第3章透射电子显微分析-1详解

第三部分电子显微分析第1章电子光学基础第2章电子束与材料的相互作用第3章透射电子显微分析第4章电子衍射第5章扫描电镜与电子探针分析第3章透射电子显微分析3.1透射电子显微镜工作原理及构造3.2样品制备3.3透射电镜基本成像操作及像衬度电子显微分析方法的种类透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)：波谱仪(波长色散谱仪，WDS)与能谱仪(能量色散谱仪，EDS)电子激发俄歇电子能谱(XAES或AES)透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），可以以几种不同的形式出现，如：高分辨电镜（HRTEM）透射扫描电镜（STEM）分析型电镜（AEM）等等。入射电子束（照明束）也有两种主要形式：平行束：透射电镜成像及衍射会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。TEM的形式3.1透射电子显微镜工作原理及构造3.1.1工作原理成像原理与光学显微镜类似。它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg）方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。图13-1透射电子显微镜光路原理图3.1.2构造TEM由电子光学系统照明系统成像系统观察记录系统真空系统电器系统电源控制系统组成。1.电磁透镜20)(NIRVAf电磁透镜是一种焦距(或放大倍数)可调的会聚透镜。减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f1变为f2）。4/14/30sCAr2.照明系统作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。组成：电子枪和聚光镜钨丝热电子源电子源LaB6场发射源要求：为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2°～3°范围内倾斜灯丝和阳极间加高压栅极偏压起会聚电子束的作用使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用电子枪热电子枪示意图发叉式钨灯丝电子枪电子源d0=50μm--钨灯丝电子枪结构原理示意图六硼化镧热发射电子枪六硼化镧电子枪结构示意图原理和发叉式钨灯丝相同。电子源Crossover直径为10μm-20μm。场发射电子枪肖特基热发射电子枪结构原理图由于能量热分散，直径为50-100nm冷场发射电子枪阴极，采用310单晶钨，功函数4.2ev，腐蚀成冷场发射阴极针尖，曲率半径小于100nm热场发射电子源直径20nm冷场发射电子源直径为5nm电子枪对比不同电子枪的比较BeamSourceHair-pinWLaB6SchottkyFEGColdFEGBrightness(Q/cm2sr)105106108109EnergySpread(eV)2.31.50.6-0.80.3-0.5WorkFunction(eV)4.52.72.64.3HeatingTemp.(K)2,8001,8001,600300Vacuum(Pa)10-310-510-710-8Lifetime(hr)200100020002000DiameterofCrossover(nm)20,0005,000205EmissionCurrent(mA)805010010CurrentDensity(A/cm2)3205x1045x103Coherencebadmoderategoodexcellent双聚透镜图13-6双聚光镜照明系统光路图聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统。C1－强激磁透镜－控制束斑大小C1－弱激磁透镜－改变孔径角和获得最佳亮度从聚光镜到物镜3.成像系统由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜。成像系统的两种基本操作图13-7透射电镜成像系统的两种基本操作(a)将衍射谱投影到荧光屏(b)将显微像投影到荧光屏物镜物镜物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨率就越高。为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而且或以提高图像的衬度。此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和距离总是固定不变的，（即物距L1不变）。因此改变物理学镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距（即f和L2）来满足成像条件。中间镜如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子显微镜中的成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电子显微镜中的电子衍射操作。投影镜投影镜的作用是把经中间镜放大(或缩小)的像(或电子衍射花样)进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小(约10-5rad)．因此它的景深和焦长都非常大。目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影锐有两级分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。透射电镜TEM中三种主要光阑（名称、位置和作用）（一）第二聚光镜光阑四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上，使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入，使光阑孔中心位于电子束的轴线上（光阑中心和主焦点重合）。聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。光阑孔的直径为20～400μm作一般分析观察时，聚光镜的光阑孔径可用200～300μm，若作微束分析时，则应采用小孔径光阑。（二）物镜光阑物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放在物镜的后焦面上。常用物镜光阑孔的直径是20～120μm范围。电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角(或衍射角)较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原因。加入物镜光阑使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。利用明暗场显微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。（三）选区光阑选区光阑又称场限光阑或视场光阑。为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是50倍，则一个直径等于50μm的光阑就可以选择样品上直径为1μm的区域。选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑孔的直径位于20～400μm范围之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。4.观察记录系统5.真空系统3.1.3选区电子衍射图4-8在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图选区衍射操作步骤（1）使选区光栏以下的透镜系统聚焦（2）使物镜精确聚焦（3）获得衍射谱透射电镜的功能及发展从1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，70年的时间里它得到了长足的发展。这些发展主要集中在三个方面。一是透射电子显微镜的功能的扩展；另一个是分辨率的不断提高；第三是将计算机和微电子技术应用于控制系统、观察与记录系统等。功能的扩展早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶体结构。具有能将形貌和晶体结构原位观察的两个功能是其它结构分析仪器（如光镜和X射线衍射仪）所不具备的。透射电子显微镜增加附件后，其功能可以从原来的样品内部组织形貌观察（TEM）、原位的电子衍射分析（Diff），发展到还可以进行原位的成分分析（能谱仪EDS、特征能量损失谱EELS）、表面形貌观察（二次电子像SED、背散射电子像BED）和透射扫描像（STEM）。功能的扩展结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透射电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。透射电子显微镜功能的拓宽意味着一台仪器在不更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分（价态）的全面分析。分析型透射电子显微镜利用电子束与固体样品相互作用产生的物理信号开发的多种分析附件，大大拓展了透射电子显微镜的功能。由此产生了透射电子显微镜的一个分支——分析型透射电子显微镜。分析型透射电子显微镜分析型透射电子显微镜超高压电镜3.2样品制备TEM样品可分为间接样品和直接样品。要求：（1）供TEM分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度以控制在约100～200nm为宜。（2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知道影响的方式和程度。3.2.1间接样品(复型)的制备对复型材料的主要要求：①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的；②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的细节特征。常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜。制备复型的材料应具备的条件复型的种类按复型的制备方法，复型主要分为：一级复型二级复型萃取复型（半直接样品）一级复型-塑料在已制备好的金相样品或断口样品上摘上几滴体积浓度为1％的火棉胶醋酸戊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100nm左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表面上揭下来，剪成对角线小于3mm的小方块后，就可以放在直径为3mm的专用铜网上，进行透射电子显微分析。从右上图可以看出，这种复型是负复型，也就是说样品上凸出部分在复型上是凹下击的。塑料一级复型大都只能做金相样品的分析不宜做表面起伏较大的断口分析，因为当断口上的高度差比较大时．无法做出较薄的可被电子束透过的复型膜。此外，塑料一级复型存在分辨率不高和在电子束照射下容易分解等缺点。一级复型-碳制备这种复型的过程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。把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于3mm的小方块，然后把此样品放入配好的分离液内进行电解或化学分离。塑料一级复型与碳一级复型的区别厚度、损坏样品和分辨率。二级复型（塑料－碳二级复型）图13-14塑料-碳二级复型制备过程示意图二级复型（塑料－碳二级复型）特点制备复型时不破坏样品的原始面。最终复型是带有重金属投影的碳膜，这种复合