电子显微分析2-透射电镜构造及样品制备.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,*,第二章 透射电子显微镜,Transmission electron microscope(TEM),透射电镜的直立积木式结构,镜筒的复杂程度取决于显微镜的综合性能,目前大多数,TEM,为电磁透镜，只要转动旋钮，可方便地改变相应透镜的激磁电流，从而改变电镜状态,成像基本原理,照明源,聚焦,与样品相互作用，成像,物镜放大,再放大,记录,结构,一、概述,图 中为,H-800,透射电子显微镜,二、照明系统,透射电子显微镜照明系统,:,电子枪、聚光镜、和相应平移对中，倾斜调节装置组成。,不同电子枪性能比较,Work function,Richardsons constant,Operation Temperature,2.,聚光镜,用来会聚电子枪射出的电子束。以最小的损失照明样品，调节照明强度，孔径角和束斑大小,a)b)c),50m,10m,5m,1m,2m,高性能透射电子显微镜都采用双聚光镜照明系统。如图,b),、,c),所示。,三、成像系统,透射电子显微镜成像系统一般由,物镜、中间镜、投影镜组成。,1,.,物镜、中间镜和投影镜,物镜,是最关键的，决定显微镜分辨本领的高低。通常采用强激磁、短焦距的物镜，像差小。还借助于物镜光阑和消像散器来进一步降低球差、消除像散、提高分辨本领。,中间镜,是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在,020,倍范围调节。,投影镜,提供尽可能大的放大倍数。它是强激磁、短焦距透镜。,2.,三级高放大倍数成像：,二十万倍左右的电子像。,3.,三级中放大倍数成像：,使物镜成像于中间镜之下，中间镜以物镜像为“虚像”，将其形成为缩小的实像于投影镜之上；投影镜以中间镜像为物，成像于荧光屏或照相底片上。获得几千至几万倍的电子像。,4.,二级低放大倍数成像：,关闭物镜，减弱中间镜激磁强度，中间镜起长焦距物镜作用，,100300,倍图像。,四、图像观察和记录系统,TEM,图像观察和记录系统,荧光屏,照相装置,底片,CCD,五、样品台,作用：承载样品，并使样品能在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。,要求：在照相曝光期间，样品的漂移量应小于相应情况下显微镜像的分辨率,样品台：,顶插式,侧插式（常用）,单倾,双倾,加热,冷却,拉伸,六 附加仪器系统,六 附加仪器系统,七、透射电子显微镜分辨本领和放大倍数的测定,是,TEM,两项主要性能指标，体现了仪器显示样品显微组织和结构细节的能力,如果样品和其它条件符合要求，,TEM,的分辨本领主要取决于操作者对像散的补偿能力,1.,消像散器,像散是透镜磁场非旋转对称所引起的，可以通过一个强度和方位可调的校正磁场来补偿消像散器,常用的是电磁消像散器,2.,费涅尔衍射条纹,产生原因：由于透过样品的入射波和孔洞边缘的散射波的干涉作用，在样品上的微孔洞边缘产生明暗相间的条纹，即，费涅尔条纹,通过费涅尔条纹消像散,物镜适焦时（正焦），获得清晰的无条纹的孔洞边缘像,过焦：暗环,欠焦：亮环,3.,分辨本领的确定,点分辨本领：,TEM,能分辨的粒子间最小间距除以总放大倍数，即为相应,TEM,的点分辨本领,晶格分辨本领的测定：利用已知样品（事先精确知道样品晶面间距）的不同晶面间距成像，可获得的最小晶格条纹像，即为晶格分辨本领,4.,放大倍数的测定,用衍射光栅复型作为标样，在一定的条件（加速电压，透镜电流等）下，拍摄标样的放大像，然后从底片上测量光栅条纹像的平均间距，与实际光栅条纹间距之比即为仪器相应条件下的放大倍数电镜构造的视频,第三章 透射电镜样品制备技术,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,100-200nm,范围,2,）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，透射电镜样品可分为间接样品和直接样品，制备方法有：,复型样品,间接样品,薄膜样品（电解双喷、离子薄化）,直接样品,粉末样品,一、概述,复型（间接）样品的制备,在透射电镜发展的早期，将透射电镜用于观察材料组织分析，首先遇到的问题是样品制备问题。因此，在,20,世纪,40,年代出现了“复型技术”。,复型是指将样品表面的浮凸复制于某种薄膜，可间接反映原样品的表面形貌特征的间接样品。,复型材料的要求：,1),本身是无定型或非晶态的；,2),具有足够的强度、刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能；,3),分子尺寸要尽量小，以利于提高复型的分辨率。,常用材料：非晶碳膜和各种塑料薄膜,三,.,复型图像衬度的改善,-,投影,四,.,塑料一级复型,五,.,碳一级复型,六,.,塑料,-,碳二级复型,七,.,抽取复型,八,.,氧化物复型,常用的复型方法,二、非晶体样品质厚衬度成像原理,衬度,：荧光屏或照相底片上，眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。,电子显微镜图像衬度,：投影到荧光屏或照相底片上不同区域电子强度不同。,非晶体与晶体中图像衬度来源不同,：在非晶体样品中，原子排列不规则，而晶体样品中原子是规则排列的，因此在两种样品情况下，透过样品参与成像的电子强度的计算不一样。,质量厚度衬度建立的基础,：,1.,透射电子显微镜小孔径角成像,.,2.,非晶体,样品中原子对入射电子的散射,.,1.,透射电子显微镜小孔径角成像,为确保透射电子显微镜的高分辨本领，采用小孔径角成像，通过在物镜背焦面上物镜光阑来实现。,物镜光阑将散射角大于,的电子挡掉，只允许散射角小于的电子参与成像。,2.,单个原子对入射电子的散射,a,）原子核对入射电子的散射,（弹性散射电子的质量比原子核小得多）,散射角,取决于瞄准距离,r,n,，原子核电荷,Ze,和入射电子加速电压,U,：,或,弹性散射截面,（,n,r,n,2,）：衡量一个孤立的原子核把入射电子散射到比,角大的角度去的能力。,b),核外电子对入射电子的散射,（非弹性散射）,散射角：,或,非弹性散射截面（,e,r,e,2,）：衡量一个孤立的核外电子把入射电子散射到比,大的角度外的能力。,c),原子对入射电子的散射,(,原子序数为,Z,的原子有,Z,个核外电子,):,一个孤立原子把电子散射到,以外的散射截面用,0,来表示,原子核电荷比较集中,原子序数越高,产生弹性散射的比例越大,3.,质厚衬度成像原理,推导非晶体样品的厚度，密度与成像电子强度的关系：,如果忽略原子之间的相互作用，则每立方厘米包含,N,个原子的样品的总散射截面为：式中,N,单位体积样品包含的原子数，,N=N,0,（,/A,）,(,密度；,A,原子量；,N,0,阿弗伽德罗常数,),；,0,原子散射截面。,那么，在面积,1cm2,，厚度为,dt,的样品体积内散射截面为：,它表示入射电子穿透,dt,厚度样品时，被散射到物镜光阑外的几率。,如果入射到,1cm,2,样品表面积的电子数为,n,，,当其,穿透,dt,厚度样品后有,dn,个电子被散射到光阑外，即其减小率为,dn/n,，,因此有：,或,由于样品很薄，对电子的吸收作用可以忽略不计。若入射电子总数为,n,0,（,t=0,），,由于受到,t,厚度的样品散射作用，最后只有,n,个电子通过物镜光阑参与成像。将上式写成积分形式：,积分得：,由于电子束强度,I=,ne(e,为电子电荷,),，因此上式可改写为：,上式说明强度为,I,0,的入射电子穿透总散射截面为,Q,，,厚度为,t,的样品后，通过物镜光阑参与成像的电子束强度,I,随,Qt,乘积增大而衰减。,讨论,：,1.,定义临界厚度概念,当,Qt=1,时，,我们把,叫做,临界厚度,，即电子在样品中受到单次散射的平均自由程。因此可以认为，,t,的样品对电子束是透明的，相应的成像电子强度为：,2.,定义质量厚度概念,由于,若定义,t,为,质量厚度,，也可以说，对于成分均匀的样品，参与成像的电子束强度,I,随样品质量厚度,t,增大而衰减。,3.,定义临界质量厚度概念,当,Qt=1,时,所以,若,Q,A,=Q,B,=Q,，,上式可简化为,一般认为肉眼能辨认的最低衬度应不小于,5%,，则复型必须具有的最小厚度差：,如果复型是由两种材料组成的，假定凸起部分总散射截面为,Q,A,，,此时复型图像衬度为：,电子强度差,I,A,=I,B,-I,A,（假定,I,B,为像背景强度）。习惯上以,I,A,/I,B,来定义图像中,A,区域的衬度（或反差），因此,因为,推导质厚衬度表达式,九,.,支持膜和粉末,(,或颗粒,),样品制备,十,.,复型电子显微镜图像分析,十一,.,复型技术在金相分析中的应用,十二,.,金属断口分析中复型技术,1.,支持膜,-,微栅,2.,把要观察的粉末或颗粒样品放到溶剂,(,酒精或丙酮,),中,3.,用超声波搅拌器将溶液搅拌为悬浮液,4.,用滴管把悬浮液放一滴到微栅上,5.,静置干燥后可到电镜中观察,样品的基本要求,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；,样品相对于电子束必须有足够的透明度,;,膜厚至少应包含二至三颗晶粒,；,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；,在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。,薄膜得到的图像应当便于分析；,制备方法必须便于控制。,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,穿透能力与电子的能量有关，即与加速电压有关。以,Fe,膜为例，,200kV,下，,500nm,；,1000kV,，,1500nm,。,样品太厚，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。,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,.,样品厚度要适当，对金属材料而言，样品厚度,500nm,。,薄膜样品的制备方法,一般分三个步骤：,(1),切薄片样品；,(2),预减薄；,(3),终减薄,（,1,）切（取）薄片样品从实物或大块试样上切割厚度一般厚约,200-300um,的薄片，,切割方法一般分两类,:,电火花线切割法,是目前使用最广泛的方法，工作过程如图所示，但只适用于导电材料,金刚石锯片切割机切片法,主要用于非导电材料，如陶瓷,（,2,）预先减薄,切取的样品薄片进行预先减薄有两种方法，即机械法和化学法。,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，待磨好后，用溶剂将粘接剂溶掉，然后翻转粘接继续磨制，直至要求厚度。磨制后的厚度控制：材料较硬，可磨至,70um,材料较软，厚度不能小于,100um,。,注意：,磨制过程中，要平稳，用力不要过大，注意冷却。,化学减薄,将切好的试篇放入配制好的化学试剂中，使其表面腐蚀而减薄。常用化学减薄液的配方见下表。,样品制备的工艺过程,优点：,表面无机械硬化层,速度快,厚度可控制在,20-50um,有利于终减薄,常用陶瓷试样的化学减薄液,材料,减薄液,适用温度（,）,Al,2,O,3,85%,正磷酸,500,TiO,2,苛性钠,550,MgO,95%,正磷酸,+5%,硫酸,100,SiO,2,50%,硝酸,+50%,氢氟酸,200,金刚石,王水,3,）终减薄,电解减薄,目前使用最广、效率最高、操作最简便的方法是双喷电解抛光法，其装置示意图如图所示。,工艺过程：,将预先减薄的样品冲出或剪成,3mm,的园片，并在其中心部位打凹坑后，装入试样夹持器。,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,电解减薄的控制参数：电压,V,、电流,I,、温度,T,，决定样品的质量,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,材料,减薄液,适用温度（,）,Al,2,O,3,85%,正磷酸,500,TiO,2,苛性钠,550,MgO,95%,正磷酸,+5%,硫酸,100,SiO,2,50%,硝酸,+50%,氢氟酸,200,金刚石,王水,大部分金属与合金可用双喷电解减薄，但以下情况不宜：,易于腐蚀的裂纹端试样,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，如复合材料、硬质合金等,易于脆断、不能清洗的试样,离子减薄,离子减薄就是用离子束在样品的两侧以一定的倾角（,5-30,）轰击样品，使之减薄。其工作原理如图所示。,适用范围：,不导电的陶瓷样品,要求质量高的金属样品,不宜双喷电解的金属与合金样品,工艺过程 将预先减薄的样品打凹坑后，装入样品台进行减薄 工艺参数控制：,工作电压：一般,5kV,工作电流：,0.1mA,束流：,50-100uA,减薄速率：金属，,1um/h,；陶瓷，,0.4um/h,试样转速：,30rpm:20,（开始时）；,7-8,（减薄末期）真空度：,210,-5,托,喷碳。陶瓷样的导电性差，观察之前需喷一层碳，否则，成像模糊。,习 题,透射电镜主要由几大系统构成,?,各系统之间关系如何,?,照明系统的作用是什么,?,它应满足什么要求,?,成像系统的主要构成及特点是什么,?,样品台的结构与功能如何,?,它应满足哪些要求,?,透射电镜中有哪些主要光阑,?,在什么位置,?,其作用如何,?,如何测定透射电镜的分辨率与放大倍数,?,电镜的哪些主要参数控制着分辨率与放大倍数,?,复型样品（一级及二级复型）是采用什么材料和什么工艺制备出来的？,复型样品在透射电镜下的衬度是如何形成的？,限制复型样品的分辨率的主要因素是什么？,说明如何用透射电镜观察超细粉末的尺寸和形态？如何制备样品？,举例说明复型技术在材料微观组织分析中的应用,分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜,(,像平面与物平面,),之间的相对位置关系，并画出光路图。,点分辨率和晶格分辨率有何不同,?,同一电镜的这两种分辨率哪个高,?,为什么,?,萃取复型样品可用来分析哪些组织结构？得到什么信息？,