1、關(guān)于透射電子顯微分析 (3)第一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三部分 電子顯微分析第 11章 電子光學(xué)基礎(chǔ)第 12章 電子束與材料的相互作用第 13章 透射電子顯微分析第 14章 電子衍射第 15章 掃描電鏡與電子探針分析第二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第13章 透射電子顯微分析13.1 透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造13.2 樣品制備13.3 透射電鏡基本成像操作及像襯度第三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月電子顯微分析方法的種類透射電子顯微鏡(TEM)可簡稱透射電鏡掃描電子顯微鏡(SEM)可簡稱掃描電鏡 電子探針X射線顯微分析儀簡稱電子探針(EPA或EPM

2、A)：波譜儀(波長色散譜儀，WDS)與能譜儀(能量色散譜儀，EDS) 電子激發(fā)俄歇電子能譜(XAES或AES) 第四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡，TEM），可以以幾種不同的形式出現(xiàn)，如： 高分辨電鏡（HRTEM） 透射掃描電鏡（STEM） 分析型電鏡（AEM）等等。入射電子束（照明束）也有兩種主要形式： 平行束：透射電鏡成像及衍射 會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。TEM的形式第五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.1 透射電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造 13.1.1 工作原理成像原理與光學(xué)顯微鏡類似。它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見

3、光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。由于電子波長極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。 第六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖13-1 透射電子顯微鏡光路原理圖 第七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.1.2 構(gòu)造TEM由電子光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)電器系統(tǒng)電源控制系統(tǒng)組成。 第八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 電磁透鏡 電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調(diào)的會(huì)聚透鏡。

4、減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強(qiáng)度降低、焦距變長(由f1變?yōu)閒2 ） 。第九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 照明系統(tǒng) 作用：提供亮度高、相干性好、束流穩(wěn)定的 照明電子束。組成：電子槍和聚光鏡 鎢絲 熱電子源電子源 LaB6 場發(fā)射源 要求：為滿足明場和暗場成像需要，照明束可 在2 3范圍內(nèi)傾斜第十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月燈絲和陽極間加高壓柵極偏壓起會(huì)聚電子束的作用使其形成直徑為d0、會(huì)聚/發(fā)散角為0的交叉 偏壓回路可以起到限制和穩(wěn)定束流的作用電子槍熱電子槍示意圖第十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月雙聚透鏡圖13-6 雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖 聚光鏡用

5、來會(huì)聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)。C1強(qiáng)激磁透鏡控制束斑大小C1弱激磁透鏡改變孔徑角和獲得最佳亮度第十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月從聚光鏡到物鏡第十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 成像系統(tǒng) 由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡 。 第十四張，PPT共五

6、十九頁，創(chuàng)作于2022年6月成像系統(tǒng)的兩種基本操作圖13-7 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏 (b)將顯微像投影到熒光屏 第十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月物鏡第十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月物鏡物鏡是用來形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡。因?yàn)槲镧R的任何缺陷都被成像系統(tǒng)中其它透鏡進(jìn)一步放大。欲獲得物鏡的高分辨率，必須盡可能降低像差。通常采用強(qiáng)激磁，短焦距的物鏡。物鏡是一個(gè)強(qiáng)激磁短焦距的透鏡，它的放大倍數(shù)較高，一般為100-300倍。目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達(dá)0.1nm左右。

7、 物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精度。一般來說，極靴的內(nèi)孔和上下級之間的距離越小，物鏡的分辨率就越高。為了減少物鏡的球差，往往在物鏡的后焦面上安放一個(gè)物鏡光闌。物鏡光闌不僅具有減少球差，像散和色差的作用，而且或以提高圖像的襯度。此外，我們在以后的討論中還可以看到，物鏡光闌位于后焦面的位置上時(shí)，可以方便的進(jìn)行暗場及襯度成像的操作。在用電子顯微鏡進(jìn)行圖像分析時(shí)，物鏡和樣品之間和距離總是固定不變的，（即物距L1不變）。因此改變物理學(xué)鏡放大倍數(shù)進(jìn)行成像時(shí)，主要是改變物鏡的焦距和像距（即f 和 L2）來滿足成像條件。第十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月中間鏡 如果把中間鏡的物平面和物

8、鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像，這就是電子顯微鏡中的成像操作；如果把中間鏡的物平面和物鏡的背焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣，這就是透射電子顯微鏡中的電子衍射操作。第十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月投影鏡 投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大(或縮小)的像(或電子衍射花樣)進(jìn)一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個(gè)短焦距的強(qiáng)磁透鏡。投影鏡的激磁電流是固定的，因?yàn)槌上耠娮邮M(jìn)入投影鏡時(shí)孔徑角很小(約10-5rad)因此它的景深和焦長都非常大。目前，高性能的透射電子顯微鏡大都采用5級透鏡放大，即中間鏡和投影銳有兩級分第一中間鏡和第二中間鏡，第一投影鏡和第二投影鏡

9、。第十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月透射電鏡TEM中三種主要光闌（名稱、位置和作用）第二十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）第二聚光鏡光闌四個(gè)一組的光闌孔被安裝在一個(gè)光闌桿的支架上，使用時(shí)，通過光闌桿的分檔機(jī)構(gòu)按需要依次插入，使光闌孔中心位于電子束的軸線上（光闌中心和主焦點(diǎn)重合）。聚光鏡光闌的作用是限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，安裝在第二聚光鏡下方的焦點(diǎn)位置。光闌孔的直徑為20400m作一般分析觀察時(shí)，聚光鏡的光闌孔徑可用200300m，若作微束分析時(shí)，則應(yīng)采用小孔徑光闌。 第二十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）物鏡光闌物鏡光闌又稱為襯度光闌，

10、通常它被放在物鏡的后焦面上。常用物鏡光闌孔的直徑是20120m范圍。電子束通過薄膜樣品后產(chǎn)生散射和衍射。散射角(或衍射角)較大的電子被光闌擋住，不能繼續(xù)進(jìn)入鏡筒成像，從而就會(huì)在像平面上形成具有一定襯度的圖像。光闌孔越小，被擋去的電子越多，圖像的襯度就越大，這就是物鏡光闌又叫做襯度光闌的原因。加入物鏡光闌使物鏡孔徑角減小，能減小像差，得到質(zhì)量較高的顯微圖像。物鏡光闌的另一個(gè)主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑點(diǎn)（即副焦點(diǎn)）成像，這就是所謂暗場像。利用明暗場顯微照片的對照分析，可以方便地進(jìn)行物相鑒定和缺陷分析。第二十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）選區(qū)光闌選區(qū)光闌又稱場限光闌或視場

11、光闌。為了分析樣品上的一個(gè)微小區(qū)域，應(yīng)該在樣品上放一個(gè)光闌，使電子束只能通過光闌限定的微區(qū)。對這個(gè)微區(qū)進(jìn)行衍射分析叫做選區(qū)衍射。由于樣品上待分析的微區(qū)很小，一般是微米數(shù)量級。制作這樣大小的光闌孔在技術(shù)上還有一定的困難，加之小光闌孔極易污染，因此，選區(qū)光闌都放在物鏡的像平面位置。這樣布置達(dá)到的效果與光闌放在樣品平面處是完全一樣的。但光闌孔的直徑就可以做的比較大。如果物鏡的放大倍數(shù)是50倍，則一個(gè)直徑等于50m的光闌就可以選擇樣品上直徑為1m的區(qū)域。選區(qū)光闌同樣是用無磁性金屬材料制成的，一般選區(qū)光闌孔的直徑位于20400m范圍之間，它可制成大小不同的四孔一組或六孔一組的光闌片，由光闌支架分檔推入鏡

12、筒。第二十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4.觀察記錄系統(tǒng)第二十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.真空系統(tǒng)第二十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.1.3 選區(qū)電子衍射 圖4-8 在物鏡像平面上插入選區(qū)光欄實(shí)現(xiàn)選區(qū)衍射的示意圖 第二十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月選區(qū)衍射操作步驟（1）使選區(qū)光欄以下的透鏡系統(tǒng)聚焦 （2）使物鏡精確聚焦 （3）獲得衍射譜 第二十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月透射電鏡的功能及發(fā)展 從1934年第一臺透射電子顯微鏡誕生以來，70年的時(shí)間里它得到了長足的發(fā)展。這些發(fā)展主要集中在三個(gè)方面。一是透射電子顯

13、微鏡的功能的擴(kuò)展；另一個(gè)是分辨率的不斷提高；第三是將計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)、觀察與記錄系統(tǒng)等。第二十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月功能的擴(kuò)展早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個(gè)功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀）所不具備的。 透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內(nèi)部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進(jìn)行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（

14、STEM）。第二十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月功能的擴(kuò)展結(jié)合樣品臺設(shè)計(jì)成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動(dòng)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進(jìn)一步的拓寬。透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進(jìn)行多種分析，尤其是可以針對同一微區(qū)位置進(jìn)行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分（價(jià)態(tài)）的全面分析。 第三十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月分析型透射電子顯微鏡利用電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的物理信號開發(fā)的多種分析附件，大大拓展了透射電子顯微鏡的功能。由此產(chǎn)生了透射電子顯微鏡的一個(gè)分支分析型透射電子

15、顯微鏡。第三十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月分析型透射電子顯微鏡第三十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月分析型透射電子顯微鏡第三十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月超高壓電鏡第三十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.2 樣品制備TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。 要求：（1）供TEM分析的樣品必須對電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約100200nm為宜。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。 第三十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2

16、022年6月13.2.1 間接樣品(復(fù)型)的制備對復(fù)型材料的主要要求：復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。 第三十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月制備復(fù)型的材料應(yīng)具備的條件第三十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)型的種類按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為： 一級復(fù)型 二級復(fù)型 萃取復(fù)型（半直接樣品）第三十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一級復(fù)型-塑料在已制備好的金相樣品或斷口樣品上

17、摘上幾 滴體積濃度為1的火棉膠醋酸戊酯溶液或 醋酸纖維素丙酮溶液，溶液在樣品表面展平， 多余的溶液用濾紙吸掉，待溶劑蒸發(fā)后樣 品表面即留下一層100nm左右的塑料薄膜。 把這層塑料薄膜小心地從樣品表面上揭下來， 剪成對角線小于3mm的小方塊后，就可以 放在直徑為3mm的專用銅網(wǎng)上，進(jìn)行透射電子顯微分析。從右上圖可以看出，這種復(fù)型是負(fù)復(fù)型，也就是說樣品上凸出部分在復(fù)型上是凹下?lián)舻摹Ｋ芰弦患墢?fù)型大都只能做金相樣品的分析不宜做表面起伏較大的斷口分析，因?yàn)楫?dāng)斷口上的高度差比較大時(shí)無法做出較薄的可被電子束透過的復(fù)型膜。此外，塑料一級復(fù)型存在分辨率不高和在電子束照射下容易分解等缺點(diǎn)。第三十九張，PPT共五

18、十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一級復(fù)型-碳制備這種復(fù)型的過程是直接把表面清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜。把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線小于3mm的小方塊，然后把此樣品放入配好的分離液內(nèi)進(jìn)行電解或化學(xué)分離。塑料一級復(fù)型與碳一級復(fù)型的區(qū)別厚度、損壞樣品和分辨率。第四十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二級復(fù)型（塑料碳二級復(fù)型）圖13-14 塑料-碳二級復(fù)型制備過程示意圖 第四十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二級復(fù)型（塑料碳二級復(fù)型）特點(diǎn)制備復(fù)型時(shí)不破壞樣品的原始面。最終復(fù)型是帶有重金屬投影的碳膜，這種復(fù)合膜的穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)

19、熱性都很好，因此，在電子束照射下不易發(fā)牛分解和破裂。雖然最終復(fù)型主要是碳膜但因中間復(fù)型是塑料，所以，塑料碳二級復(fù)型的分辨率和塑料一級復(fù)型相當(dāng)。最終的碳復(fù)型是通過溶解中間復(fù)型得到的，不必從樣品上直接剝離，而碳復(fù)型是一層厚度約為10nm的薄層，可以被電子束透過。由于二級復(fù)型制作簡便，因此它是目前使用得最多的一種復(fù)型技術(shù)。下圖為合金鋼回火組織及低碳鋼冷脆斷口的二級復(fù)型照片，可以清楚地看到回火組織中析出的顆粒狀碳化物和解理斷口上的河流花樣。第四十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二級復(fù)型圖像(a)30CrMnSi鋼回火組織 (b)低碳鋼冷脆斷口第四十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6

20、月在需要對第二相粒子形狀、大小和分布進(jìn)行分析的同時(shí)對第二相粒子進(jìn)行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，常采用萃取復(fù)型的方法。這種復(fù)型的方法和碳一級復(fù)型類似只是金相樣品在腐蝕時(shí)應(yīng)進(jìn)行深腐蝕，使第二相粒子容易從基體上剝離。萃取復(fù)型第四十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.2.2 直接樣品的制備1.粉末樣品制備粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開來，各自獨(dú)立而不團(tuán)聚。膠粉混合法：在干凈玻璃片上滴火棉膠溶液，然后在玻璃片膠液上放少許粉末并攪勻，再將另一玻璃片壓上，兩玻璃片對研并突然抽開，稍候，膜干。用刀片劃成小方格，將玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落，用銅網(wǎng)將方形膜撈出，待觀察

21、。支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末顆粒一般都遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)小孔，因此要先制備對電子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉膠膜和碳膜，將支持膜放在銅網(wǎng)上，再把粉末放在膜上送入電鏡分析。第四十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月超細(xì)陶瓷粉未的透射電鏡照片第四十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 晶體薄膜樣品的制備一般程序：(1)初減薄制備厚度約100200m的薄片； (2)從薄片上切取3mm的圓片；(3)預(yù)減薄從圓片的一側(cè)或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)m機(jī)械研磨和化學(xué)薄化(4)終減薄雙噴電解拋光法第四十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖13-15 雙噴電解拋光裝置原理

22、圖 第四十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖13-16 離子減薄裝置原理示意圖 不導(dǎo)電的陶瓷樣品第四十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.3 透射電鏡基本成像操作及像襯度13.3.1 成像操作13.3.2 像襯度質(zhì)厚襯度衍射襯度第五十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.3.1 成像操作圖13-17 成像操作光路圖（a）明場像 (b)暗場像 (c)中心暗場像 第五十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13.3.2 像襯度 像襯度是熒光屏或圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。 透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射。可分為：振幅襯度質(zhì)厚襯度 ：非晶樣品襯度的主要來源衍射襯度 ：晶體樣品襯度的主要來源相位襯度 第五十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月質(zhì)厚襯度原理質(zhì)厚襯度是建立在非晶體樣品中原子對入射電子的散射和透射電子顯微鏡小孔徑角成像基礎(chǔ)上的成像原理，是解釋