第12章 高分辨透射电子显微术

如图4.87是一个行波图，本应为T波，现在变成了I波，两者之间的位相角 差一个△φ ，但两者的振幅应相当或近似相等，只是差一个散射波S，它 和I波的位相差π /2，在无像差的理想透镜中，S波和I波在像平面上，可 以无像差的再迭加成像，所得结果振幅和T一样，我们不会看到振幅的差 别，如图4.88(a)。
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。
波的干涉
高分辨TEM

高分辨TEM是观察材料微观结构的方法。不仅可以获得晶包 排列的信息，还可以确定晶胞中原子的位置。 200KV的TEM点分辨率为0.2nm，1000KV的TEM点分辨率 为0.1nm。 可以直接观察原子象
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)。 加速电压为100kV或高于100kV的透射电镜(或扫描透射电镜)， 只要其分辨本领足够的高，在适当的条件下，就可以得到结 构像或单原子像。 从用100kV、500kV和1000kV电镜所观察到的原子排列很接近 理论预言的情况，也和X射线、电子衍射分析结果相近。

电镜在材料科学中的应用可以说是经历了三个高潮： 1）50-60年代的薄晶体中位错等晶体缺陷的衍衬像的观察； 2）70年代极薄晶体的高分辨结构像及原子像的观察； 3）80年代兴起的分析电镜的对纳米区域的固体材料，用X射 线能谱或电子能量损失谱进行成分分析及用微束电子衍射进 行结构分析。
衍射衬度像（衍衬像）Diffracted Image
图4.87 行波图

但如果使 S 波改变的位相，那么如图4.88(b)所示，就会 看到振幅 I + S 与T 的不同，这种形成的衬度就叫做位 相衬度。在透射电镜中，球差和欠焦都可以使S波的位相 改变，从而形成位相衬度。
图4.88 复振幅图

实际上，透射电镜的像衬度，一般来说是质厚衬度和位相 衬度综合的结果。 对于厚样品来说，质厚衬度是主要的；对于薄样品来说， 位相衬度则占主导地位。 以位相衬度形成的单原子像或结构像的观测标志着电镜已 得到了重大发展。


电镜自1932年问世以来，经过半个世纪的发展，不但作为显 微镜主要指标的分辨本领已由10nm (1939年第一台商用透射 电镜)提高到0.1-0.3nm，可以直接分辨原子，并且还能进行 纳米尺度的晶体结构及化学组成的分析，成为全面评价固体 微观特征的综合性仪器。

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。

3）单个原子像：它可以反映出孤立存在的原子，早期柯柳 （Crew A V）曾获得过链状氧化铀分子在电子辐照下分解 出单个铀原子的图像，属于这类高分辨显微像。
高分辨(HRTEM)技术
高分辨电子显微技术是从原子尺度来观察和研究材料的微结 构 要获得良好的高分辨电子显微像，必须要注意以下三个方面： 合适样品；成像条件；实验操作。 晶格条纹像： 用物镜光阑选择后焦面上的两束波成像，由于两束波的干涉， 得到一维方向上强度呈周期变化的条纹花样。这就是所谓的 晶格条纹像。

Menter最先得到的就是酞氰铂的一维晶格像。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。 利用一维晶格像可以可以直接测得平面间距、观察脱溶、孪 生、晶粒间界和长周期层状晶体结构。

2）结构像：


使电子束严格沿某一晶面族入射，形成一维结构像。它含有 一维结构的信息。 这类图像既可以反映晶格周期，也可反映晶体结构的更小的 细节，例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，上述Iijiman20世纪70年代拍 得的Ti2Bb12O29的高分辨像，属于二维结构像。

yi
A: β 氮化硅的结构像 B: α氮化硅的结构像 C,e： β 氮化硅的模拟像和原子排 列 D,f ：α氮化硅的结构像模拟像和原 子排列


高分辨电子显微图像可以分为三种类型： 1）晶格像：它采用电子束从某一晶面产生反射成像。 这种图像可提供晶体结构周期的信息，并有严格的对应关系。 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。

Yi
衍射衬度像（衍衬像）成像原理图

Yi
阿贝成像原理

wk.baidu.comyi
频 谱 面
像 面
C
A B
透 镜

C
B A
f
透镜成像有两个观点:
几何光学：自物点Ａ，Ｂ，Ｃ发出的球面波,经透镜折 射后,各自会聚到它们的像点Ａ,Ｂ,Ｃ.

阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率的集合，入射光经 物平面发生夫琅和费衍射，在透镜焦面（频谱面）上形成一 系列衍射光斑，各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠 加，形成像。 阿贝成像原理将成像过程分为两步: 第一步“分频”； 第二步“合成”.
透射像（TEM）的种类和特点



利用显微镜观察的目的————衬度的差异 质厚像（不同质量物质吸收电子能力不同形成衬度像） 衍衬像（满足布拉格衍射程度不同形成的衬度像） 高分辨显微像（HREM）：属于相位衬度像。 高分辨显微像实质：是透射束和衍射束干涉形成的衬度，反 映了晶体的周期性排列。 高分辨显微像分：晶格像（或条纹像）和结构像（或原子像） 高分辨显微像（HREM）/STEM的明场像（BF）和暗场像 （DF）是干涉像。

yi
二维晶格像


如果电子束平行于某晶带轴入射，就可以满足二维衍射条件 的衍射花样。在透射波附近出现反映晶体单胞的衍射波。在 衍射波和透射波干涉生成的二维像中，能观察到显示单胞的 二维晶格像。 该像虽然含有单胞尺度的信息，但不含原子尺度的信息，称 为晶格像。

yi



二维结构像 在分辨率允许的范围内，尽可能多用衍射波成像，就可以使 获得的像中含有单胞内原子排列的信息。 一般结构像只有在比较薄的区域才能观察到，但对于轻元素 在较厚的区域也可以观察到结构像。


A: 非晶态合金 B:热处理后微晶的晶格条纹像 C:微晶的电子衍射 明亮部位为非晶 暗的部位为微晶
一维结构像

如果倾斜晶体，使电子束平行于某一晶面入射，就可以获得 一维衍射条件的花样。使用这种衍射花样，在最佳聚焦条件 下拍摄的高分辨率电子显微像不同于晶格条纹像，含有晶体 结构的信息。即将观察像与模拟像对照，就可以获得像的衬 度与原子排列的对应关系。

Yi
图4.86 硅[110]晶向的结构像



结构像的衬度—位相衬度 在SEM质厚衬度成像时，一般是用物镜光阑挡掉散射光束， 使透射束产生衬度。 但在极薄(如60nm)样品条件下或观察单个原子时，它们不同 部位的散射差别很小，或者说样品各点散射后的电子差不多 都通过所设计的光阑，这时就看不到样品各部位电子透过的 数目差别，即看不到质厚衬度。 但在这时，散射后的电子其能量会有10－20eV的变化，这相 当于光束波长的改变，从而产生位相差别。
波 矢 量 空 间 点
透射电镜的基本原理

yi
透镜的成像作用可以分为两个过程： 第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成为各级 衍射谱，即由物变换到衍射的过程； 第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸 像点，即由衍射重新变换到物(像是放大了的物)的过程。 晶体对于电子束就是一个三围光栅。
第十二章
高分辨透射电子显微术
（High-Resolution Transmission Electron Microscopy）



1924年，de Broglie提出波粒二象性 假说 1926年 ，Busch发现了不均匀的磁场可以聚焦电子束 1933年 ，柏林大学研制出第一台电镜（点分辨率达到50nm） 1939年，德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜（点分 辨率10nm） 1950年 ，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，晶格条 纹分辨率由于0.14nm） 1956年 ，门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了 高分辨电子显微术， 获得原子象。
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。 入射电子与原子发生碰撞作用后，会是入射电子波发生相位 的变化。 透射波和衍射波的作用所产生的衬度与晶体中原子的晶体势 有对应关系。 重原子具有较大的势，像强度弱。

yi
高分辨像



晶格条纹像 一维结构像 二维晶格像（单胞尺度的像） 二维结构像（原子尺度的像；晶体结构像） 特殊像
晶格条纹像


如果用物镜光阑选择后焦平面上的两个波来成像，由于两个 波的干涉，得到一维方向上强度呈周期变化的条纹花样，就 是晶格条纹像。 不要求电子束准确平行与晶格平面 常用与微晶和析出物的观察，可以揭示微晶的存在以及形状， 但不能获得结构信息。但可通过衍射环的直径和晶格条纹间 距来获得。


由高分辨透射电镜电子枪发射的电子波穿过样品时与样品的 原子发生相互作用，在样品下表面的出射电子波中携带着样 品的结构信息，出射电子波作为次级子波源经过电子透镜后 在其像平面处发生干涉。高分辨像就是出射电子波在物镜像 平面干涉的结果。所以高分辨像的衬度是相干相位衬度。
q(x,y)
Q(u,v)
I(x,y)

Yi
底片

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。

1971年饭岛（Iijima）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。

高分辨电子显微术从七十年代起逐渐发展成为一门成熟的科 学，不但在结构简单的金属与合金、半导体、氧化物、陶瓷、 复合材料、矿物等方面得到广泛的应用，并且也在结构比较 复杂的有机化合物中获得了高质量、高分辨率的结构像，还 在生物大分子如蛋白质、核酸与植物结构研究方面取得了重 大进展，把晶体结构研究提高到一个新的水平。

衍射衬度和相位衬度
由阿贝的观点来看，许多成像光学仪器就是一个低通滤波器， 物平面包含从低频到高频的信息，透镜口径限制了高频信息 通过，只许一定的低频通过,因此,丢失了高频信息的光束再 合成，图象的细节变模糊。孔径越大，丢失的信息越少，图 象越清晰。
高分辨显微像成像原理图

Yi
d
高分辨显微像（HREM）的实质是透射束和衍射束干涉形成 同 同 的衬度，反映了晶体的周期性排列 一 一 个 个 透镜的作用...

Somu Iijima(饭岛)于1991年在电子显微镜下发现纳米碳管，Nature， 354 (1991) 56.

Bi－系超导氧化物的堆积缺陷层调整 Stacking fault Layer modulation

高分辨像除了直观外，它的主要特点是能给出晶体中小到零 点几或几纳米的局部结构。换言之，可以观察单个晶胞内的 原子排列，要比X射线结构分析的体积小十几个数量级。更 重要的是观察对象不一定是周期性结构，如单个空位、位错、 层错等晶体缺陷以及晶界、畴界等界面都能清晰成像。