度質(zhì)厚襯度來(lái)源于電子的非相關(guān)彈性散射當(dāng)電子穿過(guò)樣品時(shí)，經(jīng)過(guò)與原子核的彈性作用被散射而偏離光軸，彈性散射截面是原子序數(shù)的函數(shù).隨樣品厚度添加，將發(fā)生更多的彈性散射。57質(zhì)厚襯度的公式襯度與原子序數(shù)Z，密度，厚度t有關(guān)。用小的光闌〔θ小〕襯度大；降低電壓V，能提供高襯度58衍射襯度成像光路圖對(duì)晶體樣品，電子將發(fā)生相關(guān)散射即衍射。所以，在晶體樣品的成像過(guò)程中用的是晶體對(duì)電子的衍射。衍射襯度：由于晶體對(duì)電子的衍射效應(yīng)而構(gòu)成的襯度。A、B兩晶粒的結(jié)晶學(xué)位向不同，滿(mǎn)足衍射條件的情況不同。衍射束強(qiáng)度越大，直射束強(qiáng)度就越小。該光路圖中是明場(chǎng)成像還是暗場(chǎng)成像？59相位襯度(Phasecontrast)：試樣內(nèi)部各點(diǎn)對(duì)入射電子作用不同，導(dǎo)致它們?cè)谠嚇映隹谕獗砩舷辔徊灰唬?jīng)放大讓它們重新組合，使相位差轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度差而構(gòu)成的。60第四節(jié)TEM的典型運(yùn)用及其它功能簡(jiǎn)介一、TEM的典型運(yùn)用1.形貌察看晶粒(顆粒)外形，形狀，大小，分布等2.晶體缺陷分析線缺陷：位錯(cuò)〔刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)〕面缺陷：層錯(cuò)體缺陷：包裹體外表、界面〔晶界、粒界〕等3.組織察看晶粒分布、相互之間的關(guān)系，雜質(zhì)相的分布、與主晶相的關(guān)系等4.晶體構(gòu)造分析、物相鑒定〔電子衍射〕5.晶體取向分析〔電子衍射〕61高嶺石蒙脫石纖蛇紋石葉蛇紋石1.形貌察看62刃位錯(cuò)bubuubu//b螺位錯(cuò)2.晶體缺陷分析-位錯(cuò)線63〔a〕明場(chǎng)像，s0；〔b〕明場(chǎng)像，s略大于零；〔c〕g/3g弱束暗場(chǎng)像2.晶體缺陷分析-位錯(cuò)線64晶?！?〕與周?chē)?個(gè)晶?！?、3、4、5〕間晶粒邊境的衍襯像2.晶體缺陷分析-界面653.組織察看66NiAl〔7〕合金中的析出相〔a〕明場(chǎng)像，g=220〔b〕中心暗場(chǎng)像，g=110〔c〕SADP〔選區(qū)衍射譜〕，B//[]〔c〕SADP，B//[010]3.組織察看67二、TEM的其它功能簡(jiǎn)介原位察看，會(huì)聚束衍射分析，高分辨電子顯微術(shù)。1．原位察看利用相應(yīng)的樣品臺(tái)，在TEM中可進(jìn)展原位實(shí)驗(yàn)(insituexperiments)。如：利用加熱臺(tái)加熱樣品察看其相變過(guò)程利用應(yīng)變臺(tái)拉伸樣品察看其形變和斷裂過(guò)程682．會(huì)聚束衍射分析會(huì)聚束電子衍射(CBED)是電子顯微鏡中最早實(shí)現(xiàn)的電子衍射方式(Kossel和Mollenstedt，1939)，遠(yuǎn)