1、透射電鏡分析技術上海大學微結構重點實驗室上海大學分析測試中心李強學習內容TEM分析技術的基本原理。樣品制備TEM數據及圖象的獲得、分析和處理。實踐技能（設備現(xiàn)場操作實踐）主要參考書： 1.分析電子顯微學導論，戎詠華等，高等教育出版社，20062.金屬電子顯微分析，陳世樸，王永瑞合編，機械工業(yè)出版社，19823.材料評價的分析電子顯微方法，進藤 大輔，及川 哲夫合著，劉安生譯，冶金工業(yè)出版社,20014.材料現(xiàn)代分析方法，左演生等主編，北京工業(yè)大學出版社，2000概述用途發(fā)展電鏡大觀透射電鏡的材料研究領域實際上是高能電子與物質的相互作用，利用各種手段探測與物質作用的電子的各種特征以及其激發(fā)的其它

2、信號（如X射線），從而能幫助我們獲取物質微觀（甚至原子尺度）的信息。形貌原子結構、電子結構、化學成分等信息。600 kx150 kx8 kx1.2 kx半導體材料方面應用例子Ion polished commercial Al alloyAl-Cu metallization layer thinned on Si substrate.8 m1 m金屬材料方面應用例子肌病變線粒體生命科學方面應用220111000002110 direction reciprocal lattice for f.c.c. structure結構分析-電子衍射能譜分析例子電子能量損失譜化學成分和精細的電子結構材料

3、科學與工程的研究內容以及相互間的關系-顯微分析的重要性材料成分（體系）現(xiàn)代制造工藝設備的發(fā)展顯微結構制造工藝現(xiàn)代分析儀器的發(fā)展使用性能（與環(huán)境有關）現(xiàn)代測試儀器的發(fā)展性能（自身具備）材料研究的基本任務就是根據材料實際使用所需的性能來設計成分和工藝，以獲得理想的微觀組織，從而達到預期的性能。在上述材料的研究鏈中，材料的微觀組織直接決定了材料的性能，因此根據材料的微觀組織，我們就能分析和判斷材料的性能好壞；同時，材料的微觀組織取決于成分和工藝，因此根據材料的微觀組織能分析和判斷成分和工藝設計是否合理。所以，材料微觀組織的表征，包括材料的微區(qū)成分、點陣結構和組織形貌的分析極為重要。TEM具備綜合的優(yōu)

4、勢，是現(xiàn)代材料科學研究的重要工具。1925年德布羅意提出微觀粒子的波粒兩重性假說，在1927年由Thompson、Davisson和Germer的電子衍射實驗所證實，奠定了電子顯微鏡的理論基礎。1934年Knoll和Ruska發(fā)明了電子顯微鏡。1939年西門子推出了世界上第一臺商品電子顯微鏡。1965年第一批商品化的掃描電子顯微鏡在英國問世。我國1958年生產了第一臺透射電子顯微鏡，1975年生產了第一臺掃描電子顯微鏡。電子顯微鏡的歷史 電子顯微鏡首先在醫(yī)學生物上得到應用，隨后用于金屬材料研究。1949年海登萊西（Heidenreich）第一個用透射電鏡觀察了用電解減薄的鋁試樣；50年代開始，

5、電鏡直接觀察到位錯層錯等以前只能在理論上描述的物理現(xiàn)象；1970年日本學者首次用透射電鏡直接觀察到重金屬金的原子近程有序排列，實現(xiàn)了人類直接觀察原子的夙愿。 電鏡發(fā)展成像與變倍 選區(qū)電子衍射 衍襯成像（明場像，中心暗場像，弱束暗場像） 高分辨成像（相位襯度） 會聚束電子衍射（包括微/納米衍射） X射線能譜和電子能量損失譜成分分析和成像 高分辨原子序數襯度（Z襯度）成像 負球差系數成像 全息成像等。JEM200CXJEM2010FJEM2100FJEM-2200FS球差校正JEM-3000FJEM-1250JEM-ARM200F球差校正, 透射像分辨率：0.05 nm掃描透射圖像分辨率: 0.0

6、63 nm JEM-ARM300FJEM-ARM200F（CFEG） Hitachi TEMs120kV H-7600200kV hf2200300kV HF3000TECNAI G2 F20 automated TEMIt also has a high level of automation and intelligence without limiting the full control that experienced users may want to have. Its advanced windows protocols and registry allow users to

7、complete their research or analysis in a timely fashionFEI公司的Titan G2 and Titan3 G2 60-300Zeiss LIBRA EFTEMAberration corrected Energy Filtered TEM 球差校正能量過濾透射電鏡The LIBRA 200FE is the first EFTEM that combines the versatility of the new In-column corrected OMEGA energy filter with a highly efficient

8、field emission system and Koehler illumination.Hitachi HD2000 STEM- a new breed of SEM/STEM toolsThe HD-2000 has been developed in response to the need for high sample throughput, measurement and analysis of advanced semiconductor and magnetic devices as well as other advanced materials. 跟掃描電鏡非常相似JE

9、OL JEM2500SEThe new JEM-2500SE is an easy-to-use STEM designed for professional researchers who demand efficiency and high performance. The JEM-2500SE works like a SEM , but provides the high-resolution results of a TEM。針對半導體行業(yè)2.電鏡基本原理及構造微觀粒子的波粒兩重性理論基礎帶電粒子在電場中的運動電子加速帶電粒子在磁場中的運動電磁透鏡電子在磁場中運動時受到洛倫茲力的作用

10、會發(fā)生偏轉。只要設計出合理的磁場強度和分布磁透鏡，電子通過該磁透鏡就會發(fā)生聚焦。因此，磁透鏡對電子束來說，也具有像玻璃透鏡對可見光一樣的參量焦點、焦距、焦面。與光學顯微鏡相比較具有一定能量的離子、電子和光子束與物質相互作用時，可產生各種不同的信息，收集分析這些信息，就可以了解被作用物質的特性。如果能將這種“三子”聚焦成微細束斑，則可進行物質的微區(qū)分析工作。能量為E1的電子束入射后與原子碰撞產生各種能量分布的電子信息可分三個區(qū)：1 靠近0eV區(qū)，有一個約為10eV寬的峰，是由激發(fā)電子再次激發(fā)別的電子產生大量的二次電子，平均能量較低，只能從靠近表面的原子層中出射，所以可作形貌觀察-SEM。2 與入

11、射電子能量接近的E1彈性散射電子。由于電子的入射深度以及原子的電子殼層中電子激發(fā)程度都與原子種類（原子序數大?。┯嘘P，所以也可作為原子種類的粗略區(qū)分-背散射電子。3 在兩個峰間的非彈性散射電子較弱，但有許多小峰，可分兩類：一類小峰的能量與入射電子的能量無關，這是俄歇電子；另一類與E1能量有關，以E1能量為基礎并相差E 的各種不連續(xù)能量損失峰。包括以下三種：1，激發(fā)晶格振動或吸附分子振動能的躍遷，損失能量在幾十至幾百meV 范圍。2，激 發(fā)價電子躍遷，能量損失值在1-10eV 左 右。3，激發(fā)蕊能級電子躍遷，能量損失 在102103eV 左右量級。原子的激發(fā)及去激發(fā)過程原子的激發(fā)及去激發(fā)過程光子

12、、X射線及俄歇電子的發(fā)生。由于這種原子去激發(fā)過程時釋放的能量與原子的電子殼層結構有關，因此，收集分析這些去激發(fā)過程時釋放的光子、X射線及俄歇電子的 能量，就可以了解原子的種類。電子束與固體物質作用的深度信息 可以分辨的兩個點的最短距離稱為顯微鏡的分辨率。人的眼睛的分辨本領為0.5mm左右。根據光學原理，兩個發(fā)光點的分辨距離為：式中：r0-兩物點的間距；-光線的波長；n-透鏡周圍介質的折射率；nsin-數值孔徑，用N.A表示。 顯微鏡的分辨率取決于光的波長，光學玻璃透鏡孔徑角一般為70-75o ，分辨率可以達到照明光波長的1/2?？梢姽獾牟ㄩL范圍為3900-7600A，故而光學顯微鏡的分辨率不可

13、能高于2000A。電子的波長很短,電子顯微鏡的孔徑半角很小，大約在10-2-10-3弧度左右。所以電子顯微鏡分辨率比光學顯微鏡高1000倍左右。 電子顯微鏡分辨率影響電鏡分辨率的主要因素電子能量分布電子槍供電系統(tǒng)和電子槍特性系統(tǒng)真空度透鏡特性供電系統(tǒng)和透鏡特性環(huán)境溫度，磁場和震動球差和色差球差-透鏡因素A物平面N高斯平面（通過旁軸電子形成的象點, 與軸線垂直作一平面）M最小糢糊圓0孔徑角（發(fā)射電子相對于中心束的最大夾角，電鏡中一般為10-210-3弧度）非旁軸電子對旁軸電子來說，增加了附加偏轉會聚能力，在更靠近物平面的地方聚焦。減小0可減少球差，因此需要采用增加光闌的辦法。色差-電子源因素焦距

14、和象轉角均隨電子速度變化而不同-電子能量差異。中心色差 f (焦距)V/（NI）2 加速電壓（V）和透鏡電流（I）分別變化V和I時，f變化為f.旋轉色差 象轉角隨加速電壓和電流的波動而變化，造成象點被拉長，離軸愈遠，象點就被拉得越長。象散-透鏡因素磁透鏡的非軸對稱會引起象散，但可以采用添加消象散裝置及進行消象散操作進行補償。透射模式(TEM Mode)：質厚襯度像：質量和厚度不同，襯度不同衍射襯度像：滿足布拉格衍射條件的程度不同，襯度不同 相位襯度像(高分辨像)：透射束和衍射束相互干涉，形成一種反映晶體點陣周期性的條紋像和結構像電子衍射花樣：晶體結構分析的重要手段點分辨率：0.19nm；空間分

15、辨率：0.5nm很容易實現(xiàn)晶格尺度的觀察(透射電鏡最常規(guī)的觀察模式)掃描透射模式(STEM Mode)： 明場像(BF)、暗場像(DF)、HAADF像實質：盧瑟福散射；點分辨率：0.20nm可以實現(xiàn)原子尺度的觀察(常態(tài)否?)，元素面分布分析很有效能量過濾像模式(Filter mode)：以特征損失峰成像實質：能量損失譜；能量分辨率：0.75eV能量分辨率極大提高，輕元素分析效果好透射電鏡中幾種襯度的形成機制形貌像襯度的形成 襯度: 圖象各個部分光強度的差別。樣品各個部分對電子不同散射 的特性構成了象的襯度差別。散射特性與Z，A，t，P，V 等有關，電子受重原子（Z大）彈性散射的可能性大，快速電

16、子受彈性散射的可能性小，質量厚度大， 則彈性散射的可能性大。電子通過（入射 ）樣品原子的靜電場時，兩者作用的結果可表現(xiàn)為運動方向和能量的改變，當電子的路徑到原子核之間的徑向距離很小時，電子主要受原子核場的作用，由于原子核的質量比電子的大得多，所以電子運動的方向將有較大的改變，能量轉移很小，產生彈性散射。 = 0.01-0.1弧度。當電子路徑與原子核之間距離較大時，入射電子受到的主要是原子中電子的厙倫場作用。作用結果使入射電子的散射角較小而能量損失的幾率較大，產生非彈性散射 。10-4弧度。根據襯度形成的原因，可分為振幅（質量）襯度、衍射襯度和相位襯度。透射電鏡構成供電系統(tǒng)電子光路系統(tǒng)真空系統(tǒng)成

17、像及分析系統(tǒng)高壓箱ISP電源UPS控制器電子槍聚光鏡及光欄物鏡及光欄中間鏡投影鏡TV及CCDEDSSTEMJEM-2010FJSM6700FTEM主體剖面示意圖電子光路系統(tǒng)光源電子槍電子加速和偏轉照明系統(tǒng)放大成像系統(tǒng)觀測系統(tǒng)電子槍供電-高壓箱加速電壓（kV)電子波長（埃）10.388100.122300.06981000.03702000.025110000.00687加速電壓與電子波長關系Electron Sources 電子源-燈絲W filament 鎢燈絲. Current density 束流密度10A/cm2 Probe size 束斑大小4nmLaB6 crystal sourc

18、e 六硼化鑭晶體Current density 束流密度 103A/cm2Probe size 束斑大小 2nmFEG source場發(fā)射源* Current density 105A/cm2 Probe size 1nm* Usually Schottky sources 常用肖特基源200kV場發(fā)射電子槍Condenser Lenses 會聚透鏡Objective lens 物鏡Intermediate Lenses 中間鏡Projector Lens 投影鏡Polepiece Configuration in a Typical Analytical TEM 分析電鏡的極靴構造Elect

19、ron Optics of an Analytical TEM 分析電鏡中的電子光路系統(tǒng)光闌擋電子聚光鏡光闌1.調節(jié)電子束束斑大小限制電子照射量2.減小電子束發(fā)散度提高圖像質量（限制和改變照明孔徑角）固定式可變式物鏡光闌1.擋住散（衍）射角較大的電子，可提高成像襯度，又稱襯度光闌。 2.使物鏡孔徑角減小，減小象差（色差、球差和象散）。3.套取衍射束斑點成象暗場象選區(qū)電子衍射（SAD）原則上講，在樣品的緊上方或緊下方，放上一個小光闌就可以進行選區(qū)衍射，讓一小束入射電子照射在需要產生衍射 的區(qū)域。 但是這種辦法會使光闌很快被污染, 而且物鏡極靴孔的空間有限。 如果在樣品的第一象平面處引入光闌（在物

20、鏡的象，中間鏡的物處), 則可得到相同的效果。 正確的操作是：要把選區(qū)光闌和物鏡的象調到重合，并都在第一中間鏡的物平面上。 1 除去物鏡光闌，調節(jié)第一中間鏡電流， 使選區(qū)光闌象在熒光屏上聚焦（聚光闌）。 2 放入物鏡光闌，調節(jié)物鏡電流，使 被選 圖象在熒光屏上聚焦（聚圖像）。 3 然后做衍射圖并散焦聚光鏡，使入 射光接近平行入射，得到細而清楚的 衍射斑（聚光斑）。使用50-100m孔徑的選區(qū)光闌，可以 得到0.5-1m范圍內的選區(qū)衍射圖象。選區(qū)光闌選區(qū)電子衍射真空系統(tǒng)1.電子與氣體分子碰撞，產生空間放電及使圖像襯度減小。2.電子槍燈絲氧化。3.氣體分子電離，發(fā)生電子槍極間放電。4.污染和損壞樣

21、品。樣品臺樣品移動系統(tǒng)重要功能附件高角度散射電子暗場象能量過濾系統(tǒng)能譜儀數字成像系統(tǒng)高角度散射電子暗場象(HAADF-High Angle Annular Dark Field)電子透過試樣時引起的彈性散射電子分布在比較大的散射角范圍內，而非彈性散射電子分布在比較小的散射角范圍內。彈性散射電子的份額與原子序數Z2的大小有關。因此，這種圖像也稱為Z襯度像。在 1和 2間的環(huán)狀區(qū)域中散射 電子的散射截面為 1 2：HRTEM和HAADF-STEM的成象原理HRTEM：平行電子束入射，在熒光屏上顯示出透射和散射電子波的相位襯度（即時成像）。HAADF：會聚電子束入射并掃描，用環(huán)形探頭收集彈性散射電子

22、，原子象為亮點（掃描成像）。能量過濾系統(tǒng)(Energy Filter System)把彈性散射和非彈性散射的電子分開，分別加以處理型能量過濾器(In-column Energy Filter)裝在鏡筒內部，由4個譜儀構成觀察視野不受限制，特別適合會聚束電子衍射等模擬計算造價較之GIF系統(tǒng)要貴扇形能量過濾器(Post-column Energy Filter)GIF系統(tǒng)屬于這種裝在照相室的下部只有中心部分進入過濾器中，觀察視野受到限制SpectrumE, E-EEE-E型能量過濾器示意圖彈性散射和非彈性散射過濾器：把彈性散射和非彈性散射的電子分開，分別加以處理200keV 20keV2keV能譜

23、儀（EDS）電制冷、高靈敏度能譜儀大面積電制冷能譜光纖耦合-底裝式CCD相機CCD光學耦合-側插式CCD常規(guī)透射電鏡實現(xiàn)的目標：TEM模式：0.19nm(點分辨率)，受制于球差系數Cs (R = 0.65Cs1/43/4)STEM模式：0.20nm ，受制于束斑的大小、強度等能量過濾模式：0.75eV(能量分辨率) ，受制于光源的單色性新一代電鏡做了些什么？物鏡球差校正器（image corrector，TEM corrector，OBJ corrector）聚光鏡球差校正器（probe corrector， STEM corrector，CL corrector）單色器（Mono-chrom

24、ator）環(huán)境透射電鏡（Environmental TEM）新一代電鏡實現(xiàn)的目標：TEM模式(物鏡球差校正后)： 0.11nm(點分辨率)STEM模式(聚光鏡球差校正后) ： 0.1nm(0.0780nm=78pm)能量過濾模式(單色器) ： 0.1eV三個“0.1”讓我們正在進入“亞?！?Sub-angstrom)的世界電鏡技術新發(fā)展經過校正球差的產生和校正過程物鏡球差校正前光學衍射圖(ODM)光學衍射圖是分別在電子束傾斜9mrad和18mrad情況下得到的物鏡球差校正后光學衍射圖(ODM)光學衍射圖是分別在電子束傾斜9mrad和18mrad情況下得到的JEM-ARM200F球差校正的場發(fā)射

25、透射電鏡Atomic Resolution Microscope 加速電壓：200kV聚光鏡球差校正器：標配物鏡球差校正器：選配JEM-ARM200F(UHR)雙球差校正電鏡核心技術指標分辨率： TEM模式：點分辨率：0.11nm線分辨率： 0.07nm信息分辨率：0.10nm STEM模式：BF像分辨率：0.14nmDF像分辨率：0.08nm電子槍室真空度：10-8Pa數量級 高壓穩(wěn)定度：1ppm物鏡電流穩(wěn)定度：0.5ppm束流：0.5nA (0.2nm的束斑下) ；JEM-2100F的指標： 0.5nA (1nm的束斑下) 樣品最大傾斜角度：25AgCuAl2nmAgAlSpecimen:

26、 courtesy of Prof. Hono, NIMS聚光鏡球差校正器的HAADF圖像和元素面分布圖DFI500pA：20minAg M edgeCu L edgeAl L edge2nm1nmabcddcba聚光鏡球差校正器的HAADF圖像和EELS譜圖60pA：0.5s/pix(total 60 x 4 pix)Titan G2 and Titan3 G2 60-300超級能譜（多探頭大窗口EDS）Atomic chemical mapping of Y2Ti2O7 in 110 projection obtained with ChemiSTEM Technology on the Titan G2 with probe Cs-corrector at 200 kV acceleration voltage. BF探測器圓形遮擋器BF光欄ADF探測器HAADF接受的信號