高分辨透射电子显微分析技术ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7高分辨电子显微学
-
主要内容
7.1引言 7.2高分辨电子显微成像原理 7.3高分辨电子显微观察和拍摄图形的程序 7.4高分辨电子显微方法的实践和应用
-
7.1引言
概念：高分辨电子显微术是运用相位衬度成像 的一种直接观测晶体结构和缺陷的技术。
历史：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箐铜晶体的相位衬度像 这是高分辨电子显微学的萌芽；在20世纪70年 代，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究 取得了重要进展；实验技术的进一步完善,以 及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志 的理论进展,宣布了高分辨电子显微学的成熟.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
由于成像条件（Cs、λ、Δf）的原因,这些高分 辨像无法正确地显示轻重原子列的位置，而只 能反映出晶体的平移周期性，这种高分辨像一 般称为晶格像。
聚焦漂移:聚焦随着时间向欠焦一侧或过焦一 侧移动的现象。
像散:电子透镜由于设计和加工精度的原因,其 工作状态难免存在畸变,意味着正焦点的位置 随方向而异,这种像差称为像散。
7.1）式可近似为
q (x,y) 1 i(x ,y)（7.4）
由上式可知，电子显微镜加速电压越低， 物质内势越大，由试样引起的入射电子相 位变化 (x,y)也越大。
-
相 互 作 用 常 数
加速电压V/KV σ值相对于加速电压的变化
高分辨电子显微像与电子衍射相结合测定晶体结构的 两步图像法。即：将一幅在任意离焦条件下拍摄的高 分辨像借助最大熵原理或衍射分析中的直接法进行解 卷处理，可将该像转换为结构像。然后将此结构像和 电子衍射强度结合起来，进行相位外推可得到高分辨 率的结构像。
-
像模拟方法：此法先假设一种原子排列模型， 然后根据电子波成像的物理过程进行模拟计算， 以获得模拟的高分辨像。如果模拟像与实验像 相匹配，便得到了正确的原子排列结构像。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
相位衬度当透射束和至少一束衍射束同时通过 物镜光阑参与成像时，由于透射束与衍射束的 相干作用，形成一种反映晶体点阵周期性的条 纹（晶格）像和结构像。这种像衬度的形成是 透射束和衍射束相位相干的结果，故称为相位 衬度。获得的像的衬度与样品结构之间具有完 全一一对应关系的高分辨像称之为晶体结构像， 或原子像；除反映点阵周期，还反映晶体的结 构。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
下面介绍几个基本概念 衬度传递函数T(H)：是一个反映透射电子显微
像成像过程中物镜所起作用的函数，它是一个 与物镜球差、色差、离焦量和入射电子束发散 度有关的函数。一般来说，它是一个随着空间 频率的变化在+1与-1间来回震荡的函数。 相位体（phase object):电子波与物体作用后 如果只改变波的相位而波振幅不变，这种物体 成为相位体，反之称振幅体。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
透射电子显微像的两种衬度获取方式 （a）常规透射吸收衍射振幅衬度- 像：NiAl(7)合金中的第7.2相和位 错组态（b）Nb2O5的高分辨电子显微模式的相位衬度像
7.2高分辨电子显微成像原理
图(a)与图(b)的比较:
1)都经过了由试样物面(实空间) →物镜后焦面处 获取衍射谱(倒易空间) →像平面处获取图像(实 空间).
了相位变化 (x,y)z ；σ加速电压决定的
量。(x, y)反应晶体势场沿电子束入射方向分布并受晶体
结构调制的波函数。
-
2
式中 /c
V(1 12)
（7.2）
h
m 2
eV(1
e
eV 2meC2
)
（7.3）
式中，h为普朗克常数，me为电子
质量；e为电子电荷，为电子速度， c为光速
-
在试样厚度比较小 z（2～3nm) （
-
7.2.1.1薄试样高分辨电子显微像
A 入射电子与试样物质的相互作用
设试样为薄晶体，忽略电子吸收，在相位体近似下，
只引起入射电子的相位变化，用下述透射函数（出
射波函数）表示试样经受入射电子的作用：
q (x ,y ) ex i ( p x ,y ) ( z )
（ 7.1）
经受试样作用较之真空中传播的电子，入射电子只发生
-
7.2高分辨电子显微成像来自百度文库理
7.2.1高分辨电子显微像的成像过程
-
入射电子束作用于试样晶体的静电势，在试样下表 面形成出射波q(r), q(r)中携带着与电子发生作用的 晶体结构的信息（晶体的投影电势 (r)）,它反映 了晶体结构沿入射电子束方向的投影。相对于下面 的物镜而言，出射波就是物波；穿过物镜，在物镜 的后焦面处形成衍射波Q(H)。 即q(r)(实空间) →FT → Q(r)（倒空间）.在后焦面处Q(H)*物镜传递函数 T(H) →FT → 物镜像平面处的第一次成像的物波 Ψ(r)(实空间）。 Ψ(r)和q(r)是对应的, 可有Ψ(r)解析
出q(r)中的 (r ) 。
-
从图像确定结构的途径
从图像Ψ(r) →出射波q(r)并从中解析出晶体结构 (r)。 从图像Ψ(r) → (r )，从图像直接求出晶体结构。 从一张“离轴电子全息图”或多张“欠焦系列或倾转系
列”的实验高分辨像，重新构造出样品下表面的出射
波q(r)，然后又q(r)解读出 (r )。
2)电子束入射到试样是为了获取试样的普遍结构 信息,即衍射谱.
3)两种不同衬度像反映的结构细节的层次是和参
加成像的衍射束的多少相对应的.每一束衍射束
都携带着一定的结构信息,参加成像的衍射束越
多,最终成像所包含的试样结构信息越丰富,即
层次越高越逼真.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
4)衍射谱的质量,即它能否逼真地充分地携带物 样的结构信息,与电子束的性质(能量稳定性和 束直径大小)以及物镜的设计质量和性能密切 相关.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
最佳欠焦条件（optimum underfocuscongdition):相位衬度电子显微像成像时使像能 最真实反映物体结构的物镜离焦条件，这个离 焦条件总是在欠焦的一端。
系列离焦像（through focus series of images) :系列离焦像是保持其他成像条件不变，只改 变离焦量而拍摄的一系列像。
-
主要内容
7.1引言 7.2高分辨电子显微成像原理 7.3高分辨电子显微观察和拍摄图形的程序 7.4高分辨电子显微方法的实践和应用
-
7.1引言
概念：高分辨电子显微术是运用相位衬度成像 的一种直接观测晶体结构和缺陷的技术。
历史：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箐铜晶体的相位衬度像 这是高分辨电子显微学的萌芽；在20世纪70年 代，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究 取得了重要进展；实验技术的进一步完善,以 及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志 的理论进展,宣布了高分辨电子显微学的成熟.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
由于成像条件（Cs、λ、Δf）的原因,这些高分 辨像无法正确地显示轻重原子列的位置，而只 能反映出晶体的平移周期性，这种高分辨像一 般称为晶格像。
聚焦漂移:聚焦随着时间向欠焦一侧或过焦一 侧移动的现象。
像散:电子透镜由于设计和加工精度的原因,其 工作状态难免存在畸变,意味着正焦点的位置 随方向而异,这种像差称为像散。
7.1）式可近似为
q (x,y) 1 i(x ,y)（7.4）
由上式可知，电子显微镜加速电压越低， 物质内势越大，由试样引起的入射电子相 位变化 (x,y)也越大。
-
相 互 作 用 常 数
加速电压V/KV σ值相对于加速电压的变化
高分辨电子显微像与电子衍射相结合测定晶体结构的 两步图像法。即：将一幅在任意离焦条件下拍摄的高 分辨像借助最大熵原理或衍射分析中的直接法进行解 卷处理，可将该像转换为结构像。然后将此结构像和 电子衍射强度结合起来，进行相位外推可得到高分辨 率的结构像。
-
像模拟方法：此法先假设一种原子排列模型， 然后根据电子波成像的物理过程进行模拟计算， 以获得模拟的高分辨像。如果模拟像与实验像 相匹配，便得到了正确的原子排列结构像。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
相位衬度当透射束和至少一束衍射束同时通过 物镜光阑参与成像时，由于透射束与衍射束的 相干作用，形成一种反映晶体点阵周期性的条 纹（晶格）像和结构像。这种像衬度的形成是 透射束和衍射束相位相干的结果，故称为相位 衬度。获得的像的衬度与样品结构之间具有完 全一一对应关系的高分辨像称之为晶体结构像， 或原子像；除反映点阵周期，还反映晶体的结 构。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
下面介绍几个基本概念 衬度传递函数T(H)：是一个反映透射电子显微
像成像过程中物镜所起作用的函数，它是一个 与物镜球差、色差、离焦量和入射电子束发散 度有关的函数。一般来说，它是一个随着空间 频率的变化在+1与-1间来回震荡的函数。 相位体（phase object):电子波与物体作用后 如果只改变波的相位而波振幅不变，这种物体 成为相位体，反之称振幅体。
-
7.2高分辨电子显微成像原理
透射电子显微像的两种衬度获取方式 （a）常规透射吸收衍射振幅衬度- 像：NiAl(7)合金中的第7.2相和位 错组态（b）Nb2O5的高分辨电子显微模式的相位衬度像
7.2高分辨电子显微成像原理
图(a)与图(b)的比较:
1)都经过了由试样物面(实空间) →物镜后焦面处 获取衍射谱(倒易空间) →像平面处获取图像(实 空间).
了相位变化 (x,y)z ；σ加速电压决定的
量。(x, y)反应晶体势场沿电子束入射方向分布并受晶体
结构调制的波函数。
-
2
式中 /c
V(1 12)
（7.2）
h
m 2
eV(1
e
eV 2meC2
)
（7.3）
式中，h为普朗克常数，me为电子
质量；e为电子电荷，为电子速度， c为光速
-
在试样厚度比较小 z（2～3nm) （
-
7.2.1.1薄试样高分辨电子显微像
A 入射电子与试样物质的相互作用
设试样为薄晶体，忽略电子吸收，在相位体近似下，
只引起入射电子的相位变化，用下述透射函数（出
射波函数）表示试样经受入射电子的作用：
q (x ,y ) ex i ( p x ,y ) ( z )
（ 7.1）
经受试样作用较之真空中传播的电子，入射电子只发生
-
7.2高分辨电子显微成像来自百度文库理
7.2.1高分辨电子显微像的成像过程
-
入射电子束作用于试样晶体的静电势，在试样下表 面形成出射波q(r), q(r)中携带着与电子发生作用的 晶体结构的信息（晶体的投影电势 (r)）,它反映 了晶体结构沿入射电子束方向的投影。相对于下面 的物镜而言，出射波就是物波；穿过物镜，在物镜 的后焦面处形成衍射波Q(H)。 即q(r)(实空间) →FT → Q(r)（倒空间）.在后焦面处Q(H)*物镜传递函数 T(H) →FT → 物镜像平面处的第一次成像的物波 Ψ(r)(实空间）。 Ψ(r)和q(r)是对应的, 可有Ψ(r)解析
出q(r)中的 (r ) 。
-
从图像确定结构的途径
从图像Ψ(r) →出射波q(r)并从中解析出晶体结构 (r)。 从图像Ψ(r) → (r )，从图像直接求出晶体结构。 从一张“离轴电子全息图”或多张“欠焦系列或倾转系
列”的实验高分辨像，重新构造出样品下表面的出射
波q(r)，然后又q(r)解读出 (r )。
2)电子束入射到试样是为了获取试样的普遍结构 信息,即衍射谱.
3)两种不同衬度像反映的结构细节的层次是和参
加成像的衍射束的多少相对应的.每一束衍射束
都携带着一定的结构信息,参加成像的衍射束越
多,最终成像所包含的试样结构信息越丰富,即
层次越高越逼真.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
4)衍射谱的质量,即它能否逼真地充分地携带物 样的结构信息,与电子束的性质(能量稳定性和 束直径大小)以及物镜的设计质量和性能密切 相关.
-
7.2高分辨电子显微成像原理
最佳欠焦条件（optimum underfocuscongdition):相位衬度电子显微像成像时使像能 最真实反映物体结构的物镜离焦条件，这个离 焦条件总是在欠焦的一端。
系列离焦像（through focus series of images) :系列离焦像是保持其他成像条件不变，只改 变离焦量而拍摄的一系列像。