材料分析方法-第3版(-周玉)-出版社配套PPT课件-第12章-机械工业出版社

1第二篇材料电子显微分析第八章电子光学基础第九章透射电子显微镜第十章电子衍射第十一章晶体薄膜衍衬成像分析第十二章高分辨透射电子显微术第十三章扫描电子显微镜第十四章电子背散射衍射分析技术第十五章电子探针显微分析第十六章其他显微结构分析方法2高分辨电子显微术是材料原子级别显微组织结构的相位衬度显微术，利用该技术可使大多数晶体材料中的原子串成像，称为高分辨像图12-1为面心立方结构的Si晶体沿[001]方向的高分辨像，其中白色亮点为Si原子串的投影位置第十二章高分辨透射电子显微术图12-1Si单质晶体[001]方向的高分辨像3第十二章高分辨透射电子显微术本章主要内容第一节高分辨透射电子显微镜的结构特征第二节高分辨电子显微像的原理第三节高分辨透射电子显微镜在材料科学中的应用4透射电子显微镜按其功能特点和主要用途可分为：生物型特点是提供高衬度，加速电压一般低于120kV，主要用于生物、医学领域分析型特点是样品台具有较大的倾角，加速电压要高于120kV，此外要有配备EDS等附件的能力，可实现微观组织、晶体结构和微区成分的原位分析，主要用于材料科学、物理、化学等领域高分辨型特点是具有高分辨率，点分辨率应优于0.2nm，用于观察和分析晶体缺陷、微畴、界面及表面处的原子排列，加速电压在200kV或以上，应用领域与分析型电镜相同上述三类电镜主要因物镜极靴结构的差别，从而使物镜球差系数CS不同，减小CS是提高分辨率的途径之一第一节高分辨透射电子显微镜的结构特征5一、样品透射函数用样品透射函数q(x,y)，以描述样品对入射电子波的散射q(x,y)=A(x,y)exp[iφt(x,y)](12-2)式中，A(x,y)是振幅，且A(x,y)=1为单一值；φt(x,y)是相位，样品足够薄时，有(12-8)式中，=/E为相互作用常数。上式表明，总的相位移动仅依赖于晶体的势函数V(x,y,z)。忽略极小的吸收效应，则q(x,y)=1+iVt(x,y)(12-10)这就是弱相位体近似，弱相位体近似表明，对于非常薄的样品，透射函数与晶体的投影势呈线性关系，且仅考虑晶体沿z方向的二维投影势Vt(x,y)第二节高分辨电子显微像的原理),(),,(yxVdzzyxVt6二、衬度传递函数电子波经过物镜在其背焦面上形成衍射花样的过程，可用衬度传递函数表示A(u)=R(u)exp[i(u)]B(u)C(u)(12-11)式中,u是倒易矢量；R是物镜光阑函数；B和C分别是照明束发散度和色差效应引起的衰减包络函数；是相位差(u)=fu2+0.5Cs3u4(12-12)物镜球差系数Cs和离焦量f是影响sin的两个主要因素在最佳欠焦条件下,sin曲线上绝对值为1的平台(通带)最宽，称此为Scherzer欠焦条件，此时点分辨率最佳sin能否在倒易空间一个较宽的范围内接近于1，是成像最佳与否的关键条件第二节高分辨电子显微像的原理7二、衬度传递函数JEM2010透射电镜在加速电压为200kV、Cs=0.5mm、f=43.3nm(最佳欠焦条件)时，其sin函数见图12-2，点分辨率为0.19nm(曲线与横轴的交点u=5.25nm-1处)第二节高分辨电子显微像的原理图12-2JEM2010透射电镜最佳欠焦条件下的sin函数8第二节高分辨电子显微像的原理Q(u,v)图12-3高分辨电子显微像形成过程示意图三、相位衬度电子波穿过晶体后，携带着样品的结构信息，再经过物镜聚焦，在物镜背焦面上形成衍射花样，因透射束与衍射束相互干涉在的结果，最终在物镜像上平面形成的高分辨像高分辨电子显微像形成过程如图12-3所示9第二节高分辨电子显微像的原理三、相位衬度电子波q(x,y)经过物镜在背焦面形成电子衍射图Q(x,y)Q(u,v)=F[q(x,y)]A(u,v)(12-13)式中，F为Fourier变换。Q(u,v)再经一次Fourier变换，在像平面上可重建放大的高分辨像。像平面上的强度分布I(x,y)=12Vt(x,y)F[sin(u,v)RBC](12-15)式中，表示卷积运算。如不考虑RBC的影响，像的衬度为C(x,y)=I(x,y)1=2Vt(x,y)F[sin(u,v)](12-16)当sin=1时,C(x,y)=2Vt(x,y)(12-17)像衬度与晶体的投影势成正比，可反映样品的真实结构10四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响只有在弱相位体近似及最佳欠焦条件下拍摄的高分辨像才能正确反映晶体结构。但实际上弱相位体近似的要求很难满足当不满足弱相位体近似条件时，尽管仍然可获得清晰的高分辨像，但像衬度与晶体结构投影已不存在一一对应关系随离焦量和试样厚度的改变，会出现图像衬度反转；像点分布规律也会发生变化由图12-4可看出，随欠焦量和厚度的改变，像点分布规律发生了明显变化。只有(欠焦量，厚度)为(-192,14)、(-194,12)(-196,10)、(-198,8)、(-200,6)、(-202,4)等条件下，亮点才代表Y0.25Zr0.75O2-x相中Y原子的投影位置第二节高分辨电子显微像的原理11四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响第二节高分辨电子显微像的原理46810121416190192194196198200202204欠焦量（nm）样品厚度（单胞数）图12-4不同欠焦量和厚度下Y0.25Zr0.75O2-x相的模拟高分辨像12四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响图12-5所示为Nb2O5单晶在相同欠焦量下，不同试样厚度区域的高分辨照片。可以看出从试样边缘到内部，因厚度不均匀引起的图像衬度区域性变化第二节高分辨电子显微像的原理图12-5Nb2O5化合物的高分辨像衬度随样品厚度的变化13五、电子束倾斜、样品倾斜对像衬度的影响电子束倾斜和样品倾斜均会影响高分辨像衬度，电子束轻微倾斜，将在衍射束中引入不对称的相位移动图12-6所示为Ti2Nb10O29样品厚度为7.6nm时的高分辨模拟像。图中清楚表明，电子束或样品即使是轻微倾斜，对高分辨像衬度也会产生较明显影响第二节高分辨电子显微像的原理样品倾斜/mrad电子束倾斜/mrad图12-6电子束和样品倾斜对Ti2Nb10O29模拟高分辨像衬度的影响14六、高分辨像的计算机模拟主要应用1)解释实验获得的高分辨像2)通过模拟像和实验像的匹配，确认未知的晶体结构3)获得某些在实验中不能观察到的现象模拟方法主要由Bloch波和多片层两种方法主要步骤1)建立晶体或缺陷的结构模型2)入射电子束穿过晶体层的传播3)电镜光学系统对散射波的传递4)模拟像与实验像的定量比较第二节高分辨电子显微像的原理15六、高分辨像的计算机模拟Bloch波法直接求解与时间无关的Schrödinger方程，主要用于小型完整单胞的模拟计算；多片层法基于物理光学近似，其过程可用Rayleigh-Sommerfeld衍射公式的Fresnel近似描述(图12-7)，多片层法系列投射和传播见示意图12-8第二节高分辨电子显微像的原理图12-8多片层法系列投射和传播示意图图12-7入射波穿过复合传递系数为qn(x,y)的物体时的衍射情况16六、高分辨像的计算机模拟第二节高分辨电子显微像的原理a)d)b)c)e)f)4nm4nm4nm实验像模拟像图12-9c-ZrO2,Y0.25Zr0.75O2-x和Y0.5Zr0.5O2-y相的实验像a)、b)、c)及模拟高分辨像d)、e)、f)17材料的微观结构与缺陷结构，对材料的物理、化学和力学性质有重要影响。利用高分辨电子显微术，可以在原子尺度对材料微观结构和缺陷进行研究，其应用主要包括1)晶体缺陷结构的研究2)界面结构的研究3)表面结构的研究4)各种物质结构的研究下面给出一些典型的高分辨像，用图示说明高分辨透射电镜在材料原子尺度显微组织结构、表面与界面以及纳米粉末结构等分析研究中的应用第三节高分辨电子显微术的应用18六、高分辨像的计算机模拟图12-10为沿和-Si3N4相c轴方向的高分辨结构像，照片中的暗点对应于原子的位置第三节高分辨电子显微术的应用图12-10氮化硅的高分辨结构像a)-Si3N4和b)-Si3N419六、高分辨像的计算机模拟如图12-11，大暗点对应Tl、Ba重原子位置，小暗点对应Cu原子位置第三节高分辨电子显微术的应用图12-11Tl2Ba2CuO6超导氧化物的高分辨结构像20六、高分辨像的计算机模拟如图12-12所示，在InAs和InAsSb界面处可明显观察到有刃型位错存在，位置见图中箭头处第三节高分辨电子显微术的应用图12-12半导体材料InAs和InAsSb界面的高分辨像界面界面21六、高分辨像的计算机模拟如图12-13所示，A、B处各有一韧型位错，AB间夹着一片层错，称Z字形层错偶极子第三节高分辨电子显微术的应用图12-13Si单晶中层错偶极子的高分辨晶格像22六、高分辨像的计算机模拟如图12-14，Si颗粒中存在A,B,C,D,E五次孪晶，Al的[110]方向与Si的[110]方向平行第三节高分辨电子显微术的应用图12-14Al-Si合金粉末的高分辨像a)、SEM像b)和TEM明场像c)23六、高分辨像的计算机模拟由图12-15可说明，Si3N4晶界上有一非晶层，NiAl2O4与NiO相界为稳定界面，Fe2O3表面为其(0001)面第三节高分辨电子显微术的应用图12-15几种平面界面的高分辨像a)Ge的晶界b)Si3N4的晶界c)NiO和NiAl2O4间的相界d)Fe2O3的表面轮廓24六、高分辨像的计算机模拟由图12-16可见，相与相(100)面的点阵直接结合，界面处无非晶层，且相界面为稳定界面与(010)平行第三节高分辨电子显微术的应用图12-16/Sialon平直相界面的高分辨像(110)25六、高分辨像的计算机模拟图12-17所示是SiC颗粒与Sialon陶瓷界面的高分辨像，-Sialon相与6H-SiC的(006)晶面直接结合，无非晶层第三节高分辨电子显微术的应用图12-17SiC颗粒与Sialon陶瓷直接结合界面的高分辨像(110)26六、高分辨像的计算机模拟图12-13所示是SiC颗粒与Sialon陶瓷界面的高分辨像，可以看出在相界面处存在厚度约为0.6nm的非晶层第三节高分辨电子显微术的应用图12-18SiC颗粒与Sialon陶瓷界面的高分辨像