电子衍射及显微分析

1.透射电镜的一般知识2.TEM工作原理3.透射电镜的结构4.电子衍射物相分析5.电子显微衬度像6.衍射衬度理论解释第九章电子衍射及显微分析1.透射电镜的一般知识1.1什么是TEM?1.2TEM发展简史1.3为什么要用TEM?1.1什么是TEM?透射电子显微镜是以波长很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。600kx150kx8kx1.2kx应用举例－半导体器件结构IonpolishedcommercialAlalloyAl-CumetallizationlayerthinnedonSisubstrate应用举例－金属组织观察.8µm1µm应用举例－Si纳米晶的原位观察1.2TEM发展简史TEM是量子力学研究的产品黑体辐射：可以把金属看成近似的黑体，给它加热，先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线，能量随温度的升高而增加。问题的焦点是求出能量、温度与波长之间的关系式。瑞利和金斯－紫外灾变，维恩－红外灾变普朗克：辐射的能量不是连续的，像机关枪里不断射出的子弹。这一份一份就取名为“量子”。能量子相加趋近于总能量。能量子又与它的频率有关：能量子＝h×频率。光电效应：又一有力证据爱因斯坦，1921年的诺贝尔奖金。普朗克，1920年的诺贝尔奖金。1.2TEM发展简史德布罗意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢？光的波粒二象性是不是可以推广到电子这类的粒子呢？－－“物质波”的新概念物质波的波长公式λ＝h/P例：质量m=50Kg的人，以v=15m/s的速度运动，试求人的德布罗意波波长。mmvhPh3734108.815501063.6人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。eUmv221mvPmeUP2AmeUhPh2-12193134102.74m1074.2200000106.1101.921063.62电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大200万倍。例：求静止电子经200kV电压加速后的德波波长。解：静止电子经电压U加速后的动能1927年C.J.Davisson&G.P.Germer戴维森与革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。德布罗意波的实验验证--电子衍射实验1KGBD探测器电子束电子枪U镍单晶CsUKG屏P多晶薄膜高压栅极阴极德布罗意波的实验验证--电子衍射实验2同时英国物理学家G.P.Thompson&Reid也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得1929年的诺贝尔物理学奖金，Davisson和Thompson则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。1.2TEM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）。1949年Heidenreich观察了用电解减薄的铝试样；1.2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）1.2各国代表人物美国伯克莱加州大学G.Thomas将TEM第一个用到材料研究上。日本岗山大学H.Hashimoto日本电镜研究的代表人。中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、朱静。国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理所）、沈阳金属所、清华大学。1.3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1.3为什么要用TEM?2）高的图像分辨率。纳米金刚石的高分辨图像不同加速电压下电子束的波长V(kV)(Å)1000.03702000.02513000.019710000.0087sin61.00nr1.3为什么要用TEM?3）获得立体丰富的信息。三极管的沟道边界的高分辨环形探测器（ADF）图像及能量损失谱1.3为什么要用TEM?波长分辨率聚焦优点局限性光学显微镜4000~8000Å2000Å可聚焦简单，直观只能观察表面形态,不能做微区成份分析。射线衍射仪0.1~100Å无法聚焦相分析简单精确无法观察形貌电子显微分析0.0251Å(200kV)TEM：0.9-1.0Å可聚焦组织分析;物相分析（电子衍射);成分分析（能谱，波谱，电子能量损失谱）价格昂贵不直观操作复杂；样品制备复杂。2.成像原理阿贝成像原理平行光束受到有周期性特征物体的散射作用形成各级衍射谱。（同级平行散射波经过透射后都聚焦在后焦面上同一点，形成衍射振幅的极大值……s2’,s1’,s0,s1,s2……）。各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。两种工作模式在电子显微镜中，用电子束代替平行入射光束，用薄膜状的样品代替周期性结构物体，就可重复以上衍射成像过程。在TEM中，改变中间镜的电流。使中间镜的物平面从一次像平面移向物镜的后焦面，可得到衍射谱，反之，让中间镜的物面从后焦面向下移到一次像平面，就可看到像。这就是为什么TEM既能得到衍射谱又能观察像的原因。TEM电子光学部分真空部分电子部分照明、成象、观察和记录机械泵、扩散泵、吸附泵、真空测量、显示仪表高压电源、透镜电源、真空电源、辅助电源、安全系统、总调压变压器核心辅助辅助3.透射电镜的结构3.透射电镜的结构3.1电子光学部分3.2真空部分3.3电源与控制系统3.4电磁透镜的工作原理3.1电子光学部分A照明系统电子枪聚光镜B.成像系统物镜(Objectivelens)中间镜(Intermediatelens)投影镜(Projectorlens)C.观察和记录系统阴极发射电子阳极加速聚光镜会聚作用样品物镜放大中间镜放大投影镜放大荧光屏成像照相记录3.1.1照明系统电子枪聚光镜为成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑。亮度—由电子发射强度决定大小—主要由聚光镜的性能决定。3.1.2成像系统--物镜形成第一幅电子像或衍射谱，它还承担了物到像的转换并加以放大的作用，既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数（100x-200x）。物镜光栏在后焦面附近样品物镜物镜光阑中间镜目镜荧光屏3.1.2成像系统--物镜光栏挡掉大角度散射的非弹性电子，减少色差和球差，提高衬度3.1.2成像系统--物镜光栏选择后焦面上的晶体样品衍射束成像，获得明、暗场像。明、暗场像Brightfield(BF)imageDarkfield(DF)image3.1.2成像系统--中间镜弱激磁长焦距可变倍率透镜。作用是把物镜形成的一次中间像或衍射谱投射到投影镜的物平面上。EM的中间镜控制总放大倍数M=M0MIMp3.1.2成像系统--投影镜短焦距强磁透镜。把经中间镜形成的二次中间像及衍射谱投影到荧光屏上，形成最终放大的电子像及衍射谱。3.1.3观察和记录系统观察:荧光屏，小荧光屏和5-10倍的光学放大镜。记录：底片:典型的颗粒乳剂，由大约10%的卤化银颗粒分散在厚度约为25m的明胶层中TVcamera:可做动态记录。CCD(Charge-CoupledDevice)camera:其最大特点是可以加工信息，缺点是速度慢及价格贵。Imagingplate(IP),若将TEM像摄在专门的negative（IP）上，取下IP，放入专用的照相处理机上。马上印出相片，像的质量比普通胶片好。3.2真空部分需要真空的原因：高速电子与气体分子相互作用导致电子散射，引起炫光和减低像衬度电子枪会发生电离和放电，使电子束不稳定；残余气体会腐蚀灯丝，缩短其寿命，且会严重污染样品。样品室要求真空度为～10－7torrUHVTEM10-9torrFEGTEMGun10-11torr3.3电源与控制系统供电系统主要用于提供两部分电源：一是电子枪加速电子用的小电流高压电源；一是透镜激磁用的大电流低压电源。3.4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。由于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。图7－4磁场强度沿简单螺旋管、包壳透镜和极靴透镜的轴向分布3.4电磁透镜的工作原理运动电子在磁场中受到Lorentz力作用，其表达式为：式中：e---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。BVeF3.4电磁透镜的工作原理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.电子衍射物相分析4.1电子衍射花样的形成4.2电子衍射的基本公式4.3各种结构的衍射花样4.4选区电子衍射4.5衍射花样分析4.1电子衍射花样的形成电子衍射花样实际上是晶体的倒易点阵与衍射球面相截部分在荧光屏上的投影.电子衍射图取决于倒易阵点相对于衍射球面的分布情况。4.2电子衍射的基本公式由于电子束波长很短，衍射球的半径很大，在倒易点阵原点O附近，衍射球面非常接近平面。'''11GOOGOOOORdL/1/1LRd在恒定的实验条件下，是一个常数，称为衍射常数L4.3各种结构的衍射花样1）单晶体的衍射花样。不同入射方向的C－ZrO2衍射斑点(a)[111];(b)[011];(c)[001];(d)[112]4.3各种结构的衍射花样2）多晶材料的电子衍射。NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射(a)晶粒细小的薄膜(b)晶粒较大的薄膜4.3各种结构的衍射花样3）非晶态物质衍射。典型的非晶衍射花样4.4选区电子衍射NiAl多层模的组织形貌（a），大范围衍射花样(b)，单个晶粒的选区衍射(c)4.4选区电子衍射电子束的光路具有可逆回溯的特点。如果在物镜的像平面处加入一个选区光阑，只有A’B’范围内的成像电子能通过选区光阑,并最终在荧光屏上形成衍射花样,这一部分花样实际上是由样品上AB区域提供的，所以在像平面上放置选区光阑的作用等同于在物平面上放置一个光阑。4.5衍射花样分析4.5.1多晶体结构分析4.5.2单晶体结构分析4.5.3复杂电子衍射花样4.5.1多晶体结构分析多晶体的hkl倒易点是以倒易原点为中心，(hkl)晶面间距的倒数为半径的倒易球面.此球面与Ewald反射球面相截于一个圆，所有能产生衍射的斑点都同理扩展成圆，所以多晶的衍射花样是一系列同心的环.环半径正比于相应的晶面间距的倒数:1:1:1:1::::/32121jjddddrrrdLr立方晶系中环的半径立方晶系，晶面间距222222lkhNNalkhad从:1::1:1:1:::::321321jjddddrrrr得