第三章-电子显微分析-TEM2

第三章电子显微分析——透射电子显微分析二、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、电子显微衬度像透射电子显微分析四、透射电子显微分析样品制备应用透射电镜对材料的组织、结构进行深入研究，需具备以下两个前提：制备适合TEM观察的试样，厚度100-200nm，甚至更薄建立阐明各种电子图象的衬度理论。对于材料研究用的TEM试样大致有三种类型：经悬浮分散的超细粉末颗粒。用一定方法减薄的材料薄膜。用复型方法将材料表面或断口形貌复制下来的复型膜1.支持膜法（粉末试样）2.薄膜法（块状样品制备）3.复型法四、透射电子显微分析样品制备1.支持膜法将试样载在支持膜（C膜）上，再用铜网（直径约3mm)承载，装入样品台，放入样品室进行观察。支持膜的作用是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。支持膜材料必须具备的条件：①无结构，对电子束的吸收不大；②颗粒度小，以提高样品分辨率；③有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸甲基乙烯酯等。在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐热性，称为加强膜。1.支持膜法支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情况选用分散方法：①撒布法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩下的就分散在支持膜上。②悬浮法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。1.支持膜法干燥：保护真空。悬浮法•分散（超声波）•适当的浓度•适当的表面活性剂•适当的介质（乙醇）降低表面张力防止团聚转移到铜网上：滴or捞。1.支持膜法（粉末试样）2.薄膜法（块状试样）3.复型法四、透射电子显微分析样品制备2．薄膜法（薄膜样品的制备）块状材料是通过减薄的方法（需要先进行机械或化学方法的预减薄）制备成对电子束透明的薄膜样品。减薄的方法有超薄切片、电解抛光、化学抛光和离子轰击等.适用于生物试样适用于金属材料适用于在化学试剂中能均匀减薄的材料，如半导体、单晶体、氧化物等。无机非金属材料大多数为多相、多组分的的非导电材料，上述方法均不适用。60年代初产生了离子轰击减薄装置后，才使无机非金属材料的薄膜制备成为可能。2.薄膜法块状材料多采用此方法。通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品。2.1薄膜样品制备方法要求：①制备过程中不引起材料组织的变化。②薄，避免薄膜内不同层次图像的重叠，干扰分析③具有一定的强度。④制备过程易于控制，有一定的重复性、可靠性。①切取：切取薄块（厚度0.5mm）②预减薄（磨）：用机械研磨、化学抛光、电解抛光减薄成“薄片”（0.1mm）③终减薄：用电解抛光、离子轰击减薄成“薄膜”（500nm）避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。终减薄时去除损伤层。2.2晶体薄膜法薄膜样品制备步骤（一切二磨三减薄）靠转动干活的东东4离子减薄装置原理示意图1.支持膜法（粉末试样）2.晶体薄膜法（薄晶样品制备）3.复型法四、透射电子显微分析样品制备3复型法（不能直接观测的情形）在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样采用此方法。用对电子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种间接样品制备方法。复型材料和支持膜材料相同。表面显微组织浮雕的复型膜，只能进行形貌观察和研究，不能研究试样的成分分布和内部结构。3.1一级复型①塑料一级复型样品上滴火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜。分辨率低（10－20nm），电子束照射下易分解和破裂。②碳一级复型样品放入真空镀膜装置中，向其表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离。分辨率高（2－5nm），电子束照射下不易分解和破裂样品易遭到破坏。3.2二级复型先一次复型，然后进行二次碳复型，把一次复型溶去，得到第二次复型。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。结合两种一级复型的优点。不破坏样品原始表面；最终复型碳膜，稳定性和导电导热性都很好电子束照射下不易分解和破裂；分辨率和塑料一级复型相当。适于粗糙表面和断口的复型。二级复型的特点二级复型水稻叶子塑料一次复型3.3萃取复型用碳膜把经过深度侵蚀（溶去部分基体）试样表面的第二相粒子黏附下来。既复制表面形貌，又保持第二相分布状态，并可通过电子衍射确定物相。兼顾了复型膜法和薄膜法的优点。根据复型像分析试样表面的形貌、结构，应注意复型方法。同一试块，方法不同，得到复型像和像的强度分布差别很大，根据选用的方法正确解释图像。复型观察断口比SEM清晰，复型金相组织和光学金相组织之间的相似，使复型电镜分析技术至今为人们所采用。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、电子显微衬度像第二章透射电子显微分析入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。五、电子显微衬度像五、电子显微衬度像1.衬度定义2.四种衬度2.1质厚衬度(Mass-thicknesscontrast)2.2衍射衬度(Diffractioncontrast)2.3相位衬度(Phasecontrast)2.4原子序数衬度(Zcontrast)1.衬度（contrast）定义衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差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作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。2221IIIIIC透射电镜的四种衬度：1散射(质量—厚度)衬度试样上各部位散射能力不同所形成的衬度。原子序数越大，厚度越大，密度越大，图像颜色越深。适用于非晶或晶粒小的样品。2衍射衬度薄晶（多晶膜）试样电镜图象的衬度，是由与样品内结晶学性质有关的电子衍射特征所决定的。由于晶粒取向不同，不能同时满足布氏衍射。3相位差衬度入射电子波穿过极薄的试样形成的散射波和直接透射波之间产生相位差，经物镜的会聚作用，在像平面上会发生干涉。4原子序数衬度：衬度正比于Z2。2.四种衬度试样厚度100Å时，振幅衬度为主；试样厚度100Å相位衬度为主。振幅衬度相位衬度质量厚度衬度（质厚衬度）衍射衬度（衍衬）TEM衬度分辨率20Å分辨率20ÅZcontrast振幅衬度和相位衬度同时存在1.1原子对入射电子的散射：当从电子枪发射的一束电子沿一定入射方向进入物质内部后，由于与物质的相互作用，使电子的运动方向发生改变，这一过程称为物质对电子的散射。在散射过程中，如果入射电子只改变运动方向，而不发生能量变化，称为弹性散射。如果被散射的入射电子不但发生运动方向的变化，同时还损失能量，则称为非弹性散射。弹性散射是电子衍射的基础。1散射(质量—厚度)衬度质厚衬度的公式:Z---原子序数A2.A1---试样原子量ρ2.ρ1---样品密度t2,t1---试样厚度N---阿佛加德罗常数衬度与原子序数Z，密度，厚度t有关。用小的光阑（θ小）衬度大；降低加速电压V，能提供高衬度散射衬度象：样品特征通过对电子散射能力的不同形成的明暗差别象。1.2散射衬度象成原理)(1121222222220AtZAtZVeNCt•Z较高、样品较厚区域在屏上显示为较暗区域。•图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化。ThemassandthicknesscontrastofInxGa12xAsQDsonaGaAssurface.1散射(质量—厚度)衬度2衍射衬度3相位差衬度五、电子显微衬度像2.衍射衬度晶体样品衬度的主要来源。存在缺陷，周围晶面发生畸变，这组晶面在样品的不同部位满足布拉格条件程度不同，会产生衬度，得到衍衬像。明场像:物镜光栏将衍射束挡掉，只让透射束通过而得到图象衬度的方法称为明场成像，所得的图象称为明场像。透射电子成像，像清晰。暗场像:用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束，而只让一束强衍射束通过光栏参与成像的方法，称为暗场成像，所得图象为暗场像。散射电子成像，像有畸变、分辨率低。暗场像明场像3相位差衬度入射电子波穿过极薄的试样形成的散射波和直接透射波之间产生相位差，经物镜的会聚作用，在像平面上会发生干涉。HRTEMofBaTiFeOnaturalmagneticmultilayers.ThehighlyperiodicFe-richlayers(yellow)areseparatedbyaBa-richphase(blue).HRTEMImageofaT1PrecipitatePlate(oneunit-cellthick)inanAl-Cu-LiAlloy相位衬度—原子像THEEND习题七（1）1、电子波有何特征？与可见光有何异同？2、电磁透镜的像差是怎样产生的？如何来消除和减少像差？3、透射电子显微镜的主要结构？并简述其作用？作业1、说说TEM对样品的基本要求；对于无机非金属材料等一些非导电材料，制备TEM样品常用的两种方法及其特点分别是什么？2、电子衍射和X射线衍射均可做物相分析，请对比分析二者的异同点。3、解释名词：像衬度、明场像、暗场像。4、在明场像情况下，原子序数较高或样品较厚的区域在荧光屏上显示（）的区域，反之对应于（）的区域。在暗场像情况下，与明场像（）。