透射电镜衬度
第十一章 透射显微术电子像衬度原理
=
1 = 0.245 2d 200
Å－1，由图查出
f(e)=5.41Å，则Fg=4f(e)=21.64Å。
（4）求
ξ g : 当V=100kV时，λ＝0.037 Å
πVC 3.14 × 68.36 = = 268 Å λFg 0.037 × 21.64
ξ g = ξ 200 =
以上算出的消光距离 ξ g 仅适用于s=0的情况，原 则上 ξ g 是动力学理论中的一个物理量，对有限 的s，需要用有效消光距离 ξ geff （小于 替 ξg。
1.等厚消光条纹(衍射强度随样品厚度的变化)
晶体保持确定取向，s保持不变
sin 2 ( πst ) Ig = ( sξ g ) 2
a 当t=1/s；2/s；3/s……n/s Ig=0 b 当t=1/2s；3/2s；5/2s……2n+1/2s
1
Ig
Ig=1/(sζg
)2
( sξ g ) 2
楔形试样边缘
振幅衬度
钢的衍射衬度像
相位衬度: 当试样很薄（10纳米以下），试样相邻晶柱出射的透射振 幅的差异不足以区分相邻的两个像点的程度。这时得不到振幅衬度。 但我们可以利用电子束在试样出口表面上相位不一致，使相位差转换 成强度差而形成的衬度，这种程度称为相位衬度
A：高分辨像，B：原子序数衬度（Z contrast）像
11.2 衍射衬度
由于晶体试样满足布拉格反射条件程度不同及结构振幅 不同而形成衍射强度差异而导致的衬度。 设两取相不同晶粒 A 和 B ， A 不满足布拉格衍射条件，强 度为I0的入射束穿过试样，A不产生衍射，透射束与衍射束 强度相同，即IA=I0 B 满足布拉格衍射条件，产生衍射，衍射束强度为 Ihkl ， 透射束强度IB=I0-Ihkl， 让透射束通过物镜光阑，将衍射束挡掉，则在荧光屏上 ，A晶粒比B晶粒亮，明场(Bright Field)像。 用物镜光阑孔套某hkl衍射斑，让对应与衍射点hkl的电子 束Ihkl 通过，挡掉透射束，B比A亮，暗场(Dark Field)像。 明场像的衬度特征是跟暗场像互补的，即某个部分在明 场像中是亮的，则它在暗场像中是暗的， 反之亦然。
透射电镜基本成像操作及像衬度
透射电镜基本成像操作及像衬度
目录
成像操作
像衬度
2
成像操作
1
明场成像
成像操作
2
暗场成像
3
中心暗场成像
5
1.明场成像和暗场成像
利用投射到荧光屏上的选区衍射谱可以进行透射电镜的两种最基本的成像操作。
晶体样品或非晶体样品，其选区衍射谱上必存在一个由直射电子束形成的 中心亮斑以及一些散射电子。
我们可以选直射电子也可以选部分散射电子来成像。这种成像电子的选择 是通过在物镜背焦面上插入物镜光栏来实现的。
反之，质量或厚度较低的区域对应于荧光屏上较 亮的区域。所以，图像上的明暗程度的变化反映 了样品上相应区域的原子序数（质量）或样品厚 度的变化。
此外，也可以利用任何散射电子来形成显示质厚 衬度的暗场像。显然，在暗场成像条件下，样品 上较厚或原子序数较高的区域在荧光屏上显示为 较亮区域。 质厚衬度受到透射电子显微镜物镜光栏孔径和加 速电压的影响。
7
2.像衬度
像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。正是由于图像上不同区域间存在明暗 程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到的各种具体的图像。
透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构、所采用的成像操作方式和 成像条件有关。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。当电子波穿越样品时，其振幅 和相位都将发生变化，这些变化都可以产生像衬度。
衍衬成像和质厚衬度成像的重要差别：在形成显示质厚衬度的暗场像时，可 以利用任意的散射电子。而形成显示衍射衬度的明场像或暗场像时，为获得 高衬度高质量的图像，总是通过倾斜样品台获得所谓“双束条件”，即在选 区衍射谱上除强的直射束外只有一个强衍射束。
透射电镜 衬度原理及应用 pdf.
2 2 2
图4.17 原子对入射电子散射示意图
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卢瑟福（Rutherford)模型
同样，当一个电子与一个孤立的核外电子作用时，也发生类似 的偏转，散射角为：
e e reU
相应的一个核外电子的散射截面为：
2d hkl sin n
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10 /28 10/
在TEM中，常用的电子枪加速电压为80~100kV，λ 2d，
sin 2d 1。这表明，电子衍射的衍射角非常小，这与x射线衍射
的情况不同。
图4.22 普通电子衍射装置示意图
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e πre
单个原子的散射截面为：
0 n Z e
2
2e 2
e U 2
πe 2 Z
2
2
πe 2 Z 2
n U
2
2
e U 2
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透射电镜小孔径角成像
为了确保透射电镜的分辨本领，物 镜的孔径半角必须很小，即采用小 孔径角成像。一般是在物镜的背焦 平面上放一称为物镜光阑的小孔径 光阑来达到这个目的。由于物镜放 大倍数较大，其物平面接近焦点， 若物镜光阑的直径为D，则物镜孔 径半角
D 2f
图4.18 小孔径角成像
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质厚衬度原理
N A 0 dn dt n M
积分得
N A 0 t N N 0 exp M
式中N0为入射电子总数，N为最后参与成像的电子数。 当其它条件相同时，像的质量决定于衬度，即像中各部分的亮度 差异。
透射电镜基本成像操作及像衬度.ppt
质厚衬度 透射电镜 像衬度
非晶体样品衬度
振幅衬度
衍射衬度 相位衬度 晶体样品衬度
图1 透射电镜像衬度分类
8
2.像衬度
质厚衬度 透射电镜 像衬度 振幅衬度 衍射衬度 晶体样品衬度 非晶体样品衬度
相位衬度
图1 透射电镜像衬度分类
1.相位衬度 当透射束和至少一束衍射束同时通过物镜光栏参与成像时，由于透射束 与衍射束的相互干涉，形成一种反映晶体点阵周期性的条纹像和结构像，这 种像衬的形成是透射束和衍射束相位相干的结果，故称相位衬度。
（d） 准晶
衍射衬度
定义：对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射。所以，在晶体样品的成像 过程中，起决定作用的是晶体对电子的衍射。由样品各处衍射束强度的差异 形成的衬度称为衍射衬度。
衍射强度影响因素：晶体取向和结构振幅。对没有成分差异的单相材料，衍 射衬度是由样品各处满足布拉格条件程度的差异造成的。
sin
2d
10 2
102 rad＜ 1
这表明，电子衍射的衍射角总是非常小，这是它的花样特征之所以区别X射线衍 射的主要原因。
电子衍射原理
（a）单晶体---排列十分整齐的许多斑点 （b）多晶体---一系列不同半径的同心圆环 （c）非晶------一个漫散的中心斑点 （d）准晶
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2.像衬度
像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。正是由于图像上不同区域间存在明暗 程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到的各种具体的图像。
透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构、所采用的成像操作方式和 成像条件有关。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。当电子波穿越样品时，其振幅 和相位都将发生变化，这些变化都可以产生像衬度。
TEM的三种像衬度
第5章透射电镜的图像衬度及其应用透射电镜的图像衬度是指荧光屏或照相底板上图像的明暗程度. 又叫黑白反差, 或叫对比度。
由于图像上不同区域衬度的差别，才使得材料微观组织分析成为可能。
只有了解图像衬度的形成机制，才能对各种图像给予正确解释。
透射电子显微像有三种衬度类型，分别为质厚衬度，衍射衬度和相位衬度。
5.1 质厚衬度原理试样各部分质量与厚度不同造成的显微像上的明暗差别叫质厚衬度。
复型和非晶态物质试样的衬度是质厚衬度.质厚衬度的基础:1.试样原子对入射电子的散射2.小孔径角成象。
把散射角大于α的电子挡掉，只允许散射角小于α的电子通过物镜光阑参与成象。
相位衬度衍射衬度是一种振幅衬度，它是电子波在样品下表面强度（振幅）差异的反映，衬度来源主要有以下几种：1.两个晶粒的取向差异使它们偏离布拉格衍射的程度不同而形成的衬度；2.缺陷或应变场的存在，使晶体的局部产生畸变，从而使其布拉格条件改变而形成的衬度；3.微区元素的富集或第二相粒子的存在，有可能使其晶面间距发生变化，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括第二相由于结构因子的变化而显示衬度；4.等厚条纹，完整晶体中随厚度的变化而显示出来的衬度；5.等倾条纹，在完整晶体中，由于弯曲程度不同（偏离矢量不同）而引起的衬度. 1.3 衍射衬度成像的特点1.衍衬成像是单束、无干涉成像，得到的并不是样品的真实像，但是，衍射衬度像上衬度分布反映了样品出射面各点处成像束的强度分布，它是入射电子波与样品的物质波交互作用后的结果，携带了晶体散射体内部的结构信息，特别是缺陷引起的衬度；2.衍衬成像对晶体的不完整性非常敏感；3.衍衬成像所显示的材料结构的细节，对取向也是敏感的；4.衍衬成像反映的是晶体内部的组织结构特征，而质量厚度衬度反映的基本上是样品的形貌特征。
2.1 明场像让透射束通过物镜光阑所成的像就是明场像。
成明场像时，我们可以只让透射束通过物镜光阑，而使其它衍射束都被物镜光阑挡住，这样的明场像一般比较暗，但往往会有比较好的衍射衬度；也可以使在成明场像时，除了使透射束通过以外，也可以让部分靠近中间的衍射束也通过光阑，这样得到的明场像背景比较明亮衍射衬度样品微区晶体取向或者晶体结构不同，满足布拉格衍射条件的程度不同，使得在样品下表面形成一个随位置不同而变化的衍射振幅分布，所以像的强度随衍射条件的不同发生相应的变化，称为衍射衬度。
第15-16讲 透射电子衬度像
第15-16讲教学目的：使学生了解透射电子显微镜电子像成像原理教学重点：透射电镜电子像成像原理教学难点：衍射衬度像成像原理作业：1.什么是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度？2.什么是明场像、暗场像，其成像原理是什么？3.晶体缺陷的衍衬像有哪几种？第五节透射电子显微分析5.1透射电子衬度像5.1.1 TEM工作模式✓电子像：提高中间镜电流，下降中间镜物平面使与物镜相平面重合，得到电子像；✓电子衍射：降低中间镜电流，上升中间镜物平面至物镜背焦面，得到电子衍射花样。
5.1.2 电子像衬度电子像衬度：样品两相邻部分的电子束强度差。
分为振幅衬度和相位衬度两大类。
✓振幅衬度：由于样品不同区域散射能力差异，形成电子显微像上透射振幅和强度的变化。
✧质厚衬度：本质上是一种散射吸收衬度，即衬度是由散射物不同部位对入射电子的散射吸收程度有差异而引起的，它与散射物体不同部位的密度和厚度的差异有关；✧衍射衬度是由于晶体薄膜的不同部位满足布拉格衍射条件的程度有差异而引起的衬度；✓相位衬度：是多束电子束相干成像，得到由于相位差而形成的能够反映样品真实结构的衬度。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）✧ 高分辨像：相干的相位衬度像；✧ 原子序数衬度像（Z 衬度像）：非相干的相位衬度像。
5.1.3 质厚衬度成像原理试样各部分对电子的散射能力不同，通过物镜光阑的透射电子数目不同，引起电子束强度差异，形成衬度。
散射本领大、透射电子数少的样品部分所形成的像要暗些，反之，是亮些。
TEM 质厚衬度公式)(11121222222220A t Z A t Z V e N C ρρθπ-=式中V 为加速电压、θ为散射角、Z 为原子序数、ρ为密度、t 为厚度、A 为原子量实际工作时通过改变光阑（对应θ角）的大小来调节衬度。
5.1.4 衍射衬度成像原理衍射衬度是利用透射束或某一衍射束成像所产生的衬度，它是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度不同及结构振幅不同形成的衍射强度的差异而导致的衬度。
电镜像衬度
成像原理透射电镜的成象原理是由照明部分提供的有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到处于物镜物平面处的样品上，通过样品和物镜的电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。
这些衍射束在物镜的象平面上相互干涉形成第一幅反映试样为微区特征的电子图象。
通过聚焦（调节物镜激磁电流），使物镜的象平面与中间镜的物平面相一致，中间镜的象平面与投影镜的物平面相一致，投影镜的象平面与荧光屏相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅经物镜、中间镜和投影镜放大后有一定衬度和放大倍数的电子图象。
由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图象。
电子图象的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积，即M＝M。
•Mr•Mp.象衬度象衬度是图象上不同区域间明暗程度的差别。
由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。
只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。
透射电镜非晶样品的象衬度非晶样品透射电子显微图象衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。
质厚衬度适用于对复型膜试样电子图象作出解释。
质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。
质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。
衍射衬度透射电镜对于晶体，若要研究其内部缺陷及界面，需把样品制成薄膜，这样，在晶体样品成象的小区域内，厚度与密度差不多，无质厚衬度。
但晶体的衍射强度却与其内部缺陷和界面结构有关。
由样品强度的差异形成的衬度叫衍射衬度，简称衍衬。
晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。
材料现代分析技术-7透射电子显微像
第二相粒子
应变场衬度 由点阵畸变造成
第二相粒子
取向衬度
可以通过某种途径，使第二相处于有利的 取向位置，而基体退居不利取向位置，从而 有利于清晰显示第二相的衬度
结构因数衬度
利用结构因数衬度可以显示非常细小的第 二相粒子。特别是当这些质点在基体中并没 有引起明显的应变时，也能提供清晰的质点 形象。
相位衬度和高分辨率像
层错
层错不可见
α = ±2nπ (n = 0,±1,±2,LL)
层错可见
α = ± 2 nπ
3
层错
平行于膜面的层错
有层错处与无层错处衬度往往不同
层错
倾斜于膜面的层错
当某晶柱中的Q点位置正好是消光距离的整数倍时，层错区与完
整区衬度相同，所以层错区除了和完整区之间有衬度上的差别 外，还会出现整齐的消光条纹 。有点象楔形晶体边缘的等厚条纹。
衍衬运动学
运动学理论是建立在运动学近似[即忽略各级 衍射束(透射束为零级衍射束)之间的相互作用] 基础之上的用于讨论衍射波强度的一种简化理 论。 基本假设:
1. 入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射， 即不考虑多次反射与吸收。
2. 入射电子波在样品内传播过程中，强度的衰减可以 忽略，即不考虑入射束与衍射束之间相互作用
(πt)2 sin2(πst)
Ig =
ξ
2 g
⋅
(πst )2
(πt )2
I = gmax
2
ξg
等倾条纹
特征：
1. 在等倾条纹上s=0; 2. s=0条纹两侧s异 号;
3. 可以相交; 4. 在视场中会跑动
非理想晶体
衍射衬度特别适合观察晶体中缺陷
A晶柱
透射电子显微镜衬度与样品特性关系
透射电子显微镜衬度与样品特性关系肖国敏 20085029 生医1班0 透射电镜成像原理透射电镜的成象原理是由照明部分提供的有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到处于物镜物平面处的样品上，通过样品和物镜的电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。
这些衍射束在物镜的象平面上相互干涉形成第一幅反映试样为微区特征的电子图象。
通过聚焦（调节物镜激磁电流），使物镜的象平面与中间镜的物平面相一致，中间镜的象平面与投影镜的物平面相一致，投影镜的象平面与荧光屏相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅经物镜、中间镜和投影镜放大后有一定衬度和放大倍数的电子图象。
由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图象。
电子图象的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积，即M＝M。
•Mr•Mp.1 衬度概念衬度是图象上不同区域间明暗程度的差别。
由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。
只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。
2 衬度与样品特性的关系2.1 非晶样品的象衬度非晶样品透射电子显微图象衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。
质厚衬度适用于对复型膜试样电子图象作出解释。
质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。
质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。
2.2 晶体样品的衍射衬度及形成原理对于晶体薄膜样品而言，厚度大致均匀，原子序数也无差别，因此，不可能利用质厚衬度来获得图象反差，这样，晶体薄膜样品成像是利用衍射衬度成像，简称“衍射衬度”由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度。
tem中的相位衬度
tem中的相位衬度TEM（透射电子显微镜）是一种常见的材料表征技术，利用电子束来观察材料的微观结构和成分。
而相位衬度（phase contrast）则是TEM中常用的一种技术，用于增强样品中相位差较小的细节。
相位差是指入射电子束通过材料时，由于相位的改变所导致的波前的变化。
在普通的透射电镜中，样品的透射率主要依赖于材料的厚度和原子序数等因素，这使得相位差较小的区域难以被直接观察到。
而相位衬度技术通过引入一种相位衬度衍射器件，能够将相位差转换为对比度的变化，从而使得相位差较小的细节能够清晰可见。
在相位衬度技术中，主要有两种衍射器件被常用：Zernike相位衬度环和Fresnel相位衬度环。
Zernike相位衬度环是由荷兰物理学家Frits Zernike所发明的，它是一种圆环状的透镜，能够改变电子束的相位和幅度。
当电子束通过样品时，它会与样品中的相位差发生干涉，而这种干涉会被Zernike环抵消。
因此，通过观察干涉的强度变化，就能够得到样品中相位差较小的细节。
Fresnel相位衬度环与Zernike环类似，也是一种环状透镜，但它是由一系列的环形棱镜构成。
当电子束通过样品时，样品上的相位差会使得电子束经过Fresnel环时发生相位变化，在屏幕上形成衍射斑图。
通过调节Fresnel环的孔径和焦距，可以获得不同对比度的相位差图像。
相位衬度技术在TEM中的应用非常广泛。
它可以帮助科学家观察到许多常规TEM技术无法观察到的细节，例如细胞的超微结构、纤维和蛋白质的形态以及材料的相变等。
此外，相位衬度技术也对于材料学、生物学等领域的研究具有重要意义，能够为我们提供更加详尽的微观信息，帮助科学家更好地了解材料和生命体系。
然而，相位衬度技术也存在一些局限性。
一方面，它对样品中的像散效应（例如过厚样品或非均匀的厚度分布）非常敏感，可能导致图像中出现伪影。
另一方面，相位衬度技术对电子束的一致性和调制尺度要求较高，需要使用高品质的TEM设备和精确的衍射器件。
透射电镜衬度概要
(2n－1)／2
原子序数衬度
Z衬度基于扫描透射电子显微术 （STEM）: 电子束扫描，环形暗场 探测器 STEM的像来源于当精细聚焦电子束 (<2 Å)扫描样品时，逐一照射每个 原子柱，在环形探测器上产生强度 的变化图，从而提供原子分辨水平 的图像。
衍射衬度
这种衬度对晶体结构和取向十分敏感， 当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该 处相对于周围完整晶体发生了微小的取向 变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有 了不同的衍射条件，因此，凭借衍射衬度 就可将缺陷显示出来。可见，这种衬度对 缺陷是敏感的。基于这一点，衍衬技术被 广泛应用于研究晶体缺陷。
衍射衬度
1.什么叫衬度？
衬度是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能 观察到的光强度或感光度的差别。
2.透射电镜的像衬度？
透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子
束的散射.其是图象上不同区域间明暗程度的 差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度 的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到 各种具体的图像。可分为四种基本类型：质 厚衬度、衍射衬度、相位衬度和原子序数衬 度。
--以位错为例
位错是一种线缺陷，表征位错晶体学特性的 基本物理量是它的柏氏b矢量。 根据柏氏矢量与位错线的关系，位错可分为刃型 （ b ⊥u位错线）、螺型（ b // u位错线）和混 合型（ b即不平行也不垂直位错线）。
由于位错的存在，在位错线附近的某个范围内点阵 将发生畸变，其应力和应变场的性质均与b直接有 关。不管何种类型的位错，都会引起在它附近的某 些晶面发生一定程度的局部转动，且离位错线愈远， 转动量愈小，如果采用这些畸变的晶面作为反射面， 则衍射强度必将受到影响，从而产生衬度。
电子束
常见透射电镜的衍衬像分析
Jenny 2012年11月16日
电子像的衍射衬度
电子像的衬度 (contrast)—样品的两个相邻部分的电子束强度差。
质厚衬度
质量厚度差异造成的透射束强度的差异而形成满足布拉格条件的衬度不同以及结构振幅 不同而产生的衬度。
相位衬度
电子束在试样出口表面上相位不一致，使相位差转换 成强度差而形成的衬度。
STEM成像和成分分析
明场像和暗场像举例
[011]
（200）
奥氏体的明场像和暗场像
明场像和暗场像举例
位错线的观察
刃位错和混合位错在操作中
可以采用 g·b ＝ 0 作为不可见 判据，从而判断位错的伯格 斯矢量b。
位错的观察
二维晶格像的应用
Moiré 条纹应用实例
能量过滤透射电镜衍衬像
STEM成像和成分分析
成像模式
衍射模式
拍摄前需所做准备工作
了解TEM电镜基本构造
JEOL-2010 SJTU
电镜合轴 操作的一般步骤依次为：电 子枪合轴调整、聚光镜合轴 调整、聚光镜消像散、电镜 电压中心调整、物镜消像散、 中间镜消像散及投影镜合轴。
通常电镜工程师会定期对电镜进行合轴等精确调整，建立了专家系统，若电镜 光路偏离很大，可调出专家的初始设置，在这基础上进行微调。
电镜下的视场和注意事项
等倾和等厚条纹
等厚条纹
等倾条纹
明场像和暗场像示意图
明场像示意图
一般暗场像示意图
中心暗场像示意图
弱束暗场像严格地讲也是属于中心暗场像，所不同的是：中心暗场像是在双光束条件下用g:-g的成像条件 成像；而弱束暗场像是在双光束的条件下用g:3g的成像条件成像。弱束暗场像主要用于显示缺陷，比如位 错像，位错像的分辨率会更高。
第三节透射电镜基本成像操作及像衬度
• 那么，我们在学X射线衍射强度的时候，我们曾提 过，对于衍射强度理论，包括运动学理论与动力学 理论，前者考虑入射X射线的一次衍射，而后者刚 考虑了入射X射线的多次衍射。
• 当衍射方向偏离布拉格衍射条件时， • K‘-K＝g+s
• 式中s为相对于准确布拉格位置的偏离参量。
二、完整晶体的衍射强度
• 衍射强度计算公式：
操作反射g所对应的衍射强度计算公式，其影响 因素有s，偏离参量；t，样品厚度；ξg，消光 距离
• ξ g是对应于操作反射g的消光距离。消光距 离是一个动力学概念，具有长度的量纲，说 明电子束在晶体内传播过程中完成一次能量 由入射束向散射束转换所对应的传播距离。
与此同时，产生的衍射波会用为新的入射波激发同一晶面 的二次衍射，使其方向与透射波的方向相同，这样，就存 在着一个衍射波的能量向透射波转移的过程，为衍射波对 透射波的作用。此相互作用的研究范畴即是动力学理论研 究领域。
相互作用的结果，会使透射强度与衍射强度在晶体深度方 向上发生周期性的振荡，此种振荡的深度周期叫做消光距 离。
• 其影响因素样品的成分，晶体结构，操作反 射及电子束加速电压。
• 对于偏离参量s的讨论
当波矢量为K的入射波到达样品上表面时．随即开始受到 晶体内原子的相干散射，产生波矢量为K‘的衍射波。
但是在此上表面附近，由于参与散射的原子或晶胞数量有 限，衍射强度很小；随着电子波在晶体内深度方向上传 播，透射波(与入射波具有相同的波矢量)强度不断减弱， 假若忽略非弹性散射引起的吸收效应，则相应的能量(强 度)转移到衍射波方向，使衍射波的强度不断增大，这属 于入射波对于衍射波的作用。
透射电镜衬度
图解
原子柱
环形 探测器
综上所述，四种衬度的不同形 成机制，反映了电子束与试样物 质原子交互作用后离开下表面的 电子波，通过物镜以后，经人为 地选择不同操作方式所经历的不 同成像过程。在研究工作中，它 们相辅相成，互为补充，在不同 层次上，为人们提供不同尺寸的 结构信息，而不是互相排斥的。
质厚衬度
样品：非晶态复型样品
原因: 因为样品不同微区之间的原
子序数或厚度存在差异
原理：它是建立在非晶样品中原子
对电子的散射和透射电子显微镜小孔 径成像的基础上的。
质厚衬度成像光路图
衍射衬度
样品：晶体薄膜样品
原因：因为厚度大致均匀，原子
序数也无差别，因此，是由样品 各处衍射束强度的差异所形成。
原理：由样品各处满足布拉格
位错实例
相位衬度
样品：试样厚度小于l00nm，甚至30nm
原因：试样小原子及其排列状态的直接显示。
原理：它是让多束衍射光束穿过物镜光阑彼此相
干成象，象的可分辨细节取决于入射波被试样散 射引起的相位变化和物镜球差、散焦引起的附加 相位差的选择。
如何产生相位衬度
产生相位衬度的方法
由上可知，引 入附加相位是 产生相位衬度 的方法，引入 附加相位可以 通过改变：物 镜的球差和欠 焦量来实现。
位错是一种线缺陷，表征位错晶体学特性的
基本物理量是它的柏氏b矢量。
根据柏氏矢量与位错线的关系，位错可分为刃型 （ b ⊥u位错线）、螺型（ b // u位错线）和混 合型（ b即不平行也不垂直位错线）。
由于位错的存在，在位错线附近的某个范围内点阵 将发生畸变，其应力和应变场的性质均与b直接有 关。不管何种类型的位错，都会引起在它附近的某 些晶面发生一定程度的局部转动，且离位错线愈远， 转动量愈小，如果采用这些畸变的晶面作为反射面， 则衍射强度必将受到影响，从而产生衬度。
材料物理_材料分析检测技术教学课件6-3透射电镜的图像衬度理论
运动学理论所包含的两个基本假设是：
1) 衍射束和透射束之间没有能量交换；
2) 不考虑电子束通过样品是引起的多次反射和吸收。
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6.10.2 衍衬运动学理论与应用
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6.10.2 衍衬运动学理论与应用
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6.10.2 衍衬运动学理论与应用
晶界和相界的衬度
等厚条纹衬度不只出现在 楔形边缘等厚度发生变化 的地方，两块晶体之间倾 斜于薄膜表面的界面上， 例如晶界、孪晶界和相界 面，也常常可以观察到。
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6.10.2 衍衬运动学理论与应用
衬度的来源：
来源于试样对入射电子的散射。当电子束(波)穿透样品后，其 振幅和相位均发生了变化，因此，电子显微图像的衬度可以分 为振幅衬度和相位衬度。这两种衬度对同一幅图像的形成均有 贡献，只是其中之一占主导地位。
根据产生振幅差异的原因，振幅衬度又可以分为质厚衬度和衍 射衬度。
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6.10.1 衬度的概念与分类
ξg是常数，所以Ig = f (s,t)
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6.10.2 衍衬运动学理论与应用
1、等厚条纹
Ig
=φg
⋅φg*
=
(πξ
2
2 g
)
sin 2 (πts) (πs)2
当操作反射的偏离参量s恒定时,强度:
I
g
=
1
(sξ g
)2
常见透射电镜的衍衬像分析
< 10 nm
TEM 样品厚度
适合观察 菊池线 100~150 nm
20~500
衍射衬度 • 明场相 • 暗场相
TEM样品质量决定着最终的成像质量和微区分析的深入与否。
成像模式和衍射模式的工作原理
成像模式
衍射模式
拍摄前需所做准备工作
了解TEM电镜基本构造
JEOL-2010 SJTU
电镜合轴 操作的一般步骤依次为：电 子枪合轴调整、聚光镜合轴 调整、聚光镜消像散、电镜 电压中心调整、物镜消像散、 中间镜消像散及投影镜合轴。
常见透射电镜衍衬像分析jenny2012年11月16日电子像的衍射衬度衍射衬度相位衬度质量厚度差异造成的透射束强度的差异而形成的衬不同区域满足布拉格条件的衬度不同以及结构振幅不同而产生的衬度
常见透射电镜衍衬像分析
Jenny 2012年11月16日
电子像的衍射衬度
电子像的衬度 (contrast)—样品的两个相邻部分的电子束强度差。
质厚衬度
质量厚度差异造成的透射束强度的差异而形成的衬 度。
振幅衬度
衍射衬度
不同区域满足布拉格条件的衬度不同以及结构振幅 不同而产生的衬度。
相位衬度
电子束在试样出口表面上相位不一致，使相位差转换 成强度差而形成的衬度。
样品厚度与衍衬像及衍射花样的关系
相位衬度
• HRTEM • Z contrast image • STEM
STEM成像和成分分析
通常电镜工程师会定期对电镜进行合轴等精确调整，建立了专家系统，若电镜 光路偏离很大，可调出专家的初始设置，在这基础上进行微调。
电镜下的视场和注意事项等倾和等Βιβλιοθήκη 条纹等厚条纹等倾条纹
透射电镜中的成像衬度
22.3.A 质量－厚度衬度的机制
1、非相干弹性散射截面和Z强相 关； 2、随着样品厚度的增加，非相 干弹性散射次数增加，因为平均 自由程是固定的。
22.3 B TEM像
碳膜上的碳球：显示厚度衬度
镀上Au-Pd，显示质量衬度。
反转衬度处理，显示三维形貌
用Os, Pb, U等重金属stain两相高分子材料， 重金属原子吸附在不饱和键部位，显示质量 衬度。
22.5 TEM 衍射衬度 质厚衬度：非相干弹性 散射 衍射衬度：相干弹性散 射 22.5.A. 双束条件： 是不是双束条件是区 别质厚衬度和衍射衬度 的主要判据。如果不倾 转样品到双束条件，那 么用物镜光阑套住某个 衍射斑或透射斑，还主 要是质厚衬度。 双束条件不仅是获 得好的衬度的必要条 件，而且可以简化图像 的解释。
22.6 STEM的衍射衬度 要获得强的衍射衬度，必须满足三个条件： 1、入射束平行，也就是会聚角要很小； 2、样品要倾转到双束条件； 3、只有透射束或者一束强的衍射束被物镜光阑套住。 完全相等操作条件
倒易原理
办法：减少STEM的收集半角
减少收集角会在一定程度上增加STEM的衍射衬度，但会增加图像噪声。总的 来说还是不能和TEM的衍射衬度相比。所以一般只用TEM来看衍衬像。
22.3 质量－厚度衬度
质量厚度衬度来自于非相干弹性散射（Rutherford散射）电子。 Rutherford散射的截面和原子序数Z强相关，也就是说和样品的质量或者 密度、厚度相关联。 用低于50的散射电子来形成图像，质量厚度衬度占主导（但其中也会 有Bragg 衍射衬度）； 高于50的散射电子,相干散射可以忽略，基本是非相干散射，比较弱， 而且只决定于原子序数Z，因此，我们如果用这部分电子来成像，可以得 到带有元素信息的像。类似于SEM中的BSE，但透射中由于样品太薄，因 此一般不用BSE（信噪比太低）。 这一节，暂不考虑衍射衬度，这对于非晶样品是对的；对于晶态样 品，如果移出物镜光阑或者用环形暗场探测器，让多束参与成像，这样可 以最小化衍射衬度。
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衬度是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能 观察到的光强度Fra bibliotek感光度的差别。
2.透射电镜的像衬度？
透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子 束的散射.其是图象上不同区域间明暗程度的 差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度 的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到 各种具体的图像。可分为四种基本类型：质 厚衬度、衍射衬度、相位衬度和原子序数衬 度。
电子束
图解
原子柱
环形 探测器
综上所述，四种衬度的不同形 成机制，反映了电子束与试样物 质原子交互作用后离开下表面的 电子波，通过物镜以后，经人为 地选择不同操作方式所经历的不 同成像过程。在研究工作中，它 们相辅相成，互为补充，在不同 层次上，为人们提供不同尺寸的 结构信息，而不是互相排斥的。
DC－D’C’≈-0.5f2 (f –欠焦）
(2n－1)／2
原子序数衬度
Z衬度基于扫描透射电子显微术 （STEM）: 电子束扫描，环形暗场 探测器
STEM的像来源于当精细聚焦电子束 (<2 Å)扫描样品时，逐一照射每个 原子柱，在环形探测器上产生强度 的变化图，从而提供原子分辨水平 的图像。
质厚衬度
样品：非晶态复型样品
原因: 因为样品不同微区之间的原
子序数或厚度存在差异
原理：它是建立在非晶样品中原子
对电子的散射和透射电子显微镜小孔 径成像的基础上的。
质厚衬度成像光路图
衍射衬度
样品：晶体薄膜样品
原因：因为厚度大致均匀，原子
序数也无差别，因此，是由样品 各处衍射束强度的差异所形成。
原理：由样品各处满足布拉格
位错是一种线缺陷，表征位错晶体学特性的
基本物理量是它的柏氏b矢量。
根据柏氏矢量与位错线的关系，位错可分为刃型 （ b ⊥u位错线）、螺型（ b // u位错线）和混 合型（ b即不平行也不垂直位错线）。
由于位错的存在，在位错线附近的某个范围内点阵 将发生畸变，其应力和应变场的性质均与b直接有 关。不管何种类型的位错，都会引起在它附近的某 些晶面发生一定程度的局部转动，且离位错线愈远， 转动量愈小，如果采用这些畸变的晶面作为反射面， 则衍射强度必将受到影响，从而产生衬度。
条件程度的差异造成的。
衍射衬度成像
明场成像
只让中心透射束穿过物镜光 栏形成的衍衬像称为明场像。
暗场成像
只让某一衍射束通过物镜光 栏形成的衍衬像称为暗场像。
衍射衬度成像
操作上，是利用单一透射束通过物镜 光栏成明场像，或利用单一衍射束通过 物镜光栏成暗场像。明场像和暗场像均 为振幅衬度，它们反映的是试样下表面 处透射束或衍射束的振幅大小分布，而 振幅的平方可以作为强度的量度，因此， 忽略双束成像条件下电子在试样中的吸 收，明暗场像衬度进行互补，便能获得 了一幅通过振幅变化而形成衬度变化的 图像，其可以用于分析样品的内部结构 及形貌，方便实用。
位错实例
相位衬度
样品：试样厚度小于l00nm，甚至30nm
原因：试样小原子及其排列状态的直接显示。
原理：它是让多束衍射光束穿过物镜光阑彼此相
干成象，象的可分辨细节取决于入射波被试样散 射引起的相位变化和物镜球差、散焦引起的附加 相位差的选择。
如何产生相位衬度
产生相位衬度的方法
由上可知，引 入附加相位是 产生相位衬度 的方法，引入 附加相位可以 通过改变：物 镜的球差和欠 焦量来实现。
衍射衬度
这种衬度对晶体结构和取向十分敏感， 当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该 处相对于周围完整晶体发生了微小的取向 变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有 了不同的衍射条件，因此，凭借衍射衬度 就可将缺陷显示出来。可见，这种衬度对
缺陷是敏感的。基于这一点，衍衬技术被
广泛应用于研究晶体缺陷。
衍射衬度 --以位错为例
衬度分类图示
振幅衬 度
质量厚度衬度（质厚衬度）
分辨率20>Å
TEM 衬 度
衍射衬度（衍衬）
相位衬 度
分辨率<20 Å
原子序数衬度
我们先来了解一下 Å: 埃， 是一个长度单位，常用来表示 光波的波长及其他微小长度。 单位换算： 1埃（Å）=10-10米 延伸一下，就是： 1m＝103mm＝106μm＝109nm＝ 1010Å