第7章-薄晶体的高分辨像

1第七章薄晶体的高分辨像高分辨操作：让物镜光阑同时让透射束和多个衍射束通过，共同达到像平面干涉成像的操作。物镜光阑完成四种操作：明场操作、暗场操作、中心暗场操作及高分辨操作。7.1高分辨电子显微像的形成原理(,)Axy),(vuS成像过程的两个环节：1）电子波与试样的相互作用，在试样的下表面形成透射波，又称物面波；其数学表达为试样透射函数2）透射波经物镜成像，经多级放大后显示在荧光屏上，该过程又分为两步：从透射波函数到物镜后焦面上的衍射斑点（衍射波函数）再从衍射斑点到像平面上成像，这两过程为傅里叶的正变换与逆变换。该过程的数学表达为衬度传递函数。27.1.1试样透射函数的近似表达式(,)1(,)Axyixy3),()),((),(),(11yxAyxqFFvuQFyxB0(,)(,)(,)1iiIxyAxyAxyeee对于理想透镜，相位体的像不可能产生任何衬度。实际上由于物镜存在球差、色差、像散（离焦）以及物镜光阑、输入光源的非相干性等因素，此时可产生附加相位，从而形成像衬度，看到晶格条纹像。有意识地引入一个合适的欠焦量，即让像不在准确的聚焦位置，可使高分辨像的质量更好。这些因素的集合体即为相位传递函数。47.1.2衬度传递函数),(vuS衬度传递函数即为一个相位因子，它综合了物镜的球差、离焦量及物镜光阑等诸多因素对像衬度（相位）的影响，是多种影响因素的综合反映。影响三因素：欠焦量、球差、物镜光阑1）欠焦量21)2(2fAG52）球差42)2(21sC4221)2(21)2(sCf222322)(2)(),(vuCvufvus3）物镜光阑rvurvuvuA222201),(),(),()],(exp[),(),(vuCvuBvuivuAvuS6sincos)],(exp[),(ivuivuS7.1.3像平面上的像面波函数(,)Bxy(,)[1(,)sin][(,)sin]BxyxyFixyF其强度函数为(,)(,)(,)IxyBxyBxy＝像衬度为00001112(,)sin12(,)sin1IIIIxyFxyFI77.1.4最佳欠焦条件及电镜最高分辨率（1）最佳欠焦条件－Scherzer欠焦条件（谢尔策条件）使sin=-1的平台最宽时的欠焦量即为最佳欠焦量。2121kCsf（2）电镜最高分辨率13441skC87.1.5第一通带宽度sin=-1的影响因素)21(121222432dCfddCdfss影响函数第一通带宽度的主要因素：离焦量∆f、加速电压U和球差系数Cs9（1）离焦量f)15005.3(0078854.0sinsin22fddsinsin图7-7不同离焦量对函数曲线形态影响的比较sin10（2）加速电压)5.110105(sinsin32252dd（3）球差系数)483845.002484.0sin(sin24dCdCss117.2高分辨像举例高分辨像可以大致分为：晶格条纹像一维结构像二维晶格像（单胞尺寸的像）、二维结构像（原子尺度上的晶体结构像）特殊高分辨像7.2.1晶格条纹像成像条件：使用较大的物镜光阑，在物镜的后焦面上，同时让透射束和某一衍射束（非晶样品对应其“晕”的环上一部分）这两只波相干成像，就能得到一维方向上强度呈周期性变化的条纹花样，从而形成了“晶格条纹像”。12(a)非晶样品典型的无序点状衬度(b)样品中非晶组分和小晶粒形态分布(c)Si3N4陶瓷中的平直晶界与三叉晶界(d)Al2O3-ZrO2复合陶瓷的三叉晶界137.2.2一维结构像成像条件：通过试样的双倾操作，使电子束仅与晶体中的某一晶面族发生衍射作用，形成衍射花样，衍射斑点相对于原点强度分布是对称的。当使用大光阑让透射束与多个衍射束共同相干成像时，就获得了晶体的一维结构像。Bi系超导氧化物的一维结构像147．2．3二维晶格像1．成像条件当入射电子束沿平行于样品某一晶带轴入射时，能够得到衍射斑点及其强度都关于原点对称的电子衍射花样。此时透射束（原点）附近的衍射波携带了晶体单胞的特征（晶面指数），在透射波与附近衍射波（常选两束）相干成像所生成的二维图象中，能够观察到显示单胞的二维晶格像。(a)化学气相沉积法制备的β型碳化硅的二维晶格像(200kV)(b)气体喷雾法制备的Al-Si合金粉末(c)气相沉积法制备的Si3N4-TiN陶瓷157．2．4二维结构像成像条件：在分辨率允许的范围内，用透射束与尽可能多的衍射束通过光阑共同干涉而成像，就能够获得含有试样单胞内原子排列正确信息的图像，参与成像的衍射波数目越多，像中所包含的有用信息也就越多。(a)α-Si3N4的结构像(400kV,Z=[001])β-型Si3N4的结构像(400kV,Z=[001])(b)16(c)Tl2ba2CuO6超导氧化物结构像(d)Yba2Cu3O7超导氧化物解理表面的结构像(e)Al3Mn的正10边形准晶结构像(f)Al72Pd18Cr10的正10边形准晶结构像