TEM应用学习课程

1、透射电镜的应用透射电镜的应用宏观宏观微米微米纳米纳米形貌晶体结构第1页/共51页第一页，编辑于星期日：点 十三分。病毒的观察SARS virus particles (Nature, v423, 240,2003)Influenza virus第2页/共51页第二页，编辑于星期日：点 十三分。Carbon tube第3页/共51页第三页，编辑于星期日：点 十三分。SBA-15第4页/共51页第四页，编辑于星期日：点 十三分。Au纳米溶胶第5页/共51页第五页，编辑于星期日：点 十三分。样品分类样品分类p 粉末粉末(powder)样品：粉末状材料的形貌观察、颗粒度测定以及结构分析等。样品：粉末状

2、材料的形貌观察、颗粒度测定以及结构分析等。p 薄膜样品：把块状材料加工成对电子束透明的薄膜状，可用作静态观薄膜样品：把块状材料加工成对电子束透明的薄膜状，可用作静态观 察，如察，如析出相形态结构、基体取向关系等。也可作动态原位观察如相变、形变、位析出相形态结构、基体取向关系等。也可作动态原位观察如相变、形变、位错运动等。错运动等。p 金属试样的表面复型样品：把准备观察的试样的表面形貌用适宜的非晶物质金属试样的表面复型样品：把准备观察的试样的表面形貌用适宜的非晶物质复制下来的试样。适用于金相组织、断口形貌、形变条纹、磨损表面、第二复制下来的试样。适用于金相组织、断口形貌、形变条纹、磨损表面、第二

3、相形态及分布、萃取和结构分析等。相形态及分布、萃取和结构分析等。p 界面样品：主要用于对材料的表面与界面进行观察。界面样品：主要用于对材料的表面与界面进行观察。第6页/共51页第六页，编辑于星期日：点 十三分。样品载网：样品载网：Gridn碳碳(支持支持)膜：观察样品的形貌像。膜：观察样品的形貌像。n 纯碳纯碳(支持支持)膜膜 ：膜厚：膜厚7-10nm，适合有机溶，适合有机溶剂或高温加热样品的形貌像观察。剂或高温加热样品的形貌像观察。n微栅：适合于观察粉末样品或超薄切片样品的微栅：适合于观察粉末样品或超薄切片样品的高分辨像，样品通常在微栅孔的边缘（空洞）高分辨像，样品通常在微栅孔的边缘（空洞）

4、处观察，以得到较高衬度的高分辨像处观察，以得到较高衬度的高分辨像n超薄碳膜：是在微栅孔上，搭载一层超薄碳膜：是在微栅孔上，搭载一层3-5nm的的超薄碳膜，适合超细微粒粉末样品的观察，超薄碳膜，适合超细微粒粉末样品的观察，特别是对分散较好的特别是对分散较好的10nm以下的样品，可以下的样品，可以达到高分辨观察，不致从微栅孔上漏出。以达到高分辨观察，不致从微栅孔上漏出。第7页/共51页第七页，编辑于星期日：点 十三分。粉末样品制样粉末样品制样n 研磨或超声后挂网研磨或超声后挂网n 包埋于铜管或槽中，切片减薄第8页/共51页第八页，编辑于星期日：点 十三分。界面样品的制备界面样品的制备(半导体器件、

5、薄膜、复合材半导体器件、薄膜、复合材料料)减薄第9页/共51页第九页，编辑于星期日：点 十三分。薄膜样品的制备薄膜样品的制备（直径（直径3 mm，对电子束透明的薄片），对电子束透明的薄片）切薄片（厚度切薄片（厚度100-200 um）切圆片（切圆片（ 为为3 mm ）预减薄（平面磨和钉薄）预减薄（平面磨和钉薄）终减薄（离子减薄或电解双喷）终减薄（离子减薄或电解双喷）电解液通过喷嘴向作为阳极的试样中心部分的两侧喷射，电解液使试样电解减薄，圆片中心出现小孔时，停止减薄。利用加速的离子轰击试样表面，使表面原子飞出。通常使用氩离子，入射到试样角度为10-20，加速电压为几千伏第10页/共51页第十页，

6、编辑于星期日：点 十三分。超薄切片超薄切片用于生物试样的薄片制备，高分子和比较软的无机材料的切割，它可切除厚度小于100 nm的薄膜。包埋（固定样品）包埋（固定样品）玻璃刀整形玻璃刀整形金刚石刀切片金刚石刀切片丙烯基系列或环氧系列的树脂超薄切片原理示意图超薄切片原理示意图固定试样的臂上下运动一次就缩进一点，由于前端有金刚石刀，就将试样切成了薄片。槽中装满水，切出的薄片浮在水面上，将薄片捞在支持网进行观察。第11页/共51页第十一页，编辑于星期日：点 十三分。复型复型(replication) 直接复型 萃取复型 主要应用于钢铁行业第12页/共51页第十二页，编辑于星期日：点 十三分。电子与物质

7、的相互作用电子与物质的相互作用弹性散射：碰撞后，电子只改变方向而无能量改变。是电子衍射和电子衍衬像的基础。非弹性散射：碰撞后，电子的方向和能量都改变了。是扫描电镜像、能谱分析、电子能量损失谱的基础。电子束穿过薄样品产生的各种信息电子束穿过薄样品产生的各种信息电子散射：电子散射：电子束与试样碰撞时，电子与物质的原子核和核外电子发生相互作用，使入射电子的方向和能量改变，有时发生电子消失、重新发射或产生别种粒子、改变物质形态等现象。电子束入射到样品后，电子轨迹发生变化，轨迹变化决定于组成物质的原子核及其核外电子对电子的作用，结果将以不同信号放映出来。第13页/共51页第十三页，编辑于星期日：点 十三

8、分。电子衍射原理电子衍射原理u晶体内部点阵排列的规律晶体内部点阵排列的规律性使电子的弹性散射可在一性使电子的弹性散射可在一定方向上加强，在其他方向定方向上加强，在其他方向削弱，因而产生削弱，因而产生电子衍射花电子衍射花样样 2dhkl sin = 是产生衍射的必要条件，但不充分。 对于给定的晶体样品，只有当入射波长小于等于两倍的晶面间距，才能产生对于给定的晶体样品，只有当入射波长小于等于两倍的晶面间距，才能产生布喇格衍射。布喇格衍射。波长为的平面电子波被晶面间距为dhkl的hkl晶面散射的情况qqFEBAqq入射束入射束ABABBd布喇格定律布喇格定律2dhkl sin = n 可把任意hkl

9、晶面组的n级衍射看成是与之平行，但是晶面间距比hkl晶面组小n倍的(nh nk nl)晶面组的一级衍射，这样布喇格定律可改写成sin= / 2dhkl 12d第14页/共51页第十四页，编辑于星期日：点 十三分。电子衍射几何的基本公式电子衍射几何的基本公式 L：相机长度:电子波长（L :相机常数）R：衍射斑距透射斑长度d:衍射斑对应的晶面间距电子束(),晶体(d)及其取向关系用AGO表示O透射斑点G衍射斑点由衍射花样推知晶体的结构，或由衍射花样确定已知晶体由衍射花样推知晶体的结构，或由衍射花样确定已知晶体的位向。的位向。爱瓦尔德作图法OG=ghkl=1/dhklAO=2/ OAG=电子束晶体第

10、15页/共51页第十五页，编辑于星期日：点 十三分。正空间倒空间uvwr)(111lkh)(222lkh)(333lkh)(111lkh)(222lkh)(333lkh倒易点阵倒易点阵倒易点阵具有如下性质：倒易矢量垂直于正空间点阵（hkl）晶面，且它的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数倒易点阵中的一个点hkl代表正空间点阵中的一个晶面（hkl）矢量的长度代表晶面间距的倒数，矢量的方向代表晶面的法线。(uvw)*为正空间中uvw方向正交的倒易面。 (uvw)* uvw，属于uvw晶带的晶面族的倒易点hkl均在一个过倒易点的二维倒易点阵平面(uvw)*上与正点阵相对应的量纲为长度倒数的一个三维空间

11、点与正点阵相对应的量纲为长度倒数的一个三维空间点阵阵第16页/共51页第十六页，编辑于星期日：点 十三分。电子衍射谱的标定电子衍射谱的标定 晶带定义：晶带定义：许多晶面族同时与一个晶体学方向许多晶面族同时与一个晶体学方向uvw平行时，这些晶面族总称为一个平行时，这些晶面族总称为一个晶带，而这个晶体学方向晶带，而这个晶体学方向uvw称为晶带轴。称为晶带轴。例如：例如：(100), (010), (110),(110), (210)等晶面族同时和等晶面族同时和001方向平行，则它们以方向平行，则它们以001为轴为轴组成一个晶带。组成一个晶带。晶带定律晶带定律uvw是正点阵矢量，hkl*是倒易矢量，

12、二者正交uvw是正点阵矢量，(hkl)是正点阵平面，二者平行(uvw)*是倒易点阵平面， hkl*是倒易矢量，二者平行同一晶带的晶面族都平行于晶带轴方向，其倒易矢量垂直于晶带轴。晶带轴用正空间矢量r=ua+vb+wc表示，晶面(hkl)用倒易矢量Ghkl=ha*+kb*+lc*表示。晶带定义rG即rG=0得hu+kv+lw=0第17页/共51页第十七页，编辑于星期日：点 十三分。晶带定律应用晶带定律应用已知已知(h1k1l1), (h2k2l2)同属一晶带，则带轴的指数是：同属一晶带，则带轴的指数是：uvw=(h1k1l1)*(h2k2l2)h1k1l1h1k1l1h2k2l2h2k2l2uv

13、wu=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1第18页/共51页第十八页，编辑于星期日：点 十三分。如果一个晶面同属于两个晶带，则当两晶轴已知时，该晶面指数可求。设两如果一个晶面同属于两个晶带，则当两晶轴已知时，该晶面指数可求。设两晶带轴方向指数为晶带轴方向指数为u1v1w1，u2v2w2，则晶面，则晶面(hkl)应满足：应满足：hu1 + kv1 + lw1 = 0hu2 + kv2 + lw2 = 0h=v1w2-v2w1v=w1u2-w2u1w=u1v2-u2v1u1v1w1u1v1w1u2v2w2u2v2w2hkl第19页/共51页第十九页，编辑于星期日：点 十三

14、分。已知一晶带内的二平面已知一晶带内的二平面f1(h1k1l1)，f2(h2k2l2)，则同一晶带内各可能晶面的指数可，则同一晶带内各可能晶面的指数可求：求：设设f1和和f2同属于同属于uvw晶带，则应有：晶带，则应有：mh1u+mk1v+ml1w=0nh2u+nk2v+nl2w=0 (m,n为任意有理数）为任意有理数）两式相加：两式相加：(mh1+nh2)u+(mk1+nk2)v+(ml1+nl2)w=0可见指数为可见指数为(mh1+nh2)，(mk1+nk2)，(ml1+nl2)的晶面也属于的晶面也属于uvw晶带。此即晶带。此即uvw晶带内所有可能晶面指数的一般表达式晶带内所有可能晶面指数

15、的一般表达式第20页/共51页第二十页，编辑于星期日：点 十三分。 空间点阵结构基元晶体结构空间点阵结构基元晶体结构 晶面：（hkl）,hkl 用面间距和晶面法向来表示 晶向: uvw, 晶带：平行晶体空间同一晶向的所有晶面的总称 ，uvw晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵第21页/共51页第二十一页，编辑于星期日：点 十三分。改变中间镜电流，使中间镜的物平面与物镜的像平面重合，在物镜的像平面的像被传递并被中间镜和投影镜放大，在荧光屏得到放大的物像图像模式图像模式改变中间镜电流，是中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，在物镜的后焦面平面上的电子衍射谱被传递并被中间镜和投影镜放大，在荧光屏上得到放

16、大的电子衍射谱衍射模式衍射模式SAED（Selected Area Electron Diffraction) ：选区电子衍射，样品：选区电子衍射，样品微区内的晶相和投射面的判断。微区内的晶相和投射面的判断。第22页/共51页第二十二页，编辑于星期日：点 十三分。单晶单晶就是具有完整晶体外形（晶棱，晶面完就是具有完整晶体外形（晶棱，晶面完备）的单个颗粒，颗粒内部的晶格是周期排备）的单个颗粒，颗粒内部的晶格是周期排列，如果从任意晶带轴投射，那么得到的必列，如果从任意晶带轴投射，那么得到的必然是二维衍射点然是二维衍射点多晶多晶就是一个颗粒里面有多个晶粒，每个晶粒的就是一个颗粒里面有多个晶粒，每个晶

17、粒的晶格都是周期性排列的，但这些晶粒的取向都是晶格都是周期性排列的，但这些晶粒的取向都是随意的，这样一个晶粒产生一些衍射点，衍射点随意的，这样一个晶粒产生一些衍射点，衍射点出现在晶格对应的出现在晶格对应的d d值为半径的圆上，多个晶粒值为半径的圆上，多个晶粒有不同取向，就会慢慢形成多个点连成的一个圆，有不同取向，就会慢慢形成多个点连成的一个圆，选区范围内的颗粒含的晶粒越多，那么这个圆就选区范围内的颗粒含的晶粒越多，那么这个圆就越平滑越平滑 单晶非晶多晶无定形无衍射环无衍射环（完全无序）宽化衍射环宽化衍射环（非晶合金或金属）连续的锐利衍连续的锐利衍射环射环（多晶或者多个颗粒组成的多晶粉末）衍射点

18、组成的不连续衍射环衍射点组成的不连续衍射环（多晶，但单个晶粒的有序区域在增加）多个衍射点但有规律可循多个衍射点但有规律可循（孪晶或多重孪晶）周期性排列的二维衍射点周期性排列的二维衍射点（单晶） 第23页/共51页第二十三页，编辑于星期日：点 十三分。多晶电子衍射谱标多晶电子衍射谱标定定多晶电子衍射谱由一系列同心圆环组成，多晶电子衍射谱由一系列同心圆环组成，每个环对应一组晶面。每个环对应一组晶面。根据根据d = L/R, 可求得各衍射环对应可求得各衍射环对应的晶面间距的晶面间距d。与与JCPDF 卡（多晶粉末衍射卡）卡（多晶粉末衍射卡） 中的中的 d值对照比较便可标定每个衍射环值对照比较便可标定

19、每个衍射环 的指数的指数（ hkl ）。）。第24页/共51页第二十四页，编辑于星期日：点 十三分。P1P2P3单晶电子衍射谱标定单晶电子衍射谱标定第25页/共51页第二十五页，编辑于星期日：点 十三分。单晶电子衍射谱标定的单晶电子衍射谱标定的 d值比较法值比较法1 选择衍射斑A、B ，使 r1 和和r2 为最短和 次短长度，测量r1 、r2 2和夹角 值值2 根据 rd =L ,求A、B衍射斑对应的面间距d1 和d2 ，与物样 JCPDF 数据比 较，找出与 d1 、d2 相吻合的面指数 hkl 1 和和hkl23 在在hkl 1 中，任选 (h1k1l1 )为为A点指数，从hkl 2 中，

20、试探计算确定B点指数 (h2k2l2 )，使 (h1k1l1 )和和(h2k2l2 )的夹角计算值与实测值 相符 4 按矢量叠加原理，标定其它衍射斑指 数，并求出晶带轴指数 u v w 第26页/共51页第二十六页，编辑于星期日：点 十三分。实例：a- Fe 电子衍射谱标定1选择选择A和和B，测量，测量r1 9.9 mm, r2 17.2 mm, 742计算计算d值，值，L=20.08 mmA，与，与a- Fe JCPDF卡数据比较，找出卡数据比较，找出hkl 1 和和hkl2第27页/共51页第二十七页，编辑于星期日：点 十三分。第28页/共51页第二十八页，编辑于星期日：点 十三分。Dig

21、italMicrograph Demo版的使用第29页/共51页第二十九页，编辑于星期日：点 十三分。将将.dm3转存为其他格式转存为其他格式打开一个dm3的文件，鼠标点中图片，点右键选copy这个选项，而后paste到powerpoint（2003版以上）的空白文件里（或者photoshop里面），而后在powerpoint的文件里，同样点选鼠标右键，选“另存为图片”，这个时候就可以调整图片大小并存为其他格式，比如JPEG，TIFF等等 copy之前，最好用右边“standard tools”里面的放大镜点击图片，放大之后不要点最大化按钮，这时再copy，就能保证尽量大的像素。copy时要把

22、scale bar（标尺）完全露出来，否则有可能会在paste到其他软件后失去原标尺的数字 放大镜放大镜第30页/共51页第三十页，编辑于星期日：点 十三分。DM测量测量JPEG格式图片格式图片用放大镜工具对标尺部位放大两次，并拖动到图片中央用ROI tools里面的虚线对准标尺，拉出同样长度的一条虚线 点选菜单Analysis下面的calibrate，这个时候会出现一个对话框，选nm，并填写50（根据原图片标尺变化），点击Ok后，这个图片就有了自己的标尺 手形拖动手形拖动虚线虚线如果标定的是衍射花样，拉已知d值的衍射点到中心斑，同样操作，但最后的单位选1/nm，填写的数字是所拉线段对应的长度

23、（nm）这样就是倒易空间的标尺了第31页/共51页第三十一页，编辑于星期日：点 十三分。再去量任意两点之间的距离，就不是一个数字，而是有了nm的单位，注意control对话框的L的数值和单位（如果没有看到control对话框，那么到菜单windowfloating windows里面点击show all） 第32页/共51页第三十二页，编辑于星期日：点 十三分。虽然有了标尺，这个图片可能还无法做FFT，对图片的数据格式进行修改1.在菜单Edit里面有一个change data type的选项，点选之后会出现如上对话框 2.如果开始的格式是RGB或者其他格式，那么改成Integer，bytes选

24、4即可，不论问什么一律确认。再点选ROI tools里的虚框，按下Alt键的同时拉一个正方形的范围，再点菜单Process里的FFT，结果出来了 FFT的花样和衍射一致，拉虚线测量，看control的L结果已经是1/nm这个单位，接下来的工作就和衍射花样的标定一样了。 第33页/共51页第三十三页，编辑于星期日：点 十三分。FFT花样像滤波处理花样像滤波处理 1.打开一张高分辨像，选择ROI Tools中的矩形选框工具，按住Alt在图像上拉出一个正方形。FFT只对面积为2的n次方的区域有效2.选择ProcessFFT12第34页/共51页第三十四页，编辑于星期日：点 十三分。1.选择Maski

25、ng Tool中的周期性Mask工具，在FFT of *点击2.选择周期性的Bragg点 3.选择ProcessApply Mask第35页/共51页第三十五页，编辑于星期日：点 十三分。选择ProcessInverse FFT 加标尺，选择EditData BarAdd Scale Maker第36页/共51页第三十六页，编辑于星期日：点 十三分。粒径分布计算（粒径分布计算（nano measure)第37页/共51页第三十七页，编辑于星期日：点 十三分。第38页/共51页第三十八页，编辑于星期日：点 十三分。能谱分析能谱分析n能量损失谱能量损失谱(EELS)通过分析入射电子经过样品的散射后

26、发生的能量损失来探测样品中存在的元素种类和含量nX射线能谱射线能谱(EDS)电子云的一个电子能量突增，出现电子空位，高能量电子占据电子空位，发生轨道跃迁，同时把自身剩余的能量通过发射光子的形式释放出来，形成X射线特征谱。(X射线的能量与元素的种类是一一对应的，代表元素的特征）第39页/共51页第三十九页，编辑于星期日：点 十三分。X-Y记录仪记录仪显像管显像管电传打字机电传打字机能谱仪方框图能谱仪方框图第40页/共51页第四十页，编辑于星期日：点 十三分。点分析点分析OAgmixTi线扫描分析线扫描分析面分析面分析第41页/共51页第四十一页，编辑于星期日：点 十三分。TiO2 2小球小球 S

27、EM and TEM (insets) images of the titania spheres1 h12 h1 d2 d7 d14 d合成过程合成过程TiOSO4乙二醇乙醇乙醇乙酸乙酯形貌控制条件：改变醇的种类调节反应时间Hexing Li, Zhenfeng Bian Yunfeng Lu et al. J. AM. CHEM. SOC. 2007, 129, 8406第42页/共51页第四十二页，编辑于星期日：点 十三分。空心空心Ce-Pd球球Pd(S)Ce-Pd(S)Pd(H)Ce-Pd(H)TEM image of vesicles formed by mixing PdCl2 a

28、nd Bu4PBr.PdCl2 /Bu4PBr/Ce(NO3)3搅拌 4 min混浊溶液搅拌KBH4还原洗涤黑色颗粒Elemental mappingThe possible formation process of hollow Pd spheres. X=Cl or Br.Hui Li, Jun Liu,Hexing Li et al. Adv. Funct. Mater. 2008, 18,3235第43页/共51页第四十三页，编辑于星期日：点 十三分。介孔介孔SBA-15SBA-15(110)P123H2O308-313 KTEOSHCl搅拌 24 h（100）陈化 24 h过滤洗涤干燥873 K焙烧洗涤干燥SBA-15介孔范围：介孔范围：2-50 nm第44页/共51页第四十四页，编辑于