透射电子显微学绪论2015tem

1课程名称：透射电子显微学

任课教师：范国华

哈工大分析测试中心

管理学院楼114室

电话：86414867

E-mail:ghfan@哈尔滨工业大学分析测试中心电镜实验室TEM:4台套；SEM:4台套；SEM/FIB:1台套；EBSD:4台套；制样设备：5台教授:1人；副教授:4人；高级工程师：4人3参考教材■孟庆昌，透射电子显微学，哈尔滨工业大学出版社■TransmissionElectronMicroscopyI-IVDavidB.Williams,C.BarryCarter,PlenumPress,NewYork,1996ISBN0-306-45324-X■IntroductiontoConventionalTransmissionElectronMicroscopyMarcDeGraef,CambridgeUniversityPress,2003ISBN0-521-62006-6■Experimentalhigh-resolutionelectronmicroscopyJohnC.H.Spence,OxfordUniversityPress,1988ISBN0-19-505405-94主要内容透射电镜衍衬分析原理透射电镜高分辨像成像原理电子能量损失谱分析原理高空间分辨率能谱分析原理透射电子显微镜的研制与发展TEM基本模式与原理=透射电子显微学的发展历程与应用透射电子显微镜（TEM）透射电子显微学基本知识透射电镜的附件系统透射电镜在材料科学中的应用透射电子显微学的最新研究进展X射线衍射分析电子背散射衍射技术（EBSD）66电子显微镜历史

19thcentury:ErnstAbbé发现光学显微镜受限于可见光的波长 “Accordingtoourpresentscientificknowledge,therangeofthehumaneyeislimitedbythenatureoflightitself[…]Thehumanintellectoffuturegenerationswillperhapsfindwaystopasstheseborderswhichweconsiderinsurmountablebymakingstillunknownprocessesandforcestoservethispurpose”(1876)透射电子显微镜的研制与发展771897:Thompsondescribestheexistenceofnegativelychargedparticles(electrons)1905:R.RankinUseofmagneticcoiltofocusadivergingelectronbeaminaBrauntube.1924L.deBroglieClaimofwavepropertiesofanacceleratedelectron1927:ThompsonandReiddemonstratedthewavenatureofelectronsbydiffractionexperiments1931:Ruskaetal.buildthefirstelectronmicroscope(NobelPrizein1986)电子显微镜历史透射电子显微镜的研制与发展Dezember19331937cooperationwithindustry(Siemens)by1945:30microscopesdeliveredFirstcommercialelectronmicroscope透射电子显微镜的研制与发展Developmentsafter195060`s: improvementofelectricalandmechanicalstability70`s: latticeimagingofcrystals1986: E.Ruska:NobelPrize (togetherwithH.BinnigandG.Rohrer)80,90`s:developmentoffieldemissionguns (highbrightness,narrowenergydistribution)

CCD-camera+imagingplates (linearcontrasttransfer) applicationofenergyfilters

1111透射电镜历史EM100nmPeriodEM430TecnaiTitanCMEM300EM75透射电子显微镜的研制与发展

电子显微学发展的历程

1949年以前使用复型样品衬度机制为质量厚度衬度

1949年以后使用薄膜样品衬度机制为衍射衬度上世纪50年代开创了透射电子显微学以衍衬成像技术研究材料内部微观结构和晶体缺陷上世纪70年代发展了以相位衬度机制成像的高分辨电子显微学从原子尺度研究材料的原子排列上世纪80年代开始兴起高空间分辨率电子显微学用EDS、

EELS和微衍射进行微区成分和结构分析第一阶段第二阶段第三阶段一、透射电子显微镜（一）透射电子显微学的基本知识分辨率

0.2mm

0.2mm

0.2nm

＜0.1nm

影响透射电子显微镜分辨率的因素

透镜球差系数透射电镜加速电压入射电子能量分散一、透射电子显微镜一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识分辨率

一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜中的各种信号

一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理明场成像暗场成像电子衍射高分辨像扫描透射X射线能谱能量过滤透射后焦面样品物镜光阑成像系统中间镜物平面物镜相平面重合双物镜小聚光镜选区光阑一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理透射电子显微镜的成像方法（a）明场像，（b）暗场像，（c）高分辨像一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理选区衍射(SAD)微区衍射会聚束衍射(CBED)透射电镜的电子衍射方法PointsDiscs一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理透射电镜的扫描透射成像图像亮度与原子序数平方成正比！LaBHAADFHR-TEMExperimentalABF/DFSTEMand

HR-TEMimagesfrom[100]LaB6specimen一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理透射电镜的X射线能谱分析X-raymapsofNb-richprecipitatesinstainlesssteel一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理透射电镜的能量过滤成像R一、透射电子显微镜

（一）透射电子显微学的基本知识透射电镜的成像原理透射电镜的能量过滤成像一、透射电子显微镜

（二）透射电镜的附件系统能谱仪（EDS）扫描透射附件（STEM）电子能量损失谱（EELS）电子耦合CCD相机高分辨透射电子显微镜一台（美国FEI公司，TECNAIF30）安放地点：哈工大科学园B1栋一楼一、透射电子显微镜

（二）透射电镜的附件系统高分辨透射电子显微镜Schottky场发射灯丝加速电压范围：50kV－300kVTEM放大倍数：60x－1000,000x点分辨率：0.20nm线分辨率：0.10nm信息分辨率：0.14nm最小束斑尺寸：0.3nm最大会聚角：

12oSTEM放大倍数：50x－3000,000x（+8xzoom）STEM图像分辨率：0.17nm样品台最大倾角：

40oEDX分析元素范围：5B－92U一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

200℃for0.5h[0001]Mg200℃for1h[0001]Mg200℃for0.5h200℃for1h利用透射电镜研究镁稀土合金的纳米级析出相的结构表征晶体结构分析（衍射谱）；纳米析出相的尺寸，形状，惯习面（衍射衬度像）；纳米析出相的成分分析（X－射线能谱仪）；纳米析出相的原子尺度分布特征（高分辨像）结合结构模型进行高分辨计算模拟。一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

利用透射电镜研究镁稀土合金的纳米级析出相的结构表征纳米析出相为片状形貌；长度在100纳米以下，宽度在10纳米以下；沿着镁基体的{11-20}面族析出；一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

利用透射电镜研究镁稀土合金的纳米级析出相的结构表征高分辨像＋高分辨像模拟＋STEM一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

镍基高温合金中析出相形态分析123一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

镍基高温合金中析出相形态分析123明场像单束暗场像暗场像高角暗场像一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

123Ni基高温合金中的有序相的形貌一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

12360nmWSixPoly-Si182monolayerschannel1.2nmGateOxide~5SiAtomsthickp+sourcep+drainnchannel一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用衍衬分析

Zr65Al7.5Ni10Cu7.5Pd10

705k等温处理60s一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用催化剂研究123STEMBFimageSTEMHAADFimageSTEMBFimageSTEMHAADFimage一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用催化剂研究123我校化工学院王建波教授发表在《AdvancedMaterials》（2011,5,1–5,IF:8.3）文章，该文章大量运用了高分辨透射电镜HRTEM/HAADF/STEM-EDS等功能分析碳膜负载Pt及CeO2的微观组织。一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用晶体结构与空间几何分析FanG.H.etal,MaterialsChemistryandPhysics,2010.一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用晶体结构与空间几何分析37机械抛光铝合金表面塑性变形组织Opticalmicrographsofas-abraded(1200grit)(a)AA7055-T6,(b)AA7055-T73,and(c)Cu-freealloyT6peak-agedsamplesafterpotentioltodynamicpolarizationtohighpotentials.（三）透射电镜在材料科学中的应用Wang,S.S.,Frankel,G.S.,Jiang,J.T.,Zhen,L.,JournalofTheElectrochemicalSociety,2013,inpress.38Anodicpolarizationcurvesforas-abradedAA7055-T6sampleswithdifferentsurfaceroughnessindeaerated3.5wt%NaClsolutionatascanrateof0.167mV/s.Thearrowspointoutthetwobreakdownpotentials.机械抛光铝合金表面塑性变形组织（三）透射电镜在材料科学中的应用39传统电解抛光（单喷）机械抛光铝合金表面塑性变形组织（三）透射电镜在材料科学中的应用40机械抛光铝合金表面塑性变形组织Cross-sectionalTEMbright-fieldimagesshowing(a)anelongatednano-grainsinthesurfacelayer,(b)lowaspectrationano-grainsinsidetheelongatedgrain,and(c)dislocationwallsinhighmagnificationoftheareamarkedwitharectanglein(b),and(d)a“bamboo”grainstructure,(e-g)NBDpatternscorrespondingtoI-IIInano-grainsin(d)forAA7055-T6sample;(h)lamellarstructuresforAA7055-T73sample.SAEDpatternobtainedfromtheareamarkedwithacircleisshownintheinset.Thewhitearrowsin(a,d)indicatethesurfacelayer.Al2Cuparticlesaremarkedwithtriangles.Theredarrowsin(h)indicatetransverseLAGBs.FIB制样（三）透射电镜在材料科学中的应用41机械抛光铝合金表面塑性变形组织（三）透射电镜在材料科学中的应用42（三）透射电镜在材料科学中的应用43机械抛光铝合金表面塑性变形组织（三）透射电镜在材料科学中的应用44靠近表面层的基体晶界析出相（FIB）基体（双喷减薄）ABABAl-7.76Zn-1.94Mg-2.35Cu（三）透射电镜在材料科学中的应用45机械抛光铝合金表面塑性变形组织（三）透射电镜在材料科学中的应用一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用123成分分析xEScan

yIncidentprobeSTEM-XEDSSISTEM-EELSSIEFTEMSIHAADF一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用催化剂研究123STEMHAADFimage成分分析STEM-XEDSCr(at%)Cu(at%)Ni(at%)1000<80<40<60<20Au(at%)t(nm)060<40<20STEM-XEDS(b)Cr(c)Cu(d)Ni(e)Au(f)Thickness40nm080<40<60<20080<40<60<20020<10<15<5NiCuAuCuandAuatomsmigratebygrain-boundarydiffusion成分分析一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用成分分析一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用Energy(keV)Counts5.04.03.02.01.00.020100MnMnSSNEDXSTEMHAADFDetectorHAADFSTEMEnergy(eV)Counts7006005004003002006000040000200000BCNSSMnPEELSN(EELS)Mn(EELS)Mn-KB(EELS)C(EELS)S(EELS)S-KMn-LSTEM-EELS一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用成分分析

12350TheEFTEMmapsindicateacompositionofmanganesesulphideforthecoreandboronnitridefortheshell.MnBNSEFTEM一、透射电子显微镜

（三）透射电镜在材料科学中的应用成分分析

12351HAADF2nmCuAlAgAgAlZ衬度像一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12352克服制样技术的瓶颈电镜在材料科学中起作用始于1949Heidenreich把减薄的金属片放入电镜观察电子显微镜的衬度理论的发展晶体中的缺陷观测（1961）高压电子显微镜的发展原子尺度高分辨像的获得（饭岛，1970)高分辨成像理论的建立(Cowley,1957)原子尺度非相干高分辨像的获得化学元素敏感的原子尺度高分辨像1937cooperationwithindustry(Siemens)一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12353球差校正透射电镜（Cscorrector）原位透射镜（原位力学、电学与环境）高空间分辨率成分分析透射电子显微学研究的几个热点

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12354球差校正透射电镜透射电子显微学研究的几个热点

ChromaticaberrationSphericalaberration一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12355球差校正透射电镜透射电子显微学研究的几个热点

DelocalizationPeriodicstructureshiftedawayfromitstrueposition高分辨像解释存在的问题：一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12356球差校正透射电镜70pmTEM&STEMAnalyticalpole-piece一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展12357球差校正透射电镜UncorrectedCorrectedImagesandFSR:B.Freitag,SampleJ.Thibault,Marseille一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展球差校正透射电镜Sub-ÅSTEMResolution,1sample(Ge)0.8Å111[110][231][121]一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123球差校正透射电镜Z衬度像成像原理一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123球差校正透射电镜

STEM

Cs

correctorun-Cscorrector(Cs:1.0mm)Pt颗粒的暗场像（STEM+Cscorrector）一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123球差校正透射电镜ABF/HAADFSTEMonCs-correctedTitanG2at200kVSrTiO3in[110]projectionSamplecourtesyofC.L.Jia,ErnstRuskaCentre,ResearchCentreJuelich,Germany.ImagedatacourtesyofProf.J.Etheridge,MonashUniversity,AustraliaandS.LazarOABFHAADFSr/OTi一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123球差校正透射电镜一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123球差校正透射电镜一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123原位透射电镜原位力学测试分析

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123原位透射电镜原位力学测试分析

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123原位透射电镜原位力学测试分析

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展123原位透射电镜原位电学测试分析

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展原位透射电镜环境透射电子显微镜

HighresolutionelectronmicrographofanFenanoparticlecatalystusedtonucleatecarbonnanotubes.

Imagestakeat680Candp=225Pa(2.3mbar,1.7Torr).

Inthiscase,thepresenceofacarbonaceousouterlayerpreventsnanotubenucleation.一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展原位透射电镜环境透射电子显微镜

一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展高空间分辨率成分分析4SiliconDriftDetectors(SDD)

symmetricallyaroundsample0.9srad120mm2detectorareaPatentpendingChemiSTEM™technologyisthecombinationof高亮度电子枪基于硅漂移技术的组合X光能量损失谱系统)超快的X光能谱图几分钟就能完成化学成分图一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展高空间分辨率成分分析400x400pixel4msecdwelltime11mintotaltime2.5nA(1.3nmspotsize)IntegratedIntensitiesHAADF100nmCuSnNb一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展高空间分辨率成分分析ImagesandmapsbyD.Klenov,FEI600x600pixel50µsecdwelltime;“20,000spectra/sec”1nAbeamcurrentMultipleframes;Driftcorrectionapplied100mintotaltimeHAADFHfLTaLWLGeKNiKSiKSiKTiKOKAlKCKNK一次扫描可获取包括B以上所有元素的分布FastandLargeMappingofa

45nmPMOSStructure一、透射电子显微镜

（四）透射电子显微学的最新研究进展高空间分辨率成分分析TecnaiTF20ST[SFEG,Si(Li)]64x64pixel0.13sradBeamcurrentunknown10,800secclocktime~3hrs1,600seclivetimeTecnaiOsiris[X-FEG,Super-X]200x200pixel0.9srad100µsec