第九章 透射电子显微分析

光学显微镜
透射电子显微镜
照明束
可见光
聚焦装置 玻璃透镜
放大倍数 分辨本领
小，不可调 低
结构分析
不能
电子为照明束 电磁透镜 大，可调 高
能
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物镜：形成第一幅放大的像 ×0~100 中间镜：长焦 ×0~20
投影镜：放大 ×0~100 景深大，放大不影响清晰度 焦深大，放宽对荧光屏和照相底片要求
透射电子显微镜光路原理图 8
二、直接样品的制备
粉末和晶体薄膜样品的制备。
1.粉末样品制备 关键：如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团
聚。
胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻 璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上， 两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小 方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片 逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。
由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。 成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光
屏上。 衍射操作：通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物 平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。 成像操作：若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则 得到显微像。
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复习
凸透镜的焦点
t-ZrO2菊池衍射花样
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第二节 样品制备
TEM的样品可分为间接样品和直接样品。 TEM的样品要求： （1）对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度约
100~200nm。 （2）必须具有代表性，能真实反映所分析材料的特征。
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至数m； (4)终减薄。
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适用样品：
1）不易于腐蚀的裂纹端试样 2）非粉末冶金试样 3）组织中各相电解性能相差不大
的材料 4）不易于脆断、不能清洗的试样
双喷电解抛光装置原理图
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适用样品：
1）不导电的陶瓷样品 2）要求质量高的金属样品 3）不宜双喷电解的金属
与合金样品
离子减薄装置原理示意图
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质量厚度衬度(简称质厚衬度)：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衬度
质厚衬度来源于电子的非相 干弹性散射
当电子穿过样品时，通过与 原子核的弹性作用被散射而 偏离光轴，弹性散射截面是 原子序数的函数.
随样品厚度增加，将发生更 多的弹性散射。
质厚衬度成像光路图
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质厚衬度的公式
复杂电子衍射花样简介
实际遇到的单晶电子衍射花样并非都如前述单纯，除上述 规则排列的斑点外，由于晶体结构本身的复杂性或衍射条 件的变化等，常常会出现一些“额外的斑点”或其它图案， 构成所谓“复杂花样”。主要有：
高阶劳埃区电子衍射谱 菊池花样(Kikuchi Pattern) 二次衍射斑点 超点阵斑点 孪晶（双晶）衍射斑点等。
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1.形貌观察
高岭石
蒙脱石
纤蛇纹石
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叶蛇纹石
2.晶体缺陷分析-位错线
刃位错 bu
u b
螺位错 u//b
u b
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2.晶体缺陷分析-位错线
（a）明场像，s0；（b）明场像，s略大于零； （c）g/3g弱束暗场像
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2.晶体缺陷分析-界面
晶粒（1）与周围4个晶粒（2、3、4、5）间晶粒边界的衍衬像 65
场发射枪的电子发射是通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。 由于越尖锐处枪体的电子脱出能力越大，因此只有枪尖部位才能发射 电子。
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会聚/发散角
热电子枪示意图
灯丝和阳极间加高压，栅极偏压起会聚电子束的作用，
使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉
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双聚光镜照明系统光路图
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3. 成像系统
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2. 照明系统
作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。
组成：电子枪和聚光镜
钨丝
热电子源
电子源
场发射源
LaB6
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电子枪
场发射电子 枪
一般电子枪的发射原理和普通照明用白炽灯的发光原理基本相同， 即通过加热来使枪体发射电子。钨丝便宜并对真空要求比较低。 六硼化镧发射效率要高很多，其电流强度大约比前者高一个数量级。
透镜半径
f

A
(
RV0 NI )
2
与透镜结构有关的比例常数
电子加速电压 激磁线圈安匝数
由此可知，改变激磁电流，可改变焦距f，即可改 变电磁透镜的放大倍数。
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像 距v
物距u
减小激磁电流，可使电磁 透镜磁场强度降低、焦距 变长(由f1变为f2 ） 。 焦距f
电磁透镜(通过改变激磁电流)实现 焦距和放大倍率调整示意图
立方晶系多晶电子衍射花样指数化 经推导：d=C/R C为相机常数，R为某同心圆环半径 将d=C/R代入立方晶系晶面间距公式，得
式中：N——衍射晶面干涉指数平方和，即 N=H2+K2+L2。
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多晶电子衍射花样的标定
对于同一物相、同一衍射花样各圆环而言，（C2/a2）为 常数，有 R12：R22：…：Rn2=N1：N2：…：Nn
支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末颗粒一般都远小 于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常 用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上， 再把粉末放在膜上送入电镜分析。
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2. 块状样品的制备
一般程序： (1)初减薄——制备厚度约100~200m的薄片； (2)从薄片上切取3mm的圆片； (3)预减薄——从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄
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TEM的形式
TEM可以以不同的形式出现，如： 高分辨电镜（HRTEM） 扫描透射电镜（STEM） 分析型电镜（AEM）等等
入射电子束（照明束）也有两种主要形式： 平行束：透射电镜成像及衍射 会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射
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第一节 透射电子显微镜工作原理及构造
一、工作原理
透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜类似。
超高压透射电子显微镜
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3
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电子显微分析方法的种类
透射电子显微镜(TEM)简称透射电镜 电子衍射(ED)
扫描电子显微镜(SEM)简称扫描电镜 电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)
波谱仪(波长色散谱仪，WDS) 能谱仪(能量色散谱仪，EDS) 电子激发俄歇电子能谱(EAES或AES)
此即指各衍射圆环半径平方（由小到大）顺序比等于各圆 环对应衍射晶面N值顺序比。
立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同，故产生衍 射各晶面的N值顺序比也各不相同。
参见表6-1，表中之m即此处之N（有关电子衍射分析的文 献中习惯以N表示H2+K2+L2，此处遵从习惯）
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表6-1 立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m)
单晶电子衍射花样的标定
主要指：单晶电子衍射花样指数化，包括确定各衍射斑 点相应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之命名（标识） 各斑点和确定衍射花样所属晶带轴指数[uvw]。对于未知 晶体结构的样品，还包括确定晶体点阵类型等内容。 单晶电子衍射花样标定的主要方法为： 尝试核算法 标准花样对照法
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衬度与原子序数Z，密度，厚度t有关。用小的光阑（θ小）衬 度大；降低电压V，能提供高衬度
G

N0e2 V 2 2
( Z222t2
A2

Z121tt
A1
)
G

N
A
(
a2
A2
2t2
a1
A1
1t1)
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A、B两晶粒的结晶学位向不同， 满足衍射条件的情况不同。衍射束 强度越大，直射束强度就越小。
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（3）电磁透镜的分辨本领
光学显微镜 可见光：390-760nm， 最佳：照明光的波长的1/2。极限值：200nm
透射电镜 100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV，0.00251nm
线分辨率
r0

A3
/
4C
1 s
/
4
透镜球差系数
常数
照明电子束波长
r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。
O
F
O
焦点
F' F 焦平面
P
B
f Q'
O
F
A
A'
像平面
Q
透镜的成像
P'
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三、各种结构的衍射花样
1） 单晶体的衍射花样。
单晶电子衍射图是由规则排列的 衍射斑点构成的，是二维倒易平 面点阵的放大像，它可以给出试样 晶体结构和晶体学有关的诸多信息。
不同入射方向的ZrO2衍射斑点 (a)[111]; (b)[011]; (c) [001]; (d) [112]
3.组织观察
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3.组织观察
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NiAl（7）合金中的析出相 （a）明场像，g=220 （b）中心暗场像，g=110 （c）SADP（选区衍射谱），B//[110] （c）SADP，B//[010]
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二、 TEM的其它功能简介
原位观察，会聚束衍射分析，高分辨电子显微术。
1．原位观察 利用相应的样品台，在TEM中可进行原位实验(in situ experiments)。 如：利用加热台加热样品观察其相变过程 利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程
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（1）高阶劳埃区电子衍射谱
用途:
(a)对称入射 (b)不对称入射
高阶劳埃区衍射谱示意图
可以提供许多重要的晶体学信息， 如： • 测定电子束偏离晶带轴方向的微 小角度 • 估算晶体样品的厚度 • 求正空间单胞常数 • 当两个物相的零阶劳埃区斑点排 列相同时，可利用二者高阶劳埃区 斑点排列的差异，鉴定物相。
第九章 透射电子显微分析
第一节 透射电子显微镜工作原理及构造 第二节 样品制备 第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度 第四节 TEM的典型应用及其它功能简介
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显微镜的发展
R.虎克在17世纪中期 制做的复式显微镜
19世纪中期的显微镜 20世纪初期的显微镜
带自动照相机 的光学显微镜
装有场发射枪的 扫描电子显微镜
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金多晶电子衍射花样标定[数据处理]过程与结果
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应用
（1）利用已知晶体（点阵常数a已知）多晶衍射花样指数 化可标定相机常数。
衍射花样指数化后，按
计算衍射环
相应晶面间距离，并由Rd=C即可求得C值。
（2）已知相机常数C，则按d＝C／R，由各衍射环之R， 可求出各相应晶面的d值。
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第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度
一、成像操作
衍射束 成像
直射束 成像
衍射束 成像
（a）明场像
(b)暗场像
(c)中心暗场像
成像操作光路图
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a) 明场像
b) 暗场像
析出相(ZrAl3)在铝合金基体中分布衍衬像
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 二、像衬度
像衬度：图像上不同区域间明暗程度的差别。 对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。 像衬度的分类：
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2）多晶材料的电子衍射
NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射
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3）非晶态物质衍射
典型的非晶衍射花样
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选 区
对材料的微区进行观察，获取更为细致的结构信息
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如何实现选区？
1、加物镜光阑 2、加选区光阑
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衍射花样标定
多晶金衍射花样
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多晶电子衍射花样的标定
指多晶电子衍射花样指数化，即确定花样中各衍射圆环 对应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之标识（命名）各 圆环。
二、构造
TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器 系统组成。 1. 电磁透镜 能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens）
电子透镜
静电透镜 磁透镜
恒磁透镜 电磁透镜
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（1）电磁透镜的结构
电磁透镜结构示意图
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（2）电磁透镜的光学性质
11 1 uv f
物距 像距 焦距
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用 的是晶体对电子的衍射。
衍射衬度：由于晶体对电子的衍 射效应而形成的衬度。
该光路图中是明场成像还是暗场成像？
衍射衬度成像光路图
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相位衬度(Phase contrast)： 试样内部各点对入射电子作用不同， 导致它们在试样出口表面上相位不一， 经放大让它们重新组合，使相位差转 换成强度差而形成的。
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第四节 TEM的典型应用及其它功能简介
一、TEM的典型应用 1.形貌观察
晶粒(颗粒)形状，形态，大小，分布等 2.晶体缺陷分析
线缺陷：位错（刃型位错和螺型位错） 面缺陷：层错 体缺陷：包裹体 表面、界面（晶界、粒界）等 3.组织观察 晶粒分布、相互之间的关系，杂质相的分布、与主晶相的 关系等 4.晶体结构分析、物相鉴定（电子衍射） 5.晶体取向分析（电子衍射）
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（2）菊池花样(Kikuchi Pattern)
在单晶体电子衍射花样中，除了前 面提到的衍射斑点外，还经常出现 一些线状花样。
菊池(Kikuchi)于1928年(在透射电 镜产生以前)首先描述了这种现象， 所以被称为菊池线。
菊池线的位置对晶体取向的微小变 化非常敏感。因此，菊池花样被广 泛用于晶体取向的精确测定，以及 解决其它一些与此相关的问题。