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1、透射电子显微镜-TEM 内容 o样品制备 o透射电子显微像 o选区电子衍射分析 透射电子显微镜样品制备 pTEM应用的深度和广度一定程度上取决于 试样制备技术。 p能否充分发挥电镜的作用,样品的制备是 关键,必须根据不同仪器的要求和试样的特 征选择适当的制备方法。 p电子束穿透固体样品的能力,主要取决于 电压V和样品物质的原子序数Z。一般V越高 , Z越低,电子束可以穿透的样品厚度越大 。 透射电子显微镜样品制备 u制样要求: a.对于TEM常用的50200kV电子束,样品厚度控 制在100200nm,样品经铜网承载,装入样品台 ,放入样品室进行观察。 b.制样过程要防止污染和改变样品的性质,
2、 如机械 损伤或热损伤等; c.根据观察的目的和样品的性质,确定制样方法。 透射电子显微镜样品制备 u制样方法 a.粉末法 b.化学减薄法 c.双喷电解减薄法 d.离子减薄法 e.复型法 透射电子显微镜样品制备 粉末法 1.主要用于原始状态成粉末状的样品,如炭黑,黏 土及溶液中沉淀的微细颗粒,其粒径一般在1m以 下。 2.制样过程中基本不破坏样品,除对样品结构进行 观察外,还可对其形状,聚集状态及粒度分布进行 研究。 透射电子显微镜样品制备 制样步骤: a.将样品捣碎; b.将粉末投入液体,用超声波振动成悬浮液,液 体可以是水,甘油,酒精等,根据试样粉末性质而 定; c.观察时,将悬浮液滴于附
3、有支持膜的铜网上, 待液体挥发后即可观察。 透射电子显微镜样品制备 化学减薄法 1.此法是利用化学溶液对物质的溶解作用达到减薄样 品的目的。 2.通常采用硝酸,盐酸,氢氟酸等强酸作为化学减薄 液,因而样品的减薄速度相当快。 透射电子显微镜样品制备 制样步骤: a.将样品切片,边缘涂以耐酸漆,防止边缘因溶解 较快而使薄片面积变小; b.薄片洗涤,去除油污,洗涤液可为酒精,丙酮等 ; c.将样品悬浮在化学减薄液中减薄; d.检查样品厚度,旋转样品角度,进行多次减薄直 至达到理想厚度,清洗。 透射电子显微镜样品制备 化学减薄法的缺点: 1.减薄液与样品反应,会发热甚至冒烟; 2.减薄速度难以控制;
4、3.不适于溶解度相差较大的混合物样品。 透射电子显微镜样品制备 双喷电解减薄法 1.此法是通过电解液对金属样品的腐蚀,达到减 薄目的 。 2.减薄步骤: a.用化学减薄机或机械研磨,制成薄片,抛光 ,并冲成3mm直径的圆片; b.将样品放入减薄仪,接通电源; c.样品穿孔后,光导控制系统会自动切断电源 ,并发出警报。此时应关闭电源,马上冲洗样品 ,减小腐蚀和污染。 透射电子显微镜样品制备 双喷电解减薄法 缺点: 只适用于金属导体,对于不导电的样品无 能为力。 透射电子显微镜样品制备 离子减薄法 1.用高能量的氩离子流轰击样品,使其表面原子 不断剥离,达到减薄的目的。 2.主要用于非金属块状样品
5、,如陶瓷,矿物材料 等。 透射电子显微镜样品制备 o将样品手工或机械打磨到3050m。 o用环氧树脂将铜网粘在样品上,用镊子将大 于铜网四周的样品切掉。 o将样品放减薄器中减薄,减薄时工作电压为 5kV,电流为0.1mA,样品倾角为15 o样品穿孔后,孔洞周围的厚度可满足电镜对 样品的观察需要。 o非金属导电性差,观察前对样品进行喷碳处 理,防止电荷积累。 制样步骤: 透射电子显微镜样品制备 离子减薄法 优点:易于控制,可以提供大面积的薄区。 缺点:速度慢,减薄一个样品需十几个小时到 几十个小时。 透射电子显微镜样品制备 复型法 a.对物体表面特征进行复制的一种制样方法。 b.目的在于将物体表
6、面的凹凸起伏转换为复型材 料的厚度差异,然后在电镜下观察,设法使这种 差异转换为透射电子显微像的衬度高低。 c.表面显微组织浮雕的复型膜,只能进行形貌观 察和研究,不能研究试样的成分分布和内部结构 。 d.同一试块,方法不同,得到复型像和像的强度 分布差别很大,应根据选用的方法正确解释图像 。 透射电子显微镜样品制备 复型材料要求 a.复型材料本身在电镜中不显示结构,应为非 晶物质。 b.有一定的强度和硬度,便于成型及保存,且 不易损坏。 c.有良好的导电性和导热性,在电子束的照射 下性质稳定。 透射电子显微镜样品制备 复型类型 o塑料一级复型 o碳一级复型 o塑料-碳二级复型 o抽取复型 透
7、射电子显微镜样品制备 p分辨率12nm,电子束照射下易分解和破裂。 塑料一级复型 p样品上滴浓度为1%的火棉 胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维 素丙酮溶液,溶液在样品表 面展平,多余的用滤纸吸掉, 溶剂蒸发后样品表面留下一 层100nm左右的塑料薄膜。 p 印模表面与样品表面特征相反。 透射电子显微镜样品制备 碳一级复型 p样品放入真空镀膜装置 中,在垂直方向上向样 品表面蒸镀一层厚度为 数十纳米的碳膜。 p优点:图像分辨率高2 5nm,导电导热性能 好,电子束照下稳定 p缺点:很难将碳膜从样 品上剥离 透射电子显微镜样品制备 塑料-碳 二级复型 p先用塑料做一级复型,以 它为模型做碳的复型。 p用试
8、剂溶去一级复型,经 过两次复制的复型称二级复 型。 p为了增加衬度可在倾斜15 -45的方向上喷镀一层重 金属,如Cr、Au等。 二级复型照片 二级复型照片 透射电子显微镜样品制备 抽取复型 p又称萃取复型,用碳膜把 经过深度侵蚀试样表面的第 二相粒子(如杂质)黏附下 来。 p在透镜下可观察第二相粒 子形状,大小,分布及其与 样品组织结构的关系。 透射电子显微像 o透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强 度分布的记录,由于电子与物质相互作用, 透射强度会不均匀分布,这种现象称为衬度 ,所得的像称为衬度像。 o透射电镜的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
9、来源 衍射衬度 :晶体样品衬度的主要来源 振幅衬度 相位衬度 :仅适于很薄的晶体试样(100) 质厚衬度 o质厚衬度(又称吸收 衬度):由于试样的质 量和厚度不同,各部分 与入射电子发生相互作 用,产生的吸收与散射 程度不同,而使得透射 电子束的强度分布不同 ,形成反差,称为质厚 衬度。 质厚衬度 o是非晶体样品衬度的主要来源,它所反映 的,更多是物体表面特性和形貌特征。 o是样品不同微区存在原子序数和厚度的差 异形成的。 o来源于电子的非相干散射,Z越高,产生 散射的比例越大;d增加,将发生更多的散 射。 质厚衬度 o不同微区Z和d的差异,使进入物镜光阑并 聚焦于像平面的散射电子I有差别,形
10、成像 的衬度。 oZ较高、样品较厚区域在屏上显示为较暗区 域。 o图像上的衬度变化反映了样品相应区域的 原子序数和厚度的变化。 质厚衬度 o质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的影响。 o选择大孔径(较多散射电子参与成像),图 像亮度增加,散射与非散射区域间的衬度降低 。 o选择低电压(较多电子散射到光阑孔径外) ,衬度提高,亮度降低。 o支持膜法和萃取复型,质厚衬度图像比较直 观。 质厚衬度 A B 试样 电磁透镜 物镜光阑 IAIB A(IA)B(IB) I0 I0 物镜光阑对质厚衬度的作用 衍射衬度 o衍射衬度:衍射衬度 主要是由于晶体试样满 足布拉格衍射条件的程 度差异以及结构振幅不 同而形
11、成电子图象反差 。它仅属于晶体结构物 质,对于非晶体试样是 不存在的。 衍射衬度 o是晶体样品衬度的主要来源。 o样品中各部分满足衍射条件的程度不同引 起。衍射衬度成像就是利用电子衍射效应来 产生晶体样品像衬度的方法。 o晶体样品的成像过程中,起决定作用的是 晶体对电子的衍射,试样内各晶面取向不同 ,各处衍射束强度I差异形成衬度。 衍射衬度 o假设样品由颗粒A、B组成,强度I0入射电 子照射样品,A的(hkl)晶面组与入射束满足 布拉格方程,产生衍射束Ihkl,忽略其它效 应(吸收),其透射束为: o晶粒B与入射束不满足布拉格方程,其衍 射束I=0 ,透射束 IB=I0 衍射衬度 o明场像(B
12、F):让透射束通过物镜光阑, 将衍射电子束挡去而得到图像。直射电子成 像,像清晰。 o暗场像(DF):将物镜光阑移动到挡住透射 束的位置,让hkl衍射束通过所形成的图像。散 射电子成像,像有畸变、分辨率低。 注:一般将入射光束倾斜2a角度,使hkl衍射束的方向与光轴一致, 亦可得到一个不畸变的,分辨率高的,清晰的暗场像。 (a)明场像(b)暗场像 晶体位向不同所引起的衍射效应 衍衬像 o根据衍射衬度原理形成的 电子图像称为衍衬像。 o晶体厚度均匀、无缺陷, (hkl)满足布拉格条件, 晶面组在各处满足条件的 程度相同,无论明场像还 是暗场像,均看不到衬度 。 衍衬像 o存在缺陷,周围晶面发生畸
13、变,这组晶面 在样品的不同部位满足布拉格条件程度不同 ,会产生衬度,得到衍衬像。 o衍衬成像技术可对晶体中的位错、层错、 空位团等晶体缺陷进行直接观察。 位错 界面和孪晶 第二相粒子 相位衬度 o相位衬度:由穿透样品的电子波的相位不同 而产生的电子显微像,它可揭示1nm的样 品细节,故又称高分辨像。 o样品足够薄,使得其吸收作用可以忽略,则 透射波与衍射波成为相干波,一定条件下发 生干涉作用,某些地方始终加强,另一些地 方始终减弱或完全消失,由此产生衬度。 相位衬度 o若透射波和衍射波的强度分别为I1和I2,两波叠 加以后波的强度可用下式表示: 表示两波之间的相位差,其大小与样品的 厚度,晶体
14、的内部结构,物镜的聚焦状态及球差 有关;如果样品的厚度,物镜的聚焦状态是一定 的,透射波衍射波叠加以后,其强度变化仅与晶 体样品内部的结构有关。 选区电子衍射分析 o电子衍射的基本概念 oTEM的电子衍射方法 o单晶的电子衍射谱 o多晶的电子衍射谱 o电子衍射谱的标定简介 o电子衍射的物象分析特点 电子衍射的基本概念 o按入射电子能量的大小,分为高能电子衍射、 低能电子衍射。 oTEM中的电子衍射属于高能电子衍射。 o特点: o恒定的电子束,与晶体材料作用,因相干散 射而产生衍射现象,其原理与x射线衍射作用 相同,获得的衍射图案相似。 o遵从衍射产生的必要条件和系统消光规律。 其中fj是晶胞中
15、位于(xj,yj,zj)的第j个原子的原子散 射因数 类似于x射线,衍射束强度和晶面关系: 结构因子表征晶体中点阵晶胞内所有原子散射波 在衍射方向上的合成,表达为: 基本公式 当入射电子束I0照射到试样晶面间距 为d的晶面族hkl,满足布拉格方程 时,与入射束交角2方向上得到该晶 面族的衍射束。透射束和衍射束分别 与距离晶体为L的照相底板M相交,得 到透射斑点Q和衍射斑点P。 二者的距 离为R,由图知: 电子很短,电子衍射的2很小时,有: 基本公式 代入布拉格方程 得电子衍射基本公式: 式中:L衍射长度(相机长度) 一定加速电压下,值确定,则 : 式中:K仪器常数(相机常数) 基本公式 如果K
16、已知,则有: R与 的正比关系是衍射斑点指数化的基 础。 可由衍射斑点的R值计算与该斑点相应的 晶面(hkl)的d值。 计算出d值后,通过查找ASTM卡片就可以 找出相应的(hkl) TEM的电子衍射方法 o衍射束经物镜汇聚,在物镜后焦面成第一级 衍射谱,经中间镜、投影镜放大在荧光屏上 得到最终电子衍射谱。 o相机长度L和相应的相机常数K分别为: 由此知,L及K并不是固定不变的,是随选用的电子 衍射方法及操作条件而改变的。因此称为有效相机 长度和有效相机常数。 oTEM通常采用的是选区电子衍射。即用位于物 镜平面的选区光阑选择特定像区的各级衍射束成 谱的电子衍射。 o通过改变选区光阑孔大小来改