电子显微镜讲义-2010研究生(第二章)

第二章透射电子显微镜原理及应用第一节TEM的结构；第二节TEM图像的成像及像衬度第三节TEM中电子衍射相机长度分析及计算第四节透射电子显微镜应用、制样及实验第一节透射电子显微镜的结构•透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。•主要包括以下几个部分:电子光学系统（镜筒）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似.•2.1.1照明系统•①组成：由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。•②作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2°-3°范围内倾斜。•1.电子枪电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并会聚成交叉点。目前电子显微镜使用的电子源有两类：1热电子源——加热时产生电子，W丝，LaB62场发射源——在强电场作用下产生电子，场发射电镜（FE）热阴极电子源电子枪的结构如图所示，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间会聚为尺寸为d0的交叉点，通常为几十um。栅极的作用：限制和稳定电流。从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步会聚成近似平行的照明束，这个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。2.聚光镜聚光镜的作用是会聚电子枪发射出的电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般采用双聚光镜系统，如图所示。1.为了调整束斑大小，在C2聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可获得几um的电子束斑；2.为了减小像散，在C2下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的.2.1.2成像系统由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成1.物镜a用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。b物镜通常为强励磁、短焦透镜（f=1-3mm）,放大倍数100—300倍，目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm。c物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度，极靴间距越小，分辨率就越高。d为进一步减小物镜球差，在物镜后焦面上安放物镜光阑。2.物镜光阑装在物镜背焦面，直径20—120um，无磁金属制成（Pt、Mo等)作用：a提高像衬度b减小孔径角，从而减小像差c进行暗场成像3.选区光栏装在物镜像平面上，直径20-400um作用：对样品进行微区衍射分析。4.中间镜中间镜是一个弱励磁、长焦距、变倍率透镜，放大倍数可调节0—20倍作用1控制电镜总放大倍数2成像/衍射模式选择工作原理见图5.投影镜短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜,孔径角很小。小孔径角有两个特点：景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图像清晰度焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。注意：目前，一般电镜装有附加投影镜，用以自动校正磁转角成像系统的两个基本操作：a衍射操作模式b成像操作模式2.1.3观察记录系统观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿光的荧光物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的聚集和观察。照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时间很短，一般只需几秒钟。新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。现代电镜已开始装有电子数码照相装置，即CCD相机。2.2主要部件的结构与工作原理2.2.1样品平移与倾斜装置（样品台）电镜样品小而薄，通常用外径3mm的样品铜网支持，网孔或方或园，约0.075mm，见图。样品台的作用是承载样品，并使样品在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。平移是样品台的基本动作，平移最大值±1mm。倾斜装置用的最普遍的是“侧插”式倾斜装置，如图所示。.2.2电子束倾斜与平移装置新式电镜都带有电磁偏转器，使入射电子束平移和倾转，其原理见图，上、下两线圈联动的。利用电子束原位倾斜可以进行中心暗场成像操作。2.2.3消像散器用来消除或减小透镜磁场的非轴对称性，把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场的装置。消像散器分为机械式和电磁式两类。机械式：电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体来吸引部分磁场。电磁式：通过电磁极间的吸引和排斥来校正磁场，如图所示，两组四对电磁体排列在透镜磁场外围，每对电磁体同极相对安置。通过改变两组电磁体的励磁强度和磁场的方向实现校正磁场。消像散器一般安装在透镜的上、下极靴之间。2.2.4光阑透射电镜有三种主要光阑：聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。1.聚光镜光阑作用：限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，该光阑装在第二聚光镜下方。光阑孔直径：20-400um，一般分析用时光阑孔直径用200-300um，作微束分析时，采用小孔径光阑。2.物镜光阑也称衬度光阑，安装于物镜的后焦面。光阑孔直径20-120um功能与作用：a提高像衬度b减小孔径角，从而减小像差c进行暗场成像由无磁金属制成（Pt、Mo等)制造。由于小光阑孔容易污染，高性能电镜常用抗污染光阑或自洁光阑，结构如图所示。光阑孔周围开口，电子束照射后热量不易散出，处于高温状态，污染物不易沉积。光阑常做成四个一组的光阑孔，安装在光阑杆的支架上。使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入。3.选区光阑为了分析样品上的微区，应在样品上放置光阑来限定微区，对该微区进行衍射分析叫做选取衍射。该光阑是选区光阑，也称限场光阑或视场光阑。因为要分析的微区很小，一般数微米量级，要做这样小的光阑孔在技术上有难度，也很容易污染，因此选取光阑都放置在物镜的像平面位置。可以达到放置在样品平面上的效果，但光阑可以做的更大些。如果物镜的放大倍数是50，则一个直径为50um的光阑可以选择样品上1um的微区。选取光阑由无磁性金属材料制成，光阑孔径范围20-400um，大小不同的四孔一组，由光阑支架分档推入。TEM的附属设备1．能谱（EDX）高能电子束照射到材料上后，高能电子可以使原子激发。激发态的原子不稳定，倾向于回到低能状态，这个过程中会把多余的能量释放出来。释放能量的一种方式是特征X射线。这种X射线的能量等于原子能级的能量差，由于不同的原子能级结构不同，所以这种特征X射线就成了原子的一种标志。EDX可以探测到这些X射线并且按照能量排列成谱图。根据谱上峰的位置和强度就可以确定材料里所含元素的种类和含量。2．能量损失谱（EELS）高能电子穿过样品的时候，部分电子跟样品发生碰撞并且损失能量。损失能量的多少跟样品中参与碰撞的粒子的种类，碰撞类型，化学键合以及样品厚度都有关系。EELS可以收集从样品透射过来的电子并且对它们的能量损失情况做分析。从原理上来说，由EELS可以得到样品厚度，成分，价态，电子密度，能带，近邻原子分布等等丰富的信息。EELS谱各种信息汇总2.3透射电镜的主要性能参数及测定2.3.1主要性能参数分辨率、放大倍数、加速电压2.3.2分辨率及其测定分为点分辨率和晶格分辨率1.点分辨率透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。测定方法：Pt或贵金属蒸发法将Pt或贵金属真空加热蒸发到支持膜（火棉胶、碳膜）上，可得到粒径0.5-1nm、间距0.2-1nm的粒子。高倍下拍摄粒子像，再光学放大5倍，从照片上找粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应的点分辨率，如图所示。2.晶格分辨率当电子束射入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位向差。由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像，如图所示。晶格分辨率与点分辨率是不同的，点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。第二节TEM图像的成像及像衬度透射电镜成像原理：——阿贝成像原理用单色平行光照明近轴小物ABC，成像于A'B'C'，对于成像过程，可以用几何光学的物像关系理解，也可以从频谱转换的角度解释。物可以看作是一系列不同空间频谱的集合。图示的相干成像分两步完成。第一步是物上的光发生夫琅和费衍射，在透镜的后焦平面上形成一系列的`衍射斑。第二步是将各个衍射斑作为新的光源，其发出的各个球面次波在像平面上进行相干叠加,像是干涉的结果，即干涉场。这就是阿贝成像原理。像衬度定义：像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。1、非晶样品的像衬度非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。质厚衬度适用于对复型膜试样电子图像作出解释。质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。2、衍射衬度对于晶体，若要研究其内部缺陷及界面，需把样品制成薄膜，这样，在晶体样品成像的小区域内，厚度与密度差不多，无质厚衬度。但晶体的衍射强度却与其内部缺陷和界面结构有关。由样品强度的差异形成的衬度叫衍射衬度，简称衍衬。晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。这种衬度对晶体结构和取向十分敏感，当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该处相对于周围完整晶体发生了微小的取向变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有不同的衍射条件，将缺陷显示出来。可见，这种衬度对缺陷也是敏感的。基于这一点，衍衬技术被广泛应用于研究晶体缺陷。衍衬成像，操作上是利用单一透射束通过物镜光栏成明场像，或利用单一衍射束通过物镜光栏成暗场像。近似考虑，忽略双束成像条件下电子在试样中的吸收，明暗场像衬度是互补的。明场像和暗场像均为振幅衬度，即它们反映的是试样下表面处透射束或衍射束的振幅大小分布，而振幅的平方可以作为强度的量度，由此便获得了一幅通过振幅变化而形成衬度变化的图像。典型明场像a）和暗场像b）3.相位衬度：如果所用试样厚度小于l0nm，甚至3nm。它是让多束衍射光束穿过物镜光阑彼此相干成像，像的可分辨细节取决于入射波被试样散射引起的相位变化和物镜球差、散焦引起的附加相位差的选择。它追求的是试样小原子及其排列状态的直接显示。图所示是薄晶成像的情形。一束单色平行的电子波射入试样内，与试样内原子相互作用，发生振幅和相位变化。当其逸出试样下表面时，成为不同于原入射波的透射波和各级衍射波。由于试样很薄，衍射波振幅甚小，透射波振幅基本上与入射波振幅相同，非弹性散射可忽略不计。衍射波与透射波间的相位差为π／2。如果物镜没有像差，且处于正焦状态，而光阑也足够大，使透射波与衍射波得以同时穿过光阑相干。相干结果产生的合成波其振幅与入射波相同，只是相位位置稍许不同。由于振幅没变，因而强度不变，所以没有衬度。要想产生衬度，必须引入一个附加相位，使所产生的衍射波与透射波处于相等的或相反的相位位置，也就是说，让衍射波沿图X轴向右或向左移动π／2，这样，透射波与衍射波相干就会导致振幅增加或减少，从而使像强度发生变化，相位衬度得到了显示。透射电子显微镜的种常见工作模式TEM有四种基本的工作模式，作用各不相同。1．图像模式。在这种模式下，TEM是一台放大镜，可以对样品的形貌进行观察，比如晶粒尺寸，晶体缺陷，相分布，等等。2．衍射模式。在这种模式下，TEM是一台电子衍射仪，我们看到的是电子被样品散射后形成的衍射强度分布。大家对于XRD可能比较熟悉，而电子衍射相对陌生一些。其实，电子衍射在原理上跟XRD非常类似，只是实现的方式不同。电子衍射的强度在空间是三维分布。在TEM中，我们通常观察到的是其中的一个截面