电子显微分析

1、电子显微分析,授课教师：章晓中教授 办公室：东主楼(11区）一楼电镜实验室 Tel： 62773999 e-mail: xzzhang,清华大学精品课,教学手段,双语教学： 讲课：英文 作业、实验、考试用中文 使用多媒体和板书 教学内容课后会放在清华大学“网络学堂”上 无英文教材，有英文ppt课件和自编中文教材 推荐参考书,Why learn this course?,Question? If we have a materials with heterogeneous composition and we want to know its structure , phase and comp

2、osition, what microstructural analysis technique shall we use ?,Methods of microstructure analysis,The most commonly used microstructure analysis methods in materials science and engineering optical microscopy X-ray diffraction electron microscopy,microstructural analysis,Optical Microscopy Advantag

3、e: observe surface morphology Easy to operate Result interpretation is straightforward Disadvantage: Low resolution (0.2m) Can not do composition analysis and phase analysis,microstructural analysis,X-ray diffraction Advantage: phase analysis High accuracy Give average composition Disadvantage: Can

4、not “see” image Can not do “localized” analysis,microstructural analysis,Electron microscopy Advantage: High resolution: TEM (1)， SEM (4） Do image observation (BF, DF, HREM), structure analysis (SAD, CBED), composition analysis (EDS) and electronic structure analysis (EELS) on one instrument (TEM) C

5、an do analysis in very small volume (nm3),microstructural analysis,Electron microscopy Disadvantage: only give localized information very expensive (US$:0.1-1million) interpretation is not straightforward operation is complex Specimen preparation is difficult,Why learn electron microscopy,The proper

6、ties of materials are mainly determined by its microstructure. By controlling the microstructure of the materials, one can make a material with the required properties. To achieve such goal, one should first “know” the microstructure of the materials. Electron microscopy is a method to analyses the

7、microstructure of the materials， especially for nanomaterials and nanotechnology,Topics of this lecture,Comparison of electron microscopy with other microstructure analysis techniques Briefly introduce various electron microscopes and their application History of development of electron microscope a

8、nd electron microscopy course contents, teaching target, teaching arrangement and reference books,Different type of electron microscopes,Transmission Electron Microscope (TEM) Scanning Electron Microscope (SEM) Electron Probe Microanalyzer (EPMA) Scanning Transmission Electron Microscope (STEM),Tran

9、smission Electron Microscope (TEM),Electron beam go through the thin specimen. Due to the interaction between the incident electron beam with the specimen, the transmitted beam will give out the structural and compositional information of materials. Can do Structure determination (BF, DF, HREM) Phas

10、e analysis (SAD, NED, CBED) Composition analysis (EDS, EELS) Electron structure analysis (EELS) resolution： 1 specimen： thin specimen (10-100nm),JEM-2010F FEG TEM,various TEMs,FEI Titan,Characterization of nanomaterials,Sumio Iijima (饭岛澄男）discovered carbon nanotubes using TEM in 1991 Nature，354 (199

11、1) 56.,TEM images,Structure model of carbon nanotubes,High resolution TEM (HREM),Electron Diffraction Pattern,Single crystal,polycrystal,amorphous,Phase analysis,X-ray energy dispersive spectrometer（EDS）,composition analysis (from element of Z=4 to Z=92) element distribution,Convergent Beam Electron

12、 Diffraction （CBED）,symmetry of crystal structure thickness of the specimen strain,Electron Energy Loss Spectrometry (EELS),Analysis of chemical composition from H (Z=1) to U (Z=92).,determination of nature of chemical bonding,Diamond,Graphite,Virus structure,Influenza virus,SARS virus,Scanning Elec

13、tron Microscope (SEM),Interaction of incident electron beam with materials at surface of specimen results in many useful signals. Using these signals one can do surface morphology observation and composition analysis resolution： 4 specimen： thick specimen,JSM-6301F FEG SEM,Various SEMs,Quanta 400 FE

14、G ESEM,Hitachi S5500,SEM image (IC),Cross-section of IC showing layers,Bonding wire,Application in Materials Science,Application in Bio-science,pseudo-Kikuchi patterns,Grain orientation distribution,Electron Backscattered Diffraction (EBSD),Electron beam lithography system in SEM,Scanning Probe Micr

15、oscope（SPM),Scanning Tunneling Microscope (STM) Atomic Force Microscope (AFM),STM,SPM,Scanning Tunneling Microscope (STM),resolution Horizontal (x-y direction ): 0.1nm Vertical (z direction): 0.01nm detection depth: 1-2 atomic layer (no damage on the specimen) Can work in air, solution, vacuum can o

16、nly be used for conductor and semiconductor,Atomic Resolution on Si(111),Atomic Force Microscope (AFM),resolution Horizontal (x-y direction ): 0.15nm Vertical (z direction): 0.05nm Can work in air, solution, vacuum can be used for both conductor and insulator,Atomic resolution on carbon nanotubes,me

17、asure force between surface atoms (smallest force 10-14-10-15N , smallest displacement 10-2-10-4 ), measure surface elasticity, surface plasticity, friction force, adhesive force. measure magnetic property do nano-manipulation,AFM,Magnetic domain walls on a BaFe12O19 single crystal,Iron on copper (1

18、11),Length scale of research objects of electron microscopy and scanning probe microscopy,Application of Electron Microscopy,In academy and research Materials science and engineering physics chemistry information technology bio-science In industry Information technology (IC, memory device) Materials

19、 industry Bio-technology,TEM 的发展简史,1898年，J.J. Thomason 发现电子 。 1924年，德布罗意（Brogliel De）指出，任何一种接近光速运动的粒子都具有波动本质。 1926-1927年，Davission & Germer 和 Thompson Reid 用电子衍射现象验证了电子的波动性。 1926年，布什（Bush）指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成象”，为电子显微镜的制作提供了理论依据。,TEM 的发展简史,1931年，德国学者克诺尔（Knoll）和卢斯卡（Ruska）获得了放大12-17倍的电子光学系

20、统中的光阑的像，证明可用电子束和磁透镜得到电子像，但是这一装置还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。 1931-1933年间，卢斯卡等对以上装置进行了改进，做出了世界上第一台电子显微镜。1934年，电子显微镜的分辨率已达到500，卢斯卡也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。,TEM 的发展简史,1939年德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电子显微镜（透射电镜），分辨率优于100。1954年又生产了著名的西门子Elmiskop型电子显微镜，分辨率优于10。 在英国，电子显微镜的研究始于1935年，1946年设计了第一批商品透射电镜。 在荷兰，1944年研制成第一台透射电镜，后来生产了著

21、名的Philips EM和CM型透射电镜。 我国的透射电镜的研制始于二十世纪五十年代，1977年已做出了分辨率为3的80万倍的透射电镜。,TEM 的发展简史,目前主要的TEM品牌为 美国FEI的电镜 （1997年荷兰的飞利浦公司的电子光学部并入美国FEI公司，飞利浦电镜系列从此更名为Tecnai电镜系列） 日本的日本电子 （JEOL）电镜 日本的日立（Hitachi）电镜 德国的西门子电镜,主要的电子显微学学派,德国学派（对电子显微术初期形成与发展居功至伟） 英国学派 澳大利亚学派 美国、日本、比利时等国家对电子显微术及其应用都有很大的贡献,英国学派,以牛津大学的赫什(Peter B. Hir

22、sch)、惠伦(Michael J. Whelan)和剑桥大学的豪威(Archie Howie)为代表 Hirsch, Howie, Nichoson, Pashley and Whelan合著的“Electron Microscopy of Thin Crystals”于1965年出版，集当时以衍射衬度及电子衍射为主的电子显微术研究成果之大成，被衍射物理权威考利（ Cowley ）誉为电子显微学界的“圣经”。,英国学派影响深远，培养出了大批杰出的电子显微学家 国际电镜学会（IFSM）的上几届的主要负责人都是该学派的，如: Prof. David J H Cockayne FRS，Univ.

23、of Oxford Prof. Archie Howie FRS， Univ. of Cambridge Prof. Gareth Thomas, Univ. of California 当今活跃于美国电子显微学界的许多著名的电子显微学家出自英国学派,英国学派,澳大利亚学派,与英国学派同时代兴起并且也同样对电子显微学的发展有着深远影响 创始人为澳大利亚著名化学家瑞兹(Lloyd Rees).他的团队中充满了后来在电子显微学界声誉卓著的科学家，如考利(John Cowley)，古德曼（Peter Goodman)， 莫里森(Jim Morrison)，穆迪(Alex Moodie)等人。其中在近

24、代电子显微学界具有龙头地位的当推Cowley 。,澳大利亚学派,Cowley是衍射物理领域的公认权威。 Cowley 1960年代到美国亚利桑那州立大学，主持电子显微学研究并于1978年成立闻名一声的高分辨电子显微术中心。 该中心的骨干力量大部分来自澳大利亚，如史密斯（David Smith)和斯班塞(John Spence), 这两人也都是当代著名的非常活跃的电子显微学家。,国内电镜实验室简介,中科院金属所原子像实验室 中科院物理所北京电镜实验室（现为先进材料与结构分析研究部） 北京大学电镜实验室 清华大学电镜实验室（国家电镜中心）,Course contents,Basic electro

25、n optics Interaction of electron and materials Transmission electron microscopy (electron diffraction, electron diffraction contrast image) Scanning electron microscopy and microanalysis Scanning probe microscopy (STM, AFM) Other electron microscopy methods (HREM, NED, CBED, EELS) Latest development

26、 of electron microscopy,Textbook,Lecture Notes (ppt) (放在清华大学网络学堂上） 电子显微分析 章晓中编著，清华大学出版社，2006 年10月 （普通高等教育“十一五”国家级规划教材 ）,Main reference books,David B. Williams and C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, Plenum Press (1996), I. Basic, II. Diffraction, III. Imaging, IV.Spectrometry (popular

27、 TEM textbook) Josephh Goldstein et al, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, (3rd Edition), Kluwer Academic/Plenum Publishers, (2003) (popular SEM textbook),Recommend reference books,P.B. Hirsh, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley and M.J. Whelan, Electron Microscopy of Thin Crys

28、tals, 2nd Edition, Krieger, Huntington. (1977) “Bible” of TEM 中译本：薄晶体电子显微学 （英）赫什等著 （1983）,推荐参考书,陈梦谪主编， 金属物理研究方法, (第二分册) 进藤大辅，及川哲夫合著，刘安生译， 材料评价的分析电子显微方法， 冶金工业出版社 2001。 黄孝瑛，侯耀永， 李理著，电子衍衬分析原理与图谱， 山东科学技术出版社 2000。 王荣著，电子衍射物理教程，北京：冶金工艺出版社，（2002） 叶恒强 王元明, 透射电子显微学进展, 科学出版社 2003 付洪兰 编著， 实用电子显微镜技术， 高等教育出版社 2004 （生命科学工作者用）,Reference materials,Internet Conference proceedings 16th International congress for electron microscopy (Sapporo, Japan 2006) European Electron Microsco