第七章电子显微图像.

第七章电子显微图像第七章电子显微图像电子显微图像是物镜背焦面上各衍射斑点的球面波在物镜像平面上干涉所成图像，具有黑白衬度，且与样品的微观组织相对应。衬度？怎样获得？显微衬度像与微观组织之间如何对应？如何解释电子显微图像？电子显微图像像衬度——图像上不同区域间明暗程度的差别。TEM像衬度与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。像衬度是在物镜背焦面上通过物镜光阑选择透射斑或衍射斑成像的结果，见图示。TEM像衬度TEM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，即产生像衬度。TEM像衬度从根本上分为振幅衬度和相位衬度。在多数情况下，这两种衬度对同一幅图像的形成都有贡献，只是其中之一占主导地位。振幅衬度又分为质量厚度衬度和衍射衬度。7.1质厚衬度原理质厚衬度——由于样品上不同微区质量（原子序数Z）或厚度差异而形成的衬度，是解释非晶体样品电子显微图像衬度的理论依据。它是建立在非晶体样品原子对入射电子的散射和TEM小孔径角成像基础上的。质厚衬度原理7.1.1原子散射截面电子穿过样品时，与样品中原子的原子核或核外电子相互作用，引起电子的散射。散射有两种：原子核对入射电子的弹性散射以及核外电子对入射电子的非弹性散射。1、弹性散射—原子核对电子的散射，只引起电子方向的改变，能量几乎不变。入射电子被原子核散射时，散射角α的大小与瞄准距离（电子束方向与原子核的距离）rn、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关。如图示。VZerVrZenn或弹性散射弹性散射当入射电子作用在以原子核为中心、rn为半径的圆内时将被散射到大于α的角度以外，故可用πrn2衡量一个孤立原子核把电子散射到大于α以外的能力。由于电子与原子核的作用为弹性散射，故将πrn2称为弹性散射截面。用σn表示，即σn=πrn2。2、非弹性散射—入射电子与核外电子相互作用，除了方向的改变还有能量的变化。入射电子与核外电子相互作用时，散射角α为同样可用πre2(re是入射电子对核外电子的瞄准距离)衡量一个孤立的核外电子把入射电子散射到α角以外的能力。称πre2为核外电子的非弹性散射截面，用σe表示，即σe=πre2。非弹性散射VerVreee或对于一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为σn，非弹性散射截面为所有核外电子非弹性散射截面之和Zσe，该原子把电子散射到α角以外的散射截面σ0，σ0=σn+Zσe。σn/Zσe=Z——原子序数越高，产生弹性散射的比例越大。弹性散射是TEM显微成像的基础，而非弹性散射引起色差将使背景强度升高，图像衬度降低。散射截面7.1.2小孔径角成像为确保TEM的高分辨率，采用小孔径角成像，即在物镜背焦面上插入一小孔径的物镜光阑实现。如图示。散射角大于α的电子被光阑挡住，不能进入成像系统成像，只有散射角小于α的电子进入成像系统参与成像。小孔径角成像7.1.3质厚衬度原理对于非晶体样品，样品上原子序数较高或较厚区域比原子序数较低或较薄区域将使更多电子因散射而偏离光轴。在小孔径角成像条件下，偏离光轴一定角度的电子将被物镜光阑挡住，使落在荧光屏上的电子数目减少（强度较小）。质厚衬度原理被光栏挡住原子序数较高或较厚区域到达荧光屏的电子数目较少，显示为较暗的区域（明场成像条件下），而原子序数较低或较薄区域到达荧光屏的电子数目较多，将显示为较亮区域。图像上明暗程度的变化反映了样品上相应区域的原子序数（质量）或样品厚度的变化。若采用散射电子成显示质量厚度衬度的暗场像，原子序数较低或较薄区域显示较暗区域。定量角度如何解释？质厚衬度原理7.2衍衬衬度衍衬衬度——由于晶体样品中各处衍射束强度差异而形成的衬度。对于没有成分差异的单相材料，衍衬衬度是由样品各处满足布拉格条件程度的差异造成的。定性解释衍射衬度？在强度为I0的入射束照射下，A晶粒的(HKL)面满足布拉格条件，形成强度为IHKL的衍射束，其余晶面均与衍射条件存在很大偏差；而B晶粒所有晶面均偏离各自布拉格条件很大，衍射强度视为零。在明场成像条件下，像平面上与A晶粒对应区域的电子束强度为IA=I0-IHKL，而与B晶对应区域的电子束强度为IB=I0。衍衬衬度明场成像被光栏挡住I0由于荧光屏上像的亮度取决于相应区域的电子束强度，因此，样品上不同区域满足衍射条件的程度不同，图像上相应区域的亮度有所不同，在图像上形成了衍衬衬度。获得衍衬图像的操作有两种：以直射束（透射束）成明场像和以一支衍射束成暗场像。衍射衬度物镜背焦面被光阑挡住的电子衍射衬度在TEM中，为获得高质量暗场像，采用“中心暗场成像”，即将入射束反向倾斜一个相应角度，使散射电子沿光轴传播。如右图示。衍衬衬度在明场像条件下，除直射束外只有一个强（HKL）衍射（双光束条件），此时倾斜入射束沿原（HKL）衍射束方向入射，即中心斑移至原（HKL）衍射斑位置。此时，（HKL）面偏离布拉格条件，但精确满足布拉格条件产生衍射，衍射束沿光轴传播通过光阑孔，即斑位于原中心斑点位置，此时，直射束和其它衍射束将被光阑挡住。（HKL）（HKL）入射束只有晶体试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其亮度是明暗反转的，即在明场下是暗线，在暗场下则为亮线，其条件是，此亮线确实是所采用的操作反射斑引起的。衍射衬度物镜光阑OATDOA晶体物镜DTOA衍射衬度衍衬像不是形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之间相互作用后的反映。为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系起来，从而能够根据衍衬像来分析晶体内部的结构，探测晶体内部的缺陷，必须建立一套理论，这就是衍衬运动学理论和动力学理论。2、衍衬理论衍衬衬度与布拉格衍射有关，衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度的反映。衍衬理论所要处理的问题是通过对入射电子波在晶体样品内受到的散射过程作分析，计算在样品底面射出的透射束和衍射束的强度分布，即计算底表面对应于各物点处的电子波的振幅进而求出它们的强度。衍衬理论作用预示晶体中某一特定结构细节的图像衬度特征把实际观察到的衍衬图像与一定的结构特征联系起来，加以分析、诠释和判断衍衬理论有两种处理方法：衍衬动力学理论：考虑电子波与物质相互作用十分强烈，在晶体内透射波和衍射波之间存在能量交换，即电子波在样品内发生多次散射。衍衬运动学理论：假设晶体内透射波和衍射波之间不存在能量交换，即电子波最多只经过一次散射→定性解释衍衬图像特征。7.2.1衍衬运动学理论衍衬运动学理论——讨论晶体激发产生的衍射波强度的简单方法，物理模型直观，其主要特点是不考虑入射束与衍射束之间的动力学相互作用，是一种近似理论。1、基本假设（两个）入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射；入射电子波在样品内传播的过程中，强度衰减可以忽略，即衍射波强度远小于直射束强度。衍衬运动学理论结合TEM薄晶显微分析实际情况，通过以下两条途径来近似地满足基本假设所要求的实验条件：采用足够薄的样品，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。同时，由于参与散射的原子数不多，衍射束强度较弱。让衍射晶面处于足够偏离布拉格条件的位向，即存在较大偏离参量，此时衍射束强度较弱。衍衬运动学理论一方面，原子对电子的散射振幅较大，散射强度不会很弱，且当选用的衍射束所对应的倒易点足够偏离反射球面时，其附近的某个或某些倒易点又将靠近反射球面。另一方面，样品很薄时，倒易杆拉长，更容易与反射球相交产生强衍射，且样品越薄越难完全代表大块材料的性质。带来两个问题：衍衬运动学理论2、两个近似衍衬运动学理论⑴双光束条件——对于晶体样品，在明场像条件下只有(HKL)面满足衍射条件（衍射强度IHKL），其余晶面均与衍射条件存在较大偏差（衍射强度视为零），此时除直射束外只有一个强衍射束即(HKL)衍射束，构成“双光束条件”。这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。⑵柱体近似——在计算样品下表面衍射强度时，假设将样品分割为贯穿上下表面的一个个小柱体（直径约2nm），且相邻柱体中的电子波互不干涉，即每个柱体下表面的衍射强度只代表该柱体的晶体结构情况。3、理想晶体的衍射强度图示理想晶体内晶柱OA产生的衍射强度。首先计算柱体下表面的衍射波振幅φg，等于上表面到下表面各层原子面在衍射方向K′上的衍射波振幅的叠加的总和：式中：φ—r处的散射波相对于表面散射波的位相差；n—单位面积原子面内含有的晶胞数。柱体柱体igrKiggeFineFincoscos2理想晶体衍射强度引入消光距离，得到ξg—动力学概念，具有长度量纲。表示在精确符合布拉格条件时透射波和衍射波之间能量交换或强度振荡的深度周期，即电子束在样品内传播过程中完成一次能量由入射束向散射束转换所对应的传播距离。与样品成分、晶体结构、操作反射及电子束加速电压有关。不同加速电压（λ），不同晶体（Vc），不同晶面（Fg）,ξg也不同。ggnFdcos柱体iggei理想晶体衍射强度gcgndVggFVnFdccoscos)1(在偏离布拉格条件下，衍射矢量，相位角可表示为则其中g·r=整数（因为g=ha*+kb*+lc*，而r为点阵平移矢量的整数倍，即r=ua+vb+wc），s//r//z，且r=z，有tggggdziszidziszidziszi0)2exp()2exp()2exp(柱体柱体理想晶体衍射强度sgkkKrsrgrsgrK22)(22rsirsirgiieeee222对上式积分后得：衍射强度Ig:理想晶体衍射强度Ig随样品厚度t和衍射晶面与精确布拉格位向之间偏离参量s的变化而变化。stiggessti)sin(2222*)()(sinsstIgggg理想晶体衍射强度4、缺陷晶体衍射强度任何缺陷的存在，都会引起缺陷附近某个区域内点阵发生畸变，使得厚度元dz发生位移R，其位置矢量由r变为r′：r′=r+R。晶体畸变后，位于r′处的体积元dz的散射振幅为因为ghkl·r=整数，s·R很小，可忽略，而s·r=sz，得柱体iggei)(2)()(2RsRgrsrgiRrsgiihklhklhkleeeRgiiszihkleee22缺陷晶体衍射强度缺陷处振幅与理想晶体衍射振幅相比较，缺陷晶体衍射振幅多出一个附加位向因子e-iα（α=2πg·R—附加位向角），使得缺陷附近点阵发生畸变的区域（应变场）内的衍射强度不同于无缺陷的区域（相当与理想晶体），从而在衍射图像中获得相应的衬度。柱体柱体得令)()22(2,igghklRgsziggeiRgeihkl缺陷晶体衍射强度缺陷晶体衍射强度e-iα是研究缺陷衬度的一个非常重要参数，它的数值和符号取决于缺陷的种类和性质，取决于反射面倒易矢量g和R的相对取向。对于某给定缺陷，R(x,y,z)是确定的，g是获得衍射衬度的某一衍射晶面的倒易矢量，即操作反射。通过倾转样品，选用不同的g进行成像操作，同一缺陷将显示不同衬度特征。缺陷晶体衍射强度如果g·R≠整数，则e-iα≠1，此时缺陷将显示衬度。若g·R=整数，则e-iα=1，此时缺陷衬度消失，即在图像中缺陷不可见。不同的晶体缺陷引起完整晶体畸变不同，即R存在差异，因而相位差又不同，产生的衍衬图像也不同。g·R=0在衍衬分析中具有重要意义，它表明缺陷虽然存在，但由于操作反射矢量g与点阵位移矢量R垂直，缺陷不能成像。g·R=0称为缺陷“不可见判据”，是衍衬分析中鉴定缺陷性质并测定缺陷的特征参量b的重要依据和出发点。7.2.2衍衬图像的基本特征⒈等厚条纹和等倾条纹⑴等厚条纹由衍射强度表达式知，当偏离参量s恒定时，有即衍射强度随样品