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1、1,第八章 透射电子显微分析,第一节 透射电子显微镜工作原理及构造 第二节 样品制备 第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度 第四节 电子衍射原理 第五节 TEM的典型应用及其它功能简介,西南科技大学 张宝述,2,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,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,3,Ernst Ruska Electron Microscope - Deutsches Museum,The electron microscope built by Ruska (in the lab
2、 coat) and Knoll, in Berlin in the early 1930s.,4,JEM 1.25 MeV HVEM. Note the size of the instrument; often the high-voltage tank is in another room above the column.,Zeiss HRTEM with a Cs corrector and an in-column energy filter. Note the large frame to provide high mechanical stability for the hig
3、hest-resolution performance.,5,Carl Zeiss SMT Pte Ltd（德国蔡司）生产的Libra 200FE 200kV场发射透射电子显微镜,学校分析测试中心,主要配置 1场发射透射电子显微镜基本单元 2镜筒内置OMEGA 型能量过滤器 3单倾样品杆、铍双倾样品杆 4扫描透射附件（STEM） 5电子能量损失谱仪（EELS） 6Oxford能谱仪（EDS）,主要技术指标 1分辨率 点分辨率：0.24nm；信息分辨率：0.14nm；能量分辨率: 0.7eV 2放大倍数 最小放大倍数: 80；最大放大倍数: 1,000,000 3样品移动 X：2mm；Y: 2m
4、m；Z：0.2mm (最高可以达到0.4mm) 4最大倾斜角：= 30；=30,6,主要功能 1.透射成像（明场、暗场）：用于分析材料的微观形貌、相结构、相关系等； 2.电子衍射选区电子衍射（SAED）、汇聚束衍射（CBED）、微区衍射：用于研究物质的晶体结构、材料的晶体学信息以及低维材料的生长方向； 3.扫描透射成像（STEM）：用于材料的晶体结构及元素分布状态研究； 4.高分辨成像（HRTEM）：用于研究材料微区晶格特征、晶体缺陷、晶界、相变，界面关系等； 5.能量过滤成像（EFTEM）：用于研究材料中元素分布状态、元素扩散、成分偏析等； 6.电子能量损失谱（EELS）：用于研究材料中元素
5、组成、元素价态信息以及材料介电系数等； 7.能量色散X射线谱（EDX）：用于研究材料的成分、元素分布以及元素扩散、成分偏析等，可进行点、线、面扫描分析。,7,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),材料电子显微分析张静武北京：冶金工业出版社，2012 Transmission electron microscopy a textbook for mater
6、ials science. 2nd ed. Williams D B, Carter C B. New York: Plenum, 2009,8,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） 高压电子显微镜（HVEM ） 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,TEM的形式,9,第一节 透射电子显微镜工作原理及构造,透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜类似。,一、工作原理,10,透射电子显微镜光路原理图,照明系统,成像系统,纪录系统,11,二、构造,静电透镜
7、电子透镜 恒磁透镜 磁透镜 电磁透镜,1. 电磁透镜,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。,能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens）,12,（1）电磁透镜的结构,电磁透镜结构示意图,13,（2）电磁透镜的光学性质,电子加速电压,透镜半径,物距 像距 焦距,激磁线圈安匝数,与透镜结构有关的比例常数,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。,14,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。,电磁透
8、镜(通过改变激磁电流)实现焦距和放大倍率调整示意图,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 ） 。,物距u,焦距f,像 距v,15,（3）电磁透镜的分辨本领,常数,照明电子束波长,透镜球差系数,线分辨率,r0的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.1nm。,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,100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV，0.00251nm,透射电镜,16,点分辨本领的测定,将金、铂、铂-铱或铂-钯等金属或合金，用真空蒸发的方法可以得到粒度为510A、间距为210A的粒子
9、，将其均匀地分布在火棉胶(或碳)支持膜上，在高放大倍数下拍摄这些粒子的像。 为了保证测定的可靠性，至少在同样条件下拍摄两张底片，然后经光学放大(5倍左右)，从照片上找出粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应电子显微镜的点分辨本领。,点分辨率的测定(真空蒸镀金颗粒),17,2. 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,电子源,热电子源,场发射源,热场,冷场,钨丝,LaB6,18,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,会聚/发散角,19,双聚光镜照明系统光路图,20,3. 成像系统
10、,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 。,21,F 焦点,f,F,F,焦平面,凸透镜的焦点,P,Q,A,B,F,Q,P,A,透镜的成像,O,O,O,像平面,复习,焦平面,22,透射电镜成像系统的两种基本操作,将衍射谱投影到荧光屏,将显微像投影到荧光屏,衍射操作,成像操作,使中间镜的物平面与物镜的像平面重合,使中间镜的物平面与
11、物镜的背焦面重合,23,三、选区电子衍射（SAED）,在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图,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,24,图a是一个简单的明场像，图b、c和d是对图a中的不同区域进行选区电子衍射操作以后得到的结果。,25,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，通常样品的观察区域的厚度约100200nm。 （2）必须具有代表性，能真实反映所分析材料的某些特征。,26,一、间接样品(复型)的制备,所谓复型，就是样品表面形貌的复制品。也指复制样品的制作过程。 其原
12、理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。 通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。,27,对复型材料的主要要求：,复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； 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； 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。,28,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）,由于扫描电子显微镜（SEM)的发展，现在很少采用复型技术。,但在某些情况下，复型技术仍具有其独特的优势，例如，复型可用于现场采样而不破
13、坏原始样品。,29,塑料一级复型,碳一级复型,30,塑料-碳二级复型制备过程示意图,31,32,萃取复型,在萃取复型的样品上，可以在观察样品基体组织形态的同时，观察第二相颗粒的大小、形状及分布，对第二相粒子进行电子衍射分析，还可以直接测定第二相的晶体结构。,33,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,磁黄铁矿的电子衍射图,34,二、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
14、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。,35,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。 粉末或颗粒样品制备的成败，关键取决于能否使其均匀分散地撒到支持膜上。通常用超声波分散器，把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂分散为悬浮液。然后用滴管把悬浮液放一滴在粘附有支持膜的样品铜网上，静置干燥后即可供观察。 为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷一层薄碳膜，使粉末夹在两
15、层膜中间。,36,37,高岭土,纤维水镁石,膨润土,38,2. 晶体薄膜样品的制备,一般程序： (1)初减薄制备厚度约100200m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。,39,双喷电解抛光装置原理图,40,离子减薄装置原理示意图,41,POWERTOME-X/XL超薄切片机,42,真空镀膜机,43,第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度,一、成像操作,（a）明场像 (b)暗场像 (c)中心暗场像,成像操作光路图,直射束成像,衍射束成像,衍射束成像,明场像与暗场像的衬度相反,44,二、像衬度,像衬度：图像上不同区域间明
16、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,45,质厚衬度成像光路图,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。,（2）小孔径角成像,46,衍射衬度成像光路图,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(简称“衍衬”)：由于晶体对电
