材料分析测试 第八章 透射电子显微分析课件

第八章透射电子显微分析第一节透射电子显微镜工作原理及构造第二节样品制备第三节透射电镜基本成像操作及像衬度第四节电子衍射原理第五节TEM的典型应用及其它功能简介1材料分析测试第八章透射电子显微分析显微镜的发展R.虎克在17世纪中期

制做的复式显微镜

19世纪中期的显微镜

20世纪初期的显微镜

带自动照相机

的光学显微镜

装有场发射枪的

扫描电子显微镜

超高压透射电子显微镜

2材料分析测试第八章透射电子显微分析ErnstRuskaElectronMicroscope-DeutschesMuseum

TheelectronmicroscopebuiltbyRuska(inthelabcoat)andKnoll,inBerlinintheearly1930s.3材料分析测试第八章透射电子显微分析JEM1.25MeVHVEM.Notethesizeoftheinstrument;oftenthehigh-voltagetankisin

anotherroomabovethecolumn.ZeissHRTEMwithaCscorrectorandanin-columnenergyfilter.Notethelargeframetoprovidehighmechanical

stabilityforthehighest-resolutionperformance.4材料分析测试第八章透射电子显微分析CarlZeissSMTPteLtd（德国蔡司）生产的Libra200FE200kV场发射透射电子显微镜学校分析测试中心主要配置1．场发射透射电子显微镜基本单元2．镜筒内置OMEGA型能量过滤器3．单倾样品杆、铍双倾样品杆4．扫描透射附件（STEM）5．电子能量损失谱仪（EELS）6．Oxford能谱仪（EDS）主要技术指标1．分辨率点分辨率：≤0.24nm；信息分辨率：≤0.14nm；能量分辨率:≤0.7eV2．放大倍数最小放大倍数:80×；最大放大倍数:1,000,000× 3．样品移动X：≥2mm；Y:≥2mm；Z：≥±0.2mm(最高可以达到±0.4mm)4．最大倾斜角：α=±30°；β=±30°5材料分析测试第八章透射电子显微分析主要功能1.透射成像（明场、暗场）：用于分析材料的微观形貌、相结构、相关系等；2.电子衍射[选区电子衍射（SAED）、汇聚束衍射（CBED）、微区衍射]：用于研究物质的晶体结构、材料的晶体学信息以及低维材料的生长方向；3.扫描透射成像（STEM）：用于材料的晶体结构及元素分布状态研究；4.高分辨成像（HRTEM）：用于研究材料微区晶格特征、晶体缺陷、晶界、相变，界面关系等；5.能量过滤成像（EFTEM）：用于研究材料中元素分布状态、元素扩散、成分偏析等；6.电子能量损失谱（EELS）：用于研究材料中元素组成、元素价态信息以及材料介电系数等；7.能量色散X射线谱（EDX）：用于研究材料的成分、元素分布以及元素扩散、成分偏析等，可进行点、线、面扫描分析。6材料分析测试第八章透射电子显微分析电子显微分析方法的种类透射电子显微镜(TEM)简称透射电镜电子衍射(ED)扫描电子显微镜(SEM)简称扫描电镜电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)

波谱仪(波长色散谱仪，WDS)

能谱仪(能量色散谱仪，EDS)电子激发俄歇电子能谱(EAES或AES)材料电子显微分析．张静武．北京：冶金工业出版社，2012Transmissionelectronmicroscopy–atextbookformaterialsscience.2nded.WilliamsDB,CarterCB.NewYork:Plenum,20097材料分析测试第八章透射电子显微分析TEM可以以不同的形式出现，如：高分辨电镜（HRTEM）扫描透射电镜（STEM）高压电子显微镜（HVEM

）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TEM的形式8材料分析测试第八章透射电子显微分析第一节透射电子显微镜工作原理及构造

透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜类似。一、工作原理项目光学显微镜透射电子显微镜照明束可见光电子（束）聚焦装置玻璃透镜电磁透镜放大倍数小，不可调大，可调分辨本领低高结构分析不能能9材料分析测试第八章透射电子显微分析透射电子显微镜光路原理图照明系统成像系统纪录系统10材料分析测试第八章透射电子显微分析二、构造

静电透镜电子透镜恒磁透镜磁透镜

电磁透镜

1.电磁透镜TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electronlens）11材料分析测试第八章透射电子显微分析（1）电磁透镜的结构

电磁透镜结构示意图12材料分析测试第八章透射电子显微分析（2）电磁透镜的光学性质

电子加速电压透镜半径物距像距焦距激磁线圈安匝数与透镜结构有关的比例常数由此可知，改变激磁电流，可改变焦距f，即可改变电磁透镜的放大倍数。13材料分析测试第八章透射电子显微分析成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为磁转角

。物与像的相对位向对实像为180

，对虚像为

。电磁透镜(通过改变激磁电流)实现焦距和放大倍率调整示意图减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f1变为f2

）。物距u焦距f像距v14材料分析测试第八章透射电子显微分析（3）电磁透镜的分辨本领

常数照明电子束波长透镜球差系数线分辨率

r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，

r0可达约0.1nm。

光学显微镜可见光：390-760nm，最佳：照明光的波长的1/2。极限值：200nm100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV，0.00251nm透射电镜15材料分析测试第八章透射电子显微分析点分辨本领的测定将金、铂、铂-铱或铂-钯等金属或合金，用真空蒸发的方法可以得到粒度为5~10A、间距为2~10A的粒子，将其均匀地分布在火棉胶(或碳)支持膜上，在高放大倍数下拍摄这些粒子的像。为了保证测定的可靠性，至少在同样条件下拍摄两张底片，然后经光学放大(5倍左右)，从照片上找出粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应电子显微镜的点分辨本领。点分辨率的测定(真空蒸镀金颗粒)16材料分析测试第八章透射电子显微分析2.照明系统

作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。组成：电子枪和聚光镜电子源热电子源场发射源热场冷场钨丝LaB617材料分析测试第八章透射电子显微分析热电子枪示意图灯丝和阳极间加高压，栅极偏压起会聚电子束的作用，使其形成直径为d0、会聚/发散角为

0的交叉会聚/发散角18材料分析测试第八章透射电子显微分析双聚光镜照明系统光路图19材料分析测试第八章透射电子显微分析3.成像系统

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。

衍射操作：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。

成像操作：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。20材料分析测试第八章透射电子显微分析F焦点fFF'焦平面凸透镜的焦点PQABFQ'P'A'透镜的成像OOO像平面复习焦平面21材料分析测试第八章透射电子显微分析透射电镜成像系统的两种基本操作将衍射谱投影到荧光屏将显微像投影到荧光屏衍射操作成像操作使中间镜的物平面与物镜的像平面重合使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合22材料分析测试第八章透射电子显微分析三、选区电子衍射（SAED）

在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图操作步骤：（1）使选区光栏以下的透镜系统聚焦（2）使物镜精确聚焦（3）获得衍射谱23材料分析测试第八章透射电子显微分析图a是一个简单的明场像，图b、c和d是对图a中的不同区域进行选区电子衍射操作以后得到的结果。24材料分析测试第八章透射电子显微分析第二节样品制备

TEM的样品可分为间接样品和直接样品。

TEM的样品要求：（1）对电子束是透明的，通常样品的观察区域的厚度约100~200nm。（2）必须具有代表性，能真实反映所分析材料的某些特征。25材料分析测试第八章透射电子显微分析一、间接样品(复型)的制备

所谓复型，就是样品表面形貌的复制品。也指复制样品的制作过程。其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。26材料分析测试第八章透射电子显微分析对复型材料的主要要求：①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的；②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能；③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的细节特征。常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜。27材料分析测试第八章透射电子显微分析复型的种类按复型的制备方法，复型主要分为：一级复型二级复型萃取复型（半直接样品）由于扫描电子显微镜（SEM)的发展，现在很少采用复型技术。但在某些情况下，复型技术仍具有其独特的优势，例如，复型可用于现场采样而不破坏原始样品。28材料分析测试第八章透射电子显微分析塑料一级复型碳一级复型29材料分析测试第八章透射电子显微分析塑料-碳二级复型制备过程示意图30材料分析测试第八章透射电子显微分析31材料分析测试第八章透射电子显微分析萃取复型在萃取复型的样品上，可以在观察样品基体组织形态的同时，观察第二相颗粒的大小、形状及分布，对第二相粒子进行电子衍射分析，还可以直接测定第二相的晶体结构。32材料分析测试第八章透射电子显微分析闪锌矿之复型观察,可以见到晶体完好的黄铁矿小包体用萃取复型法从闪锌矿中萃取的磁黄铁矿磁黄铁矿的电子衍射图33材料分析测试第八章透射电子显微分析二、直接样品的制备

粉末和晶体薄膜样品的制备。1.粉末样品制备关键：如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上，两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。34材料分析测试第八章透射电子显微分析支持膜分散粉末法需TEM分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。粉末或颗粒样品制备的成败，关键取决于能否使其均匀分散地撒到支持膜上。通常用超声波分散器，把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂分散为悬浮液。然后用滴管把悬浮液放一滴在粘附有支持膜的样品铜网上，静置干燥后即可供观察。为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷一层薄碳膜，使粉末夹在两层膜中间。35材料分析测试第八章透射电子显微分析36材料分析测试第八章透射电子显微分析高岭土纤维水镁石膨润土37材料分析测试第八章透射电子显微分析2.晶体薄膜样品的制备一般程序：(1)初减薄——制备厚度约100~200

m的薄片；(2)从薄片上切取

3mm的圆片；(3)预减薄——从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄至数

m；(4)终减薄。38材料分析测试第八章透射电子显微分析双喷电解抛光装置原理图39材料分析测试第八章透射电子显微分析离子减薄装置原理示意图40材料分析测试第八章透射电子显微分析POWERTOME-X/XL超薄切片机41材料分析测试第八章透射电子显微分析真空镀膜机42材料分析测试第八章透射电子显微分析第三节透射电镜基本成像操作及像衬度

一、成像操作（a）明场像(b)暗场像(c)中心暗场像成像操作光路图直射束成像衍射束成像衍射束成像明场像与暗场像的衬度相反43材料分析测试第八章透射电子显微分析二、像衬度像衬度：图像上不同区域间明暗程度的差别。透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分为：

质厚衬度：非晶样品衬度的主要来源振幅衬度

衍射衬度：晶体样品衬度的主要来源相位衬度

44材料分析测试第八章透射电子显微分析质厚衬度成像光路图质量厚度衬度(简称质厚衬度)：由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的衬度（1）质厚衬度来源于电子的非相干弹性散射。当电子穿过样品时，通过与原子核的弹性作用被散射而偏离光轴，弹性散射截面是原子序数的函数。随样品厚度增加，将发生更多的弹性散射。（2）小孔径角成像

45材料分析测试第八章透射电子显微分析衍射衬度成像光路图对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射。所以，在晶体样品的成像过程中用的是晶体对电子的衍射。衍射衬度(简称“衍衬”)：由于晶体对电子的衍射效应而形成的衬度。A、B两晶粒的结晶学位向不同，满足衍射条件的情况不同。衍射束强度越大，直射束强度就越小。46材料分析测试第八章透射电子显微分析高岭石47材料分析测试第八章透射电子显微分析蒙脱石纤蛇纹石叶蛇纹石48材料分析测试第八章透射电子显微分析晶体中的位错观察49材料分析测试第八章透射电子显微分析大肠杆菌透射电镜照片申克孢子丝菌透射电镜照片50材料分析测试第八章透射电子显微分析第四节电子衍射原理按入射电子能量的大小，电子衍射可分为

透射式高能电子衍射（TEM上的电子衍射）高能电子衍射反射式高能电子衍射低能电子衍射ED与XRD一样，遵从衍射产生的必要条件（布拉格方程+反射定律，衍射矢量方程，厄瓦尔德图解或劳厄方程等）和系统消光规律。

51材料分析测试第八章透射电子显微分析电子衍射的特点与X射线衍射相比，电子衍射的特点：（1）电子波波长很短，一般只有千分之几nm，按2dsin

=

可知，电子衍射的2

角很小（一般为几度），即入射电子束和衍射电子束都近乎平行于衍射晶面。（2）由于物质对电子的散射作用很强（主要来源于原子核对电子的散射作用，远强于物质对X射线的散射作用），因而电子（束）穿进物质的能力大大减弱，故电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析。（3）透射电子显微镜上配置选区电子衍射装置，使得薄膜样品的结构分析与形貌观察有机结合起来，这是X射线衍射无法比拟的优点。52材料分析测试第八章透射电子显微分析华南师范大学

单晶电子衍射花样会聚束电子衍射花样单晶电子衍射花样有序相的电子衍射花样非晶电子衍射花样多晶电子衍射花样二次衍射花样菊池花样53材料分析测试第八章透射电子显微分析一、电子衍射基本公式由衍射矢量方程(s-s0)/

=r*，设K

=s/

、K=s0/

、g=r*，则有K

-K=g

此即为电子衍射分析时（一般文献中）常用的衍射矢量方程表达式。54材料分析测试第八章透射电子显微分析相机长度L：样品至感光平面的距离将此式代入布拉格方程(2dsin

=

)，得

/d=R/L即Rd=

L式中：d——衍射晶面间距（nm）

——入射电子波长（nm）此即为电子衍射（几何分析）基本公式（式中R与L以mm计）。衍射斑点矢量由图可知tan2

=R/Ltan2

=sin2

/cos2

=2sin

cos

/cos2

；电子衍射2

很小，有cos

1、cos2

1，故2sin

=R/L55材料分析测试第八章透射电子显微分析Rd=C按g=1/d[g为(HKL)面倒易矢量，g即

g

]，又可改写为R=Cg由于电子衍射2

很小，g与R近似平行，近似有R=Cg此式可视为电子衍射基本公式的矢量表达式。R与g相比，只是放大了C倍，这表明，单晶电子衍射花样是所有与反射球相交的倒易点（构成的图形）的放大像。当加速电压一定时，电子波长

值恒定，则

L＝C（C为常数，称为相机常数）。故56材料分析测试第八章透射电子显微分析注意：放大像中去除了权重为零的那些倒易点，而倒易点的权重即指倒易点相应的（HKL）面衍射线之

F

2值。电子衍射基本公式的导出运用了近似处理，因而应用此公式及其相关结论时具有一定的误差或近似性。

57材料分析测试第八章透射电子显微分析二、多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征多晶电子衍射成像原理以入射电子束为轴、2

为半锥角的衍射圆锥。不同（HKL）衍射圆锥2

不同，但均共顶、共轴。多晶电子衍射花样：一系列同心圆（称衍射圆环）。可视为倒易球面与反射球交线圆环（即参与衍射晶面倒易点的集合）的放大像。R——衍射圆环之半径。58材料分析测试第八章透射电子显微分析多晶金衍射花样59材料分析测试第八章透射电子显微分析三、多晶电子衍射花样的标定指多晶电子衍射花样指数化，即确定花样中各衍射圆环对应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之标识（命名）各圆环。立方晶系多晶电子衍射花样指数化将d=C/R代入立方晶系晶面间距公式，得

式中：N——衍射晶面干涉指数平方和，即N=H2+K2+L2。60材料分析测试第八章透射电子显微分析多晶电子衍射花样的标定对于同一物相、同一衍射花样各圆环而言，（C2/a2）为常数，有R12：R22：…：Rn2=N1：N2：…：Nn此即指各衍射圆环半径平方（由小到大）顺序比等于各圆环对应衍射晶面N值顺序比。立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同，故产生衍射各晶面的N值顺序比也各不相同。参见表6-1，表中之m即此处之N（有关电子衍射分析的文献中习惯以N表示H2+K2+L2，此处遵从习惯）61材料分析测试第八章透射电子显微分析表6-1立方晶系衍射晶面及其干涉指数平方和(m)62材料分析测试第八章透射电子显微分析金多晶电子衍射花样标定[数据处理]过程与结果63材料分析测试第八章透射电子显微分析（1）利用已知晶体（点阵常数a已知）多晶衍射花样指数化可标定相机常数。衍射花样指数化后，按计算衍射环相应晶面间距离，并由Rd=C即可求得C值。（2）已知相机常数C，则按d＝C/R，由各衍射环之R，可求出各相应晶面的d值。64材料分析测试第八章透射电子显微分析四、单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征单晶电子衍射花样：（uvw）*0零层倒易平面的放大像。（去除权重为零的倒易点）单晶电子衍射成像原理入射线近似平行于晶带轴[uvw]65材料分析测试第八章透射电子显微分析一般晶体的电子衍射花样一种具有沿[111]p方向具有六倍周期的有序钙钛矿的电子衍射花样选自:国家精品课程_材料结构分析(中南大学)66材料分析测试第八章透射电子显微分析五、单晶电子衍射花样的标定主要指：单晶电子衍射花样指数化，包括确定各衍射斑点相应衍射晶面干涉指数（HKL）并以之命名（标识）各斑点和确定衍射花样所属晶带轴指数[uvw]。对于未知晶体结构的样品，还包括确定晶体点阵类型等内容。单晶衍射花样的周期性。单晶电子衍射花样可视为某个（uvw）*0零层倒易平面的放大像[（uvw）*0平面法线方向[uvw]近似平行于入射束方向（但反向）]。因而，单晶电子衍射花样与二维（uvw）*0平面相似，具有周期性排列的特征。67材料分析测试第八章透射电子显微分析

R3=R1+R2，且有R23=R21+R22+2R1R2cos

(

为R1与R2之夹角)。设R1、R2与R3终点(衍射斑点)指数为H1K1L1、H2K2L2和H3K3L3，则有H3=H1+H2、K3=K1+K2和L3＝L1+L3单晶电子衍射花样的标定单晶衍射花样的周期性表达衍射花样周期性的基本单元（特征平行四边形）的形状与大小可由花样中最短和次最短衍射斑点(连接)矢量R1与R2描述。平行四边形中3个衍射斑点连接矢量满足矢量运算法则：68材料分析测试第八章透射电子显微分析立方晶系多晶衍射关系式：

R21:R22:…:R2n=N1:N2:…:Nn

同样适合于立方晶系单晶电子衍射标定此时，R=

R

。单晶电子衍射花样标定的主要方法为：

尝试核算法标准花样对照法

立方晶系单晶电子衍射花样标定69材料分析测试第八章透射电子显微分析1.尝试-核算法(1)已知样品晶体结构(晶系与点阵类型及点阵常数)和相机常数的衍射花样标定某低碳钢基体电子衍射花样由底片正面描绘下来的图已知铁素体为体心立方，a=0.287nm，相机常数C=1.41mm·mm。①选取靠近中心斑的不在一条直线上的几个斑点(应包括与中心斑组成特征平行四边形的3个斑点)。②测量各斑点R值及各R之夹角。③按Rd＝C，由各R求相应衍射晶面间距d值。④按晶面间距公式(立方系为d2＝a2/N)，由各d值及a值求相应各N值。⑤由各N值确定各晶面族指数{HKL}。⑥选定R最短(距中心斑最近)之斑点指数。⑦按N尝试选取R次短之斑点指数并用

校核。⑧按矢量运算法则确定其它斑点指数。⑨求晶带轴70材料分析测试第八章透射电子显微分析电子衍射花样标定过程12种选择71材料分析测试第八章透射电子显微分析（2）立方晶系样品（未知点阵类型及点阵常数）

电子衍射花样标定①选取衍射斑点，测量各斑点R及各R之夹角大小。同(1)中之①与②。②求R2值顺序比(整数化)并由此确定各斑点相应晶面族指数。③重复(1)中之步骤⑥~⑧。④以N和

校核按矢量运算求出的各斑点指数。⑤求晶带轴指数同(1)之⑨。72材料分析测试第八章透射电子显微分析书中例子R2值顺序比亦可写为只R2A：R2B：R2C：R2D=1：2：3：9，据此，本例亦可按简单立方结构尝试标定斑点指数，并用N与

校核，其结果被否定(称为斑点指数不能自洽)。一般，若仅知样品为立方晶系，一幅衍射花样也可能出现同时可被标定为两种不同点阵结构类型指数或被标定为同一结构类型中居于不同晶带的指数而且不被否定的情况，这种情况称为衍射花样的“偶合不唯一性”。注意：73材料分析测试第八章透射电子显微分析实质仍为尝试-核算法（4）非立方晶系样品电子衍射花样标定非立方晶系电子衍射花样仍可采用尝试-核算法标定，但由于其衍射斑点之R与晶面指数间关系远不如立方系来得简单，因而标定工作烦琐、计算量大。应用计算机解决。（3）立方晶系样品电子衍射花样标定的比值法74材料分析测试第八章透射电子显微分析2.标准花样对照法预先制作各种晶体点阵主要晶带的倒易平面(图)，称为标准花样。通过与标准花样对照，实现电子衍射花样斑点指数及晶带轴标定的方法即为标准花样对照法。标准花样对照法标定过程简单，不需烦琐计算。但一般文献资料中给出的标准花样(见本书附录)数量有限，往往不能满足标定工作的需要。而根据实际需要，利用计算机自行制作标准花样，可以解决这一问题。

75材料分析测试第八章透射电子显微分析无论是对于尝试-核算法还是标准花样对照法，关于样品结构的已知条件越少，则标定工作越复杂，且花样标定的“不唯一性”现象越严重。在标定单晶电子衍射花样时，应依据样品的“背景”情况(如样品的化学成分、热处理工艺条件等)，并依据衍射花样的对称性特征等尽可能获得关于样品所属晶系、点阵类型以至可能是哪种或哪几种物相等信息，以减少标定过程的复杂性与“不唯一性”现象。“180

不唯一性”或“偶合不唯一性”现象的产生，根源在于一幅衍射花样仅仅提供了样品的“二维信息”。通过样品倾斜(绕衍射斑点某点列转动)，可获得另一晶带电子衍射花样。而两个衍射花样组合可提供样品三维信息。通过对两个花样的指数标定及两晶带夹角计算值与实测(倾斜角)值的比较，即可有效消除上述之“不唯一性”。“180

不唯一性”或“偶合不唯一性”现象76材料分析测试第八章透射电子显微分析六、复杂电子衍射花样简介实际遇到的单晶电子衍射花样并非都如前述单纯，除上述规则排列的斑点外，由于晶体结构本身的复杂性或衍射条件的变化等，常常会出现一些“额外的斑点”或其它图案，构成所谓“复杂花样”。主要有：高阶劳埃区电子衍射谱菊池花样(KikuchiPattern)二次衍射斑点超点阵斑点孪晶（双晶）衍射斑点等。77材料分析测试第八章透射电子显微分析（1）高阶劳埃区电子衍射谱用途:可以提供许多重要的晶体学信息，如：测定电子束偏离晶带轴方向的微小角度估算晶体样品的厚度求正空间单胞常数当两个物相的零阶劳埃区斑点排列相同时，可利用二者高阶劳埃区斑点排列的差异，鉴定物相。高阶劳埃区衍射谱示意图(a)对称入射(b)不对称入射78材料分析测试第八章透射电子显微分析高阶劳埃带衍射花样实例华南师范大学

79材料分析测试第八章透射电子显微分析（2）菊池花样(KikuchiPattern)在单晶体电子衍射花样中，除了前面提到的衍射斑点外，还经常出现一些线状花样。菊池(Kikuchi)于1928年(在透射电镜产生以前)首先描述了这种现象，所以被称为菊池线。菊池线的位置对晶体取向的微小变化非常敏感。因此，菊池花样被广泛用于晶体取向的精确测定，以及解决其它一些与此相关的问题。t-ZrO2菊池衍射花样80材料分析测试第八章透射电子显微分析菊池衍射谱实例华南师范大学

81材料分析测试第八章透射电子显微分析（3）二次衍射斑点二次衍射斑点示意图（a)重叠的两个晶体及相应的g矢量(b)用爱瓦尔德球图解表示各g矢量之间的相对位置82材料分析测试第八章透射电子显微分析二次衍射花样实例左图是二次衍射中出现多余衍射斑点的两种不同，其中图a是在镁钙合金中得到的的电子衍射花样，图中本来只存在两套花样，分别是镁的[-1100]晶带轴电子衍射花样和Mg2Ca相的[3-302]晶带轴花样。而花样中出现的很多卫星斑是由于二次衍射，通过Mg2Ca相的(1-103)斑点与Mg的(000-2)斑点之间存在的差矢平移造成的。图b和图c是一种有序钙钛矿相中沿[010]p方向得到的电子衍射花样，其中图b是在较厚的地方得到，而图c则是在很薄的地方得到。在较薄的地方，由于不存在动力学效应，可以清楚地看到花样中存在相当多消光的斑点，但在较厚的地方，由于动力学效应，出现二次衍射的矢量平移，使得本来应该消光的斑点变得看起来不消光了。华南师范大学

83材料分析测试第八章透射电子显微分析（4）超点阵斑点当晶体内部的原子或离子产生有规律的位移或不同种原子产生有序排列时，将引起其电子衍射结果的变化，即可以使本来消光的斑点出现，这种额外的斑点称为超点阵斑点。AuCu3有序相的超点阵花样(a)及指数化结果(b)84材料分析测试第八章透射电子显微分析华南师范大学

上图是CsCl无序和有序的模型和对应的电子衍射花样。其中图a是CsCl无序时的晶体结构模型，而图b是有序时的晶体结构模型；图c是与无序对应的电子衍射花样示意图，而图d则是与有序对应的超点阵电子衍射花样示意图。85材料分析测试第八章透射电子显微分析华南师范大学

上图是超点阵花样的一些实例，这些花样是从一种沿[111]方向具有六倍周期的复杂有序钙钛矿相中得到的。图a是沿[010]方向2倍周期有序的超点阵电子衍射花样，图b是沿[101]方向2倍周期有序的超点阵电子衍射花样，图c是沿[11－1]方向2倍周期有序的超点阵电子衍射花样，而图d则是沿[111]方向6倍周期有序的电子衍射花样。86材料分析测试第八章透射电子显微分析（5）孪晶衍射斑点单斜相ZrO2的孪晶衍射斑点87材料分析测试第八章透射电子显微分析华南师范大学

上图中图a和b是CaMgSi相中的（102）孪晶在不同位向下的孪晶花样，图c是CaMgSi相中另外一种孪晶的电子衍射花样，其孪晶面是(011)面；图d是镁中常见的（10－12）孪晶花样。88材料分析测试第八章透射电子显微分析华南师范大学

上图是CaMgSi相中（102）孪晶中二重孪晶和三重孪晶的形貌和与其对应的电子衍射花样。图a是二重孪晶的形貌（暗场像），图b是与之对应的二重孪晶花样；图c是三重孪晶的形貌像（暗场），图d是与之对应的三重孪晶花样。89材料分析测试第八章透射电子显微分析第五节TEM的典型应用及其它功能简介一、TEM的典型应用1.形貌观察

晶粒(颗粒)形状，形态，大小，分布等2.晶体缺陷分析

线缺陷：位错（刃型位错和螺型位错）面缺陷：层错体缺陷：包裹体表面、界面（晶界、粒界）等3.组织观察

晶粒分布、相互之间的关系，杂质相的分布、与主晶相的关系等4.晶体结构分析、物相鉴定（电子衍射）5.晶体取向分析（电子衍射）90材料分析测试第八章透射电子显微分析高岭石蒙脱石纤蛇纹石叶蛇纹石91材料分析测试第八章透射电子显微分析偏离参量s对位错线像宽的影响（a）明场像，s

0；（b）明场像，s略大于零；（c）g/3g弱束暗场像92材料分析测试第八章透射电子显微分析倾斜于样品膜的位错（a）锯齿形位错线像，偏离参量s≈0（b）略增大偏离参量后的位错线像93材料分析测试第八章透射电子显微分析位错Burgers矢量的测定（a）近似相互垂直排列的位错构成的位错网，明场像（b），暗场像（c），暗场像（d），暗场像（e），暗场像94材料分析测试第八章透射电子显微分析不锈钢中的网形位错长石中的位错95材料分析测试第八章透射电子显微分析(a)层错面位置及衬度示意图(b)层错明场像(BF)及暗场像(DF)层错的衬度特征96材料分析测试第八章透射电子显微分析晶粒（1）与周围4个晶粒（2、3、4、5）间晶粒边界的衍衬像97材料分析测试第八章透射电子显微分析98材料分析测试第八章透射电子显微分析NiAl（7）合金中的析出相（a）明场像，g=220（b）中心暗场像，g=110（c）SADP（选区衍射谱），B//[]（c）SADP，B//[010]99材料分析测试第八章透射电子显微分析二、

TEM的其它功能简介原位观察，会聚束衍射分析，高分辨电子显微术。1．原位观察利用相应的样品台，在TEM中可进行原位实验(insituexperiments)。如：利用加热台加热样品观察其相变过程利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程100材料分析测试第八章透射电子显微分析250℃加热时Ge/Ag/Ge层反应前端的高分辨原位观察（a）~（d）每两幅照片间的时间间隔为8s101材料分析测试第八章透射电子显微分析在透射电镜电子束照射下，ZrO2（2Y）陶瓷m片在t晶粒中的形核和长大过程的原位观察相对于照片（a）各照片对应的电子束照射时间分别为：（a）t=0s；（b）t=10s；（c）t=60s；（d）t=140s；（e）t=350s；（f）t=1200s102材料分析测试第八章透射电子显微分析TiAl合金

相中孪生过程的原位拉伸观察从（a）到（b）到（c）应变量逐渐增大103材料分析测试第八章透射电子显微分析2．会聚束衍射分析会聚束电子衍射(CBED)是电子显微镜中最早实现的电子衍射方式(Kossel和Mollenstedt，1939)，远早于前面所讲的选区电子衍射(Lepoole，1947)。但是，由于仪器方面的原因，在较长的一段时间内这一技术未得到应有的发展。选区电子衍射有两个严重的局限性：①由于选区误差，当所选区域直径＜0.5

m时，对所得衍射谱的分析必须非常谨慎，衍射花样可能包含了选区以外的物质的信息，即难以实现甚至不能实现对小尺度晶体结构特征的分析；②由于薄样品使布拉格条件放宽，选区衍射谱仅给出很不精确的二维晶体学信息。会聚束电子衍射技术克服了以上两个局限性，在许多方面有其独特的优势，如测定样品薄膜厚度、微区的晶体学取向、点阵常数、结构因子、晶体的对称性等等。104材料分析测试第八章透射电子显微分析

Si晶体[111]合聚束衍射花样面心立方晶体[111]会聚束衍射花样的示意图105材料分析测试第八章透射电子显微分析TiS

[0001]会聚束电子衍射带轴图样作者：冯国光106材料分析测试第八章透射电子显微分析3．高分辨电子显微术衍衬成像：利用电子束振幅变化的单束(透射束或某一衍射束)成像，可用于揭示≥1.5nm的结构细节。高分辨电子显微像：利用相位衬度，即利用电子束相位的变化，由两束及以上电子束相干成像。在电子显微镜分辨率足够高的情况下，所用的电子束越多，图像的分辨率越高。相位衬度的解释相当复杂，原因是它对许多因素敏感，如样品的厚度、取向或散射因子的微小变化以及物镜在聚焦和像差上的变化都会引起图像变化。然而，也正是由于这个原因，相位衬度可以用于薄样品的原子结构成像。高分辨像成像时，往往在不同的离焦量下都能获得清晰的图像，但图像的细节随离焦量而变化。为了使图像尽可能地反映物质的结构，并不是在正焦状态下拍摄，而是需要一定的欠焦量。107材料分析测试第八章透射电子显微分析SiN中晶界非晶层(厚度1nm左右)半导体材料中CdTe的晶格缺陷晶格像结构像双束成像三束成像108材料分析测试第八章透射电子显微分析一些包含容易解释信息的晶格像尖晶石颗粒与橄榄石基体界面的晶格像InAsSb/InAs异质结上排列的位错Ge中晶界的原子尺度小刻面测自观察显示的表面上的小刻面109材料分析测试第八章透射电子显微分析Observationsatthemica-vermiculiteinterfacewithHRTEMH.Grafv.Reichenbach,H.Wachsmuth,andC.Marcks.ColloidPolymSol266:652-656(1988)110材料分析测试第八章透射电子显微分析Latticeimageofuntreatedbiotite,Basalspacing10A111材料分析测试第八章透射电子显微分析Biotiteintheinitialstateoftransformationtreated