中南大学-透射电镜-高分辨显微术 共51页

h 2meE
（1）
式中，h-普朗克常数，m-电子质量，e-电子电荷。晶体由原子作
三维周期排列，原子由原子核和周围的轨道电子组成。因此晶体
中存在着一个周期分布的势场V(x，y，z)，电子束通过试样的过
程，必然同时受到E和V的作用，使波长由λ变成λ’
（ ' x， y， z）
h
2m e[EV(x,y,z)]
结构像:既可以反映晶格周期，也可反映晶体结构的更小的细 节，如原子或原子团的位置。金属原子在像上表现为黑点， 原子间的通道则呈亮色。
单个原子像：它可以反映出孤立存在的原子。
孪晶
Si在蓝宝石膜上 外延生长的界面 HREM结构像
<001>Si//B
相界面完全处于非共 格状态。
由于它们体弹性模量 不同,TiC在析出后长大过 程中，仍然在基体中引 起一定程度的应变〔如 简头所示的暗区)。左侧 白色虚线区域为层错
φ（x，y）是试样中势场在z方向的 投影。试样起着一个“纯”相位的作 用。这时到达下表面（x，y）处的 透射波可以用一个透射波函数A（x ，y）来表示。
（5）
它已是一个携带了晶体结构信息的透射波。如果考虑试样对电子 束振幅的吸收衰减.则（5）式的指数项中,还应引人一个衰减因子
exp{-μ（x，y）}，于是(5)式变成：
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
d （ x ， y ， z ） 2d z '' 2d z ' V ( x E ,y ,z )d z （3）
到达试样下表面时，各点P1、P2,、P3… （见图），电子波便 有了不同的相位。设样品厚度t均匀，则下表面一点（x，y）处， 电子波总相位移为:
（4）
式中
称为相互作用常数，
高分辨电子显微图像可以分为三种类型
晶格像:提供晶体结构周期的信息，有严格的对应关系。根 据除透射束外选取参加成像的衍射束的多少，图像上表现 为一组或多组平行等距的条纹。条纹的方向垂直于对应的 成像衍射束倒易矢的方向，条纹间距等于该衍射束代表的 晶面间距。晶体中存在的缺陷，使图像上的条纹衬度出现 异常，例如中断、弯曲、甚至间距也发生改变。条纹像衬 对缺陷十分敏感。
（2）
如果电子束通过试样时，只发生相位变化，而 认为振幅无变化、这样的试样称为弱相位体。在 电压很高，加速电场很大，对非常薄的试样，就 可以看成弱相位体。在这种情况下，还可假定电 子束仅有沿其入射方向（Z）的运动。于是通过 一个薄层dz后的电子波,由于势场作用产生一个相
位移 d（ x， y， z） ：
两波运动如图中的实线所示。如果物 镜没有相差，且处于正焦状态，而且 光阑有足够大，使透射波与衍射波一 同时穿过光阑。相干结果产生的合成 波如图（a）中的虚线所示，其振幅与 入射波相同，只是相位位置稍许不同。 由于振幅没有变，因而强度不变，所 以没有衬度。要想产生衬度，必须引 入一个附加相位，使所产生的衍射波 与透射波处于相等的或者相反的相位 位置，也就是说，让衍射波沿图上的x 轴 向 右 或 向 左 移 动 π/2 ， 使 其 处 在 图 （b）或图（c）实线的位置。这样， 透射波与衍射波相干就会导致振幅增 加或减少，如图（b）、（c）中的虚 线所示，从而使强度发生变化，相位 /λ)(1/2)Csα4
图是散焦引起相位位移示 意图。在正焦情况下，在 相平面上相交于一点的透 射束和衍射束本应来自试 样的同一点A，但由于散 焦的缘故，衍射束却来自 B点。由此，衍射束和透 射束两者产生的附加光程 差为
Δ2=±(BC-AC)
过焦为正，欠焦为负。
高分辨电子显微术
相位衬度
左 图是薄晶带成像的情形。一束 单色平行的电子波入射试样内， 与试样内原子相互作用发生振幅 和相位变化。当其逸出试样下表 面时，成为不同于原子入射波的 透射波和各级衍射波。由于试样 很薄，衍射波振幅甚小透射波振 幅基本上与入射波振幅相同，非 弹性散射可忽略不计。衍射波与 透射波振幅的相位差为π/2。
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:
η2=± (π/λ)(1/2)Δfα2
η =η1+η2
当 η=（2n-1）π/2，n=0，±1，±2，…时，就可 使相位差转换成振幅差，进而变成强度差，从而 使相位衬度得以显示出来。同时还可看出：n为基 数时，衬度为正；n为偶数时，衬度为负； η ≠ （2n-1）时，有可能无衬度。这就说明，Δf值不 同，象可能出现也可能消失，衬度可正可负。因 此分析相位衬度相时，必须知道成象条件，否则 就有可能对象做出错误的判断。
（6）
对主要由轻元素组成的薄晶体，展开上式，略 去高次项，可得:
希望直接看到人类在更早的年代曾经设想过的组成固 体（晶体）材料的基本粒子原子或分子。这个愿望因1956 年门特(J. W. Menter)在分辨率为0.8nm的电镜上拍到了酞 氰铂点阵平面间距为1.2nm的(2 0 -1)晶格像而实现了。日 本学者饭岛(S.Iijima)于1974年首次用高分辨电子显微术拍 到了Ti2Ni10O29的二维晶格像，将晶体结构与电子显微像结 合起来，指出高分辨像中的一个亮点对应于晶体结构中电 子束入射方向的一个通道。此后柯勒( J. W . Cowley)给出 了理论解释并发展了一套像模拟计算方法。而这个方法的 最早理论基础多片层法，也是柯勒等人早在1957年建立起 来的。