电子显微分析技术实验指导书最新

电子显微分析技术实验目录
实验一 H-600透射电镜结构原理
实验二透射电子显微镜薄膜样品的制备
实验三选区电子衍射和明暗场成像
实验四透射电镜相机常数和磁转角标定
实验一 H-600透射电镜结构原理
一、实验内容与目的
1. 结合透射电镜实物介绍其基本结构及工作原理，以加深对透射电镜结构的整体印象
以及对透射电镜工作原理的了解。

2. 掌握电子显微镜的合轴调整。

二、实验设备
H-600扫描透射电子显微镜。

三、透射电镜的基本结构及工作原理
透射电子显微镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器，被广泛应用于材料科学等研究领域。

透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。

在材料科学研究领域，透射电镜主要可用于材料微区的组织形貌观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。

透射电子显微镜按加速电压分类，通常可分为常规电镜(100kV)、高压电镜(300kV)和超高压电镜(500kV以上)。

提高加速电压，可缩短入射电子的波长。

一方面有利于提高电镜的分辨率；同时又可以提高对试样的穿透能力，这不仅可以放宽对试样减薄的要求，而且厚试样与近二维状态的薄试样相比，更接近三维的实际情况。

就当前各研究领域使用的透射电镜来看，其主要三个性能指标大致如下：
加速电压：80～3000kV
分辨率：点分辨率为0.17～0.35nm、线分辨率为0.1～0.2nm
最高放大倍数：30～100万倍
尽管近年来商品电镜的型号繁多，高性能多用途的透射电镜不断出现，但总体说来，透射电镜一般由电子光学系统、真空系统、电源及控制系统三大部分组成。

此外，还包括一些附加的仪器和部件、软件等。

本实验结合实验室的透射扫描电镜H-600介绍透射电镜的工作原理。

1．电子光学系统
电子光学系统通常又称为镜筒，是电镜的最基本组成部分，是用于提供照明、成像、显像和记录的装置。

整个镜筒自上而下顺序排列着电子枪、双聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏及照相室等。

通常又把电子光学系统分为照明、成像和观察记录部分。

2．真空系统
为保证电镜正常工作，要求电子光学系统应处于真空状态下。

电镜的真空度一般应保持在10-5托，这需要机械泵和油扩散泵两级串联才能得到保证。

目前的透射电镜增加一个离子泵以提高真空度，真空度可高达133．322×10-8Pa或更高。

如果电镜的真空度达不到要求会出现以下问题：
(1) 电子与空气分子碰撞改变运动轨迹，影响成像质量。

(2) 栅极与阳极间空气分子电离，导致极间放电。

(3) 阴极炽热的灯丝迅速氧化烧损，缩短使用寿命甚至无法正常工作。

(4) 试样易于氧化污染，产生假象。

3．供电控制系统
供电系统主要提供两部分电源，一是用于电子枪加速电子的小电流高压电源；二是用于各透镜激磁的大电流低压电源。

目前先进的透射电镜多已采用自动控制系统，其中包括真空系统操作的自动控制，从低真空到高真空的自动转换、真空与高压启闭的连锁控制，以及用微机控制参数选择和镜筒合轴对中等。

图1-1透射扫描电子显微镜H-600
四、电子显微镜的合轴调整
为了发挥仪器最佳设计性能，电镜在工作状态时要求精确的合轴（alignment）。

原则上要求从电子枪到各透镜，直到荧光屏中心，各光学部件的轴彼此重合，即位于同一轴线上。

但因为机械公差达不到这个精确度，因此必须对主要的光学部件进行调节，以最大限度地满足合轴要求。

一台合轴不好的透射电镜，不仅操作不便，更重要的是导致像差的增加，降低透射电镜的分辨率，而且照明亮度也不均匀，当任一透镜的电流或电压变化时，都会引起像和照明的扫动。

这意味着当我们在聚焦，改变放大率或改变亮度后，都必须重新把像和光斑调回到荧光屏的中心，这给操作到来极大的不便。

当电镜在高倍率下工作时，这种情况尤为严重。

合轴可依一定的步骤做，具体步骤取决于电镜镜体的结构。

一般来说，合轴的步骤为：
（1）照明系统的合轴与消像散
①电子枪的调整；
②聚光镜的调整；
③聚光镜消像散；
（2）成像系统的合轴与消像散
①物镜的电压中心的调整；
②物镜消像散；
③中间镜消像散；
④投影镜合轴调整。

1．照明系统的合轴与消像散
（1）电子枪的调整
①偏压和灯丝加热温度的调整方法
一般来说，如果提高偏压，则发射电流增加。

为了达到灯丝电流的饱和点，必须提高灯丝的加热温度。

如果提高灯丝的加热温度，发射电流增加，电子束的能量分布范围就变宽，灯丝的寿命变短。

通常对于LaB6灯丝，使用的发射电流约为15μA左右。

实际调整时，是将灯丝的加热电流设定在标准值，用荧光屏显现出的灯丝花样来判断灯丝是否处于饱和状态。

再对灯丝的温度稍作调整，使之饱和。

然后，再调整偏压，使发射电流达到15μA左右。

如果调整完了，可将灯丝加热电流调整旋钮锁死，这样，通常使用的位置就固定了。

对于钨灯丝，可做类似的调整。

②电子枪的合轴调整
在未装入样品的状态下，将入射电子束会聚。

然后，使灯丝处于未饱和状态，观察灯丝像。

调整电子枪灯丝的倾斜(X,Y)旋钮，使灯丝像呈中心对称状态。

当像是中心对称时，灯丝像最亮，这就是正常的灯丝状态。

图1.2 给出W灯丝未达到饱和状态时的典型的灯丝像。

当灯丝变形时，可能会在灯丝像非对称的状态下才能达到最亮状态。

这时，只能在对称性和亮度方面取一个折中状态。

如果灯丝的变形很大时，就应当更换新的灯丝了。

调整完了以后，用灯丝加热旋钮调整到饱和状态。

对热阴极发射型电子枪的情况，合上阳极颤动器的开关，用电子枪灯丝倾斜调整旋钮(X,Y)调整到使电子束中心不动。

图1-2 （A）发叉式钨灯丝尖（B）未饱和、未对中灯丝像
（C）未饱和对中灯丝像（D）饱和状态对中良好的灯丝像
（2）聚光镜的合轴调整
将束斑控制旋钮置于大斑点位置（使第一聚光镜处于弱激磁状态），用聚光镜对中的平移(X,Y)旋钮将电子束中心调整到荧光屏中心。

然后，将束斑控制旋钮置于小斑点位置（使第一聚光镜处于强激磁状态），用聚光镜对中的平移（X,Y）旋钮将电子束中心调整到荧光屏中心。

反复进行几次上述操作，直到变换束斑尺寸时，电子束中心都不从荧光屏中心移开。

（3）聚光镜消像散
用亮度调整旋钮将电子束聚焦在荧光屏上。

用聚光镜消像散器（X,Y）旋钮来消像散，使会聚的束斑变得很圆。

这时，用亮度调整旋钮将电子束斑稍稍调到过焦一侧和欠聚焦一侧，就可以很容易判断像散的情况。

如果聚焦情况变化时，会聚的电子束还保持很圆，那么，就说明它没有像散。

如果束斑变成在X或Y方向上拉长的椭圆，就说明还残留有像散（参见图1.3）。

当更换光阑和束斑尺寸时，聚光镜的像散都会变化，所以，每一次都必须确认其像散的情况。

在整个镜体良好合轴前，照明系统的合轴只是初步的，因为在成像系统合轴时还要平移和倾动照明系统，当照明系统与成像系统合轴后，还要再一次检查照明系统的合轴
状态。

图1-3 聚光镜消像散调整
（a）有像散时电子束斑的形状；（b）无像散时电子束斑的形状
2．成像系统的合轴与消像散
成像系统的合轴的目标是调整各透镜，使它们各自的轴最大限度地与从灯丝到荧光屏中心的共同轴线重合，以获得旁轴电子束照明和物镜近轴场区高质量电子像。

在一般情况下，镜体各透镜间的平行度是好的，因此用平移就可使中间镜和投影镜的轴与荧光屏中心重合，因为这时才有可能得到像的最小扫动。

无论是物镜电流波动引起的像旋转，或者由于高压不稳引起的像放大率径向变化，都与离开物镜轴的距离成正比，即离物镜轴越远的像点扫动越大，只有在物镜轴上的像点才是不动的。

（1）物镜电压中心的调整
使用高压颤动器进行物镜电压中心的调整。

将试样放入电子显微镜中，再观察电子显微镜的状态，合上高压颤抖开关，由于高压变动，电子显微像会扩大和收缩。

它扩大和收缩的中心就是电压中心。

用照明系统两级偏转旋钮倾斜电子束，使这个中心与观察屏的中心一致（图1.4）。

图1-4 用于电压中心合轴调整的微栅的三叉接点
（2）物镜消像散
更换物镜光阑和放大率变换较大时，像散都会变化，因此每次改变都要确认像散的
状况。

进行物镜的像散调整，需要插入物镜光阑。

①中，低倍下消像散
在低于10万倍的倍率下消像散时，利用试样中圆形或方形的孔（碳的微栅孔最合适）作为观察目标。

首先在正焦点位置调整物镜消像散器（X,Y）旋钮，使孔边缘的干涉衬度都一样。

然后，将它调整到欠焦，确认孔边缘的干涉衬度一样。

再在正焦点确认和调整。

并且，也要在过焦点确认和调整。

反复进行激磁这样的操作，直到条纹的衬度在所有方向都一样。

②高倍率下消像散
在高于20万倍的倍率下消像散时，可以利用试样中的非晶物质部分或在试样边缘部分看到的污染的非晶薄层作为观察目标物，见图1-5.首先在欠焦条件下，调物镜消像散器使非晶物质的相位衬度的颗粒状没有方向性，如图1-5所示。

反复上述操作。

直至在欠焦和过焦条件下非晶物质的相位衬度的颗粒状像均没有方向性且使像的衬度最小发生在非常严格确定的物镜电流位置上。

这一位置可作为图像正焦的物镜位置。

图1-5 物镜有像散时非晶质的衬度
（3）中间镜的像散调整
在观察试样的状态时插入选区光阑，再从光路拉出物镜光阑，并转到衍射模式，在荧光屏上就出现电子衍射花样。

用中间镜聚焦旋钮使电子衍射花样聚焦。

然后，调整中间镜消像散器(X,Y)使中心束斑的形状变得很圆。

此时，将电子衍射花样的聚焦稍微调整到过聚焦和欠焦一侧时，就可以很容易看出像散的情况。

（4）投影镜的合轴调整
使电子衍射花样投影在荧光屏上，调整投影镜对中(X,Y)旋钮，使电子衍射花样的中心束斑在荧光屏中心。

如果投影镜的轴偏离中心，对像质的影响不大，对中的目的只是使投影像在荧光屏中心。

3．物镜聚焦的调整
（1）中低倍下的聚焦
在电子显微镜观察时，试样应处于正焦位置。

这样，就必须使试样位置和物镜的激磁调到正焦条件。

因此，使用像颤动器来判断像是否处于正焦是进行正确的电子显微镜观察的重要操作。

将试样装入电子显微镜中，转到像观察模式，合上像颤动器开关，像就变成颤动的样子。

预先将物镜的激磁电流调到正焦电流的值，如果像有颤动，就说明试样偏离正焦位置。

这时，可调整试样在Z方向的位置，使电子显微像的颤动停止，说明物镜还没有
处于正焦点状态。

这时，可以使用物镜聚焦旋钮进行聚焦，直到看不见像的颤动为止。

只从像的颤动还不能判断是欠焦还是过焦，所以，只有改变聚焦或使试样在Z方向移动来寻找正焦点的位置。

（2）高倍率下的聚焦
在高于20万倍的倍率下观察电子显微像，注意观察试样边缘像的衬度，即菲涅耳条纹。

在过焦时，在试样边缘能看到暗的菲涅耳条纹，而在欠焦时，能看到亮的菲涅耳条纹。

正焦时，在试样边缘看不见这些条纹，而且，对于很薄的非晶膜，像的衬度变得最弱，见图1.6.
图1-6 非晶膜的衬度
（a）欠焦；（b）正焦；(c) 过焦
五、实验报告要求
1. 画出透射电子显微镜的构造原理简图并说明电镜的几大组成部分。

2. 简要描述透射电镜的合轴调整步骤。

六、思考题
1．影响电磁透镜分辨本领有哪些因素？如何提高电子显微镜的分辨本领？
2．电磁透镜的像差有哪些及产生原因？
3．为什么电磁透镜具有景深大的特点？具有大景深的电磁透镜对观察材料形貌有哪些好处？
4．为什么透射电子显微镜需在高真空条件下工作？
实验二 透射电子显微镜薄膜样品的制备
一、 实验内容与目的
掌握透射电镜薄膜样品的制备方法。

目的是把样品制备成直径等于3mm 的对电子束透明的薄片（thin foil ）.
二、实验设备与材料
1. 实验设备：离子减薄仪；金刚石圆片锯（或线切割机）；机械切片机（或超声切片机）；凹坑仪等
2. 实验材料：样品架；酒精；蒸馏水；丙酮；各型号砂纸等。

三、实验原理与方法
制备过程：涉及以下四道工序
(1) 切薄片。

用电火花（Mo 丝）线切割机（图2-1）或金刚石切片锯（图2-2）从试样上切割下厚约0.2~0.3mm 的薄片。

在冷却条件下热影响区很薄，一般不会影响样品原来的显微组织形态。

(2) 切Φ3mm 圆片.
用机械切片机（mechanical punch ）或超声切片机将Φ3mm 薄圆片从材料上切下来。

注意切片机往往会在切下的小圆片的圆周上引起一些损伤甚至剪切变形。

(3) 预减薄。

预减薄可以采用手工、机械研磨以及用凹坑减薄仪（图2-3
）减薄。

用砂纸手工磨薄至
图2-1线切割
Wire sawing
图2-2金刚石切片锯 Diamond wheel sawing
50μm，注意均匀磨薄，试样不能扭折以免产生过大的塑性变形，引起位错及其它缺陷密度的变化。

具体操作方法：用502胶（或蜡）将切片粘到玻璃块或其它金属块的平整平面上，用系列砂纸（从300号粗砂纸至1200号砂纸）抛光，磨至在显微镜下观察只见轻微划痕，将样品反转，即将磨好样品面粘至金属块上，继续研磨另一粗糙面。

注意样品反转时，可以通过丙酮溶解（对502胶）或用加热台加热(蜡)使薄膜与磨块脱落。

最后研磨至样品切片膜厚达到50μm左右。

为了得到较好的电子透明区，还需要使用凹坑减薄仪进行进一步的机械减薄。

凹坑仪的刀片装在水平转轴上，可随水平轴高速转动，样品装在水平放置的样品台上，样品台可戴着样品沿垂直轴转动，刀片和样品的相对运动，可将薄圆片样品加工出一个碗型的凹坑，在碗的底部样品最薄，可达到10微米厚度，进行终减薄时，只对样品最薄处进行，注意可节约时间与金钱。

而凹坑的其余部分较厚，这保证了样品不易碎掉。

图2-3凹坑减薄仪－
dimpler
(4) 终减薄
采用KC-1型离子减薄仪减薄。

KC-1型离子减薄仪,是在洁净的无油高真空环境下，通过倾斜于样品表面的冷阴极离子枪，发射能量大于样品材料结合能的Ar+ 流，对样品表面进行连续轰击，促成样品表层原子因Ar+ 轰击而溅射，连续不断地轰击、溅射最终获得薄膜样品的刻蚀制样设备。

由于伴随Ar+ 轰击—材料原子溅射过程产生一定的热量，从而造成低温材料样品发生形变或相变，破坏了低温材料的原始微观形貌状态。

为此，在该设备的样品转动台上设置了冷却降温机构，使该设备具有能在低温条件下，完成对样品的刻蚀减薄功能，从而保证了低温材料的薄膜样品质量。

该设备主要用于制备透射电子显微镜配套的样品，它不但适用于制备金属、非金属材料的薄膜样品，还较好的满足了制备多相组织材料、多孔组织材料、粉末材料、低温类材料、半导体等材料的薄膜样品。

一. 该设备主要由样品旋转系统、高真空系统、高压电源系统、控制系统及高能聚焦离
子枪组成。

1. 样品旋转系统
样品旋转系统是离子减薄仪的核心部分。

我公司的样品旋转系统结构设计合理、精巧实用。

其特点如下：
（1）样品台旋转稳定，维修方便。

（2）样品冷却系统采用压缩机免维护制冷方式，免去添加液氮的麻烦，也降低了实验成本。

（4）样品台加热系统是为防止真空室暴露于大气时结霜使之影响工作真空度的迅速
恢复，加快了更换样品速度。

2. 高真空系统
（1 ）由于系统结构紧凑、小巧，使真空室体积大大缩小，加快了抽真空的速度，为减薄样品创造了有利条件。

（2）真空测量采用微机型数显真空计，具备真空保护，高低真空自动切换、抗干扰，同时测量前级真空和真空室真空度。

（3）闸板阀选用双轴承结构做到滑动自如，开关轻松可靠。

3. 高压电源系统
系统采用恒流设计，性能优良，安全可靠，使用寿命长。

电源高压稳定，电压可随意调节，并实现了高压故障自动保护。

4. 控制部分具有定时减薄功能，实现在预置时间段上的自动切断高压和真空度过低
时自动切断高压电源，避免误操作损坏离子枪
5. 样品台温度检测装置可时刻观测到样品台温度。

6. 本机采用风冷式分子泵，整机工作不需要循环水。

二. 工作环境要求
1. 电源： 380V AC 50Hz
2. 气源： 0.1 MPa
3. 环境温度； 10-30度。

4. 相对湿度：≤80﹪.
三. 技术参数：
1. 系统极限真空度: 系统冷态极限真空度7×10-5Pa ，2小时内达
4×10-4Pa
2. 系统工作真空度: 0.5小时内达1×10-3Pa
3. 充氩气后压强稳定范围: 5.0×10-3Pa～5×10-2Pa间选择。

4. 空载轰击电压：0～10KV连续可调。

5. 负载轰击电压：2～7.5KV连续可调。

6. 离子枪回路电流最大允许值：小于5mA。

7. 离子流轰击样品表面夹角：±7°～±20°可任意选择。

8. 减薄速率：选紫铜材料为标准样品；当轰击电压7KV，
入射角度20°，回路电流为1.5mA时，减薄速率为6um/小时。

9. 样品台冷却后温度：低于零下40℃。

10. 样品台转速：12转/分。

11. 样品穿孔位置：偏于样品中心不大于0.5毫米。

12. 显微镜观察：清晰可调。

13. 外形尺寸：见附图
设备的操作
一、操作规程：
1.操作设备前，首先检查各种阀门是否全部处于关闭状态？如不是处于关闭状态，需重新置于关闭状态。

2.开启总电源开关，检查三相指示是否正常？其它电源都应处于关闭状态。

3.打开复合真空计，检测真空室内是否有真空度？有无真空度应分别采取两种抽气方式。

方式一：真空室内是大气状态，1×105Pa或大于50Pa，此种情况的操作方式为：启动机械泵，开CF-35超高真空角阀，待真空度抽至≤20 Pa时，先关闭CF-35角阀，打开前级电磁阀，打开CF-150闸板阀，一定要开到位，此时再次检查真空度指示，待真空度≤5 Pa时，启动分子泵电源，将设备抽至所需真空度。

方式2：真空室内有真空，真空计显示≤20Pa,此种情况的操作方式为；启动机械泵，启动前级阀，打开CF-150闸板阀，一定要开到位，如遇开启费力，则应立即通知相关人员进行检查或修理，千万不可蛮力开启，此时，再次检看真空计指示，待真空度≤5 Pa时，启动分子泵电源，抽至所需真空度。

四、实验报告要求
1. 详细说明透射电镜薄膜样品的制备过程。

2. 阐述离子减薄仪的工作原理并说明该仪器各组成部分。

五、思考题
1 电子束穿透固体样品的能力与哪些因素有关？
2 在切割样品或者预减薄过程中要避免样品弯曲或者扭折，为什么？
3 利用离子减薄仪制备透射电镜样品具有哪些优点和局限性？
实验三选区电子衍射和明暗场成像
一、实验内容与目的
1．通过选区电子衍射实验，加深对透射电镜研究材料微观结构相关知识的理解。

2．选用合适的样品，通过明暗场像操作的实际演示，了解明暗场成像原理。

二、实验设备与材料
1. 实验设备：H-600透射电子显微镜
2. 实验材料：镊子；底片；显影液；定影液等。

三．选区电子衍射原理与步骤
1. 插入选区光阑套住欲分析的物相，调整中间镜电流使选区光栏边缘清晰，此时选区光阑平面与中间镜物平面重合；
2. 调整物镜电流，使选区内物象清晰，此时样品的一次象正好落在选区光阑平面上，即物镜象平面，中间镜物面，光阑面三面重合；
3. 抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样.
4. 用中间镜旋钮调节中间镜电流，使中心斑最小最园，其余斑点明锐，此时中间镜物面与物镜背焦面相重合。

5. 减弱第二聚光镜电流，使投影到样品上的入射束散焦（近似平行束），摄照（一般10s 左右）
四、明暗场成像原理及操作
1．明暗场成像原理
晶体薄膜样品明暗场像的衬度(即不同区域的亮暗差别)，是由于样品相应的不同部位结构或取向的差别导致衍射强度的差异而形成的，因此称其为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。

如果只允许透射束通过物镜光栏成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束通过物镜光栏成像，则称为暗场像。

有关明暗场成像的光路原理参见图3-1。

就衍射衬度而言，样品中不同部位结构或取向的差别，实际上表现在满足或偏离布喇格条件程度上的差别。

满足布喇格条件的区域，衍射束强度较高，而透射束强度相对较弱，用透射束成明场像该区域呈暗衬度；反之，偏离布喇格条件的区域,衍射束强度较弱，透射束强度相对较高，该区域在明场像中显示亮衬度。

而暗场像中的衬度则与选择哪支衍射束成像有关。

如果在一个晶粒内，在双光束衍射条件下，明场像与暗场像的衬度恰好相反。

2．明场像和暗场像
明暗场成像是透射电镜最基本也是最常用的技术方法，其操作比较容易，这里仅对暗场像操作及其要点简单介绍如下：
(1) 在明场像下寻找感兴趣的视场。

(2) 插入选区光栏围住所选择的视场。

(3) 按“衍射”按钮转入衍射操作方式，取出物镜光栏，此时荧光屏上将显示选区域内晶体产生的衍射花样。

为获得较强的衍射束，可适当的倾转样品调整其取向。

(4) 倾斜入射电子束方向，使用于成像的衍射束与电镜光铀平行，此时该衍射斑点应位于荧光屏中心。

(5) 插入物镜光栏套住荧光屏中心的衍射斑点，转入成像操作方式，取出选区光栏。

此时，荧光屏上显示的图像即为该衍射束形成的暗场像。

通过倾斜入射束方向，把成像的衍射束调整至光轴方向，这样可以减小球差，获得高质量的图像。

用这种方式形成的暗场像称为中心暗场像。

在倾斜入射束时，应将透射斑移至原强衍射斑(hkl)位置，而(hkl)弱衍射斑相应地移至荧光屏中心，而变成强衍射斑点，这一点应该在操作时引起注意。

图3-1 明暗场成像的光路原理示意图
a) 明场成像 b) 中心暗场成像
图3-2是相邻两个钨晶粒的明场和暗场像。

由于A晶粒的某晶面满足布喇格条件，衍射束强度较高，因此在明场像中显示暗村度。

图3-2b是A晶粒的衍射束形成的暗场
)在铝合金基像，因此A晶粒显示亮衬度，而B晶粒则为暗像。

图3-3显示析出相(ZrAl
3
体中分布的明场和暗场像，图3-3b是析出相衍射束形成的暗场像。

利用暗场像观测析出相的尺寸、空间形态及其在基体中的分布，是衍衬分析工作中一种常用的实验技术。

图3-4是位错的明暗场像，明场像中位错线显现暗线条，暗场像衬度恰好与此相反。

图3-5是面心立方结构的铜合金中层错的明暗场像。

利用层错明暗场像外侧条纹的衬度，可以判定层错的性质。