高角环形暗场像技术的应用

高角环形暗场像技术的应用

高角环形暗场成像（haadf）是扫描透射电镜（stem）中最重要的成像模式之一，为材料、物理、生物、化学和其他领域的成像带来了许多新的发展。1透射电镜运行条件相对于透射电镜的TEM成像，HAADF成像所使用的扫描透射电镜对仪器所在场地有比较高要求（如磁场、温度、噪音等）[7]。同时，良好的真空条件是电镜高效率运行的基本保障。特别是在高分辨成像时，这两方面环境的影响显得尤为重要。1.1隔音材料进风系统设计室内环境控制包括磁场、震动、声音、温度、湿度等。磁场消除一般通过主动消磁或被动磁屏蔽墙体处理来实现，震动减缓通过设置独立地基或加装减震台实现，声音隔绝通过在墙体中使用隔音材料来实现。采用除湿机来保证电镜安装房间有较低的湿度，采用风管机空调和布袋进风系统设计可以在控制室内温度的同时减弱室内风速波动太大对HAADF-STEM成像时图像漂移的影响。一般要求为：温度为±18℃且每小时波动不能大于1℃，湿度小于45%，其他参数需要在设备房间装修改造时达标，实验时可不予考虑。必要时可放入标准样品对扫描透射电镜进行精确的成像校准来判断环境的影响（如样品漂移、磁场的影响），以便采取相关的应对措施，此处不再展开论述。1.2电子显微镜设备在真空环境下运行电镜真空系统的好坏是电子束成像质量的决定因素之一。电子与物质的强散射特性是电子显微镜成像的基础，这种强散射同样会发生在气体中而导致电子束不能相干传输，因此电子显微镜必须在真空环境下运行。此外，相对较好的真空环境也可除去样品表面附着的污染物从电子束特性和样品防污染角度来讲，电子显微镜设备的真空度越高越好，实验时较高的真空度对获取高质量实验数据大有裨益。一般要求为：当octagon项（上下物镜之间位置）真空显示值为15以下（约6×10-2去除表面污染物样品每次固定到样品杆后都需要在等离子体清洗机上进行清洗以除去污染物，保证放入扫描透射电镜的样品有较高的清洁度，这对于高分辨HAADF-STEM成像十分重要。在转移样品过程中会产生的大颗粒灰尘或碎屑附着。同时，样品在存放过程中表面容易吸附空气中的水、有机物和其他气体，进而发生化学反应，造成样品表面一定程度的氧化、新物质产生和污染物附着。通过等离子清洗机来除去样品表面污染物，特别是有效除去表面附着的有机物，进而能够减少样品在电子束轰击下有机物碳化积聚而形成的黑点，提高成像质量。值得提及的是清洗过程中一定要选择合适的清洗条件，切不可将用于矫正像散的非晶边缘除去，否则会大大降低成像实验效率。一般样品的清洗时间设置在3min即可。3扫描透射电镜参数设置根据样品的特点和成像要求对扫描透射电镜进行基本的设置是获得理想HAADF-STEM实验数据的基础。对金属材料成像时，FEITitanG260-300Chemi-STEM球差矫正型扫描透射电镜的各项参数可做如下设置：加速电压（hightension）设置为300kV,C0静电透镜强度（gunlens）设置为2，电子枪拔出电压（extractionvoltage）为4500V，束斑（spotsize）为7,C1光阑为2000μm，相机长度（cameralength）为160mm,C2光阑为50μm，对应的探测器接收半角为44.7-200mrad、电子束会聚角半角为16mrad。实际成像过程中，可根据样品的特性和观察要求对以上参数进一步调整。4束斑电镜操作获得高质量HAADF-STEM像的必要条件之一是电子在样品上会聚形成亚埃数量级的电子束斑，此时电子束斑直径要小于实际分辨率对应数值，以便达到扫描透射电镜的最佳分辨状态。精确合轴，尽可能消除电子束斑在形成过程中产生的像散、球差、慧差等，是形成最“小”电子束斑电镜操作的关键环节。目前为止，最简单有效的方式是利用非晶区形成的ronchigram图像在欠焦和过焦过程中的变化来协助调节电镜的合轴与像散。ronchigram图像通常在会聚束电子衍射（convergentbeamelectrondiffraction,CBED）花样中心未发生衍射的盘上形成。光路的对中、各个磁透镜的像散和欠焦量的微小改变都可在ronchigram图像中较明显地反映出来。非正确合轴或任何明显像散的存在都可导致ronchigram图像中花样的变形和扭曲。若正确合轴、像散消除，非晶区形成的ronchigram图像中心在正焦下就会变得非常对称与平坦，此时意味着所有会聚的电子束通过样品上的“一点”，即电子束斑完全聚焦（电子束斑点最小状态）。因此，利用非晶区产生的ronchigram图像来辅助调节是扫描透射电镜实验操作的重点环节。4.1正确的连接轴扫描透射电镜的精确合轴可以发挥电子显微镜的最佳设计性能4.2电子束束斑三叉形观察物镜的机械加工精度的限制、靠近电子束附近的非对称电荷（样品本身引起），导致电镜在使用过程中形成物镜像散（或称图像像散）。消除物镜像散的操作过程为：在STEM模式下退出衍射，观察电子束束斑的状态。若在过焦和欠焦过程中发现电子束束斑不圆、亮度不均匀或中心无法聚焦为三叉形，说明存在物镜像散；使用物镜像散调节器先将束斑调圆，并进一步在欠焦和过焦过程中将束斑中心调节为最小的三叉形状（完全聚焦）；最后，对中C2光阑，将聚焦中心束斑移到荧光屏中心。建议此部分的操作在比较大的倍数下（300kx左右）进行，这样有利于电子束束斑的细节观察和精确对中。4.3rohn宏观成像球差矫正器的精确校准时，一般使用标准样品对各级像散和慧差进行系列矫正。实验操作时，只需在非晶区微调轴向慧差（theaxialcama，简称B2）和二阶像散（the2-foldastigmatism，简称A1）进行矫正调节。为观察球差矫正过程中会聚电子束斑的变化，使用Dr.ProbeLight软件模拟非晶区产生的Ronchigram图像，可用来分析球差矫正器调节过程中B2和A1的变化，对于实际操作有较大的指导意义如图1所示。由图1(a）与图1(c）可见，在欠焦和过焦时，ronchigram图像中呈现月牙状花样，花样整体不对称，说明此时存在严重的轴向慧差。矫正B2时，使用Focus旋钮在正焦附近不断改变欠焦量，若出现月牙状区域，改变球差矫正器对应的B2参数，使月牙状区域消失且图像中花样对称。由图1(b）与图1(d）可见，在欠焦和过焦的变化过程中，ronchigram图像花样呈对称分布且不会有月牙状的区域产生，或通过焦点时ronchigram图像花样中心点不会产生位移，说明轴向慧差已基本矫正。Dr.ProbeLight软件模拟的二阶像散表现如图2所示。由图2(a）与图2(c）可见，调节focus不断改变欠焦量会在ronchigram图像中观察到一些“线段”，这些“线段”在过焦点时方向会改变90度，说明存在二阶像散。一般情况下，这些“线段”越密集，则A1像散越大。矫正A1像散时，慢慢改变欠焦量直到正焦，若调节过程中出现“线段”，改变球差矫正器对应的A1参数，使ronchigram图像中的“线段”分开至最宽。由图2(b）与图2(d）可见，初步矫正A1像散后，ronchigram图像中的“线段”消失且花样中心趋向于点分布。根据以往的操作经验，若A1像散未矫正好，在矫正B2过程中就会产生一定程度的偏差，反之亦然。最佳的调节顺序为：先B2矫正，后A1矫正，重复矫正，不断进行矫正效果的优化。若要达到更好的矫正效果，需通过多次练习感受ronchigram图像中的变化细节。4.4聚光镜像散在较高的HAADF-STEM放大倍数下（如5Mx），样品中的原子柱排列可逐渐扫描成像，此时轻微的聚光镜像散会导致扫描图像上出现平行线或者拉长的原子点。调节聚光镜像散的操作为：在过焦和欠焦过程中若发现有聚光镜像散，调节消像散器使得图像中的线分开呈点状，且正焦时的原子点为对称圆形。4.5对于欠焦的选择球差矫正扫描透射电镜HAADF-STEM成像时，图像中原子柱和背底的强度会随着欠焦