第二十二章透射電子顯微分析

2021/3/71第二十二章透射電子顯微分析2021/3/71電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡掃描電子顯微鏡(SEM)可簡稱掃描電鏡電子探針X射線顯微分析儀簡稱電子探針(EPA或EPMA)：波譜儀(波長色散譜儀，WDS)與能譜儀(能量色散譜儀，EDS)電子激發(fā)俄歇電子能譜(XAES或AES)2021/3/72電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式出現(xiàn)，如：高分辨電鏡（HRTEM）透射掃描電鏡（STEM）分析型電鏡（AEM）等等。入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：平行束：透射電鏡成像及衍射會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEM的形式2021/3/73透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造

一、工作原理成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。由于電子波長極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。2021/3/74第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造一、工作原理2021圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖2021/3/75圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖2021/3/75二、構(gòu)造

TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成。2021/3/76二、構(gòu)造TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電1.電磁透鏡

能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electronlens）

靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡磁透鏡

電磁透鏡

2021/3/771.電磁透鏡能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（elect（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)

圖9-3電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2021/3/78（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)2021/3/78（2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)

（9-1）式中：u、v與f——物距、像距與焦距。（9-2）式中：V0——電子加速電壓；R——透鏡半徑；NI——激磁線圈安匝數(shù)；A——與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。

2021/3/79（2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)2021/3/79成像電子在電磁透鏡磁場中沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)，而可見光是以折線形式穿過玻璃透鏡。因此，電磁透鏡成像時(shí)有一附加的旋轉(zhuǎn)角度，稱為磁轉(zhuǎn)角。物與像的相對位向?qū)?shí)像為180，對虛像為。電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強(qiáng)度降低、焦距變長(由f1變?yōu)閒2）。2021/3/710電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)

（9-3）式中：A——常數(shù)；——照明電子束波長；Cs——透鏡球差系數(shù)。r0的典型值約為0.25~0.3nm，高分辨條件下，r0可達(dá)約0.15nm。

2021/3/711（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)2021/3/7112.照明系統(tǒng)

作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電子束。組成：電子槍和聚光鏡

鎢絲熱電子源電子源LaB6場發(fā)射源2021/3/7122.照明系統(tǒng)作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電圖9-5熱電子槍示意圖燈絲和陽極間加高壓，柵極偏壓起會(huì)聚電子束的作用，使其形成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉2021/3/7132021/3/713圖9-6雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖

2021/3/7142021/3/7143.成像系統(tǒng)

由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡。

2021/3/7153.成像系統(tǒng)由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè)圖9-7透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏(b)將顯微像投影到熒光屏2021/3/7162021/3/716三、選區(qū)電子衍射

圖9-8在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實(shí)現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖2021/3/717三、選區(qū)電子衍射2021/3/717選區(qū)衍射操作步驟（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦（2）使物鏡精確聚焦（3）獲得衍射譜2021/3/718選區(qū)衍射操作步驟（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦2021第二節(jié)樣品制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。

要求：（1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100~200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。2021/3/719第二節(jié)樣品制備TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。2一、間接樣品(復(fù)型)的制備

對復(fù)型材料的主要要求：①復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；②有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。③復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。2021/3/720一、間接樣品(復(fù)型)的制備對復(fù)型材料的主要要求：2021/復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：一級復(fù)型二級復(fù)型萃取復(fù)型（半直接樣品）

2021/3/721復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：2021/3/72圖9-14塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖

2021/3/7222021/3/722萃取復(fù)型2021/3/7232021/3/723二、直接樣品的制備

1.粉末樣品制備粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開來，各自獨(dú)立而不團(tuán)聚。膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對研并突然抽開，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。支持膜分散粉末法：需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。2021/3/724二、直接樣品的制備1.粉末樣品制備2021/3/7242.晶體薄膜樣品的制備一般程序：(1)初減薄——制備厚度約100~200m的薄片；(2)從薄片上切取3mm的圓片；(3)預(yù)減薄——從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m；(4)終減薄。2021/3/7252.晶體薄膜樣品的制備一般程序：2021/3/725圖9-15雙噴電解拋光裝置原理圖

2021/3/7262021/3/726圖9-16離子減薄裝置原理示意圖2021/3/7272021/3/727第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度

一、成像操作

圖9-17成像操作光路圖（a）明場像(b)暗場像(c)中心暗場像2021/3/728第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度一、成像操作202二、像襯度像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋?/p>

質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源振幅襯度

衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源相位襯度

2021/3/729二、像襯度像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。202圖9-18質(zhì)厚襯度成像光路圖

2021/3/7302021/3/730圖9-19衍射襯度成像光路圖

2021/3/7312021/3/731第四節(jié)電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論透射電鏡衍射襯度是由樣品底表面不同部位的衍射束強(qiáng)度存在差異而造成的。要深入理解和正確解釋透射電鏡衍襯像的襯度特征，就需要對衍射束的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。動(dòng)力學(xué)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射2021/3/732第四節(jié)電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論透射電鏡衍射襯度是由樣品底表面不一、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)近似[即忽略各級衍射束(透射束為零級衍射束)之間的相互作用]基礎(chǔ)之上的用于討論衍射波強(qiáng)度的一種簡化理論。其基本假設(shè)是：①入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射。②入射電子波在樣品內(nèi)的傳播過程中，強(qiáng)度的衰減可以忽略。即衍射波強(qiáng)度始終遠(yuǎn)小于入射波強(qiáng)度。否則衍射波會(huì)發(fā)生較為顯著的再次衍射，即動(dòng)力學(xué)衍射。2021/3/733一、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論的基本假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是建立在運(yùn)動(dòng)學(xué)近似[即忽略①使樣品晶體處于足夠偏離布拉格條件的位向，以避免產(chǎn)生強(qiáng)的衍射，保證入射波強(qiáng)度不發(fā)生明顯衰減；②采用足夠薄的樣品，盡量減小電子受到多次散射的機(jī)會(huì)。要達(dá)到這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)踐上都有困難。一方面，原子對電子的散射振幅較大，散射強(qiáng)度不會(huì)很弱，而且當(dāng)選用的衍射束所對應(yīng)的倒易點(diǎn)足夠偏離厄瓦爾德球面時(shí)，其附近的某個(gè)或某些倒易點(diǎn)又將靠近厄瓦爾德球面；另一方面，隨著樣品厚度的減小，倒易桿拉長，更容易產(chǎn)生較強(qiáng)的衍射，而且樣品越薄則越難完全代表大塊材料的性質(zhì)，所以衍襯分析時(shí)樣品通常不應(yīng)制得太薄?？梢姡眠\(yùn)動(dòng)學(xué)理論解釋衍襯在大多數(shù)情況下都是近似的。為滿足上述基本假設(shè)，在實(shí)踐上可通過以下兩條途徑實(shí)現(xiàn)：2021/3/734①使樣品晶體處于足夠偏離布拉格條件的位向，以避免產(chǎn)生強(qiáng)的衍射①雙束條件，即除直射束外只激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)衍射束的成像條件。由上述討論可知，對薄晶體樣品雙束條件實(shí)際上是達(dá)不到的。實(shí)踐上只能獲得近似的雙束條件。因此，用于成像的衍射束應(yīng)具有較大的偏離參量，使其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于直射束強(qiáng)度，以近似滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求；另一方面該衍射束的強(qiáng)度應(yīng)明顯高于其它衍射束的強(qiáng)度，以近似滿足雙束條件；②柱體近似，即在計(jì)算樣品下表面衍射波強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)將樣品分割為貫穿上下表面的一個(gè)個(gè)小柱體(直徑約2nm)，而且相鄰柱體中的電子波互不干擾。為進(jìn)一步簡化計(jì)算，采用兩個(gè)近似處理方法：2021/3/735①雙束條件，即除直射束外只激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)衍射束的成像條件。由上

素材和資料部分來自網(wǎng)絡(luò)，如有幫助請下載!2021/3/736素材和資料部分來自網(wǎng)絡(luò)，如有幫助請下載!202第二十二章透射電子顯微分析

2021/3/737第二十二章透射電子顯微分析2021/3/71電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡掃描電子顯微鏡(SEM)可簡稱掃描電鏡電子探針X射線顯微分析儀簡稱電子探針(EPA或EPMA)：波譜儀(波長色散譜儀，WDS)與能譜儀(能量色散譜儀，EDS)電子激發(fā)俄歇電子能譜(XAES或AES)2021/3/738電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式出現(xiàn)，如：高分辨電鏡（HRTEM）透射掃描電鏡（STEM）分析型電鏡（AEM）等等。入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：平行束：透射電鏡成像及衍射會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEM的形式2021/3/739透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造

一、工作原理成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。由于電子波長極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。2021/3/740第一節(jié)透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造一、工作原理2021圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖2021/3/741圖9-2透射電子顯微鏡光路原理圖2021/3/75二、構(gòu)造

TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成。2021/3/742二、構(gòu)造TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電1.電磁透鏡

能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（electronlens）

靜電透鏡電子透鏡恒磁透鏡磁透鏡

電磁透鏡

2021/3/7431.電磁透鏡能使電子束聚焦的裝置稱為電子透鏡（elect（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)

圖9-3電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2021/3/744（1）電磁透鏡的結(jié)構(gòu)2021/3/78（2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)

（9-1）式中：u、v與f——物距、像距與焦距。（9-2）式中：V0——電子加速電壓；R——透鏡半徑；NI——激磁線圈安匝數(shù)；A——與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)。

2021/3/745（2）電磁透鏡的光學(xué)性質(zhì)2021/3/79成像電子在電磁透鏡磁場中沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)，而可見光是以折線形式穿過玻璃透鏡。因此，電磁透鏡成像時(shí)有一附加的旋轉(zhuǎn)角度，稱為磁轉(zhuǎn)角。物與像的相對位向?qū)?shí)像為180，對虛像為。電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強(qiáng)度降低、焦距變長(由f1變?yōu)閒2）。2021/3/746電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。減小激磁電流（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)

（9-3）式中：A——常數(shù)；——照明電子束波長；Cs——透鏡球差系數(shù)。r0的典型值約為0.25~0.3nm，高分辨條件下，r0可達(dá)約0.15nm。

2021/3/747（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)2021/3/7112.照明系統(tǒng)

作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電子束。組成：電子槍和聚光鏡

鎢絲熱電子源電子源LaB6場發(fā)射源2021/3/7482.照明系統(tǒng)作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的照明電圖9-5熱電子槍示意圖燈絲和陽極間加高壓，柵極偏壓起會(huì)聚電子束的作用，使其形成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉2021/3/7492021/3/713圖9-6雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖

2021/3/7502021/3/7143.成像系統(tǒng)

由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡。

2021/3/7513.成像系統(tǒng)由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè)圖9-7透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏(b)將顯微像投影到熒光屏2021/3/7522021/3/716三、選區(qū)電子衍射

圖9-8在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實(shí)現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖2021/3/753三、選區(qū)電子衍射2021/3/717選區(qū)衍射操作步驟（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦（2）使物鏡精確聚焦（3）獲得衍射譜2021/3/754選區(qū)衍射操作步驟（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦2021第二節(jié)樣品制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。

要求：（1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100~200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。2021/3/755第二節(jié)樣品制備TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。2一、間接樣品(復(fù)型)的制備

對復(fù)型材料的主要要求：①復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；②有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。③復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。2021/3/756一、間接樣品(復(fù)型)的制備對復(fù)型材料的主要要求：2021/復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：一級復(fù)型二級復(fù)型萃取復(fù)型（半直接樣品）

2021/3/757復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：2021/3/72圖9-14塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖

2021/3/7582021/3/722萃取復(fù)型2021/3/7592021/3/723二、直接樣品的制備

1.粉末樣品制備粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開來，各自獨(dú)立而不團(tuán)聚。膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對研并突然抽開，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察。支持膜分散粉末法：需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。2021/3/760二、直接樣品的制備1.粉末樣品制備2021/3/7242.晶體薄膜樣品的制備一般程序：(1)初減薄——制備厚度約100~200m的薄片；(2)從薄片上切取3mm的圓片；(3)預(yù)減薄——從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m；(4)終減薄。2021/3/7612.晶體薄膜樣品的制備一般程序：2021/3/725圖9-15雙噴電解拋光裝置原理圖

2021/3/7622021/3/726圖9-16離子減薄裝置原理示意圖2021/3/7632021/3/727第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度

一、成像操作

圖9-17成像操作光路圖（a）明場像(b)暗場像(c)中心暗場像2021/3/764第三節(jié)透射電鏡基本成像操作及像襯度一、成像操作202二、像襯度像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射?？煞譃椋?/p>

質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源振幅襯度

衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源相位襯度

2021/3/765二、像襯度像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。202圖9-18質(zhì)厚襯度成像光路圖

2021/3/7662021/3/730圖9-19衍射襯度成像光路圖

2021/3/7672021/3/731第四節(jié)電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論透射電鏡衍射襯度是由樣品底表面不同部位的衍射束強(qiáng)度