第三章透射电子显微镜

第三章透射电子显微镜第1页，课件共67页，创作于2023年2月第三章:电子显微技术透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）X-射线能谱（EDS）原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜（STM）

第2页，课件共67页，创作于2023年2月

电子显微镜(electronmicroscope，EM)一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。

电子显微最新定义为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定微区域晶体结构(crystalstructure，CS)、微细组织(microstructure，MS)、化学成份(chemicalcomposition，CC)、化学键(chemicalbonding，CB)和电子分布情况(electronicstructure，ES)的电子光学装置。电子显微技术第3页，课件共67页，创作于2023年2月电子显微术：用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微术。电子显微技术简介设计合成表征新材料成分工艺结构性能第4页，课件共67页，创作于2023年2月Y2O3:TbHollowMicrospheresCrystalGrowth&Design,Vol.9,No.6,20092945第5页，课件共67页，创作于2023年2月第6页，课件共67页，创作于2023年2月第7页，课件共67页，创作于2023年2月一、透射电子显微镜绪论透射电镜的结构及应用电子衍射透射电子显微分析样品制备第8页，课件共67页，创作于2023年2月绪论现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材料成分—工艺—微观结构—性能之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合成设计。第9页，课件共67页，创作于2023年2月透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，得到全面的信息。第10页，课件共67页，创作于2023年2月TEM简介：transmissionelectronmicroscope透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），可以以几种不同的形式出现，如：高分辨电镜（HRTEM）透射扫描电镜（STEM）分析型电镜（AEM）等等。入射电子束（照明束）也有两种主要形式：平行束：透射电镜成像及衍射会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。第11页，课件共67页，创作于2023年2月

TEM的主要发展方向：

(1)高电压：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，增加分辨率等，目前已有数部2-3MeV的TEM在使用中。右图为200keVTEM之外形图。

第12页，课件共67页，创作于2023年2月(2)高分辨率：最佳解像能力为点与点间0.18nm、线与线间0.14nm。美国于1983年成立国家电子显微镜中心，其中1000keV之原子分辨电子显微镜(atomicresolutionelectronmicroscope，AREM)其点与点间之分辨率达0.17nm，可直接观察晶体中的原子。

第13页，课件共67页，创作于2023年2月(3)多功能分析装置：如附加电子能量分析仪(electronanalyzer，EA)可鉴定微区域的化学组成。(4)场发射电子光源:具有高亮度及契合性，电子束可小至1nm。除适用于微区域成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术(holography)。第14页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的发展1897年，J.J.Thomson发现电子1912年，vonLaue发现X光衍射现象1924年，deBroglie提出波粒二象性假说1926年，Busch发现了不均匀的磁场可以聚焦电子束1933年，柏林大学研制出第一台电镜（点分辨率达到50nm）1939年，德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜（点分辨率10nm）1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，晶格条纹分辨率优于0.14nm）1956年，门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电子显微术，获得原子象。

第15页，课件共67页，创作于2023年2月

试样制备技术改进

透射电镜分辨率提高

双聚光镜（漫射程度小、强度高、直径在微米的电子束）晶体中缺陷电子衍射成像理论的发展试样在透射电镜中的处理如倾斜、旋转透射电镜的发展第16页，课件共67页，创作于2023年2月感应电导荧光（阴极发光）特征X射线二次电子背散射电子俄歇电子吸收电子试样透射电子电子与试样作用产生的信息第17页，课件共67页，创作于2023年2月感应电导：当在试样上加一个电压时，试样中会产生电流，在电子束的照射下，由于试样局部电导率发生变化，于是试样中产生的电流有所变化，这就是感应电导（感应电动势）。荧光（阴极发光）：当入射电子与试样作用时，电子被电离，高能级的电子向低能级跃迁并发出可见光称为荧光（阴极发光）。可以作为光谱分析。特征X射线：入射电子与试样作用，被入射电子激发的电子空位由高能级的电子填充时，其能量以辐射的形式放出，产生特征X射线。微区成分分析。二次电子：入射电子射到试样以后，使表面物质发生电离，被激发的电子离开试样表面而形成二次电子。二次电子能量较低，强度与试样表面的几何形状、物理和化学性质有关。第18页，课件共67页，创作于2023年2月背散射电子：入射电子与试样作用，产生弹性或非弹性散射离开试样表面的电子称为背散射电子。能量较高，强度与表面形貌和组成元素有关。俄歇电子(AugerElectron)：在入射电子束的作用下，试样中原子某一层电子被激发，其空位由高能级的电子来填充，使高能级的另一个电子电离，这种由于从高能级跃迁到低能级而电离逸出试样表面的电子称为俄歇电子。元素具有特征俄歇谱，轻元素和超轻元素分析。吸收电子：入射电子和试样作用后，由于非弹性散射失去了一部分能量而被试样吸收，称为吸收电子。吸收电子与入射电子强度之比和试样的原子序数、入射电子的入射角、试样的表面结构有关。透射电子：当试样很薄时，入射电子与试样作用引起弹性或非弹性散射透过试样的电子称为透射电子。第19页，课件共67页，创作于2023年2月

X射线衍射仪电子探针仪扫描电镜X射线二次电子韧致辐射入射电子背散射电子阴极荧光吸收电子俄歇电子试样透射电子衍射电子俄歇电镜 透射电子显微镜电子衍射仪电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器第20页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的结构及应用第21页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的结构

JEM-2010透射电镜加速电压200KV

LaB6灯丝

点分辨率1.94Å第22页，课件共67页，创作于2023年2月EM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm

倾转角度α=±60度

β=±30度第23页，课件共67页，创作于2023年2月PhilipsCM12透射电镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W灯丝

晶格分辨率2.04Å

点分辨率3.4Å

最小电子束直径约2nm；

倾转角度α=±20度

β=±25度第24页，课件共67页，创作于2023年2月CEISS902电镜加速电压50KV、80KV

W灯丝

顶插式样品台

能量分辨率1.5ev

倾转角度α=±60度

转动4000第25页，课件共67页，创作于2023年2月吉林大学无机水热和制备国家重点实验室高分辨透射电镜第26页，课件共67页，创作于2023年2月1.照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。

2.成像系统主要由样品室，物镜，中间镜和投影镜等装置组成。3.图像观察和记录系统主要由荧光屏，照相机，数据显示等部件组成。电子光学部分：照明系统，成像系统，图象观察和记录系统透射电镜的构造透射电镜一般是由电子光学部分、真空系统和供电系统三大部分组成。第27页，课件共67页，创作于2023年2月第28页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的构造1.照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中及倾斜调节装置组成。它的作用：是为成像系统提供一束亮度高、相干性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在2-3度范围内倾斜。

电子枪：发射电子的照明源。0.03-0.1mmV字形钨丝。栅极电极（控制极）控制电子束的形状和发射强度。阳极（加速极）使阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。一般电镜加速电压为35－300KV.聚光镜:作用是将电子枪所发出的电子束汇聚到试样平面上，并调节试样平面的孔径角、电流密度和照明光斑尺寸大小。第29页，课件共67页，创作于2023年2月样品室

样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。2.成像系统成像系统一般由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜的分辨本领决定了电镜的分辨本领，中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的图像进一步放大。第30页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的构造样品室位于照明部分和物镜之间，一般还可以配置加热，冷却和形变装置。物镜是最关键部分，透射电镜分辨本领的好坏在很大程度上取决于物镜的优劣。物镜的最短焦距可达1mm，放大倍率～300倍，最佳理论分辨率可达0.1nm，实际分辨率可达0.2nm。物镜光阑加在物镜前，主要是为了缩小物镜孔径角的作用。衬度光阑加在物镜后，可以提高振幅衬度作用。中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。主要是将来自物镜的电子象继续放大。第31页，课件共67页，创作于2023年2月透射电子显微镜中，物镜、中间镜，投影镜是以积木方式成像，即上一透镜的像就是下一透镜成像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。在这种成像方式中，如果电子显微镜是三级成像，那么总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积。透射电镜的构造三级放大成像第32页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜的放大倍数总放大倍数M总＝M物×M中×M投物镜成像是分辨率的决定因素

物镜放大倍率，在50-100范围；中间镜放大倍率，数值在0-20范围；投影镜放大倍率，数值在100-150范围总放大倍率在1000-200,000倍内透射电镜的构造第33页，课件共67页，创作于2023年2月成像系统补充说明：由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜。第34页，课件共67页，创作于2023年2月3.观察和记录系统透射电镜的构造该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成．在分析电镜中，还有探测器和电子能量分析等附件第35页，课件共67页，创作于2023年2月真空系统真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀门、真空测量仪及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10-4pa以上。如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。

透射电镜的构造第36页，课件共67页，创作于2023年2月为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有装置必须在真空系统中，一般真空度为10-2～10-4Pa。利用场发射电子枪时，其真空度应在10-6-10-8Pa左右。可采用机械泵，油扩散泵，分子泵等来实现。目的：延长电子枪的寿命，增加电子的自由程，减少电子与残余气体分子碰撞所引起的散射以及减少样品污染。第37页，课件共67页，创作于2023年2月电源系统：需要两个独立的电源，一是使电子加速的小电流高压电源；二是使电子束聚焦与成像的大电流低压磁透镜电源。透射电镜的构造加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。

透射电镜的电路主要由高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等部分组成。另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。第38页，课件共67页，创作于2023年2月安全系统总调压变压器真空电源系统透镜电源系统高压电源系统辅助电源系统透射电镜的构造电源系统可分为：第39页，课件共67页，创作于2023年2月透射电镜成像原理物平面像平面频谱面白光光源第40页，课件共67页，创作于2023年2月透镜的成像作用可以分为两个过程：第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成为各级衍射谱，即由物变换到衍射的过程；第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点，即由衍射重新变换到物(像是放大了的物)的过程。晶体对于电子束就是一个三围光栅。第41页，课件共67页，创作于2023年2月近代高性能电镜一般都设有两个中间镜，两个投影镜。三级放大成象和衍射成象示意图如下页所示：第42页，课件共67页，创作于2023年2月（a）高放大率（b）衍射物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜选区光阑第43页，课件共67页，创作于2023年2月在电子显微镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的三次放大像。三次放大图像的总放大倍率为：

M总=M物M中M投

第44页，课件共67页，创作于2023年2月电子衍射概述电子衍射基本公式和相机常数选区电子衍射常见的几种电子衍射谱电子衍射花样的标定

第45页，课件共67页，创作于2023年2月概述

电镜中的电子衍射,其衍射几何与X射线完全相同,都遵循布拉格方程所规定的衍射条件和几何关系.因此,许多问题可用与X射线衍射相类似的方法处理.即第46页，课件共67页，创作于2023年2月电子衍射与X射线衍射相比的优点

电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。电子波长短，单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X射线一万倍，曝光时间短。第47页，课件共67页，创作于2023年2月

不足之处电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构。此外，散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X射线复杂；在精度方面也远比X射线低。第48页，课件共67页，创作于2023年2月选区衍射操作步骤：为了尽可能减小选区误差，应遵循如下操作步骤：1.插入选区光阑，套住欲分析的物相，调整中间镜电流使选区光栏边缘清晰，此时选区光阑平面与中间镜物平面生重合；2.调整物镜电流，使选区内物象清晰，此时样品的一次象正好落在选区光栏平面上，即物镜象平面，中间镜物面，光阑面三面重合；第49页，课件共67页，创作于2023年2月3.抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样4.用中间镜旋钮调节中间镜电流，使中心斑最小最圆，其余斑点明锐，此时中间镜物面与物镜背焦面相重合。

5.减弱第二聚光镜电流，使投影到样品上的入射束散焦（近似平行束），摄照（30s左右）第50页，课件共67页，创作于2023年2月

常见的几种电子衍射谱1.单晶电子衍射谱第51页，课件共67页，创作于2023年2月多晶电子衍射谱第52页，课件共67页，创作于2023年2月复杂电子衍射花样100nm167

mabcFig.6TEMmicrostructureofNo.2alloysafter350℃/6hhomogenizationa-darkfieldimageb-brightfieldimagec-electrondiffractionpattern第53页，课件共67页，创作于2023年2月

电子衍射花样的标定

花样分析分为两类：一是结构已知，确定晶体缺陷及有关数据或相关过程中的取向关系；二是结构未知，利用它鉴定物相。指数标定是基础。多晶体电子衍射花样的标定第54页，课件共67页，创作于2023年2月分析方法1)晶体结构已知：测R、算R2、分析R2比值的递增规律、定N(衍射晶面干涉指数平方和，即N=h2+k2+l2)、求(hkl)和a。如已知K,也可由d=K/R求d对照ASTM求(hkl)。2)晶体结构未知：测R、算R2、Ri2／R12，找出最接近的整数比规律、根据消光规律确定晶体结构类型、写出衍射环指数(hkl)，算a.如已知K,也可由d=K/R求d对照ASTM求(hkl)和a,确定样品物相。多晶体电子衍射花样的标定第55页，课件共67页，创作于2023年2月c.主要用途已知晶体结构，标定相机常数，一般用Au,FCC,a=0.407nm，也可用内标。物相鉴定：大量弥散的萃取复型粒子或其它粉末粒子。第56页，课件共67页，创作于2023年2月例：仪器常数L

的确定第57页，课件共67页，创作于2023年2月第58页，课件共67页，创作于2023年2月例：我们可以通过以下步骤来进行多晶电子衍射分析：1，根据布拉格公式可以推出处理衍射照片的关系式rd=Lλ，（其中r为量得的半径，d为晶面间距，Lλ为相机常数，通常我们所用的L为0.8，当透射电镜电压为200kv时的λ为0.0251Å），测量各衍射环半径，对应公式计算出一系列d值。2：查ASTM卡片，ASTM卡片是X射线德拜相获得的数据，用来核对电子衍射德拜环的d值和相对强度是完全可以的。第59页，课件共67页，创作于2023年2月我们通过选区域电子衍射（SAED）对铁合金和掺杂钐的铁氧体纳米线的复合物中的Fe合金的各衍射面d值进行了计算。我们量得的半径分别为0.7cm,1cm,1.2cm,r2/r1=(N2/N1)1/2,通过计算r2/r1=1.42与理论值（200）/（110）1.41很接近，r3/r2=1.2与（211）/（200）的理