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1、第二章第二章 透射电子显微镜透射电子显微镜要点：要点： 样品制备样品制备 电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用透射电镜样品可按材料的形状分为两大类：透射电镜样品可按材料的形状分为两大类：(1) 粉末（粉末（Powder）样品）样品：它主要用于粉末状材料的形貌观察，颗粒度测：它主要用于粉末状材料的形貌观察，颗粒度测定，结构分析等。定，结构分析等。(2) 薄膜（薄膜（Thin film）样品）样品：金属试样的表面复型（金属试样的表面复型（Replication）样品）样品，即把待观察试样的表面，即把待观察试样的表面形貌用非晶物质复制下来的试样。适用于金相组织、断口形貌、形变形貌用非晶物质复制下
2、来的试样。适用于金相组织、断口形貌、形变条纹、磨损表面、第一相形态及分布、萃取和结构分析等。这种样品条纹、磨损表面、第一相形态及分布、萃取和结构分析等。这种样品属于薄膜样品的一种，有专门的制备方法。属于薄膜样品的一种，有专门的制备方法。平面（平面（Plane）薄膜样品）薄膜样品，这类样品是把块状材料加工成对电子束透，这类样品是把块状材料加工成对电子束透明的薄膜状，它可用于做静态观察，如金相组织、析出相形态、分布、明的薄膜状，它可用于做静态观察，如金相组织、析出相形态、分布、结构及与基体取向关系、位错类型、分布、密度等；也可做动态原位结构及与基体取向关系、位错类型、分布、密度等；也可做动态原位观
3、察，如相变、形变、位错运动及其相互作用。观察，如相变、形变、位错运动及其相互作用。截面（截面（Cross section）薄膜样品）薄膜样品，主要用于垂直于块体材料表面的截，主要用于垂直于块体材料表面的截面方向进行观察，它的优点是可进行膜基界面分析，观察薄膜和基体面方向进行观察，它的优点是可进行膜基界面分析，观察薄膜和基体之间的取向关系，也是薄膜样品的一种，制备方法相对复杂。之间的取向关系，也是薄膜样品的一种，制备方法相对复杂。2.5 透射电镜样品的制备透射电镜样品的制备样品的要求：样品的要求：1）样品必须对电子束是透明的，观察区厚度一般在）样品必须对电子束是透明的，观察区厚度一般在100nm
4、以下以下2）具代表性，能真实反映所分析材料的实际特征。）具代表性，能真实反映所分析材料的实际特征。制备方法很多，取决于材料类型和所要获取的信息，透射电制备方法很多，取决于材料类型和所要获取的信息，透射电镜样品可分为间接样品和直接样品，制备方法有：镜样品可分为间接样品和直接样品，制备方法有： 复型样品复型样品间接样品间接样品 薄膜样品（电解双喷、离子薄化）薄膜样品（电解双喷、离子薄化）直接样品直接样品 粉末样品粉末样品1 1、 粉末试样的制备方法粉末试样的制备方法 制备粉末试样的制备粉末试样的关键是关键是要有一个能够支持粉末并易要有一个能够支持粉末并易于使电子透过的载膜。于使电子透过的载膜。 常
5、用方法：常用方法：胶粉混合法和支持膜分散粉末法胶粉混合法和支持膜分散粉末法 常用支持膜的材料见下表常用支持膜的材料见下表 Figure 1. Top: Overhead view of a grid, showing the mesh. Bottom: Side view of a carbon coated grid showing the relative position of the carbon film to the grid and sample.GridHoley GridsFigure 2. Top: Overheard image of a homemade holey g
6、rid. Bottom: Image of a manufactured holey grid.(1) (1) 胶粉混合法胶粉混合法 火棉胶粉末混合法的制备过程火棉胶粉末混合法的制备过程(a)滴入胶液；滴入胶液；(b)混合粉末；混合粉末；(c)对磨拉开；对磨拉开；(d)切开方格；切开方格；(e)插动掀膜，插动掀膜，(f)铜网捞膜铜网捞膜(2) 支持膜分散粉末法支持膜分散粉末法制备步骤：制备步骤：1) 1) 将粉末与其不溶解的稳定液体在超声波振动下制将粉末与其不溶解的稳定液体在超声波振动下制成悬浮液，稳定液视粉末的性质而定，如水、甘油、成悬浮液，稳定液视粉末的性质而定，如水、甘油、酒精、丙酮等。
7、酒精、丙酮等。2) 2) 将悬浮液滴在支持膜上。将悬浮液滴在支持膜上。3) 3) 待支持膜液体干燥后进行观察。待支持膜液体干燥后进行观察。(a) 在培养皿的水面上滴入方华溶剂；(b) 溶剂在水面张开后，在其上摆放铜网；(c) 用滤纸突然垂直提拉并翻转；(d) 干燥后取下备用(3) 按照块状样品来制备粉末和纤维试样按照块状样品来制备粉末和纤维试样解理面喷碳制备碳膜解理面喷碳制备碳膜 在云母或在云母或NaCl单晶新劈开的解理面上喷碳；单晶新劈开的解理面上喷碳； 碳膜划成方格；碳膜划成方格； 在水中提拉或溶解，碳膜上漂；在水中提拉或溶解，碳膜上漂； 用铜网将膜捞出待用用铜网将膜捞出待用2、 薄膜样品
8、的制备方法薄膜样品的制备方法样品的基本要求：样品的基本要求： 样品薄膜的厚度取决于电子的穿透能力和获取样品信息样品薄膜的厚度取决于电子的穿透能力和获取样品信息的能力。的能力。 穿透能力与电子的能量有关，即与加速电压有关。穿透能力与电子的能量有关，即与加速电压有关。 样品越厚，越接近实际大块样品的信息，但图象亮度不够，样品越厚，越接近实际大块样品的信息，但图象亮度不够，膜内不同厚度层上的结构信息会重叠，干扰分析。膜内不同厚度层上的结构信息会重叠，干扰分析。 样品太薄，容易引起样品内固有缺陷释放，引起失真，同样品太薄，容易引起样品内固有缺陷释放，引起失真，同时容易造成其中的变形与相变不同于大块样品
9、。时容易造成其中的变形与相变不同于大块样品。 样品厚度要适当，对金属材料而言，样品厚度样品厚度要适当，对金属材料而言，样品厚度100nm。 薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同，在制备过程中，组织结构不变化；过程中，组织结构不变化； 样品相对于电子束必须有足够的透明度；样品相对于电子束必须有足够的透明度； 薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作薄膜样品应有一定强度和刚度，在制备、夹持和操作过程中不会引起变形和损坏；过程中不会引起变形和损坏； 在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。平面样品制备的工艺
10、过程平面样品制备的工艺过程 （1）切（取）薄片样品）切（取）薄片样品从实物或大块试样上切割厚度一般厚从实物或大块试样上切割厚度一般厚约约200-300 m的薄片，切割方法一般的薄片，切割方法一般分两类分两类 。将材料切成将材料切成3mm薄圆片薄圆片 （2）预减薄）预减薄 切取的样品薄片进行预先减薄有两种方法，即切取的样品薄片进行预先减薄有两种方法，即机械法机械法和化学法。和化学法。 机械减薄机械减薄 一般通过手工磨制来完成。先将一面粘在样品座上，一般通过手工磨制来完成。先将一面粘在样品座上，待磨好后，用溶剂将粘接剂溶掉，然后翻转粘接继续磨制，待磨好后，用溶剂将粘接剂溶掉，然后翻转粘接继续磨制，
11、直至要求厚度。直至要求厚度。磨制后的厚度控制：磨制后的厚度控制：材料较硬，可磨至材料较硬，可磨至70 m 材料较软，厚度不能小于材料较软，厚度不能小于100 m。注意：注意：磨制过程中，要平稳，用力不要过大，注意冷却。磨制过程中，要平稳，用力不要过大，注意冷却。研磨薄片用的支座 三脚抛光器化学减薄化学减薄 将切好的试片放入配制好的化学试剂中，使其表面将切好的试片放入配制好的化学试剂中，使其表面腐蚀而减薄。腐蚀而减薄。优点：优点： 表面无机械硬化层表面无机械硬化层 速度快速度快 厚度可控制在厚度可控制在20-50 m，有利于终减薄，有利于终减薄（3） 终减薄终减薄 电解减薄电解减薄 目前使用最广
12、、效率最高、操作最简便的方法是目前使用最广、效率最高、操作最简便的方法是双喷电解抛双喷电解抛光法。光法。+ +- - -电解液电解液样品样品光源光源光敏元件光敏元件电解减薄工艺过程：电解减薄工艺过程： 将预先减薄的样品冲出或剪成将预先减薄的样品冲出或剪成3mm的圆片，并在其中心部位打凹坑后，装入试样的圆片，并在其中心部位打凹坑后，装入试样夹持器。夹持器。 减薄时，试样与阳极相连，喷嘴中的液柱与阴极相连，电解液通过泵进行循环。减薄时，试样与阳极相连，喷嘴中的液柱与阴极相连，电解液通过泵进行循环。 电解减薄的控制参数：电压电解减薄的控制参数：电压V、电流、电流I、温度、温度T，决定样品的质量。，决
13、定样品的质量。 减薄程度通过光源、光导纤维和光敏电阻构成的光路控制。减薄程度通过光源、光导纤维和光敏电阻构成的光路控制。 减薄完毕后应迅速打开试样架，取出试样，清洗干净，清洗液可用酒精、丙酮等。减薄完毕后应迅速打开试样架，取出试样，清洗干净，清洗液可用酒精、丙酮等。电解抛光液的成分可参见书目。电解抛光液的成分可参见书目。大部分金属与合金可用双喷电解减薄，但以下情况大部分金属与合金可用双喷电解减薄，但以下情况不宜：不宜：易于腐蚀的裂纹端试样易于腐蚀的裂纹端试样具有孔隙的粉末冶金试样具有孔隙的粉末冶金试样组织中各相电解性能相差过大的材料，如复合组织中各相电解性能相差过大的材料，如复合材料、硬质合金
14、等材料、硬质合金等易于脆断、不能清洗的试样易于脆断、不能清洗的试样离子减薄离子减薄 离子减薄就是用离子束在样品的两侧以一定的离子减薄就是用离子束在样品的两侧以一定的倾角轰击样品，使之减薄。倾角轰击样品，使之减薄。离子减薄适用范围：离子减薄适用范围： 不导电的陶瓷样品不导电的陶瓷样品 要求质量高的金属样品要求质量高的金属样品 不宜双喷电解的金属与合金样品不宜双喷电解的金属与合金样品离子束入射角对离子穿透深度和薄化速率的影响离子束入射角对离子穿透深度和薄化速率的影响3、 截面样品的制备截面样品的制备 表面重熔层的全貌图，层厚约为1mm。对接膜制作方法示意图 1.处理试样 2.电镜样压圈(1) 超薄
15、切片法超薄切片法 4、 透射电镜样品制备的其它方法透射电镜样品制备的其它方法(2) 聚焦离子束方法聚焦离子束方法 真空蒸涂方法真空蒸涂方法可用于制备具有均匀厚度的金属和合金之可用于制备具有均匀厚度的金属和合金之类的试样。通常，将试样放入由钨制作的线圈或篮子中，类的试样。通常，将试样放入由钨制作的线圈或篮子中，通过电流，由于电阻加热，使试样熔化蒸发（或者升华），通过电流，由于电阻加热，使试样熔化蒸发（或者升华），沉积在基体上。为了防止制备的薄膜表面产生污染，蒸发沉积在基体上。为了防止制备的薄膜表面产生污染，蒸发时的真空度要尽可能高，通常是时的真空度要尽可能高，通常是10-310-4Pa。可以用铜
16、网。可以用铜网支持的火棉胶膜、解理的岩盐等作为基体。岩盐能溶于水。支持的火棉胶膜、解理的岩盐等作为基体。岩盐能溶于水。然后，再用铜网捞起蒸发膜，供电子显微观察使用。岩盐然后，再用铜网捞起蒸发膜，供电子显微观察使用。岩盐具有特定的取向，能有效地用于单晶蒸涂膜的制备。测定具有特定的取向，能有效地用于单晶蒸涂膜的制备。测定薄膜的正确厚度时，可以用石英振荡薄膜测厚仪。薄膜的正确厚度时，可以用石英振荡薄膜测厚仪。真空蒸真空蒸涂方法可以制备测量薄膜厚度时的标准试样。涂方法可以制备测量薄膜厚度时的标准试样。(3) 真空蒸涂方法真空蒸涂方法第三章第三章 电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用n弹性散射：弹性
17、散射：电子只改变方向而无能量改变电子只改变方向而无能量改变- -电子衍射和电子衍射像的基础。电子衍射和电子衍射像的基础。n非弹性散射：非弹性散射：电子的方向和能量都改变，电电子的方向和能量都改变，电子在非弹性散射中损失的能量被转变为热、子在非弹性散射中损失的能量被转变为热、光、光、X X射线、二次电子发射等射线、二次电子发射等-扫描电镜扫描电镜像、能量分析、电子能量损失谱的基础。像、能量分析、电子能量损失谱的基础。TEM电子的非弹性散射电子的非弹性散射n透射电子透射电子-电子能量损失谱（电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy：EELS）的原理是，由于
18、非弹性散射碰撞使电子损失一部分能量，这一能量等于原子的原理是，由于非弹性散射碰撞使电子损失一部分能量，这一能量等于原子与入射电子碰撞前基态能量与碰撞后激发态能量之差。如果最初电子束的能与入射电子碰撞前基态能量与碰撞后激发态能量之差。如果最初电子束的能量是确定的，损失的能量又可准确地测得，就可以得到试样内原子受激能级量是确定的，损失的能量又可准确地测得，就可以得到试样内原子受激能级激发态的精确信息，就元素成分分析而言，激发态的精确信息，就元素成分分析而言，EELS可以分析轻元素（可以分析轻元素（Z 1的元的元素），补偿素），补偿X射线能谱的不足。射线能谱的不足。n等离子体激发等离子体激发-主要发
19、生在金属中。当入射电子通过电子云时，金属中自由主要发生在金属中。当入射电子通过电子云时，金属中自由电子基体发生振动，这种振动在电子基体发生振动，这种振动在10-15s内就消失了，且该振动局限在纳米范围内就消失了，且该振动局限在纳米范围内，这就是等离子体激发（内，这就是等离子体激发（Plasma excitation）。等离子体激发是入射电子引）。等离子体激发是入射电子引起的，因此入射电子要损失能量，这种能量损失随材料的不同而不同。利用起的，因此入射电子要损失能量，这种能量损失随材料的不同而不同。利用测量特征能量损失谱进行分析，就是能量分析显微术。若选择有特征能量的测量特征能量损失谱进行分析，就
20、是能量分析显微术。若选择有特征能量的电子成像，就是能量损失电子显微术。电子成像，就是能量损失电子显微术。n声子激发声子激发-声子是指晶体振动的能量量子，激发声子等于加热样品。入射电声子是指晶体振动的能量量子，激发声子等于加热样品。入射电子激发声子会引起能量损失（小于子激发声子会引起能量损失（小于0.1eV），同时声子激发使入射电子散射增），同时声子激发使入射电子散射增大（大（515mrad），导致衍射斑点产生模糊的背景。声子激发与），导致衍射斑点产生模糊的背景。声子激发与Z3/2成正比，成正比，且随温度的增加而增加。声子激发对电镜工作没有任何好处，通常采用冷却且随温度的增加而增加。声子激发对电镜工作没有任何好处，通常采用冷却样品来减小声子激发。样品来减小声子激发。
