3.4透射电子显微像及衬度(精简版)

2015年3月17日 14
（4）萃取复型
既复制试样的表面形貌，又把第 二相粒子粘附下来并基本保持原 分布状态。 侵蚀试样，形成浮雕 蒸碳、形成碳膜并将凸出的第二 相粒子包埋住 在侵蚀液中使碳膜和凸出的第二
相粒子与基体分离
清洁碳膜，捞在铜网上备有。
2015年3月17日 16
二、质厚衬度与复型膜电子显微像
如果设法引入附加的相位差，使 散射波改变 π/2 位相，则合成波与 透射波的振幅就有较大差别，从 而产生衬度——相位衬度。
2015年3月17日 35
引入附加相位差的最常用方法
• 利用物镜的球差和散焦。
• 作法：在加速电压、物镜光阑和球差一定时，
适当选择散焦量使这两种效应引起的附加相位 变化是(2n-1)π/2，n＝0，l，2，„，就可以 使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显 示出来，高分辨力像就是利用相位衬度成像。
方孔 圆孔
φ2～3mm
2015年3月17日 7
2.块状（薄膜）样品制备
块状材料是通过减薄的方法(需要先进行机械或化学 方法的预减薄)制备成对电子束透明的薄膜样品。
（1）超薄切片法： 用超薄切片机可获得50nm 左右的薄样品。适用于生物试样 和高分子材料 （2)电解抛光法： 选择合适的电解液及相应的抛光制度均匀薄化晶体片，然 后在晶体片穿孔周围获得薄膜。适用于金属材料 （3)化学抛光法： 在合适的浸蚀剂下均匀薄化晶体获得晶体薄膜。适用于半 导体、单相晶体、氧化物
2015年3月17日 8
（4）离 子 轰 击（适用于无机非金属材料）
按预定取向切割成薄片
再经机械减薄抛光等预减薄至30～40um的薄膜
薄膜钻取或切取成尺寸为2.5～3mm的小片→离子轰击减薄
离子减薄样品断面示意图
2015年3月17日 9
减薄原理：
• 高真空中两个相对的冷阴极 离子枪，提供高能量 Ar 离 子流
3. 复型像及复型像衬度
2015年3月17日
18
1. 质厚衬度
定义：对于无定型或非晶体试样，由试样各部分 密度ρ(或原子序数Z)和厚度t差异导致对入射电子 的散射程度不同而形成的衬度——质量厚度衬度 （简称质厚衬度）。
产生： 强度为I0的电子束照射到无定型或非晶体试样上 时，受到原子散射后，透过试样并通过物镜光阑 的电子束强度为 I：
2015年3月17日 32
下图为明场像和普通暗场像的 实例。这是在钢铁材料的研究 中拍下的奥氏体的明场像和暗 场像，其中图a和图c是奥氏体 在[011]晶带轴下的电子衍射衍 射花样；图b是用物镜光阑直 接套住射斑以后成像得到的明 场像，图d是在不倾转光路的 前提下，直接用物镜光阑套住 衍射花样中的一个{200}衍射斑 成像得到的普通暗场像，由暗场像可以看出，与衍射花样对应的晶粒 应该是变亮的部分。我们看到有两个晶粒同时变亮，表明这两个晶粒 的位向应该是比较接近的。另外需要指出来的是，由于在进行明场像 和暗场像操作时，并没有特意倾转到双光束条件，因而所得到的明场 像和暗场像的衬度并不完全互补。
明场像
暗场像
中心暗场像
明场像：用透射束成像(BF)——清晰、明亮；
暗场像：用衍射束成像(DF)。
2015年3月17日 29
图2-53薄膜衬度像 (a)明场像；(b)暗场像。
2015年3月17日
30
（2来自百度文库双光束成像
若转动晶体使某一晶面组（hkl）精确满足布拉格 条件，而其它晶面组都偏离布喇格条件较多，此时得 到的衍射谱除中心有一个很亮的透射斑外，还有一个 很亮的 hkl 衍射斑，而其它衍射斑都很弱，这种衍射 条件称为“双光束条件”。 I0=IT十Ig
说明：I与ρt(或Qt)有关, 即ρt不同将产生衬度
即：
ρt 大,
ρt 小,
I 小 —— 荧光屏暗
I 大 —— 荧光屏亮
20
2015年3月17日
随试样厚度t和ρ变化的电子像强度剖面图
2015年3月17日 21
2015年3月17日
22
2. 衬度的形成
• 物镜光阑：在电镜中置于 物镜的后焦面上，阻挡大
（2）高分辨率像
研究对象：1nm以下的细节。
试样要求：薄晶体试样厚度小于10nm。
应用：
晶格条纹像：反映晶面组的晶面间距
结构像：反映晶体结构中原子或分子配置情况的
2015年3月17日 24
物镜光阑与衬度像
3. 复型像及复型像衬度
• 复型像衬度的形成：复型膜把试样表面的形貌差
别转变为在电子束方向上的厚度差别——衬度。
• 复型像衬度的特点：复型膜试样整个区域的密度
相同，虽有一定的厚度差别，但由厚度t差别引起 的衬度很小。 • 复型像衬度的改善：以一定角度在复型膜上蒸镀 密度大的重金属原子，如 Cr、 Pt等，增加试样形
（2）高分辨率像
High resolution transmission electron microscopy of BaTiFeO natural magnetic multilayers. The highly periodic Fe-rich layers (yellow) are separated by a Ba-rich phase (blue).
角度散射电子的光阑，称
物镜光阑。 物点A 散射的电子
散射角α＜ α物镜光阑， 能通过光阑，聚焦于像 平面成像 散射角α＞ α物镜光阑， 被光阑挡住，不能参与 成像
2015年3月17日 23
• 效 果：形成衬度
由于物镜光阑阻挡了散射角大的电 子，改善了衬度，又称衬度光阑。 若总散射截面QC＞QB＞ QA , 则: •C区域散射的电子大部分被 光阑挡住 •B区域散射的电子小部分被 光阑挡住 •A区域散射的电子都能通过 光阑成像 像点亮度：C’< B’< A’ → 形成衬度
貌不同部位的密度差别，从而改善图像衬度。
•
2015年3月17日 25
多孔玻璃经腐蚀断面的二级复型透射电镜像
2015年3月17日 26
三、衍射衬度与衍衬像
1. 衍射衬度像
2. 衍射衬度的产生
2015年3月17日
27
1. 衍射衬度像
• 衍射衬度：基于晶体薄膜内各部分满足衍射条件 的程度不同而形成的衬度。
（1）塑料一级复型
•制备程序：以经过表面 处理(如腐蚀)的试样表 面上滴几滴醋酸甲脂溶 液，然后滴一滴塑料溶 液(常用火棉胶)，刮平， 干后将塑料膜剥离下来 即成，薄膜厚度约70～ 100nm。
塑料一级复型(未经投影) 样品及电子强度示意图
2015年3月17日 12
（2）碳一级复型
在试样待观察面垂直蒸镀一层厚10～30nm碳膜（针尖划成 2mm见方小块），然后慢慢浸入对试样有轻度腐蚀作用的 溶液中，使碳膜与试样分离，漂浮于液面。碳膜经漂洗、 晾干即为碳一级复型样品。
在这一节中先介绍制样方法，再介绍透射电镜成 像的衬度理论。
一、 透射电镜制样方法 ( 一) 要 求:
1.厚度：电子束可以穿透，100～200nm，甚至几十纳 米。 2. 水分：易挥发物质及酸碱等腐蚀性物质，需预先处 理（因电镜镜筒需处于高真空状态）。 3. 化学性质稳定、并有一定的机械强度，在电子轰击 下不致损坏或变化。 4.非常清洁。
2015年3月17日
5
(二) 制备方法——主要有三种样品类型
经悬浮分散的超细粉末颗粒 —— 直接试样 经减薄的材料薄膜 —— 直接试样 复型方法复制的复型膜 —— 间接试样
2015年3月17日
6
1.粉末样品制备 透射电镀观察用的样品很薄，需放在专用的电镀样 品铜网上，然后送入电镜观察。
2015年3月17日
13
(3)塑料—碳二级复型
•在待观察试块表面滴一滴丙酮 （或醋酸甲酯），在丙酮未完全 挥发或被试样吸干之前贴上一块 醋酸纤维素塑料膜（简称AC纸） ，待丙酮挥发后将醋酸纤维素膜 揭下——第一级塑料复型 •在塑料复型膜的复型面上垂直 蒸碳形成一层10～30nm的碳膜— —第二级碳复型。为增强衬度和 立体感——重金属投影。 •在丙酮溶液中溶去塑料膜，碳 膜漂浮于丙酮中，经漂洗、展开 、晾干————二级复型样品。
I I 0e
2015年3月17日
Qt
I 0e
19
N0
( )
A
t
I I 0e
Qt
I 0e
N0
( )
A
t
I -- 透射电子束强度； I0 -- 入射 电子束强度；Q -- 单位体积试样 的总散射截面； t -- 试样厚度； σ(α ) -- 原子散射截面；N0 -- 阿 弗加德罗常数；A -- 原子量；ρ-试样密度。
一般把图像的光强度差别称为衬度。 电子图像的衬度按其形成机制分为：质厚衬度、 衍射衬度和相位衬度，它们分别适用于不同类型 的试样、成像方法和研究内容。 透射电镜测试的前提：
（1）制备出适合透射电镜观察用的试样，也就是要能制备 出厚度仅为100~200nm，甚至几十纳米的对电子束“透明 ”的试样； （2）建立阐明各种电子图像的衬度理论。
在双光束条件下(不考虑 吸收)，明场像与暗场像 的衬度互补。
SiC中堆积层错的明场像和暗场像
2015年3月17日 31
2. 衍射衬度的产生
I0入射电子束：
A 晶粒：各晶面完全不满足 Bragg 条件； B晶粒：某hkl晶面与入射电子束交成精 确Bragg角θB产生衍射。
如果用物镜光阑把 B晶粒 hkl衍射束 挡掉，只让透射束通过光阑孔进行 成像： IA ≈ I0 IB ≈ I0 - Ihkl 则像平面上 A 、 B 的亮度不同 （A亮 B暗），形成衬度。
2015年3月17日 33
四、相位衬度和高分辨力像
电子束传播通过非常薄的试样时，试样中原 子核和核外电子产生的库仑场会使电子波的相位 有起伏，如果能把这个相位变化转变为像衬度， 则称为相位衬度。 （1）相位衬度的形成 （2）高分辨力像
2015年3月17日
34
（1）相位衬度的形成
入射电子受到试样原子散射，分 成透射波和散射波两部分，它们 相位差为π/2 ，二者相干产生的合 成波振幅与透射波振幅相近，相 位稍不同--→二者振幅接近，强度 差很小，所以不能形成像衬度。
10
3.复型样品的制备
• 复型：用对电子束透明的薄膜把材料表面或断口 的形貌复制下来，称为~~。 • 只能作为试样形貌的观察和研究，而不能用来观 察试样的内部结构。 • 复型法常用四种类型： （1）塑料一级复型 （2）碳一级复型 （3）塑料-碳二级复型 （4）萃取复型
2015年3月17日 11
材料科学与工程学院
现代分析测试技术
Modern technology of Analysis and Test
授课教师：张玉德
2015年3月17日
1
第四章 电子显微分析
第四节 透射电子显微像
一、透射电镜制样方法 二、质厚衬度与复型膜电 子显微像 三、衍射衬度与衍衬像
四、相位衬度与高分辨力 像
五、透射电子显微分析的 应用
•
• 衍衬像：根据衍射衬度原理形成的电子图像。
•
• 选择衍射成像：可选择一定的衍射束成像，称~。 选择单光束——衍衬像； 选择多光束——晶格像 选择衍射成像的做法：用 物镜光阑 套住物镜后焦 面的中心透射斑或某一衍射斑（只让它成像），而 把其它所有斑点挡住。
2015年3月17日 28
（1）单光束成像
• 以一定角度对旋转样品的两 面轰击。
• 当轰击能量大于样品表层原 子结合能，表层原子受到氩 离子激发而溅射 • 经较长时间连续轰击、溅射， 最终样品中心穿孔。
离子枪阳极
电离室
试样
离子枪阴极
• 穿孔后的样品在孔边缘处极 薄，对电子束是透明的 — — 薄膜样品。
2015年3月17日
离子轰击减薄装置示意图
电子显微图像不同于普通照片 需要解释电子图像的理论—衬度理论 衬度——电子图像的光强度差别(电 子束强度差别) 透射电镜衬度理论： 质厚衬度—非晶态薄膜、复型膜试样 衍射衬度
相位衬度
2015年3月17日
晶体薄膜试样所成图像
17
二、质厚衬度与复型膜电子显微像
1. 质厚衬度 2. 衬度的形成
① 样品分散：超声波振荡 → 悬浮液 ② 支持膜：粉末颗粒一般远小于铜网孔，先制备对电子束透明支持膜 （火棉胶膜、碳膜、碳加强的火棉胶膜） ③ 干燥或用滤纸吸干 ④ 蒸上一层碳膜 ⑤ 重金属投影 为提高像衬度和增加立体 感——在真空镀膜机中，以 某种角度蒸镀ρ大的Cr、Ge、 Au、Pt等重金属原子。