材料表征基础 课件 3.5 分析电子显微学

§3.5分析电子显微学讲授人：XXX《材料表征基础》战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材内容提要0102扫描透射电子显微术能量色散X射线光谱（EDS）03电子能量损失谱（EELS）1.扫描透射电子显微术扫描透射电子显微术明场STEM像未散射和小角度散射的电子环形暗场（annulardarkfield,ADF）像相干和非相干电子混合高角度环形暗场（highannulardarkfield，HAADF）像大角度散射的电子非相干散射电子为主Z衬度(Z1.7)成像模式示意图1.扫描透射电子显微术成像过程电子束斑聚焦在试样表面，通过线圈控制逐点在试样上进行光栅扫描。在扫描每一点的同时，放在试样下面的环形探测器同步接收被高角度散射的电子。对应于每个扫描位置的环形探测器接收到的信号转换成电流强度显示于荧光屏或计算机屏幕上。试样上的每一点与所产生的像点一一对应，此点上的强度将反映试样上对应点的高角度散射电子强度。当电子束斑正好扫在原子列上时，很多高角度散射的电子将被探测器接收，这个强信号显示计算机屏幕上的就是亮点。而当电子扫在原子列中间的空隙时，数量很少的散射电子被接收，因此在计算机屏幕上将形成一个暗点。STEM模式光路图1.扫描透射电子显微术

在STEM成像过程中，高角环形暗场像的信息主要来源于卢瑟福散射，接收的散射信号强度与原子序数Z的平方成正比，因此HAADF图像又称Z衬度像。由于HAADF图像衬度主要为Z衬度，不会出现衬度反转，像中的亮点总是反映真实的原子，并且点的强度与原子序数平方成正比，可以确认样品的元素组成。二硫化钼上的金纳米颗粒和金单原子1.扫描透射电子显微术其它STEM技术4D-STEM技术可以扫描二维（2D）实空间并记录每一点二维（2D）动量空间数据，提高图像中轻原子如Li、Na、C、O的信号。积分差分相位衬度成像（iDPC）和叠层衍射成像（Ptychography）等技术可以HAADF图像分辨率从0.6Å提升至0.2Å。从实验数据的多层电子叠层照相重建得到的[001]取向的PrScO3

的总相位图和画线区域的相位分布，比例尺，2Å。2.能量色散X射线光谱（EDS）原理：当电子通过TEM中样品时，会与样品中原子相互作用并被散射电子或被向前散射（透射）或被向后散射（背反射）。在作用过程中，一些入射电子轰击样品原子，使得原子中原本处于束缚态的电子被击出（离子化），而自身能量降低。我们称这些原子处于激发态，这是因为与常态（基态）相比它们的能量更高，就象不断加热的沸水。由于激发态原子的不稳定性，他们将会释放多余的能量从而回到基态。如同沸水会不断的放热直至达到环境温度。激发态原子在释放能量的过程中会放出X射线、可见光光子和俄歇电子。X射线能谱是一种通过检测原子放出的X射线来分析样品的化学组成的分析方法。2.能量色散X射线光谱（EDS）EDS系统装置包括探测器、信号放大和处理设备以及多道脉冲分析器。所有能量的X射线都是同时被检测和分析。由于没有进行聚焦，所有X射线只要出现在探测器所包空间角内，就能立刻被检测到。EDS系统装置图能量色散X射线光谱（EDS）优点束斑直径减小，空间分析能力高，最小微区可达到纳米数量级检测效率高，仅需几分钟时间可得到全谱定性分析检测精度高，能量分辨可达149eV，定量分析误差约为2-10%。2.能量色散X射线光谱（EDS）应用举例元素定性与定量分析在研究合金的相变、陶瓷材料的相界或者半导体材料的掺杂效果时，精确确认元素分布信息元素分布图和线扫描通过EDS系统，可以进行元素的空间分布映射。这种技术特别适用于研究材料中的相界、缺陷或者异质结构的化学组成。EDS扫描成像高熵合金中元素的分布3.电子能量损失谱（EELS）电子能量损失谱(EELS)是测量电子在与样品相互作用后的动能变化的一系列技术。该技术用于确定样品的原子结构和化学特性，包括：原子的种类及数量、原子的化学状态以及原子与近邻原子的集体相互作用。电子能量损失的原子级视图3.电子能量损失谱（EELS）EELS谱主要分三个区：零损失区、低能损失区和高能损失区。零损失区。该区域包括未与原子发生任何散射作用的“零损失”电子、与原子核发生弹性散射未损失能量的电子和发生很小能量损失的非弹性散射。低能损失区（<50eV）。该区是由入射电子与固体中原子的价电子非弹性散射作用产生的等离子峰及若干个带间跃迁小峰所组成。高能损失区（>50eV）。高能损失区所含的信息主要是来自入射电子与试样原子内壳层电子的非弹性散射。高能损失部分主要有吸收边、能量损失近边结构（ELNES）和扩展能量损失精细结构（EXELFS）。20nm厚度的碳化钛样品在装有能量过滤分光仪的传统200KeV的TEM下的电子能量损失谱(EELS)光谱。3.电子能量损失谱（EELS）

STEM-EELSSTEM-EDS优点1）信号分布集中(<10mrads)，收集效率高，能量分辨率高(约1eV)；对轻元素（N、O、B）敏感，可探测元素周期表中的所有元素；2）不仅能得到样品的元素组成，电子结构，化学成键等信息，还可以对EELS各部分进行选择成像。3）可判断晶型；4）很方便的测出薄膜厚度。1）对重元素敏感，可识别和定量分析元素周期表中碳元素以上的所有元素；2）检测速度快；3）对样品损伤小；4）成本低。不足1）对样品厚度要求高；2）激发能量高，测试条件苛刻；3）需要大量复杂的数据处理和分析。1）能量分辨率较低(约130eV)；2)