11-透射电镜图象原理与解释
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透射电子显微镜的成像原理
Fig. 1. (a) Selected area 140 nm diameter of image containing single S phase particle; (b) SAED pattern from the selected area; (c) fast Fourier transform of the image intensity in (d), the HRTEM image of the embedded particle in (a); (e) microdiffraction pattern of the precipitate and surrounding matrix.
运动学近似
完整晶体衍射强度
将薄晶体分成许多小的晶柱，晶 柱平行于Z方向。每个晶柱内都含 有一列元胞。
假设每个晶柱内电子衍射波不进 入其他晶柱，这样只要把每个晶 柱中的各个单胞的衍射波的和波 求出，则和波振幅的平方即为晶 柱下面P点衍射波强度。
各个晶柱下表面衍射波强度的差 异则构成衍衬度像源
完整晶体运动学柱体近似
Rn' Rn R
缺陷晶体衍射波合波的振幅为
F e2iKRn
K g s Rn' Rn R
完整晶体的衍 射强度公式
缺陷晶体衍射波合成振幅为
F e e 2isz 2igR
a 2 g R
是研究缺陷衬度的一个非常重要的参数
a 0, 表示g R
2 isz zn
g
n
n
写成积分形式
g
F
t e2isz z dz
0
ID
F2
sin2 szt sin2 sz
《透射电镜图象解释》课件
实验条件设置
根据样品特性和研究目的，合理设置加速电压、工作距 离、曝光时间等参数，以确保获得高质量的电镜图象。
正确解读图象并避免误解
熟悉电镜图象特点
了解不同实验条件下的电镜图象特点， 如分辨率、衬度等，有助于正确解读图 象。
VS
避免误解
注意区分真实结构和伪影，避免将伪影误 认为是真实结构，同时也要注意排除其他 干扰因素。
CHAPTER
03
透射电镜图象解释基础
晶体结构和空间群
晶体结构
晶体是由原子或分子在三维空间周期性排列形成的固体。晶 体结构决定了物质的物理和化学性质。
空间群
空间群是描述晶体内部原子或分子排列方式的对称性。不同 的空间群具有不同的对称元素，如镜面、旋转轴和反演中心 等。
原子和分子的电子密度分布
电子密度分布
提高透射电镜图象解释的准确性和可靠性
综合多种信息
结合其他相关实验数据和文献资料，对电镜 图象进行综合分析和解释，以提高准确性和 可靠性。
建立标准化操作流程
制定详细的操作流程和规范，确保实验过程 的一致性和可重复性，从而获得更加可靠的 结果。
电子枪产生电子束，经过聚光镜和物镜的聚焦后，穿过样品到
达投影镜，最后在荧光屏幕上形成图像。
透射电镜的分辨率和放大倍数取决于各透镜的焦距和放大倍数
03 。
透射电镜的优缺点
优点
高分辨率、高放大倍数、能够观察活 细胞和细胞内部的超微结构。
缺点
样品制备复杂、价格昂贵、操作和维 护成本高。
CHAPTER
02
材料晶体结构的透射电镜图象解释，主要是利用电镜技术 观察材料的晶体结构和相变过程。通过分析图象中晶格条 纹、晶面间距等特征，可以推断出材料的晶体结构和物理 性质，为材料科学研究和应用提供重要依据。
透射电镜(TEM)原理详解(课堂PPT)
G t 36
当A、B两区不是由同一种物质组成时，衬
度不仅取决于样品的厚度差，还取决于样品的
原子序数差。
同样的几何厚度，含重原子散射作用强，
相应的明场像暗；反之，由轻原子组成的区域，
散射作用弱，相应的明场像亮．
复型样品的制备中，常采用真空镀膜投影
的方法，由于投影（重）金属或萃取第二相粒
的圆盘，圆盘面垂直于入射电
子束，并且每个入射电子射中
一个圆盘就发生偏转而离开原
入射方向；未射中圆盘的电子
则不受影响直接通过。
27
散射截面的大小
按Rutherford模型，当入射电子经过原子核附近时，
其受到核电场的库仑力-e2Z/rn2作用而发生偏转，其轨
迹是双曲线型。散射角n的大小取决于入射电子和原
0.2~0.3nm
有效放大倍数
103×
106×
物镜孔径角
约700
＜10
景深
较小
较大
焦长
较短
较长
像的记录
照相底板
照相底板
正是由于 α很小， TEM的 景深和焦 长都20很大
• TEM成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物 镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物 镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。
度为ρ和厚度为t的样品上，若入射电子数为n，通过
厚度为dt后不参与成象的电子数为dn，则入射电子散
射率为
单个原子的散射截面
dn N dt A 0
每单位体积样品的散射面积
n
M
单位体积样品中包含的原子个数
厚度为dt的晶体总散射截面
将上式积分，得：
N
N
0
exp
透射电镜的成像原理及应用
透射电镜的成像原理及应用1. 引言透射电镜是一种使用电子束来成像的仪器。
它的原理是利用电子束通过样品的透射来形成图像，并通过对电子束的探测和处理来获得样品的详细信息。
透射电镜在材料科学、生物学和物理学等领域中有广泛的应用。
2. 成像原理透射电镜的成像原理基于电子的波粒二象性，即电子既具备粒子特性又具备波动特性。
在透射电镜中，电子从电子枪中发射出来，经过加速和聚焦，形成一束射线。
这束射线通过样品后，与样品中原子和电子相互作用，发生散射和透射现象。
电子的散射会导致图像的模糊和失真，因此透射电镜通常使用薄样品来减小散射效应。
在样品的背面或透射电镜的显微镜中，放置有一个焦平面衍射器。
这个衍射器可以将透射电子的波动性转化为干涉和衍射现象，从而产生有关样品的结构信息。
这些信息通过探测器进行收集，然后通过图像处理算法生成成像结果。
3. 应用领域透射电镜在材料科学、生物学和物理学等领域有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：3.1 材料科学透射电镜在材料科学中的应用主要用于研究材料的微观结构和性能。
通过透射电镜，可以观察和分析材料中的晶体结构、晶界、缺陷和纳米结构等。
这些信息对于材料的设计、开发和性能优化非常重要。
3.2 生物学透射电镜在生物学中的应用主要用于研究生物样品的内部结构和功能。
通过透射电镜，可以观察和分析细胞器、蛋白质和核酸等生物分子的结构。
透射电镜还可以用于研究病原体、病毒和细菌等微生物的形态和生命周期。
3.3 物理学透射电镜在物理学领域中的应用涵盖了多个子领域。
在凝聚态物理学中，透射电镜可用于研究材料的电子结构、能带和费米面等特性。
在量子力学领域，透射电镜可用于研究电子的量子行为，如量子隧穿、波函数干涉和波粒二象性等。
3.4 其他领域透射电镜还在化学、地球科学和纳米技术等领域中有应用。
在化学中，透射电镜可用于研究化学反应的过程和产物。
在地球科学中，透射电镜可用于分析地质样品的矿物组成和结构。
《透射电镜原理》课件
透射电镜的图像具有高分辨率， 能够清晰地展示样品的细节和结
构。
立体感强
透射电镜的图像具有很强的立体感 ，能够呈现出样品的层次感和深度 。
色彩丰富
透射电镜的图像可以通过不同的染 色技术呈现出丰富的色彩，增强视 觉效果。
透射电镜的图像解析步骤
图像获取
通过透射电镜获取样品的图像。
特征提取
从图像中提取出样品的主要特征，如细胞核 、细胞质等。
。
透射电镜的维护与保养
定期清洁透射电镜的镜筒和样品室，保持清洁度。 定期更换透射电镜的灯丝，保证电子源的正常工作。
检查透射电镜的真空系统和气体系统是否正常工作，确 保电子束传输畅通无阻。
定期进行校准和维护，确保透射电镜的各项参数准确性 和稳定性。
透射电镜的图像解
05
析
透射电镜的图像特点
高分辨率
复型样品制备
总结词
复型样品制备是为了保护原样品，将其复制成另一种材料并制成薄膜，以便在电镜中观察其微观结构 。
详细描述
复型样品制备通常采用硅橡胶、环氧树脂等材料作为基质，将原样品放置在基质中，经过聚合、固化 等步骤后，将原样品取出，留下一个与原样品相似的薄膜。制备过程中需要注意控制温度和压力，以 确保复型样品的准确性和稳定性。
冷冻样品制备
总结词
冷冻样品制备是为了保持生物样品的活 性和天然状态，将样品快速冷冻并制成 薄膜，以便在电镜中观察其微观结构。
VS
详细描述
冷冻样品制备通常采用液氮等低温介质将 生物样品迅速冷冻，然后将其转移到冷冻 切片机中进行切片。制备过程中需要严格 控制温度和切片的厚度，以确保样品的结 构和成分不受影响。同时，冷冻样品制备 还可以用于观察细胞内部的结构和动态过 程。
构。
立体感强
透射电镜的图像具有很强的立体感 ，能够呈现出样品的层次感和深度 。
色彩丰富
透射电镜的图像可以通过不同的染 色技术呈现出丰富的色彩，增强视 觉效果。
透射电镜的图像解析步骤
图像获取
通过透射电镜获取样品的图像。
特征提取
从图像中提取出样品的主要特征，如细胞核 、细胞质等。
。
透射电镜的维护与保养
定期清洁透射电镜的镜筒和样品室，保持清洁度。 定期更换透射电镜的灯丝，保证电子源的正常工作。
检查透射电镜的真空系统和气体系统是否正常工作，确 保电子束传输畅通无阻。
定期进行校准和维护，确保透射电镜的各项参数准确性 和稳定性。
透射电镜的图像解
05
析
透射电镜的图像特点
高分辨率
复型样品制备
总结词
复型样品制备是为了保护原样品，将其复制成另一种材料并制成薄膜，以便在电镜中观察其微观结构 。
详细描述
复型样品制备通常采用硅橡胶、环氧树脂等材料作为基质，将原样品放置在基质中，经过聚合、固化 等步骤后，将原样品取出，留下一个与原样品相似的薄膜。制备过程中需要注意控制温度和压力，以 确保复型样品的准确性和稳定性。
冷冻样品制备
总结词
冷冻样品制备是为了保持生物样品的活 性和天然状态，将样品快速冷冻并制成 薄膜，以便在电镜中观察其微观结构。
VS
详细描述
冷冻样品制备通常采用液氮等低温介质将 生物样品迅速冷冻，然后将其转移到冷冻 切片机中进行切片。制备过程中需要严格 控制温度和切片的厚度，以确保样品的结 构和成分不受影响。同时，冷冻样品制备 还可以用于观察细胞内部的结构和动态过 程。
透射电镜的构造与工作原理PPT课件(57页)
强度方向取决于线圈电流方向。 A
B
• 在不同放大倍数下,像相对物的 旋转角不同。
Br
P vz
• 对于一般的图像观察,不需要考 虑像的旋转，但在进行晶体学
Bz vr
研究时，必须考虑在不同倍数
下像相对于衍射花样的相对旋
转。物与像之间的相对旋15 短磁透镜的聚焦作用示意图
• 考虑电子在均匀磁场中的运动。通电流的长螺线管可以产 生一个均匀轴对称磁场，这个均匀磁场称为长磁透镜。在 均匀磁场中，只有轴向磁场B。当电子运动方向与磁场方
向垂直时，即=90，作用在电子上的力：
F evB mv2 r
式中 r——电子离光轴的径向距离； m——电子质量。
（3-46）
• 如果电子运动方向与 磁场方向成一的角度
物平面 透镜
焦平面
（a）过焦
（b）聚焦
（c）欠焦
图3-17 透镜的聚焦状态
2．孔径半角和透镜光阑
• 大多数散射电子是 前散射电子，因此 很大比例的电子束 可以进入电磁透镜 磁场参与成像。
• 主轴上物点发射的 电子束对电磁透镜
张开的半角定义为
收集半角，在像点 会聚电子束对透镜
张开的半角称为会
聚半角。透镜的放
（一）电磁透镜的聚 焦成像原理
Fq(vB)
• 洛伦茨力:
v
Fq(vB)
B
F-e(vB)
F-e(vB)
图3-11 带电粒子在磁场中
• 若v和B之间的夹角
为，F的大小为，
作用力的大小为：
受力的右手定则 B
r F
FevsB iθn
v
3-12 电子在均匀磁场中的运动 （=90）
什么样的磁场能够使电子聚焦成像
透射电镜(TEM)PPT课件
2021/3/9
授课：XXX
2
JEM2010－透射电子显微镜
原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
1.吸收像：当电子射到质量、密密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品 上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透 射电子显微镜都是基于这种原理
2.衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体 各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同， 从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 3.相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略， 成像来自于相位的变化。
2021/3/9
授课：XXX
5
二：特点：以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束波长与加速电压(通常 50~120KV)成反比。由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、 电源系统等5部分构成。分辨力0.2nm，放大倍数可达百万倍。TEM分析技术是以 波长极短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率（1nm）、高放 大倍数的电子光学分析技术；用电镜（包括TEM）进行样品分析时，通常有两个 目的：一个是获得高倍放大倍数的电子图像，另一个是得到电子衍射花样；TEM
常用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳 米粒子的粒径。是常用的纳米复合材料微观结构的表征技术之一。
2021/3/9
授课：显X微XX镜原理对比图
6
应用举例
1.元素分布分析
利用微束技术对在光学显微镜下所选区域进行扫描分析，可 获得元素的分布图（线分布、面分布、深度分布和断层）， 来比较研究元素的区域（或相）分布特征。这类分析称为元 素分布分析。
透射电镜的基本成像方式及原理PPT课件
2020/11/28
HNU-ZLP
12
图象衬度与试样参数的关系（1）
与原子序数的关系：物质的原子序数越大，散射 电子的能力越强，在明场象中参与成象的电子越 少，图象上相应位置越暗。
与试样厚度的关系：设试样上相邻两点的物质种
类和结构完全相同，只是电子穿越的厚度不同，
则
I Qt
I
图象衬度反映了试样上各部位的厚度差异，在明
晶体的衍射强度与其内部缺陷和界面结 构有关，可用来研究晶体。
2020/11/28
HNU-ZLP
17
2020/11/28
HNU-ZLP
18
典型电镜照片的比较
金颗粒
三氧化二铁
2020/11/28
HNU-ZLP
19
单晶，多晶与非晶的比较
使用电镜的电子衍射功能可以判 断样品的结晶状态： 单晶为排列完好的点阵。 多晶为一组序列直径的同心环。 非晶为一对称的球形。
2020/11/28
HNU-ZLP
1
散射衬度用原子散射截面 表示：
一个电子被试样原子散射后偏转角等 于或大于光阑孔径半角α 的几率。
像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差 别。
2020/11/28
HNU-ZLP
2
散射衬度（质厚衬度）
样品对电子束的散射随样品的原子序数 增加而增加；样品越厚，电子受到散射 的机会越多，
样品中任意两个相邻的区域由于组成元 属不同或由于厚度不同，均会对电子产 生不同程度的散射，
当散射电子被物镜光阑挡住不能参与成
象时，样品中散射强的部分在像中显得
较暗，而样品中散射较弱的部分在像中
显得较亮，形成像的衬度。
2020/11/28
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21
3）采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件”
① 除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，故 称双光成象。 ② 强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。 这在入射电子束波长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。 因为波长短，球面半径1/λ大，垂直于入射束方向的反射球面可看作 平面。加上薄晶的“倒易杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍 然可以在不严格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。 由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于准 确的布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量s，s表示倒易点偏离反射 球的程度，或反映偏离布拉格角2θ的程度。这就可以保证衍射束和 透射束之间没有能量交换 。 ③只有一束衍射束，则可以认为衍射束的强度 Ig和透射束的强度 IT之间 有互补关系，即 I0= Ig+ IT
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19
消光距离的值
“消光”指的是尽管满足衍射条件，但由于动力学互相作用而 在晶体内一定深度处衍射波（或透射波）的强度实际为零。 根据费（菲）涅尔衍射理论推导得到：
式中 d —晶面间距； n —原子面上单位面积内所含晶胞数。 1／n就是一个晶胞所占有的面积， Fg—结构因子
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6
第二节
衍射衬度形成机理
衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布 拉格反射条件不同和结构振幅的差异。 薄晶体样品受到电子束照射时，如果晶 体中所有晶面都和布拉格条件有很大的偏 差，那么入射电子束就可以全部透过样 品，而无衍射束产生。此时透射束的强度 可认为和入射电子束的强度相等，若用IT 代表透射电子束的强度，I0代表入射电子 束的强度，则IT=I0。这时，透射束通过 电磁透镜组在荧光屏上成像，被放大的物 象亮度很高。 或不加物镜光阑也有同样的效果。只有衍 射指数较大的衍射束被镜筒挡镜而成像。
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12
举例
影响衍射强度的主要因素是：晶体取向和结构振幅。主要是 晶体对电子的衍射。 1）衍射明场像中两个晶粒一明一暗，说明前者不处于布拉格 位置；而后者处于布拉格位置； 2）晶体中的位错或其它缺陷的存在，致使局部晶格发生畸 变，改变了这些部位的衍射条件，正常的周期性遭到破坏， 使其与周围有不同的成像电子束强度而显示衬度； 3）基体中微区域元素的富集，使正常的晶面间距发生变化， 也会改变局部区的衍射条件，提供新的衬度； 4）两种不同物相，组成不同，对电子散射本领不同，结构振 幅不同，引起衬度差别； 5）由于电子波长短，衍射角小，位错、层错、空位等的缺陷 也会引起衍射条件的改变而显示衬度。
衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构 振幅不同而形成电子图像反差。 它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。
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5
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2
第一节
透射电镜的成像
透射电镜的衬度来源及分类
对于电子衍射花样的观察，先观察电子显微像(放大像)，插入光阑(选区光 衍射波在物镜的后焦面上会聚成一点，形成衍射点。在后焦面上的衍射波 继续向前运动时，衍射波合成，在像平面上形成放大的像(电子显微像)。 阑)到感兴趣的区域，调节电子透镜，就能得到只有这个区域产生的衍射 通常，将生成衍射花样的后焦面上的空间称为倒易空间(倒易晶格空间)， 花样。另一方面，观察电子显微像时，先观察衍射花样，将光阑插入物镜 将试样位置或成像平面称为实空间。从试样到后焦面的电子衍射，即是从 的后焦面，在电子衍射花样中选择感兴趣的衍射波，调节透镜就能得到电 实空间到倒易空间的变化。 子显微像。这样，就能有效识别夹杂物和观察晶格缺陷。
材料现代分析方法 透射电镜成像原理 与图像分析
河北工业大学 材料学院
孙继兵
E-mail: hbgdsjb@ Tel: 022-2658 2288
1
本章内容
第一节 透射电镜的衬度来源及分类 第二节 衍射衬度形成机理 第三节 衍衬运动学理论 第四节 不完整晶体衍衬像运动学解释
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16
a)衍衬运动学 b)衍衬动力学
相干散射电子波在晶体内强度随深度变化的示意图
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15
第三节 衍衬运动学理论
衍衬衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度 的反映。因此，计算衬度实质就是计算衍射强度。 薄晶体电子显微图像的衬度可用运动学理论或动力学理论来解释。 按动力学理论，随着电子束深入样品，透射束和衍射束之间的能量是 交替变换的。特点：考虑透射束和衍射束之间的相互作用，能更准确 地解释薄晶体中的衍衬效应，但是这个理论数学推导繁琐，且物理模 型抽象，在有限的篇幅内难以把它阐述清楚。 按运动学理论，电子束进入样品时随着深度增大，在不考虑吸收的条 件下，透射束不断减弱，而衍射束不断加强。特点：不考虑透射束与 衍射束的相互作用，简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现象 都能很好地定性说明。 下面我们将讲述衍衬运动学的基本概念和应用。
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明场像
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8
暗场像
如果我们把光阑孔向左 移，使它的位置和衍射 斑hkl重合，那末，由 于透射束完全被光阑挡 掉，A晶粒就显示不出 亮度。 与之相反，此时B晶粒 将由衍射束提供的强度 IB＝Ihkl在象平面上成象。 这种用衍射束形成的电 子显微图象叫做暗场像。
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13
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14
注意
问题
① 只有晶体试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其 亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗 线，其条件是，此暗线确实是所造用的操作反射斑引起的。 ② 它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之 间相互作用后的反映。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能 够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺 陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理 论。
17
一、消光距离
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18
消光距离的形成
在简单的双光束条件下，即当晶体的（hkl）晶面处于精确的 布拉格位向时，入射波只被激发成为透射波和（hkl）晶面的 衍射波的情况下，考虑一下这两个波之间的相互作用。 当波矢量为k的入射波到达样品上表面时，受到晶体内原子的 相干散射，产生波矢量为k′的衍射波。由于上表面附近参与 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，透射波强度不断减弱，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。 衍射波也必将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其 方向恰好与透射波的传播方向相同。 动力学相互作用的结果，使Ig和I0在晶体深度方向上发生周期 性的振荡。振荡的深度周期叫做消光距离，记作ξg。
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7
如果薄品体样品中有某些晶面符合或基本 符合布拉格衍射条件，在结构因数不等于 零的条件下，这些晶面就会产生衍射。若 衍射束的总强度(即所有衍射晶面产生的衍 射束强度之和)为ID，则透射束成像时(即 在物镜后焦面上用物镜光阑孔套住透射束、 挡住所有的衍射束)，荧光屏上的强度要减 弱，因为此时透射束的强度应等于IT＝I0ID，而IT<I0。如果样品内部存在许多晶粒 (或各种组成相)，在电子束照射下，有些 晶粒不发生衍射(或衍射束总强度很低)， 另一些晶粒则相反．可以想象在用透射束 成象时，前者的亮度要比后者大。 这种由于样品中不同晶体(或同一种晶体不 同位向)衍射条件不同而造成的衬度差别就 叫做衍射衬度。 透射束通过而得到图象衬度的方法称为明 场成像，所得的图象称为明场像
1 晶胞的体积 Vc = d ( ) n
对同一晶体，当不同晶面的衍射波被激发时，也有不同的ξg
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20
二、衍衬运动学基本假设
为了简化，需做必要的假定。由于这些假设，运动学所得的 结果在应用上受到一定的限制。但由于假设比较接近于实 际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍衬像所反映的晶 体内部结构实质，有很大的实用价值。 基本假设包括下列四点： 1）首先是不考虑衍射束和入射束之间的相互作用，也就是说 两者间没有能量的交换。当衍射束的强度比入射束小得多 时，这个条件是可以满足的，特别是在试样很薄和偏离矢量 较大的情况下； 2）其次是不考虑电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸 收。换言之，由于样品非常薄，因此反射和吸收可以忽略。
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3）采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件”
① 除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，故 称双光成象。 ② 强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。 这在入射电子束波长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。 因为波长短，球面半径1/λ大，垂直于入射束方向的反射球面可看作 平面。加上薄晶的“倒易杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍 然可以在不严格满足布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。 由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于准 确的布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量s，s表示倒易点偏离反射 球的程度，或反映偏离布拉格角2θ的程度。这就可以保证衍射束和 透射束之间没有能量交换 。 ③只有一束衍射束，则可以认为衍射束的强度 Ig和透射束的强度 IT之间 有互补关系，即 I0= Ig+ IT
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消光距离的值
“消光”指的是尽管满足衍射条件，但由于动力学互相作用而 在晶体内一定深度处衍射波（或透射波）的强度实际为零。 根据费（菲）涅尔衍射理论推导得到：
式中 d —晶面间距； n —原子面上单位面积内所含晶胞数。 1／n就是一个晶胞所占有的面积， Fg—结构因子
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第二节
衍射衬度形成机理
衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布 拉格反射条件不同和结构振幅的差异。 薄晶体样品受到电子束照射时，如果晶 体中所有晶面都和布拉格条件有很大的偏 差，那么入射电子束就可以全部透过样 品，而无衍射束产生。此时透射束的强度 可认为和入射电子束的强度相等，若用IT 代表透射电子束的强度，I0代表入射电子 束的强度，则IT=I0。这时，透射束通过 电磁透镜组在荧光屏上成像，被放大的物 象亮度很高。 或不加物镜光阑也有同样的效果。只有衍 射指数较大的衍射束被镜筒挡镜而成像。
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举例
影响衍射强度的主要因素是：晶体取向和结构振幅。主要是 晶体对电子的衍射。 1）衍射明场像中两个晶粒一明一暗，说明前者不处于布拉格 位置；而后者处于布拉格位置； 2）晶体中的位错或其它缺陷的存在，致使局部晶格发生畸 变，改变了这些部位的衍射条件，正常的周期性遭到破坏， 使其与周围有不同的成像电子束强度而显示衬度； 3）基体中微区域元素的富集，使正常的晶面间距发生变化， 也会改变局部区的衍射条件，提供新的衬度； 4）两种不同物相，组成不同，对电子散射本领不同，结构振 幅不同，引起衬度差别； 5）由于电子波长短，衍射角小，位错、层错、空位等的缺陷 也会引起衍射条件的改变而显示衬度。
衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构 振幅不同而形成电子图像反差。 它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。
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第一节
透射电镜的成像
透射电镜的衬度来源及分类
对于电子衍射花样的观察，先观察电子显微像(放大像)，插入光阑(选区光 衍射波在物镜的后焦面上会聚成一点，形成衍射点。在后焦面上的衍射波 继续向前运动时，衍射波合成，在像平面上形成放大的像(电子显微像)。 阑)到感兴趣的区域，调节电子透镜，就能得到只有这个区域产生的衍射 通常，将生成衍射花样的后焦面上的空间称为倒易空间(倒易晶格空间)， 花样。另一方面，观察电子显微像时，先观察衍射花样，将光阑插入物镜 将试样位置或成像平面称为实空间。从试样到后焦面的电子衍射，即是从 的后焦面，在电子衍射花样中选择感兴趣的衍射波，调节透镜就能得到电 实空间到倒易空间的变化。 子显微像。这样，就能有效识别夹杂物和观察晶格缺陷。
材料现代分析方法 透射电镜成像原理 与图像分析
河北工业大学 材料学院
孙继兵
E-mail: hbgdsjb@ Tel: 022-2658 2288
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本章内容
第一节 透射电镜的衬度来源及分类 第二节 衍射衬度形成机理 第三节 衍衬运动学理论 第四节 不完整晶体衍衬像运动学解释
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a)衍衬运动学 b)衍衬动力学
相干散射电子波在晶体内强度随深度变化的示意图
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第三节 衍衬运动学理论
衍衬衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度 的反映。因此，计算衬度实质就是计算衍射强度。 薄晶体电子显微图像的衬度可用运动学理论或动力学理论来解释。 按动力学理论，随着电子束深入样品，透射束和衍射束之间的能量是 交替变换的。特点：考虑透射束和衍射束之间的相互作用，能更准确 地解释薄晶体中的衍衬效应，但是这个理论数学推导繁琐，且物理模 型抽象，在有限的篇幅内难以把它阐述清楚。 按运动学理论，电子束进入样品时随着深度增大，在不考虑吸收的条 件下，透射束不断减弱，而衍射束不断加强。特点：不考虑透射束与 衍射束的相互作用，简单明了，物理模型直观，对于大多数衍衬现象 都能很好地定性说明。 下面我们将讲述衍衬运动学的基本概念和应用。
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明场像
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暗场像
如果我们把光阑孔向左 移，使它的位置和衍射 斑hkl重合，那末，由 于透射束完全被光阑挡 掉，A晶粒就显示不出 亮度。 与之相反，此时B晶粒 将由衍射束提供的强度 IB＝Ihkl在象平面上成象。 这种用衍射束形成的电 子显微图象叫做暗场像。
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注意
问题
① 只有晶体试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其 亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗 线，其条件是，此暗线确实是所造用的操作反射斑引起的。 ② 它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之 间相互作用后的反映。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能 够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺 陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理 论。
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一、消光距离
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消光距离的形成
在简单的双光束条件下，即当晶体的（hkl）晶面处于精确的 布拉格位向时，入射波只被激发成为透射波和（hkl）晶面的 衍射波的情况下，考虑一下这两个波之间的相互作用。 当波矢量为k的入射波到达样品上表面时，受到晶体内原子的 相干散射，产生波矢量为k′的衍射波。由于上表面附近参与 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，透射波强度不断减弱，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。 衍射波也必将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其 方向恰好与透射波的传播方向相同。 动力学相互作用的结果，使Ig和I0在晶体深度方向上发生周期 性的振荡。振荡的深度周期叫做消光距离，记作ξg。
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如果薄品体样品中有某些晶面符合或基本 符合布拉格衍射条件，在结构因数不等于 零的条件下，这些晶面就会产生衍射。若 衍射束的总强度(即所有衍射晶面产生的衍 射束强度之和)为ID，则透射束成像时(即 在物镜后焦面上用物镜光阑孔套住透射束、 挡住所有的衍射束)，荧光屏上的强度要减 弱，因为此时透射束的强度应等于IT＝I0ID，而IT<I0。如果样品内部存在许多晶粒 (或各种组成相)，在电子束照射下，有些 晶粒不发生衍射(或衍射束总强度很低)， 另一些晶粒则相反．可以想象在用透射束 成象时，前者的亮度要比后者大。 这种由于样品中不同晶体(或同一种晶体不 同位向)衍射条件不同而造成的衬度差别就 叫做衍射衬度。 透射束通过而得到图象衬度的方法称为明 场成像，所得的图象称为明场像
1 晶胞的体积 Vc = d ( ) n
对同一晶体，当不同晶面的衍射波被激发时，也有不同的ξg
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二、衍衬运动学基本假设
为了简化，需做必要的假定。由于这些假设，运动学所得的 结果在应用上受到一定的限制。但由于假设比较接近于实 际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍衬像所反映的晶 体内部结构实质，有很大的实用价值。 基本假设包括下列四点： 1）首先是不考虑衍射束和入射束之间的相互作用，也就是说 两者间没有能量的交换。当衍射束的强度比入射束小得多 时，这个条件是可以满足的，特别是在试样很薄和偏离矢量 较大的情况下； 2）其次是不考虑电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸 收。换言之，由于样品非常薄，因此反射和吸收可以忽略。