高分辨透射电子显微分析技术PPT课件

1、.,1,7高分辨电子显微学,.,2,主要内容,7.1引言 7.2高分辨电子显微成像原理 7.3高分辨电子显微观察和拍摄图形的程序 7.4高分辨电子显微方法的实践和应用,.,3,7.1引言,概念：高分辨电子显微术是运用相位衬度成像的一种直接观测晶体结构和缺陷的技术。 历史：1956年门特用分辨率为0.8nm的透射电子显微镜直接观察到酞箐铜晶体的相位衬度像这是高分辨电子显微学的萌芽；在20世纪70年代，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究取得了重要进展；实验技术的进一步完善,以及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志的理论进展,宣布了高分辨电子显微学的成熟.,.,4,7.2高分辨电子显微

2、成像原理,透射电子显微像的两种衬度获取方式（a）常规透射吸收衍射振幅衬度像：NiAl(7)合金中的第7.2相和位错组态（b）Nb2O5的高分辨电子显微模式的相位衬度像,.,5,7.2高分辨电子显微成像原理,图(a)与图(b)的比较: 1)都经过了由试样物面(实空间) 物镜后焦面处获取衍射谱(倒易空间) 像平面处获取图像(实空间). 2)电子束入射到试样是为了获取试样的普遍结构信息,即衍射谱. 3)两种不同衬度像反映的结构细节的层次是和参加成像的衍射束的多少相对应的.每一束衍射束都携带着一定的结构信息,参加成像的衍射束越多,最终成像所包含的试样结构信息越丰富,即层次越高越逼真.,.,6,7.2高

3、分辨电子显微成像原理,4)衍射谱的质量,即它能否逼真地充分地携带物样的结构信息,与电子束的性质(能量稳定性和束直径大小)以及物镜的设计质量和性能密切相关.,.,7,7.2高分辨电子显微成像原理,7.2.1高分辨电子显微像的成像过程,.,8,入射电子束作用于试样晶体的静电势，在试样下表面形成出射波q(r), q(r)中携带着与电子发生作用的晶体结构的信息（晶体的投影电势 ）,它反映了晶体结构沿入射电子束方向的投影。相对于下面的物镜而言，出射波就是物波；穿过物镜，在物镜的后焦面处形成衍射波Q(H)。 即q(r)(实空间) FT Q(r)（倒空间）.在后焦面处Q(H)*物镜传递函数T(H) FT 物

4、镜像平面处的第一次成像的物波(r)(实空间）。 (r)和q(r)是对应的, 可有(r)解析出q(r)中的 。,.,9,从图像确定结构的途径,从图像(r) 出射波q(r)并从中解析出晶体结构 。 从图像(r) ，从图像直接求出晶体结构。 从一张“离轴电子全息图”或多张“欠焦系列或倾转系列”的实验高分辨像，重新构造出样品下表面的出射波q(r)，然后又q(r)解读出 。 高分辨电子显微像与电子衍射相结合测定晶体结构的两步图像法。即：将一幅在任意离焦条件下拍摄的高分辨像借助最大熵原理或衍射分析中的直接法进行解卷处理，可将该像转换为结构像。然后将此结构像和电子衍射强度结合起来，进行相位外推可得到高分辨率

5、的结构像。,.,10,像模拟方法：此法先假设一种原子排列模型，然后根据电子波成像的物理过程进行模拟计算，以获得模拟的高分辨像。如果模拟像与实验像相匹配，便得到了正确的原子排列结构像。,.,11,7.2高分辨电子显微成像原理,下面介绍几个基本概念 衬度传递函数T(H)：是一个反映透射电子显微像成像过程中物镜所起作用的函数，它是一个与物镜球差、色差、离焦量和入射电子束发散度有关的函数。一般来说，它是一个随着空间频率的变化在+1与-1间来回震荡的函数。 相位体（phase object):电子波与物体作用后如果只改变波的相位而波振幅不变，这种物体成为相位体，反之称振幅体。,.,12,7.2高分辨电子

6、显微成像原理,相位衬度当透射束和至少一束衍射束同时通过物镜光阑参与成像时，由于透射束与衍射束的相干作用，形成一种反映晶体点阵周期性的条纹（晶格）像和结构像。这种像衬度的形成是透射束和衍射束相位相干的结果，故称为相位衬度。获得的像的衬度与样品结构之间具有完全一一对应关系的高分辨像称之为晶体结构像，或原子像；除反映点阵周期，还反映晶体的结构。,.,13,7.2高分辨电子显微成像原理,由于成像条件（Cs、f）的原因,这些高分辨像无法正确地显示轻重原子列的位置，而只能反映出晶体的平移周期性，这种高分辨像一般称为晶格像。 聚焦漂移:聚焦随着时间向欠焦一侧或过焦一侧移动的现象。 像散:电子透镜由于设计和加

7、工精度的原因,其工作状态难免存在畸变,意味着正焦点的位置随方向而异,这种像差称为像散。,.,14,7.2高分辨电子显微成像原理,最佳欠焦条件（optimum underfocus-congdition):相位衬度电子显微像成像时使像能最真实反映物体结构的物镜离焦条件，这个离焦条件总是在欠焦的一端。 系列离焦像（through focus series of images) :系列离焦像是保持其他成像条件不变，只改变离焦量而拍摄的一系列像。,.,15,7.2.1.1薄试样高分辨电子显微像,A 入射电子与试样物质的相互作用 设试样为薄晶体，忽略电子吸收，在相位体近似下，只引起入射电子的相位变化，用

8、下述透射函数（出射波函数）表示试样经受入射电子的作用： （ 7.1） 经受试样作用较之真空中传播的电子，入射电子只发生了相位变化 ；加速电压决定的量。 反应晶体势场沿电子束入射方向分布并受晶体结构调制的波函数。,.,16,式中,式中，h为普朗克常数，me为电子质量；e为电子电荷，为电子速度，c为光速,（7.2）,（7.3）,.,17,在试样厚度比较小 （23nm) （7.1）式可近似为 （7.4） 由上式可知，电子显微镜加速电压越低， 物质内势越大，由试样引起的入射电子相位变化 也越大。,.,18,加速电压V/KV,值相对于加速电压的变化,相互作用常数,.,19,B 经物镜作用（第一次傅里叶变

9、换）在后焦面处形成衍射谱 当物镜有像差时，像面波不能真实地复现物面波，这种偏差可用在物镜后焦面上给衍射波加上一个乘子（衬度传递函数 ）消除。于是有,（7.5）,透射波 衍射波,.,20,物镜引起的相位的变化,物镜的球差系数,物镜的离焦量,C 像平面上形成高分辨电子显微像,（7.6）,像平面的电子散射振幅可由后焦面散射振幅的傅里叶变化得到,（7.7）,(7.8),.,21,D 如何分析高分辨显微像上的黑白衬度,为简单起见，令 （7.10）,并设定两个理想的物镜条件，即,（7.11）,.,22,（7.12）,由（7.12）可知，原晶体的内势分布 在像的强度 中反映出来了。即像强度分布记录了晶体的势

10、分布。,.,23,下面讨论像上“黑”“白”衬度对应实空间物质的什么实体？何者对应真实原子？何者对应原子间通道？,首先解释（7.12）左边(x,y)点的强度却和右边 ( -x,-y )点势分布 相对应：在物镜像面处成的是倒立像（-x,-y）.从电子束开始与晶体作用到最终成像，前后进行了两次傅里叶变换，相当于光学透镜成倒立像。,.,24,由图可知，200KV下在1.74.3nm-1和400KV下在2.1 5.7nm-1很宽范围内，传递函数的虚部值均接近于1，满足（7.11,7.12）式。即,.,25,(a),(b),图7-5 晶体的势场（a）与高分辨 的显微像的衬度（b）对应的示意图,(a)反映了

11、晶体中重原子或轻原子列沿电子束方向的势分布；（b）是电子显微像上强度的分 布，可知 具有比1小得多的值。 由于重原子列具有较大的势（(a)中心峰高），像强度弱（负峰）。可见（a）（b）反映了由试样中轻重原子的差异所带来的像上衬度的差异。,.,26,Tl 系超导氧化物的高分辨电子显微像 TlBa2Ca3Cu4O11粉碎法制备,400kV电 子显微镜,沿010入射,左上插图是结构原子位置模型示意图。照片上相应于重原子Tl和Ba的位置出现大黑点，而环绕它们的周围则呈现亮的衬度。插图中从最上一个Ba原子到最下一个Ba原子之间的4个Cu原子和3个Ca原子和它们的周围通道也呈亮衬度。,.,27,一般说：

12、黑点处是有原子的位置，黑衬度也有深浅，深黑衬度对应Z较大的原子，浅黑衬度对应Z较小的原子：两个向邻近的原子其像衬度也可连在一起，这涉及电子显微镜的分辨率。,.,28,7.2.1.2电子显微镜的分辨率,对实际电子显微镜最佳聚焦量（谢尔策聚焦值） 由下式表示： （7.14） 规定 的符号在欠焦一侧取值为正。 此时散射波相位没有破坏，还能成像，其高波数一侧的边界可由下式表示：,.,29,7.2.1.3厚试样的高分辨电子显微像,当试样非常薄时，可用 给出电子衍射像的衬度：而当试样厚度达到5nm以上时用式 弱相位体近 似和 相位体近似 的处理就不够了。,下面介绍考虑了电子与实样物质交互作用过程中透射束与

13、衍射束以及衍射束之间的动力学交互作用的 多层片法。,多层片法的要点是：,.,30,把试样沿垂直于电子入射方向分割成许多薄层，将每一层看作一个相位体：上层的衍射束看成下层的入射束，并要考虑上层到下层之间的菲涅尔传播过程。薄片层的厚度一般取0.2-0.5nm各层的作用视为由两部分组成：一是由于物体的存在使相位发生变化。：二是在这个厚度范围内播的传播。,.,31,（1）第一薄层内物质对入射波的作用：看成是在晶体上表面发生了由式 表示的相变化，其次将电子波传播过程看成从晶体上表面到第一层下表面在真空中的小角散射（用传播函数）,.,32,第一薄层下表面处的散射振幅,（2）第二薄层内发生的过程：只要将,看

14、成第二层的入射波,.,33,这样，由n个薄层组成的试样的下表面处的散射振幅为：,.,34,7.2.2 高分辨电子显微像的计算机模拟,计算机模拟的必要性 高分辨电子显微像受到电子显微像差、试样内动力学衍射效应等的影响。因此，为了从电子显微像得出正确的结构结论，事先基于结构模型，恰当考虑动力学衍射效应、物镜像差和色差等参数进行计算机模拟，以便将计算像与实验像进行匹配比较，是必不可少的。,.,35,7.2.2 高分辨电子显微像的计算机模拟,概念 高分辨像的模拟计算是根据给定晶体结构模型而模拟电子显微镜成像过程的计算。,.,36,7.2.2.1程序构成与参数输入,A程序构成 （1）电子在物质内的散射，

15、包括： 计算结构因子 计算透射系数 和传播函数 考虑动力学效应，用多层片法计算 （2）像差影响和像平面相的形成 物镜像散的影响 色差与会聚角的影响,.,37,B参数输入 输入的数据包括：被研究对象的晶体学参数、 原子在单胞中的坐标、原子散射因子等：以及和电镜性能和观察条件相关的参数：V、Cs、色差引起的偏移f、会聚角等。,.,38,7.2.2.2考虑晶体缺陷和吸收时的计算机模拟,晶体缺陷 在还有缺陷的晶体的电子衍射花样中，除显现强的布拉格反射外，有时还可看到弱的、且呈连续强度分布的漫散射。,.,39,Au-MnX（Mn=22.6%）的有序结构像,1000KV电镜，沿001入射，箭头所指出的白色

16、亮度较其它临近白点要弱一些，可理解为该处Mn原子列中的一部分Au置换了,.,40,吸收效应,入射电子束倾斜,原子离子化,对于离子化倾向强的物质，则有必要使用 计入离子化各构成元素的原子散射因子,.,41,7.2.2.3程序检查,采样数调整 一般说采样数(选定的散射波数目)应足够多，适当尝试增加透射波和衍射波散射波数目，直至使计算值并无明显变化时为止。 薄片层厚度 检查的方法是：过程中适当减少薄层厚度值，如此时计算结果不发生明显差异，就可认为原设计厚度是适当的。,.,42,平均内势 计算运行中总是先计算结构因子，然后求投影势，这是确定晶体平均势的大小对程序的检查和参数的设定是必要的。 散射振幅比

17、较 对于某些物质，如以前已经计算过它的散射振幅（或强度),正在模拟的物质又与此相同时，可将过去的数值与正在模拟的结果进行比较。,.,43,7.4高分辨电子显微方法的实践和应用,4.1 高分辨电子显微像的种类 4.1.1 晶格条纹 如果物镜光阑选择后焦面的两个波来成像，由于两个波干涉，得到一维方向上强度呈周期变化条纹花样，这就是晶格条纹,.,44,Fe73.5CuNb3Si13.5B9的晶格条纹 （a)液体急冷状态的非晶高分辨电子显微像;（b）在500h热处理状态下能看见微 晶的晶格条纹；（c）图（b）试样的电子衍射花样,(a),(b),(c),5nm,.,45,7.4高分辨电子显微方法的实践和应用,4.1.2 一维结构像 如果倾斜晶体，使电子束平行于某一晶面族入射，就能得到一维衍射条件（相对原点强度分布对称）的花样。,.,46,晶格条纹，一维晶格像,Bi系超导氧化物的400kv下的一维结构像,.,47,7.4高分辨电子显微方法的实践和应用,4.1.3 7.2维晶格像 如果使电子束平行于某晶带轴入射，能够得到7.2维衍射条件的电子衍射花样。,.,48,Al2O3/SiC陶瓷中纳