电子显微学-part1.ppt

第六章电子显微技术,透射电子显微镜,f,f,2f,物体在2倍焦距之外,在另一侧成倒立、缩小的实像。,2f,照相机,凸透镜成像原理,F,F,2f,物体在焦点和二倍焦距之间时，在另一侧成倒立、放大的实像。,投影机,2f,F,物体在焦点以内，在透镜同侧成正立、放大的虚像,放大镜,F,透镜的放大倍数,物距,、像距,、焦距,放大倍数,可以表示为：,P,象,P,透镜,物,P,光轴,球差,球差是由于透镜中心区域和边缘区域对光线会聚能力不同而造成的。通常远轴光线通过透镜时被折射得比近轴光线厉害得多，因而有同一物点发出的光经过透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑。,平面B,PA,透镜平面,物,P,光轴,PB,fA,平面A,像散,像散是由于透镜的本身光轴不对称所引起的一种像差。透镜对不同平面上光线的折射能力不一样，光线经透镜后形成界面为椭圆状的光束，是圆形物点的像变成了一个漫射圆斑。,能量为E的电子轨迹,象1,透镜,物,P,光轴,色差,能量为E-E的电子轨迹,象2,色差是由于透镜对不同波长的光有不同折射率引起。,畸变,由于光的衍射，使得由物平面内的点O1、O2在象平面形成一B1、B2圆斑（Airy斑）。若O1、O2靠得太近，过分重叠，图象就模糊不清。,O1,O2,d,L,B2,B1,Md,强度,D,图（a）点O1、O2形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。,（a）,（b）,最小分辨率,图（c）两个Airy斑明显可分辨出。,图（d）两个Airy斑刚好可分辨出。,图（e）两个Airy斑分辨不出。,I,0.81I,最小分辨距离计算公式：,d指物镜能够分开两个点之间的最短距离，称为物镜的分辨本领或分辨能力；为入射光的波长；n为透镜周围介质的折射率为物镜的半孔径角NA为数值孔径,对于可见光的波长在390770nm之间，光学显微镜其最小的分辨能力为0.2m,由于人眼的分辨率为0.2mm。光学显微镜的有效放大倍数为：,光学镜头的放大倍数越大，其孔径角越大。,景深：透镜物平面允许的轴向偏差。不影响透镜成像分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离。反映了试样在物平面上下沿轴运动的距离或试样超过物平面所允许的厚度。原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面获得该层平面的理想图像。偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，它们在透镜像平面上将产生一个具有一定尺寸的失焦圆斑。如果失焦圆斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑，那么，对于透镜像的分辨本领并不产生什么影响。,物镜的分辨率,物镜的孔径角,焦深：透镜像平面允许的轴向偏差。不影响透镜成像分辨本领的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离。反映了观察屏或照相底版可在像平面上下沿轴运动的距离。当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动时也会引起失焦，如果失焦斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑，对分辨本领无影响。,虽然光学镜头可以通过组合设计对球差、像散能很好消除，但对于分辨率的提高和景深的增加却无能为力。,NAM焦深景深NAM焦深景深,NA焦深景深0.10.1315.50.43.85.8.9580.00.19,由于光学镜头的NA.决定其放大倍数，NA越大，放大倍数越大，所以对于光学镜头而言，放大倍数越大景深越小。,光学显微镜垂直景深一般小于15.5mm,对于光学显微镜样品要求较严格薄片状透光样品或者抛光表面,阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。这就是通常所说的阿贝成像原理。,阿贝成像原理,电子具有波粒二像性，其波长可由其动能算出,对于透射电子显微镜而言，n=1,0.1rad,由于球差难以消除，由球差带来的发散光斑直径：,可见要提高分辨率，必须增加孔径角，但增加孔径角会同时造成球差发散使得分辨率下降。,当时，可以得到最佳孔径角：,考虑球差后，实际分辨率：,透射电镜和光学显微镜的光路比较,电子与样品相互作用,(EDS),(EELS),SAED&CBEDdiffraction,BFDFHREMImaging,TEM可以做什么?电子像及衍射花样成像-质厚、衍射及相位衬度衍射-选区电子衍射(SAED)研究晶体结构化学分析X射线能谱（EDS，WDS）,BasicfeaturesofAModernTEM,ElectronGun,EDSDetector,CondenserLens,SpecimenHolder,ObjectiveLens,MagnifyingLenses,CM200(200kV),SADAperture,TVMonitor,ViewingChamber,CameraChamber,Cost:$4,000,000,Column,Binocular,真空系统,为了避免电子束被空气散射，样品附近的真空度必须达到10-7Torr.电子枪的真空度：对普通LaB6和钨丝枪，真空度为10-7Torr、场发射电子枪真空度为10-9Torr。投影腔中的真空度通常只有10-5Torr甚至更差,binocular,negatives,screen,TEM的光路图,Controlbrightness,convergence,Controlcontrast,ElectronBeamSource,场发射电子枪,W丝的尖端非常尖锐(半径107V/cm)电子被高电场从W丝尖端激发超高真空(低于10-6Pa)以保证激发的电子不同空气分子发生碰撞电子束直径可1nm低温电子枪,磁透镜的放大倍数,电磁透镜的焦距,式中：k常数V加速电压(IN)安匝数I通过线圈导线的电流，N线圈每厘米长度上的圈数由此可知I增加，则f降低，在像距一定的情况下，放大倍数增加。,物距,、像距,、焦距,放大倍数,可以表示为：,与光学显微镜不同，磁透镜的焦距可以通过改变线圈的电流来改变,成像系统,由物镜、中间镜和投影镜与样品室构成。（1）物镜成一次像。决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。通常采用强励磁，短焦距的物镜。放大倍数较高，一般为100300倍。目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。,（2）中间镜成二次像。弱激磁的长焦距变倍透镜，020倍可调。（3）投影镜短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧光屏上，称为三级放大成像。具有很大的场深和焦深。,样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物平面，荧光屏在投影镜的像平面上。物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间镜的电流来调节电镜总M。M越大，成像亮度越低，成像亮度与M2成反比。,高性能TEM大都采用5级透镜放大，中间镜和投影镜有两级。放大成像操作：中间镜的物平面和物镜的像平面重合，荧光屏上得到放大像。电子衍射操作：中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，得到电子衍射花样。,式中：常数中间镜激磁电流，,景深：,通常物镜的景深为1微米（远远大于被测样品的厚度）,焦深：,终像的焦长很长，一般超过1020cm，甚至更长。放大倍数越大，焦深越大。这一特点给图像拍照记录带来极大方便，只要在荧光屏上图像聚焦清晰，在其上下一定距离（焦深允许范围内）放置底片，拍摄出的图像也是清晰的。,样品制备,对于TEM常用的50200kV电子束，样品厚度控制在100200nm，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。,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。,支持膜法,3mm,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。,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。,晶体薄膜法,超薄切片法-有机高分子薄膜样品制备步骤：修剪样块在液氮中冷冻或还氧树脂包覆超薄切片机：用金刚石刀或玻璃刀进行超薄切片，薄膜样品一般控制在50nm左右,双喷式电解抛光减薄离子减薄,无机薄膜样品制备步骤：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”（0）图像中B亮、A暗。,晶体厚度均匀、无缺陷，（hkl）满足布拉格条件，晶面组在各处满足条件的程度相同，无论明场像还是暗场像，均看不到衬度。存在缺陷，周围晶面发生畸变，这组晶面在样品的不同部位满足布拉格条件程度不同，会产生衬度，得到衍衬像。,衍射和质厚衬度,Diskspecimen,thickness,thinner,thicker,1,2,3,4,5,6,7,8,G.B.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,Highmass,Lowmass,T,T,S,S,S,BrightDark,Strongdiffraction,Weakdiffraction,8grainsareindifferentorientationsordifferentdiffractionconditions,thicknessfringes,明场像,相衬度：是散射电子与入射电子在像平面上干涉得到的衬度,d,L,样品,干涉条件,相衬度：当样品极薄时（十几纳米）高分辨电子显微镜(HREM),采用大孔径物镜光阑，使得透射电子束和衍射电子束同时通过。像衬度由其间的干涉得出。,根据阿贝成像原理，入射电子束通过样品后，透射线束和衍射线束将会聚到物镜的后焦面上形成衍射花样，然后各斑点经干涉后重新在像平面上成像。如果将中间镜的物平面调节到物镜后焦面，而不是物镜的像平面，此时在物镜后焦面上形成的衍射谱，就会经中间镜、投影镜放大在荧光屏上得到最终电子衍射谱。,电子衍射,恒定的电子束，与晶体材料作用，因相干散射而产生衍射现象，其原理与X射线衍射作用相同，获得的衍射图案相似。遵从衍射产生的必要条件和系统消光规律。入射电子束照射到试样晶面间距为d的晶面族hkl，满足布拉格方程时，与入射束交角2方向上得到该晶面族的衍射束。透射束和衍射束分别与距离晶体为L的照相底板相交，得到透射和衍射斑点。,2q,试样,厄瓦尔德球,倒易点阵,底板,电子衍射花样形成示意图,晶体形状的倒易阵点扩展,电子衍射花样中：Q是中心斑点P是hkl晶面族的衍射斑点，二者距离为：电子很短，电子衍射的2很小，有,代入布拉格方程得：式中：L衍射长度、相机长度（mm）一定加速电压下，值确定，则式中：K仪器常数、相机常数（nm,mm）,选区电子衍射,如果在物镜的像平面处放置一个光阑，改变光阑的位置和大小就可以方便地让样品某一部分衍射的电子通过而得到该部分的电子衍射图。,选区衍射操作步骤：为了尽可能减小选区误差，应遵循如下操作步骤：1.插入选区光栏，套住欲分析的物相，调整中间镜电流使选区光栏边缘清晰，此时选区光栏平面与中间镜物平面生重合；2.调整物镜电流，使选区内物象清晰，此时样品的一次象正好落在选区光栏平面上，即物镜象平面，中间镜物面，光栏面三面重合；,3.抽出物镜光栏，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样4.用中间镜旋钮调节中间镜电流，使中心斑最小最园，其余斑点明锐，此时中间镜物面与物镜背焦面相重合。,5.插入物镜光栏，减弱第二聚光镜电流，使投影到样品上的入射束散焦（近似平行束），摄照（30s左右）,SAEDPatternsofSingleCrystal,PolycrystallineandAmorphousSamples,a,b,c,SinglecrystalFe(BCC)thinfilm-001PolycrystallinethinfilmofPd2SiAmorphousthinfilmofPd2Si.Thediffusehaloisindicativeofscatteringfromanamorphousmaterial.,r1,r2,200,020,110,多晶电子衍射花样的标定,多晶电子衍射花样与X射线衍射法所得花样的几何特征相似，由一系列不同半径的同心园环组成，是由辐照区内大量取向杂乱无章的细小晶体颗粒产生，d值相同的同一(hkl)晶面族所产生的衍射束，构成以入射束为轴，为半顶角的园锥面，它与照相底板的交线即为半径为R=L/dK/d的园环。对立方晶系：1/d2=（h2+k2+l2）/a2N/a2通过R2比值确定环指数和点阵类型。,1)晶体结构已知：测R、算R2、分析R2比值的递增规律、定N、求(hkl)和a。如已知K,也可由d=K/R求d对照表求(hkl)。2)晶体结构未知：测R、算R2、Ri2R12，找出最接近的整数比规律、根据消光规律确定晶体结构类型、写出衍射环指数(hkl)，算a.如已知K,也可由d=K/R求d对照表求(hkl)和a,确定样品物相。,简单立方,体心立方,面心立方,单晶体电子衍射花样的标定,花样特征规则排列的衍射斑点。它是过倒易点阵原点的一个二维倒易面的放大像。RKg大量强度不等的衍射斑点。有些并不精确落在Ewald球面上仍能发生衍射，只是斑点强度较弱。倒易杆存在一个强度分布。,微区晶体分析往往是单晶或为数不多的几个单晶复合衍射花样。,晶带所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”（crystalzone）此直线称为晶带轴（crystalzoneaxis），所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴uvw与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系,凡满足此关系的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带,晶带定律,由于高能电子的波长很短，其入射晶体后的衍射角很小，因此当电子束沿某一方向入射到单晶上时，只有以该方向为晶带轴的一系列晶面才能产生衍射。,标定单晶的衍射花样必须明确晶带轴的方向,倒易点阵与原始点阵之间的关系：,1）倒易点阵与原始点阵属于同一晶系；2）面心立方和体心立方晶体其倒易点阵分别属于体心立方和面心立方；3）其余晶体的原始点阵和倒易点阵相同。,体心立方晶体的消光条件：h+k+l=奇数,因此可以产生衍射的晶面族为：,等。考虑到倒易点阵中的一个点代表一组晶面，因此该晶面指数可以作为其对应的倒易点在倒易空间中的坐标。只考虑h，k，l都大于零的情况：,：包括(110),(101),(011)：包括(200),(020),(002)：包括(211),(121),(112)：包括(220),(202),(022)等晶面。,以上述这些晶面指数为坐标构筑倒易点阵中的点，可得面心立方点阵：,a,b,c,000,200,220,020,110,002