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
第九章透射电子显微分析
•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
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。
第九章透射电子显微分析
•复习
•凸透镜的焦点
•O
•F
•O
•焦点
•F' •F •焦平面
•P •A •Q
•B
•O
•F
•透镜的成像
•f •Q'
•100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV， 0.00251nm
•线分辨率
•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。
第九章透射电子显微分析
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
p 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
第九章透射电子显微分析
式中：N——衍射晶面干涉指数平方和，即 N=H2+K2+L2。
第九章透射电子显微分析
多晶电子衍射花样的标定
p 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
p 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。
第九章透射电子显微分析
•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
第九章透射电子显微分析
•双聚光镜照明系统光路图
第九章透射电子显微分析
3. 成像系统
p 由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。 p 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
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
2. 块状样品的制备
p 一般程序： p (1)初减薄——制备厚度约100~200m的薄片； p (2)从薄片上切取3mm的圆片； p (3)预减薄——从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄
至数m； p (4)终减薄。
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
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。
•
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
第九章透射电子显微分析
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
p 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。
p 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）
第九章透射电子显微分析
•表6-1 立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m)
第九章透射电子显微分析
•金多晶电子衍射花样标定[数据处理]过程与结果
•A '
•像平 面
•P'
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
三、各种结构的衍射花样
p 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]
•衍射花样标定
•多晶金衍射花样
第九章透射电子显微分析
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。
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
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
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
•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。
复杂电子衍射花样简介
p 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。
钨丝
热电子源
电子源
场发射源
LaB6
第九章透射电子显微分析
•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。 • 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。
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
二、直接样品的制备
粉末和晶体薄膜样品的制备。 p 1.粉末样品制备 p 关键：如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团
第九章透射电子显微分析
（1）高阶劳埃区电子衍射谱
•用途:
•(a)对称入射 •(b)不对称入射
•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。
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：
第九章透射电子显微分析
•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
•高阶劳埃区衍射谱示意 图
第九章透射电子显微分析
（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。
第九章透射电子显微分析
•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。
第九章透射电子显微分析
单晶电子衍射花样的标定
聚。 p 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。 p 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。
第九章透射电子显微分析
（1）电磁透镜的结构
•电磁透镜结构示意图
第九章透射电子显微分析
（2）电磁透镜的光学性质
•物距 像距 焦距
•透镜半径
•电子加速电压
•与透镜结构有关的比例常数
•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。
第九章透射电子显微分析
•像 距 v
•t-ZrO2菊池衍射花样
第九章透射电子显微分析
第二节 样品制备
p TEM的样品可分为间接样品和直接样品。 p TEM的样品要求： p （1）对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度约
100~200nm。 p （2）必须具有代表性，能真实反映所分析材料的特征。
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
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
•成像操作光路图
(c)中心暗场像
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
•a) 明场像
•b) 暗场像
•析出相(ZrAl3)在铝合金基体中分布衍衬像
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分 析
2020/12/9
wk.baidu.com
第九章透射电子显微分析
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 •超高压透射电子显微镜
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
第九章透射电子显微分析
•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
第九章透射电子显微分析
•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
•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
第九章透射电子显微分析
质厚衬度的公式
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
第九章透射电子显微分析
•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
第九章透射电子显微分析
（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
第九章透射电子显微分析
2）多晶材料的电子衍射
•NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射
第九章透射电子显微分析
3）非晶态物质衍射
•典型的非晶衍射花样
第九章透射电子显微分析
•
选 区
•对材料的微区进行观察，获取更为细致的结构信息
第九章透射电子显微分析
•如何实现选区？
•1、加物镜光阑 •2、加选区光阑
第九章透射电子显微分析
•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。
•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
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)
第九章透射电子显微分析
TEM的形式