透射電子顯微鏡及其應用.doc

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透射電子顯微鏡及其應用 讀 書 報 告 姓名：孫家寶 學號：DG1022076 電子科學與工程學院 2020年1月8日 目錄 第一章 透射電子顯微鏡 1 1.1 透射電子顯微鏡的結構 1 1.1.1．電子光學部分 1 1.1.2．真空系統(tǒng) 3 1.1.3．供電控制系統(tǒng) 4 1.2 透射電子顯微鏡主要的性能參數(shù) 4 1.2.1 分辨率 4 1.2.2 放大倍數(shù) 4 1.2.3 加速電壓 5 1.3 透射電鏡的成像原理 5 1.3.1 透射電鏡的成像方式 5 1.3.2 襯度理論 6 1.4 透射電鏡的電子衍射花樣 6 1.4.1 電子衍射花樣 6 1.4.2電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點 7 1.4.3電子衍射與X射線衍射相比的不足之處 7 1.4.4選區(qū)電子衍射 7 1.4.5常見的幾種衍射圖譜 8 1.4.6單晶電子衍射花樣的標定 8 第二章 透射電子顯微鏡分析樣品制備 10 2.1 透射電鏡復型技術（間接樣品） 10 2.1.1塑料——碳二級復型 10 2.1.1萃取復型（半直接樣品） 11 2.2 金屬薄膜樣品的制備 11 1.2 電子顯微鏡中的電光學問題 11 1.2.1 電子射線（束）的特性 11 第一章 透射電子顯微鏡 1.1 透射電子顯微鏡的結構 透射電子顯微鏡（TEM）是觀察和分析材料的形貌、組織和結構的有效工具。TEM用聚焦電子束作照明源，使用對電子束透明的薄膜試樣，以透過試樣的透射電子束或衍射電子束所形成的圖像來分析試樣內(nèi)部的顯微組織結構。圖1.1（a）（b）是兩種典型的透射電鏡的實物照片。透射電子顯微鏡的光路原理圖如圖1.2所示。 (a) Philips CM12透射電鏡 (b) JEM-2010透射電鏡 圖1.1 透射電子顯微鏡 圖1.2透射電子顯微鏡的光路原理圖 圖1.3透射電鏡電子光學部分示意圖 透射電鏡一般是由電子光學部分、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。 1.1.1．電子光學部分 整個電子光學部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。圖1.3為透射電子顯微鏡電子光學部分示意圖。 1照明系統(tǒng) 　　照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用：是為成像系統(tǒng)提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內(nèi)傾斜。 ①電子槍。它由陰極、柵極和陽極構成。 在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。 ②聚光鏡。聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。 圖1.4 照明系統(tǒng)示意圖 2樣品室 樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。其位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。 3成像系統(tǒng) 一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。成像系統(tǒng)補充說明： a) 由物鏡、中間鏡(1、2個)和投影鏡(1、2個)組成。 b) 成像系統(tǒng)的兩個基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。 c) 通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。 d) 若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。 圖1.5 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作：（a）將衍射譜投影到熒光屏；（b）將顯微像投影到熒光屏 4圖像觀察與記錄系統(tǒng) 該系統(tǒng)由熒光屏、照相機、數(shù)據(jù)顯示等組成．在分析電鏡中，還有探測器和電子能量分析等附件，見圖1.6。 圖1.6 透射電鏡圖像觀察與記錄系統(tǒng)示意圖 1.1.2．真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀泵及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在10-3 pa以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。 1.1.3．供電控制系統(tǒng) 加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產(chǎn)生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領，所以加速電壓和透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。 透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器。 1.2 透射電子顯微鏡主要的性能參數(shù) 1.2.1 分辨率 分辨率是TEM的最主要性能指標，表征電鏡顯示亞顯微組織、結構細節(jié)的能力。透射電鏡的分辨率分為點分辨率和線分辨率兩種。點分辨率能分辨兩點之間的最短距離，線分辨率能分辨兩條線之間的最短距離，通過拍攝已知晶體的晶格象測定，又稱晶格分辨率。透射電鏡點分辨率和線分辨率照片如圖1.7所示。 圖1.7測量透射電鏡分辨率的照片 （a）點分辨率（硅蒸鍍膜） （b）線分辨率（金） 1.2.2 放大倍數(shù) 透射電鏡的放大倍數(shù)是指電子圖像對于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。目前高性能TEM的放大倍數(shù)范圍為80~100萬倍。不僅考慮最高和最低放大倍數(shù)，還要考慮是否覆蓋低倍到高倍的整個范圍。將儀器的最小可分辨距離放大到人眼可分辨距離所需的放大倍數(shù)稱為有效放大倍數(shù)。一般儀器的最大倍數(shù)稍大于有效放大倍數(shù)。透射電鏡的放大倍數(shù)可用下面的公式來表示： 其中M為放大倍數(shù)，A、B為常數(shù)，I中為中間鏡激磁電流，單位為mA。以下是對透射電鏡放大倍率的幾點說明： a) 人眼分辨本領約0.2mm，光學顯微鏡約0.2μm。 b) 把0.2μm放大到0.2mm的M是1000倍,是有效放大倍數(shù)。 c) 光學顯微鏡分辨率在0.2μm時，有效M是1000倍。 d) 光學顯微鏡的M可以做的更高，但高出部分對提高分辨率沒有貢獻，僅是讓人眼觀察舒服。 1.2.3 加速電壓 加速電壓是指電子槍陽極相對于陰極燈絲的電壓，決定了發(fā)射的電子的波長λ。電壓越高，電子束對樣品的穿透能力越強（厚試樣）、分辨率越高、對試樣的輻射損傷越小。普通TEM的最高V一般為100kV和200kV，通常所說的V是指可達到的最高加速電壓。高分辨透射電子顯微鏡。 1.3 透射電鏡的成像原理 1.3.1 透射電鏡的成像方式 透射電鏡的成像方式主要有兩種，一種明場像，一種暗場像。明場像為直射電子所成的像，圖像清晰。暗場像為散射電子所成的像，圖像有畸變，且分辨率低。中心暗場像為入射電子束對試樣的傾斜照射得到的暗場像，圖像不畸變且分辨率高。成像電子的選擇是通過在物鏡的背焦面上插入物鏡光闌來實現(xiàn)的。圖1.8為雙光束衍射條件下的衍襯成像方法。 1.3.2 襯度理論 襯度的定義為顯微圖像中不同區(qū)域的明暗差別。分為質厚襯度和衍射襯度兩種。 1 質厚襯度 質厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源。樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射，Z越高，產(chǎn)生散射的比例越大；d增加，將發(fā)生更多的散射。不同微區(qū)Z和d的差異，使進入物鏡光闌并聚焦于像平面的散射電子I有差別，形成像的襯度。Z較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為較暗區(qū)域。圖像上的襯度變化反映了樣品相應區(qū)域的原子序數(shù)和厚度的變化。質厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速V的影響。選擇大孔徑（較多散射電子參與成像），圖像亮度增加，散射與非散射區(qū)域間的襯度降低。選擇低電壓（較多電子散射到光闌孔徑外），襯度提高，亮度降低。支持膜法和萃取復型，質厚襯度圖像比較直觀。 2 衍射襯度 衍射襯度是來源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不同和結構振幅的差異。例如電壓一定時，入射束強度是一定的，假為L，衍射束強度為ID。在忽略吸收的情況下，透射束為L-ID。這樣如果只讓透射束通過物鏡光闌成像，那么就會由于樣品中各晶面或強衍射或弱衍射或不衍射，導致透射束相應強度的變化，從而在熒光屏上形成襯度。形成襯度的過程中，起決定作用的是晶體對電子束的衍射。這就是衍射襯度的由來。 1.4 透射電鏡的電子衍射花樣 1.4.1 電子衍射花樣 圖1.9分別為AuCu3有序相的超點陣花樣（a）及指數(shù)化結果（b） 電鏡中的電子衍射,其衍射幾何與X射線完全相同,都遵循布拉格 方程 所規(guī)定的衍射條件和幾何關系。衍射方向可以由厄瓦爾德球(反射球)作圖求出。 1.4.2電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點 電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結構分析結合起來。電子波長短，單晶的電子衍射花樣如晶體的倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影，從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認出一些晶體的結構和有關取向關系，使晶體結構的研究比X射線簡單。物質對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。 1.4.3電子衍射與X射線衍射相比的不足之處 電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強度分析變得復雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結構。此外，散射強度高導致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復雜；在精度方面也遠比X射線低。 1.4.4選區(qū)電子衍射 圖1.10 選區(qū)成像與選區(qū)衍射示意圖 獲取衍射花樣可通過光闌選區(qū)衍射來實現(xiàn)。光闌選區(qū)衍射是是通過物鏡象平面上插入選區(qū)光闌限制參加成象和衍射的區(qū)域來實現(xiàn)的。另外，電鏡的一個特點就是能夠做到選區(qū)衍射和選區(qū)成象的一致性。 圖1.11（a）選區(qū)形貌；（b）選區(qū)衍射斑點 為了盡可能減小選區(qū)誤差，選區(qū)衍射應遵循如下操作步驟： 1插入選區(qū)光闌，套住欲分析的物相，調(diào)整中間鏡電流使選區(qū)光闌邊緣清晰，此時選區(qū)光闌平面與中間鏡物平面重合； 2調(diào)整物鏡電流，使選區(qū)內(nèi)物象清晰，此時樣品的一次象正好落在選區(qū)光闌平面上，即物鏡象平面，中間鏡物面，光闌面三面重合； 3減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面移到物鏡背焦面，熒光屏上可觀察到放大的電子衍射花樣 4用中間鏡旋鈕調(diào)節(jié)中間鏡電流，使中心斑最小最圓，其余斑點明銳，此時中間鏡物面與物鏡背焦面相重合。 5減弱第二聚光鏡電流，使投影到樣品上 的入射束近似平行束，攝照。 1.4.5常見的幾種衍射圖譜 圖1.12（a）單晶電子衍射譜；（b）多晶電子衍射譜 圖1.13 （a）、（b）、（c）復雜電子衍射花樣 1.4.6單晶電子衍射花樣的標定 圖1.14所示為某有色材料基體的單晶電子衍射花樣。標定指數(shù)。花樣指數(shù)標定步驟如下： 圖1.14 單晶電子衍射花樣 1選靠近中心的斑點A、B、C、D, 測得RA = 7mm，RB = 14mm，RC = 13.5mm，RD = 18.5mm，∠AOB≈90，RB /RA = 1.628。 2查比值表，（RA ：RB： RC ：… = ：：：… ），找到與1.628相近的值是，。 3查立方晶系晶面夾角表（該表列出以與為指數(shù)的兩個立方晶系兩個晶面族內(nèi)任意兩組晶面之間所有可能的夾角值），得： 。 4核對夾角，試標指數(shù)，核對比值： 與測得的90相符，選A為｛111｝、B為｛220｝，任取A為（111），嘗試B為（），將其帶入晶面夾角公式得與實測相符，說明試標指數(shù)正確。若不符，應予否定，重新試標指數(shù)。計算RA /RB = /=/=1.6330，與實測相符。 5按矢量運算法則求得其他斑點指數(shù)：得C斑指數(shù)（），D斑指數(shù)（402）。必要時計算∠AOC、∠AOD并與實測值核對。 6求晶帶軸［uvw］：B = g1g2 =［uvw］=［］［］=［220］=［］。 第二章 透射電子顯微鏡分析樣品制備 2.1 透射電鏡復型技術（間接樣品） 對復型材料的主要要求：①復型材料本身必須是“無結構”或非晶態(tài)的；②有足夠的強度和剛度，良好的導電、導熱和耐電子束轟擊性能。③復型材料的分子尺寸應盡量小，以利于提高復型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細節(jié)特征。常用的復型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜。 2.1.1塑料——碳二級復型 圖2.1塑料-碳二級復型制備過程示意圖 塑料一碳二級復型由于其制備過程不損壞金相試樣表面，重復性好，供觀察的第二級復型一碳膜導電導熱性好，在電子束照射下較為穩(wěn)定，因而得到廣泛的應用。具體制備方法及制備流程示意圖如下述： 1在樣品表面滴一滴丙酮，然啟貼上一片與樣品大小相近的AC紙(6％醋酸纖維素丙酮溶液薄膜)。注意不要留下氣泡或皺折．待AC紙干透后小心揭下。反復貼AC紙3-4次以去除腐蝕產(chǎn)物，將最后一片AC紙留下，這片AC紙就是所需要的塑料一級復型； 2將AC紙復型面朝上平整地貼在襯有紙片的膠帶紙上； 3將復型放人真空鍍膜機真空室中，使投影重金屬的蒸發(fā)源與復型成一定角度，角度視表面凸凹而定，通常在15一45度之間。常投影后再沿垂直方向噴鍍一層碳．當無油處白色瓷片變成淺褐色時為宜； 4將醋酸纖維一碳復合膜剪成小于中3mm小片投入丙酮中，待醋酸纖維素溶解后，用鑷子夾住銅網(wǎng)將碳膜撈起．如果碳膜卷曲，可將其撈人蒸餾水中，靠水的表面聲力把卷負的碳膜展開，然后再用銅網(wǎng)撈起； 5將撈起的碳膜放到濾紙上吸水干燥后即可放人電鏡中觀察。 2.1.1萃取復型（半直接樣品） 圖2.2萃取復型示意圖 2.2 金屬薄膜樣品的制備 2.2.1薄膜制備的基本要求 首先薄膜應對電子束"透明"，制得的薄膜應當保持與大塊樣品相同的組織結構。 其次簿膜得到的圖像應當便于分析，所以即使在高壓電子顯微鏡中也不宜采用太厚的樣品，減薄過程做到盡可能的均勻．薄膜應具有適當?shù)膹姸群蛣傂浴? 最后，薄膜制備方法必須便于控制，具備足夠的可靠性和重復性。 2.2.2一般程序 圖2.3雙噴電解拋光裝置原理圖 1線切割——制備厚度約0.20-0.30mm的薄片； 2機械研磨減?。河媒鹣嗌凹堁心ブ?00 mm 左右，不可太薄防止損傷貫穿薄片； 3化學拋光預減薄——從圓片的一側或兩則將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù)100mm 左右；從薄片上切取f3mm的圓片； 4雙噴電解終減薄。（拋光液體：10%高氯酸酒精溶液 ；樣品用丙酮或者無水酒精裝）。 2.3 陶瓷材料試樣的制備 2.3.1顆粒試樣的制備方法 1粉碎研磨，研磨后的粉末放在無水乙醇溶液里，用超聲波振蕩均勻后滴在微柵上，干燥后進行透射電鏡觀察； 圖2.4粉末樣品制備工藝圖 2樹脂包埋，理想的包埋劑應具有：高強度，高溫穩(wěn)定性，與多種溶劑和化學藥品不起反應，如丙酮等，常用的幾種包埋劑：G-1，G-2，610，812E。 2.3.2陶瓷薄膜試樣（離子減?。? 圖2.5透射樣品制備工藝圖 1切割樣品，方法很多，可以用超聲切割，沖壓器沖獲得φ3mm圓片，如果沒有上面這兩種工具，可以用其他任何方法，把樣品切成小塊，無論是長方形還是正方形，只要對角線不超過3mm，長邊2.5mm即可。把切好的樣品在加熱爐上粘到模具上，自然冷卻后就可以平磨了； 2平面磨，簡單的平面磨可以產(chǎn)生大面積的薄區(qū)，但卻使樣品過于脆弱，很容易損壞，以我們的經(jīng)驗，一般Si材料可以平磨到50μm左右，對于脆性材料可適當增加厚度，手工平磨使應采用不斷變換樣品角度，或者沿8字軌跡手法，如圖2.6所示： 圖2.6平磨樣品手法示意圖 用該方法可以避免過早出現(xiàn)樣品邊緣傾斜，用粒度p1500→p2000→1μm金剛石拋光膏拋光，每更換一次砂紙，用水徹底清洗樣品。 1.2 電子顯微鏡中的電光學問題 1.2.1 電子射線（束）的特性 透射電鏡與掃描電鏡的區(qū)別？ 1. 掃描電鏡原理： 掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質的相互作用。當一束高能的人射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動 (聲子)、電子振蕩 (等離子體)。 如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關物質微觀形貌的信息;對x射線的采集，可得到物質化學成分的信息 SEM的工作原理是用一束極細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關，也就是說與樣品的表面結構有關，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉變?yōu)楣庑盘?，再?jīng)光電倍增管和放大器轉變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸?，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。 掃描電鏡組成： 掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。 真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。 真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。 　 成象系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。 2.透射電鏡原理 電子顯微鏡是以電子束為照明源，通過電子流對樣品的透射或反射及電磁透鏡的多級放大后在熒光屏上成像的大型儀器。 透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上。 TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成 3.二者區(qū)別 3.1透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構；掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌 3.2透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上，掃描式電子顯微鏡的電子束不穿過樣品，僅在樣品表面掃描激發(fā)出二次電子。 3.3樣品較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，這樣就有較多的電子通過物鏡光欄，參與成像，掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品。 3.4掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同，但是為了使電子束更細，在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器，在物鏡內(nèi)部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內(nèi)裝有可以移動、轉動和傾斜的樣品臺。