透射電子顯微圖像分析課件保存于：cailiaofenxi@163.com密碼：xingxiaodong1透射電子顯微圖像分析一、質(zhì)厚襯度二、衍襯襯度三、相位襯度四、樣品制備2電子顯微圖像分析1.阿貝成像原理第一步：平行電子束受到周期結(jié)構(gòu)試樣的彈性散射作用，形成各級衍射束，經(jīng)透鏡聚焦，會聚于其后焦面上，形成電子衍射花樣；揭示樣品的晶體結(jié)構(gòu)和取向；第二步：各級衍射束（透射斑和各個衍射斑的球面波）通過干涉重新在像平面上會聚，形成反映試樣特征的像。在透射電鏡中，物鏡是將來自試樣不同點處同方向、同相位的彈性散射電子會聚于其后焦面上得衍射花樣；將來自試樣同一點不同方向的彈性散射電子會聚于其像平面上得形貌像。圖像的襯度：顯微圖像中的不同區(qū)域的明暗差別（電子數(shù)量不同）；像平面光柵后焦面入射光束f001-13電子顯微圖像分析2.襯度定義襯度（Contrast）：定量地定義為兩個相鄰區(qū)域在電子強度的相對差別。對于光學顯微鏡，襯度來源是材料各部分反射光的能力不同。當電子逸出試樣下表面時，由于試樣對電子束的散射作用，使得投射到熒光屏上的電子強度是不均勻的，這種強度不均勻的電子像稱為襯度像。透射電鏡的像襯度與所研究的樣品材料自身的組織結(jié)構(gòu)、所采用的成像操作方式和成像條件有關(guān)；人眼分辨的強度差別最小為5~10%；4電子顯微圖像分析3.透射電鏡成像模式圖像襯度：是在物鏡的背焦面上通過物鏡光闌選擇衍射斑成像的結(jié)果。明場像：以物鏡光闌套住透射斑，而擋住所有衍射斑成像；暗場像：以物鏡光闌套住一個衍射斑，而擋住透射斑和其他衍射斑成像；高分辨電子顯微：讓透射束和多個衍射束共同到達像平面干涉成像；5電子顯微圖像分析4.襯度的分類透射電鏡的像襯度來源于樣品對入射電子束的散射，當電子波穿過樣品時，其振幅和相位都將發(fā)生變化，對應產(chǎn)生兩種襯度：（1）振幅襯度：明、暗場操作方式下，光闌擋掉部分電子波不能在像平面參與成像，從而導致像平面上出現(xiàn)電子波振幅差異。這種振幅差異產(chǎn)生的襯度稱為振幅襯度；振幅襯度包括：質(zhì)厚襯度（非晶樣品）、衍襯襯度（晶體樣品）（2）相位襯度：在高分辨電子顯微方法時，圖像的襯度是由衍射波、透射束的相位差引起的，稱之相位襯度。6質(zhì)厚襯度：來源于入射電子與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作用而引起的吸收與散射，質(zhì)厚襯度是由于樣品（非晶）不同微區(qū)間存在原子序數(shù)或厚度的差異而形成的；由于試樣很薄，吸收很少。襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚度，也可歸于厚度），當散射角大于物鏡的孔徑角α時（TEM的α很?。?它不能參與成像而相應地變暗。散射電子越多，其像越暗?；蛘哒f，散射本領(lǐng)大，透射電子少的部分所形成的像要暗些，反之則亮些。來源于電子非相干的彈性散射。建立在非晶體樣品中原子對入射電子的非相干彈性散射和透射電鏡小孔徑角成像基礎(chǔ)上的成像原理，是解釋非晶體樣品電子顯微圖像襯度的理論依據(jù)。一、質(zhì)厚襯度71.1單個原子對入射電子的散射當入射電子穿透非晶體薄膜樣品時，將與樣品發(fā)生相互作用，即與原子核相互作用，或與核外電子相互作用。彈性散射：由于電子的質(zhì)量比原子核小得多，所以原子核對入射電子的散射作用，一般只引起電子改變運動方向，而沒有能量變化（或變化甚微）,這種散射叫做彈性散射。散射電子運動方向與原來入射方向之間的夾角叫做散射角，用α來表示。非彈性散射：當一個電子與一個孤立原子的核外電子發(fā)生散射作用時，由于兩者質(zhì)量相等，散射過程不僅使入射電子改變運動方向，還發(fā)生能量變化，這種散射叫做非彈性散射。一、質(zhì)厚襯度81.1單個原子對入射電子的散射散射角α的大小取決于瞄準距離rn或re，原子核電荷Ze或電子電荷e和入射加速電壓U。它們的關(guān)系分別如下：圖電子受原子的散射（a）被原子核彈性散射；（b）被核外電子非彈性散射彈性散射：非彈性散射：一、質(zhì)厚襯度91.1單個原子對入射電子的散射

一個原子序數(shù)為Z的原子有Z個核外電子。因此，一個孤立原子把電子散射到α以外的散射截面，用σ0來表示，等于原子核彈性散射截面σn和所有核外電子非單性散射截面Zσe之和，即σ0

=σn+Zσe

。原子序數(shù)越大，產(chǎn)生彈性散射的比例（σn/Zσe=Z）就越大。彈性散射是透射電子顯微成像的基礎(chǔ)；非彈性散射引起的色差將使背景強度增高，圖像襯度降低。一、質(zhì)厚襯度101.2質(zhì)厚襯度原理

電子顯微鏡圖像的襯度取決于投射到熒光屏或照相底片上不同區(qū)域的電子強度差別。對于非晶體樣品來說，入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)目越多（樣品越厚或原子密度越大），樣品原子核庫侖電場越強，被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而通過物鏡光闌參與成像的電子強度也就越低，因此，樣品中相鄰區(qū)域不同的厚度或密度就會導致成像電子強度的差異，這就產(chǎn)生了襯度。一、質(zhì)厚襯度111.2質(zhì)厚襯度原理非晶體樣品的厚度、密度與成像電子強度的關(guān)系：如果忽略原子之間的相互作用，則單位體積包含N個原子的樣品的總散射截面為

式中：N——單位體積樣品包含的原子數(shù)，

(ρ為密度；A為原子量；NA為阿伏伽德羅常量)；σ0為原子散射截面。所以那么在單位面積內(nèi)，厚度為dt的樣品體積內(nèi)散射截面為一、質(zhì)厚襯度121.2質(zhì)厚襯度原理如果入射到樣品單位表面積的電子數(shù)為n，當其穿透dt厚度樣品后有dn個電子被散射到光闌外，即其減小率為dn/n，因此有

若入射電子總數(shù)為n0（t=0），由于受到t厚度的樣品散射作用，最后只有n個電子通過物鏡光闌參與成像。將上式積分得到

n=n0e-Qt

由于電子束強度I＝ne（e為電子電荷大小），因此上式可寫為

I=I0e-Qt

一、質(zhì)厚襯度131.2質(zhì)厚襯度原理當Qt=l時tc叫臨界厚度，即電子在樣品中受到單次散射的平均自由程。因此，可以認為，t≤tc的樣品對電子束是透明的，相應的成像電子強度為

鑒于一、質(zhì)厚襯度141.2質(zhì)厚襯度原理定義ρt為質(zhì)量厚度，那么參與成像的電子束強度I隨樣品質(zhì)量厚度ρt增大而衰減。當Qt=l時

我們把(ρt)c叫做臨界質(zhì)量厚度。隨加速電壓的增加，電子束對樣品透明的臨界質(zhì)量厚度(ρt)c增大。一、質(zhì)厚襯度151.2質(zhì)厚襯度原理

質(zhì)厚襯度表達式的推導：

如果以IA表示強度為I0的入射電子通過樣品A區(qū)域（厚度tA，總散射截面QA）后進入物鏡光闌參與成像的電子強度；IB表示強度為I0的入射電子通過樣品B區(qū)域（厚度tB，總散射截面QB）后，進入物鏡光闌參與成像的電子強度，那么投射到熒光屏或照相底片上相應的電子強度差ΔI=IB

-IA（假定IB為像背景強度）。習慣上以ΔI/IB來定義圖像中A區(qū)域的襯度（或反差），因此

一、質(zhì)厚襯度161.2質(zhì)厚襯度原理因為所以

這說明不同區(qū)域的Qt值差別越大，復型的圖像襯度越高。倘若復型是同種材料制成的，如圖(a)所示，則QA=QB=Q，那么上式可簡化為

一、質(zhì)厚襯度171.2質(zhì)厚襯度原理圖

質(zhì)厚襯度原理（a）區(qū)域厚度不同的復型；(b)區(qū)域密度不同的復型

一、質(zhì)厚襯度18一、質(zhì)厚襯度1.2質(zhì)厚襯度原理

一般認為肉眼能辨認的最低襯度不應小于5％，由前式可知，復型必須具有的最小厚度差為

如果復型是由兩種密度不同，厚度相同材料（A，B）組成的兩個區(qū)域，如圖(b)所示，假定A部分總散射截面為QA，此時復型圖像襯度為

（tΔQA<<1）顯然，當兩個相近區(qū)域的密度相差越大時，則襯度越高。19一、質(zhì)厚襯度1.2質(zhì)厚襯度原理質(zhì)厚襯度：建立在非晶樣品中原子對電子的散射和透射電子顯微鏡小孔徑角成像基礎(chǔ)之上的質(zhì)厚襯度是解釋非晶體樣品電子顯微鏡圖像襯度的理論依據(jù)。影響因素：物鏡光闌孔徑和加速電壓；如選擇的光闌孔徑較大，將有較多的散射電子參與成像，圖像在總體上的亮度增加，但卻使得散射和非散射區(qū)域間的襯度降低；如選擇較低的加速電壓，散射角和散射截面將增大，較多的電子被散射到光闌孔以外，襯度提高，但亮度降低。20二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理衍射襯度：晶體樣品中各部分相對于入射電子的方位不同或它們彼此屬于不同結(jié)構(gòu)的晶體，因而滿足布拉格條件的程度不同，導致它們產(chǎn)生的衍射強度不同（對晶體樣品，電子將發(fā)生相干散射即衍射），利用透射束或某一衍射束成像，由此產(chǎn)生的襯度稱為衍射襯度。影響衍射強度的主要因素：晶體取向和結(jié)構(gòu)振幅；對沒有成分差異的單相材料，衍射襯度是由樣品各處滿足布拉格條件程度的差異造成的。21二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理現(xiàn)以厚度均勻的單相多晶金屬薄膜樣品為例來具體說明衍射襯度的來源。設想薄膜內(nèi)有兩顆晶粒A和B，它們沒有厚度差，同時又足夠的薄，以致可不考慮吸收效應，兩者的平均原子序數(shù)相同，唯一差別在于它們的晶體位向不同。在強度為I0的入射電子束照射下，假設B晶粒中僅有一個(hkl)晶面組精確滿足衍射條件，即B晶粒處于“雙光束條件”，故得到一個強度為Ihkl的hkl衍射斑點和一個強度為(I0－Ihkl)的000透射斑點。同時，假設在A晶粒中任何晶面均不滿足衍射條件，因此A晶粒只有一束透射束，其強度等于入射束強度I0。

22二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理(a)明場成像(b)中心暗場成像圖

明場和中心暗場成像原理圖23二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理

由于在透射電子顯微鏡中，第一幅電子衍射花樣出現(xiàn)在物鏡的背焦面處，若在這個平面上插入一個尺寸足夠小的物鏡光闌，把B晶粒的hkl衍射束擋掉，只讓透射束通過光闌孔成像，在物鏡的像平面上獲得樣品形貌的第一幅放大像（明場像）。此時，兩顆晶粒的像亮度不同，因為IA

≈I0，IB

≈I0－Ihkl，這就產(chǎn)生衍射襯度。

24二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理

通過中間鏡、投影鏡進一步放大的最終像，其相對強度分布依然不變。因此，我們在熒光屏上將會看到，B晶粒較暗而A晶粒較亮，這種只讓透射束通過物鏡光闌成像的方式稱為明場像。如果以未發(fā)生衍射的A晶粒像亮度IA作為的背景強度，則B晶粒的像襯度為

25二、衍襯襯度2.1衍襯襯度原理

如果我們把圖(a)中物鏡光闌位置平移一下，使光闌孔套住hkl斑點而把透射束擋掉，這種讓單個衍射束成像的方式稱為暗場成像。在這種方式下，衍射束傾斜于光軸，故又稱離軸暗場。離軸暗場像的質(zhì)量差，物鏡的球差限制了像的分辨能力。隨后就出現(xiàn)了另一種方式產(chǎn)生暗場像，即通過傾斜照明系統(tǒng)使入射電子束傾斜2θB，讓B晶粒的()晶面處于布拉格條件，產(chǎn)生強衍射，而物鏡光闌仍在光軸位置上，此時只有B晶粒的衍射束正好沿著光軸通過光闌孔，而透射束被擋掉[如圖(b)所示]，這種方式稱為中心暗場成像方式。26二、衍襯襯度2.2雙束條件成像晶體樣品衍射襯度與質(zhì)厚襯度成像的差異：（1）質(zhì)厚襯度成像：暗場像可以來自任何散射束。（2）衍射襯度：為了獲得較高的衍射襯度，需要滿足雙束條件，即除了透射束外，只有一個滿足布拉格條件的晶面的衍射束最強，而其他晶面的衍射束強度非常弱。(a)[011]晶帶軸衍射花樣；(b)和(c)Al-3%Li在雙束條件下的明場像和暗場像27二、衍襯襯度2.3消光距離入射電子受原子強烈的散射作用，因而在晶體內(nèi)入射電子所形成的透射波和衍射波之間的相互作用實際上是不容忽視的。假定：衍射條件處于簡單的雙光束條件下；即：晶體的某一(hkl)晶面處于精確的布拉格位向時，入射波只被激發(fā)成為透射波和(hkl)晶面的衍射波的情況下，考慮一下這兩個波之間的相互作用。28二、衍襯襯度2.3消光距離

對于透射波來說：隨著電子波在晶體內(nèi)深度方向上傳播，透射波強度不斷減弱，則相應的強度轉(zhuǎn)移到衍射波方向，使衍射波的強度不斷增大，當電子波在晶體內(nèi)傳播到一定深度時，由于足夠的原子或晶胞參與了散射，將使透射波的振幅Φ0下降為零，全部能量轉(zhuǎn)移到衍射方向使衍射波振幅Φg上升為最大，它們的強度I0=Φ02和Ig=Φg2也相應地發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖電子波在晶體厚度方向的傳播29二、衍襯襯度2.3消光距離對于衍射波來說：由于入射波與(hkl)晶面交成嚴格的布拉格角θ。那么由入射波激發(fā)產(chǎn)生的衍射波也與該晶面交成同樣的角度。于是在晶體內(nèi)逐步增強的衍射波也必將作為新的入射波激發(fā)同一晶面的二次衍射，其方向恰好與透射波的傳播方向相同。隨著電子波在晶體內(nèi)深度方向上的進一步傳播，則第二階段的能量轉(zhuǎn)移過程將以相反的方式重復，衍射波的強度逐漸下降而透射波的強度相應增大。圖電子波在晶體厚度方向的傳播30二、衍襯襯度2.3消光距離

這種盡管滿足衍射條件，但由于透射束、衍射束之間發(fā)生的動力學互相作用，使得電子波在晶體內(nèi)傳播時發(fā)生的衍射波、透射波的強度交替互補變化的現(xiàn)象稱之為消光現(xiàn)象。定義：由于透射束、衍射束相互作用，使得其強度IT和Ig在在晶體深度方向上發(fā)生周期性的振蕩深度周期叫做消光距離，記作ζg。理論推導結(jié)果表明：式中：d為晶面間距；n為原子面上單位面積內(nèi)所含晶胞數(shù)；θ為布拉格角；λ為入射電子波波長；Fg為結(jié)構(gòu)因子；VC為晶胞的體積消光距離：與樣品的成分、晶體結(jié)構(gòu)、操作反射即電子束加速電壓有關(guān)；31二、衍襯襯度2.3消光距離晶體Z點陣hkl110111200211Al13FCC5668Ag47FCC2427Au79FCC1820Fe26BCC284050Si14DC60晶體Z點陣hkil

Mg12HCP150140335Zr40HCP6050115表

幾種晶體100KV加速電壓下的消光距離值ζg（nm）32二、衍襯襯度2.3消光距離晶體hkl50kV100kV200kV1000kVAl11141567095Fe11020284146Zr456090102消光距離（nm）隨加速電壓的變化33二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論衍射襯度是由樣品底表面不同部位的衍射束強度存在差異而造成的，要深入分析衍襯像的襯度特征，需要對衍射束強度進行計算。動力學衍射：通常情況下，電子衍射束很容易發(fā)生再次衍射，這種重復衍射稱為動力學衍射。原因在于電子束和晶體中的原子由于庫侖力的存在發(fā)生強烈的相互作用（相比之下，X射線受原子作用的程度弱得多，只發(fā)生一次散射，即運動學散射的可能性較大）。電子衍射束強度：分析和計算比較復雜；不能用于結(jié)構(gòu)分析；運動學近似：不考慮電子衍射的動力學效應，進行一定的簡化處理。34二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論薄晶體電子顯微圖像的衍射襯度可用運動學理論或動力學理論來解釋。運動學理論：(1)不考慮衍射束和入射束之間的相互作用，也就是說兩者間沒有能量的交換。當衍射束的強度比入射束小得多時，這個條件是可以滿足的。即試樣很薄，并且偏離矢量較大。(2)不考慮電子束通過樣品時引起的多次反射和吸收。動力學理論：(1)考慮衍射束和入射束之間的相互作用。(2)不考慮電子束通過樣品時引起的多次反射和吸收?；纠碚撚校弘p束動力學理論、多束動力學理論35二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論運動學理論的基本假設：（1）入射電子在樣品內(nèi)只可能受到不多于一次的散射；（2）入射電子波在樣品內(nèi)傳播的過程中，強度的衰減可以忽略，這意味著衍射波的強度與透射波相比始終是很小的；所需的實驗條件：（1）采取足夠薄的樣品，使入射電子受到多次散射的機會減少到可以忽略的程度。（2）讓衍射晶面處于足夠偏離布拉格條件的位向，即存在較大的偏離矢量，此時衍射波強度較弱。36二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論近似處理方法：（1）僅限于在雙光束條件下進行討論，用于成像的衍射束雖然遠離布拉格條件的位向，但其強度與其他晶面的衍射強度相比仍然是最大的，其余晶面的衍射強度均被視為零；（2）柱體近似：將成像區(qū)域看成是一個個成像單元組成，成像單元縮小到和一個晶胞相當?shù)某叨取Ｍ干涫脱苌涫贾荒茉谝粋€和晶胞尺寸相當?shù)木е鶅?nèi)通過，相鄰晶柱內(nèi)的衍射波不相干擾。目的：每個晶柱底部的衍射強度就相當于晶體下表面每一個像點的衍射強度(襯度)。這種把薄晶體下表面上每點的襯度和晶柱結(jié)構(gòu)對應起來的處理方法稱為柱體近似。37二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度對于厚度為t的完整晶體來說，晶體下表面的衍射振幅等于上表面到下表面各層原子面在衍射方向的衍射波振幅疊加的總和。圖小主體的衍射強度38二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度在厚度為t的薄晶體內(nèi)取一小柱體，振幅0=1的入射電子通過距上表面為z的厚度元dz（其位置矢量為r）后，按菲涅爾（Fresnel）衍射原理可以推得在衍射方向上所產(chǎn)生的散射波振幅（dg）為：圖小柱體的衍射強度K與K為透射波與衍射波波矢，ζg為消光距離。39二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度厚度元dz的散射波振幅（dg）為：積分結(jié)果為：因為K-K=g+s，gr=整數(shù)，又考慮到s與r近似平行，即sr=sz，故得到運動學理論的基本方程：將該小柱體內(nèi)所有厚度元的散射振幅按位向疊加，即得到柱體底部衍射波的合成振幅：40二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度衍射束強度隨偏離參量和樣品厚度變化的關(guān)系曲線如圖所示：41二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度(一)等厚條紋(衍射強度隨樣品厚度的變化)

如果晶體保持在確定的位向，則衍射晶面偏離矢量s保持恒定，此時：每一亮暗周期代表一個消光距離的大小，此時：tg=ζg=1/s因為同一條紋上晶體的厚度是相同的，所以這種條紋叫做等厚條紋。42二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度(一)等厚條紋(衍射強度隨樣品厚度的變化)根據(jù)衍襯成像原理，明場像的強度為透射束強度，暗場像的強度為衍射束強度。在雙束條件下，明、暗場互補。用衍射強度隨樣品厚度呈周期性變化這一運動學結(jié)果，可定性地解釋晶體中厚度變化區(qū)域出現(xiàn)的等厚條紋。

43二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度(二)等傾條紋（衍射強度隨s變化）

如果把沒有缺陷的等厚薄晶體稍加彎曲，此時薄晶體的厚度可視為常數(shù)，而晶體內(nèi)處在不同部位的衍射晶面因彎曲而使得衍射偏離矢量s發(fā)生改變。

這種明暗變化是由于晶體彎曲引起的消光條紋，它們同一條紋上晶體偏離矢量的數(shù)值是相等的，所以這種條紋被稱為等傾條紋。44二、衍襯襯度2.4衍襯運動學理論——理想晶體的衍射強度(二)等傾條紋（衍射強度隨s變化）

等傾條紋的形成機理45二、衍襯襯度2.5非理想晶體的衍射襯度對于非理想晶體，晶體缺陷的存在會使其附近區(qū)域的點陣發(fā)生畸變，設由于缺陷的存在使厚度元dz處發(fā)生位移R（即缺陷矢量），其位置矢量由r變?yōu)閞：厚度元dz的散射振幅變?yōu)椋?6二、衍襯襯度2.5非理想晶體的衍射襯度由此可見，由于晶體內(nèi)存在缺陷而引入了一個附加位相因子。該附加因子使得缺陷附近區(qū)域的衍射強度在通常情況下不同于無缺陷區(qū)域的衍射強度，從而在衍襯圖像中顯示出相應缺陷的襯度。積分得到缺陷晶體柱體底部衍射波的合成振幅47三、相位襯度3.1相位襯度如果除透射束外還同時讓一束或多束衍射束參加成像，就會由于各束的相位相干作用而得到晶格(條紋)像和晶體結(jié)構(gòu)(原子)像，前者是晶體中原子面的投影，而后者是晶體中原子或原子集團電勢場的二維投影。用來成像的衍射束越多，得到的晶體結(jié)構(gòu)細節(jié)越豐富。衍射襯度像的分辨率不會優(yōu)于1.5nm（弱束暗場像的極限分辨率），而相位襯度像能提供小于1.5nm的細節(jié)。因此，這種圖像稱為高分辨像。用相位襯度方法成像，不僅能提供樣品研究對象的形態(tài)(在通常的倍率下相當于明場像)，更重要的是提供了晶體結(jié)構(gòu)信息。48三、相位襯度3.1相位襯度圖

衍襯成像和高分辨成像的方式(a)明場成像；(b)中心暗場成像；(c)高分辨成像49三、相位襯度3.1相位襯度高分辨透射電子顯微圖像的成像方式是讓透射波和各級散射波共同在像平面上干涉成像，對于薄樣品透射波和各級散射波到達像平面時，每個像點的電子波振幅幾乎沒有變化，只有相位差不同。當樣品足夠薄，由樣品相鄰柱出射的透射振幅的差異不足以區(qū)分相鄰的量個像點的程度，得到電子像上振幅襯度為零。相位襯度（高分辨成像模式）：多束干涉成像；利用成像系統(tǒng)的非完整性，偏離理想高斯成像模式，將反映原子尺度結(jié)構(gòu)細節(jié)的電子波相位差異轉(zhuǎn)為可觀察到的像強度分布。50三、相位襯度3.1相位襯度電鏡襯度入射電子與物質(zhì)試樣相互作用后，從下表面射出的物面波函數(shù)包含有兩個部分，即：其中A(r)為振幅在空間的分布，φ(r)是相位在空間的分布。由于振幅的空間分布A(r)不均引起的襯度為振幅襯度（包括質(zhì)厚襯度和衍射襯度）；由于相位的空間分布φ(r)不均勻引起的襯度叫相位襯度。在任何樣品中振幅襯度和相位襯度兩種機制都是同時存在的。只不過在樣品較厚（>100nm）時以振幅襯度為主；而在樣品較薄時則以相位襯度為主。對于常用的生物樣品（一般<100nm），其物面波函數(shù)主要由相位來控制。51三、相位襯度3.1相位襯度入射電子射入樣品后，電子在樣品的勢場中運動，在勢場作用下高速入射電子的動能會因樣品中的勢場作用而減小，從而波長增加。圖1中A區(qū)的電子密度低，B區(qū)的電子密度高，不同電子密度具有不同勢場強度，于是A、B兩區(qū)就會產(chǎn)生內(nèi)勢差ΔV，由于內(nèi)勢差的存在，通過A、B兩區(qū)電子束的波長就會有相應的變化，電子密度高的B區(qū)域電子密度低的A區(qū)間會存在一個波長差Δλ，于是由兩區(qū)射出的電子波就會出現(xiàn)相位差Δ。52三、相位襯度3.1相位襯度電子的散射理論證明，在入射波（未散射波）和散射波之間存在/2的相位移。用ψi表示到達最后像中的未散射波振幅，用ψsc表示通過物鏡光闌的散射球面波振幅。（1）如果成像系統(tǒng)不引入附加相位移動，則ψsc和ψi之間僅存在/2的相位差?，F(xiàn)在我們認為A區(qū)沒有散射，僅有透射波ψi射出，而B區(qū)則是ψsc+ψi。在ψsc≤ψi（不同區(qū)域僅存在電子密度的微小差異）的情況下合成振幅ψi+iψsc近似地與ψi的絕對值相同。53三、相位襯度3.1相位襯度（2）如果我們能把散射波ψsc的相位再位移/2，合成波變成ψi-ψsc，于是合成波振幅：這稱為正相位襯度（3）如果我們能把散射波ψsc的相位再位移3/2或-/2，合成波變?yōu)棣譱+ψsc，以致I>I0，這稱為負相位襯度。在光學顯微鏡中這種附加相位移動是在物鏡后焦面上插入一塊Zernihe相位板來實現(xiàn)的。54三、相位襯度3.1相位襯度在電鏡中物鏡的球差和離焦均可以改變ψsc的相位。在球差和離焦的共同影響下，在ψsc和ψi之間引起的附加相位差為：其中

為球差引起的，為離焦引起的相位差。在欠焦情況下當散射波ψsc和未散射波ψi之間的相位差為/2的奇數(shù)倍時，兩波將相干疊加出現(xiàn)最大襯度。55三、相位襯度3.2相位襯度原理高分辨像的成像過程：電子波與樣品相互作用，電子波被樣品所調(diào)制，在樣品下表面形成透射波；透射波經(jīng)物鏡成像，經(jīng)多級放大后顯示在熒光屏上。（1）透射波函數(shù)q(r)的近似表達式電子通過晶體勢場?(r)，由于晶體勢場的調(diào)制，經(jīng)過試樣會產(chǎn)生一定的相位差；對于很薄的晶體樣品，電子波穿過樣品無振幅改變而僅有相位改變（純相位體），透射波函數(shù)為：在試樣極薄情況下，為弱相位體：56三、相位襯度3.2相位襯度原理（2）物鏡的成像過程和襯度傳遞函數(shù)高分辨像襯度的引入：實際透鏡都存在像差，如球差系數(shù)為Cs。要有意識地使像不在準確的聚焦位置，即有一個合適的離焦量Δf；如果物鏡是理想透鏡，無像差，則從后焦面到像平面的過程是一次傅里葉變換，像是物的準確復現(xiàn)；相位體的像不可能產(chǎn)生任何襯度。根據(jù)傅里葉光學，一個物波函數(shù)經(jīng)透鏡成像的過程中，在物鏡后焦面形成衍射波，相當于一次傅里葉變換：57三、相位襯度3.2相位襯度原理（2）物鏡的成像過程和襯度傳遞函數(shù)襯度傳遞函數(shù)S(u,v)：物鏡像差、離焦量以及物鏡光闌等對像的影響，相當于在物鏡后焦面上給衍射波乘上一個因子；A(u,v)表示物鏡光闌的作用，簡單處理時，近似為1；引入襯度傳遞函數(shù)后，后焦面上的衍射波可表示為：58三、相位襯度3.2相位襯度原理（2）物鏡的成像過程和襯度傳遞函數(shù)像平面上波函數(shù)的平方即為像強度：在一個合適的欠焦值Δf下，sinχ(u,v)的值可在相當大的范圍內(nèi)接近于-1：這時的像強度分布稱為最佳欠焦像。像的襯度為：像的襯度與投影勢成比例關(guān)系，或者說，像是樣品晶體勢場的直接投影。59三、相位襯度3.2相位襯度原理（3）關(guān)于Sinχ函數(shù)和電鏡分辨率Sinχ函數(shù)綜合反應了球差系數(shù)Cs和欠焦量Δf對成像質(zhì)量的影響。取Sinχ=-1為電鏡操作時追求的條件，該條件即為最佳欠焦條件。60三、相位襯度3.2相位襯度原理（3）關(guān)于Sinχ函數(shù)和電鏡分辨率Sinχ曲線與橫坐標相交點間距之間的所有物點的細節(jié)，都幾乎無畸變地同位相干涉重建近于理想的像，也就是說，它們是可分辨的。這被定義為電鏡的分辨率——謝爾策（Scherzer）聚焦條件下的分辨率。謝爾策聚焦值，最佳欠焦值：高分辨電鏡的分辨率：一般電鏡的分辨率：61三、相位襯度3.2相位襯度原理（4）離焦條件對襯度的影響對于弱相位體成像：在滿足謝爾策欠焦條件下，像襯度能直接代表物的投影勢，反映相位體中的原子及其排列狀態(tài)；在不滿足謝爾策欠焦條件下，像襯度就要改變，不再與投影勢成正比關(guān)系。此時如何解釋像襯度代表的是什么，就需要計算機模擬來輔助解決。對于厚相位體成像：在投影電荷密度近似的條件下也能直觀地解釋圖像；更準確的解釋就需要計算機模擬來輔助解決。對于非周期性結(jié)構(gòu)的非晶體、生物材料等：計算機難以進行模擬成像，此時的襯度就只能依賴弱相位體近似和投影電荷密度近似模型來解釋圖像。62三、相位襯度3.1相位襯度相位體：當電子束透過物體時，只有相位的改變而沒有振幅的改變。----理想化概念弱相位體：運動學近似；對試樣的要求厚度<10nm。Scherzer欠焦：球差與離焦量引起的電子波傳遞的附加相位差最早由Scherzer導出。使SinX曲線值為-1的平臺展得最寬。在這一段曲線內(nèi)得衍射波，都不受干擾地經(jīng)過成像系統(tǒng)而重構(gòu)近似于理想的像。像中對這些衍射波的細節(jié)就是可分辨的，或說是不失真的。電子波長，球差系數(shù)，欠焦量----SinX像的解釋：當物樣滿足弱相位體近似時，在Scherzer欠焦條件下獲得的結(jié)構(gòu)相可以解釋為勢函數(shù)投影，反映樣品中原子或原子團的投影位置分布。否則，需依賴計算機模擬。63四、樣品制備透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要求被觀察的樣品對入射電子束是“透明的”。電于束穿透固體樣品的能力，主要取決于加速電壓和樣品物質(zhì)原子序數(shù)。加速電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電子束可以穿透樣品厚度就越大，如圖所示。對于透射電子顯微鏡常用的加速電壓100kV，如果樣品是金屬，其平均原子序數(shù)在Cr的原子序數(shù)附近，適宜的樣品厚度約200nm。圖

可穿透厚度t與加速電壓U的關(guān)系64四、樣品制備顯然，要制備200nm厚的金屬樣品不是一件輕而易舉的事情。因此，當透射電子顯微鏡誕生后，首先被應用于觀察醫(yī)學生物樣品，而金屬樣品，遇到的困難就是樣品制備問題。20世紀40年代初期才出現(xiàn)了“復型”技術(shù)，即把金相試樣表面經(jīng)浸蝕后產(chǎn)生的顯微組織浮雕復制到一種很薄的膜上，然后把復制薄膜（叫做“復型”）放到透射電子顯微鏡中去觀察分析，這樣才使透射電子顯微鏡應用于顯示金屬材料的顯微組織有了實際的可能。4.1復型技術(shù)65四、樣品制備4.1復型技術(shù)制備復型所使用的材料應具備以下條件：（1）材料本身必須是非晶態(tài)材料，晶體在電子束照射下，某些晶面將發(fā)生布拉格衍射，衍射產(chǎn)生的襯度會干擾復型表面形貌的分析。復型材料即使在高倍（如十萬倍）成像時，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細節(jié)。（2）復型材料的粒子尺寸必須很小，復型材料的粒子尺寸越小，分辨率就越高。（3）復型材料應具備耐電子轟擊的性能，即在電子束照射下，能保持穩(wěn)定，不發(fā)生分解和破壞。常用的復型材料：真空蒸發(fā)形成的碳膜或者通過塑料溶液蒸發(fā)形成的塑料膜66四、樣品制備4.1復型技術(shù)圖

四種常見的復型根據(jù)復型所用的材料和制備方法，常見的復型有以下四種：塑料一級復型、碳一級復型、塑料-碳二級復型抽取復型（萃取復型）67四、樣品制備4.1復型技術(shù)——一級復型法塑料一級復型在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴上幾滴體積濃度為1%的火棉膠醋酸戍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揭下來就是塑料一級復型樣品.塑料一級復型因其塑料分子較大，分辨率較低；塑料一級復型在電子束照射下易發(fā)生分解和破裂。68四、樣品制備4.1復型技術(shù)——一級復型法碳一級復型碳一級復型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。蒸發(fā)沉積層的厚度可用放在金相樣品旁邊的乳白瓷片的顏色變化來估計。把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對角線小于3mm的小方塊，然后把樣品放入配好的分離液中進行電解或化學分離。碳膜剝離后也必須清洗，然后才能進行觀察分析。碳一級復型的特點是在電子束照射下不易發(fā)生分解和破裂，分辨率可比塑料復型高一個數(shù)量級，但制備碳一級復型時，樣品易遭到破壞。69四、樣品制備4.1復型技術(shù)——一級復型法70四、樣品制備4.1復型技術(shù)——二級復型法二級復型目前應用最廣的一種復型方法。它是先制成中間復型（一次復型），然后在中間復型上進行第二次碳復型，再把中間復型溶去，最后得到的是第二次復型。塑料—碳二級復型可以將兩種一級復型的優(yōu)點結(jié)合，克服各自的缺點。制備復型時不破壞樣品的原始表面；最終復型是帶有重金屬投影的碳膜，其穩(wěn)定性和導電導熱性都很好，在電子束照射下不易發(fā)生分解和破裂；但分辨率和塑料一級復型相當。71四、樣品制備4.1復型技術(shù)——二級復型法右圖為二級復型制備過程示意圖。圖(a)為塑料中間復型，圖(b)為在揭下的中間復型上進行碳復型。為了增加襯度可在傾斜15-45°的方向上噴鍍一層重金屬，如Cr、Au等（稱為投影）。一般情況下，是在一次復型上先投影重金屬再噴鍍碳膜，但有時也可噴投次序相反，圖(c)表是溶去中間復型后的最終復型。

72四、樣品制備4.1復型技術(shù)——二級復型法73四、樣品制備4.1復型技術(shù)——萃取復型萃取復型在需要對第二相粒子形狀、大小和分布進行分析的同時對第二相粒子進行物相及晶體結(jié)構(gòu)分析時，常采用萃取復型的方法。這種復型的方法和碳一級復型類似，只是金相樣品在腐蝕時應進行深腐蝕，使第二相粒子容易從基體上剝離。此外，進行噴鍍碳膜時，厚度應稍厚，以便把第二相粒子包絡起來。

74四、樣品制備4.1復型技術(shù)——萃取復型圖是奧氏體鋼塑性斷裂斷口的碳抽取復型，斷口上的微坑特征依稀可見。經(jīng)電子衍射鑒定，被抽取的粒子是(Cr,Fe)7C3型碳化物。

圖

奧氏體鋼（0.3％C，36％Ni，1.0％Cr）1473K，1h＋水淬＋1173K，30h＋水淬，在-77K拉伸斷裂，碳抽取復型，10000×75四、樣品制備4.1復型技術(shù)在應用復型技術(shù)研究材料表面形貌和顯微組織時，為了得到好的復制效果：首先要注意制備好金相試樣。金相試樣表面必須仔細拋光，避免引起表層組織的變化。其次，要注意各種復型方法對樣品表面浮雕的復制能力，碳一級復型分辨率最高，可達2nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，約10nm，所以只能復制大于這一尺寸的顯微組織細節(jié)。塑料-碳二級復型的分辨率主要取決于第一級塑料復型，它的分辨率與塑料一級復型相當。76四、樣品制備4.2粉末樣品隨著材料科學的發(fā)展，超細粉體及納米材料發(fā)展很快，而粉末的顆粒尺寸大小、尺寸分布及形態(tài)對最終制成材料的性能有顯著影響，因此，如何用透射電鏡來觀察超細粉末的尺寸和形態(tài)便成了電子顯微分析的一項重要內(nèi)容。其關(guān)鍵工作是是粉末樣品的制備，樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團聚。77四、樣品制備4.2粉末樣品需透射電鏡分析的粉末顆粒一般都小于銅網(wǎng)小孔，應此要先制備對電子束透明（厚度約20~30nm）的支持膜。常用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。粉末或顆粒樣品制備的關(guān)鍵取決于能否使其均勻分散到支持膜上。

78四、樣品制備4.2粉末樣品支持膜制備方法如下：配制質(zhì)量分數(shù)約為3%火棉膠的醋酸戊酯溶液。將一個直徑大于100nm的玻璃培養(yǎng)皿底部放一張濾紙，然后注入蒸餾水，再將銅網(wǎng)適距放在培養(yǎng)皿底部的濾紙上，銅網(wǎng)的粗糙面朝上。用滴管將火棉膠溶液滴一滴溶液進入蒸餾水中，火棉膠溶液瞬時在水面上展開，將浮在水面上的第一次膜除去，再制備第二次干凈的膜，用吸管沿培養(yǎng)皿邊緣伸入水中，將蒸餾水慢慢吸干，火棉膠薄膜隨之下沉，最終吸附在含有銅網(wǎng)的濾紙上。將附著銅網(wǎng)和火棉膠的濾紙放在真空鍍膜臺中，噴一層很薄的碳。用針尖劃開銅網(wǎng)周圍的膜和濾紙，即制成火棉膠-碳復合支持膜。79四、樣品制備4.3薄膜樣品（1）薄膜平面樣品的制備直接制成可用于透射電子顯微鏡觀察的薄膜樣品有多種方法，如真空蒸發(fā)、磁控濺射、溶液凝固等方法。圖是Al-4%Cu(質(zhì)量百分數(shù))薄膜的TEM明場像。它是通過磁控濺射儀把Al-Cu靶上原子濺射到KCl基片上，然后將濺射后的KCl基片放入含有一點丙酮（減小表面張力，不致使Al-Cu膜破碎）的去離子水（或蒸餾水）中，待KCl溶解后，Al-Cu薄膜漂浮在水面上，然后用銅網(wǎng)撈起后待水分蒸發(fā)后，即可放入透射電子顯微鏡中觀察。80四、樣品制備4.3薄膜樣品圖

Al-4%Cu多晶薄膜的TEM明場像81四、樣品制備4.3薄膜樣品（2）大塊材料上制備薄膜樣品第一步是從大塊試樣上切割厚度為0.3~0.5mm厚的薄片。電火花線切割法是目前用得最廣泛的方法，見圖。電火花切割可切下厚度小于0.5mm的薄片,切割時損傷層比較淺,可以通過后續(xù)的磨制或減薄除去.電火花切割只能用導電樣品.對于陶瓷等不導電樣品可用金剛石刃內(nèi)圓切割機切片.82四、樣品制備4.