第九章透射电镜成像分析

1、第二篇 电子显微分析第九章 透射电镜成像分析, 质厚衬度成像原理 复型技术 晶体薄膜样品的制备 衍射衬度成像原理 消光距离与衍衬学理论 晶体缺陷分析,9.1质厚衬度成像原理非晶体试样和复型试样的成像原理。 一、原子散射截面,弹性散射截面 ：入射电子 , 则 衡量一原子核把入射电子散射至大 于 的散射能力 非弹性散射截面: 反映一核外电子把入射电子散射至大于的散射能力. 原子散射截面: 单位体积(含N个原子)试样总原子散射截面: (N0-阿伏加德罗常数,-试样密度, A原子量.),二. TEM小孔径角成像,利用物镜光阑让散射 角小于某 的电子 束参与成像,从而达 到减小孔径角的目的,三. 质厚衬

2、度原理,入射强度I0电子束.穿过t厚度试样,散射角小于的散射束强度I=,1.同试样厚度差 A处: ;B处: 以B处强度为背底强度.则衬度 2.等厚不同成分,四、非晶体试样成像,五、复型技术,复型技术:把浸蚀金相表面大中型断口显微组织浮雕复制到一很薄的膜上,该膜为复型试样,在TEM中产生的电子(负)图像,反映了原试样的形貌. 复型材料要求: 非晶态、无结构;粒度小;耐电子轰击.常用塑料、碳膜. 复型试样分辨率: TEM性能一定下,取决于复型材料的粒度,粒度小,分辨率高.碳膜 ,塑料 复型技术应用现状: 扫描电镜和晶体薄膜技术已在很多场合取替了复型技术,但在断口分析时,复型更清晰、立体感更强.,1

3、. 图像衬度的改善-重金属投影 相同材料表面形貌差越大,衬度越大.但仅靠表面不平难于形成大衬度,且平整的金相表面现象不宜深腐蚀,否则相界过浸蚀,采用重金属投影可改善衬度.在复型试样上以15450方向,向复型样表面蒸镀密度大重金属Cr、Pt,从而增加相邻部位的密度差、厚度差,提高衬度,2.一级复型, 塑料一级复型 塑料:1%火棉胶醋酸戊脂溶液或醋酸纤维素丙酮 溶液. 方法: 在试样表面滴上述溶液并展平,溶剂蒸发后 ,揭下一层100nm左右的塑料膜,剪成小于3mm的 小方块,放于铜网. 特点:不破坏试样表面,分辨率低200A0左右.不宜高度差大的试样, 碳一级复型 方法:真空镀膜装置内,向干净试样

4、表面蒸镀一定厚度(几十纳米)碳膜, 将碳膜划成小于3mm 的方块, 放入分离液中 分离. 特点:膜等厚,破坏试样 表面,分辨率高(30 50A0),3.塑料碳二级复型,方法:塑料一级复型,制 取中间塑料复型;在塑 料复型上蒸镀碳膜,后 重金属投影,在丙酮溶 液中溶去塑料中间复型. 特点:采用塑料一级复 型不损试样表面,最终 为碳膜+重金属,衬度大 ,导热导电性好,分辨率 与一级塑料复型相当,4.萃取复型,复型试样表面形貌的同时,把表面第二相粒子贴附下来.其作用是对试样表面组织分析的同时,对第二相粒子形貌结构、物相进行分析. 方法:深腐蚀试样表面使第二相暴露出来.采用碳一级或塑料-碳二级复型,使

5、第二相粒子从基体上剥离.,5、粉末样品制备,TEM试样有薄膜样(复型、薄膜晶体)、粉末样. 1.胶粉混合法: 干净玻璃片上滴火棉胶溶液,后在上面放少许粉末.将另一玻璃片压上,对研后突然抽开,待膜干后,划成小于3mm小块,在水中脱膜,铜网捞起小块试样. 2.支持膜分散粉末法:制备火棉胶膜或碳膜,在其上滴入均匀的粉末颗粒悬浮液,静置干燥后,喷一层薄碳膜.,9.2晶体薄膜样品的制备-概述,透镜试样：薄膜与复型试样 复型试样为间接试样,分辨率取决于复型材料,碳 膜为20A0,限制了TEM高分辨率使用.仅对试样表 面形貌复制,显示表面形貌,不能显示内部组织(缺 陷、界面)结构;间接试样(除萃取颗粒外)不

6、能对试 样结构、物相分析. 薄膜试样是直接试样,分辨率高,充分发挥透镜 分辨率高特点(12A0),能清晰显示内部精细结构 (位错、孪晶等);因是直接试样,能对试样结构、物 相分析; 并可对微区实现电子衍射、成像同步分析.,9.2晶体薄膜样品的制备-步骤,1.大块试样-导电材料,电火花切割成0.5mm左右薄片(非导电材料:金刚石刀刃切割) 2.机械研磨法或化学减薄至0.1mm左右 3.最终减薄至上2000A0.导电金属材料,采用双喷电解抛光法;非导电材料,离子轰击,金属薄片的线切割 双喷式电解减薄装置示意图,9.3衍射成像原理-衍射衬度,复型试样依据质厚衬度原理成像.而薄膜晶体基本等厚,平均原子

7、序数也无差别,质厚衬度小.难获满意的图像反差. 衍射衬度:等厚薄膜晶体内各部分满足衍射条件不同,产生的衍射线强度不同,从而在荧光屏上形成光强度差图像.根据衍射衬度形成的电子图像,称衍衬像,9.3衍射成像原理,1.明场成像(BF) 以单相多晶为例,A、B两晶粒,B晶粒有一(HKL) 面满足衍射条件,则B晶粒满足双光束条件(既有透 射束,又有衍射束);A晶粒无衍射面,则物镜像平面 形成的衬度: 1 2.中心暗场(CDF) 电子束倾斜2角入射,物镜光阑挡住透射线,由 衍射线参与成像而获得图像衬度.这种成像方法称 中心暗场成像.该法衬度大,广泛应用.,衍射成像原理（a）明场像（b）中心暗场衍射成像,铝

8、合金晶粒形貌像 a)明场像 b)暗场像,9.4 消光距离与衍衬学理论,一、消光距离 入射电子受原子强烈散射作用，平行晶面满足布条件产生衍射线，但其与入射的透射线相互作用不容忽视。假设晶体的（HKL）晶面严格满足布氏条件，入射线只被原子弹性散射为透射线和（HKL）晶面的衍射线（双光束条件）。,当入射方向为k的入射线照射试样表面时，开始受到原 子的强烈散射，产生相干散射线（衍射线），同时部分弹 性透射（忽略非弹性散射），随入射深度增大，且参与衍 射原子或晶胞增多，透射线强度减小，衍射线强度增大。 达某深度透射线强度全部转化为衍射线强度。与此同时， 衍射线照射至另一平行（HKL）晶面，产生与入射方向

9、相 同的二次衍射线（类似于透射线），随深度增大，一次衍 射线强度降低，二次衍射线（类似于透射线）增大，到某 深度一次衍射线强度降低为零，透射线强度达到最大。实 现一循环过程。该循环周期深度称为消光距离，记作g,Fg -结构因子, VC-晶胞体积, -布拉格角,9.5 消光距离与衍衬学理论,二、衍衬运动学简介 利用衍衬运动学、动力学的原理可计算衍射衬度像各 像点的强度,从而定性解释其成像原因.运动学设随电子进 入样品深度增大,透射线强度减弱,衍射线强度增大,之间无 相互作用.动力学设随电子束深入样品,透射束与衍射束间 存在能量交换 1. 衍衬运动学基本假设 不考虑衍射束与透射束间的相互作用(衍射

10、束强度远小于 透射束时,试样很薄和偏离矢量大时);不考虑电子束通过 样品时引起的多次反射和吸收(适用于薄试样).,二、衍衬运动学简介 1.衍衬运动学基本假设,1） 双光束近似 电子束透过薄晶体试样成像时,除透射束外只存 在一束较强的衍射束,其偏离矢量为S.此时衍射束、 透射束强度关系: I0=IT+Ig 2）柱体近似 成像点由若干大小相当于一个晶胞的柱体组成, 双束在柱体内通过,相邻柱体间相互不干扰,晶柱OA产生的衍射强度（S0）,2.理想晶体的衍射强度,电子束透过厚度为t的晶柱,其内某晶面满足 布氏条件,偏离适量S,产生的衍射束强度为,3.理想晶体衍衬运动学基本方程的应用,1）.等厚条纹(衍

11、射强度随样品厚度的变化) 如果晶体保持在确定的位向,则衍射晶面的 偏离矢量S恒定.此时 当t=n/s (n 为整数)时,Ig=0; 而当t=(n+0.5)/s时, 衍射强度最大,.Ig随试样厚度t周期性振荡,定性解 释晶体样品楔形边缘出现厚度条纹,一端有斜面的薄晶,在斜面上的晶体的厚度t是连 续变化的,故可把斜面的 晶体分割成一系列厚度 各不相等的晶柱,当电子 束通过各晶柱时,柱体底 部的衍射强度因厚度不 同而发生连续变化,在衍 射图像上楔形边缘上出 现等厚亮暗条纹,每一亮 暗周期代表一个消光距 离的大小,tg=1/s,等厚条纹形成原理,实际晶体内部的晶界、亚晶界、孪晶界等都属于倾斜界面,在界

12、面上出现等厚条纹,倾斜晶界及其等厚条纹,2).等倾条纹,当t为常数时,Ig随s变化,s=0,3/2t, 5/2t时Ig有极大值. s=0,1/t, 2/t时Ig=0, 1/t的范围看作是偏离布条件后产生衍射强度的界限.即周期宽度. 由上述可解释无缺陷薄膜晶体稍加弯曲,弯曲区的衍衬像出现消光条纹.,样品O处严格满足布条件(S=0),因样品变形,O 点两侧晶面向相反方向转动,偏离布氏条件,出现 S偏离矢量, S随离O点距离增大而增大,S=0, Ig最大,将出现亮条纹(暗场),在其两侧S=1/t处 Ig=0,出现暗条纹(暗场),随S的增大,亮暗条纹周期 延伸.由于每一条纹中的S相同,即晶面倾角相同,

13、 故称等倾条纹,等倾条纹形成原理,三、衍衬动力学简介,1. 运动学理论的不足及适用范围 运动学理论定性解释了许多衍衬现象,但忽略了 透射束与衍射束的交互作用及多重散射引起的 吸收交效应,存在局限性. 适用范围: 极薄样品(衍射束强度小于透射束);衍 射面相对于布氏条件有较大的偏离量,三、衍衬动力学简介,2.完整晶体的动力学方程 在双光束、柱体近似假设下: -有效偏离矢量 上式说明衍射束强度随样品厚度t呈周期性变化, 变化周期为 . 运动学理论是动力学理论在特 定条件下的近似,9.6 晶体缺陷分析,一、层错 1.平行于薄膜表面的层错 厚度为t的薄膜内存在平行于表面的层错CD,离 上、下表面的距离

14、为t1、t2. 无层错区衍射 波振幅为 ： 存在层错, ,衍衬像在层错区与无层错区出现不同 的亮度,层错区为均匀的亮带或暗带,a)平行层错 b)倾斜层错,一、层错,2.倾斜于薄膜表面的层错 倾斜于薄膜表面的层错与其他的倾斜界 面 (如晶界)相似,图像显示为平行于层错, 与上,下表面交线的亮暗相间的条纹,其深度 周期为1/S,NiTiHf合金中的层错形态,二、孪晶,孪晶的形态不同于层错,由黑白衬度相间,宽度不 等的平行条带构成,相间的相同的衬度带为同一位 向.而另一衬度条带为相对称的位向,单斜ZrO2中的孪晶,三、位错,电子束照射理想晶体,衍射条件相同,无衬度.样品 存在位错时,使晶格发生畸变,右边晶面顺时针转, 左边平行晶面逆时针转,使位错周围出现晶面取向 差异,这样在位错四周(HKL)晶面满足条件不同.设 (HKL)晶面内有刃型位错D,该晶面偏离矢量为 S00,远离位错D的衍射波强度为I,则在D附近存 在附加矢量S,D右边S0,左边S S0,IBI0,左边S0+ S S0,在某个 平行晶面(如D ) S0+ S=0,严格满足布条件,