透射电子显微学

1透射电子显微学TransmissionElectronMicroscopy贺连龙中国科学院金属研究所2主要参考书目材料结构电子显微分析，刘文西、陈玉如著，天津大学出版社。电子衍射图在材料科学中的应用，郭可信，叶恒强，吴玉昆，科学出版社1983。薄晶体电子显微学，刘安生、李永洪译，科学出版社1992。透射电子显微学，黄孝瑛编著，上海科学技术出版社。材料评价的分析电子显微方法，刘安生译，冶金工业出版社。高空间分辨分析电子显微学，朱静、叶恒强等编著，科学出版社。高分辨电子显微学在固体科学中的应用，郭可信、叶恒强主编，科学出版社。材料评价的高分辨电子显微方法，刘安生译，冶金工业出版社。实验高分辨电子显微学，张存珪、朱宜译，高等教育出版社。电子光学基础，陈文雄、西门纪业编著，北京大学出版社。Progressintransmissionelectronmicroscopy，X.F.ZhangandZ.Zhang,Vol.2,2000(TsinghuaUniv.PressandSpringer,Berlin,London,NewYork,Tokyo)。3第一讲绪论电子显微学介绍电镜的构造与原理电镜样品的制备4第一讲绪论§1什么是电子显微学显微镜的发展对微观世界奥秘的不断探索眼睛：第一台“光学设备”，分辨本领0.1mm光学显微镜：19世纪，分辨本领~0.2mm电子显微镜：1932-33年，德国E.Ruska5电子显微学发展简史第一台电镜1897J.J.Thompson发现电子1925P.DeBroglie提出粒子的波粒二象性1927C.J.Davisson,G.P.Thomson成功地实现了电子衍射，证实了电子束具有波动性1927H.Busch电子束在非均匀磁场中的聚焦1931M.KnollandE.Ruska制造了世界第一台电镜1938M.vonArdenne扫描透射电镜问世1939Siemens第一台商业电镜(Ruska,vonBorries)6~1940W.Glaser,O.Scherzer电子光学发展1943J.Hillier电子能量损失谱1951R.CastaingX-ray能谱~1950S.Hirsch,D.Hovie衍衬成像（*****）1946~1951Boersch,Scherzer电子波传输在电镜中相位的变化问题1956J.Cowley,A.Moodie多层法计算~1970高分辨获得(4Å)Ti2Nb10O271986NobelprizeE.Ruska,G.Binning,H.Rohrer~1980场发射枪和场发射电镜~2000消球差电镜问世（*****）电子显微学发展简史71986年Nobel物理奖获得者8电子显微学发展的五重要里程碑20世纪50年代中，电子衍衬理论学的发展和应用:Cambridge大学Cavendish实验室，以Hirsch、Hovie为代表，直接观察晶体缺陷的结构的实验技术及电子衍衬理论20世纪70年代初，实验高分辨电子显微术发展:美亚利桑那州立大学Cowley提出相位衬度理论,多层法模型;Ijimaj,Uyoda相继拍摄出高分辨结构像,开拓了直接观察原子结构的新途径,为实验观测固体中原子排列信息奠定了基础20世纪70~80年代，高空间分辨分析电子显微学发展：集形态观察、衍射仪、电子探针于一身，分析纳米尺度晶体结构、成份等20世纪80年代末到21世纪初，场发射电镜时代开始:分辨率不断提高，电镜自动控制系统改进，像记录系统革命，导致三维物质波重构；STEM、EELS、Holography的发展和应用，电子结构、能带结构分析20世纪末到21世纪初,消球差电镜问世:9电子显微学应用示例1982年，英国科学家Klug等利用高分辨电子显微技术，研究了生物蛋白质复合体的晶体结构，因而获得了Nobel化学奖；1984年，美国Shechtman、中国郭可信、叶恒强、张泽院士等，利用透射电子显微技术，发现了具有5次、8次、10次，及12次对称性的新的有序结构----准晶体，极大地丰富了材料、化学、晶体学、凝聚态物理研究的内涵，获得1987年度国家自然科学一等奖；1991年，日本的Iijima教授利用高分辨电子显微镜研究电弧放电阴极产物时，发现了直径仅几十纳米的碳纳米管。10电子显微学的含义：样品在高能电子束照射下，电子束与样品中的原子相互作用后形成透射电子、背反射电子，此外，还激活原子内层电子，使样品释放不同信号，这些信号携带了原子内部信息。收集、测定和分析从样品局部区域出来的这些信号，并给出样品内局部信息的学说和技术，以及在材料科学、凝聚态物理、化学和生命科学中的应用，构成电子显微学的全部内容。§1什么是电子显微学11电子显微学的特点与可解决的问题散射能力强：原子对电子的散射能量远大于X－射线的散射能力；即使是微小晶粒（纳米晶体）亦可给出足够强的衍射；动力学衍射和吸收强，只能穿透薄样品。波长短：Ewald球半径大，衍射图有如一个倒易点阵平面；直观，容易发生新衍射现象；d值精度差。束斑可聚焦：会聚束衍射（纳米束衍射），可获得三维衍射信息，有利于分析点群、空间群对称性；局域结构。12电子显微学的特点与可解决的问题成像——正空间信息：选择衍射成像（衍衬像），直接观察分析结构缺陷；直接观察原子团（结构像）；直接观察原子（原子像，Z衬度像)。衍射——倒空间信息：获得晶体结构的周期信息；物相鉴定——合金晶体相的“DNA”识别；从结构像可能推出相位信息。成分分析——微区原子组分X射线能谱分析（EDS）；特征电子能量损失谱（EELS）；元素分布像（ElementMapping）。13电子显微学的特点与可解决的问题电子全息：电子波全部信息（相位和振幅）；微观电场、磁场分布；微观应力场分布。全部分析结果的数字化：数据数字化，便于计算机存储与处理，与信息平台接轨；电子显微学不仅仅是X射线晶体学的强有力补充，特别适合微晶、薄膜等显微结构分析，对于局域微结构分析、尤其是纳米结构分析具有独特的优势。14电子显微学的不足之处由于电子散射能力极强，容易发生二次衍射等，解释困难；由于成像是三维物体的二维平面投影像，有时像的不唯一性，解释必须谨慎；超薄样品（100纳米以下），制样过程复杂、困难，制样有损伤；电子束对样品有辐照损伤，有时会产生非本征结构（假像）。15本课程的目的掌握透射电子显微学的衍射物理基础透射电子显微学的基本分析方法；(电子衍射、衍射衬度为重点)制备透射电镜超薄样品的手段等；透射电镜基本操作方法；使学生具有初步分析和解决实际显微结构问题的能力。16§2电子与物质的交互作用散射弹性散射：与原子核作用，方向改变mrad数量级，没有能量损失或能量损失小于1eV数量级的散射。背散射电子：与原子核作用，发生大角度散射，以致电子返回的散射。非弹性散射：与核外电子作用，造成核外电子激发，从而损失相当能量的散射。17一次效应、多次效应入射电子与固体样品中的原子仅发生一次相互作用，称为一次效应，否则称为二次效应或多次效应。一次信号、二次信号电子衍射、衍衬成像、高分辨观察、原子序数像、EELSX-ray(EDS)、二次电子、吸收电子、俄歇电子、阴极发光§2电子与物质的交互作用18电子与物质相互作用产生的信息试样透射电子衍射电子吸改电子背反射电子二次电子俄歇电子阴极发光韧致辐射X射线俄歇电子谱仪透射电子显微镜电子衍射仪X射线衍射仪电子探针仪扫描电子显微镜入射电子19§3透射电子显微镜的构造和原理电子光学原理简述功能：电子显微镜和光学显微镜是相同的。将细小物体放大到肉眼可以分辨的程度；工作原理：都遵从射线的Abbey成象原理电子显微镜和光学显微镜的比较项目电子显微镜光学显微镜射线源电子束可见光波长0.0589Å(20kV)~0.00687Å(1MV)7500Å(可见光)~2000Å(紫外线)介质真空大气透镜磁透镜玻璃透镜孔径角~0.5º~70º分辨本领点分辨率1-3Å，线分辨率0.5-2Å2000Å(可见光),1000Å(紫外线)放大倍数几十倍~1M数倍~2000倍聚焦方式电磁控制、电子计算机控制机械操作衬度质厚、衍射、相位、Z－衬度吸收、反射衬度20Tecnai场发射TEM透射电子显微镜的基本构造21透射电镜的基本构造基本构造照明系统：电子枪和会聚镜（双聚光镜系统）成像系统：物镜、中间镜(2)、投影镜(2)记录系统：底片照相系统、图像观察增强器、CCD记录系统操作模式成像模式：物镜×25、中间镜×8、投影镜×100，共计20,000倍衍射模式透境类型静电透镜、电磁透镜光栏固定光栏、可变光栏聚光镜光栏、物镜光栏、衍射光栏22电子源聚光镜试样物镜物镜焦平面第一中间像I1中间镜第二中间像I2投影镜显微象衍射谱选区光栏照明系统成像系统观察、记录系统×25×8×100×20,000电子显微镜简略光路图成像模式衍射模式物镜光栏物镜像平面23电子枪作用：提供稳定、单色高能电子束流电子枪组成：电子发生器和加速阳极组成电子枪的种类热发射电子枪发卡式钨丝LaB6灯丝场发射电子枪冷场发射枪Schottky场发射枪照明系统电子枪——电镜的光源24照明系统电子枪的发射原理电子从固体向真空发射主要由两种因素决定：电子获得运动能量，克服表面逸出功进入真空阴极表面由于外电场的存在使表面势垒变窄，电子通过量子隧道效应进入真空。25热发射三极电子枪发射电流密度Richardson公式：钨丝：＝4.5eV，T2600－2800KLaB6的主要优点是逸出功约比钨丝小一半，2.4eVkTOTekThmeJ/23)(4热发射电子枪构造26Wehnelt灯丝阴极a无偏压最大电流b最佳偏压中等电流c高偏压无电流热发射三极电子枪自生偏压原理和饱和工作点27热发射三极电子枪的亮度定义理论亮度1937年，Langmuir给出了电子束的极限亮度如：T＝2800K，Jc=3.5A/cm2,V0=50kV,th2×105A/cm2Sr，且由于空间电荷效应和球差，实际亮度比理论亮度要低。2002020)(44didibbkTeVJcth0abc亮度电流28场发射电子枪冷场发射发射电流密度满足Fowler-Nordheim公式：为逸出功，F是阴极表面外电场强度(V/cm)；a与因及发射材料有关，b取决于针尖形状；通常情况下，针尖半径~0.1mm，外加电场强度高达107V/cm时，JOF106A/cm2，亮度~109A/cm2Sr，能量分散~0.3eV，但总发射电流小（10mA量级）。FbvaJOF2/3exp场发射电子枪构造v29Schottky电子枪W单晶(100)发射，阴极表面存在外加电场，电场强度约105V/cm，降低了表面势垒，有利于提高发射电流密度和亮度Schottky发射电流密度为：F为表面电场强度，0是真空介电常数。kTEkTkthmeJOS023expexp)(4eVFeE1.0403030ComparisonoffourdifferentemissiongunsBeamSourceHair-pinWLaB6SchottkyFEGColdFEGBrightness(Q/cm2sr)105106108109EnergySpread(eV)2.31.50.6-0.80.3-0.5WorkFunction(eV)4.52.42.64.3HeatingTemp.(K)2,8001,8001,600300Vacuum(Pa)10-310-510-710-8Lifetime(hr)20010002000~20000DiameterofCrossover(nm)20,0005,000205Emissio