電子顯微分析2-透射電鏡構(gòu)造及樣品制備

1、第二章 透射電子顯微鏡Transmission electron microscope (TEM),透射電鏡的直立積木式結(jié)構(gòu),鏡筒的復(fù)雜程度取決于顯微鏡的綜合性能,目前大多數(shù)TEM為電磁透鏡，只要轉(zhuǎn)動旋鈕，可方便地改變相應(yīng)透鏡的激磁電流，從而改變電鏡狀態(tài),成像基本原理,照明源,,聚焦,,與樣品相互作用，成像,,物鏡放大,再放大,,,記錄,結(jié)構(gòu),一、概述,圖 中為H-800透射電子顯微鏡,二、照明系統(tǒng),透射電子顯微鏡照明系統(tǒng):電子槍、聚

2、光鏡、和相應(yīng)平移對中，傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。,不同電子槍性能比較,Work function,,Richardson’s constant,Operation Temperature,2.聚光鏡 用來會聚電子槍射出的電子束。以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度，孔徑角和束斑大小,a) b) c),高性能透射電子顯微鏡都采用雙聚光鏡照明系統(tǒng)。如圖b)、c)所示。,三、

3、成像系統(tǒng) 透射電子顯微鏡成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡、投影鏡組成。1.物鏡、中間鏡和投影鏡 物鏡是最關(guān)鍵的，決定顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低。通常采用強(qiáng)激磁、短焦距的物鏡，像差小。還借助于物鏡光闌和消像散器來進(jìn)一步降低球差、消除像散、提高分辨本領(lǐng)。中間鏡是一個(gè)弱激磁的長焦距變倍透鏡，可在0~20倍范圍調(diào)節(jié)。 投影鏡 提供盡可能大的放大倍數(shù)。它是強(qiáng)激磁、短焦距透鏡。,2.三級高放大倍數(shù)成像：二十萬倍左右的電子像。3.

4、三級中放大倍數(shù)成像：使物鏡成像于中間鏡之下，中間鏡以物鏡像為“虛像”，將其形成為縮小的實(shí)像于投影鏡之上；投影鏡以中間鏡像為物，成像于熒光屏或照相底片上。獲得幾千至幾萬倍的電子像。4.二級低放大倍數(shù)成像：關(guān)閉物鏡，減弱中間鏡激磁強(qiáng)度，中間鏡起長焦距物鏡作用，100~300倍圖像。,四、圖像觀察和記錄系統(tǒng),TEM圖像觀察和記錄系統(tǒng),,熒光屏,照相裝置,,底片,CCD,五、樣品臺,作用：承載樣品，并使樣品能在物鏡極靴孔內(nèi)平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以

5、選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進(jìn)行觀察分析。,要求：在照相曝光期間，樣品的漂移量應(yīng)小于相應(yīng)情況下顯微鏡像的分辨率,樣品臺：,,頂插式,側(cè)插式（常用）,單傾,,雙傾,加熱,冷卻,拉伸,六 附加儀器系統(tǒng),六 附加儀器系統(tǒng),七、透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)和放大倍數(shù)的測定,是TEM兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)，體現(xiàn)了儀器顯示樣品顯微組織和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力,如果樣品和其它條件符合要求，TEM的分辨本領(lǐng)主要取決于操作者對像散的補(bǔ)償能力,1. 消像散器,像散是透鏡磁場非旋

6、轉(zhuǎn)對稱所引起的，可以通過一個(gè)強(qiáng)度和方位可調(diào)的校正磁場來補(bǔ)償－消像散器,常用的是電磁消像散器,2.費(fèi)涅爾衍射條紋,產(chǎn)生原因：由于透過樣品的入射波和孔洞邊緣的散射波的干涉作用，在樣品上的微孔洞邊緣產(chǎn)生明暗相間的條紋，即，費(fèi)涅爾條紋,通過費(fèi)涅爾條紋消像散,物鏡適焦時(shí)（正焦），獲得清晰的無條紋的孔洞邊緣像,過焦：暗環(huán),欠焦：亮環(huán),,3.分辨本領(lǐng)的確定,點(diǎn)分辨本領(lǐng)：TEM能分辨的粒子間最小間距除以總放大倍數(shù)，即為相應(yīng)TEM的點(diǎn)分辨本領(lǐng),晶格分辨本

7、領(lǐng)的測定：利用已知樣品（事先精確知道樣品晶面間距）的不同晶面間距成像，可獲得的最小晶格條紋像，即為晶格分辨本領(lǐng),4.放大倍數(shù)的測定,用衍射光柵復(fù)型作為標(biāo)樣，在一定的條件（加速電壓，透鏡電流等）下，拍攝標(biāo)樣的放大像，然后從底片上測量光柵條紋像的平均間距，與實(shí)際光柵條紋間距之比即為儀器相應(yīng)條件下的放大倍數(shù),電鏡構(gòu)造的視頻,第三章 透射電鏡樣品制備技術(shù),樣品的要求：1）樣品必須對電子束是透明的，觀察區(qū)厚度一般在100-200nm范圍2

8、）具代表性，能真實(shí)反映所分析材料的實(shí)際特征。,制備方法很多，取決于材料類型和所要獲取的信息，透射電鏡樣品可分為間接樣品和直接樣品，制備方法有：? 復(fù)型樣品——間接樣品? 薄膜樣品（電解雙噴、離子薄化）——直接樣品? 粉末樣品,一、概述,復(fù)型（間接）樣品的制備在透射電鏡發(fā)展的早期，將透射電鏡用于觀察材料組織分析，首先遇到的問題是樣品制備問題。因此，在20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了“復(fù)型技術(shù)”。復(fù)型是指將樣品表面的浮凸復(fù)制于某種薄

9、膜，可間接反映原樣品的表面形貌特征的間接樣品。復(fù)型材料的要求：1) 本身是無定型或非晶態(tài)的；2) 具有足夠的強(qiáng)度、剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能；3) 分子尺寸要盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率。常用材料：非晶碳膜和各種塑料薄膜,三. 復(fù)型圖像襯度的改善-投影,四. 塑料一級復(fù)型,五. 碳一級復(fù)型,六. 塑料-碳二級復(fù)型,七. 抽取復(fù)型,八. 氧化物復(fù)型,常用的復(fù)型方法,二、非晶體樣品質(zhì)厚襯度成像原理 襯度：熒光

10、屏或照相底片上，眼睛能觀察到的光強(qiáng)度或感光度的差別。電子顯微鏡圖像襯度：投影到熒光屏或照相底片上不同區(qū)域電子強(qiáng)度不同。非晶體與晶體中圖像襯度來源不同： 在非晶體樣品中，原子排列不規(guī)則，而晶體樣品中原子是規(guī)則排列的，因此在兩種樣品情況下，透過樣品參與成像的電子強(qiáng)度的計(jì)算不一樣。質(zhì)量厚度襯度建立的基礎(chǔ)： 1. 透射電子顯微鏡小孔徑角成像. 2

11、. 非晶體樣品中原子對入射電子的散射.1.透射電子顯微鏡小孔徑角成像 為確保透射電子顯微鏡的高分辨本領(lǐng)，采用小孔徑角成像，通過在物鏡背焦面上物鏡光闌來實(shí)現(xiàn)。 物鏡光闌將散射角大于?的電子擋掉，只允許散射角小于?的電子參與成像。,2.單個(gè)原子對入射電子的散射 a）原子核對入射電子的散射 （彈性散射－電子的質(zhì)量比原子核小得多）散射角?取決于瞄準(zhǔn)距離rn，原子核電荷Ze和入射電子加速電壓U：

12、 或彈性散射截面（σn＝πrn2）：衡量一個(gè)孤立的原子核把入射電子散射到比?角大的角度去的能力。,b)核外電子對入射電子的散射（非彈性散射） 散射角： 或,非彈性散射截面（ σe＝ πre2 ）：衡量一個(gè)孤立的核外電子把入射電子散射到比?大的角度外的能力。,c)原子對入射電子的散射(

13、原子序數(shù)為Z的原子有Z個(gè)核外電子): 一個(gè)孤立原子把電子散射到?以外的散射截面用σ0來表示,,,原子核電荷比較集中, 原子序數(shù)越高,產(chǎn)生彈性散射的比例越大,3.質(zhì)厚襯度成像原理 推導(dǎo)非晶體樣品的厚度，密度與成像電子強(qiáng)度的關(guān)系： 如果忽略原子之間的相互作用，則每立方厘米包含N個(gè)原子的樣品的總散射截面為：式中 N—單位體積樣品包含的原子數(shù)，N=N0（ρ/A）(ρ—密度；A—原子量；N0—阿弗伽德羅常數(shù)

14、)； σ0—原子散射截面。,那么，在面積1cm2，厚度為dt的樣品體積內(nèi)散射截面為：它表示入射電子穿透dt厚度樣品時(shí)，被散射到物鏡光闌外的幾率。,如果入射到1cm2樣品表面積的電子數(shù)為n，當(dāng)其穿透dt厚度樣品后有dn個(gè)電子被散射到光闌外，即其減小率為dn/n，因此有： 或由于樣品很薄，對電子的吸收作用可以忽略不計(jì)。若入射電子總數(shù)為n0（t=0

15、），由于受到t厚度的樣品散射作用，最后只有n個(gè)電子通過物鏡光闌參與成像。將上式寫成積分形式：積分得：,由于電子束強(qiáng)度I=ne(e為電子電荷)，因此上式可改寫為： 上式說明強(qiáng)度為I0的入射電子穿透總散射截面為Q，厚度為t的樣品后，通過物鏡光闌參與成像的電子束強(qiáng)度I 隨Qt乘積增大而衰減。討論：1. 定義臨界厚度概念 當(dāng)Qt=1時(shí)，我們把Λ叫做臨界厚度，即電子在樣品中受到單次散射的平均自由程。因此可

16、以認(rèn)為，t≤Λ 的樣品對電子束是透明的，相應(yīng)的成像電子強(qiáng)度為： 2. 定義質(zhì)量厚度概念 由于若定義ρt為質(zhì)量厚度，也可以說，對于成分均勻的樣品，參與成像的電子束強(qiáng)度 I 隨樣品質(zhì)量厚度ρt增大而衰減。 3. 定義臨界質(zhì)量厚度概念當(dāng)Qt=1時(shí),所以若QA=QB=Q，上式可簡化為

17、 一般認(rèn)為肉眼能辨認(rèn)的最低襯度應(yīng)不小于5%，則復(fù)型必須具有的最小厚度差：如果復(fù)型是由兩種材料組成的，假定凸起部分總散射截面為QA，此時(shí)復(fù)型圖像襯度為：,電子強(qiáng)度差ΔIA=IB-IA（假定IB為像背景強(qiáng)度）。習(xí)慣上以ΔIA/IB來定義圖像中A區(qū)域的襯度（或反差），因此 因?yàn)?推導(dǎo)質(zhì)厚襯度表達(dá)式,,九.支持膜和粉末(或顆粒)樣品制備,十.

18、復(fù)型電子顯微鏡圖像分析,十一. 復(fù)型技術(shù)在金相分析中的應(yīng)用,十二.金屬斷口分析中復(fù)型技術(shù),1. 支持膜-微柵,2.把要觀察的粉末或顆粒樣品放到溶劑(酒精或丙酮)中,3.用超聲波攪拌器將溶液攪拌為懸浮液,4. 用滴管把懸浮液放一滴到微柵上,5. 靜置干燥后可到電鏡中觀察,樣品的基本要求薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過程中，組織結(jié)構(gòu)不變化；樣品相對于電子束必須有足夠的透明度;膜厚至少應(yīng)包含二至三顆晶粒；薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)

19、度和剛度，在制備、夾持和操作過程中不會引起變形和損壞；在樣品制備過程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。薄膜得到的圖像應(yīng)當(dāng)便于分析；制備方法必須便于控制。樣品薄膜的厚度: 取決于電子的穿透能力和獲取樣品信息的能力穿透能力與電子的能量有關(guān)，即與加速電壓有關(guān)。以Fe膜為例，200kV下，500nm；1000kV，1500nm。樣品太厚，接近實(shí)際大塊樣品的信息，但圖象亮度不夠，膜內(nèi)不同厚度層上的結(jié)構(gòu)信息會重疊，干擾分析。樣品太薄，容

20、易引起樣品內(nèi)固有缺陷釋放，引起失真，同時(shí)容易造成其中的變形與相變不同于大塊樣品.樣品厚度要適當(dāng)，對金屬材料而言，樣品厚度<500nm。?,薄膜樣品的制備方法,一般分三個(gè)步驟：(1)切薄片樣品；(2)預(yù)減薄；(3)終減薄（1）切（?。┍∑瑯悠窂膶?shí)物或大塊試樣上切割厚度一般厚約200-300um的薄片，切割方法一般分兩類 :         

21、;                                    

22、60;           ①電火花線切割法是目前使用最廣泛的方法，工作過程如圖所示，但只適用于導(dǎo)電材料②金剛石鋸片切割機(jī)切片法主要用于非導(dǎo)電材料，如陶瓷（2）預(yù)先減薄切取的樣品薄片進(jìn)行預(yù)先減薄有兩種方法，即機(jī)械法和化學(xué)法。①機(jī)械減薄一般通過手工磨制來完成。先將一面粘在樣品座上，待磨好后，用溶劑將粘接劑溶掉，然

23、后翻轉(zhuǎn)粘接繼續(xù)磨制，直至要求厚度。磨制后的厚度控制：材料較硬，可磨至70um材料較軟，厚度不能小于100um。注意：磨制過程中，要平穩(wěn)，用力不要過大，注意冷卻。②化學(xué)減薄將切好的試篇放入配制好的化學(xué)試劑中，使其表面腐蝕而減薄。常用化學(xué)減薄液的配方見下表。,樣品制備的工藝過程,優(yōu)點(diǎn)：? 表面無機(jī)械硬化層? 速度快? 厚度可控制在20-50um，有利于終減薄常用陶瓷試樣的化學(xué)減薄液,材料,減薄液,適用溫度（℃）,Al2O

24、3,85%正磷酸,500,TiO2,苛性鈉,550,MgO,95%正磷酸+5%硫酸,100,SiO2,50%硝酸+50%氫氟酸,200,金剛石,王水,,3）終減?、匐娊鉁p薄目前使用最廣、效率最高、操作最簡便的方法是雙噴電解拋光法，其裝置示意圖如圖所示。,工藝過程：? 將預(yù)先減薄的樣品沖出或剪成Ф3mm的園片，并在其中心部位打凹坑后，裝入試樣夾持器。? 減薄時(shí)，試樣與陽極相連，噴嘴中的液柱與陰極相連，電解液通過泵進(jìn)行循環(huán)? 電解

25、減薄的控制參數(shù)：電壓V、電流I、溫度T，決定樣品的質(zhì)量? 減薄程度通過光源、光導(dǎo)纖維和光敏電阻構(gòu)成的光路控制? 減薄完畢后應(yīng)迅速打開試樣架，取出試樣，清洗干凈，清洗液可用酒精、丙酮等,大部分金屬與合金可用雙噴電解減薄，但以下情況不宜：? 易于腐蝕的裂紋端試樣? 具有孔隙的粉末冶金試樣? 組織中各相電解性能相差過大的材料，如復(fù)合材料、硬質(zhì)合金等? 易于脆斷、不能清洗的試樣②離子減薄離子減薄就是用離子束在樣品的兩側(cè)以一定的傾

26、角（5-30°）轟擊樣品，使之減薄。其工作原理如圖所示。,適用范圍：? 不導(dǎo)電的陶瓷樣品? 要求質(zhì)量高的金屬樣品? 不宜雙噴電解的金屬與合金樣品工藝過程? 將預(yù)先減薄的樣品打凹坑后，裝入樣品臺進(jìn)行減薄? 工藝參數(shù)控制：? 工作電壓：一般5kV? 工作電流：0.1mA? 束流：50-100uA? 減薄速率：金屬，1um/h；陶瓷，0.4um/h? 試樣轉(zhuǎn)速：30rpm? θ: 20°（開始時(shí)）；

27、7-8°（減薄末期）? 真空度：2×10-5托? 噴碳。陶瓷樣的導(dǎo)電性差，觀察之前需噴一層碳，否則，成像模糊。,習(xí)  題透射電鏡主要由幾大系統(tǒng)構(gòu)成?各系統(tǒng)之間關(guān)系如何? 照明系統(tǒng)的作用是什么?它應(yīng)滿足什么要求? 成像系統(tǒng)的主要構(gòu)成及特點(diǎn)是什么? 樣品臺的結(jié)構(gòu)與功能如何?它應(yīng)滿足哪些要求? 透射電鏡中有哪些主要光闌?在什么位置?其作用如何?如何測定透射電鏡的分辨率與放大倍數(shù)?電鏡的哪些主要參數(shù)

28、控制著分辨率與放大倍數(shù)? 復(fù)型樣品（一級及二級復(fù)型）是采用什么材料和什么工藝制備出來的？ 復(fù)型樣品在透射電鏡下的襯度是如何形成的？ 限制復(fù)型樣品的分辨率的主要因素是什么？ 說明如何用透射電鏡觀察超細(xì)粉末的尺寸和形態(tài)？如何制備樣品？ 舉例說明復(fù)型技術(shù)在材料微觀組織分析中的應(yīng)用,,分別說明成像操作與衍射操作時(shí)各級透鏡(像平面與物平面)之間的相對位置關(guān)系，并畫出光路圖。點(diǎn)分辨率和晶格分辨率有何不同?同一電鏡的這兩種分辨率哪個(gè)高?