晶体薄膜

作用的）中分散成悬浮液。用滴管滴几滴在覆盖有碳加强
火棉胶支持膜的电镜铜网上。待其干燥（或用滤纸吸干） 后，再喷上一层碳膜，即成为电镜观察用的粉末样品。如 需检查粉末在支持膜上的分散情况，可用光学显微镜进行 观察。
2.复型样品的制备（间接样品） ⑴ 复型材料要求
⑵复型样品的制备
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， 常称为复型。复型方法中用得较普遍的是碳一级复型、塑 料—碳二级复型等。主要用于观察断口形貌等。 碳一级复型：是通过真空蒸发碳，在试样表面沉淀形成 连续碳膜而制成的。
•质厚衬度
质厚衬度是建立在非晶体中原子对入 射电子的散射和透射电子显微镜小孔 径角成像的基础上，是由于样品不同 微区间存在原子序数或厚度的差异而 形成的，是解释非晶体样品（复型） 电子显微镜图像衬度的理论依据。 原子序数越大，产生弹性散射的比例 就越大，弹性散射是透射电子显微镜 成像的基础，而非弹性散射将引起色 差使背景强度增高，图像衬度降低。
随着制样技术的进步，现在已能够获得使电子束直接透过
的薄膜样品，从而实现对样品的直接观察分析，揭示样品 内部的精细结构，使电镜的分辨率大大提高。
透射电镜的图像衬度主要包括质厚衬度、衍射衬度、相位衬度。
•透射电镜样品可分为直接样品和间接样品
1.粉末样品制备（直接样品）
用超声波分散器将需要观察的粉末在溶剂（不与粉末发生
3.终减薄 ⑴电解减薄 目前使用最广、效率最高、操作最简便的方法是双喷电解 减薄法，其装置示意图如图所示，得到的是中心带有穿透小 孔的薄片样品。
大部分金属与合金可用双喷电解减薄，
但以下情况不宜： • 易于腐蚀的有裂纹的试样 • 具有孔隙的冶金试样 • 组织中各相电解性能相差过大的材料，
如复合材料、硬质合金等
明场像——采用物镜光阑将衍射束挡掉，只让透射束通过而 得到图象衬度的方法称为明场成像法，所得的图象称为明场 像。 暗场像——用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让 一束强衍射束通过光阑参与成像的方法，称为暗场成像法， 所得图像为暗场像。 暗场成像有两种方法：偏心暗场像与 中心暗场像。 必须指出： ① 只有晶体试样形成的衍衬像才存在明场像与暗 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，产生这种现象的条件是：此暗线确实是所产生的 衍射斑引起的。 因为衍射衬度完全是衍射强度差别产生的，所以衍射图像必将 是样品内部不同部位晶体学特征的直接放映。
•工艺过程
一般分三个步骤：1.切薄片样品；2.预减薄；3.终减薄 1.切薄片样品 从实物或大块试样上切割厚约200-300um
的薄片，切割方法一般分两类
⑴电火花线切割法 是目前使用最广泛的方法，工作过程如图 所示，但只适用于导电材料 ⑵金刚石锯片切割机切片法
2.预减薄 预减薄有两种方法，即机械法和化学法。 ⑴机械减薄 一般通过手工磨制来完成。先将一面粘在样品座上磨制， 磨 好后，用溶剂将粘接剂溶掉，然后翻转粘接继续磨制，直至 达到要求的厚度。 磨制后的厚度控制： 材料较硬，可磨至70um 材料较软，厚度不能小于100um。 注意：磨制过程中，要平稳，用力不要过大，注意冷却。 ⑵化学减薄 将切好的试片放入配制好的化学试剂中，使其表面腐蚀而减 薄。常用化学减薄液的配方见表11-1。 优点： • 表面无机械硬化层 • 速度快 • 厚度可控制在20-50um，有利于终减薄
在电子束垂直照射下,负复型的不同部分厚度是不一样的,根据 质厚衬度的原理,厚的部分透过的电子束弱,而薄的部分透过的 电子束强,从而在荧光屏上造成了一个具有衬度的图像。
碳一级复型
碳一级复型电子像
•衍射衬度
对于晶体薄膜样品而言，厚度大致均匀，平均原子序数也无 差别，因此，不可能利用质厚衬度来获得图像反差，晶体薄 膜样品成像是利用衍射衬度成像。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。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。
Al-Zn-Mg-Cu 合金时效析出相的研究 Al-Zn-Mg-Cu 系合金因具有高强度、易于加工、耐腐蚀 性能好以及韧性比较高，是航空航天工业中主要的结构材 料。7085 铝合金是美国铝业公司开发的一种新型的AlZn-Mg-Cu 高强铝合金，已经成功的应用于制造A380 飞 机后翼梁。Al-Zn-Mg-Cu 系合金其强化手段是析出强化， 控制好合适的析出相、析出相的尺寸、密度、分布就能得 到性能优异的合金。 国内外工作者对析出过程以及成分和结构进行了大量的分 析，但是对于起作用相的析出以及各阶段的化学成分至今 都还没有形成统一的观点。 文章通过硬度的测量、电导率的测量、三维原子探针 ( 3DAP) 、透射电镜对7085 合金近时效峰值的析出相的 成分和结构进行了研究。
• 易于脆断、不能清洗的试样
⑵工艺过程： • 将预先减薄的样品冲出或剪成Ф3mm的园片，并在其中心部 位打凹坑后，装入试样夹持器； • 减薄时，试样与阳极相连，喷嘴中的液柱与阴极相连，电解 液通过泵进行循环； • 电解减薄的控制参数：电压v、电流i、温度t，取决于样品的 性质； • 减薄程度通过光源、光导纤维和光敏电阻构成的光路控制； • 减薄完毕后应迅速打开试样架，取出试样，清洗干净，清洗 液可用酒精、丙酮等。
图 合金在120 ℃ 6 h 后显微组织及衍射花样照片( a) 明场; ( b) 暗场; ( c) [ 0 0 1 ] 方向; ( d) [ 0 1 1 ] 方向
合金的基体中有大量的块状和条状的析出相，尺寸在几十纳米
强度分布示意图
塑料一级源自文库型
在已制备好的金相样品或断口 样品上滴上几滴体积浓度为1% 的火棉胶醋酸戊酯溶液，溶液 在样品表面展平,多余的溶液用 滤纸吸掉,待溶剂蒸发后样品表 面即留下一层厚100nm左右的 塑料薄膜。把这层塑料薄膜小 心地从样品表面上揭下来, 就可 以放在直径为3mm的专用铜网 上,进行透射电子显微分析。从 左图可以看出,这种复型是负复 型,也就是说样品上凸出部分在 复型上是凹下去的.
质厚衬度成像原理:电子显微镜图像的衬度取决于透射到荧光屏
或底片上不同区域的电子强度差别。对于非晶体样品来说，入
射电子透过样品时碰到的原子数目越多（样品越厚）或样品的 原子序数越大，被散射到 光阑外的电子就越多，因而通过物镜 光阑参与成像的电子强度就越低，对应较暗的衬度。质量厚度 数值小的，对应较亮的衬度。
暗场（DF）像——若把明场像中物镜光阑的位置移动一下， 使其套住hkl斑点，而把透射束挡掉，可以得到偏心暗场像。 由于此时成像的是离轴光线，有较严重的像差，所得到的图 像质量不高。
物镜光阑 • 物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放在物镜的后焦面上。 • 常用物镜光阑孔的直径是20～120μ m范围。 • 电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角(或衍射 角)较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从 而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小， 被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光阑 又叫做衬度光阑的原因。加入物镜光阑使孔径角减小，能 减小像差，得到质量较高的显微图像。 • 物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑 点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。利用明暗场显 微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。
第九章
晶体薄膜成像分析
第一节
的制备,复型样品的制备
概述
透射电子显微镜的制样方法常见的有粉末样品制备,薄膜样品
前一章讲述了电子衍射的基础内容，主要针对结构分析。但 透射电子显微镜还有一个重要功能是进行微观结构形貌分析，
要求电子束能够透过所观察的样品，常规的透射电镜电子束
能透过样品的厚度极其有限，约数百纳米。
⑶离子减薄 离子减薄就是用离子束在样品的两侧以一定的倾角（5-30°） 轰击样品，使之减薄。其工作原理如图所示。
适用范围： • 不导电的陶瓷样品 •质量要求高的金属样品 • 不宜双喷电解的金属与合金样品
第三节
•衬度
衍射衬度成像原理
定义：衬度是图像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。 衬度分两种基本类型 1.质厚衬度 2.衍射衬度
暗场像——把入射电子束方向倾斜2θ角度（通过照明系统的 倾斜来实现）使B晶体的（hkl）晶面组处于强烈的衍射位向， 而物镜光阑仍在光轴位置，此时只有B晶体的hkl衍射束正好 通过光阑孔，而透射束被挡掉（如下图），这叫中心暗场 （CDF）成像方法。
•电子束倾斜与平移装置
利用电子束原位倾斜可以进行中心暗场成像操作
明场像——采用物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通过而 得到图像衬度的方法称为明场成像法，所得的图像称为明场 像（BF）。
• 设薄膜有A、B两晶粒
• B内的某(hkl)晶面满足Brag条件，则通过(hkl)衍射使入射强 度I0分解为Ihkl和Io-Ihkl两部分。 • A晶粒内所有晶面与Brag角相差较大，不产生衍射。 • 在物镜背焦面上的物镜光阑，将衍射束挡掉，只让透射束通 过光阑孔进行成像，此时，像平面上A和B晶粒的光强度或亮 度不同，分别为 IA≈I0 IB≈I0 –Ihkl
塑料—碳二级复型：是无机非金属材料形貌与断口观察 中最常用的一种制样方法。
第二节
•基本要求
薄膜样品的制备方法
符合要求的薄膜样品必须具备下列条件: 1.薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中， 组织结构不变化；
2.样品相对于电子束必须有足够的透明度； 3.薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程 中不会引起变形和损坏； 4.在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。
早期应用透射电镜时，受到样品制备技术的限制，利用复型 技术获取间接样品，实现对微观组织的观察，比光学显微镜
的分辨率提高约2个数量级。由于复型材料颗粒较大，不能
把样品中小的细微结构复制出来，所以再提高放大倍数有困 难，而且复型仅仅得到的是样品的表面形貌，无法对样品的 内部组织结构（晶体缺陷、界面等）进行观察分析。