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2020/3/278透射电子显微学在材料科学中的应用本部分主要内容：1.电子衍射花样分析技术2.电子显微图象分析技术3.会聚束电子衍射4.高分辨电子显微术5.电子衍射花样综合分析应用软件第一部分：电子衍射与显微图象分析技术电子显微镜简介透射电镜（TEM）：内部微观结构与缺陷样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000Å的薄膜。成像方式与光学生物显微镜相似，只是以电子透镜代替玻璃透镜。放大后的电子像在荧光屏上显示出来。TEM的分辨本领能达3Å左右。在特殊情况下能更高些。（1）超高压电镜(HVEM)是一种TEM，不过常用的TEM加速电压为100kV，只能穿透几千埃厚的样品。目前有200kV、300kV和1000kV的商品电镜。法国和日本有3000kV的特制电镜。HVEM除加速筒以外与一般TEM相似，只是尺寸放大了。1000kV的电镜有两层楼高。放大尺寸后，样品周围空间增大，便于安置各种处理样品的附件，如拉伸、加热、冷却、化学反应等附件，并能把它们与倾斜样品台结合起来；还可以做动态观察，用电视记录样品处理过程中的变化。高能量的电子能造成样品中的辐射损伤，这对研究材料辐射损伤的微观机理带来极大的方便。2020/3/2710一.电子显微镜的分类（2）高分辨电镜（HREM）分辨本领能达2Å左右。不久将能达到1.5Å。由于生物学分子极易被辐照损伤，所以目前HREM主要用于观察无机材料中的原子排列。扫描电镜（SEM）：表面微观形貌主要用于直接观察固体表面的形貌,先利用电子透镜将一个电子束斑缩小到几十埃，用偏转系统使电子束在样品面上作光栅扫描。电子束在它所到之处激发出次级电子，经探测器收集后成为信号，调制一个同步扫描的显像管的亮度，显示出图像。样品表面上的凹凸不平使某些局部朝向次级电子探测器，另一些背向探测器。朝向探测器的部分发出的次级电子被集收得多，就显得亮，反之就显得暗，由此产生阴阳面、富有立体感的图像。目前SEM的分辨本领能达60Å。2020/3/2711扫描透射电镜（STEM)既有透射电子显微镜又有扫描电子显微镜的显微镜。像SEM一样，STEM用电子束在样品的表面扫描，但又像TEM，通过电子穿透样品成像。STEM能够获得TEM所不能获得的一些关于样品的特殊信息。STEM技术要求较高，要非常高的真空度，并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂。成像方式与扫描电镜相似，不过接收的不是次级电子而是透射电子(包括部分小角散射电子)。样品也必须是薄膜，STEM的分辨本领与电子束斑直径相当。专门的STEM用高亮度场致发射电子枪(要求10-10托的超高真空)。分辨本领能达3Å。利用这种STEM已观察到轻元素支持膜上的单个重原子。对实际工作尤为重要的是可以利用它的微小电子束斑作极微区(几十埃)的晶体结构分析(用电子衍射)和成分分析(用电子束激发的标识X射线或者用电子能量损失谱)。2020/3/27122020/3/27电子衍射分析技术二.透射电子显微镜简介（1）电子枪分类：钨灯丝、LaB6灯丝、场发射：冷场发射、热场发射冷场发射:靠电场把电子拽出来.有较高的亮度,有利于扫描类工作,但其分析功能受小电子束强度和薄样品的限制。热场发射:靠电场和加热把电子拽出来.优点:高电子束强度,高稳定性.用于大部分的场发射透镜。（2）附件：透射电镜+扫描透射附件（STEM）+能谱分析（EDS）+电子能量损失谱仪（EELS）+CCD相机扫描电镜+背散射（EBSD）+能谱分析（EDS）（3）主要指标：加速电压、分辨率、放大倍率（100万倍）、束斑尺寸（越小越好）加速电压：200KV，加速电压越高，电子波长越短，穿透能力越强；分辨率：电镜最主要指标，指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。分为点分辨率（两点间的分辨率，XY两个方向）和线分辨率（一个方向上的分辨率）。（4）结构：电子枪、聚光镜、物镜、衍射镜、投影镜、观察屏、照相机三级真空系统：机械泵、油扩散泵或分子泵、离子泵电子枪聚光镜物镜衍射镜投影镜观察屏照相机JEOL-2100FTEM透射电镜电子光学系统：1.照明系统：电子枪；聚光镜2.成像系统：物镜；物镜光阑；选区光阑；中间镜（1、2）；投影镜3.观察记录系统：荧光屏；照相机构4.真空系统：三级真空系统：机械泵、油扩散泵或分子泵、离子泵；目的：排除镜筒内气体，使其真空度至少要在10-5托以上；目前，最好的透射电镜真空度可达到10-9托。原因：若镜筒中存在气体，会产生气体电离和放电现象；电子枪灯丝受氧化而烧断；高速电子与气体分子碰撞而散射，降低成像衬度及污染样品。5.供电控制系统加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差并降低电镜的分辨本领；加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。16透射电子如果被分析的样品薄．就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。它含有能量和入射电子相当的弹性散射电子，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。可进行微区成份定性分析。TEM检测信号图1入射电子束轰击样品产生的物理信号2020/3/27171.22020/3/2718目的:识别物相、确定晶体取向、研究晶体间的相互关系、测定未知结构及定量分析优点：集微观形貌、衍射、成份分析于一身缺点：对衍射来说精度不够高，尤其是对衍射强度测量不能定量电子衍射电子衍射：f∝z2/3,重原子的作用突出，轻原子的作用相对弱；X射线衍射:f∝z,轻原子的作用相对强；所以，电子衍射对确定轻元素的强度比X射线衍射精确，轻元素对电子衍射的贡献强于对X射线衍射的贡献。2020/3/27192.电子衍射条件和基本公式当波长为λ的单色平面电子波以掠射角θ照射到晶面间距为d的平行晶面组(hkl)上时，若满足布拉格方程2dhklsinθ=nλ则在与入射方向成2θ角的方向上，相邻平行晶面反射波之间的衍射级数n=0的衍射束（零级衍射束）就是透射束，它是由散射角2θ=0的散射波叠加而成。波程差为波长的整数倍，各层晶面的原子的散射在2θ方向上具有相同位相，它们因相互加强而产生该晶面的衍射束。X射线衍射：靶不同，λ不同电子衍射：加速电压不同，λ不同电子衍射的条件几何条件：满足布拉格定律（产生电子衍射的必要条件）物理条件：结构因子不为零（产生电子衍射的充分条件）结构因子（结构振幅），包括原子面上的原子位置及种类两个因素。表示的是整个单胞里所有原子散射波在衍射方向上的合成振幅。合成振幅绝对值越大衍射越强，合成振幅为零时，既使满足布拉格定律衍射也不出现，这种现象称为系统消光，由于它取决于结构振幅是否为零，因此又称结构振幅效应。2020/3/2720结构消失的反射简单立方无消光Fcc(Al,Cu等)h,k,l奇偶混合时消光（3:4:8:11:12:16:19:20…）Fcc的特例：金刚石结构:3:8:11:16:19:24…Bcc(V,W,a-Fe)h+k+l=奇数时消光Hcp密排六方(a-Ti,Zr,Mg)h+2k=3n和l是奇数时消光Bct体心正方(a-Fe)h+k+l=奇数时消光2020/3/2721g=1/dhkl=d*下面以普通电子衍射装置中的电子衍射为例来导出电子衍射的基本公式。在普通电子衍射装置中，入射方向平行于光轴的入射电子束照射到晶体样品上，若该晶体样品内O处(hkl)晶面组满足布拉格方程2dhklsinθ=nλ，在与入射束成2θ角的方向上将有该晶面组的衍射束在与样品相距为L的荧光屏上，将得到透射束和衍射束形成的衍射斑点O’和P’。O’:衍射花样的中心斑点，P’:晶面组(hkl)的衍射斑点。O’和P’之间的距离R=Ltan2θ,对高能电衍射来说，θ角很小，足以使tan2θ≈2sinθ，得Rd=Lλ(电子衍射基本公式)K=Lλ为电子衍射相机常数或仪器常数,所以R∝1/d。电子衍射晶体结构晶体试样物镜后焦面物镜像平面物镜光阑电子束会聚束衍射原子像物镜元素分析1.电子衍射花样（斑点-晶体结构分析）2.电子显微像（图像-组织分析）透射电镜的最大特点样品的微观组织特征和微区晶体学性质可以在同一台仪器中得到反映。电子衍射—基本原理问题的提出这些点、环、线对携带着晶体结构信息，对这些点、环、线对等怎样进行分析，需要对电子衍射基本知识有所了解。晶体物质是由原子、离子或原子团在三维空间按一定规律周期性排列构成的。当具有一定波长的单色平面电子波射入晶体时，这些规则排列的质点将对入射电子束中与其靠近的电子产生散射，由于散射强度较大，于是各个质点作为新波源发射次级波.样品对入射电子的散射入射束次级波在空间传播，互相干涉什么情况下次级波相干加强，得到极大值，即产生衍射现象。什么情况下次级波相干减弱或者趋于零呢？下面讨论产生衍射的条件。波动光学原理根据波动光学原理，相邻原子面层的散射波其干涉加强的条件是，它们的波程差应为波长的整数倍。面1面2面3RdQTSAλθBB’θA’布拉格方程的引入nRTSRsin2dRTSRndsin2一.布拉格方程d为衍射晶面间距。λ为入射电子束的波长。θ为入射束与衍射晶面之间的夹角。n为衍射级数（n=0,1,2,3……），当n＝0就是透射束，与入射束平行。为了应用的方便，仅考虑一级衍射，布拉格方程写为sin2dsin2ndndsin2n=2的假想晶面n次衍射的解释sin2nddd/2衍射角θ的解释sin2dd2sin通常λ≤0.02埃d＝几个埃到十几个埃•所以Sinθ很小，也就是入射角θ很小.•入射束与衍射晶面稍有角度就能产生衍射.二.埃瓦尔德图解：埃瓦尔德图解是布拉格方程的几何表达式。利用埃瓦尔德图解可以直观地看出：衍射晶面入射束衍射束三者之间的几何关系sin2dsin1/d/2/（）（）GθO*2/λAGθO*O1/λ1/λA以2/λ的中点为起点，做1/d的垂线，与此线平行即为衍射晶面所在的位置。以2/λ的中点为起点，向直角G做射线，此射线方向即为衍射束方向。衍射束与透射束夹角为2θ，衍射束与衍射晶面夹角为θ。sin1/d/2/（）（）GθO*O1/λ1/λA以O为球心，1/λ半径作一个球（埃瓦尔德球），满足布拉格方程的几何三角形一定在该球的某一截面上，三角形的三个顶点A、O*、G均落在球面上。OO*透射束，OG衍射束，θ衍射角，O*G＝1/dθ2θ•若从球心O引O*G的垂线，与此线平行，球心位置即衍射晶面的位置。•衍射晶面的法线ON与1/d平行。•连接OG便是衍射晶面产生的衍射束方向，衍射束与入射束夹角为2θ。g为倒易矢量g＝1/dO*为倒易原点G为倒易点埃瓦尔德球（衍射球）Θ’1/d1G’入射电子束A*oO*Θ’1/d1G’单晶体的衍射倒易点阵三.倒易点阵的概念倒易矢量g和衍射晶面间距的关系ghkl＝1/dhkl定义：倒易矢量g的端点叫倒易点倒易点的分布叫倒易点阵晶体的衍射倒易点阵倒易空间的三个基本矢量记为a*,b*,c*。为了与倒易空间相区别，把晶体实际所在的点阵叫做正点阵，它所在的空间叫正空间，正空间的三个基本矢量为a，b，c。倒空间的3个基矢量c*b*a*O*Vcba*Vacb*Vbac*)()()(bacacbcbaV式中,V是正空间单位晶胞的体积。倒易点阵是一种以长度倒数为量纲的点阵，它与正空间某一特定点阵相对应。正、倒空间基本矢量之间存在着如下关系：正，倒空间基本矢量之间的关系a*,b*,c*分别垂直于b和c，c和a，a和b所构成的平面，所以可以证明:0******bcaccbabcaba1***ccbbaa在倒易空间中，任意矢量的大小和方向可以用倒易矢量g来表示。***clbkahgga*,b*,c*为倒空间的基矢量，hkl为倒易点的坐标，即相应的衍射晶面指数。倒易矢量g的重要性质：1．ghkl垂直于（hkl）晶面。平行与（hkl）晶面的法线N（hkl）.2．ghkl的长度为（hkl）晶面间距的倒数。g=1/dhkl3．ghkl矢量端点