材料分析测试第八章透射电子显微分析

材料分析测试第八章透射电子显微分析材料分析测试第八章透射电子显微分析 1第八章透射电子显微分析第一节透射电子显微镜工作原理及构造第 二节样品制备第三节透射电镜基本成像操作及像衬度第四节电子衍 射原理第五节TEM的典型应用及其它功能简介西南科技大学张宝述2 显微镜的发展R 虎克在17世纪中期制做的复式显微镜19世纪中期的 显微镜20世纪初期的显微镜带自动照相机的光学显微镜装有场发射 枪的扫描电子显微镜超高压透射电子显微镜3Ernst RuskaElectron Microscope Deutsches MuseumThe electronmicroscope builtby Ruska in thelab coat and Knoll in Berlinin theearly1930s 4JEM1 25MeV HVEM Note thesize ofthe instrument often thehigh voltage tankis inanother roomabove thecolumn Zeiss HRTEMwith aCs correctorand anin column energyfilter Note thelarge frameto providehigh mechanicalstability forthe highest resolution performance 5Carl ZeissSMT PteLtd 德国蔡司 生产的Libra200FE200kV场发射透射电子显微镜 学校分析测试中心主要配置1 场发射透射电子显微镜基本单元2 镜筒内置OMEGA型能量过滤器3 单倾样品杆 铍双倾样品杆4 扫描 透射附件 STEM 5 电子能量损失谱仪 EELS 6 Oxford能谱仪 EDS 主要技术指标1 分辨率点分辨率 0 24nm 信息分辨率 0 14nm 能量分辨率 0 7eV2 放大倍数最小放大倍数 80 最大 放大倍数 1 000 000 3 样品移动X 2mm Y 2mm Z 0 2mm 最高可以达到 0 4mm 4 最大倾斜角 30 30 6 主要 功能 1 透射成像 明场 暗场 用于分析材料的微观形貌 相结构 相关系等 2 电子衍射 选区电子衍射 SAED 汇聚束衍射 C BED 微区衍射 用于研究物质的晶体结构 材料的晶体学信息以 及低维材料的生长方向 3 扫描透射成像 STEM 用于材料的晶体 结构及元素分布状态研究 4 高分辨成像 HRTEM 用于研究材料 微区晶格特征 晶体缺陷 晶界 相变 界面关系等 5 能量过滤 成像 EFTEM 用于研究材料中元素分布状态 元素扩散 成分偏析 等 6 电子能量损失谱 EELS 用于研究材料中元素组成 元素价 态信息以及材料介电系数等 7 能量色散X射线谱 EDX 用于研究 材料的成分 元素分布以及元素扩散 成分偏析等 可进行点 线 面扫描分析 7电子显微分析方法的种类透射电子显微镜 TEM 简称透射电镜电子 衍射 ED 扫描电子显微镜 SEM 简称扫描电镜电子探针X射线显微分 析仪简称电子探针 EPA或EPMA 波谱仪 波长色散谱仪 WDS 能谱仪 能量色散谱仪 EDS 电子激发俄歇电子能谱 EAES或AES 材料电子显 微分析 张静武 北京冶金工业出版社 xxTransmission electronmicroscopy a textbookfor materialsscience 2nd ed Williams DB Carter CB New York Plenum xx8TEM可以以不同的形式出现 如高分辨电镜 HRT EM 扫描透射电镜 STEM 高压电子显微镜 HVEM 分析型 电镜 AEM 等等入射电子束 照明束 也有两种主要形式平行束 透射电镜成像及衍射会聚束扫描透射电镜成像 微分析及微衍射TEM 的形式9第一节透射电子显微镜工作原理及构造透射电子显微镜的成 像原理与光学显微镜类似 一 工作原理项目光学显微镜透射电子显微镜照明束可见光电子 束 聚焦装置玻璃透镜电磁透镜放大倍数小 不可调大 可调分辨 本领低低高高结构分析不能能能10透射电子显微镜光路原理图照明 系统成像系统纪录系统11 二 构造静电透镜电子透镜恒磁透镜磁透镜电磁透镜1 电磁透镜TEM 由照明系统 成像系统 记录系统 真空系统和电器系统组成 能使电子束聚焦的装置称为电子透镜 electron lens 12 1 电磁透镜的结构电磁透镜结构示意图13 2 电磁透镜的光学性质20 NIRVA f f vu111 电子加速电压透镜半径物距像距焦距激磁线圈安匝数与透镜 结构有关的比例常数由此可知 改变激磁电流 可改变焦距f 即可 改变电磁透镜的放大倍数 14成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动 而可见光是以折 线形式穿过玻璃透镜 因此 电磁透镜成像时有一附加的旋转角度 称为磁转角 物与像的相对位向对实像为180 对虚像为 电磁透镜 通过改变激磁电流 实现焦距和放大倍率调整示意图减小 激磁电流 可使电磁透镜磁场强度降低 焦距变长 由f1变为f2 物距u焦距f像像距v15 3 电磁透镜的分辨本领4 14 30sC Ar 常数照明电子束波长透镜球差系数线分辨率 r0的典型值约为 0 25 0 3nm 高分辨条件下 r0可达约0 1nm 光学显微镜可见光390 760nm 最佳照明光的波长的1 2 极限值200nm100KV电子束的波长为0 0037nm 200KV 0 00251nm透 射电镜16点分辨本领的测定 将金 铂 铂 铱或铂 钯等金属或合金 用真空蒸发的方法可以得到粒度为5 10A 间距为 2 10A的粒子 将其均匀地分布在火棉胶 或碳 支持膜上 在高放大 倍数下拍摄这些粒子的像 为了保证测定的可靠性 至少在同样条件下拍摄两张底片 然后经 光学放大 5倍左右 从照片上找出粒子间最小间距 除以总放大倍 数 即为相应电子显微镜的点分辨本领 点分辨率的测定 真空蒸镀金颗粒 172 照明系统作用提供亮度高 相干性好 束流稳定的照明电子束 组成电子枪和聚光镜电子源热电子源场发射源热场冷场钨丝LaB618 热电子枪示意图灯丝和阳极间加高压 栅极偏压起会聚电子束的作 用 使其形成直径为d 0 会聚 发散角为 0的交叉会聚 发散角19双聚光镜照明系统光路 图203 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 衍射操作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 成像操作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 21F焦点f FF 焦平面凸透镜的焦点P QA BF Q P A 透镜的成像O OO像平面复习焦平面22透射电镜成像系统的两种基本操作将衍射谱 投影到荧光屏将显微像投影到荧光屏衍射操作成像操作使中间镜的 物平面与物镜的像平面重合使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合2 3 三 选区电子衍射 SAED 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区 衍射的示意图操作步骤 1 使选区光栏以下的透镜系统聚焦 2 使物镜精确聚焦 3 获得衍射谱24图a是一个简单的明场像 图b c和d是对图a中 的不同区域进行选区电子衍射操作以后得到的结果 25第二节样品制备 TEM的样品可分为间接样品和直接样品 TEM的样品要求 1 对电子束是透明的 通常样品的观察区域的厚度约100 200nm 2 必须具有代表性 能真实反映所分析材料的某些特征 26 一 间接样品 复型 的制备 所谓复型 就是样品表面形貌的复制品 也指复制样品的制作过程 其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似 通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜 复制品 27对复型材料的主要要求 复型材料本身必须是 无结构 或非晶 态的 有足够的强度和刚度 良好的导电 导热和耐电子束轰击 性能 复型材料的分子尺寸应尽量小 以利于提高复型的分辨率 更深入地揭示表面形貌的细节特征 常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜 28复型的种类按复型的制备方法 复型主要分为一级复型二级复型 萃取复型 半直接样品 由于扫描电子显微镜 SEM 的发展 现在 很少采用复型技术 但在某些情况下 复型技术仍具有其独特的优势 例如 复型可用 于现场采样而不破坏原始样品 29塑料一级复型碳一级复型30塑料 碳二级复型制备过程示意图3132萃取复型在萃取复型的样品上 可 以在观察样品基体组织形态的同时 观察第二相颗粒的大小 形状 及分布 对第二相粒子进行电子衍射分析 还可以直接测定第二相 的晶体结构 33闪锌矿之复型观察 可以见到晶体完好的黄铁矿小包体用萃取复型 法从闪锌矿中萃取的磁黄铁矿磁黄铁矿的电子衍射图34 二 直接样品的制备粉末和晶体薄膜样品的制备 1 粉末样品制备 关键如何将超细粉的颗粒分散开来 各自独立而 不团聚 胶粉混合法在干净玻璃片上滴火棉胶溶液 然后在玻璃片胶液上放 少许粉末并搅匀 再将另一玻璃片压上 两玻璃片对研并突然抽开 稍候 膜干 用刀片划成小方格 将玻璃片斜插入水杯中 在水面上下空插 膜 片逐渐脱落 用铜网将方形膜捞出 待观察 35支持膜分散粉末法 需TEM分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔 因此要先制备对电子束透明的支持膜 常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜 将支持膜放在铜网上 再把粉末 放在膜上送入电镜分析 粉末或颗粒样品制备的成败 关键取决于能否使其均匀分散地撒到 支持膜上 通常用超声波分散器 把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂分散 为悬浮液 然后用滴管把悬浮液放一滴在粘附有支持膜的样品铜网上 静置干 燥后即可供观察 为了防止粉末被电子束打落污染镜筒 可在粉末上再喷一层薄碳膜 使粉末夹在两层膜中间 3637高岭土纤维水镁石膨润土382 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 39双喷电解抛光装置原理图40离子减薄装置原理示意图41POWERTOME X XL超薄切片机42真空镀膜机43第三节透射电镜基本成像操作及像 衬度 一 成像操作 a 明场像 b 暗场像 c 中心暗场像成像操作光路图 直射束成像衍射束成像衍射束成像明场像与暗场像的衬度相反44 二 像衬度像衬度图像上不同区域间明暗程度的差别 透射电镜的像衬度样品对入射电子束的散射 可分为质厚衬度非晶样品衬度的主要振幅衬度衍射衬度晶体样品衬 度的主要相位衬度45质厚衬度成像光路图质量厚度衬度 简称质厚衬 度 由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的衬度 1 质厚衬度电子的非相干弹性散射 当电子穿过样品时 通过与原子核的弹性作用被散射而偏离光轴 弹性散射截面是原子序数的函数 随样品厚度增加 将发生更多的弹性散射 2 小孔径角成像46衍射衬度成像光路图对晶体样品 电子将发生 相干散射即衍射 所以 在晶体样品的成像过程中用的是晶体对电子的衍射 衍射衬度 简称 衍衬 由于晶体对电子的衍射效应而形成的衬度 A B两晶粒的结晶学位向不同 满足衍射条件的情况不同 衍射束强度越大 直射束强度就越小 47高岭石48蒙脱石纤蛇纹石叶蛇纹石49晶体中的位错观察50大肠杆 菌透射电镜照片申克孢子丝菌透射电镜照片51第四节电子衍射原理 按入射电子能量的大小 电子衍射可分为透射式高能电子衍射 TEM 上的电子衍射 高能电子衍射反射式高能电子衍射低能电子衍射 ED 与XRD一样 遵从衍射产生的必要条件 布拉格方程 反射定律 衍 射矢量方程 厄瓦尔德图解或劳厄方程等 和系统消光规律 52电子衍射的特点 与与X射线衍射相比 电子衍射的特点 1 电子波波长很短 一般只有千分之几nm 按2dsin 可知 电子衍射的2 角很小 一般为几度 即入射电子束和衍射电子 束都近乎平行于衍射晶面 2 由于物质对电子的散射作用很强 主要原子核对电子的散射作 用 远强于物质对X射线的散射作用 因而电子 束 穿进物质的 能力大大减弱 故电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析 3 透射电子显微镜上配置选区电子衍射装置 使得薄膜样品的结 构分析与形貌观察有机结合起来 这是X射线衍射无法比拟的优点 53华南师范大学单晶电子衍射花样会聚束电子衍射花样单晶电子衍 射花样有序相的电子衍射花样非晶电子衍射花样多晶电子衍射花样 二次衍射花样菊池花样54 一 电子衍射基本公式 由衍射矢量方程 s s0 r 设K s K s0 g r 则有有K K g此即为电子衍射分析时 一般文献中 常用的衍射矢量方程表达 式 55相机长度L样品至感光平面的距离将此式代入布拉格方程 2dsin 得 d R L即即Rd L式中d 衍射晶面间距 nm 入射电子波长 nm 此即为电子衍射 几何分析 基本公式 式中R 与L以mm计 衍射斑点矢量由图可知tan2 R L tan2 sin2 cos2 2sin cos cos2 电子衍射2 很小 有cos 1 cos2 1 故故2sin R L56Rd C按按g 1 d g为 HKL 面倒易 矢量 g即 g 又可改写为R Cg由于电子衍射2 很小 g与R近 近似平行 近似有R Cg此式可视为电子衍射基本公式的矢量表达式 R与g相比 只是放大了C倍 这表明 单晶电子衍射花样是所有与反 射球相交的倒易点 构成的图形 的放大像 当加速电压一定时 电子波长 值恒定 则 L C C为为常数 称 为相机常数 故57注意 放大像中去除了权重为零的那些倒易点 而倒易点的权重 即指倒易点相应的 HKL 面衍射线之 F 2值 电子衍射基本公式的导出运用了近似处理 因而应用此公式及其相 关结论时具有一定的误差或近似性 58 二 多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征多晶电子衍射成像原理 以入射电子束为轴 2 为半锥角的衍射圆锥 不同 HKL 衍射圆锥2 不同 但均共顶 共轴 多晶电子衍射花样一系列同心圆 称衍射圆环 可视为倒易球面与反射球交线圆环 即参与衍射晶面倒易点的集合 的放大像 R 衍射圆环之半径 59多晶金衍射花样60 三 多晶电子衍射花样的标定 指多晶电子衍射花样指数化 即确定 花样中各衍射圆环对应衍射晶面干涉指数 HKL 并以之标识 命名 各圆环 立方晶系多晶电子衍射花样指数化 将将d C R代入立方晶系晶面间 距公式 得 式中N 衍射晶面干涉指数平方和 即N H2 K2 L2 222L KHaCR NaCR222 61多晶电子衍射花样的标定 对于同一物相 同一 衍射花样各圆环而言 C2 a2 为常数 有R12R22 R n2 N1N2 N n 此即指各衍射圆环半径平方 由小到大 顺序比等于各圆环对应 衍射晶面N值顺序比 立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同 故产生衍射各晶面 的N值顺序比也各不相同 参见表6 1 表中之m即此处之N 有关电子衍射分析的文献中习惯以N表示H2 K2 L2 此处遵从习惯 62表6 1立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和 m 63金多晶电子衍射花样 标定 数据处理 过程与结果64 1 利用已知晶体 点阵常数a已知 多晶衍射花样指数化可标定 相机常数 衍射花样指数化后 按计算衍射环相应晶面间距离 并由Rd C即可 求得C值 2 已知相机常数C 则按d C R 由各衍射环之R 可求出各相 应晶面的d值值 222 L KH ad 65 四 单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征单晶电子衍射花样 u vw 0零层倒易平面的放大像 去除权重为零的倒易点 单晶电子衍射成像原理入射线近似平行 于晶带轴 uvw 66一般晶体的电子衍射花样一种具有沿 111 p方向具 有六倍周期的有序钙钛矿的电子衍射花样选自 国家精品课程 材料 结构分析 中南大学 67 五 单晶电子衍射花样的标定 主要指单晶电子衍射花样指数化 包 括确定各衍射斑点相应衍射晶面干涉指数 HKL 并以之命名 标识 各斑点和确定衍射花样所属晶带轴指数 uvw 对于晶体结构的样品 还包括确定晶体点阵类型等内容 单晶衍射花样的周期性 单晶电子衍射花样可视为某个 uvw 0零层倒易平面的放大像 uvw 0平面法线方向 uvw 近似平行于入射束方向 但反向 因而 单晶电子衍射花样与二维 uvw 0平面相似 具有周期性 排列的特征 68R3 R1 R2 且有R23 R21 R22 2R1R2cos 为R1与与R2之夹角 设设R 1 R2与与R3终点 衍射斑点 指数为H1K1L 1 H2K2L2和和H3K3L3 则有H3 H1 H 2 K3 K1 K2和和L3 L1 L3单晶电子衍射花样的标定单晶衍射 花样的周期性表达衍射花样周期性的基本单元 特征平行四边形 的形状与大小可由花样中最短和次最短衍射斑点 连接 矢量R1与R2 描述 平行四边形中3个衍射斑点连接矢量满足矢量运算法则69 立方晶系 多晶衍射关系式R21 R22 R2n N1 N2 N n同样适合于立方晶系单晶电子衍射标定此时 R R 单晶电子衍射花样标定的主要方法为尝试核算法标准花样对照法立 方晶系单晶电子衍射花样标定701 尝试 核算法 1 已知样品晶体结构 晶系与点阵类型及点阵常数 和相机常数的衍 射花样标定某低碳钢基体电子衍射花样由底片正面描绘下来的图已 知铁素体为体心立方 a 0 287nm 相机常数C 1 41mm mm 选取靠近中心斑的不在一条直线上的几个斑点 应包括与中心斑 组成特征平行四边形的3个斑点 测量各斑点R值及各R之夹角 按Rd C 由各R求相应衍射晶面间距d值 按晶面间距公式 立方系为d2 a2 N 由各各d值及a值求相 应各N值 由各N值确定各晶面族指数 HKL 选定R最短 距中心斑最近 之斑点指数 按N尝试选取R次短之斑点指数并用 校核 按矢量运算法则确定其它斑点指数 求晶带轴71电子衍射花样标定过程12种选择72 2 立方晶系样品 点阵类型及点阵常数 电子衍射花样标定 选取衍射斑点 测量各斑点R及各R之夹角大小 同 1 中之 与 求R2值顺序比 整数化 并由此确定各斑点相应晶面族指数 重复 1 中之步骤 以N和 校核按矢量运算求出的各斑点指数 求晶带轴指数同 1 之 73 书中例子R2值顺序比亦可写为只R2A R2B R2C R2D 1239 据此 本例亦可按简单立方结构尝试标定斑点指数 并 用N与 校核 其结果被否定 称为斑点指数不能自洽 一般 若仅知样品为立方晶系 一幅衍射花样也可能出现同时可被 标定为两种不同点阵结构类型指数或被标定为同一结构类型中居于 不同晶带的指数而且不被否定的情况 这种情况称为衍射花样的 偶合不唯一性 注意74 实质仍为尝试 核算法 4 非立方晶系样品电子衍射花样标定 非立方晶系电子衍射花样 仍可采用尝试 核算法标定 但由于其衍射斑点之R与晶面指数间关系远不如立方系 来得简单 因而标定工作烦琐 计算量大 应用计算机解决 3 立方晶系样品电子衍射花样标定的比值法752 标准花样对照法 预先制作各种晶体点阵主要晶带的倒易平面 图 称为标准花样 通过与标准花样对照 实现电子衍射花样斑点指数及晶带轴标定的 方法即为标准花样对照法 标准花样对照法标定过程简单 不需烦琐计算 但一般文献资料中给出的标准花样 见本书附录 数量有限 往往不 能满足标定工作的需要 而根据实际需要 利用计算机自行制作标准花样 可以解决这一问 题 76 无论是对于尝试 核算法还是标准花样对照法 关于样品结构的已知条件越少 则标 定工作越复杂 且花样标定的 不唯一性 现象越严重 在标定单晶电子衍射花样时 应依据样品的 背景 情况 如样品 的化学成分 热处理工艺条件等 并依据衍射花样的对称性特征等 尽可能获得关于样品所属晶系 点阵类型以至可能是哪种或哪几种 物相等信息 以减少标定过程的复杂性与 不唯一性 现象 180 不唯一性 或 偶合不唯一性 现象的产生 根源在于一 幅衍射花样仅仅提供了样品的 二维信息 通过样品倾斜 绕衍射斑点某点列转动 可获得另一晶带电子衍射 花样 而两个衍射花样组合可提供样品三维信息 通过对两个花样的指数标定及两晶带夹角计算值与实测 倾斜角 值 的比较 即可有效消除上述之 不唯一性 180 不唯一性 或 偶合不唯一性 现象77 六 复杂电子衍射花样简介 实际遇到的单晶电子衍射花样并非都如 前述单纯 除上述规则排列的斑点外 由于晶体结构本身的复杂性 或衍射条件的变化等 常常会出现一些 额外的斑点 或其它图案 构成所谓 复杂花样 主要有 高阶劳埃区电子衍射谱 菊池花样 Kikuchi Pattern 二次衍射斑点 超点阵斑点 孪晶 双晶 衍射斑点等 78 1 高阶劳埃区电子衍射谱用途 可以提供许多重要的晶体学信息 如 测定电子束偏离晶带轴方向的微小角度 估算晶体样品的厚度 求正空间单胞常数 当两个物相的零阶劳埃区斑点排列相同时 可利 用二者高阶劳埃区斑点排列的差异 鉴定物相 高阶劳埃区衍射谱示意图 a 对称入射 b 不对称入射79高阶劳埃带 衍射花样实例华南师范大学80 2 菊池花样 Kikuchi Pattern 在单晶体电子衍射花样中 除了前面提到的衍射斑点外 还经常出现一些线状花样 菊池 Kikuchi 于1928年 在透射电镜产生以前 首先描述了这种现 象 所以被称为菊池线 菊池线的位置对晶体取向的微小变化非常敏感 因此 菊池花样被广泛用于晶体取向的精确测定 以及解决其它一 些与此相关的问题 t ZrO2菊池衍射花样81菊池衍射谱实例华南师范大学82 3 二次衍射斑点二次衍射斑点示意图 a 重叠的两个晶体及相应 的g矢量 b 用爱瓦尔德球图解表示各g矢量之间的相对位置83二次衍 射花样实例左图是二次衍射中出现多余衍射斑点的两种不同 其中 图a是在镁钙合金中得到的的电子衍射花样 图中本来只存在两套花 样 分别是镁的 1100 晶带轴电子衍射花样和Mg2Ca相的 3 302 晶带轴花样 而花样中出现的很多卫星斑是由于二次衍射 通过Mg2Ca相的 1 103 斑点与Mg的 000 2 斑点之间存在的差矢平移造成的 图b和图c是一种有序钙钛矿相中沿 010 p方向得到的电子衍射花样 其中图b是在较厚的地方得到 而图c则是在很薄的地方得到 在较薄的地方 由于不存在动力学效应 可以清楚地看到花样中存 在相当多消光的斑点 但在较厚的地方 由于动力学效应 出现二 次衍射的矢量平移 使得本来应该消光的斑点变得看起来不消光了 华南师范大学84 4 超点阵斑点当晶体内部的原子或离子产生有规律的位移或不同 种原子产生有序排列时 将引起其电子衍射结果的变化 即可以使 本来消光的斑点出现 这种额外的斑点称为超点阵斑点 AuCu3有序相的超点阵花样 a 及指数化结果 b 85华南师范大学上图 是CsCl无序和有序的模型和对应的电子衍射花样 其中图a是CsCl无序时的晶体结构模型 而图b是有序时的晶体结构 模型 图c是与无序对应的电子衍射花样示意图 而图d则是与有序 对应的超点阵电子衍射花样示意图 86华南师范大学上图是超点阵花样的一些实例 这些花样是从一种 沿 111 方向具有六倍周期的复杂有序钙钛矿相中得到的 图a是沿 010 方向2倍周期有序的超点阵电子衍射花样 图b是沿 10 1 方向2倍周期有序的超点阵电子衍射花样 图c是沿 11 1 方向2 倍周期有序的超点阵电子衍射花样 而图d则是沿 111 方向6倍周期 有序的电子衍射花样 87 5 孪晶衍射斑点单斜相ZrO2的孪晶衍射斑点88华南师范大学上图 中图a和b是CaMgSi相中的 102 孪晶在不同位向下的孪晶花样 图c是CaMgSi相中另外一种 孪晶的电子衍射花样 其孪晶面是 011 面 图d是镁中常见的 10 12 孪晶花样 89华南师范大学上图是CaMgSi相中 102 孪晶中二重孪晶和三重孪晶的形貌和与其对应的电子衍射花 样 图a是二重孪晶的形貌 暗场像 图b是与之对应的二重孪晶花样 图c是三重孪晶的形貌像 暗场 图d是与之对应的三重孪晶花 样 90第五节TEM的典型应用及其它功能简介 一 TEM的典型应用 1 形貌观察晶粒 颗粒 形状 形态 大小 分 布等 2 晶体缺陷分析线缺陷位错 刃型位错和螺型位错 面缺陷层 错体缺陷包裹体表面 界面 晶界 粒界 等 3 组织观察晶粒分布 相互之间的关系 杂质相的分布 与主晶相的关系等 4 晶体结构 分析 物相鉴定 电子衍射 5 晶体取向分析 电子衍射 91高岭 石蒙脱石纤蛇纹石叶蛇纹石92偏离参量s对位错线像宽的影响 a 明场像 s 0 b 明场像 s略大于零 c g 3g弱束暗场像93 倾斜于样品膜的位错 a 锯齿形位错线像 偏离参量s 0 b 略 增大偏离参量后的位错线像94位错Burgers矢量的测定 a 近似相 互垂直排列的位错构成的位错网 明场像 b 暗场像 c 暗 场像 d 暗场像 e 暗场像95不锈钢中的网形位错长石中的 位错96 a 层错面位置及衬度示意图 b 层错明场像 BF 及暗场像 DF 层错的衬度特征97晶粒 1 与周围4个晶粒 2 3 4 5 间晶粒边界的衍衬像9899NiAl 7 合金中的析出相 a 明场像 g 220 b 中心暗场像 g 110 c SADP 选区衍射谱 B c SADP B 010 100 二 TEM的其它功能简介 原位观察 会聚束衍射分析 高分辨电子 显微术 1 原位观察利用相应的样品台 在TEM中可进行原位实验 in situexperiments 如利用加热台加热样品观察其相变过程利用应变台拉伸样品观察其 形变和断裂过程101250 加热时Ge Ag Ge层反应前端的高分辨原位 观察 a d 每两幅照片间的时间间隔为8s102在透射电镜电子 束照射下 ZrO2 2Y 陶瓷m片在t晶粒中的形核和长大过程的原位 观察相对于照片 a 各照片对应的电子束照射时间分别为 a t 0 s b t 10s c t 60s d t 140s e t 350s f t 1200s103TiAl合金 相中孪生过程的原位拉伸观察从 a 到 b 到 c 应变量逐渐增大1042 会聚束衍射分析 会聚束电子衍射 CB ED 是电子显微镜中最早实现的电子衍射方式 Kossel和Mollenstedt 1939 远早于前面所讲的选区电子衍射 Lepoole 1947 但是 由于仪器方面的原因 在较长的一段时间内这一技术未得到 应有的发展 选区电子衍射有两个严重的局限性 由于选区误差 当所选区域 直径 0 5 m时 对所得衍射谱的分析必须非常谨慎 衍射花样可 能包含了选区以外的物质的信息 即难以实现甚至不能实现对小尺 度晶体结构特征的分析 由于薄样品使布拉格条件放宽 选区 衍射谱仅给出很不精确的二维晶体学信息 会聚束电子衍射技术克服了以上两个局限性 在许多方面有其独特 的优势 如测定样品薄膜厚度 微区的晶体学取向 点阵常数 结 构因子 晶体的对称性等等 105Si晶体 111 合聚束衍射花样面心立方晶体 111 会聚束衍射花样 的示意图106TiS 0001 会聚束电子衍射带轴图样作者冯国光1073 高分辨电子显微术 衍衬成像利用电子束振幅变化的单束 透射束或 某一衍射束 成像 可用于揭示 1 5nm的结构细节 高分辨电子显微像利用相位衬度 即利用电子束相位的变化 由两 束及以上电子束相干成像 在电子显微镜分辨率足够高的情况下 所用的电子束越多 图像的 分辨率越高 相位衬度的解释相当复杂 原因是它对许多因素敏感 如样品的厚 度 取向或散射因子的微小变化以及物镜在聚焦和像差上的变化都 会引起图像变化 然而 也正是由于这个原因 相位衬度可以用于薄样品的原子结构 成像 高分辨像成像时 往往在不同的离焦量下都能获得清晰的图像 但 图像的细节随离焦量而变化 为了使图像尽可能地反映物质的结构 并不是在正焦状态下拍摄 而是需要一定的欠焦量 108SiN中晶界非晶层 厚度1nm左右 半导体材料中CdTe的晶格缺陷晶 格像结构像双束成像三束成像109一些包含容易解释信息的晶格像尖 晶石颗粒与橄榄石基体界面的晶格像InAsSb InAs异质结上排列的位 错Ge中晶界的原子尺度小刻面测自观察显示的表面上的小刻面110Ob servations at the mica vermiculite interfacewith HRTEMH Graf v Reichenbach H Wachsmuth and C Marcks Colloid PolymSol266 652 656 1988 111Lattice imageof untreatedbiotite Basal spacing10A112Biotite inthe initialstate oftransformation treatedwith dodecylammonium 十二烷基铵 ions Basal spacings10A Wedge shapedopenings aremarked byarrows113 Biotite withlayer openingstraversing throughthe particleas aresult ofpotassium e