高分辨电子显微术

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1、高分辨电子显微术,高分辨电子显微术研究的目的:在于了解物质的原子排列，从原子尺度研究晶体缺陷和相结构。对于界面研究则是观察和分析界面区的原子匹配、界面结构、界面的元素分布以及界面过渡区的结构等。全部工作的基础是制备出一个理想的薄膜试样，通过正确的操作，得到一张尽可能反映晶体结构的高分辨照片，最后便是分析、处理高分辨显微照片并给出正确的解释。,一、基本概念,球差、欠焦量、单色光、相位体、振幅衬度、阿贝成像原理,球差,在电磁透镜的磁场中，远轴区比近轴区对电子的折射能力大，因而由同一物点散射的电子经过透镜后不交在一点上而是在象平面上变成了一个漫散圆斑。把这种现象称为球差。,图1 球差、色差、象散,由

2、球差造成的散焦斑半径rs为：rsCS3CS球差半径 孔径半角,球差对相位的影响：见后面,图2 球差对相位的影响,由于球差的存在会导致电子波汇聚于不同的焦平面上，引进相位差。,Xs 4 (-衍射角),2.欠焦量对相位的影响,物镜散焦以后，实际的焦面从后焦面下移到欠焦位置，由于欠焦导致的相位差为：,XD= 2,图3 散焦对相位的影响,3.单色波,具有一定波长的波，即具有同样能量的波称为单色波。可将电镜中的入射电子束当作单色波。但是，严格地说具有12eV地能量变化。,4.相位体,当电子束透过物体时，只遭到相位的改变，而没有振幅的改变这样的物体称为相位体。,图4 阿贝成象原理,二、透射电镜显微图像衬度

3、原理,质量厚度（质厚）衬度成像；衍射衬度（衍衬）成像；相位衬度成像,质量衬度成像,为了保证透射电镜具有较高的分辨率，应采用小孔径角成象。为此，在物镜背焦面上沿径向插入光阑，把散射角大于的电子档掉，只允许散射角小于的电子通过物镜光阑成象，如图5所示。设入射电子束强度为I0，透射电子束强度为I，可以证明，对非晶体样品：I=I0e-Qt 式中Q样品物质的总散射截面与该物质的密度（）及原子的散射截面（0）有关；t样品微区厚度。显然，若样品上相邻的A、B两微区物质的原子序数不同或厚度不等，则相应的透射电子强度IA和IB也不一样（图5）。设投射到荧光屏或照片底片上的电子强度差IAIBIA，习惯上以IA/

4、IB来定义图像中A区域的衬度，即,上式说明，样品上的不同微区无论是质量还是厚度的差别，均可以使相应区域透射电子强度的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域。这一现象称为质厚衬度效应。利用这种效应观察金相复型样品，可以显示许多在光学显微镜下无法分辨的组织形貌细节。,图5,图6,2.衍射衬度（衍衬）成象,金属薄膜样品通常都具有单相或多相的多晶体组织。相邻晶粒之间或者位向不同，或者结构不同，或者位向及结构均不相同。在人射电子束I0照射下，若B晶粒的某一晶面组（hkl）恰好与入射方向交成精确的布拉格角B，从而产生强衍射束 Ihkl，在一般情况下，则A晶粒内所有的晶面组均与布拉格条件存在较大偏差，其衍射束

5、强度接近于0，而透射束强度近似等于入射束强度I0，如图18所示。此时，若在物镜背焦面上加进一只尺寸足够小的光阑，把B晶粒的hkl衍射束挡掉，只让透射束通过阑孔到达象平面，则两颗晶粒的亮度将有不同，因为： IA I0 IB I0-Ihkl,于是在荧光屏上将会看到B晶粒较暗而晶粒较亮。若以未发生衍射的A晶粒象亮度IA作为图象的背景强度， 则B晶粒的象衬度为：,上述在同一入射束照射下，由于样品相邻区域位向或结构不同，以致衍射束（或透射束，二者强度互补）强度不同而造成图象亮度差别（衬度），称为衍衬效应。它可显示单相合金晶粒的形貌，或多相合金中不同相的分布状况，以及晶体内部的结构缺陷等。,图 7,图 8

6、 各种电子显微观察方法中物镜物镜光阑插入方法的模式(使物镜光阑中心与透镜的光轴一致)(a)明场(b)暗场高分辨电子显微方法(轴向照明法),图 9,图 10,3.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象时，由于透射束和衍射束的相位干涉形成一种反映晶体点阵周期的条纹象和结构象，这种象衬的形成是透射束和衍射束相位相干的结果，故称相位衬度。,图 11 各种电子显微观察方法中物镜物镜光阑插入方法的模式(使物镜光阑中心与透镜的光轴一致)(a)明场(b)暗场高分辨电子显微方法(轴向照明法),图 12,图 13 YBa2Cu3O7超导氧化物的结构像(试样: YBa2Cu3O7 :制样制备:粉

7、碎法;拍摄:400KV,沿010入射备注:从插图的模型可以看出,暗点的位置对应于阳离子。箭头标出氧空位的位置),如果只有相位的变化而振幅几乎无变化时是显示不出衬度的。因为银光屏或照相底版只能反映电子能量和电子密度的差异，不能对电子相位有任何反映。因此只有将相位的不同转化为振幅的不同或者是强度的不同才能显示出衬度来，可望在物镜具有一定失焦量、球差以及适当光圈尺寸的综合处理条件下就得衬度。,三、高分辨电子显微象的形成,高分辨电子显微象的形成，大致可以分为三个过程：l 入射电子在物质内的散射l 通过物镜后在背焦面上形成衍射波l 在象平面上形成电子显微象,入射电子在物质内的散射,晶体由原子作三维周期排

8、列，原子由原子核和核外电子组成。因此晶体中存在着4一个周期分布的势场 ,电子束通过试验的过程，必然同时受到E和V的作用，使波长由 变成,图 15,通过物镜后在背焦面上形成衍射波,物镜对试样下表面的透镜波A（x,y）进行傅立叶变换得到后焦面上的衍射波函数（衍射谱）G（h,k）记作：FA（x，y）G（h，k）G（ ） 这是一个从正空间转换为倒空间的过程，也是一个傅立叶转换的过程，倒空间也可以称为傅立叶空间。正空间的透射函数转换到后焦面的衍射谱。正空间位置矢量 是长度的因次 ，坐标（x、y）具有方向分量的含义，而与频率相联系的 和坐标（h、k）是倒易矢和二维倒易矢的分量，它们具有长度倒数的量纲。如果

9、（考虑到电子束振幅的吸收衰减下表面的透射波函数表达式中还应引入一个衰减因子expix( )）,物镜球差（cs）和失焦量（f）的影响,考虑球差和失焦量的影响，衍射波函数G（h、k）还要乘上一个修正项即“衬度传递函数”又称相位衬度传递函数，表示物镜引起的电子相位变化。expiX（ ）记作CTF,G（h、k）FA（x、y）expix（ ） F表示傅立叶变换,3、在相平面上形成电子显微象,物面波A（x、y）经过物镜后变成后焦面处的衍射波。 G（h、k）G（ ）=FA（x、y） 考虑到物镜球差CS和离焦量（f）的影响，衍射波函数G（h、k）还需要上 一个修正项“衬度传递函数”expix（ ）记作“CTF

10、”有时简称“传递函数” G（h、k）FA（x、y）expix（ ）（h、k）i（h、k） M（h、k）expix（ ）,通过设在物镜后焦面处的物镜光阑选取包括透镜束在内的若干衍射束，让它们通过光阑发生相干，进行物象重构，也就是以衍射波G（h、k）为次波源，再进行一次傅立叶变换，变得到物镜象平面上的相面波B（x、y）B（X、y）FG（h、k） 象平面上强度（衬度）分布函数是B（x、y）与其共轭的乘积I（x、y）B（x、y）B*（x、y） 高分辨成像，对极薄晶体，不考虑吸收，则有I（x、y）12（x、y） FsinX 式中：=相位作用函数 （x、y）试样中势场在Z方向投影 卷积符号 F 傅立叶变换

11、符号 sinX倒空间中倒易矢量的函数 上式所描述的衬度与晶体势场函数的投影成线性关系，因而图像接近真实地反映了样品地结构，光阑所围衍射束越多，越能接近真实结构。（没有考虑光源排相干性,及物镜光阑尺寸的影响）,高分辨成象对像衬度有实际影响的是sinx，它是倒易空间中（后焦面处）倒易矢量的函数。以 为横坐标，sinx为纵坐标，可以作sinx- 曲线，它是在加速电压和物镜球差固定条件下作出的曲线。 从图中可以看到，CTF随成象时的离焦条件不同发生急剧变化。所以并不是任意成象条件（f）的象都“如实”反映晶体结构，只有当物镜处于最佳欠焦状态时，CTF才能在相当宽的范围内近似为常数（平台），在此条件下摄取

12、的象才较近似于晶体结构，晶体势场的投影分布。,l高分辨成象要求在离焦条件成象，纵称成象是在正焦状态下成象，是利用透射束或某一纵称 成象，而高分辨象是多束相干成象是相位衬度，采用欠焦（f0）是为了弥补透射球差Cs的影响。,l欠焦量（f） 取多大欠焦量f才能使相位衬度变为振幅衬度？ 一定的晶体结构只有在相应的欠焦量下才能显示出衬度，如果样品的结构分布是各种周期（d）的叠加，在某一欠焦量状态下不一定能同时显示衬度或者产生衬度。聚焦一变出现的和消失的、宽的、暗的又完全是另一套周期结构，整个象的面貌就完全变了，不了解这种转换关系直观的分析相位衬度图象会出现错误的判断。只有当物镜处于最佳欠焦状态时拍的象才

13、较近于晶体结构，晶体势场的投影分布。,l事实上相位衬度和振幅衬度两种机制是同时存在的。当晶体试样厚度大于100时以振幅衬度为主，而当试样厚度小于100时则以相位衬度为主。,l分辨率 相位衬度理论中，图象则是分解为许多不同波长的简单正弦波的叠加，波长愈短的波形对应着愈细的细节。最佳欠焦量的分辨率规定了成象系统的点分辨率，物中大于这一点的所有细节，都可以与象一一对应。相位衬度理论原则上允许在特定象差和欠焦量结合的条件，使用波长很短遭致远远超过显微镜点分辩率的波形通过重构得出所谓高分辨的象。,图 型氮化硅的高分辨电子显微像相对离离焦量的变化,图 AuCd有序合金的结构模型（a）和电子衍射花样的模拟（

14、b）大白圈为拍摄有序结构像的物镜光圈,四 、计算机象模拟,通常作法是确定成象条件的主要参数如球差系数Cs、离焦量f、束发散度Qc、色差引起的离焦量、物镜光阑尺寸（换算成倒空间的尺寸D）。将这些系数输入计算机，计算传递函数，选择试样厚度，根据材料估算出沿电子束方向的片层数，再利用以多片层法为基础建立的软件计算出强度分布，即象衬，得到计算机的结构象，最后将计算机象和试验象进行比较，最终确定物质的晶体结构。,五 、对试样要求及样品制备,1. 样品厚度20nm，如果厚度超过要求，试样又同时含有重元素，弱相位近似达不到，此时虽然能得到清晰照片，但衬度与晶体结构投影并非一一对应，给图象解释带来困难。 2.

15、 一般多相合金用双喷减薄，观察时通过倾斜样品选择低指数晶向与入射电子束平行。 3.研究界面样品制备（见附页） 4.颗粒状样品（纳米粒子），可用3中的方法将颗粒包埋后进行双面减薄。,高分辨对试样的要求及试样制备,高分辨显微术研究界面的试样制备:1.用x射线劳埃法测定样品取向2.沿垂直于观察方向的平面用金刚石切片机切成0.5mm 的薄片。3.用环氧树脂将切片膜面粘起来，因此处理后将粘结的 样品用Epoxy封固在圆形桶内4.用研磨机将其研磨至20m厚5.用离子减薄减至少观察的最终厚度（约10m）,六、 对电镜要求,分辨率优于 0.2nm，物镜球差系数Cs小于2nm高压稳定度 U/U优于3106/min真空度优于 0.5133.332106Pa以保证样品污染速度不大于0.1 nm/min样品台 倾角范围大，操作灵便的多轴全自动驱动测角台。,