第十章透射电子显微镜

材料现代研究方法第十章透射电子显微镜材料现代研究方法材料现代研究方法透射电镜的结构10.2透射电镜样品制备方法10.3电子波与电磁透镜10.1第十章透射电子显微镜电子衍射10.4材料现代研究方法10.1电子波与电磁透镜12光学显微镜的分辨率极限电子波的波长34电磁透镜电磁透镜的像差和分辨率5电磁透镜的景深和焦长材料现代研究方法10.1.1光学显微镜的分辨率极限任何显微镜的用途都是将物体放大，使物体上的细微部分清晰地显示出来，帮助人们观察用肉眼直接看不见的东西。图10-1两个光源成像时形成的Airy斑材料现代研究方法10.1.1光学显微镜的分辨率极限根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：（10-1）（10-1）式可化简为：（10-2）材料现代研究方法10.1.1光学显微镜的分辨率极限图10-2电磁波谱图材料现代研究方法10.1.2电子波的波长电子显微镜的照明光源是高速运动的电子波。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即λ=h/mv(10-3)mv2/2=eU即v=(2eU/m)1/2(10-4)λ=h/(2emU)1/2(10-5)m=m0/[1-(v/c)2]1/2（10-6）材料现代研究方法10.1.2电子波的波长表10-1不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）加速电压/kv电子波波/Å加速电压/kv电子波波/Å10.388400.060120.274500.053630.224600.048740.194800.041850.7131000.0370100.1222000.0251200.08595000.0142300.069810000.0087材料现代研究方法10.1.3电磁透镜透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置是电磁透镜。图10-3为电磁透镜的聚焦原理图材料现代研究方法10.1.3电磁透镜图10-3为电磁透镜的聚焦原理图材料现代研究方法10.1.3电磁透镜图10－4电磁透镜示意图材料现代研究方法10.1.3电磁透镜图10-5静电透镜示意图材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率电磁透镜的像差分成两类，即几何像差和色差。1．几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。几何像差主要指球差和像散。2．色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率（一）球差球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。△rs=(1/4)Csα3(10-7)材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率图10-6球差示意图材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率(二)像散像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起的。△rA=△fAα(10-8)图10-7像散示意图材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率(三)色差色差是由于入射电子波长(或能量)的非单一性所造成的。△rc=Ccα｜△E/E｜(10-9)图10-8色差示意图材料现代研究方法10.1.4电磁透镜的像差和分辨率（10-10）（10-11）（10-12）61.0sin61.00nr3004161.0sC41025.1sC4341049.0sCr材料现代研究方法10.1.5电磁透镜的景深和焦长（一）景深电磁透镜的另一特点是景深（或场深）大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。Df=2△r0/tanα≈2△r0/α（10-13）材料现代研究方法10.1.5电磁透镜的景深和焦长图10-9电磁透镜景深示意图材料现代研究方法10.1.5电磁透镜的景深和焦长（二）焦长当透镜焦距和物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。DL=2△r0M/tanβ≈2△r0M/βDL=2△r0M2/α（10-14）材料现代研究方法10.1.5电磁透镜的景深和焦长图10-10电磁透镜焦长示意图材料现代研究方法10.2透射电镜的结构12照明系统成像系统3观察记录系统材料现代研究方法10.2透射电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本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统、循环冷却系统及真空系统几部分组成。材料现代研究方法10.2透射电镜的结构图10-11透射显微镜构造原理和光路（a）透射光学显微镜（b）透射电子显微镜材料现代研究方法10.2透射电镜的结构图10-12透射电子显微镜（JEM-2010）主体断面图材料现代研究方法10.2.1照明系统（一）电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。图10-13电子枪示意图（a）自偏压回路（b）电子枪内的等电位图材料现代研究方法10.2.1照明系统图10-14几种灯丝的比较（a）发叉式钨灯丝（b）LaB6灯丝（c）场发射灯丝材料现代研究方法10.2.1照明系统表10-2几种灯丝参数比较灯丝种类亮度A/cm2*rad稳定性(%)电子束尺寸能量分散真空度W3X105~150mm3.0(eV)10-5(t)LaB63x106~25mm1.510-6(t)C-FEG109~55nm0.310-10(t)T-FEG109120nm0.710-9(t)材料现代研究方法10.2.1照明系统（二）聚光镜聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。图10-15聚光镜照明光路图材料现代研究方法10.2.2成像系统（一）物镜物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。图10-16从聚光镜到物镜材料现代研究方法10.2.2成像系统（二）中间镜中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0～20倍范围调节。图10-17成像系统光路（a）显微组织像光路（b）衍射像光路材料现代研究方法10.2.2成像系统（三）投影镜投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小，因此它的景深和焦距都有非常大。材料现代研究方法10.2.3观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照相暗盒。照相时只要把荧光屏掀往一侧并竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，显然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的图像。材料现代研究方法10.3透射电镜样品制备方法12复型技术粉末样品制备技术34电解减薄技术超薄切片法56离子减薄技术聚焦离子束（FIB）方法材料现代研究方法10.3.1复型技术所谓复型，就是样品表面形貌的复制，其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。制备复制的样品应具备以下条件：第一是复型材料本身必须是非晶态材料。第二是复型材料的粒子尺寸必须很小。第三是复型材料应具备耐电子轰击的性能，既在电子束照射下能保持稳定，不发生分解和破坏。材料现代研究方法10.3.1复型技术（一）一级复型一级复型有两种，即塑料一级复型和碳一级复型。图10-18塑料一级复型示意图图10-19碳一级复型示意图材料现代研究方法10.3.1复型技术图10-20二级复型制备过程示意图材料现代研究方法10.3.1复型技术（二）二级复型二级复型是目前应用最广的一种复型方法。它是先制成中间复型（一次复型），然后在中间复型上进行第二次碳复型，再把中间复型溶去，最后得到的是第二次复型。醋酸纤维素（AC纸）和火棉胶都可以作中间复型。材料现代研究方法10.3.1复型技术图10-21为合金钢回火组织及低碳钢冷脆断口的二级复型照片材料现代研究方法10.3.1复型技术（三）萃取复型在需要对第二相粒子形状、大小和分布进行分析的同时对第二相粒子进行物相及晶体结构分析时。(a)(b)图10-22(a)萃取复型制备示意图(b)钢中氧化物萃取复型TEM照片材料现代研究方法10.3.2粉末样品制备技术这种方法多用于氧化物陶瓷材料。这是最简单的试样制备方法，它表面污染小，可以看到几纳米的非常薄的区域。(a)(b)图10-23粉末样品的制备方法（a）TEM粉末样品制备所需各种铜网（b）碳膜铜网上分布氧化铁粒子的TEM照片材料现代研究方法10.3.2粉末样品制备技术塑料支撑膜，常用火棉胶（硝化纤维素）或方华膜（聚乙烯醇缩甲醛）来制备，主要特点是制备简便，适用于作为分辨率要求不高的样品支撑膜。具体制备方法：a.配制浓度为13％的火棉胶－醋酸戊酯溶液b.在玻璃容器内注入蒸馏水，用滴管在水面上滴一滴预先配置好的塑料溶液。c.把铜网粗糙的一面放在浮于水面上的塑料膜上，铜网之间保持适当的距离（3～5mm），一张完整的支撑膜上通常可以贴放数十个铜网。材料现代研究方法10.3.3电解减薄技术这个方法主要用于金属和合金的薄膜试样的制备。首先，将块状试样用切割机切成0.2mm左右的薄片。接着，将这个薄片在砂纸上机械研磨到0.1mm厚。图10-24双喷电解减薄V－I曲线材料现代研究方法10.3.3电解减薄技术表10-3常用各种类型的电解减薄液和减薄条件材料方法条件Al和Al合金电解抛光62％磷酸＋14％硫酸＋/L铬酸9～12V化学抛光40mL氢氟酸＋60mL水＋氯化镍电解抛光20％高氯酸＋80％乙醇1520V，70（80-75）％甲醇＋30（20-25）％硝酸12～20V，左右Cr合金电解抛光5％高氯酸＋95％甲醇－40～－Co合金电解抛光2％高氯酸＋8％柠檬酸＋10％丙酮＋80％乙醇＋/L硫氰化钠25，－Cu化学抛光50％硝酸＋25％醋酸＋25％磷酸铜合金电解抛光20％硝酸＋80％甲醇33％硝酸＋67％甲醇5～9V，－Cu-Ni合金电解抛光30mL硝酸＋50mL醋酸＋10mL磷酸2.9V，Fe，低合金钢不锈钢化学抛光50％盐酸＋10％硝酸＋5％磷酸＋35％水或5％盐酸＋30％硝酸＋10％氢氟酸＋45％水热热电解抛光133mL醋酸＋7mL水＋铬酸25～30V，材料现代研究方法10.3.3电解减薄技术续上表材料方法条件不锈钢化学抛光45％水＋30％硝酸＋10％氢氟酸＋15％盐酸电解抛光5％高氯酸＋95％醋酸60％磷酸＋40％硫酸10％高氯酸＋90％乙醇20V，25V12V，GaAs化学抛光盐酸：过氯化氢：水＝40：4：1Ge化学抛光氢氟酸:：硝酸：丙酮：溴15:25:15:0.32minMg-Al合金化学抛光80％正磷酸＋20％乙醇Mo，Mo合金电解抛光1％高氯酸＋99％乙醇3050V，－，不锈钢阴极电解抛光75%酒精＋25％硫酸－Ni合金喷射10％硝酸＋90％水Ni基高温合金电解抛光10％高氯酸＋90％丙酮铂阳极电解抛光20％高氯酸＋80％酒精22V，Nb，Nb合金化学喷射60％硝酸＋40％氢氟酸材料现代研究方法10.3.3电解减薄技术续上表材料方法条件Si化学薄化氢氟酸：硝酸：醋酸＝1：3：2Ti化学抛光30％氢氟酸（浓度48％）＋70％硝酸Ti合金电解抛光30mL高氯酸（30％浓度）＋175mL丁醇＋300mL甲醇11～20V－不锈钢阴极Ti-Al合金电解抛光甲醇：丁醇：高氯酸＝60：35：5－Ti-Ni合金电解抛光6％高氯酸＋94％甲醇20V，－W及W合金电解抛光氢氧化钠＋100mL水5VU电解抛光133mL醋酸＋铬酐（CrO3）35～40V，V合金电解抛光/L氢氧化钠水溶液5VZn电解抛光50％正磷酸＋50％乙醇Zr电解抛光2％高氯酸＋98％甲醇－材料现代研究方法10.3.3电解减薄技术电解减薄后，要迅速将薄膜试样放入酒精或丙酮等溶液中漂洗干净。漂洗不干净时，试样表面就会形成一层氧化物之类的污染层，给分析带来较大的影响。图10-25国产MTP-1A磁力驱动双喷电解减薄器材料现代研究方法10.3.4超薄切片法切片方法普遍用于生物试样的薄片制备和比较软的无机材料的切割。图10-25超薄切片示意图材料现代研究方法10.3.5离子减薄技术近年来，这种方法已广泛用于半导体、烧结陶瓷材料，以及多层膜的电镜试样的制备。图10-26