第三章透射电子显微镜课件

第三章第三章:电子显微技术电子显微技术透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）X-射线能谱（射线能谱（EDS）原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）第三章:电子显微技术 透射电子显微镜（TEM）1电子显微镜(electronmicroscope，EM)一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。电子显微最新定义电子显微最新定义为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定微区域晶体结构(crystalstructure，CS)、微细组织(microstructure，MS)、化学成份(chemicalcomposition，CC)、化学键(chemicalbonding，CB)和电子分布情况(electronicstructure，ES)的电子光学装置。电子显微技术电子显微技术 电子显微镜(electron micros2电子显微术电子显微术：用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微术。电子显微技术简介电子显微技术简介设计合成表征新材料成分工艺结构 性能电子显微术：用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为3Y2O3:TbHollowMicrospheresCrystal Growth&Design,Vol.9,No.6,2009 2945Y2O3:Tb Hollow Microspheres 4第三章透射电子显微镜课件5第三章透射电子显微镜课件6 一、透射电子显微镜一、透射电子显微镜绪论绪论透射电镜的结构及应用透射电镜的结构及应用电子衍射电子衍射透射电子显微分析样品制备透射电子显微分析样品制备 一、透射电子显微镜绪论透射电镜的结构及应用电子衍射透射电子7绪论绪论 现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料结构材料及具及具有各种物理化学性能的有各种物理化学性能的功能材料功能材料。而材料的性能往。而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材材料成分料成分工艺工艺微观结构微观结构性能性能之间关系的规律，之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合成建立和发展材料科学的基本理论。改炒菜式为合成设计。设计。绪论 现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作8透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能正是这样一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得别是选区电子衍射技术的应用，使得微区微区形貌形貌与与微区晶体结构微区晶体结构分析结合起来，再配分析结合起来，再配以能谱或波谱进行以能谱或波谱进行微区成份微区成份分析，得到全分析，得到全面的信息。面的信息。透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能够以原子尺度的分辨能力9TEM简介：简介：transmissionelectronmicroscope透射电子显微镜透射电子显微镜（简称（简称透射电镜透射电镜，TEM），可以以），可以以几种不同的形式出现，如：几种不同的形式出现，如：高分辨电镜高分辨电镜（HRTEM）透射扫描电镜透射扫描电镜（STEM）分析型电镜分析型电镜（AEM）等等。）等等。入射电子束（照明束）也有两种主要形式：入射电子束（照明束）也有两种主要形式：平行束：平行束：透射电镜成像及衍射透射电镜成像及衍射会聚束会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。TEM简介：transmission electron mi10 TEM的主要发展方向：(1)高电压：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，增加分辨率等，目前已有数部 2-3 MeV 的TEM在使用中。右图为200 keV TEM之外形图。TEM的主要发展方向：11(2)高分辨率：最佳解像能力为点与点间0.18 nm、线与线间0.14nm。美国于1983年成立国家电子显微镜中心，其中1000 keV之原子分 辨 电 子 显 微 镜 (atomic resolution electron microscope，AREM)其点与点间之分辨率达0.17nm，可直接观察晶体中的原子。(2)高分辨率：最佳解像能力为点与点间0.18 nm、线与线12(3)多功能分析装置：如附加电子能量分析仪(electron analyzer，EA)可鉴定微区域的化学组成。(4)场发射电子光源:具有高亮度及契合性，电子束可小至1 nm。除适用于微区域成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术(holography)。(3)多功能分析装置：如附加电子能量分析仪(electr13透射电镜的发展透射电镜的发展 1897 1897 年，年，J.J.ThomsonJ.J.Thomson发现电子发现电子 1912 1912年，年，von Lauevon Laue发现发现X X光衍射现象光衍射现象 1924 1924年，年，de Brogliede Broglie提出波粒二象性假说提出波粒二象性假说 1926 1926年，年，BuschBusch发现了不均匀的磁场可以聚焦电子束发现了不均匀的磁场可以聚焦电子束 1933 1933年，柏林大学研制出第一台电镜（点分辨率达到年，柏林大学研制出第一台电镜（点分辨率达到50nm50nm）1939 1939年，德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜（点分辨率年，德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜（点分辨率10nm10nm）1950 1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于年，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm0.3nm，晶格条纹分辨率优，晶格条纹分辨率优 于于0.14nm0.14nm）1956 1956年，门特年，门特(Menter)(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电子发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电子 显微术，获得原子象。显微术，获得原子象。透射电镜的发展 1897 年，J.J.Thomson发现14 试样制备技术改进试样制备技术改进 透射电镜分辨率提高透射电镜分辨率提高 双聚光双聚光镜（漫射程度小、漫射程度小、强度高、直径在微米的度高、直径在微米的电子束子束）晶体中缺陷晶体中缺陷电子衍射成像理子衍射成像理论的的发展展 试样在在透射电镜透射电镜中的中的处理如理如倾斜、旋斜、旋转透射电镜的发展透射电镜的发展 试样制备技术改进 透射电镜的发展15感应电导感应电导荧光（阴极发光）荧光（阴极发光）特征特征X射线射线二次电子二次电子背散射电子背散射电子俄歇电子俄歇电子吸收电子吸收电子试样试样透射电子透射电子电子与试样作用产生的信息电子与试样作用产生的信息感应电导荧光（阴极发光）特征X射线二次电子背散射电子俄歇电子16感应电导：感应电导：当在试样上加一个电压时，试样中会产生电流，当在试样上加一个电压时，试样中会产生电流，在电子束的照射下，由于试样局部电导率发生变化，于是在电子束的照射下，由于试样局部电导率发生变化，于是试样中产生的电流有所变化，这就是感应电导（感应电动试样中产生的电流有所变化，这就是感应电导（感应电动势）。势）。荧光（阴极发光）：荧光（阴极发光）：当入射电子与试样作用时，电子被电当入射电子与试样作用时，电子被电离，高能级的电子向低能级跃迁并发出可见光称为荧光离，高能级的电子向低能级跃迁并发出可见光称为荧光（阴极发光）。可以作为光谱分析。（阴极发光）。可以作为光谱分析。特征特征X射线：射线：入射电子与试样作用，被入射电子激发的电入射电子与试样作用，被入射电子激发的电子空位由高能级的电子填充时，其能量以辐射的形式放出，子空位由高能级的电子填充时，其能量以辐射的形式放出，产生特征产生特征X射线。微区成分分析。射线。微区成分分析。二次电子：二次电子：入射电子射到试样以后，使表面物质发生电离，入射电子射到试样以后，使表面物质发生电离，被激发的电子离开试样表面而形成二次电子。二次电子能被激发的电子离开试样表面而形成二次电子。二次电子能量较低，强度与试样表面的几何形状、物理和化学性质有量较低，强度与试样表面的几何形状、物理和化学性质有关。关。感应电导：当在试样上加一个电压时，试样中会产生电流，在电子束17背背散散射射电电子子：入入射射电电子子与与试试样样作作用用，产产生生弹弹性性或或非非弹弹性性散散射射离离开开试试样样表表面面的的电电子子称称为为背背散散射射电电子子。能能量量较较高高，强强度度与表面形貌和组成元素有关。与表面形貌和组成元素有关。俄俄歇歇电电子子(AugerElectron)：在在入入射射电电子子束束的的作作用用下下，试试样样中中原原子子某某一一层层电电子子被被激激发发，其其空空位位由由高高能能级级的的电电子子来来填填充充，使使高高能能级级的的另另一一个个电电子子电电离离，这这种种由由于于从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级而而电电离离逸逸出出试试样样表表面面的的电电子子称称为为俄俄歇歇电电子子。元元素素具具有有特征俄歇谱，轻元素和超轻元素分析。特征俄歇谱，轻元素和超轻元素分析。吸吸收收电电子子：入入射射电电子子和和试试样样作作用用后后，由由于于非非弹弹性性散散射射失失去去了了一一部部分分能能量量而而被被试试样样吸吸收收，称称为为吸吸收收电电子子。吸吸收收电电子子与与入入射射电电子子强强度度之之比比和和试试样样的的原原子子序序数数、入入射射电电子子的的入入射射角角、试样的表面结构有关。试样的表面结构有关。透透射射电电子子：当当试试样样很很薄薄时时，入入射射电电子子与与试试样样作作用用引引起起弹弹性性或非弹性散射透过试样的电子称为透射电子。或非弹性散射透过试样的电子称为透射电子。背散射电子：入射电子与试样作用，产生弹性或非弹性散射离开试样18X射线衍射仪电子探针仪扫描电镜X射线二次电子韧致辐射入射电子背散射电子阴极荧光吸收电子俄歇电子试样透射电子衍射电子俄歇电镜透射电子显微镜电子衍射仪电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器 X射线衍射仪 电子探针仪 19透射电镜的结构及应用透射电镜的结构及应用透射电镜的结构及应用20透射电镜的结构透射电镜的结构 JEM-2010透射透射电镜加速加速电压200KVLaB6灯灯丝点分辨率点分辨率1.94透射电镜的结构JEM-2010透射电镜加速电压200KVL21EM420透射电子显微镜透射电子显微镜加速加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率晶格分辨率2.04点分辨率点分辨率3.4最小最小电子束直径子束直径约2nm倾转角度角度=60度度=30度度EM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV22PhilipsCM12透射电镜透射电镜加速加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KVLaB6或或W灯灯丝晶格分辨率晶格分辨率2.04点分辨率点分辨率3.4最小最小电子束直径子束直径约2nm；倾转角度角度=20度度=25度度Philips CM12透射电镜加速电压20KV、40KV、23CEISS902电镜加速加速电压50KV、80KVW灯灯丝顶插式插式样品台品台能量分辨率能量分辨率1.5ev倾转角度角度=60度度转动4000CEISS902电镜加速电压50KV、80KVW灯丝顶插24吉林大学无机水热和制备国家重点实验室高分辨透射电镜吉林大学无机水热和制备国家重点实验室高分辨透射电镜吉林大学无机水热和制备国家重点实验室高分辨透射电镜251.1.照明系统照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。主要由电子枪和聚光镜组成。2.2.成像系统成像系统主要由样品室，物镜，中间镜和投影镜等装主要由样品室，物镜，中间镜和投影镜等装置组成。置组成。3.图像观察和记录系统图像观察和记录系统主要由荧光屏，照相机，数据显主要由荧光屏，照相机，数据显示等部件组成。示等部件组成。电子光学部分：照明系统，成像系统，图象观察和电子光学部分：照明系统，成像系统，图象观察和记录系统记录系统透射电镜的构造透射电镜的构造透射电镜一般是由透射电镜一般是由电子光学部分电子光学部分、真空系统真空系统和和供电系统供电系统三三大部分组成。大部分组成。1.照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。电子光学部分：照明系26第三章透射电子显微镜课件27透射电镜的构造透射电镜的构造1.1.照明系统照明系统照明系统由照明系统由电子枪电子枪、聚光镜聚光镜和和相应的平移对中及倾斜调节相应的平移对中及倾斜调节装置装置组成。它的作用：是为成像系统提供组成。它的作用：是为成像系统提供一束亮度高、相干一束亮度高、相干性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在2-3度度范范围围内内倾倾斜斜。电子枪：电子枪：发射电子的照明源。发射电子的照明源。0.03-0.1mm V0.03-0.1mm V字形钨丝。字形钨丝。栅栅极极电极（控制极）控制电子束的形状和发射强度。电极（控制极）控制电子束的形状和发射强度。阳极阳极（加速极）使（加速极）使阴极阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。一般电镜加速电压为高速的电子流。一般电镜加速电压为3535300KV.300KV.聚光镜聚光镜:作用是将电子枪所发出的电子束汇聚到试样平面作用是将电子枪所发出的电子束汇聚到试样平面上，并调节试样平面的孔径角、电流密度和照明光斑尺寸上，并调节试样平面的孔径角、电流密度和照明光斑尺寸大小。大小。透射电镜的构造1.照明系统电子枪：发射电子的照明源。0.0328样品室样品室样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其位样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。过试样台承载试样，移动试样。2.2.成像系统成像系统成成像像系系统统一一般般由由物物镜镜、中中间间镜镜和和投投影影镜镜组组成成。物物镜镜的的分分辨辨本本领领决决定定了了电电镜镜的的分分辨辨本本领领，中中间间镜镜和和投投影影镜镜的的作作用用是是将将来来自自物物镜镜的的图图像像进进一一步步放大。放大。样品室样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其位于照明部分和物29透射电镜的构造透射电镜的构造样品室样品室位于照明部分和物镜之间，一般还可以配置加热，位于照明部分和物镜之间，一般还可以配置加热，冷却和形变装置。冷却和形变装置。物镜物镜是最关键部分，透射电镜分辨本领的好坏在很大程度是最关键部分，透射电镜分辨本领的好坏在很大程度上取决于物镜的优劣。物镜的最短焦距可达上取决于物镜的优劣。物镜的最短焦距可达1mm，放大倍，放大倍率率300倍，最佳理论分辨率可达倍，最佳理论分辨率可达0.1nm，实际分辨率可达，实际分辨率可达0.2nm。物镜光阑物镜光阑加在物镜前，主要是为了缩小物镜孔径角的作用。加在物镜前，主要是为了缩小物镜孔径角的作用。衬度光阑衬度光阑加在物镜后，可以提高振幅衬度作用。加在物镜后，可以提高振幅衬度作用。中间镜和投影镜中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。主要是将来自和物镜相似，但焦距较长。主要是将来自物镜的电子象继续放大。物镜的电子象继续放大。透射电镜的构造样品室位于照明部分和物镜之间，一般还可以配置加30透射电子显微镜中，物镜、中间镜，投影镜透射电子显微镜中，物镜、中间镜，投影镜是以积木方式成像，即上一透镜的像就是下是以积木方式成像，即上一透镜的像就是下一透镜成像时的物，也就是说，上一透镜的一透镜成像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。在这种成像方式中，如果电子显微镜是三级在这种成像方式中，如果电子显微镜是三级成像，那么总的放大倍数就是各个透镜倍率成像，那么总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积。的乘积。透射电镜的构造透射电镜的构造三级放大成像三级放大成像透射电子显微镜中，物镜、中间镜，投影镜是以积木方式成像，即上31透射电镜的放大倍数透射电镜的放大倍数总放大倍数总放大倍数M总总M物物M中中M投投物镜成像是分辨率的决定因素物镜成像是分辨率的决定因素物镜放大倍率，在物镜放大倍率，在50-100范围；范围；中间镜放大倍率，数值在中间镜放大倍率，数值在0-20范围；范围；投影镜放大倍率，数值在投影镜放大倍率，数值在100-150范围范围总放大倍率在总放大倍率在1000-200,000倍倍内内透射电镜的构造透射电镜的构造透射电镜的放大倍数总放大倍数M总M物M中M投透射电镜的32成像系统补充说明：成像系统补充说明：由由物镜物镜、中间镜中间镜(1、2个个)和和投影镜投影镜(1、2个个)组组成。成。成像系统的成像系统的两个基本操作两个基本操作是将是将衍射花样衍射花样或或图像图像投影到荧光屏上。投影到荧光屏上。通过调整中间镜的透镜电流，使通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平中间镜的物平面与物镜的背焦面重合面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到，可在荧光屏上得到衍衍射花样射花样。若使若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得则得到到显微像显微像。透射电镜分辨率的高低主要取决于透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜物镜。成像系统补充说明：333.3.观察和记录系统观察和记录系统透射电镜的构造透射电镜的构造该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成在分析电该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成在分析电镜中，还有探测器和电子能量分析等附件镜中，还有探测器和电子能量分析等附件3.观察和记录系统透射电镜的构造该系统由荧光屏、照相机、数据34真空系统真空系统真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀门、真空真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀门、真空测量仪及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内测量仪及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在气体，使镜筒真空度至少要在10-4pa以上。如果以上。如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。污染样品。透射电镜的构造透射电镜的构造真空系统透射电镜的构造35为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有 装置必须在真空系统中，一般真空度为装置必须在真空系统中，一般真空度为10-210-4Pa。利用场发射电子枪时，其真空度应在利用场发射电子枪时，其真空度应在1010-6-6-10-10-8-8PaPa左右。左右。可采用机械泵，油扩散泵，分子泵等来实现。可采用机械泵，油扩散泵，分子泵等来实现。目的：延长电子枪的寿命，增加电子的自由程，减少电目的：延长电子枪的寿命，增加电子的自由程，减少电 子与残余气体分子碰撞所引起的散射以及减少样品污染。子与残余气体分子碰撞所引起的散射以及减少样品污染。为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有36电源系统：需要两个独立的电源，一是使电子加电源系统：需要两个独立的电源，一是使电子加速的小电流高压电源；二是使电子束聚焦与成像速的小电流高压电源；二是使电子束聚焦与成像的大电流低压磁透镜电源。的大电流低压磁透镜电源。透射电镜的构造透射电镜的构造加加速速电电压压和和透透镜镜磁磁电电流流不不稳稳定定将将会会产产生生严严重重的的色色差差及及降降低低电电镜镜的的分分辨辨本本领领，所所以以加加速速电电压压和和透透镜镜电电流流的的稳稳定定度度是是 衡衡 量量 电电 镜镜 性性 能能 好好 坏坏 的的 一一 个个 重重 要要 标标 准准。透透射射电电镜镜的的电电路路主主要要由由高高压压直直流流电电源源、透透镜镜励励磁磁电电源源、偏偏转转器器线线圈圈电电源源、电电子子枪枪灯灯丝丝加加热热电电源源，以以及及真真空空系系统统控控制制电电路路、真真空空泵泵电电源源、照照相相驱驱动动装装置置及及自自动动曝曝光光电电路路等等部部分分组组成成。另另外外，许许多多高高性性能能的的电电镜镜上上还还装装备备有有扫扫描描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。电源系统：需要两个独立的电源，一是使电子加速的小电流高压电源37安全系统安全系统总调压变压器总调压变压器真空电源系统真空电源系统透镜电源系统透镜电源系统高压电源系统高压电源系统辅助电源系统辅助电源系统透射电镜的构造透射电镜的构造电源系统可分为：电源系统可分为：安全系统透射电镜的构造电源系统可分为：38透射电镜成像原理透射电镜成像原理物平面物平面像平面像平面频谱面频谱面白光光源白光光源透射电镜成像原理物平面像平面频谱面白光光源39透镜的成像作用可以分为两个过程：透镜的成像作用可以分为两个过程：第第一一个个过过程程是是平平行行电电子子束束遭遭到到物物的的散散射射作作用用而而分分裂裂成成为为各各级级衍衍射射谱谱，即即由由物物变变换换到到衍衍射射的过程；的过程；第第二二个个过过程程是是各各级级衍衍射射谱谱经经过过干干涉涉重重新新在在像像平平面面上上会会聚聚成成诸诸像像点点，即即由由衍衍射射重重新新变变换换到物到物(像是放大了的物像是放大了的物)的过程。的过程。晶体对于电子束就是一个三围光栅。晶体对于电子束就是一个三围光栅。透镜的成像作用可以分为两个过程：40近近代代高高性性能能电电镜镜一一般般都都设设有有两两个个中中间间镜镜，两两个个投投影影镜镜。三三级级放放大大成成象象和衍射成象示意图如下页所示：和衍射成象示意图如下页所示：近代高性能电镜一般都设有两个中间镜，两个投影镜。三级放大成41 （a）高放大率（b）衍射物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜选区光阑 （a）高放大率（b）衍射物物镜衍射42在电子显微镜中，物镜产生的一次放大像在电子显微镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的三次放大像。三次放大图像的总到最终的三次放大像。三次放大图像的总放大倍率为：放大倍率为：M总总=M物物M中中M投投 在电子显微镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的43电子衍射电子衍射概述概述电子衍射基本公式和相机常数电子衍射基本公式和相机常数选区电子衍射选区电子衍射常见的几种电子衍射谱常见的几种电子衍射谱电子衍射花样的标定电子衍射花样的标定 电子衍射 概述44概述概述 电电镜镜中中的的电电子子衍衍射射,其其衍衍射射几几何何与与X射射线线完完全全相相同同,都都遵遵循循布布拉拉格格方方程程所所规规定定的的衍衍射射条条件件和和几几何何关关系系.因因此此,许许多多问问题题可可用用与与X射射线衍射相类似的方法处理线衍射相类似的方法处理.即即概述45电子衍射与电子衍射与X射线衍射相比的优点射线衍射相比的优点电电子子衍衍射射能能在在同同一一试试样样上上将将形形貌貌观观察察与与结结构分析结合起来。构分析结合起来。电电子子波波长长短短，单单晶晶的的电电子子衍衍射射花花样样婉婉如如晶晶体体的的倒倒易易点点阵阵的的一一个个二二维维截截面面在在底底片片上上放放大大投投影影，从从底底片片上上的的电电子子衍衍射射花花样样可可以以直直观观地地辨辨认认出出一一些些晶晶体体的的结结构构和和有有关关取取向向关关系，使晶体结构的研究比系，使晶体结构的研究比X射线简单。射线简单。物物质质对对电电子子散散射射主主要要是是核核散散射射，因因此此散散射射强，约为强，约为X射线一万倍，曝光时间短。射线一万倍，曝光时间短。电子衍射与X射线衍射相比的优点电子衍射能在同一试样上将形貌46 不足之处不足之处电电子子衍衍射射强强度度有有时时几几乎乎与与透透射射束束相相当当，以以致致两两者者产产生生交交互互作作用用，使使电电子子衍衍射射花花样样，特特别别是是强强度度分分析析变变得得复复杂杂，不不能能象象X X射射线线那那样样从从测测量量衍衍射射强强度度来来广广泛泛的的测测定定结结构构。此此外外，散散射射强强度度高高导导致致电电子子透透射射能能力力有有限限，要要求求试试样样薄薄，这这就就使使试试样样制制备备工工作作较较X X射射线线复复杂杂；在在精精度方面也远比度方面也远比X X射线低。射线低。不足之处电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互47选区衍射操作步骤选区衍射操作步骤：为为了了尽尽可可能能减减小小选选区区误误差差，应应遵遵循循如如下下操作步骤：操作步骤：1.插插入入选选区区光光阑阑，套套住住欲欲分分析析的的物物相相，调调整整中中间间镜镜电电流流使使选选区区光光栏栏边边缘缘清清晰晰，此此时时选区光阑平面与中间镜物平面生重合；选区光阑平面与中间镜物平面生重合；2.调调整整物物镜镜电电流流，使使选选区区内内物物象象清清晰晰，此此时时样样品品的的一一次次象象正正好好落落在在选选区区光光栏栏平平面面上上，即即物物镜镜象象平平面面，中中间间镜镜物物面面，光光阑阑面面三三面面重合；重合；选区衍射操作步骤：48 3.抽抽出出物物镜镜光光阑阑，减减弱弱中中间间镜镜电电流流，使使中中间间镜镜物物平平面面移移到到物物镜镜背背焦焦面面，荧荧光光屏屏上上可观察到放大的电子衍射花样可观察到放大的电子衍射花样 4.用用中中间间镜镜旋旋钮钮调调节节中中间间镜镜电电流流，使使中中心心斑斑最最小小最最圆圆，其其余余斑斑点点明明锐锐，此此时时中中间间镜物面与物镜背焦面相重合镜物面与物镜背焦面相重合。5.减减弱弱第第二二聚聚光光镜镜电电流流，使使投投影影到到样样品品上上 的的入入射射束束散散焦焦（近近似似平平行行束束），摄摄照照（30s左右）左右）3.抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面移到物镜49 常见的几种电子衍射谱常见的几种电子衍射谱1.单晶电子衍射谱单晶电子衍射谱 常见的几种电子衍射谱1.单晶电子衍射谱50多晶电子衍射谱多晶电子衍射谱多晶电子衍射谱51复杂电子衍射花样复杂电子衍射花样100nm167 mabcFig.6TEMmicrostructureofNo.2alloysafter350/6hhomogenizationa-darkfieldimageb-brightfieldimagec-electrondiffractionpattern复杂电子衍射花样100nm167mabcFig.6 T52 电子衍射花样的标定电子衍射花样的标定 花样分析分为两类：花样分析分为两类：一一是是结结构构已已知知，确确定定晶晶体体缺缺陷陷及及有有关关数数据或相关过程中的取向关系；据或相关过程中的取向关系；二二是是结结构构未未知知，利利用用它它鉴鉴定定物物相相。指指数标定是基础。数标定是基础。多晶体电子衍射花样的标定多晶体电子衍射花样的标定 电子衍射花样的标定 花样分析分为两类：多晶体电子衍射53分析方法分析方法1)晶晶体体结结构构已已知知：测测R、算算R2、分分析析R2比比值值的的递递增增规规律律、定定N(衍衍射射晶晶面面干干涉涉指指数数平平方方和和，即即N=h2+k2+l2)、求、求(hkl)和和a。如如 已已 知知 K,也也 可可 由由 d=K/R求求 d对对 照照 ASTM求求(hkl)。2)晶晶体体结结构构未未知知：测测R、算算R2、Ri2R12，找找出出最最接接近近的的整整数数比比规规律律、根根据据消消光光规规律律确确定定晶晶体体结结构构类类型型、写写出出衍衍射射环环指指数数(hkl)，算算a.如如已已知知K,也也可可由由d=K/R求求d对对照照ASTM求求(hkl)和和a,确定样品物相。确定样品物相。多晶体电子衍射花样的标定多晶体电子衍射花样的标定分析方法1)晶体结构已知：测R、算R2、分析R2比值的递增规54c.主要用途主要用途已已知知晶晶体体结结构构，标标定定相相机机常常数数，一一般般用用Au,FCC,a=0.407nm，也可用内标。，也可用内标。物物相相鉴鉴定定：大大量量弥弥散散的的萃萃取取复复型型粒粒子子或或其其它粉末粒子。它粉末粒子。c.主要用途已知晶体结构，标定相机常数，一般用Au,FC55例：仪器常数例：仪器常数L 的确定的确定例：仪器常数L的确定56第三章透射电子显微镜课件57例例：我我们们可可以以通通过过以以下下步步骤骤来来进进行行多多晶晶电电子子衍衍射射分分析析：1，根根据据布布拉拉格格公公式式可可以以推推出出处处理理衍衍射射照照片片的的关关系系式式rd=L，（其其中中r为为量量得得的的半半径径，d为为晶晶面面间间距距，L为为相相机机常常数数，通通常常我我们们所所用用的的L为为0.8，当当透透射射电电镜镜电电压压为为200kv时时的的为为0.0251），测测量量各各衍衍射射环环半半径径，对对应应公公式式计计算算出出一一系系列列d值值。2：查查ASTM卡卡片片，ASTM卡卡片片是是X射射线线德德拜拜相相获获得得的的数数据据，用用来来核核对对电电子子衍衍射射德德拜拜环环的的d值值和和相对强度是完全可以的。相对强度是完全可以的。例：我们可以通过以下步骤来进行多晶电子衍射分析：1，根据布拉58我我们们通通过过选选区区域域电电子子衍衍射射（SAED）对对铁铁合合金金和和掺掺杂杂钐钐的的铁铁氧氧体体纳纳米米线线的的复复合合物物中中的的Fe合合金金的的各各衍衍射射面面d值值进进行行了了计计算算。我我们们量量得得的的半半径径分分别别为为0.7cm,1cm,1.2cm,r2/r1=(N2/N1)1/2,通通 过过 计计 算算 r2/r1=1.42与与 理理 论论 值值（200）/（110）1.41很很 接接 近近，r3/r2=1.2与与（211）/（200）的的理理论论值值1.22很很接接近近，r3/r1=1.714与与（211）/（110）的的理理论论值值1.732很很接接近近。这这些些数数据据完完全全可可以以说说明明我我们们所所合合成成的的纳纳米米线线复复合合物物中中的的Fe-Co合合金金是是以以bcc结结构构形形式式存存在在的的。这这与与XRD的的数数据据也也刚刚好好符符合合,证证明明bcc结结构构的的Fe-Co合合金金具具有有（110），（200），（211）衍射晶面。）衍射晶面。对于立方结构对于立方结构：d=a/我们通过选区域电子衍射（SAED）对铁合金和掺杂钐的铁氧体纳59透射电镜的样品制备透射电镜的样品制备透透射射电电镜镜中中，电电子子束束是是透透过过样样品品成成像像的的，而而电电子子束束的的穿穿透透能能力力不不大大，这这就就要要求求要要将将试试样样制制成成很很薄薄的的薄薄膜样品膜样品。电电子子束束穿穿透透固固体体样样品品的的能能力力，主主要要取取决决于于加加速速电电压压（或或电电子子能能量量）和和样样品品物物质质的的原原子子序序数数。加加速速电电压压越越高高，样样品品的的原原子子序序数数越越低低，电电子子束束穿穿透透的的样样品品厚厚度就越大。度就越大。对对于于50-100kV50-100kV电电子子束束，样样品品的的厚厚度度控控制制在在100-200nm100-200nm为为易易，这这么么薄薄的的样样品品需需用用铜铜网网承承载载，装装入入样样品品台台中中，再放入透射电镜的样品室进行观察。再放入透射电镜的样品室进行观察。透射电镜的样品制备透射电镜中，电子束是透过样品成像的，而电子60透射电镜对样品的要求透射电镜对样品的要求试样最大尺寸，直径不超过试样最大尺寸，直径不超过3mm；样样品品厚厚度度足足够够薄薄，使使电电子子束束可可以以通通过过，一般厚度为一般厚度为20200nm；样样品品不不含含水水、易易挥挥发发性性物物质质及及酸酸碱碱等等腐腐蚀性物质；蚀性物质；样样品品具具有有足足够够的的强强度度和和稳稳定定性性；在在电电子子轰击下不致损坏或变化。轰击下不致损坏或变化。清洁无污染清洁无污染透射电镜对样品的要求试样最大尺寸，直径不超过3mm；61透射电镜制样方法透射电镜制样方法粉末样品制备粉末样品制备（直接样品的制备）直接样品的制备）需需透透射射电电镜镜分分析析的的粉粉末末颗颗粒粒一一般般都都小小于于铜铜网网小小孔孔，因因此此要要先先制制备备对对电电子束透明的子束透明的支持膜支持膜。常常用用支支持持膜膜有有火火棉棉胶胶膜膜和和碳碳膜膜，将将支支持持膜膜放放在在铜铜网网上上，再再把把粉粉末末放放在在膜上送入电镜分析。膜上送入电镜分析。粉粉末末或或颗颗粒粒样样品品制制备备的的关关键键取取决决于于能能否否使使其其均均匀分散到支持膜上。匀分散到支持膜上。透射电镜制样方法粉末样品制备（直接样品的制备）需透射电镜62粉末样品制备粉末样品制备用用超超声声波波分分散散器器将将需需要要观观察察的的粉粉末末在在溶溶液液（不与粉末发生作用的）中分散成悬浮液（不与粉末发生作用的）中分散成悬浮液用用滴滴管管滴滴几几滴滴在在覆覆盖盖有有碳碳加加强强火火棉棉胶胶支支持持膜膜的电镜铜网上。的电镜铜网上。待待其其干干燥燥（或或用用滤滤纸纸吸吸干干）后后，再再蒸蒸上上一一层层碳膜，即成为电镜观察用的粉末样品。碳膜，即成为电镜观察用的粉末样品。粉末样品制备用超声波分散器将需要观察的粉末在溶液（不与粉末发63第三章透射电子显微镜课件64第三章透射电子显微镜课件65TEM照片标尺的标定照片标尺的标定例例：放放大大倍倍数数为为5万万和和2万万倍倍时时，分分别别以以1.5cm和和1cm为为单单位位，计计算算结结果果(单单位位nm)如如下下:TEM照片标尺的标定例：放大倍数为5万和2万倍时，分别以1.66