第十二节电子显微图像分析.ppt

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1、1,透射电子显微图像分析,物理学院 邢晓东 13662195823 课件保存于： 密码：xingxiaodong,2,透射电子显微图像分析,一、质厚衬度 二、衍衬衬度 三、相位衬度 四、样品制备,3,电子显微图像分析,1. 阿贝成像原理,第一步：平行电子束受到周期结构试样的弹性散射作用，形成各级衍射束，经透镜聚焦，会聚于其后焦面上，形成电子衍射花样； 揭示样品的晶体结构和取向； 第二步：各级衍射束（透射斑和各个衍射斑的球面波）通过干涉重新在像平面上会聚，形成反映试样特征的像。 在透射电镜中，物镜是将来自试样不同点处同方向、同相位的弹性散射电子会聚于其后焦面上得衍射花样；将来自试样同一点不同方

2、向的弹性散射电子会聚于其像平面上得形貌像。 图像的衬度： 显微图像中的不同区域的明暗差别（电子数量不同）；,4,电子显微图像分析,2. 衬度定义,衬度（Contrast）： 定量地定义为两个相邻区域在电子强度的相对差别。,对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。 当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的散射作用，使得投射到荧光屏上的电子强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子像称为衬度像。 透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构、所采用的成像操作方式和成像条件有关； 人眼分辨的强度差别最小为510%；,5,电子显微图像分析,3. 透射电镜成像模式,图像衬度：是在物镜的背焦

3、面上通过物镜光阑选择衍射斑成像的结果。 明场像：以物镜光阑套住透射斑，而挡住所有衍射斑成像； 暗场像：以物镜光阑套住一个衍射斑，而挡住透射斑和其他衍射斑成像； 高分辨电子显微：让透射束和多个衍射束共同到达像平面干涉成像；,6,电子显微图像分析,4. 衬度的分类,透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射，当电子波穿过样品时，其振幅和相位都将发生变化，对应产生两种衬度： （1）振幅衬度： 明、暗场操作方式下，光阑挡掉部分电子波不能在像平面参与成像，从而导致像平面上出现电子波振幅差异。 这种振幅差异产生的衬度称为振幅衬度； 振幅衬度包括：质厚衬度（非晶样品）、衍衬衬度（晶体样品） （2）相位衬度

4、： 在高分辨电子显微方法时，图像的衬度是由衍射波、透射束的相位差引起的，称之相位衬度。,7,质厚衬度： 来源于入射电子与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射，质厚衬度是由于样品（非晶）不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的； 由于试样很薄，吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜的孔径角时（TEM的 很小）,它不能参与成像而相应地变暗。 散射电子越多，其像越暗。或者说，散射本领大，透射电子少的部分所形成的像要暗些，反之则亮些。 来源于电子非相干的弹性散射。建立在非晶体样品中原子对入射电子的非相干弹性散射和透射电镜小孔径角成像基础上的成像原理，是

5、解释非晶体样品电子显微图像衬度的理论依据。,一、质厚衬度,8,1.1 单个原子对入射电子的散射,当入射电子穿透非晶体薄膜样品时，将与样品发生相互作用，即与原子核相互作用，或与核外电子相互作用。 弹性散射：由于电子的质量比原子核小得多，所以原子核对入射电子的散射作用，一般只引起电子改变运动方向，而没有能量变化（或变化甚微）,这种散射叫做弹性散射。散射电子运动方向与原来入射方向之间的夹角叫做散射角，用来表示。 非弹性散射：当一个电子与一个孤立原子的核外电子发生散射作用时，由于两者质量相等，散射过程不仅使入射电子改变运动方向，还发生能量变化，这种散射叫做非弹性散射。,一、质厚衬度,9,1.1 单个原

6、子对入射电子的散射,散射角的大小取决于瞄准距离rn或re，原子核电荷Ze或电子电荷e和入射加速电压U。它们的关系分别如下：,图 电子受原子的散射 （a）被原子核弹性散射； （b）被核外电子非弹性散射,弹性散射： 非弹性散射：,一、质厚衬度,10,1.1 单个原子对入射电子的散射,一个原子序数为Z的原子有Z个核外电子。因此，一个孤立原子把电子散射到以外的散射截面，用0来表示，等于原子核弹性散射截面n和所有核外电子非单性散射截面Ze之和，即0 =n+Ze 。 原子序数越大，产生弹性散射的比例（n/Ze=Z ）就越大。 弹性散射是透射电子显微成像的基础； 非弹性散射引起的色差将使背景强度增高，图像衬

7、度降低。,一、质厚衬度,11,1.2 质厚衬度原理,电子显微镜图像的衬度取决于投射到荧光屏或照相底片上不同区域的电子强度差别。 对于非晶体样品来说，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多（样品越厚或原子密度越大），样品原子核库仑电场越强，被散射到物镜光阑外的电子就越多，而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低，因此，样品中相邻区域不同的厚度或密度就会导致成像电子强度的差异，这就产生了衬度。,一、质厚衬度,12,1.2 质厚衬度原理,非晶体样品的厚度、密度与成像电子强度的关系： 如果忽略原子之间的相互作用，则单位体积包含N个原子的样品的总散射截面为 式中： N 单位体积样品包含的原子数， (为密度

8、；A为原子量；NA为阿伏伽德罗常量)；0为原子散射截面。所以 那么在单位面积内，厚度为dt的样品体积内散射截面为,一、质厚衬度,13,1.2 质厚衬度原理,如果入射到样品单位表面积的电子数为n，当其穿透dt厚度样品后有dn个电子被散射到光阑外，即其减小率为dn/n，因此有 若入射电子总数为n0（t = 0），由于受到t厚度的样品散射作用，最后只有n个电子通过物镜光阑参与成像。将上式积分得到 n = n0e-Qt 由于电子束强度Ine（e为电子电荷大小），因此上式可写为 I = I0e-Qt,一、质厚衬度,14,1.2 质厚衬度原理,当Qt = l 时 tc叫临界厚度，即电子在样品中受到单次散射

9、的平均自由程。 因此，可以认为，t tc的样品对电子束是透明的，相应的成像电子强度为 鉴于,一、质厚衬度,15,1.2 质厚衬度原理,定义t为质量厚度，那么参与成像的电子束强度I随样品质量厚 度t增大而衰减。当Qt =l时 我们把(t )c叫做临界质量厚度。随加速电压的增加，电子束对样品 透明的临界质量厚度(t )c增大。,一、质厚衬度,16,1.2 质厚衬度原理,质厚衬度表达式的推导： 如果以IA表示强度为I0的入射电子通过样品A区域（厚度tA，总散射截面QA）后进入物镜光阑参与成像的电子强度；IB表示强度为I0的入射电子通过样品B区域（厚度tB，总散射截面QB）后，进入物镜光阑参与成像的电

10、子强度，那么投射到荧光屏或照相底片上相应的电子强度差I = IB - IA（假定IB为像背景强度）。习惯上以I / IB来定义图像中A区域的衬度（或反差），因此,一、质厚衬度,17,1.2 质厚衬度原理,因为 所以 这说明不同区域的Qt值差别越大，复型的图像衬度越高。 倘若复型是同种材料制成的，如图(a)所示，则QA = QB = Q，那么上式可简化为,一、质厚衬度,18,1.2 质厚衬度原理,图 质厚衬度原理 （a）区域厚度不同的复型；(b)区域密度不同的复型,一、质厚衬度,19,一、质厚衬度,1.2 质厚衬度原理,一般认为肉眼能辨认的最低衬度不应小于5，由前式可知，复型必须具有的最小厚度差

11、为 如果复型是由两种密度不同，厚度相同材料（A，B）组成的两个区域，如图(b)所示，假定A部分总散射截面为QA，此时复型图像衬度为 （tQA1） 显然，当两个相近区域的密度相差越大时，则衬度越高。,20,一、质厚衬度,1.2 质厚衬度原理,质厚衬度：建立在非晶样品中原子对电子的散射和透射电子显微镜小孔径角成像基础之上的质厚衬度是解释非晶体样品电子显微镜图像衬度的理论依据。 影响因素：物镜光阑孔径和加速电压； 如选择的光阑孔径较大，将有较多的散射电子参与成像，图像在总体上的亮度增加，但却使得散射和非散射区域间的衬度降低； 如选择较低的加速电压，散射角和散射截面将增大，较多的电子被散射到光阑孔以外

12、，衬度提高，但亮度降低。,21,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,衍射衬度： 晶体样品中各部分相对于入射电子的方位不同或它们彼此属于不同结构的晶体，因而满足布拉格条件的程度不同，导致它们产生的衍射强度不同（对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射），利用透射束或某一衍射束成像，由此产生的衬度称为衍射衬度。 影响衍射强度的主要因素：晶体取向和结构振幅； 对没有成分差异的单相材料，衍射衬度是由样品各处满足布拉格条件程度的差异造成的。,22,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,现以厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品为例来具体说明衍射衬度的来源。 设想薄膜内有两颗晶粒A和B，它们没有厚度差，同时又足够的薄，

13、以致可不考虑吸收效应，两者的平均原子序数相同，唯一差别在于它们的晶体位向不同。 在强度为I0的入射电子束照射下，假设B晶粒中仅有一个(hkl)晶面组精确满足衍射条件，即B晶粒处于“双光束条件”，故得到一个强度为Ihkl的hkl衍射斑点和一个强度为(I0Ihkl)的000透射斑点。同时，假设在A晶粒中任何晶面均不满足衍射条件，因此A晶粒只有一束透射束，其强度等于入射束强度I0。,23,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,(a) 明场成像 (b) 中心暗场成像 图 明场和中心暗场成像原理图,24,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,由于在透射电子显微镜中，第一幅电子衍射花样出现在物镜的背焦面处，若

14、在这个平面上插入一个尺寸足够小的物镜光阑，把B晶粒的hkl衍射束挡掉，只让透射束通过光阑孔成像，在物镜的像平面上获得样品形貌的第一幅放大像（明场像）。 此时，两颗晶粒的像亮度不同，因为IA I0，IB I0Ihkl，这就产生衍射衬度。,25,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,通过中间镜、投影镜进一步放大的最终像，其相对强度分布依然不变。因此，我们在荧光屏上将会看到，B晶粒较暗而A晶粒较亮，这种只让透射束通过物镜光阑成像的方式称为明场像。如果以未发生衍射的A晶粒像亮度IA作为的背景强度，则B晶粒的像衬度为,26,二、衍衬衬度,2.1 衍衬衬度原理,如果我们把图(a)中物镜光阑位置平移一下，使光

15、阑孔套住hkl斑点而把透射束挡掉，这种让单个衍射束成像的方式称为暗场成像。在这种方式下，衍射束倾斜于光轴，故又称离轴暗场。离轴暗场像的质量差，物镜的球差限制了像的分辨能力。 随后就出现了另一种方式产生暗场像，即通过倾斜照明系统使入射电子束倾斜2B，让B晶粒的( )晶面处于布拉格条件，产生强衍射，而物镜光阑仍在光轴位置上，此时只有B晶粒的 衍射束正好沿着光轴通过光阑孔，而透射束被挡掉如图(b)所示，这种方式称为中心暗场成像方式。,27,二、衍衬衬度,2.2 双束条件成像,晶体样品衍射衬度与质厚衬度成像的差异： （1）质厚衬度成像：暗场像可以来自任何散射束。 （2）衍射衬度：为了获得较高的衍射衬度

16、，需要满足双束条件，即除了透射束外，只有一个满足布拉格条件的晶面的衍射束最强，而其他晶面的衍射束强度非常弱。,(a)011晶带轴衍射花样； (b)和(c)Al-3%Li在双束条件下的明场像和暗场像,28,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,入射电子受原子强烈的散射作用，因而在晶体内入射电子所形成的透射波和衍射波之间的相互作用实际上是不容忽视的。 假定：衍射条件处于简单的双光束条件下； 即：晶体的某一(hkl)晶面处于精确的布拉格位向时，入射波只被激发成为透射波和(hkl)晶面的衍射波的情况下，考虑一下这两个波之间的相互作用。,29,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,对于透射波来说：随着电子波在晶体内

17、深度方向上传播，透射波强度不断减弱，则相应的强度转移到衍射波方向，使衍射波的强度不断增大，当电子波在晶体内传播到一定深度时，由于足够的原子或晶胞参与了散射，将使透射波的振幅0下降为零，全部能量转移到衍射方向使衍射波振幅g上升为最大，它们的强度I0=02和Ig=g2也相应地发生转移。,图 电子波在晶体厚度方向的传播,30,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,对于衍射波来说：由于入射波与(hkl)晶面交成严格的布拉格角。那么由入射波激发产生的衍射波也与该晶面交成同样的角度。于是在晶体内逐步增强的衍射波也必将作为新的入射波激发同一晶面的二次衍射，其方向恰好与透射波的传播方向相同。随着电子波在晶体内深度方

18、向上的进一步传播，则第二阶段的能量转移过程将以相反的方式重复，衍射波的强度逐渐下降而透射波的强度相应增大。,图 电子波在晶体厚度方向的传播,31,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,这种尽管满足衍射条件，但由于透射束、衍射束之间发生的动力学互相作用，使得电子波在晶体内传播时发生的衍射波、透射波的强度交替互补变化的现象称之为消光现象。,定义：由于透射束、衍射束相互作用，使得其强度IT和Ig在在晶体深度方向上发生周期性的振荡深度周期叫做消光距离，记作g。理论推导结果表明： 式中：d为晶面间距；n为原子面上单位面积内所含晶胞数；为布拉格角；为入射电子波波长；Fg为结构因子；VC为晶胞的体积 消光距离：与

19、样品的成分、晶体结构、操作反射即电子束加速电压有关；,32,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,表 几种晶体100KV加速电压下的消光距离值g （nm）,33,二、衍衬衬度,2.3 消光距离,消光距离（nm）随加速电压的变化,34,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论,衍射衬度是由样品底表面不同部位的衍射束强度存在差异而造成的，要深入分析衍衬像的衬度特征，需要对衍射束强度进行计算。 动力学衍射：通常情况下，电子衍射束很容易发生再次衍射，这种重复衍射称为动力学衍射。原因在于电子束和晶体中的原子由于库仑力的存在发生强烈的相互作用（相比之下，X射线受原子作用的程度弱得多，只发生一次散射，即运动学散射的可

20、能性较大）。 电子衍射束强度：分析和计算比较复杂；不能用于结构分析； 运动学近似：不考虑电子衍射的动力学效应，进行一定的简化处理。,35,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论,薄晶体电子显微图像的衍射衬度可用运动学理论或动力学理论来解释。 运动学理论： (1)不考虑衍射束和入射束之间的相互作用，也就是说两者间没有能量的交换。当衍射束的强度比入射束小得多时，这个条件是可以满足的。即试样很薄，并且偏离矢量较大。 (2)不考虑电子束通过样品时引起的多次反射和吸收。 动力学理论： (1)考虑衍射束和入射束之间的相互作用。 (2)不考虑电子束通过样品时引起的多次反射和吸收。 基本理论有：双束动力学理论、

21、多束动力学理论,36,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论,运动学理论的基本假设： （1）入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射； （2）入射电子波在样品内传播的过程中，强度的衰减可以忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很小的； 所需的实验条件： （1）采取足够薄的样品，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。 （2）让衍射晶面处于足够偏离布拉格条件的位向，即存在较大的偏离矢量，此时衍射波强度较弱。,37,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论,近似处理方法： （1）仅限于在双光束条件下进行讨论，用于成像的衍射束虽然远离布拉格条件的位向，但其强度与其他晶面的衍射强度相比仍然

22、是最大的，其余晶面的衍射强度均被视为零； （2）柱体近似： 将成像区域看成是一个个成像单元组成，成像单元缩小到和一个晶胞相当的尺度。透射束和衍射束都只能在一个和晶胞尺寸相当的晶柱内通过，相邻晶柱内的衍射波不相干扰。 目的：每个晶柱底部的衍射强度就相当于晶体下表面每一个像点的衍射强度(衬度)。 这种把薄晶体下表面上每点的衬度和晶柱结构对应起来的处理方法称为柱体近似。,38,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,对于厚度为t的完整晶体来说，晶体下表面的衍射振幅等于上表面到下表面各层原子面在衍射方向的衍射波振幅叠加的总和。,图 小主体的衍射强度,39,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动

23、学理论理想晶体的衍射强度,在厚度为t的薄晶体内取一小柱体，振幅0=1的入射电子通过距上表面为z的厚度元dz（其位置矢量为r）后，按菲涅尔（Fresnel）衍射原理可以推得在衍射方向上所产生的散射波振幅（dg）为：,图 小柱体的衍射强度,K与K为透射波与衍射波波矢，g为消光距离。,40,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,厚度元dz的散射波振幅（dg）为：,积分结果为：,因为K-K=g+s，gr=整数，又考虑到s与r近似平行，即sr=sz，故得到运动学理论的基本方程：,将该小柱体内所有厚度元的散射振幅按位向叠加，即得到柱体底部衍射波的合成振幅：,41,二、衍衬衬度,2.4 衍

24、衬运动学理论理想晶体的衍射强度,衍射束强度随偏离参量和样品厚度变化的关系曲线如图所示：,42,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,(一)等厚条纹(衍射强度随样品厚度的变化) 如果晶体保持在确定的位向，则衍射晶面偏离矢量s保持恒定，此时： 每一亮暗周期代表一个消光距离的大小，此时： tg=g=1/s 因为同一条纹上晶体的厚度是相同的，所以这种条纹叫做等厚条纹。,43,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,(一)等厚条纹(衍射强度随样品厚度的变化) 根据衍衬成像原理，明场像的强度为透射束强度，暗场像的强度为衍射束强度。在双束条件下，明、暗场互补。用衍射强度随样

25、品厚度呈周期性变化这一运动学结果，可定性地解释晶体中厚度变化区域出现的等厚条纹。,44,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,(二) 等倾条纹（衍射强度随s变化） 如果把没有缺陷的等厚薄晶体稍加弯曲，此时薄晶体的厚度可视为常数，而晶体内处在不同部位的衍射晶面因弯曲而使得衍射偏离矢量s发生改变。 这种明暗变化是由于晶体弯曲引起的消光条纹，它们同一条纹上晶体偏离矢量的数值是相等的，所以这种条纹被称为等倾条纹。,45,二、衍衬衬度,2.4 衍衬运动学理论理想晶体的衍射强度,(二) 等倾条纹（衍射强度随s变化）,等倾条纹的形成机理,46,二、衍衬衬度,2.5 非理想晶体的衍射衬度,对

26、于非理想晶体，晶体缺陷的存在会使其附近区域的点阵发生畸变，设由于缺陷的存在使厚度元dz处发生位移R（即缺陷矢量），其位置矢量由r变为r：,厚度元dz的散射振幅变为：,47,二、衍衬衬度,2.5 非理想晶体的衍射衬度,由此可见，由于晶体内存在缺陷而引入了一个附加位相因子。该附加因子使得缺陷附近区域的衍射强度在通常情况下不同于无缺陷区域的衍射强度，从而在衍衬图像中显示出相应缺陷的衬度。,积分得到缺陷晶体柱体底部衍射波的合成振幅,48,三、相位衬度,3.1 相位衬度,如果除透射束外还同时让一束或多束衍射束参加成像，就会由于各束的相位相干作用而得到晶格(条纹)像和晶体结构(原子)像，前者是晶体中原子面

27、的投影，而后者是晶体中原子或原子集团电势场的二维投影。 用来成像的衍射束越多，得到的晶体结构细节越丰富。衍射衬度像的分辨率不会优于1.5 nm（弱束暗场像的极限分辨率），而相位衬度像能提供小于1.5 nm的细节。因此，这种图像称为高分辨像。用相位衬度方法成像，不仅能提供样品研究对象的形态(在通常的倍率下相当于明场像)，更重要的是提供了晶体结构信息。,49,三、相位衬度,3.1 相位衬度,图 衍衬成像和高分辨成像的方式 (a)明场成像；(b)中心暗场成像；(c)高分辨成像,50,三、相位衬度,3.1 相位衬度,高分辨透射电子显微图像的成像方式是让透射波和各级散射波共同在像平面上干涉成像，对于薄样

28、品透射波和各级散射波到达像平面时，每个像点的电子波振幅几乎没有变化，只有相位差不同。 当样品足够薄，由样品相邻柱出射的透射振幅的差异不足以区分相邻的量个像点的程度，得到电子像上振幅衬度为零。 相位衬度（高分辨成像模式）：多束干涉成像；利用成像系统的非完整性，偏离理想高斯成像模式，将反映原子尺度结构细节的电子波相位差异转为可观察到的像强度分布。,51,三、相位衬度,3.1 相位衬度,电镜衬度,入射电子与物质试样相互作用后，从下表面射出的物面波函数包含有两个部分，即：,其中A(r)为振幅在空间的分布，(r)是相位在空间的分布。,由于振幅的空间分布A(r)不均引起的衬度为振幅衬度（包括质厚衬度和衍射

29、衬度）；由于相位的空间分布(r)不均匀引起的衬度叫相位衬度。 在任何样品中振幅衬度和相位衬度两种机制都是同时存在的。只不过在样品较厚（100nm）时以振幅衬度为主；而在样品较薄时则以相位衬度为主。对于常用的生物样品（一般100nm），其物面波函数主要由相位来控制。,52,三、相位衬度,3.1 相位衬度,入射电子射入样品后，电子在样品的势场中运动，在势场作用下高速入射电子的动能会因样品中的势场作用而减小，从而波长增加。 图1中A区的电子密度低，B区的电子密度高，不同电子密度具有不同势场强度，于是A、B两区就会产生内势差V，由于内势差的存在，通过A、B两区电子束的波长就会有相应的变化，电子密度高的

30、B区域电子密度低的A区间会存在一个波长差，于是由两区射出的电子波就会出现相位差。,53,三、相位衬度,3.1 相位衬度,电子的散射理论证明，在入射波（未散射波）和散射波之间存在/2的相位移。用i表示到达最后像中的未散射波振幅，用sc表示通过物镜光阑的散射球面波振幅。 （1）如果成像系统不引入附加相位移动，则sc和i之间仅存在/2的相位差。现在我们认为A区没有散射，仅有透射波i射出，而B区则是sc+i。在sci（不同区域仅存在电子密度的微小差异）的情况下合成振幅i+isc近似地与i的绝对值相同。,54,三、相位衬度,3.1 相位衬度,（2）如果我们能把散射波sc的相位再位移/2，合成波变成i-s

31、c，于是合成波振幅：,这称为正相位衬度,（3）如果我们能把散射波sc的相位再位移3/2或-/2，合成波变为i+sc，以致II0，这称为负相位衬度。,在光学显微镜中这种附加相位移动是在物镜后焦面上插入一块Zernihe相位板来实现的。,55,三、相位衬度,3.1 相位衬度,在电镜中物镜的球差和离焦均可以改变sc的相位。在球差和离焦的共同影响下，在sc和i之间引起的附加相位差为：,其中 为球差引起的， 为离焦引起的相位差。,在欠焦情况下,当散射波sc和未散射波i之间的相位差为/2的奇数倍时，两波将相干叠加出现最大衬度。,56,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,高分辨像的成像过程： 电子波与样品相

32、互作用，电子波被样品所调制，在样品下表面形成透射波； 透射波经物镜成像，经多级放大后显示在荧光屏上。,（1）透射波函数q(r)的近似表达式 电子通过晶体势场(r)，由于晶体势场的调制，经过试样会产生一定的相位差；,对于很薄的晶体样品，电子波穿过样品无振幅改变而仅有相位改变（纯相位体），透射波函数为：,在试样极薄情况下，为弱相位体：,57,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（2）物镜的成像过程和衬度传递函数,高分辨像衬度的引入： 实际透镜都存在像差，如球差系数为Cs。 要有意识地使像不在准确的聚焦位置，即有一个合适的离焦量f；,如果物镜是理想透镜，无像差，则从后焦面到像平面的过程是一次傅里叶变

33、换，像是物的准确复现；相位体的像不可能产生任何衬度。,根据傅里叶光学，一个物波函数经透镜成像的过程中，在物镜后焦面形成衍射波，相当于一次傅里叶变换：,58,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（2）物镜的成像过程和衬度传递函数,衬度传递函数S(u,v)：物镜像差、离焦量以及物镜光阑等对像的影响，相当于在物镜后焦面上给衍射波乘上一个因子；,A(u,v)表示物镜光阑的作用，简单处理时，近似为1；,引入衬度传递函数后，后焦面上的衍射波可表示为：,59,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（2）物镜的成像过程和衬度传递函数,像平面上波函数的平方即为像强度：,在一个合适的欠焦值f下，sin (u,v)的

34、值可在相当大的范围内接近于-1：,这时的像强度分布称为最佳欠焦像。像的衬度为：,像的衬度与投影势成比例关系，或者说，像是样品晶体势场的直接投影。,60,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（3）关于Sin 函数和电镜分辨率,Sin函数综合反应了球差系数Cs和欠焦量f对成像质量的影响。取Sin=-1为电镜操作时追求的条件，该条件即为最佳欠焦条件。,61,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（3）关于Sin函数和电镜分辨率,Sin曲线与横坐标相交点间距之间的所有物点的细节，都几乎无畸变地同位相干涉重建近于理想的像，也就是说，它们是可分辨的。这被定义为电镜的分辨率谢尔策（Scherzer）聚焦条件下

35、的分辨率。,谢尔策聚焦值，最佳欠焦值：,高分辨电镜的分辨率：,一般电镜的分辨率：,62,三、相位衬度,3.2 相位衬度原理,（4）离焦条件对衬度的影响,对于弱相位体成像： 在满足谢尔策欠焦条件下，像衬度能直接代表物的投影势，反映相位体中的原子及其排列状态； 在不满足谢尔策欠焦条件下，像衬度就要改变，不再与投影势成正比关系。此时如何解释像衬度代表的是什么，就需要计算机模拟来辅助解决。,对于厚相位体成像： 在投影电荷密度近似的条件下也能直观地解释图像；更准确的解释就需要计算机模拟来辅助解决。,对于非周期性结构的非晶体、生物材料等： 计算机难以进行模拟成像，此时的衬度就只能依赖弱相位体近似和投影电荷

36、密度近似模型来解释图像。,63,三、相位衬度,3.1 相位衬度,相位体：当电子束透过物体时，只有相位的改变而没有振幅的改变。-理想化概念 弱相位体：运动学近似；对试样的要求厚度10nm。 Scherzer欠焦：球差与离焦量引起的电子波传递的附加相位差最早由Scherzer导出。使SinX曲线值为-1的平台展得最宽。在这一段曲线内得衍射波，都不受干扰地经过成像系统而重构近似于理想的像。像中对这些衍射波的细节就是可分辨的，或说是不失真的。 电子波长，球差系数，欠焦量- SinX 像的解释：当物样满足弱相位体近似时，在Scherzer欠焦条件下获得的结构相可以解释为势函数投影，反映样品中原子或原子团

37、的投影位置分布。否则，需依赖计算机模拟。,64,四、样品制备,透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电于束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度就越大，如图所示。 对于透射电子显微镜常用的加速电压100 kV，如果样品是金属，其平均原子序数在Cr的原子序数附近，适宜的样品厚度约200 nm。,图 可穿透厚度t与 加速电压U的关系,65,四、样品制备,显然，要制备200nm厚的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品，而金属样

38、品，遇到的困难就是样品制备问题。 20世纪40年代初期才出现了“复型”技术，即把金相试样表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做“复型”）放到透射电子显微镜中去观察分析，这样才使透射电子显微镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。,4.1 复型技术,66,四、样品制备,4.1 复型技术,制备复型所使用的材料应具备以下条件： （1）材料本身必须是非晶态材料，晶体在电子束照射下，某些晶面将发生布拉格衍射，衍射产生的衬度会干扰复型表面形貌的分析。复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。 （2）复型材料的粒子尺寸必须很小，复型材料的粒子

39、尺寸 越小，分辨率就越高。 （3）复型材料应具备耐电子轰击的性能，即在电子束照射 下，能保持稳定，不发生分解和破坏。 常用的复型材料： 真空蒸发形成的碳膜或者通过塑料溶液蒸发形成的塑料膜,67,四、样品制备,4.1 复型技术,图 四种常见的复型,根据复型所用的材料和制备方法，常见的复型有以下四种： 塑料一级复型、 碳一级复型、 塑料-碳二级复型 抽取复型（萃取复型）,68,四、样品制备,4.1 复型技术一级复型法,塑料一级复型 在已制备好的金相样品或断口样品上滴上几滴体积浓度为1%的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，多余的溶液用滤纸吸掉，待溶剂蒸发后样品表面即留下一层

40、100nm左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表面揭下来就是塑料一级复型样品. 塑料一级复型因其塑料分子较大，分辨率较低；塑料一级复型在电子束照射下易发生分解和破裂。,69,四、样品制备,4.1 复型技术一级复型法,碳一级复型 碳一级复型是直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。 蒸发沉积层的厚度可用放在金相样品旁边的乳白瓷片的颜色变化来估计。 把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于3mm的小方块，然后把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离。碳膜剥离后也必须清洗，然后才能进行观察分析。 碳一级复型的特点是在电子束照射下不易发生分解

41、和破裂，分辨率可比塑料复型高一个数量级，但制备碳一级复型时，样品易遭到破坏。,70,四、样品制备,4.1 复型技术一级复型法,71,四、样品制备,4.1 复型技术二级复型法,二级复型 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。 塑料碳二级复型可以将两种一级复型的优点结合，克服各自的缺点。制备复型时不破坏样品的原始表面；最终复型是带有重金属投影的碳膜，其稳定性和导电导热性都很好，在电子束照射下不易发生分解和破裂；但分辨率和塑料一级复型相当。,72,四、样品制备,4.1 复型技术二级复型法,右图为二级复

42、型制备过程示意图。图(a)为塑料中间复型，图 (b)为在揭下的中间复型上进行碳复型。为了增加衬度可在倾斜15-45的方向上喷镀一层重金属，如Cr、Au等（称为投影）。一般情况下，是在一次复型上先投影重金属再喷镀碳膜，但有时也可喷投次序相反，图(c)表是溶去中间复型后的最终复型。,73,四、样品制备,4.1 复型技术二级复型法,74,四、样品制备,4.1 复型技术萃取复型,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，常采用萃取复型的方法。 这种复型的方法和碳一级复型类似，只是金相样品在腐蚀时应进行深腐蚀，使第二相粒子容易从基体上剥离。 此外，进

43、行喷镀碳膜时，厚度应稍厚，以便把第二相粒子包络起来。,75,四、样品制备,4.1 复型技术萃取复型,图 是奥氏体钢塑性断裂断口的碳抽取复型，断口上的微坑特征依稀可见。经电子衍射鉴定，被抽取的粒子是 (Cr,Fe)7C3型碳化物。,图 奥氏体钢（0.3C，36Ni，1.0Cr） 1473 K，1 h水淬1 173 K，30h水淬，在-77 K拉伸断裂，碳抽取复型，10 000,76,四、样品制备,4.1 复型技术,在应用复型技术研究材料表面形貌和显微组织时，为了得到好的复制效果： 首先要注意制备好金相试样。金相试样表面必须仔细抛光，避免引起表层组织的变化。 其次，要注意各种复型方法对样品表面浮雕

44、的复制能力，碳一级复型分辨率最高，可达2 nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，约10 nm，所以只能复制大于这一尺寸的显微组织细节。塑料-碳二级复型的分辨率主要取决于第一级塑料复型，它的分辨率与塑料一级复型相当。,77,四、样品制备,4.2 粉末样品,随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材料发展很快，而粉末的颗粒尺寸大小、尺寸分布及形态对最终制成材料的性能有显著影响，因此，如何用透射电镜来观察超细粉末的尺寸和形态便成了电子显微分析的一项重要内容。 其关键工作是是粉末样品的制备，样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。,78,四、样品制备,4.2 粉末样品,需透射电镜分析的粉末

45、颗粒一般都小于铜网小孔，应此要先制备对电子束透明（厚度约2030 nm）的支持膜。 常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。 粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否使其均匀分散到支持膜上。,79,四、样品制备,4.2 粉末样品,支持膜制备方法如下： 配制质量分数约为3%火棉胶的醋酸戊酯溶液。 将一个直径大于100 nm的玻璃培养皿底部放一张滤纸，然后注入蒸馏水，再将铜网适距放在培养皿底部的滤纸上，铜网的粗糙面朝上。 用滴管将火棉胶溶液滴一滴溶液进入蒸馏水中，火棉胶溶液瞬时在水面上展开，将浮在水面上的第一次膜除去，再制备第二次干净的膜，用吸管沿培养皿边缘伸入水中

46、，将蒸馏水慢慢吸干，火棉胶薄膜随之下沉，最终吸附在含有铜网的滤纸上。 将附着铜网和火棉胶的滤纸放在真空镀膜台中，喷一层很薄的碳。用针尖划开铜网周围的膜和滤纸，即制成火棉胶-碳复合支持膜。,80,四、样品制备,4.3 薄膜样品,（1）薄膜平面样品的制备 直接制成可用于透射电子显微镜观察的薄膜样品有多种方法，如真空蒸发、磁控溅射、溶液凝固等方法。 图 是Al-4%Cu(质量百分数)薄膜的TEM明场像。它是通过磁控溅射仪把Al-Cu靶上原子溅射到KCl基片上，然后将溅射后的KCl基片放入含有一点丙酮（减小表面张力，不致使Al-Cu膜破碎）的去离子水（或蒸馏水）中，待KCl溶解后，Al-Cu薄膜漂浮在

47、水面上，然后用铜网捞起后待水分蒸发后，即可放入透射电子显微镜中观察。,81,四、样品制备,4.3 薄膜样品,图 Al-4%Cu多晶薄膜的TEM明场像,82,四、样品制备,4.3 薄膜样品,（2）大块材料上制备薄膜样品 第一步是从大块试样上切割厚度为0.30.5mm厚的薄片。,电火花线切割法是目前用得最广泛的方法，见图。 电火花切割可切下厚度小于0.5mm的薄片,切割时损伤层比较浅,可以通过后续的磨制或减薄除去.电火花切割只能用导电样品. 对于陶瓷等不导电样品可用金刚石刃内圆切割机切片.,83,四、样品制备,4.3 薄膜样品,（2）大块材料上制备薄膜样品 第二步骤是样品的预先减薄 机械法：通过手

48、工研磨来完成的，把切割好的薄片一面用黏结剂粘接在样品座表面，然后在水砂纸上进行研磨减薄。如果材料较硬，可减薄至70m左右；若材料较软，则减薄的最终厚度不能小于100m。 化学法：把切割好的金属薄片放入配好的试剂中，使它表面受腐蚀而继续减薄。优点是表面没有机械硬化层，薄化后样品的厚度可以控制在20-50m。但是，化学减薄时必须先把薄片表面充分清洗，去除油污或其他不洁物。,84,四、样品制备,4.3 薄膜样品,（2）大块材料上制备薄膜样品 第三步骤是最终减薄,最终减薄方法有两种即双喷减薄和离子减薄。 用这样的方法制成的薄膜样品，中心空附近有一个相当大的薄区，可以被电子束穿透，直径3mm圆片周边好似一个厚度较大的刚性支架，因为透射电子显微镜样品座的直径也是3mm，因此，用双喷抛光装置制备好的样品可以直接装入电镜，进行分析观察。,效率最高和最简便的方法是双喷减薄抛光法；,85,四、样品制备,4.3 薄膜样品,离子减薄是物理方法减薄，它采用离子束将试样表层材料层层剥去，最终使试样减薄到电子束可以通过的厚度。 图7-7是离子减薄装置示意图。试样放置于高真空样品室中，离子束（通常是高纯氩）从两侧在3-5KV加速电压加速下轰击试样表面，样品表面相对离子束成0-30角的夹角。 离子减薄方法可以适用于矿物、陶瓷、半导