高分辨电子显微学
高分辨电子显微学方法及其在半导体材料研究中的应用
密级:博士学位论文高分辨电子显微学方法及其在半导体材料研究中的应用作者姓名:常云杰指导教师: 李方华院士中国科学院物理研究所葛炳辉副研究员中国科学院物理研究所学位类别: 理学博士学科专业: 凝聚态物理研究所: 中国科学院物理研究所2017年4月Studies of High-Resolution Electron Microscopy Methods and Its Applications in SemiconductorsByYunjie ChangA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of ScienceInstitute of PhysicsChinese Academy of SciencesApril 2017摘要高分辨电子显微学作为从原子尺度评价材料内部结构的最有力的实验手段之一,被广泛应用于各种材料的研究。
但是,由于透射电镜成像系统的像差和样品厚度等的影响,高分辨像未必能反映正确的晶体结构信息。
为此往往需对高分辨像做细致的像衬分析或使用图像处理方法等来提升图像的分辨率以确定晶体结构。
随着球差校正器的出现及广泛使用,电镜分辨率提升至0.1 nm甚至更高,多数情况下可分辨所有原子;并且球差系数的可调节性也为研究人员提供了更多的实验手段。
然而,已有的像衬理论已难以对球差校正高分辨像作出很好的解释,因此有必要对球差校正像的像衬理论及相应的图像处理方法进行研究。
本论文研究内容可分为两部分:一部分介绍了高分辨电子显微学及像解卷处理方法在GaN薄膜缺陷结构测定中的应用;另一部分介绍了对球差校正高分辨像中非线性信息的研究工作。
具体内容包括:1.由200 kV普通电镜拍摄的分辨率仅为约0.2 nm的高分辨像出发,在原子尺度上测定了GaN薄膜中多种缺陷的核心结构。
材料分析高分辨电子显微学
(2)经物镜作用在后焦面处形成衍射谱 Q(u,v)=F[q(x,y)] (3)像平面上形成高分辨电子显微像 当物平面与像平面严格地为一对共轭面时,像面波Ψ(r) 真实地放大了物面波q(r),而当物镜有像差时,像平面不严 格与物平面共轭,此时像面波不再真实地复现物面波。像面 波与物面波之间的这种偏差可用在物镜后焦面上给衍射波加 上一个乘子,就是衬度传递函数exp(iⅹ (u,v)) 。 同时考虑物镜光阑的作用C(U,V).因而像平面的电子散射 振幅为: Ψ(u,v)=F[C(U,V) Q(u,v) exp(iⅹ (u,v)) ] 像平面上像的强度为像平面上电子散射振幅的平方,即 振幅及其共轭的乘积: I(x,y)= Ψ*(u,v) · Ψ(u,v) =│1 +iF{C(U,V)F[σφ(x,y) Δz ] exp(iⅹ (u,v))} │2
(4)样品厚度对像衬度的影响 高分辨像实际上是所有参加成像的衍射束与透 射束之间因相位差而形成的干涉图像。因此,试样 厚度非直观地影响高分辨像的衬度。 图3-3所示为Nb2O5单晶在同一欠焦量下不同试 样厚度区域的高分辨照片。在照片上能看到由于试 样厚度不均匀等因素引起的图像衬度区域性变化, 即图像从试样边缘的非晶衬度过渡到合适厚度下的 晶胞单元结构像。
高分辨电子显微学
林鹏 081820022
目录
1.绪论
2.高分辨电子显微相位衬度像的成像原理 3.高分辨电子显微像衬度的影响因素 4.高分辨电子显微像的计算机模拟 5.高分辨电子显微观察和拍摄图像的程序 6.高分辨电子显微图像的类型和应用实例
1.绪论
不同材料有不同的使用性能;材料的性能 决定于材料的结构,特别是它的微观结构。 为了获得能满足人类生活和生产需要的材料, 必须研究材料的结构,首先要直接观察到结 构的细节。 1956年,门特用分辨率为0.8nm的透射 电子显微镜直接观察到酞菁铜晶体的相位衬 度像,这是高分辨电子显微学诞生的萌芽。
高分辨电子显微技术与材料表征
高分辨电子显微技术与材料表征随着科学技术的不断发展,高分辨电子显微技术在材料表征领域取得了重大进展。
这种技术通过利用电子束对材料进行成像,能够突破传统光学显微镜的分辨率限制,实现对微观结构的高清观察和表征。
本文将从原理、应用和发展趋势三个方面来探讨这一技术。
首先,我们来看一下高分辨电子显微技术的原理。
所谓电子显微技术,就是利用电子束与样品相互作用的过程来获取样品的信息。
相比于光学显微镜,电子显微镜使用的是电子束而非光束,其波长要小于光的波长,从而能够达到更高的分辨率。
而高分辨电子显微技术在原理上又有所突破,它主要利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)来对样品进行分析。
TEM通过电子束的透射来观察样品的内部结构,分辨率可以达到纳米级别。
而SEM通过电子束的扫描来观察样品的表面形貌,分辨率也可以达到纳米级别。
通过这两种技术,可以获取到材料在微观尺度上的结构和特性信息。
接下来,我们将来探讨高分辨电子显微技术在材料表征中的应用。
高分辨电子显微技术在材料科学、生物学、化学等领域都有广泛的应用。
在材料科学中,它可以对金属、陶瓷、聚合物等各类材料的晶体结构、晶体缺陷、表面形貌等进行观察和分析,为新材料的研发和制备提供重要的支持。
在生物学中,电子显微技术可以对生物细胞、组织等进行高清观察,揭示生物体内部结构和功能的微观细节。
在化学中,电子显微技术可以用于观察化合物的晶体结构、原子排列等,有助于解决一些化学反应机理等问题。
可以说,高分辨电子显微技术在各个学科领域都有重要的应用,对于科学研究和工程实践都具有重要的意义。
最后,我们来看一下高分辨电子显微技术在未来的发展趋势。
随着材料科学和纳米技术的发展,人们对于高分辨电子显微技术的要求也越来越高。
一方面,人们要求更高的分辨率,以便观察和研究更细致的结构和性质。
另一方面,人们也要求更高的空间分辨率,以便观察和分析更大范围的样品。
因此,未来的高分辨电子显微技术将会朝着更高分辨率、更高空间分辨率和更高样品适应能力的方向发展。
中南大学-透射电镜-高分辨显微术
对主要由轻元素组成的薄晶体,展开上式,略 去高次项,可得:
(7)
按照弱相位体近似,试样下表面处的透射电子波与试样沿 电子束方向的晶体电势投影分布成线性关系。如果在以后的成 像过程中,物镜是一个理想无像差透镜,则它可以将A(x,y) 还原成真实反映晶体结构的像面波。然而实际情况不是这样, 物镜存在像差.这就要考虑像差对A(x,y)的调制。下面讨论这种调 制和其它因素对成像过程的影响。
A(x)可以分解为一系列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)---
逆过程,一些列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)—可以合成 出原函数A(x)
推而广之,两个函数只要他们的自变量之间存在某种可以 表述的函数关系,例如倒空间和正空间之间的关系,都可 写成:
• ②物镜的成像过程 • 具体到电镜上的成像过程,可用下图 示意表示。物镜对试样下表面的物面波 A(x,y)进行富里叶变换,得到后焦面上 的衍射波函数(衍射谱)G(h,k),记 作:
Si4N4与SiC晶界的高 分辨TEM像在电子束 具有良好相干性条件 下拍摄的晶界高分辨 结构像。 箭头所指区域为孪 晶.A为晶界
1 原理概述
高分辨电子显徽术是一种基于相位衬度成像机制的成像技术。 (1)透射函数 相位相同的入射电子束受晶体势场的调制,在试样下表面各点, 形成了携带结构信息的振幅和相位均不同的电子波场。在加速电压 E下,运动电子的波长,由下式表示:
引入附加相位位移的最常用方法是利用物镜的球 差和散焦
左图是球差产生相位位移示意图。 从靠近物镜前焦面A点,与光轴成 倾角离开试样下表面的电子束, 经物镜作用后本应交物镜后焦面 于C点,但由于物镜球差的缘故, 使其偏离原路径角,交后焦面于D 点。C、D两点相距为dR。这样, 由于路径的改变,出现了光程差
超高分辨率电子显微镜成像技术
超高分辨率电子显微镜成像技术的兴起,给我们的科学研究和工程应用带来了革命性的变革。
与传统的光学显微镜不同,超高分辨率电子显微镜不仅可以观察到物质的表面形貌,还能够通过能谱分析等手段获得物质的元素组成和化学性质等更详细的信息。
因此,超高分辨率电子显微镜已经成为物质科学、生命科学、纳米科技等领域的重要研究工具之一。
超高分辨率电子显微镜的成像原理超高分辨率电子显微镜利用电子束取代了传统显微镜中的可见光,从而突破了光学显微镜的分辨率极限。
在超高分辨率电子显微镜中,电子束经过物质后,会在样品里面或者表面发生散射。
通过探测反射或者透射电子束,结合成像算法,可以得到具有极高分辨率的物质形貌图像。
在电子显微镜成像中,有一个重要的参数是分辨率,它决定了我们能够观察到的最小结构的大小。
超高分辨率电子显微镜的分辨率远远高于常规的光学显微镜,通常能够达到亚纳米级别。
这种高分辨率不仅仅是指物质的表面形貌,还包括其元素组成、晶体结构以及化学反应等信息。
超高分辨率电子显微镜的应用超高分辨率电子显微镜在物质科学和纳米科技领域中有广泛应用。
举个例子,研究纳米材料的生长机制、晶体结构等信息是纳米材料设计与制备的重要基础。
超高分辨率电子显微镜在这方面可以提供详细的纳米材料结构信息,为纳米材料的研究和制备提供了强有力的工具。
除此之外,超高分辨率电子显微镜还可以广泛应用于生命科学领域。
通过超高分辨率电子显微镜,我们可以对生物分子的三维结构进行观察和分析,帮助理解生物分子的功能和特性。
这对于药物设计、蛋白质工程等领域具有重要意义。
此外,超高分辨率电子显微镜还被应用于材料工程、能源技术、环境科学等领域。
例如,通过超高分辨率电子显微镜,人们可以观察到电池材料中化学反应的细节过程,从而提高电池的性能和寿命。
在环境科学领域,高分辨率电子显微镜被用来研究大气物质的形态和反应机制,为环境保护提供了必要的科学依据。
结语超高分辨率电子显微镜作为一种重要的科学研究工具,已经在物质科学、生命科学、纳米材料、材料工程、环境科学以及能源技术等多个领域广泛应用。
材料分析高分辨电子显微学
曲线。图3-1它是在加速电压和物镜球差均固定的条
件下作出的曲线。可以看出,CTF随成像时的离焦
条件的不同发生急剧变化。所以并不是任意成像条
件(Δf)的像都能“如实”反映晶体的结构。只当物 镜处于最佳欠焦状态时, CTF才能在相当宽的范围 内近似为一常数(平台),在此条件下摄取的像,才 较近似于晶体结构晶体势场的投影分布。
v I(x,y)=1- σφ(-x,-y) Δz
v (6)由于重原子具有较大的势,对应得重子列的位置,像 强度弱。一般说,黑点处是有原子的位置,黑衬度也有深浅, 深黑衬度对应Z较大的原子,浅黑衬度对应着Z较小的原子; 两个相邻近的原子,其像衬也可连在一起,这涉及到电子显 微镜的分辨率。
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v
像平面上像的强度为像平面上电子散射振幅的平方,即
振幅及其共轭的乘积:
v I(x,y)= Ψ*(u,v) · Ψ(u,v)
v
=│1 +iF{C(U,V)F[σφ(x,y) Δz ] exp(iⅹ (u,v))} │2
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材料分析高分辨电子显微学
v (4)为简单起见,不考虑光阑的作用,即令C(U,V)=1,并设 定两个理想的物镜条件,即exp(iⅹ (u,v)) =±i(u,v≠0时)可得 假定条件下的像强度为:
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材料分析高分辨电子显微学
1.绪论
v 不同材料有不同的使用性能;材料的性能 决定于材料的结构,特别是它的微观结构。 为了获得能满足人类生活和生产需要的材料, 必须研究材料的结构,首先要直接观察到结 构的细节。
v 1956年,门特用分辨率为0.8nm的透射 电子显微镜直接观察到酞菁铜晶体的相位衬 度像,这是高分辨电子显微学诞生的萌芽。
高分辨率电子显微技术的研究与应用
高分辨率电子显微技术的研究与应用高分辨率电子显微技术是一种先进的材料科学研究手段,可以帮助科学家观察最微小的结构、理解物质运动的细节、掌握物质性质的本质等,有广泛的应用前景。
本文就高分辨率电子显微技术的研究和应用做一些探讨。
一、高分辨率电子显微技术的研究高分辨率电子显微技术源于透射电子显微镜(TEM)的发展。
TEM是通过电子的透射和衍射成像的一种显微镜,适用于观察纳米材料和纳米器件等。
为提高分辨率,科学家们不断改进TEM的结构和样品制备方法,建立起一系列高级电子显微技术。
其中,常用的高分辨率电镜技术包括扫描透射电子显微镜(STEM)、高角度可旋转电子衍射仪(HRTEM)等。
STEM是一种在TEM中加入扫描功能的显微镜,能够实现高分辨率的成像和分析。
它可以用电子束扫描样品表面,并将透射电子探测器读数,然后通过计算机处理放大成像。
STEM可以在纳米尺度下观察材料表面结构、化学成分、电子能级等,有极高的应用价值。
HRTEM是一种能够对结晶体进行高角度成像和衍射的电镜技术。
它通过旋转样品来产生不同的入射角度,然后将样品放置在TEM中进行成像和衍射。
HRTEM能够观察材料内部的晶格缺陷、界面形态、原子结构等信息,为研究材料的微观特性提供了重要手段。
二、高分辨率电子显微技术在材料科学中的应用高分辨率电子显微技术的应用领域非常广泛,涵盖了材料科学、物理学、化学、生物学等多个学科。
1.材料结构表征高分辨率电子显微技术能够对材料的结构和成分进行准确分析,对材料的制备和性能优化提供了重要参考。
比如,利用STEM技术可以探测纳米级别下的材料界面和化学成分等信息,从而提高材料设计的精度和可靠性。
2.纳米材料研究纳米材料具有特殊的物理和化学性质,被广泛应用于新能源、催化等领域。
高分辨率电子显微技术可以帮助科学家观察纳米结构的形态、晶格缺陷、界面等特征,并研究纳米结构与性质之间的关系,为材料合成和功能优化提供支持。
3.生物医学研究高分辨率电子显微技术在生物医学领域中也有一定应用。
高分辨透射电子显微学 基本原理和应用技术-天津大学
电子波
• 理想的电子光源是完全相干的 • 实际的电子光源是部分相干(partial coherent) • 判断相干性的准则:
-空间相干性(平行度),相干宽度 -时间相干性(单色性),相干长度
• 由样品的散射/衍射,即从入射束分离出的电子束也是 部分相干的 相干性决定了干涉条纹的质量
电子波
• 电子源的相干性
相位衬度
两束或以上,干涉成像晶粒小 的样品
明场像
暗场像
明、暗场像
质厚衬度
催化剂C-Pt
CNT
质厚衬度
衍射衬度
衍衬像(Diffraction Contrast Image)
利用晶体试样中由于不同取向的产生衍 射差异产生衍衬像, 透射束成明场像, 选择 不同的衍射束成暗场像 。
二维晶格像
• 晶体在某低指数带轴 • 使用较大的物镜光阑或根本不使用光阑 • 二维晶格像 晶体二维平移周期信息
晶体
HRTEM images from the SrTiO3 bi-crystal boundary.
波
• 电子束是波故具有振幅和相位(amplitude and phase) • 波的周期是波长(如200kV下0.0025nm)或以2π相位为单位 2π • 平面波表达为 A exp[−i r]
• 像差函数的虚部,即sin (χ(u, v)) • 它反映了薄样品(弱相位物体)的像衬变化 ⊗ I(x,y)=1+2iσφp(x,y) F-1{sin(χ (u,v)} • 零衬度传递函数=零像衬 • 常数衬度传递函数=均匀相位板=结构像
衬度传递函数
• 如果△f=0, χ(u,v)会在很大一段范围内接近于0 I(x,y)=1+2iσφp(x,y) F-1{sin(χ(u,v)} • 最小(相位)衬度 • 电镜的聚焦标准
高分辨电子显微分析方法ppt
图示为硅中Z字型缺陷得 高分辨电子像,即Z字型层 错偶极子,这个位错就是两 个扩展位错在滑移面上移 动时相互作用,夹着一片层 错AB相互连接而不能运动 得缺陷。且层错得上部与 下部分别存在插入原子层。
图示就是YBa2Cu3O7超导氧化物中位错环得高分辨电子显 微想,途中两个箭头所指得部分有一个多余得原子面,这个多余 得原子面对应于晶体生长阶段引入得Cu-O层,在箭头处存在 位错矢量平行于c轴得刃型位错。
高分辨电子显微分析方法
高分辨像(HRTEM)得成像原理
高分辨电子显微像得形成
高分辨电子显微像得形成有三个过程: 1、入射电子在物质内得散射; 2、通过物镜后,电子束在后焦面上形成衍射波; 3、在像平面上形成电子显微像。
一、入射电子在物质内得散射:
对于薄膜试样,不考虑电子吸收,试样得作用只引起入射电子得相
高分辨电子显微图像得实验技术
3、物镜消像散:采用非晶膜(通常就是碳膜)高分辨像得 FFT,调整物镜象散。用CCD相机在15万倍率下拍摄非 晶碳得高分辨像,得到傅里叶变换花样,用物镜消像散器 将椭圆形傅里叶变换花样校正为正圆形即可。
高分辨电子显微方法得应用
一、晶格缺陷 位错就是对材料力学性能影响很大得最有代表性得晶格
曲小,且满足一定得衍射条件。
晶带轴
晶带轴
晶带轴
试样 晶体势场
高分辨电子显微图像得实验技术
三、衍射条件得设定:尽可能选择小得选区光栏,通过调整试样得角 度,观察电子衍射花样得变化,最终使晶体得某一晶带轴平行于电子 束,得到得衍射谱至少具有二次对称得特征,这样有利于二维晶格像 或原子结构像得获得。 四、消像散:要获得高质量得高分辨像,消除各级透镜得象散就是 至关重要得环节。其中,最重要得就是物镜象散得消除,但聚光镜 与中间镜得象散也不容忽视。 1、聚光镜消象散:通过调节聚光镜消象散器,使照明光束在顺、逆 时针旋转时都呈圆形束斑。调节时放大倍数最好大于20万倍。 2、中间镜消象散:在衍射模式下,把束斑旋钮顺时针旋转到最大,调 节中间镜消象散器,使束斑呈现出奔驰像,即奔驰汽车得符号图像。
超高分辨率电子显微学技术的应用
超高分辨率电子显微学技术的应用超高分辨率电子显微学技术是一种高端的科学研究手段,不仅可以帮助科学家们更好地理解自然界的现象,也有着广泛的应用前景。
今天,我们将从多个方面逐步深入地了解这一技术的应用。
一、材料科学材料科学是超高分辨率电子显微学技术的主要应用领域之一。
通过这一技术,科学家们可以观察到材料内部的晶体结构、晶格缺陷等微观细节,进而探索材料的性质和特性。
例如,在研究钢铁的强度、韧性等方面,超高分辨率电子显微学技术可以提供重要的信息。
二、医学医学领域也有着广泛的应用前景。
例如,在癌症研究方面,超高分辨率电子显微学技术可以帮助科学家们观察到癌细胞的微观结构和变化,进而寻找治疗手段和方法。
此外,这一技术还可以用于探索细胞的基本机制,如DNA的复制、修复等,从而进一步提高人类对生命科学的理解。
三、能源能源是一个关键的领域,也是超高分辨率电子显微学技术的另一个应用领域。
例如,研究锂离子电池的性能和寿命,超高分辨率电子显微学技术可以帮助科学家们观察电池内部的微观结构和化学过程,从而了解电池的性能、寿命等重要信息。
此外,超高分辨率电子显微学技术还可以用于研究太阳能电池、风力发电机等领域,对于能源转型有着重要的意义。
四、纳米科学在纳米科学领域,超高分辨率电子显微学技术也起到了重要的作用。
通过这一技术,科学家们可以观察到纳米颗粒的结构和化学成分,进而设计制造新的纳米材料。
这些纳米材料可以应用于许多领域,如电子、生物医学、催化等。
此外,超高分辨率电子显微学技术还可以用于探索纳米粒子的运动和行为,为纳米科学的发展提供了基础研究手段。
总之,超高分辨率电子显微学技术是一个十分重要的科学研究手段。
在材料科学、医学、能源、纳米科学等多个领域,这一技术都有着广泛的应用前景。
相信在未来,随着这一技术的不断发展和提高,我们会有越来越多的科学问题得到解决。
高分辨率电子显微镜技术及其应用
高分辨率电子显微镜技术及其应用在现代科技的大潮中,高分辨率电子显微镜是一个备受关注的前沿技术,随着电子学和光学的发展,这种技术被越来越广泛地运用于生物学、材料科学和工程技术等领域。
那么什么是高分辨率电子显微镜,它是如何发挥作用的呢?一、什么是高分辨率电子显微镜高分辨率电子显微镜是一种基于电子学的高清晰度显微技术,借助高精度的光学系统、控制系统和成像技术,能够对各种物质进行高分辨率、高精度、无损伤的成像。
相对于传统的光学显微镜,高分辨率电子显微镜的分辨力更高,能够观察到更小的结构和更细微的细胞元素,为科学家和研究人员在科学研究和生产实践中提供了更为精确的观测和分析手段。
二、高分辨率电子显微镜的原理电子光线是高分辨率电子显微镜的核心成像手段。
与光学显微镜不同,电子光线是一种具有很高速度和能量的电子束,经过透镜系统聚焦、控制,最终成像在样品表面上,从而得到样品的图像。
与光学显微镜相比,由于电子具有更短的波长和更大的反射率,因此电子光线能够成像更高分辨力、更具保真性的照片图像。
同时,高分辨率电子显微镜在成像时可以对样品进行低角度散射,即使用电子的跨尺度和波动行为,从而获得更多的细节和形态信息,大大增强了对样品的了解。
三、高分辨率电子显微镜的应用高分辨率电子显微镜已经有广泛的应用领域,主要包括几个方面:1、材料科学。
高分辨率电子显微镜在材料科学领域的应用主要涉及材料的结构分析、界面观察、表面形态分析等方面。
例如,它可以用来研究合金中晶粒的分布、金属表面的腐蚀程度、纳米材料的结构等,对于材料设计和制备具有重要的参考价值。
2、生物学。
高分辨率电子显微镜在生物学领域的应用主要涉及细胞和生物分子的结构与功能研究。
例如,它可以用来探测细胞内各种细胞器和蛋白质的结构,深入了解各种细胞过程和疾病发生机制,为新药和治疗方案开拓新的思路。
3、工程技术。
高分辨率电子显微镜在工程技术领域的应用主要涉及材料性能研究、失效分析、成像检测等方面。
高分辨透射电子显微术优秀课件.ppt
波的干涉
Yi
底片
高分辨透射电子显微术优秀课件
高分辨透射电子显微术:是材料原子级别显微组织结构的相 位衬度显微术。它能使大多数晶体材料中的原子成串成像。
高分辨透射电子显微术优秀课件
)首次用电子显微镜拍摄了 Ti2Nb10O29 的二维像,并指出高分辨像中一个亮点对应于 晶体结构中电子束入射方向的一个通道。这是由于通道与周 围相比对电子的散射较弱,因此在像中呈现为亮点。在弱相 位体近似成立的条件下,高分辨电子显微像就是晶体结构在 电子束方向的投影,因此将晶体结构与电子显微像结合起来。 这种直观地显示晶体结构的高分辨像就称为结构像。
高分辨透射电子显微术优秀课件
阿贝成像原理
成像系统光路图如图所示。 当来自照明系统的平行电子束投射
到晶体样品上后,除产生透射束外 还会产生各级衍射束,经物镜聚焦 后在物镜背焦面上产生各级衍射振 幅的极大值。 每一振幅极大值都可看作是次级相 干波源,由它们发出的波在像平面 上相干成像,这就是阿贝光栅成像 原理。
在此期间,人们还致力于发展超高压电镜、扫描 透射电镜、环境电镜以及电镜的部件和附件等, 以扩大电子显微分析的应用范围和提高其综合分 析能力。
高分辨透射电子显微术优秀课件
高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高 分辨像。这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的 投影,因此又称为结构像(图4-86)。
高分辨TEM
用物镜光阑选择透射波,观察到的象为明场象; 用物镜光阑选择一个衍射波,观察到的是暗场像; 在后焦平面上插上大的物镜光阑可以获得合成象,即高分辨
电子显微像
高分辨透射电子显微术优秀课件
高分辨显微像
高分辨显微像的衬度是由合成的透射波与衍射波的相位差所 形成的。
高分辨电子显微术
•物镜球差(cs)和失焦量(△f)的影响
考虑球差和失焦量的影响,衍射波函数G(h、k)还要 乘上一个修正项即“衬度传递函数”又称相位衬度 传递函数,表示物镜引起的电子相位变化。 g exp[iX( )]记作‘CTF’
g G(h、k)=F{A(x、y)}· exp[ix( )]
F-表示傅立叶变换
图 15
通过物镜后在背焦面上形成衍射波
物镜对试样下表面的透镜波A(x,y)进行傅立叶变换得到后焦面上的衍射波 函数(衍射谱)G(h,k) 记作:F{A(x,y)}=G(h,k)=G( g ) 这是一个从正空间转换为倒空间的过程,也是一个傅立叶转换的过程, g 倒空间也可以称为傅立叶空间。正空间的透射函数转换到后焦面的衍射 谱。正空间位置矢量 r 是长度的因次 ,坐标(x、y)具有方向分量的含 义,而与频率相联系的 和坐标(h、k)是倒易矢和二维倒易矢的分量, 它们具有长度倒数的量纲。如果(考虑到电子束振幅的吸收衰减下表面 的透射波函数表达式中还应引入一个衰减因子exp{ix( g )})
图 14
如果只有相位的变化而振幅几乎无变化 时是显示不出衬度的。因为银光屏或照 相底版只能反映电子能量和电子密度的 差异,不能对电子相位有任何反映。因 此只有将相位的不同转化为振幅的不同 或者是强度的不同才能显示出衬度来, 可望在物镜具有一定失焦量、球差以及 适当光圈尺寸的综合处理条件下就得衬 度。
一、基本概念
球差、欠焦量、单色光、 相位体、振幅衬度、阿贝成像原理
1. 球差
在电磁透镜的磁场中,远轴区比近 轴区对电子的折射能力大,因而由同一 物点散射的电子经过透镜后不交在一点 上而是在象平面上变成了一个漫散圆斑。 把这种现象称为球差。
图1 球差、色差、象散
高分辩电子显微学简介-大工
何战兵 大连理工大学材料系 中科院物理所电子显微镜国家重点实验室
前言 1、基本原理 基本原理 2、操作方法 、 3、具体应用 、 4、发展前景 、
前言
目的和作用: 目的和作用:
在单胞甚至原子间距的水平上检验晶体, 在单胞甚至原子间距的水平上检验晶体,非 晶体材料的结构。 晶体材料的结构。 将在物样势场作用下电子波的相位变化转化 为可观察到的像强度分布;如何从获得的相位 为可观察到的像强度分布 如何从获得的相位 衬度---高分辩像上提取物样真实结构信息 高分辩像上提取物样真实结构信息。 衬度 高分辩像上提取物样真实结构信息。
1、超高压电子显微镜—缺陷晶体,小粒子, 、超高压电子显微镜 缺陷晶体 小粒子, 缺陷晶体, 结构未知晶体相的结构分析。 结构未知晶体相的结构分析。 2、无(负)球差电子显微镜 点分辨本领。 球差电子显微镜---点分辨本领 点分辨本领。 、 3、Z衬度电镜。 衬度电镜。 、 衬度电镜 4、场发射枪(高亮度,高相干和低能量发散) 、场发射枪(高亮度,高相干和低能量发散) 5、改善加速电压电流的稳定性。 、改善加速电压电流的稳定性。 6、计算机模拟和相的重构(电子晶体学:最 、计算机模拟和相的重构(电子晶体学: 大熵解卷,出射波重构,高分辨三维重构) 大熵解卷,出射波重构,高分辨三维重构) 7、定量高分辨电子显微学。 、定量高分辨电子显微学。 8、与X射线衍射相结合确定新相的结构。 射线衍射相结合确定新相的结构。 、 射线衍射相结合确定新相的结构
应用领域
材料科学(纳米,超导,巨磁阻,多层膜, 材料科学(纳米,超导,巨磁阻,多层膜, 准晶,陶瓷,发光材料,缺陷,等无所不包) 准晶,陶瓷,发光材料,缺陷,等无所不包) 生命科学 信息科学 凡需要研究微观结构的地方, 凡需要研究微观结构的地方,就离不开高分 辩电子显微镜
第十二章高分辨透射电子显微术ppt课件
第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章 电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析 第十二章 高分辨透射电子显微术 第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微结构分析方法
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第十二章 高分辨透射电子显微术
图12-14 Al-Si合金粉末的高分辨像 a)、SEM像 b)和TEM明场像 c) 22
第三节 高分辨电子显微术的应用
六、高分辨像的计算机模拟
由图12-15可说明,Si3N4晶界上有一非晶层, NiAl2O4 与NiO相界为稳定界面, Fe2O3表面为其(0001)面
图12-15 几种平面界面的高分辨像 a) Ge的晶界 b) Si3N4的晶界
的实验像a)、b)、c)及模拟高分辨像d)、e)、f)
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第三节 高分辨电子显微术的应用
材料的微观结构与缺陷结构,对材料的物理、化学和力 学性质有重要影响。利用高分辨电子显微术,可以在原子尺 度对材料微观结构和缺陷进行研究,其应用主要包括 1) 晶体缺陷结构的研究 2) 界面结构的研究 3) 表面结构的研究 4) 各种物质结构的研究 下面给出一些典型的高分辨像,用图示说明高分辨透射电镜 在材料原子尺度显微组织结构、表面与界面以及纳米粉末结 构等分析研究中的应用
电子束倾斜和样品倾斜均会影响高分辨像衬度,电子 束 轻微倾斜,将在衍射束中引入不对称的相位移动
图12-6所示为 Ti2Nb10O29 样品厚度为7.6 nm时的高分辨模 拟 像。图中清楚表明,电子束或样品即使是轻微倾斜,对高 分 辨像衬度也会产生较明显影响
样品倾斜 / mrad
电子束倾斜 / mrad
六、高分辨像的计算机模拟
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The physical baபைடு நூலகம்is of imaging and diffraction
The objective lens
Newton´s Lens Equation q 1 1 1 —— + —— = —— u v f Magnification
Astigmatic Image
Astigmatism Corrected
HRTEM of Au Catalyst
200
A particle i l on [001] zone axis i
VI. Forming image and contrast mechansim
Back focal plane and image plane of objective lens
E. Ruska: Über Ü Fortschritte im Bau und in der Leistung des magnetischen Elektronenmikroskops, Z. Physik 87, (1934) 580‐602 (eingeg.: 12.12.1933)
Nobel Prize for his contribution in development of TEM
2700 1700 300 109 3 10-2 100 1010 1.5 1 5 10-4 500 1013 0.3 0 3 10-8 >1000
II Lenses II. L and d Aberration Ab ti
Lorentz Force and Electromagnetic lenses
u
f v
v M = — u
Magnification, Demagnification
In an electron microscope, changing magnification is obtained by changing the strength of the lens. High magnification is achieved by repeat this for several se eral lenses in tandem one after the other.
高分辨电子显微学方法
苏党生
Jin Hua, Sept. 27, 2010
dangsheng@fhi‐berlin.mpg.de
Die Erfindung des Elektronenmikroskops
Erstes höher als das Lichtmikroskop p vergrößerndes (zweistufiges) Elektronenmikroskop
Lens rotation centers
The objective lens field should be centered around the optic axis, so that the direct electrons emerging from the specimen p see a symmetric y field as they pass through the lens.
Electron lenses are the magnetic equivalent of the glass lenses in an optical microscope, microscope and, and to a large extent, we can draw comparisons between the two. two
When an electron with i charge q (= ( -e) ) enters a magnetic i field of strength B, it experiences a force F (Lorentz force) F = q (E + v x B) = -e (v x B)
Effect of defocus and aberration
High resolution images of an Au nanoparticle
D l li i effect Delocalization ff i in high hi h‐resolution l i image i
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Human eyes can´t detect intensity changes < 5%, even < 10% is difficult.
What is image contrast
Do not confuse intensity with contrast when you describe your images. You can have strong or weak contrast but not bright or dark contrast. contrast The term bright and dark refer to density (number/unit area) of electrons hitting the sceree/detector (and the subsequent light emission that you can see). Lower the overall intensity y Condense the beam onto a small area stronger g contrast lower the image contrast
Eucentric Plane
Eucentric plane is defined as a standard object plane: If the specimen is in the eucentric plane, l the image of the object will not move as you tilt the specimen; objective lens strength is always the same when the image on the screen is in focus; the objective lens current is an optimum value If the image is in focus (working at a fixed objective lens magnification).
Electron Sources
Field Emission Gun
Cathode V1 ext volt V0 acc volt
Probe diameter 1‐2 nm Brightness 1013 A/m2ster
Focusing Anodes
Vacuum required 10‐8 Pa
Diffraction pattern
Selected‐Area Diffraction (SAD)
Selected‐Area Diffraction (SAD)
Use select area aperture to include many crystallites and single crystallite
MoO2-polycrystalline
MoO3-[010]
What is image contrast
Contrast C t t (C) as th the difference diff in i intensity (ΔI) between two adjacent areas
(I2 - I1) C= I1 ΔI = —— I
Nobel Prize 1986
Nobel Prize 2007
Part I: Basics of (S)TEM
Transmission electron microscope
Construction of a TEM
* Illumination (electron source) * Lenses and apertures * Specimen holder * Recording system
Chromatic Aberration
The objective lens bends electrons of lower energy more strongly and thus electrons from a point in the object form a disk image In general, the chromatic aberration become smaller for thinner specimen.
v M=— u To resolve a lattice distance of 0.2 nm a magnification of 5•106 is needed, assuming human eyes can resolve two points of 0.1 mm
Exciting the lens strength – focus
I Illumination (electron source) I.
Electron Sources
An LaB6 crystal
An FEG tip, showing the extraordinarily fine W needle
Electron Sources
LaB6 Gun
Probe diameter > 5 nm Brightness 109 A/m2ster Vacuum required 10‐4 Pa
The procedue to centering lens rotation is called current centering.
Correction of astigmatism in the imaging lenses