透射电子显微分析

电磁透镜
7
（1）电磁透镜的结构
电磁透镜结构示意图
8
（2）电磁透镜的光学性质
1 1 1 u v f
物距 像距 焦距
透镜半径
电子加速电压
RV0 f A (NI ) 2
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。
9
像 距v
物距u
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
2
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)
31
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。
衍射衬度成像光路图
32
高岭石
33
蒙脱石
纤蛇纹石
叶蛇纹石
10
（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
1 r0 A3 / 4 Cs / 4
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。
46
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 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）

20
复型的种类
按复型的制备方法，复型主要分为： 一级复型 二级复型 萃取复型（半直接样品）
21
塑料-碳二级复型制备过程示意图
22
萃取复型
23
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。 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。
15
复习 凸透镜的焦点
F' F 焦平面
O
F 焦点
O
f P O B F A' Q' 像平面
A Q
透镜的成像
P'
16
使中间镜的 物平面与物 镜的背焦面 重合
使中间镜的物 平面与物镜的 像平面重合
将衍射谱投影到荧光屏
衍射操作
将显微像投影到荧光屏
成像操作
17
透射电镜成像系统的两种基本操作
三、选区电子衍射
第八章 透射电子显微分析
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 透射电子显微镜工作原理及构造 样品制备 透射电镜基本成像操作及像衬度 电子衍射原理 TEM的典型应用及其它功能简介
西南科技大学材料科学与工程学院张宝述
1
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
44
多晶金衍射花样
45
三、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 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。
47
表6-1 立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m)
48
金多晶电子衍射花样标定[数据处理]过程与结果
49


（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。
操作步骤： （1）使选区光栏以下 的透镜系统聚焦 （2）使物镜精确聚焦 （3）获得衍射谱
在物镜像平面上插入选区光栏 实现选区衍射的示意图
18
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。
——入射电子波长（nm）。
样品 至感 光平 面的 距离 相机长度
此即为电子衍射（几何分析） 基本公式（式中R与L以mm 计）。
衍射斑点矢量
41
当加速电压一定时，电子波长值恒定，则L＝C（C 为常数，称为相机常数）。故
Rd=C 按g=1/d[g为(HKL)面倒易 矢量，g即g]，又可改写为 R=Cg 由于电子衍射2很小，g与R近 似平行，近似有 R=Cg 此式可视为电子衍射基本公式的 矢量表达式。 R与g相比，只是放大了C倍， 这表明，单晶电子衍射花样是所 有与反射球相交的倒易点（构成 的图形）的放大像。




多晶电子衍射成像原理
样品中各晶粒同名（HKL）面倒易点集合 而成倒易球（面），倒易球面与反射球相交 为圆环，因而样品各晶粒同名（HKL）面 衍射线形成以入射电子束为轴、2为半锥角 的衍射圆锥。不同（HKL）衍射圆锥2不 同，但各衍射圆锥均共顶、共轴。 各共顶、共轴（HKL）衍射圆锥与垂直于 入射束的感光平面相交，其交线为一系列同 心圆（称衍射圆环）即为多晶电子衍射花样。 多晶电子衍射花样也可视为倒易球面与反射 球交线圆环（即参与衍射晶面倒易点的集合） 的放大像。 电子衍射基本公式及其各种改写形式也适用 于多晶电子衍射分析，式中之R即为衍射圆 环之半径。
50
四、单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征
单晶电子衍射花样： （uvw）*0零层倒易平面的放大像。 （去除权重为零的倒易点）
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 成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形式 穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为磁转 角。 物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
28
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 衍射束 成像
直射束 成像
（a）明场像
(b)暗场像
(c)中心暗场像
成像操作光路图
明场像与暗场像的衬度相反
29
二、像衬度
像衬度：图像上不同区域间明暗程度的差别。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。 可分为： 质厚衬度 ：非晶样品衬度的主要来源 振幅衬度 衍射衬度 ：晶体样品衬度的主要来源 相位衬度
39
一、电子衍射基本公式

由衍射矢量方程(s-s0)/=r*，设K=s/、K=s0/、g=r*，则 有 K-K=g 此即为电子衍射分析时（一般文献中）常用的衍射矢量方 程表达式。
40
由图可知 tan2=R/L tan2=sin2/cos2=2sincos/cos2； 电子衍射2很小，有cos1、cos21， 故 2sin=R/L 将此式代入布拉格方程 (2dsin= )，得 /d=R/L 即 Rd=L 式中：d——衍射晶面间距（nm）
34
闪锌矿之复型观察,可以见到晶体完好的黄铁矿小包体
用萃取复型法 从闪锌矿中萃 取的磁黄铁矿
wenku.baidu.com
磁黄铁矿 的电子衍 射图
35
晶体中的位错观察
36
大肠杆菌透射电镜照片
申克孢子丝菌透射电镜照片
37
第四节 电子衍射原理

按入射电子能量的大小，电子衍射可分为
透射式高能电子衍射（TEM上的电子衍射） 高能电子衍射
3
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
4
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。


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。 透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜 。

19
一、间接样品(复型)的制备

复型：样品表面形貌的复制品。 对复型材料的主要要求： ①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； ②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰 击性能； ③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨 率，更深入地揭示表面形貌的细节特征。 常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜。
24
2. 晶体薄膜样品的制备

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 至数m； (4)终减薄。
25
双喷电解抛光装置原理图
26
离子减薄装置原理示意图
27
真空镀膜机
光学显微镜
照明束 聚焦装置 放大倍数 可见光 玻璃透镜 小，不可调 低 不能
透射电子显微镜
电子为照明束 电磁透镜 大，可调 高 能
5
分辨本领
结构分析
透射电子显微镜光路原理图
6
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） 静电透镜 电子透镜 磁透镜 恒磁透镜
42
样品 至感 光平 面的 距离
相机长度
衍射斑点矢量
注意：
放大像中去除了权重为零的那些倒易点，而倒易 点的权重即指倒易点相应的（HKL）面衍射线之 F2值。 电子衍射基本公式的导出运用了近似处理，因而 应用此公式及其相关结论时具有一定的误差或近 似性。

43
二、多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征
30
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
（1）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
（2）小孔径角成像
11
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 LaB6 场发射源
12
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
13
双聚光镜照明系统光路图
14
3. 成像系统
反射式高能电子衍射
低能电子衍射

ED与XRD一样，遵从衍射产生的必要条件（布拉格方程+ 反射定律，衍射矢量方程，厄瓦尔德图解或劳厄方程等） 和系统消光规律。
38
电子衍射的特点



与X射线衍射相比，电子衍射的特点： （1）电子波波长很短，一般只有千分之几nm，按2dsin= 可知，电子衍射的2角很小（一般为几度），即入射电子 束和衍射电子束都近乎平行于衍射晶面。 （2）由于物质对电子的散射作用很强（主要来源于原子核 对电子的散射作用，远强于物质对X射线的散射作用），因 而电子（束）穿进物质的能力大大减弱，故电子衍射只适 于材料表层或薄膜样品的结构分析。 （3）透射电子显微镜上配置选区电子衍射装置，使得薄膜 样品的结构分析与形貌观察有机结合起来，这是X射线衍射 无法比拟的优点。