透射电镜在材料分析中的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Zhengzhou university,材料物理实验室,透射电镜在材料分析中的应用,透射电镜的一般知识,TEM,工作原理,透射电镜的结构,电子衍射物相分析,电子显微衬度像,基本概念补充,应用举例,透射电镜样品制备,透射电镜的一般知识,什么是,TEM?,TEM,发展简史,为什么要用,TEM?,什么是,TEM?,透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。,TEM,发展简史,1924,年,de Broglie,提出波粒二象性假说,1926 Busch,指出,“,具有轴对称性的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像,”,。,1927 Davisson&Germer,Thompson and Reid,进行了电子衍射实验。,1933,年柏林大学的,Knoll,和,Ruska,研制出第一台电镜（点分辨率,50nm,比光学显微镜高,4,倍,),，,Ruska,为此获得了,Nobel Prize,（,1986,）。,1949,年,Heidenreich,观察了用电解减薄的铝试样；,TEM,发展简史,德布罗意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢？光的波粒二象性是不是可以推广到电子这类的粒子呢？,“,物质波,”,的新概念,物质波的波长公式,h/P,例：质量,m,=50Kg,的人，以,v,=15 m/s,的速度运动，试求人的德布罗意波波长。,人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。,电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大,200,万倍。,例：求静止电子经,200kV,电压加速后的德波波长。,解：静止电子经电压,U,加速后的动能,1927,年,C.J.Davisson&G.P.Germer,戴维森与革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。,德布罗意波的实验验证,-,电子衍射实验,1,探测器,电子束,电子枪,镍单晶,屏,P,多晶薄膜,高压,栅极,阴极,德布罗意波的实验验证,-,电子衍射实验,2,同时英国物理学家,G.P.Thompson&Reid,也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象,X,射线一样产生衍射现象。,德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得,1929,年的诺贝尔物理学奖，,Davisson,和,Thompson,则共同分享,1937,年的诺贝尔物理学奖金。,近代,TEM,发展史上三个重要阶段,像衍理论,(50,60,年代,),：英国牛津大学材料系,P.B.Hirsch,M.J.Whelan,；英国剑桥大学物理系,A.Howie(,建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度理论）,高分辨像理论（,70,年代初）：美国阿利桑那州立大学物理系,J.M.Cowley,，,70,年代发展了高分辨电子显微像的理论与技术。,高空间分辨分析电子显微学,70,年代末，,80,年代初）,:,采用高分辨分析电子显微镜,(HREM,，,NED,，,EELS,EDS),对很小范围（,5,）的区域进行电子显微研究,(,像，晶体结构，电子结构，化学成分,),各国代表人物,美国伯克莱加州大学,G.Thomas,将,TEM,第一个用到材料研究上。,日本岗山大学,H.Hashimoto,日本电镜研究的代表人。,中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、朱静。,国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理所）、沈阳金属所、清华大学等。,为什么要用,TEM?,可以实现微区物相分析。,GaP,纳米线的形貌及其衍射花样,高的图像分辨率。,纳米金刚石的高分辨图像,不同加速电压下电子束的波长,V(kV),(,),100,0.0370,200,0.0251,300,0.0197,1000,0.0087,获得立体丰富的信息。,三极管的沟道边界的高分辨环形探测器（,ADF,）,图像及能量损失谱,不同结构表征手段对比,波长,分辨率,聚焦,优 点,局限性,OM,4000,8000,2000,可,简单，直观,只能观察形态,不能做微区成份分析,RD,0.1,100,无,相分析简单精确,无法观察形貌,EM,0.0251,(200kV),TEM,：,0.9-1.0,可,组织分析,;,物相分析,(,电子衍射,);,成分分析,(,能谱,波谱,电子能量损失谱,),价格昂贵,不直观,操作复杂,;,样品制备复杂,成像原理,阿贝成像原理,平行光束受到有周期性特征物体的散射作用形成各级衍射谱。,(,同级平行散射波经过透射后都聚焦在后焦面上同一点，形成衍射振幅的极大值,s2,s1,s0,s1,s2,),。,各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。,两种工作模式,在电子显微镜中，用电子束代替平行入射光束，用薄膜状的样品代替周期性结构物体，就可重复以上衍射成像过程。,在,TEM,中，改变中间镜的电流。使中间镜的物平面从一次像平面移向物镜的后焦面，可得到衍射谱，反之，让中间镜的物面从后焦面向下移到一次像平面，就可看到像。这就是为什么,TEM,既能得到衍射谱又能观察像的原因。,TEM,电子光学部分,真 空 部 分,电 子 部 分,照明、成象、观察和记录,机械泵、扩散泵、吸附泵、真空测量、显示仪表,高压电源、透镜电源、真空电源、辅助电源、安全系统、总调压变压器,核心,辅助,辅助,透射电镜的结构,透射电镜的结构,电子光学部分,真空部分,电源与控制系统,电磁透镜的工作原理,电子光学部分,A,照明系统,电子枪,聚光镜,B.,成像系统,物镜,(Objective lens),中间镜,(Intermediate lens),投影镜,(Projector lens),C.,观察和记录系统,阴极发射电子,阳极加速,聚光镜会聚,作用样品,物镜放大,中间镜放大,投影镜放大,荧光屏成像,照相记录,照明系统,电子枪,聚光镜,为成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑。,亮度,由电子发射强度决定,大小,主要由聚光镜的性能决定。,成像系统,-,物镜,形成第一幅电子像或衍射谱，它还承担了物到像的转换并加以放大的作用，既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数,(100 x-200 x),。物镜光栏在后焦面附近,样品,物镜,物镜光阑,中间镜,目镜,荧光屏,成像系统,-,物镜光栏,挡掉大角度散射的非弹性电子，减少色差和球差，提高衬度,成像系统,-,物镜光栏,选择后焦面上的晶体样品衍射束成像，获得明、暗场像。,明场像和暗场像,TEM,图像分为显微像和衍射花样。前者是透射电子成像，后者为散射电子成像。,明场,像,(BF),：直射电子成像，像清晰。,暗场,像,(DF),：散射电子成像，像有畸变、分辨率低。,明场像和暗场像,成像电子的选择是通过在,物镜,的,背焦面,上插入,物镜光阑,来实现的。,中心暗场,像,(CDF),：入射电子束对试样倾斜照明，得到的暗场像。像不畸变、分辨率高。,暗场像,明场像,成像系统,-,中间镜,弱激磁长焦距,可变倍率,透镜。作用是把物镜形成的一次中间像或衍射谱投射到投影镜的物平面上。,EM,的中间镜控制总放大倍数,M=M0,MI,Mp,成像系统,-,投影镜,短焦距强磁透镜。把经中间镜形成的二次中间像及衍射谱投影到荧光屏上，形成最终放大的电子像及衍射谱。,观察和记录系统,观察,:,荧光屏，小荧光屏和,5-10,倍的光学放大镜。,记录：,底片,:,典型的颗粒乳剂，由大约,10%,的卤化银颗粒分散在厚度约为,25,m,的明胶层中,TV camera:,可做动态记录。,CCD(Charge-Coupled Device)camera:,其最大特点是可以加工信息，缺点是速度慢及价格贵。,Imaging plate(IP),若将,TEM,像摄在专门的,negative(IP),上，取下,IP,，放入专用的照相处理机上。马上印出相片，像的质量比普通胶片好。,真空部分,需要真空的原因：,高速电子与气体分子相互作用导致电子散射，引起炫光和减低像衬度,电子枪会发生电离和放电，使电子束不稳定；,残余气体会腐蚀灯丝，缩短其寿命，且会严重污染样品。,样品室要求真空度,:,10,7,torr,UHV TEM,10,-9,torr,FEG TEM Gun 10,-11,to,电源与控制系统,供电系统主要用于提供两部分电源：,一是电子枪加速电子用的小电流高压电源；,一是透镜激磁用的大电流低压电源。,电磁透镜的工作原理,电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静电透镜，用电磁场成像的称为电磁透镜。,由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透镜。,磁场强度沿简单螺旋管、包壳透镜和极靴透镜的轴向分布,运动电子在磁场中受到,Lorentz,力作用，其表达式为：,式中,:e-,运动电子电荷；,v-,电子运动速度矢量；,B-,磁感应强度矢量；,F-,洛仑兹力,F,的方向垂直于矢量,v,和,B,所决定的平面，力的方向可由右手法则确定。,电磁透镜的工作原理,电子在均匀磁场的运动方式,电磁透镜的磁场,电磁透镜可以放大和汇聚电子束，是因为它产生的磁场沿透镜长度方向是不均匀的，但却是轴对称的，其等磁位面的几何形状与光学玻璃透镜的界面相似，使得电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的光学性质。,电子衍射物相分析,电子衍射花样的形成,电子衍射的基本公式,各种结构的衍射花样,选区电子衍射,衍射花样分析,电子衍射花样的形成,电子衍射花样实际上是晶体的倒易点阵与衍射球面相截部分在荧光屏上的投影,电子衍射图取决于倒易阵点相对于衍射球面的分布情况。,电子衍射的基本公式,由于电子束波长很短，衍射球的半径很大，在倒易点阵原点,O,附近，衍射球面非常接近平面。,在恒定的实验条件下，是一个常数，称为衍射常数,各种结构的衍射花样,单晶体的衍射花样,不同入射方向的,C,ZrO,2,衍射斑点,(a)111;(b)011;(c)001;(d)112,多晶材料的电子衍射,NiFe,多晶纳米薄膜的电子衍射,(a),晶粒细小的薄膜,(b),晶粒较大的薄膜,非晶态物质衍射,典型的非晶衍射花样,选区电子衍射,NiAl,多层模的组织形貌（,a,），大范围衍射花样,(b),，,单个晶粒的选区衍射,(c),电子束的光路具有可逆回溯的特点。,如果在物镜的像平面处加入一个选区光阑，只有,A,B,范围内的成像电子能通过选区光阑,并最终在荧光屏上形成衍射花样,这一部分花样实际上是由样品上,AB,区域提供的，所以在像平面上放置选区光阑的作用等同于在物平面上放置一个光阑。,衍射花样分析,多晶体结构分析,单晶体结构分析,复杂电子衍射花样,多晶体结构分析,多晶体的,hkl,倒易点是以倒易原点为中心，,(hkl),晶面间距的倒数为半径的倒易球面,.,此球面与,Ewald,反射球面相截于一个圆，所有能产生衍射的斑点都同理扩展成圆，所以多晶的衍射花样是一系列同心的环,.,环半径正比于相应晶面间距的倒数,立方晶系中环的半径,简立方：,N=1,2,3,4,5,6,8,9,10,11,12,13,14,16 17 18,bcc:h+k+l=,偶数，,F,0,N=2,4,6,8,10,12,14,16 18,fcc:hkl,全奇数或全偶数,F,0 ,N=3,4,8,11,12 16,多晶衍射花样的标定,测量环的半径,R;,计算及 ，其中 为直径最小的衍射环的半径，找出最接近的整数比规律，由此确定了晶体的结构类型，并可写出衍射环的指数；,根据 和 值可计算出不同晶面族的 。根据衍射环的强度确定,3,个强度最大的衍射环的,d,值，借助索引就可找到相应的,ASTM,卡片。全面比较,d,值和强度，就可最终确定晶体是什么物相。,例如,已知,L,17.00mm,测得环半径为,8.42mm,11.88mm,14.52mm,16.84mm,18.88mm,确定此多晶物体的物相。,R(mm)R,2,(mm,2,)N d(,实验,)I/I1(,实验,)d(,查表,)I/I1(,查表,),8.42 70.90 2 2.02 100 2.01 100,11.81 141.1 4 1.44 20 1.41 15,14.52 210.8 6 1.17 40 1.17 38,16.84 283.6 8 1.01,18.88 356.5 10 0.9,由,N,的比值确定为,bcc,结构，由,d=L,/R,得到,d=2.0-2.5,发现,Fe,的数据符合，确定此多晶物相为,Fe,。,单晶体结构分析,单晶体结构分析的理论依据为：单晶电子衍射谱相当于一个倒易平面，每个衍射斑点与中心斑点的距离符合电子衍射的基本公式：，从而可以确定每个倒易矢量对应的晶面间距和晶面指数；,两个不同方向的倒易点矢量遵循晶带定律：，因此可以确定倒易点阵平面 的指数；该指数也是平行于电子束的入射方向的晶带轴的指数。,已知晶体结构，确定晶面取向,1),测量距离中心斑点最近的三个衍射斑点到中心斑点的距离,2),测量所选衍射斑点之间的夹角,3),将测得的距离换算成面间距,(Rd=L,),4),将求得的,d,值与具体物质的面间距表中的,d,值相对照,(,如,PDF,卡片,),，得出每个斑点的,HKL,指数。,5),决定离中心斑点最近衍射斑点的指数。若,R1,最短，则相应斑点的指数可以取等价晶面,H,1,K,1,L,1,中的任意一个,(H,1,K,1,L,1,),；两者的夹角,6),决定第二个斑点的指数。第二个斑点的指数不能任选，因为它和第一个斑点间的夹角必须符合夹角公式。对立方晶系来说，两者的夹角,7),决定了两个斑点，其它斑点可以根据矢量运算法则求得；,8),根据晶带定理，求晶带轴的指数，即零层倒易截面法线的方向。,例子,已知纯镍,(fcc),的衍射花样,(a=0.3523nm),相机常数,L,为,1.12mm,nm,。确定该衍射花样的晶带轴,解：,（,1,）各衍射斑点离中心斑点的距离为：,r,1,=13.9mm,r,2,=3.5mm,r,3,=14.25mm,。,（,2,）夹角,1,=82,o,，,2,=76,o,，,（,3,）由,rd=L,算出,d,i,:,d,1,=0.0805nm,查表得,331,d,2,=0.2038nm,查表得,111,d,3,=0.0784nm,查表得,420,(4),任意确定,(H,1,K,1,L,1,),为,(111),，,(5),试选,(H,2,K,2,L,2,),为,符合实测值，而其他指数如 、,不符合夹角要求。,(6),根据矢量运算,(7),由晶带定律可求得晶带方向为,:,未知结构的物相鉴定,一张电子衍射图能列出三个独立的方程,(,两个最短的倒易矢量长度和它们之间的夹角,),；而一个点阵单胞的参数有六个独立变量；,从另一个角度来看，一张电子衍射图给出的是一个二维倒易面，无法利用二维信息唯一地确定晶体结构的三维单胞参数；,因此从一张电子衍射图上无法得到完整的晶体结构的信息。,为了得到晶体的三维倒易点阵需要绕某一倒易点阵方向倾转晶体，得到包含该倒易点阵方向的一系列衍射图，由它们重构出整个倒易空间点阵。,具体操作时，应在几个不同的方位摄取电子衍射花样，保证能测出长度最小的八个,R,值。根据公式 ，将测得的距离换算成面间距,d,；查,ASTM,卡片和各,d,值都相符的物相即为待测的晶体。,标准花样对照法,将实际观察到的衍射花样直接与标准花样对比，写出斑点的指数并确定晶带轴的方向。,所谓标准花样就是各种晶体点阵主要晶带的倒易截面，它可以根据晶带定理和相应晶体点阵的消光规律绘出。,一个较熟练的电镜工作者，对常见晶体的主要晶带标准衍射花样是熟悉的。因此，在观察样品时，一套衍射斑点出现,(,特别是当样品的材料已知时,),，基本可以判断是哪个晶带的衍射斑点。,复杂电子衍射花样,超点阵花样,高阶劳厄带,菊池线。,超点阵花样,在,AuCu,3,有序相中,晶胞中四个原子的位置分别确定地由一个,Au,原子和三个,Cu,原子所占据。,所以，当,H,K,L,全奇全偶时，；,而当,H,H,L,有奇有偶时，,并不消光。,超点阵花样,无序相,(a),和有序相,(b),的,001,方向的衍射花样,高阶劳厄斑点,高阶劳厄带的形成机理（,a,）和一阶劳厄带与,零阶劳厄带共存的衍射花样（,b,）,高阶劳厄带的特点,高阶劳厄带的衍射斑点与零阶劳厄带的斑点有相同的分布和对称性，只是有一个相对的位移；,正的高阶劳厄带的衍射斑点在零阶劳厄带的斑点外侧，负的高阶劳厄带的衍射斑点靠近透射斑点。,菊池衍射图,90,Kikuchi band,Kikuchi lines,菊池线的产生机理,入射电子在晶体,中遭受非弹性散射,散射强度,随散射方向而变,遭受非弹性散射的,电子再次受到晶面,的弹性散射,(Bragg,衍射,),Kikuchi,线,亮线,暗线,菊池线的几何特征,(1)hkl,菊池线对与中心斑点到,hkl,衍射斑点的连线正交，而且菊池线对的间距与上述两个斑点的距离相等。,Rd,=,L,(2),一般情况下，菊池线对的增强线在衍射斑点附近，减弱线在透射斑点附近。,(3)hkl,菊池线对的中线对应于,(hkl),面与荧光屏的截线。两条中线的交点称为菊池极，为两晶面所属晶带轴与荧光屏的交点。,(4),倾动晶体时，菊池线好象与晶体固定在一起一样发生明显的移动。精度达,0.1,衬度定义,四种衬度,质厚衬度,衍射衬度,相位衬度,原子序数衬度,电子显微衬度像,衬度,(contrast),定义,衬度（,contrast,）定义：两个相临部分的电子束强度差,对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。,当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。,四种衬度,试样厚度,100,时，振幅衬度为主；试样厚度,分辨率,20,Z contrast,质量,厚度衬度,(Mass-thickness contrast),：由材料的质量厚度差异造成的透射束强度差异而产生的衬度,(,主要用于非晶材料,),。,对于非晶样品,入射电子透过样品时碰到的原子数目越多,(,或样品越厚,),样品原子核库仑电场越强,(,或原子序数或密度越大,),被散射到物镜光阑外的电子就越多,而通过物镜光阑参与成像的电子强度就越低,即衬度与质量、厚度有关,故叫质厚衬度。,质厚衬度,The mass and thickness contrast of In,x,Ga12,x,As QDs on a GaAs surface,.,质厚衬度的公式,衬度与原子序数,Z,，密度,，厚度,t,有关。用小的光阑,(,小,),衬度大；降低电压,V,，能提供高衬度,衍射衬度,(Diffraction contrast),：由试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅不同而产生,(,主要用于晶体材料,),。,晶粒,A,与入射束不成布拉格角，不产生衍射，透射束强度,I,A,=I,0,；晶粒,B,与入射束满足布拉格衍射，衍射束强度为,I,hkl,，透射束强度,I,B,=I,0,-I,hkl,。如果让透射束通过,物镜光阑,，挡住衍射束，,A,晶粒比,B,晶粒亮,(,明场象,),。如果让,hkl,衍射束通过物镜光阑，挡住透射束，,B,晶粒比,A,晶粒亮,(,暗场像,),相位衬度,(Phase contrast),：试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们重新组合，使相位差转换成强度差而形成。,样品厚度,100,纳米时，衍射波振幅甚小，透射波振幅几乎与入射波相同。,衍射波与透射波的相位差为,2,。如果物镜没有象差，且处于正焦状态，光阑又足够大，合成波与入射波相位位置稍有不同，但振幅没变，没有衬度。,如果引入附加相位，使所严生的衍射波与透射波处于相等的或相反的相位位置，透射波与衍射波相干就会导致振幅增加或减少，从而使象强度发生变化，相位衬度得到了显示。,引入附加相位位移的方法：物镜的球差和欠焦量。,由于透镜球差引入的程差,如果观察面位于象面之下,(,物镜欠焦,f),，引进的程差则是,DC-D,C,-0.5,f,2,适当选择欠焦量，使两种效应引起的附加相位变化是,(2n,1),2,，就可使相位差转换成强度差，使相位衬度得以显现。,ABC,ABC,C,4,High resolution trans-mission electron micros-copy of BaTiFeO natural magnetic multilayers.The highly periodic Fe-rich layers(yellow)are separated by a Ba-rich phase(blue).,相位衬度,-,原子像,HRTEM Image of a T1 Precipitate Plate(one unit-cell thick)in an Al-Cu-Li Alloy,相位衬度,-,原子像,相位衬度,-,原子像,多孔硅的截面像。（,a,）低倍像，（,b,）到（,e,）为渐次离开表面处的高分辨像。,多孔硅的电子能量损失谱（,a,）硅,L2,3,峰和（,b,）氧,k,峰,相位衬度,-,原子像,Carbon Nanotube,原子序数衬度,(Z contrast),：衬度正比于,Z,2,。相位衬度和振幅衬度同时存在。,Z,衬度基于扫描透射电子显微术,(STEM):,电子束扫描,环形暗场探测器。,TEM,的像来源于当精细聚焦电子束,(2,),扫描样品时,逐一照射每个原子柱,在环形探测器上产生强度的变化图,从而提供原子分辨水平的图像。,原子序数衬度,当探测高角度散射信号时,探测器上的强度主要来自声子散射项,每一个被照明的原子柱的强度与热漫反射散射截面,(),直接相关，的值等于在探测器的环形范围内对原子类型因子进行积分,为原子对于弹性散射的波形系数，,同原子序数成正比，因此,TEM,提供了原子序数衬度，衬度比例于原子序的平方。,GaAs,1.4,As,Ga,Z=31,Z=33,001,取向,Al-3.3wt%Cu,合金,GP,区，较亮像点对应于,Cu,原子,原子序数衬度,TEM,衍衬分析必须的条件,必须有一个孔径足够小的物镜光阑,(d10-30,m),；,样品必须在适当的角度范围内可任意倾斜，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的合适条件；,应有方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束。,必须有可倾斜的照明系统,(,中心暗场象,),，目前多用电磁偏转系统来实现。,基本概念补充,倒易点阵,布拉格方程：,倒易矢量 与晶体点阵的关系,g,R,正空间,倒空间,晶带正空间与倒空间对应关系图,将所有,hkl,晶面相对应的倒易点都画出来,就构成了倒易点阵,过,O,*,点的面称为,0,层倒易面,上、下和面依次称为,1,，,2,层倒易面。正点阵基矢与倒易点阵基矢之间的关系,：,aa,*,=bb,*,=cc,*,=1,ab,*,=ac,*,=ba,*,=bc,*,=ca,*,=cb,*,=0,g=ha,*,+kb,*,+lb,*,晶体点阵和倒易点阵实际是互为倒易的,r=,u,a+,v,b+,w,c,rg=,hu+kv+lw=N,与正点阵的关系,晶带定律,rg,=0,，狭义晶带定律，倒易矢量与,r,垂直，它们构成过倒易点阵原点的倒易平面,rg,N,，广义晶带定律,倒易矢量与,r,不垂直。这时,g,的端点落在第非零层倒易结点平面。,注,：,书上为第,N,层不妥，第,1,层的,N,值可以为,2,。,与 的关系示意图,思考题,1,：已知两,g,1,、,g,2,，,均在过原点的倒易面上，求晶带轴,r,的,指数,UVW,思考题,2,：求两晶带轴构成的晶面,练习,二维倒易面的画法,以面心立方,(321),*,为例,.1,试探法求,(H,1,K,1,L,1,),及与之垂直的,(H,2,K,2,L,2,),(1-1-1),(2-8 10),；,.2,求,g1/g2,画,g1,g2,；,.3,矢量加和得点,(3 9 9),由此找出,(1 3 3),(2 6 6),；,.4,重复最小单元。,衍射花样与倒易面,(,图,2-7),平行入射束与试样作用产生衍射束,同方向衍射束经物镜作用于物镜后焦面会聚成衍射斑,.,透射束会聚成中心斑或称透射斑,.,2,q,2,q,2,q,入射束,试样,物镜,后焦面,象平面,图,2-7,衍射花样形成示意图,(,图,2-8),Ewald,图解法,:,A:,以入射束与,反射面,的交点为原点,作半径为,1/,的球,与衍射束交于,O,*,.,B:,在反射球上过,O,*,点画晶体的倒易点阵,;,C:,只要倒易点落在反射球上,即可能产生衍射,.,2,q,试样,入射束,厄瓦尔德球,倒易点阵,底板,图,2-8,电子衍射花样形成示意图,K-K,0,=g,r/f=tg2qsin2q2sinq=l/d,r=fl/d,r,=fl,g,R=Mr,R=Mfl/d=Ll/d,L=Mf,称为,相机常数,衍射花样相当于倒易点阵被反射球所截的二维倒易面的放大投影,.,从几何观点看，倒易点阵是晶体点阵的另一种表达式，但从衍射观点看，有些倒易点阵也是衍射点阵。,结构振幅,Bragg,定律是必要条件,不充分,如面心立方,(100),(110),体心立方,(100),(210),等,图,2-9,相邻两原子的散射波,r,=x,a,+y,b,+z,c,d,=r,(,l,K,g,-,l,K,0,),f,=2,p,d,/,l,=2,p,r,(K,g,-K,0,),F,g,=f,n,exp(i,f,n,),=f,n,exp2,p,r,(K,g,-K,0,),=f,n,exp2,p,r,(hx,n,+ky,n,+lz,n,),利用欧拉公式改写,F,g,2,=,f,n,cos,2p,(hx,n,+ky,n,+lz,n,),2,+,f,n,sin,2p,(hx,n,+ky,n,+lz,n,),2,常用点阵的消光规律,简单,无,面心点阵（,Al,Cu,）,h,k,l,奇偶混合,体心点阵（,a-,Fe,W,V,）,h+k+l=,奇数,hcp(Mg,Zr),h+2K=3n,和是奇数,Pay attention,晶体尺寸效应,当赋予倒易点以衍射属性时，倒易点的大小与形状与晶体的大小和形状有关，并且当倒易点偏离反射球为,s,时，仍会有衍射发生，只是比,s=0,时弱。,把晶体视为若干个单胞组成，且单胞间的散射也会发生干涉作用。,设晶体在,x,y,z,方向的边长分别为,t,1,t,2,t,3,(,下图,10,，,11),s=0,强度最大；,s=,1/t,强度为,0.,图,10,计算晶体尺寸效应单胞示意图,图,-11,沿 方向或 分布图,各种晶形相应的倒易点宽化的情况,小立方体,六角形星芒,小球体,大球加球壳，,盘状体,杆,针状体,盘,（参见图,2-12,）,问题,为什么,Ewald,球与倒易面相,切会有很多斑点,?,图,2-12,各种晶形相应倒易点宽化情形,晶形,小立方体,倒易空间的强度分布,球,盘,针状,衍射束,入射束,倒易杆,厄瓦尔德球,倒易空间原点,强度（任意单位）,图,2-14,薄晶的倒易点拉长为倒易杆产生衍射 的厄瓦尔德球构图,相机常数,分辨率,加速电压,(KV),60,80,100,200,500,1000,电子波长,(),0.0487,0.0418,0.037,0.025,0.014,0.0018,球差,球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。,原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为,r,S,的漫散圆斑。我们用,r,S,表示球差大小，计算公式为：,球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。,像散,像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。当极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。,将,RA,折算到物平面上得到一个半径为,rA,的漫散圆斑，用,rA,表示像散的大小，其计算公式为：,像散是可以消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。,色差,色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。,最小的散焦斑,R,C,。同样将,R,C,折算到物平面上，得到半径为,r,C,的圆斑。色差,r,C,由下式来确定：,引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。,景深,电磁透镜饿景深是指当成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离,当物点位于,O,处时，电子通过透镜在,O,处会聚。让像平面位于,O,处，此时像平面上是一像点；当物点沿轴线渐移到,A,处时，聚焦点则从,O,沿轴线移到了,A,处，由于像平面固定不动，此时位于,O,处的像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定电磁透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑半径,R,0,折算到物平面上的尺寸只要不大于,r,0,，像平面上就能成一幅清晰的像。,轴线上,AB,两点间的距离就是景深,D,f,。,由图,5-9,的几何关系可推导出景深的计算公式为：,焦长,焦长是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。,当物点位于,O,处时，电子通过透镜在,O,处会聚。让像平面位于,O,处，此时像平面上是一像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于,R,0,（折算到物平面上的尺寸不大于,r,0,），像平面上将是一幅清晰的像。此时像平面沿轴线前后可移动的距离为,DL,：由图,5-10,中几何关系得：,600 kx,150 kx,8 kx,1.2 kx,应用举例,半导体器件结构,Ion polished commercial Al alloy,Al-Cu metallization layer thinned on Si substrate,金属组织观察,.8 m,1 m,Si,纳米晶的原位观察,CdTe,中的晶体缺陷,纳米碳管的生长,SiC,晶体点阵中的,Er,原子团,Si,原子排列,分辨率,1.36,川崎博士 日本电子,沸石上的白金颗粒,玻璃的分相与析晶,钧瓷,TEM,样品制备,引言,TEM,应用,的深度和广度一定程度上取决于试样制备技术。,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。,电子束穿透固体样品的能力，主要取决于,V,和样品物质的,Z,。一般,V,越高，,Z,越低，电子束可以穿透的样品厚度越大。,对于,TEM,常用的,50,200kV,电子束，样品厚度控制在,100,200nm,，样品经,铜网,承载，装入样品,台,，放入样品,室,进行观察。,TEM,样品制备方法有很多，常用支持膜法、晶体薄膜法、复型法和超薄切片法,4,种。,支持膜法,粉末,试样多采用此方法。,将试样载在支持,膜,上，再用,铜网,承载。,支持膜的作用是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。,支持膜材料必须具备的,条件,：,无结构，对电子束的吸收不大；,颗粒度小，以提高样品分辨率；,有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。,常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸甲基乙烯酯等。,在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐热性，称为,加强膜,。,支持膜上的粉末试样要求,高度分散,，可根据不同情况选用分散方法：,悬浮,法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。,散布,法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩下的就分散在支持膜上。,晶体薄膜法,块状,材料多采用此方法。,通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品。,薄膜样品制备方法,要求,：,制备过程中不引起材料组织的变化。,薄，避免薄膜内不同层次图像的重叠，干扰分析。,具有一定的强度。,薄膜样品制备,步骤,：,切取：切取薄,块,（厚度,0.5mm,）,预减薄：用机械研磨、化学抛光、电解抛光减薄成,“,薄,片,”,（,0.1mm,）,终减薄：用电解抛光、离子轰击减薄成,“,薄,膜,”,（,500nm,）,避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。终减薄时去除损伤层。,终减薄方法,双喷式电解抛光减薄 离子减薄,复型法,在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样采用此方法。,用对电子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种,间接,样品制备方法。,复型材料和支持膜材料相同。,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。,一级复膜,塑料,一级,复型,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。,分辨率低（,10,20nm,），,电子束照射下易分解和破裂。,碳,一级,复型,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。,把样品放入配好的分离液中进,行电解或化学分离。,分辨率高（,2,5nm,），,电子束照射下不易分解和,破裂，样品易遭到破坏。,二级复型,先一次复型，然后进行二,次碳复型，把一次复型溶去，,得到第二次复型。,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。,塑料,-,碳,二级复型,塑料,-,碳二级复型结合两种一级复型的优点。不破坏样品原始表面；最终复型碳膜，稳定性和导电导热性都很好，电子束照射下不易分解和破裂；分辨率和塑料一级复型相当。,适于粗糙表面和断口的复型。,二级复型照片,二级复型照片,萃取复型,用碳膜把经过深度侵蚀,（溶去部分基体）试样表,面的,第二相粒子,黏附下来。,既复制表面形貌，又,保持第二相分布状态，并,可通过电子衍射确定物相。,兼顾了复型膜和薄膜的优点。,冷冻复型技术流程,化学固定,防冻保护,样品冷,冻和断裂,冷冻蚀刻,和冷冻复型,复型膜剥,离和捞膜,图,2,注意,根据复型像分析试样表面的形貌、结构，应注意复型方法。,同一试块，方法不同，得到复型像和像的强度分布差别很大，根据选用的方法,正确解释,图像。,复型观察断口比,SEM,清晰，复型金相组织和光学金相组织之间的相似，使复型电镜分析技术至今为人们所采用。,谢谢大家,