材料人网TEMPPT课件

1、.,1,1. 透射电镜的一般知识 2. TEM工作原理 3. 透射电镜的结构 4. 电子衍射物相分析 5. 电子显微衬度像 6. 衍射衬度理论解释,第九章 电子衍射及显微分析,.,2,1. 透射电镜的一般知识,1.1 什么是TEM? 1.2 TEM发展简史 1.3 为什么要用TEM?,.,3,1.1 什么是TEM?,透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。,.,4,600 kx,150 kx,8 kx,1.2 kx,应用举例半导体器件结构,.,5,Ion polished commercial Al alloy,Al-Cu

2、metallization layer thinned on Si substrate,应用举例金属组织观察,.,6,应用举例 Si纳米晶的原位观察,.,7,1.2 TEM发展简史,TEM是量子力学研究的产品 黑体辐射：可以把金属看成近似的黑体，给它加热，先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线，能量随温度的升高而增加。 问题的焦点是求出能量、温度与波长之间的关系式。 瑞利和金斯 紫外灾变 ，维恩 红外灾变 普朗克：辐射的能量不是连续的，像机关枪里不断射出的子弹。这一份一份就取名为“量子”。能量子相加趋近于总能量。 能量子又与它的频率有关： 能量子h频率。 光电效应：又一有力证据 爱因斯坦，1921

3、年的诺贝尔奖金。普朗克，1920年的诺贝尔奖金。,.,8,1.2 TEM发展简史,德布罗意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢？光的波粒二象性是不是可以推广到电子这类的粒子呢？ “物质波”的新概念 物质波的波长公式h/P,.,9,例：质量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长。,人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。,.,10,电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大200万倍。,例：求静止电子经 200kV 电压加速后的德波波长。,解：静止电子经电压U加速后的动能,.,11,1927年 C.J. Davisson (b)011;

4、 (c) 001; (d) 112,.,42,4.3 各种结构的衍射花样,2）多晶材料的电子衍射。,NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射 (a) 晶粒细小的薄膜 (b)晶粒较大的薄膜,.,43,4.3 各种结构的衍射花样,3）非晶态物质衍射。,典型的非晶衍射花样,.,44,4.4 选区电子衍射,NiAl多层模的组织形貌（a），大范围衍射花样(b)，单个晶粒的选区衍射(c),.,45,4.4 选区电子衍射,电子束的光路具有可逆回溯的特点。 如果在物镜的像平面处加入一个选区光阑，只有AB范围内的成像电子能通过选区光阑,并最终在荧光屏上形成衍射花样, 这一部分花样实际上是由样品上AB区域提供的，所以在像平

5、面上放置选区光阑的作用等同于在物平面上放置一个光阑。,.,46,4.5 衍射花样分析,4.5.1 多晶体结构分析 4.5.2 单晶体结构分析 4.5.3 复杂电子衍射花样,.,47,4.5.1多晶体结构分析,多晶体的hkl倒易点是以倒易原点为中心，(hkl)晶面间距的倒数为半径的倒易球面. 此球面与Ewald反射球面相截于一个圆，所有能产生衍射的斑点都同理扩展成圆，所以多晶的衍射花样是一系列同心的环. 环半径正比于相应的晶面间距的倒数,.,48,立方晶系中环的半径,.,49,立方晶系中环的半径,简立方：N=1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 16 17 18 bcc:

6、 h+k+l=偶数，F0 N= 2 4 6 8 10 12 14 16 18 fcc: hkl全奇数或全偶数 F0 N= 3 4 8 11 12 16,.,50,4.5.2 多晶衍射花样的标定,1)测量环的半径R; 2)计算及 ，其中 为直径最小的衍射环的半径，找出最接近的整数比规律，由此确定了晶体的结构类型，并可写出衍射环的指数； 3)根据 和 值可计算出不同晶面族的 。根据衍射环的强度确定3个强度最大的衍射环的d值，借助索引就可找到相应的ASTM卡片。全面比较d值和强度，就可最终确定晶体是什么物相。,.,51,例如,已知L17.00mm , 测得环半径为8.42mm, 11.88mm, 1

7、4.52mm, 16.84mm, 18.88mm, 确定此多晶物体的物相。 R(mm) R2(mm2) N d(实验) I/I1(实验) d(查表) I/I1(查表) 8.42 70.90 2 2.02 100 2.01 100 11.81 141.1 4 1.44 20 1.41 15 14.52 210.8 6 1.17 40 1.17 38 16.84 283.6 8 1.01 18.88 356.5 10 0.9 由N的比值确定为bcc结构，由d= L/R得到d=2.0-2.5 , 发现Fe 的数据符合，确定此多晶物相为Fe。,.,52,4.5.2 单晶体结构分析,单晶体结构分析的理论

8、依据为：单晶电子衍射谱相当于一个倒易平面，每个衍射斑点与中心斑点的距离符合电子衍射的基本公式： ，从而可以确定每个倒易矢量对应的晶面间距和晶面指数； 两个不同方向的倒易点矢量遵循晶带定律： ，因此可以确定倒易点阵平面 的指数；该指数也是平行于电子束的入射方向的晶带轴的指数。,.,53,4.5.2.1已知晶体结构，确定晶面取向,1）测量距离中心斑点最近的三个衍射斑点到中心斑点的距离 2）测量所选衍射斑点之间的夹角 3）将测得的距离换算成面间距（Rd=L ） 4）将求得的d值与具体物质的面间距表中的d值相对照（如PDF卡片），得出每个斑点的HKL 指数。 5)决定离中心斑点最近衍射斑点的指数。若R

9、1最短，则相应斑点的指数可以取等价晶面H1K1L1中的任意一个(H1K1L1 )； 6)决定第二个斑点的指数。第二个斑点的指数不能任选，因为它和第一个斑点间的夹角必须符合夹角公式。对立方晶系来说，两者的夹角 7）决定了两个斑点，其它斑点可以根据矢量运算法则求得； 8)根据晶带定理，求晶带轴的指数，即零层倒易截面法线的方向 。,.,54,例子,已知纯镍(fcc)的衍射花样(a=0.3523nm), 相机常数L为1.12mmnm。 确定该衍射花样的晶带轴 解： （1）各衍射斑点离中心斑点的距离为：r1=13.9mm, r2=3.5mm, r3=14.25mm。 （2）夹角1=82o，2=76o，

10、（3）由rd= L算出di: d1=0.0805nm 查表得331 d2=0.2038nm 查表得111 d3=0.0784nm 查表得420,.,55,例子,(4）任意确定(H1K1L1)为(111)， (5)试选(H2K2L2 ) 为,符合实测值，而其他指数如 ，不符合夹角要求。,（7）由晶带定律可求得晶带方向为：,(6） 根据矢量运算,.,56,4.5.2.2 对未知的结构，进行物相鉴定,一张电子衍射图能列出三个独立的方程（两个最短的倒易矢量长度和它们之间的夹角）； 而一个点阵单胞的参数有六个独立变量； 从另一个角度来看，一张电子衍射图给出的是一个二维倒易面，无法利用二维信息唯一地确定晶

11、体结构的三维单胞参数； 因此从一张电子衍射图上无法得到完整的晶体结构的信息。 为了得到晶体的三维倒易点阵需要绕某一倒易点阵方向倾转晶体，得到包含该倒易点阵方向的一系列衍射图，由它们重构出整个倒易空间点阵。,.,57,4.5.2.2 对未知的结构，进行物相鉴定,具体操作时，应在几个不同的方位摄取电子衍射花样，保证能测出长度最小的八个R值。根据公式 ，将测得的距离换算成面间距d；查ASTM卡片和各d值都相符的物相即为待测的晶体。,.,58,4.5.2.3 标准花样对照法,将实际观察到的衍射花样直接与标准花样对比，写出斑点的指数并确定晶带轴的方向。 所谓标准花样就是各种晶体点阵主要晶带的倒易截面，它

12、可以根据晶带定理和相应晶体点阵的消光规律绘出。 一个较熟练的电镜工作者，对常见晶体的主要晶带标准衍射花样是熟悉的。因此，在观察样品时，一套衍射斑点出现(特别是当样品的材料已知时)，基本可以判断是哪个晶带的衍射斑点。,.,59,4.5.3 复杂电子衍射花样,1）超点阵花样。 2）高阶劳厄带。 3）菊池线。,.,60,超点阵花样,但在AuCu3有序相中, 晶胞中四个原子的位置分别确定地由一个Au原子和三个Cu原子所占据。,所以，当H,K,L全奇全偶时， ； 而当H,H,L有奇有偶时， 并不消光。,.,61,超点阵花样,无序相(a)和有序相(b)的 001方向的衍射花样,.,62,高阶劳爱斑点,高阶

13、劳厄带的形成机理（a）和一阶劳厄带与零阶劳厄带共存的衍射花样（b）,.,63,高阶劳厄带的特点,高阶劳厄带的衍射斑点与零阶劳厄带的斑点有相同的分布和对称性，只是有一个相对的位移； 正的高阶劳厄带的衍射斑点在零阶劳厄带的斑点外侧，负的高阶劳厄带的衍射斑点靠近透射斑点。,.,64,菊池衍射图,90,Kikuchi band,Kikuchi lines,.,65,菊池线的产生机理,入射电子在晶体 中遭受非弹性散射,散射强度 随散射方向而变,遭受非弹性散射的 电子再次受到晶面 的弹性散射 (Bragg衍射),Kikuchi 线,.,66,菊池线的几何特征,(1) hkl菊池线对与中心斑点到hkl衍射斑

14、点的连线正交，而且菊池线对的间距与上述两个斑点的距离相等。Rd=L (2) 一般情况下，菊池线对的增强线在衍射斑点附近，减弱线在透射斑点附近。 (3) hkl菊池线对的中线对应于(hkl)面与荧光屏的截线。两条中线的交点称为菊池极，为两晶面所属晶带轴与荧光屏的交点。 (4) 倾动晶体时，菊池线好象与晶体固定在一起一样发生明显的移动。精度达0.1,.,67,5. 电子显微衬度像,1. 衬度定义 2. 四种衬度 2.1 质厚衬度 2.2 衍射衬度 2.3 相位衬度 2.4 原子序数衬度,.,68,1. 衬度（contrast）定义,衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差 对于光学

15、显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。 当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。,.,69,2. 四种衬度,质量厚度衬度（Mass-thickness contrast)：是由于材料的质量厚度差异造成的透射束强度的差异而产生的衬度（主要用于非晶材料）。 衍射衬度(Diffraction contrast)：由于试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅不同而产生的（主要用于晶体材料）。 相位衬度(Phase contrast)：试样内部各点对入射电子作用不同，导致它们在试样出口表面上相位不一，经放大让它们

16、重新组合，使相位差转换成强度差而形成的。 原子序数衬度（Z contrast）： 衬度正比于Z2。相位衬度和振幅衬度同时存在。,.,70,2. 四种衬度,试样厚度100 时，振幅衬度为主；试样厚度100 相位衬度为主。,.,71,2.1 质厚衬度,质厚衬度的形成：由于试样各部分对电子散射能力不同，使得透射电子数目不同，而引起强度差异，形成衬度。 对于非晶样品，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多（或样品越厚），样品原子核库仑电场越强（或原子序数或密度越大），被散射到物镜光阑外的电子就越多，而通过物镜光阑参与成像的电子强度就越低，即衬度与质量、厚度有关，故叫质厚衬度。,.,72,质厚衬度,The

17、 mass and thickness contrast of InxGa12xAs QDs on a GaAs surface.,.,73,质厚衬度的公式,衬度与原子序数Z，密度，厚度t有关。用小的光阑（小）衬度大；降低电压V，能提供高衬度,.,74,2.2 衍射衬度,晶粒A与入射束不成布拉格角，不产生衍射，透射束强度IA=I0 晶粒B与入射束满足布拉格衍射，衍射束强度为Ihkl，透射束强度IB=I0-Ihkl 如果让透射束通过物镜光阑，挡住衍射束，A晶粒比B晶粒亮(明场象)。 如果让hkl衍射束通过物镜光阑，挡住透射束，B晶粒比A晶粒亮（暗场像）,.,75,2.2 衍射衬度,Al-Cu 合

18、金的衍射衬度明场像,.,76,TEM衍衬分析必须的条件,必须有一个孔径足够小的物镜光阑（d10-30m） 样品必须在适当的角度范围内可任意倾斜，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的合适条件。 TEM应有方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束。 必须有可倾斜的照明系统（中心暗场象），目前多用电磁偏转系统来实现。,.,77,相位衬度原子像,.,78,10.7 相位衬度原子像,样品厚度100纳米时，衍射波振幅甚小，透射波振幅几乎与入射波相同。 衍射波与透射波的相位差为2 。如果物镜没有象差，且处于正焦状态，光阑又足够大，合成波与入射波相位位置稍有不同，但振幅没变，没有衬

19、度。 如果引入附加相位，使所严生的衍射波与透射被处于相等的或相反的相位位置，透射波与衍射波相干就会导致振幅增加或减少，从而使象强度发生变化，相位衬度得到了显示。,.,79,相位衬度原子像,引入附加相位位移的方法：物镜的球差和欠焦量。 由于透镜球差引入的程差 如果观察面位于象面之下（物镜欠焦f），引进的程差则是 DCDC -0.5f2 适当选择欠焦量，使两种效应引起的附加相位变化是(2n1)2，就可使相位差转换成强度差，使相位衬度得以显现。,ABCABCC4,.,80,欠焦量和样品厚度对图像的影响,example of image simulation “thickness defocus ma

20、p” of spinel (MgAl2O4) in projection,.,81,HRTEM Image of a T1 Precipitate Plate (one unit-cell thick)in an Al-Cu-Li Alloy,相位衬度原子像,.,82,相位衬度原子像,多孔硅的截面像。（a）低倍像，（b）到（e）为渐次离开表面处的高分辨像。,多孔硅的电子能量损失谱（a）硅L2,3峰和（b）氧k峰,.,83,相位衬度原子像,Carbon Nanotube,.,84,10.8 原子序数衬度,Z衬度基于扫描透射电子显微术（STEM）: 电子束扫描，环形暗场探测器 STEM的像来源于当

21、精细聚焦电子束(2 )扫描样品时，逐一照射每个原子柱，在环形探测器上产生强度的变化图，从而提供原子分辨水平的图像。,.,85,原子序数衬度,当探测高角度散射信号时, 探测器上的强度主要来自声子散射项 每一个被照明的原子柱的强度与热漫反射散射截面 ( )直接相关， 的值等于在探测器的环形范围内对原子类型因子进行积分,为原子对于弹性散射的波形系数，同原子序数成正比，因此STEM提供了原子序数衬度，衬度比例于原子序的平方。,.,86,001 取向Al-3.3wt%Cu合金GP区，较亮像点对应于Cu原子,原子序数衬度,.,87,6. 衍射衬度理论解释,运动学理论：透射束与衍射束之间无相互作用，随着电子

22、束进入样品的深度增加，透射束不断减弱，衍射束不断加强。能解释大部分衍衬现象。 动力学理论：随着电子束进入样品的深度增加，透射束和衍射束的能量交互变换。符合实际，但理论复杂。,.,88,6. 衍射衬度理论解释,6.1 运动学理论的基本假设 6.2完整晶体的运动学理论 6.2.1 完整晶体的衍射束强度 6.2.2等厚消光 6.2.3等倾消光 6.3不完整晶体的衍射衬度理论 6.3.1不完整晶体的衍射束强度 6.3.2位错 6.3.3层错,.,89,4.1 运动学理论的基本假设,透射束与衍射束无相互作用（偏离矢量s越大，厚度t越小，这假设就越成立）。 电子束在晶体内部多次反射及吸收可忽略不计（当试样

23、很薄，电子速度很快时，假设成立）。 双束近似：当电子通过薄晶体时，除透射束外只存在一束较强的衍射束（其他衍射束大大偏离布拉格条件，强度为零）该衍射束不精确满足布拉格条件（存在偏离矢量S）。作双束近似的目的：使衍射束强度比入射束小很多，以便二者的交互作用可被忽略；透射束强度和衍射束强度互补 I0=ITIg 。 柱体近似：将成像单元缩小到一个晶胞的尺度。每个晶胞作为一个像点，将每个像点的衬度结果连接成像，可以得到组织缺陷形貌。,.,90,4.2完整晶体的运动学求解,完整晶体：无点、线、面缺陷（如位错、层错、晶界和第二相物质等微观晶体缺陷） 计算衍射束强度ID就是求完整晶体的暗场象衬度. 将晶体看成

24、是由沿入射电子束方向n个晶胞叠加组成一个小晶柱，并将每个小晶柱分成平行于晶体表面的若干层，相邻晶柱之间不发生任何作用，则P点的衍射振幅是入射电子束作用在柱体内各层平面上产生振幅的叠加。 g=Fjexp(i) 式中的Fj是晶胞内位于n(点阵矢量)处的单胞对电子散射的结构因子， 是各晶胞散射波之间的相位角。 ，,.,91,完整晶体的运动学求解,直接求解电子在周期场中的运动方程 晶体点阵势 电子在真空中传播的波矢量值为 解定态Schrdinger方程，电子在晶体中传播的波矢量值为 将式中的(EV)1/2按二项式定理展开，得 说明势V作用结果使入射波矢量K0变成了新的Ke ，这就是所说的折射效应，由此

25、而引起的相位角,.,92,完整晶体的运动学求解,当平面波0exp(2 K0 r)穿过试样dz厚度时，由于dz厚度势场的作用，将使出来的波变成,将 按exl+x+公式展开，取一级近似 并将 代入，上式就变成,.,93,完整晶体的运动学求解,从中可以看出，除了透射波外，还有若干支振幅为dg，波矢量为Kg的衍射波，其中,利用KgK0=g+s关系，并只考虑s的z分量，则上式变成,称为消光距离，具有长度量纲。经相对论修正后， 上式可写成,式中的Vc是单胞体积，是相对论修正后的波长， 是布拉格角，Fg是反射g的相对论修正后的结构因子。g的典型值在10一100nm之间。,.,94,完整晶体的运动学求解,令01，并求积分，,完整的 衍射束波函数方程,.,95,等厚消光和等倾消光,衍射束的强度是厚度t与偏离矢量s的正弦周期函数,.,96,等厚消光,当衍射条件固定，即 ，由t变化引起衍射强度变化。当t=n/s(n为整数)，ID=0。这称为等厚消光，相应地衍衬像称为等厚消光轮廓线。,.,