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材料分析技术金属电子显微分析第五章 金属薄膜的透射电子显微分析把要分析的金属材料直接制备成对电子束透明的薄膜样品，进行电子显微分析具有很多优点：（1）可充分发挥电子显微镜分辨率高的特点。（2）可获得样品的结构信息(点阵类型、位相关系、缺陷形态，等)。随着制备技术的发展，现在的薄膜样品已不限于金属，多数晶体材料都被成功制成薄膜样品。薄膜样品的厚度，与材料种类和加速电压大小有关。在保证透明的前提下，过厚和过薄都是不利的。过厚会使图像变得复杂，而且非弹性散射电子增加，增大了色差，使衬度和分辨率下降。反之，过薄的样品，比表面较大，会与大块样品的固有性质不同。实际上，通常遇到的困难是过厚，不存在过薄（容易解决）。5-1 薄膜样品的制备（1）对导电材料，用电火花切割机。切取薄片，0.2mm左右。陶瓷材料用金刚石刀片。（2）机械研磨。0.1mm。（502胶、橡皮）。（3）双喷电解抛光。5-2 薄晶体样品的衍衬成像原理显然，在复型技术中使用的质厚衬度成像，不适用于厚度均匀的金属薄膜。所以，必须寻求新的成像方法衍射衬度。下面以单相、多晶体金属薄膜样品为例，说明衍衬成像原理。P104图10，A、B是两个晶粒。若B晶粒中的（hkl）晶面满足布拉格方程，而其余晶面均不满足，此时，入射电子波经过B后，分解成两束波：透射波和衍射波，称双光束条件。在双光束条件下，若忽略吸收效应，则透射波和衍射波的强度和等于入射波强度。设晶粒A无衍射，则透射波强度等于入射波强度。如果不让衍射束通过，只允许透射波通过并成像，就可产生衍射衬度。这种用透射束成像的图像叫“明场像”。而用衍射束成像的图像叫“暗场像”（衬度相反，衬度高）。5-3 电子波在晶体中的散射和传播一、原子和晶胞对电子的散射振幅（一）单个原子的散射振幅f()可以证明：f()()2(Zfx) 2.3810-10()2(Zfx)式中，Z是原子序数。Z越大，散射越强烈。fx反映的是核外电子对原子核的屏蔽作用。上式说明，原子对电子波的散射能力较强（比X射线高1万倍）。晶体中，同位相散射波干涉产生的衍射波，其强度与透射波相当，一般情况下，必须考虑它们之间的动力学相互作用。（二）一个晶胞的散射振幅Fg()Fg()就是X射线中的结构振幅FHKL，即Fg()FHKL二、消光距离g既然衍射束与透射束强度相当，它们之间的相互作用就不能忽视。下面我们分析在双光束条件下，两个波之间的相互作用。如P109图15，随着深度的增加，透射波和衍射波的强度发生周期性变化。该深度周期叫消光距离g。可以证明：g式中，d是平行上表面的晶面的晶面间距；n是单位面积上晶胞个数；Vc是晶胞体积。显然，在样品下底面处的衍射强度，决定了衍射衬度的高低。5-4 衍衬运动学理论前节我们简单说明了衍衬成像原理，但要想读懂透射电镜的图像，还必须知道电子波在晶体中的传播规律，即强度变化规律。由上节的讨论我们知道，衬度的产生与衍射波的强度有关，确切的说，与样品下底面处的衍射强度有关。研究衍射波强度的方法有两种理论，（1）衍衬运动学理论；（2）衍衬动力学理论。这里我们只介绍第一种。它是一种相对简单的方法，其主要特点是不考虑入射波与衍射波的动力学相互作用。实际上，这种相互作用是很强烈的，所以它只是一种近似的理论。一、基本假设（1）入射电子在样品中只受到不多于一次的散射(即衍射束与入射束无相互作用。当样品足够薄时，可满足要求)。（2）入射波在样品内传播时，强度衰减可忽略(即衍射波的强度较小)。除此以外，为了简化计算，在计算过程中还做了一些近似处理（略）。二、理想晶体的衍射强度如P113图19b，有一个厚度为t的理想晶体，我们来分析其内部的一个小柱体OA所产生的衍射强度。设柱体的横截面为单位面积，在柱体内，距上表面r处的原子面，在衍射方向k的散射振幅为：dgexp(-2iKr)其中，-2Kr是r处原子面散射波相对于晶体上表面散射波的位相差。在偏离布拉格条件时，衍射矢量K为：Kkkgs位相因子 exp(-2iKr)exp-2i(gs)rexp(-2isr)exp(-2isz)其中，gr整数，sr，且rz。若该原子面的间距为d，则在厚度元dz内（含dz/d层原子面）的散射振幅为：dgexp(-2isz) exp(-2isz)dz exp(-2isz)dz这样，柱体OA内所有厚度元的散射振幅，按相互之间的位相关系迭加，得到柱体底面A点处的合成振幅：g(-2isz)dz e-istIggg*（1）当s一定时，则Ig随t的变化如P114图20。发生周期性振荡，周期为1/s。（2）当t常数时，Ig随s变化，略（图5-22）。Ig随t的周期性振荡，可以定性解释楔形边缘处出现的等厚消光条纹，见P116图22。三、倾斜晶界等厚消光条纹当晶界、孪晶界、相界等倾斜于薄膜表面时，衍射像中常常出现类似楔形晶体的等厚消光条纹。因为这类界面两边的晶体位相或结构不同，通常一边的晶体发生强烈衍射时，另一边不大可能同样满足衍射条件，它的衍射强度可视为0，相当于是一个空洞，于是出现等厚消光条纹。四、缺陷晶体的衍射强度与理想晶体相比，缺陷的存在会引起点阵畸变。若我们仍然采用柱体近似的方法，则相应的柱体也将发生畸变。P118图26，若深度z处厚度元dz的位移是R，则理想位移矢量r变为r：rrR此时，位于r处的厚度元dz散射振幅为：dgexp(-2iKr)dz其中位相因子： exp(-2iKr)exp-2i(gs)(rR) exp-2i(grgRsrsR)gr整数；sR很小，可忽略；srsrsz。所以：exp(-2iKr)exp(-2isz)exp(-2igR) dgexp(-2isz)exp(-2igR)dzg(-2isz)exp(-2igR)dz令：2gR，则g(-2isz)exp(-i)dz可见，与理想晶体的合成散射振幅相比