现代材料分析测试技术 第07章 透射电镜IV小结.pdf

第7章 透射电镜 IV小结 孔 毅 2010年4月20日 商业化透射电镜分类 目前生产的透射电镜大致可分为三类 1 常规的TEM 加速电压为100 200千伏 代表性产品有 日本电子的JEM 2010 日立的H 8000 菲利浦的 CM200 FEI的TECNAI20 200千伏透射电镜的分辨率可 达1 9 2 中压TEM 加速电压为300 400千伏 代表性产品有日 本电子的JEM 3010 JEM 4000 日立的H 9000 H 9500 FEI的TECNAI F30 300千伏透射电镜的分辨率可 达1 7 400千伏透射电镜的分辨率可达1 63 3 高压TEM 加速电压为1000千伏 代表性产品有JEM 1000 日立还制造了世界上最大的3000千伏的透射电 镜 目前1000千伏的透射电镜最高分辨率可达1 目前用的最多的透射电镜是200千伏和300千伏的电镜 高压电镜由于价格昂贵 体积庞大 用的很少 电子光学部分 照明系统 成像系统 观察和记录系统 真空部分 各种真空泵 真空测量 显示仪表 供电控制部分 各种电源 安全系统 控制系统 透射电子显微镜就其总体可以分为三个部分 分别是 其中电子光学部分是电子显微镜的核心部分 真空和 电子学部分是辅助系统 3 成像系统成像系统 由物镜 中间镜 1 2个 和投影镜 1 2个 组成 成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光 屏上 通过调整中间镜的透镜电流 使中间镜的物平面与物镜的 背焦面重合 可在荧光屏上得到衍射花样 若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像 透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜 透射电镜样品制备 第三节 样品制备第三节 样品制备 TEM样品可分为间接样品和直接样品 要求 1 供TEM分析的样品必须对电子束是透明的 通常样品 观察区域的厚度以控制在约100 200nm为宜 2 所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材 料的某些特征 因此 样品制备时不可影响这些特征 如已 产生影响则必须知道影响的方式和程度 TEM样品制备在电子显微学研究工作中 起着至关重要的 作用 是非常精细的技术工作 样品制备在电子显微学研究工作中 起着至关重要的 作用 是非常精细的技术工作 2 晶体薄膜样品的制备晶体薄膜样品的制备 一般程序 1 初减薄 制备厚度约100 200 m的薄片 2 从薄片上切取 3mm的圆片 3 预减薄 从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄至 数 m 4 终减薄 电子衍射特点 相比较与X射线 衍射角小得多 穿透深度有限 可同时进行结构与形貌分析 电子衍射中轻重原子对电子散射本领差别小 强度分析复杂 难精确测定点阵常数 电子衍射原理电子衍射原理 反射球面视为平面 反射球面可以与同一倒易 面上的一组倒易结点相交 形 成一个倒易平面倒易点分布的 二维放大图形 倒易点 倒易杆 反射球面视为平面 反射球面可以与同一倒易 面上的一组倒易结点相交 形 成一个倒易平面倒易点分布的 二维放大图形 倒易点 倒易杆 相机常数 Rhkldhkl L L 是常数 叫做电子衍射相机常数 用途 已知相机常数 则只需测量出衍射斑与透射 斑的距离R 就可以求出晶面间距d 选区衍射分析 Selected Area Diffraction 选区方法 通过象平面上的选 区光栏来控制选区 选区可小至数十纳 米 应用 样品 小晶粒 析 出物相分析 选区光栏选区光栏 等效选区光栏等效选区光栏 样品 衍射平面衍射平面 常见电子衍射谱 单晶电子衍射谱 多晶电子衍射谱 多次衍射谱 高级劳厄带斑点 对称劳厄带 不对称劳厄带 重叠劳厄带 菊池线 多晶体衍射花样 单晶体衍射花样 非晶体衍射花样 电子衍射花样标定电子衍射花样标定 当结构已知时 通过衍射花样确定其取向 当结构未知时 通过衍射花样的分析来确定其结构和 点阵常数 当结构已知时 通过衍射花样确定其取向 当结构未知时 通过衍射花样的分析来确定其结构和 点阵常数 多晶体衍射花样的标定 步 骤 1 测量各个衍射环的直径2R 2 由公式d L R求出相应面间距 3 根据衍射环的排列 估计晶体结构或点阵类 型 确定晶面指数 4 根据晶面指数和面间距确定点阵常数 5 比对PDF卡片 得到结论 两个特征量 1 透射斑点与各衍射斑点间的距离 2 衍射斑点与透射斑点连线的夹角 薄晶 单 体电子衍射花样标定 4 任意确定某衍射点任意确定某衍射点1的的 hkl 薄晶 单 体电子衍射花样标定 1 测量各衍射点与中心点之距离测量各衍射点与中心点之距离 R 2 求各衍射点的求各衍射点的 R L d 3 对照对照JCPDS卡试标出各点的卡试标出各点的 hkl R1 R3 R2 hkl 5 用组成最小平行四边形 用组成最小平行四边形 试标试标另另2 3点的点的 hkl 之夹角 与之夹角 与Cos 的求值比 较 验正标定结果的正确性 的求值比 较 验正标定结果的正确性 7 按指数沿一定方向整数增大 标出其余各衍射点的 按指数沿一定方向整数增大 标出其余各衍射点的 hkl 21 gg rr 与与 8 用用 21 ggB rr r WVUB r 1 hkl R1 2 3 220 110 6 测量 求晶带轴 测量 求晶带轴 即相应的即相应的 hkl O 1 g r 2 g r 3 g r O 1 g r 2 g r 电子衍衬 对薄晶体对薄晶体 当薄晶体中各部位当薄晶体中各部位 晶粒晶粒 符合符合Bragg条件不同 时而产生的反差成为衍衬像 条件不同 时而产生的反差成为衍衬像 衍衬像衍衬像 薄 可透过 薄 可透过e 晶体 可衍射 晶体 可衍射 各部位 即取向差 小角晶界 晶粒取向 缺 陷近旁取向及晶面间距差等 各部位 即取向差 小角晶界 晶粒取向 缺 陷近旁取向及晶面间距差等 电子束散射能力强 所以电子束散射能力强 所以ED强度强度 XRD 几 个数量级 所以衬度大 几 个数量级 所以衬度大 思考问题 思考问题 XRD可以做衍衬形貌吗 可以做衍衬形貌吗 明场像 明场像 ID I0 ID 晶体中晶体中 hkl 与入射与入射e束成 束成 利用衬度光栏挡去利用衬度光栏挡去 DD III 0 Q 的不产生衍射不满足 的产生衍射满足 束穿越薄晶 的不产生衍射不满足 的产生衍射满足 束穿越薄晶 Bragg Bragg e 像仅让透射束成像 明场 像仅让衍射束成像 暗场 利用衬度光栏 像仅让透射束成像 明场 像仅让衍射束成像 暗场 利用衬度光栏 只有少数晶粒符合只有少数晶粒符合Bragg 呈暗像 呈暗像 多数晶粒不符合多数晶粒不符合Bragg 呈不同亮度 操作 呈不同亮度 操作 仅让仅让I0 ID透射束透射束成像 成像 符合符合Bragg方程 发生衍射方程 发生衍射ID ID 暗场像暗场像 中心暗场像中心暗场像 旁轴暗场像旁轴暗场像 位错 挛晶 电畴 共格相 位错 挛晶 电畴 共格相 试样试样 物镜物镜 衬度光栏衬度光栏 1 倾斜电子束的方法 倾斜电子束的方法 2 移动衬度光栏的方法 移动衬度光栏的方法 使符合使符合Bragg方程 发生衍射的晶粒成像 使符合方程 发生衍射的晶粒成像 使符合Bragg方程 发生衍射的晶粒成像 方程 发生衍射的晶粒成像 衍衬运动学理论 基本假设 双光束近似处理 一束是透射束 一束是衍射束 假定当电子通过晶体时 只存在一束衍射束且其反 射平面接近但不完全处于准确的布拉格位置 即偏 离矢量不等于零 柱体近似方法计算衍射强度 不考虑入射束与衍射束之间的相互作用 电子束在晶体样品内多次反射及吸收忽略不计 等厚条纹 等厚条纹 衍射强度随样品厚度的变化 衍射强度随样品厚度的变化 ID高 可再次衍射 高 可再次衍射 试样的厚度足以使电子束反复散射试样的厚度足以使电子束反复散射 条纹像条纹像 试样不同深度处对入射电子束 形成入射 衍射线强度交替变化 试样不同深度处对入射电子束 形成入射 衍射线强度交替变化 强 度 强 度 衍射线强度衍射线强度 入射线强度入射线强度 这个周期距离称为这个周期距离称为消光距离消光距离d 形成两股相互交叉在入射 衍射方向上的电子束 形成两股相互交叉在入射 衍射方向上的电子束 d AlN陶瓷的陶瓷的TEM显微像显微像 d等厚条纹等厚条纹 等倾干涉条纹 等倾干涉条纹 衍射强度随偏移矢量的变化 衍射强度随偏移矢量的变化 弯曲各部晶面与入射电子束 不同 弯曲各部晶面与入射电子束 不同 条纹像条纹像 强 度 强 度 入射电子束入射电子束 试样弯曲试样弯曲 受热或其他 薄片翘曲 受热或其他 薄片翘曲 衍射情况不同所出现的干涉条纹 衍射情况不同所出现的干涉条纹 符合符合Bragg条件不同 条件不同 AlN陶瓷的陶瓷的TEM显微像显微像 等倾干涉条纹等倾干涉条纹 不完整晶体的电子衍衬像 由于不完整性晶体的存在 改变了完整晶 体中原子正常排列状况 使得晶体中某一 区域的原子偏离了原来正常位置而产生晶 格畸变 晶格畸变使缺陷处晶面与电子束 相对方向发生了变化 使得晶面取向不同 于完整晶体的取向 于是在有缺陷区域和 无缺陷区域满足布拉格条件的程度不一 样 造成了衍射强度有差异 从而产生了 衬度 根据这种衬度效应 人们可以判断 晶体内存在什么缺陷和相变 晶体缺陷对电子衍射的影响晶体缺陷对电子衍射的影响 晶体中的缺陷可分为点缺陷 零维 线缺陷 一维 面缺陷 二维 和体缺陷 三维 点缺陷的正空间尺度可以是一个原子或原子 团 其几何尺度非常小 它对应的倒空间尺度 非常大 倒空间中半径为1 的反射球是包含在这个倒 易点中 全部的反射球面都与这个无限大的到 易点相交 所以点缺陷的衍射效应存在于整个 衍射图中 形成衍射图的背底 线缺陷 一维 对电子衍射的影响 一维的线缺陷 无论是刃型位错 螺型位错还是 混合型位错都是沿着某以晶体点阵方向发生的 可以用平行于正空间点阵一个点阵方向的直线来 代表 正空间的直线对应倒空间的一个二维倒易平面 应该理解成与某一个倒易点阵平面平行的没有倒 易阵点的倒易面 因为线缺陷本身不能形成一个 晶体点阵 所以也就没有对应的倒易点阵 位错衍衬像 层错的衍射像是平行的直线条纹 而位错的衍射线 主要是线条 往往不是直线 位错线像总是出现在实际位置的一侧或另一侧位错线像总是出现在实际位置的一侧或另一侧 本