电子显微镜-TEM

1、电子显微镜电子显微镜TEM目录目录一、电子显微镜简介二、基础知识三、透射电镜原理和结构四、透射电镜的成像原理 一、电子显微镜简介一、电子显微镜简介 电子显微镜是利用电子束对样品放大成像的一种显微镜，包括扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透射电镜(Transmission Electron Microscopy，TEM）两大类型，其分辨率最高达到0.01nm，放大倍率高达1500 000倍，借助这种显微镜我们能直接观察到物质的超微结构。二、基础知识二、基础知识 基础知基础知识识三、透射电镜原理和结构三、透射电镜原理和结构3.1 3.1 透射电镜的基本

2、原理透射电镜的基本原理 透射电子显微镜（Transmission electron microscope，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。 透射电镜原理和结透射电镜原理和结构构3.2 3.2 透射电镜的结构透射电镜的结构 透射电镜原理和结透射电镜原理和结构构四

3、、透射电镜四、透射电镜的成像原理的成像原理 4 4.1 .1 成像的类型成像的类型 1、复型像：反映试样表面状态的像，衬度取决于复型试样的原子序数和厚度； 2、衍衬像：反映试样内部的结构和完整性，起源于衍射光束； 3、相衬像：由透射束和一束以上的衍射束相互干涉产生的像。 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4 4.2 .2 质厚衬度质厚衬度4.2.14.2.1. .原子核和核外电子对入射电子的散射原子核和核外电子对入射电子的散射 供观察形貌结构的复型样品和非晶态物质样品的衬度是质厚衬度供观察形貌结构的复型样品和非晶态物质样品的衬度是质厚衬度经典理论认为散射是入射电子在靶物质粒子场中受力而发生

4、偏转。可采用散射截面的模型处理散射问题，即设想在靶物质中每一个散射元(一个电子或原子核)周围有一个面积为的圆盘，圆盘面垂直于入射电子束，并且每个入射电子射中一个圆盘就发生偏转而离开原入射方向；未射中圆盘的电子则不受影响直接通过。 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.2.14.2.1. .原子核和核外电子对入射电子的散射原子核和核外电子对入射电子的散射 原子核对入射电子的散射是弹性散射，而核外电子对入射电子的散射是非弹性散射。 透射电镜主要是利用前者进行成像，而后者则构成图像背景，从而降低了图像衬度，对图像分析不利，可用电子过滤器将其除去。 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.2.2

5、.4.2.2.质厚衬度原理质厚衬度原理 设电子束射到一个原子量为M、原子序数为Z、密度为和厚度为t的样品上，若入射电子数为n，通过厚度为dt后不参与成象的电子数为dn，则入射电子散射率为tMNnnAdd0单位体积样品中包含的原子个数单位体积样品中包含的原子个数单个原子的散射截面单个原子的散射截面每单位体积样品的散射面积每单位体积样品的散射面积厚度为厚度为dt的晶体总散射截面的晶体总散射截面将上式积分，得：将上式积分，得：式中式中N0为入射电子总数为入射电子总数(即即t=0时的时的n值值)，N为最后参与成像的电子数。为最后参与成像的电子数。MtNNNA00exp 透射电镜透射电镜的成像原的成像原

6、理理 4.2.2.4.2.2.质厚衬度原理质厚衬度原理 当其他条件相同时，像的质量决定于衬度（像中各部分的亮度差异）。 这种差异也可以是因为相邻部位原子对入射电子散射能力不同，因而通过物镜光阑参与成像的电子数也不同形成的。B BA AA 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.2.3.4.2.3.质厚衬度表达式质厚衬度表达式 令N1为A区样品单位面积参与成像的电子数，N2为B区样品单位面积参与成像的电子数，则A、B两区的电子衬度G为1110122202121exp1MtMtNNNNGA将上式展成级数，并略去二级及其以后的各项，得：将上式展成级数，并略去二级及其以后的各项，得： 将将 t 称为

7、质量厚度。称为质量厚度。1110122202MtMtNGA 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.2.3.4.2.3.质厚衬度表达式质厚衬度表达式 对于大多数复型来说，因其是用同一种材料做的，上式可写为 即衬度G取决于质量厚度t，这就是所谓质量厚度衬度(简称质厚衬度)的来源。实际上，这里G仅与厚度有关，即120ttMNGAtG 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.2.3.4.2.3.质厚衬度质厚衬度表达式表达式 当A、B两区不是由同一种物质组成时，衬度不仅取决于样品的厚度差，还取决于样品的原子序数差。 同样的几何厚度，含重原子散射作用强，相应的明场像暗；反之，由轻原子组成的区域，散射

8、作用弱，相应的明场像亮复型样品的制备中，常采用真空镀膜投影的方法，由于投影（重）金属或萃取第二相粒子的原子序数总是比复型材料大得多，所以经过投影的复型图像衬度要高得多。 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.3 4.3 衍射衬度像衍射衬度像 晶体试样在进行TEM电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。 衍衬像分为明场像与暗场像。如果只允许透射束通过物镜光栏成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束通过物镜光栏成像，则称为暗场像。 透射电镜透

9、射电镜的成像原的成像原理理 4.3.1 4.3.1 明场像明场像 明场像：采用物镜光栏挡住所有的衍射线，只让透射光束通过的成像。2 sind透过取向位置满足布拉格关系的晶粒的电子束强度弱透过取向位置不满足布拉格关系的晶粒的电子束强度强 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.3.2 4.3.2 暗暗场像场像 暗场像：采用物镜光栏挡住透射光束，只让一束衍射光通过的成像。2 sind透过取向位置满足布拉格关系的晶粒的电子束强度强透过取向位置不满足布拉格关系的晶粒的电子束强度弱 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.3.3 4.3.3 离离轴暗场像轴暗场像 使光阑孔套住hkl斑点，把透射束和其

10、它衍射束挡掉，在这种暗场成像的方式下，衍射束倾斜于光轴，故又称离轴暗场。离轴暗场像的质量差，物镜的球差限制了像的分辨能力。000hkl 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.3.4 4.3.4 中心中心暗场成像暗场成像000 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4 4.4 衍射衬度理论衍射衬度理论 衍射衬度理论简称为衍衬理论衍衬理论运动学理论：不考虑入射波与衍射波的相互作用动力学理论：考虑入射波与衍射波的相互作用 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4 4.4 衍射衬度理论衍射衬度理论对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波1

11、、有一个晶面严格满足布拉、有一个晶面严格满足布拉格条件：双束条件格条件：双束条件2、入射波与任何晶面都不满、入射波与任何晶面都不满足布拉格条件，假设：足布拉格条件，假设：a:透射波的强度几乎等于入射透射波的强度几乎等于入射波的强度；波的强度；b:衍射束不再被晶面反射到入衍射束不再被晶面反射到入射线方向。射线方向。运动学近似运动学近似双束动力学近似双束动力学近似 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4.1 4.4.1 完整完整晶体中衍衬像运动学晶体中衍衬像运动学理论理论 运动学近似运动学近似成立的条件成立的条件： 样品足够薄，入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度； 衍射处于足够偏

12、离布拉格条件的位向，衍射束强度远小于透射束强度 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4.1 4.4.1 完整完整晶体中衍衬像运动学晶体中衍衬像运动学理论理论 完整晶体衍射强度完整晶体衍射强度：将薄晶体分成许多小的晶柱，晶柱平行于Z方向。每个晶柱内都含有一列元胞。假设每个晶柱内电子衍射波不进入其他晶柱，这样只要把每个晶柱中的各个单胞的衍射波的和波求出，则和波振幅的平方即为晶柱下面P点衍射波强度。各个晶柱下表面衍射波强度的差异则构成衍衬度像源。 完整晶体运动学柱体近似 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4.1 4.4.1 完整完整晶体中衍衬像运动学晶体中衍衬像运动学理论理论 其中 a

13、 ， b ，c 是单胞的基矢。对于所考虑的晶柱来说，因此， P0处的合成波振幅为22nniz cignnFeFeKK RnnnnxyzRabc0nnxy2xis zggidedz2222sinzDgzs tIscoscggVF衍射波振幅的微分形式是衍射波振幅的微分形式是衍射波强度公式：衍射波强度公式：式中 单胞体积 衍射角之半 结构振幅 电子波长 消光距离cVgFg4.4.1 4.4.1 完整晶体中衍衬像运动学理论完整晶体中衍衬像运动学理论 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4.2 4.4.2 不不完整晶体中衍衬像运动学完整晶体中衍衬像运动学理论理论 不完整晶体衍射强度公式 所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位错、层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和晶粒边界等缺陷。 在完整晶体中引入缺陷的普遍效应，是使原来规则排列的周期点阵受到破坏，点阵发生了短程或长程畸变。处理畸变晶体方法：1、把畸变晶体看成是局部倒易点阵矢量、或局部晶面 间距发生变化：2、把畸变晶体看成是完整晶体的晶胞位置矢量发生变 化，位置矢量由理想晶体gggnnRRR 透射电镜透射电镜的成像原的成像原理理 4.4.2 4.4.2 不不完整晶体中衍衬像运动学完整晶体中衍衬像运动学理论理论 缺陷晶体衍射波合波的振幅为缺陷晶体衍射波合成振幅为2niK RFeKgsnnRRR