第三章+电子显微分析-TEM+1

第三章电子显微分析——透射电子显微分析主要内容二、透射电镜的结构及应用三、电子衍射四、透射电子显微分析样品制备五、电子显微衬度像一、电子显微基础纳米尺度的图片概念1、光学显微镜的极限分辨率•所谓分辨本领（分辨率）是指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。•人眼分辨率约为:0.2mm。•光学显微镜：极限分辩率为0.2μm。比人眼分辨率提高了1000倍。•用光镜来观察材料内部显微组织，以弄清材料组织结构、成分与性能间内在联系，已成为工业生产和科研常用的工具，发挥着很大的作用。•随着科技的发展，对显微镜分辨率的要求愈来愈高。•光学显微镜：已无法分辨材料中许多更细微组织，而这些细微的组织对材料的性能有很大的影响。1、光学显微镜的极限分辨率•光镜分辨率为何不能再进一步提高呢？•光的衍射现象是限制光镜的分辨率的主要原因。1.1光的衍射现象：•光的波动性，使得由透镜各部位折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互发生干涉作用而产生衍射现象。圆孔的衍射现象1、光学显微镜的极限分辨率圆孔的衍射花样埃利斑2.2埃利（Airy）斑：•一个理想的点光源，经透镜成像，因衍射效应，在像平面上形成一个有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的衍射花样－埃利(Airy)斑。1、光学显微镜的分辨率极限3.3埃利斑大小：•因光强度84％集中在中央亮斑，常以埃利斑的第一暗环的半径来衡量。由衍射理论推导得，埃利斑半径R0：MnRsin61.00孔径半角放大倍数数值孔径可见，R0与光波长λ成正比，与数值孔径n·sinα成反比。2R01、光学显微镜的极限分辨率MRr00•瑞利（Rayleigh）分辨两Airy斑像的判据：•当两个Airy斑中心间距等于第一暗环半径R0，样品上两物点刚能被分辨，并定义为透镜的分辨率Δr0。II%190R1、光学显微镜的极限分辨率•由此可得，透镜的分辩本领：sin61.00nr瑞利公式21or•玻璃透镜：可用组合办法或设计特殊形状的折射界面等措施来降低几何像差，故用较大孔径角成像，其最大孔径角α=70o～75o；•油介质时：n≈1.5，•则数值孔径：n•sinα=1.25～1.35，代入上式得：MnRsin61.00•比可见光波长更短的有：•1）紫外线——会被物体强烈的吸收；•2）X射线——无法使其会聚；•3）电子波-------德布罗意波2、电子波的波长•1924年11月，法国著名理论物理学家路易斯-维克多·德布罗意（Louls-VictordeBroglie1892-1987）鉴于光的波粒二象性，在他的博士论文《量子理论的研究》中提出著名的物质波理论。•他认为：任何微观运动着的粒子，在一定的条件下也会显示出波动性，即任一匀速运动的微观粒子都有一个波与之对应，且不可能将物体的运动和波的传播分开。•并且，发现了电子波的波长比可见光短十万倍。这使人们想到电子束可作为新光源的可能性。法国著名理论物理学家－德布罗意•路易斯-维克多·德布罗意（Louls-VictordeBroglie1892-1987）：1892年2月15日生于法国一贵族家庭。•1910年，获巴黎大学文学学士学位，后转向理论物理学。1913年，又获理学士学位。1929的德布罗意•1923年9～10月，连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文。•1924年11月，在博士论文中提出著名物质波理论，指出电子波动性，为波动力学奠定基础。•1929年获得诺贝尔物理学奖（第一个以学位论文获奖的学者）。2、电子波的波长•那末，电子束的波长是不是很短？•根据德布罗意公式，电子波长λ与其运动速度v和质量m存在如下关系，即mvhh—普朗克常数6.62×10-34J·s；m—电子的质量9.11×10-28g；v—电子的速度m/s；eVmv221meVv2•此波成为物质波或德布罗意波。•而电子速度v与它所受加速电压V有关或emVhmvh2•电子显微镜所用的电压在几十千伏以上，必须考虑相对论效应。经相对论修正后，电子波长与加速电压之间的关系为：•式中m0为电子的静止质量，c为光速。•加速电压和电子波长的关系为加速电压(kV)电子波长(Å)相对论修正后的电子波长(Å)10.38780.3876100.12260.1220500.05480.05361000.03880.037010000.01230.00873电磁透镜的工作原理•电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静电透镜，用电磁场成像的称为电磁透镜。•静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透镜。静电透镜•根据电磁学原理，电子在静电场中受到的电场力F为•如果电子不是沿电场的方向运动，电场将使运动电子发生折射。•电子在静电场中遵循电子光学折射定律—sin1/sin2=(V2)1/2/(V1)1/2=ne2/ne1•(V)1/2起着电子光学折射率的作用•静电透镜用来使电子枪的阴极发射出的电子会聚成很细的电子束。磁透镜(用磁场使电子波聚焦成像)•运动的电子在磁场中受到的洛伦兹力为q--运动电子电荷；v----电子运动速度矢量；B--磁感应强度矢量；F-----洛仑兹力•F的方向垂直于矢量v和B所决定的平面，力的方向可由右手法则确定。BvqF。电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：①电子运动与磁场同向：电子不受磁场影响②电子运动与磁场垂直：电子在与磁场垂直的平面做均匀圆周运动。③电子运动与磁场交角θ：电子是一螺旋线电子在均匀磁场的运动方式电磁透镜的磁场电磁透镜可以放大和汇聚电子束，是因为它产生的磁场沿透镜长度方向是不均匀的，但却是轴对称的，其等磁位面的几何形状与光学玻璃透镜的界面相似，使得电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的光学性质。4电子透镜的缺陷和分辨距离电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起作用的是球差、象散、色差和衍射效应。αP’象P’’透镜物P光轴图球差1)球差球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆斑，半径为还原到物平面，则Cs为球差系数，最佳值是0.3mm。α为孔径角，透镜分辨本领随其增大而迅速变坏。2)象散磁场不对称时，就出现象散。有的方向电子束的折射比别的方向强，如图所示，在A平面运行的电子束聚焦在PA点，而在B平面运行的电子聚焦在PB点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半径为还原到物平面ΔfA为象散引起的最大焦距差；透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的电磁消象散器来校正。平面BPA透镜平面物P光轴PBΔfA平面A图象散2)象散3)色差色差是由于入射电子波的波长和能量发生一定的变化所造成的。电子透镜的焦距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为Cc是透镜的色差系数，大致等于其焦距，ΔE/E是电子能量的变化率。引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色散。能量为E的电子轨迹象1透镜物P光轴图色差能量为E-ΔE的电子轨迹象2在电磁透镜中，除了衍射效应外，球差对分辨率的影响最为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正过来。而其他像差在设计和制造时，采取适当的措施是可以消除的。PayAttention!电磁透镜分辨率（分辨距离、分辨本领）显微镜的分辨本领基本上决定于球差和衍射。电子透镜中，可通过减小孔径角的方法来减小球差，提高分辨本领，但不能过小。显微镜的分辨极限是：在电镜情况下：可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变差，但过大则球差变大。这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍射两者所限定的值。目前，通用的较精确的理论分辨本领公式和最佳孔径角公式为：将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右。返回5电子透镜的景深和焦深电子透镜分辨本领大，场深（景深）大，焦深长。景深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。景深与电磁透镜分辨本领dmin、孔径半角α之间的关系为Df=2dmin/α若dmin约为5埃，α=7*10-3弧度时，Df大约是1400埃，这就是说，厚度小于1400埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透镜景深大，电子透镜可用于断口观察。焦深DL=DfM2这里的M是总放大倍数。可见，焦深是很大的。例如，M=104，Df=1400埃时，DL=14米。因此，当用倾斜观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时，所拍照的象依然是清晰的。二、透射电镜的结构及应用三、电子衍射四、透射电子显微分析样品制备一、电子显微基础五、电子显微衬度像投射电镜（TEM）的发展简史•1924年deBroglie提出波粒二象性假说•1926Busch指出“具有轴对称性的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”。•1927Davisson&Germer,ThompsonandReid进行了电子衍射实验。•1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电镜（点分辨率50nm,比光学显微镜高4倍)，Ruska为此获得了NobelPrize（1986）。•1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，晶格条纹分辨率由于0.14nm）•1956年，门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电子显微术，获得原子象。近代TEM发展史上三个重要阶段•像衍理论(50－60年代)：英国牛津大学材料系P.B.Hirsch,M.J.Whelan；英国剑桥大学物理系A.Howie（建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度理论）•高分辨像理论（70年代初）：美国阿利桑那州立大学物理系J.M.Cowley，70年代发展了高分辨电子显微像的理论与技术。•高空间分辨分析电子显微学（70年代末，80年代初）采用高分辨分析电子显微镜（HREM，NED，EELS,EDS）对很小范围（～5Å）的区域进行电子显微研究（像，晶体结构，电子结构，化学成分）电子显微学发展的重要阶段1930‘1950-70’1970-90‘1980-2000’2000-电镜诞生衍射衬度相位衬度分析电子显微学亚埃尺度EDSEELSNBEDCBEDREMSTEME.RuskaP.B.HirschM.J.WhelanA.HowieS.IijimaJ.M.Cowley超高真空透射电子显微镜JEM-2000V飯島教授世界首次成功拍摄的CarbonNanoTube照片Nature，354(1991)561982年以色列科学家Schechtman发现准晶体（quasicrystal）。获得2011年诺贝尔化学奖神奇的纳米世界单根碳纳米弹簧靓丽的纳米世界透射电子显微镜（TEM）是一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成分分析，得到全面的信息。什么是TEM?透射电子显微镜是以波长极短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。1为什么要用TEM?•1）可以实现微区物相分析。GaP纳米线的形貌及其衍射花样纳米金刚石的高分辨图像不同加速电压下电子束的波长2）高的图像分辨率sin61.00n