透射电子显微镜

材料显微结构分析方法清华大学研究生课程VIII.透射电子显微镜一.透射电镜结构原理电子光学系统；自动操作程度控制及数据处理微机系统。真空系统10－4－10－6乇；供电系统，高压稳定度；VIII.透射电子显微镜电子光学系统：1.电子照明系统(电子枪，会聚镜系统）2.试样室3.成像放大系统4.图象记录装置电子光学系统：1.电子照明系统*电子枪：*会聚镜系统：第一会聚镜：md11第二会聚镜：会聚光栏：会聚光栏：(电子枪，会聚镜系统）10-5乇，以空气锁与试样室隔开控制e束照射区域及强度强透镜短焦距，缩小束径,会聚在后焦面，控制e束发散及柱体中的气体向电子枪区域扩散。弱透镜，扩束为2d，ED用，散焦减小孔径角，平行束。加上消像散器，可变50－400μm，降低球差，消除像散2.试样室：试样装入方式:①侧入式，可作较大倾斜,双倾,平衡性稍差.②顶入式:冷、热台，加压、拉伸不能作倾斜，平衡性好.空气锁的保证换样同时电镜柱体的真空度。3.成象放大系统：物镜像平面＝中间镜前焦面物前ffsamp物镜后焦平面＝中间镜前焦面(ED)中间镜像平面＝投影镜前焦面调节透镜的激磁电流PmobMMMM物镜中间镜投影镜0maxmax1,300100ASMMobob，通常等于物镜光栏：衬度光栏：选区光栏：4.图象记录装置：荧光屏照像装置ob极靴进口表面，缩小孔径角用。ob后焦面上,可变。ob像平面上，可变。物镜成像原理衍射花样成像二.显微成像及衍射花样成像原理：衬度光栏衬度光栏选区光栏选区光栏物镜中间镜AAAAAAAA显微成像试样物镜成像原理显微成像衍射花样成像*选区电子衍射：微晶结构及其形貌如图，仅希望观察AA´区BBAAAABBdMd试样物镜衬度光栏选区光栏c:调节I中,使f中,显微形貌观察a:打开衬度光栏b:调节选区光阑尺寸，使之等于Md。观察ED花样至f中前焦=f物后焦缩小衬度光栏至0级衍射AA´三.成像衬度①散射衬度：透过试样不同部位时，散射与透射强度组成比例不同引起的反差。②衍射衬度：透过试样不同部位时，衍射与透射强度组成比例不同引起的反差。TEM衬度像：被光栏挡去散射部分过光栏透射部分束透过试样Be铁红金圈结晶釉的表面形貌复型像复型衬度：1212,12AA，＝tANGA称为质厚衬度)11(2222ZVeZ＝①散射衬度一次复型二次复型试样复型像：加速电压V：电子电量e：原子序数Z一次复型二次复型(互补)(原貌)对薄晶体当薄晶体中各部位(晶粒)符合Bragg条件不同时而产生的反差成为衍衬像。②衍衬像①薄：可透过e②晶体：可衍射各部位，即取向差：小角晶界，晶粒取向，缺陷近旁取向及晶面间距差等。取向差：e束为λ短的德布罗意波，对晶体可衍射，取向即为波与各位的θ差。电子束散射能力强，所以ED强度XRD，几个数量级，所以衬度大。*明场像：IDI0-ID①晶体中(hkl)与入射e束成θ,②衍射束与透射束聚焦在ob后焦面上。利用衬度光栏挡去DDIII0的不产生衍射不满足的产生衍射满足束穿越薄晶BraggBragge像仅让透射束成像－明场像仅让衍射束成像－暗场利用衬度光栏只有少数晶粒符合Bragg――呈暗像；多数晶粒不符合Bragg――呈不同亮度。操作：,仅让I0-ID透射束成像。符合Bragg方程发生衍射ID。ID**暗场像：中心暗场像旁轴暗场像位错、挛晶、电畴、共格相。试样物镜衬度光栏(1)倾斜电子束的方法。(2)移动衬度光栏的方法。使符合Bragg方程发生衍射的晶粒成像。使符合Bragg方程发生衍射的晶粒成像。SrTiO3陶瓷TEM暗场像SrTiO3陶瓷TEM明场像0.9PMN-0.1PT中B位有序区明场像0.9PMN-0.1PT中B位有序区暗场像①等厚条纹:厚度不同引起(孔洞、边缘)ID高，可再次衍射。试样的厚度足以使电子束反复散射***条纹像：试样不同深度处对入射电子束形成入射，衍射线强度交替变化。强度衍射线强度入射线强度这个周期距离称为消光距离d。形成两股相互交叉在入射、衍射方向上的电子束，dAlN陶瓷的TEM显微像d等厚条纹②等倾干涉条纹：弯曲各部晶面与入射电子束θ不同，***条纹像：强度入射电子束试样弯曲(受热或其他，薄片翘曲）衍射情况不同所出现的干涉条纹。符合Bragg条件不同，AlN陶瓷的TEM显微像等倾干涉条纹2hklN0k0kgkhklhklgk//hklg爱瓦尔德作图法0kgkhklg)(hkl2当晶体无限厚四.电子衍射0kkggkghkl∵∴(hkl)*在倒空间是一倒易点衍射峰窄小OO②不十分满足Bragg条件，因为晶体很薄，小于100埃，而Bragg公式是由无限厚晶体导出的。①爱氏球面几乎可近似为一平面，因为e束的德布罗意波长很短，故1/λ极大，尤其是与1.薄晶体衍射原理g倍约1001g14.0~3.01Adg＝1271037.0100AAKV比。＃爱瓦尔德作图法：反射球近乎是平面所以，当晶体很薄时，为满足爱氏作图法原理，显然，倒易点(hkl)*应该是具有一条倒易杆，爱氏球(平)面才能与倒易杆相交发生衍射。hklgkhklshklhklsgkgk0kOhklgkOkhklggkhkls)hkl(0k即存在对的偏离：近似结果：zzyyxxcgsSincNsSinsSinbNsSinsSinaNsSinVF321干涉函数*偏离量值hkls与衍射强度关系，晶胞原点射线反射X射线反射X射线入射X射线入射Xi晶体原点nrrir当晶体为薄晶体时，N3N2、N10yxSS且干涉函数可简化为：zzcgscNsSinVF3因为sz是一个很小的量，所以，zzcgscNsSinVF3那么，衍射强度222)(sin)(~zzCgStSVFI（）（试样厚度）tcN3当S在比2/t区间为小时，强度仍然很高，gkhklgkhklstttt211201/tO杆与球面相截→强度。从符合爱瓦尔德作图法的意义上讲，相当于薄晶体的厚度方向(Z)倒易点阵的结点变成了“倒易杆”，电子衍射原理：l反射球面视为平面反射球面可以与同一倒易面上的一组倒易结点相交，形成一个倒易平面倒易点分布的二维放大图形。l倒易点――倒易杆PMN-PT陶瓷晶粒的ED花样电子衍射花样特征及标定：l单晶：斑点花样反射球面可以与同一倒易面上的一组倒易结点相交，形成一个倒易平面倒易点分布的二维放大图形。电子衍射花样特征：l多晶体：环花样(同心圆)l玻璃：衍射荤环铁镍基合金内的纳米微晶区的显微像(左)及ED花样(右)堇青石玻璃陶瓷粉体的TEM图像堇青石玻璃陶瓷粉体的TEM图像(a)及其ED花样(b)由Bragg公式:1/1/dO'O*OLR2薄(单)晶体电子衍射几何：爱氏球薄晶体d2即有：d/sin2很小很小d/021～d2sin2由图：LR2d2即：dLRL:投中物MMfL电子衍射几何：O'R倒易杆试样至底片有效长度R:斑点至底片中心距离由：O'RdLR那么：LRd由底片测出R，若已知L，可求d。：仪器常数L所以e束入射方向约等于由衍射晶面组成的晶带的晶带轴。换言之，只有那些与e束入射方向为晶带轴所组成的晶带才能参与衍射。晶带定理：0wlvkuh因为当θ很小时，e束与衍射的晶面几乎是平行的由结晶学知识，已知由两个不共方向的倒易矢量即可确定一个倒易点阵，0wlvkuh为两条不共方向、相邻的最短矢量。1g2g那么：123gggO*1g2g3g因此，衍射矢量之间有一定内在联系，满足一定的关系：满足关系：212122213)cos2(ggggg(1)(2))(cos21211gggg若和由：212122213)cos2(ggggg(1)(2))(cos21211gggg),,(3333lkhg就可求***clbkahg312312312,,lllkkkhhh),,(),,(22221111lkhglkhg，当试标出另有(3)O*1g2g3g(4)任意确定某衍射点1的(hkl)；#薄晶(单)体电子衍射花样标定步骤：(1)测量各衍射点与中心点之距离R;(2)求各衍射点的;RLd(3)对照JCPDS卡试标出各点的{hkl}；R1O*R3R2{hkl}(5)用组成最小平行四边形，试标另2、3点的(hkl)；之夹角，与Cos的求值比较、验正标定结果的正确性；(7)按指数沿一定方向整数增大，标出其余各衍射点的(hkl)；21gg与(8)用21ggBWVUB,,1(hkl)R1O*2g3g231g(220)(110)(6)测量求晶带轴电子衍射花样标定：铁镍基合金中铁素体区内AlNi金属间化合物析出物的ED分析SrTiO3陶瓷的HTEM晶格条纹像H-Nb2O5的HTEM晶格像二.以下是一篇科技论文对银纳米线材料的实验分析，右上图是银纳米线的TEM观察，图左上角为其ED分析；右下图是多种形态纳米银的XRD分析。作者由此得到以下一些结论：1.由右上的形貌图和选区衍射图可以证明Ag纳米线是多晶纤维；2.从右上图可以看到少量的Ag粒子附着在纳米线的表面；3.利用右下图的XRD实验的分析和计算、测量(已经扣除了仪器宽度)得到Ag纳米线的直径为37nm。你认为上述的分析和结论是否正确，为什么？课堂讨论思考及习题：习题：第33题第35题第37题