第二篇电子显微分析

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1 电子显微镜中的电子光学问题,2.2 透射电子显微镜的结构,2.3 电子衍射,2.4 金属薄膜成像,2.5 复型,2.6 扫描电子显微分析,第二篇 电子显微分析术,1,2.1 电子显微镜中的电子光学问题,2.1.1 光学显微镜的局限性2.1.2 电子性质2.1.3 电子透镜的像差2.1.4 成,像透镜及性质,2,2.1.1光学显微镜的局限性,分辨本领:,指光学仪器所能区分的两相邻物点之间最小距离,r,0,越小，表示能分清物体的细节越细，分辨本领越好。,3,4,2.1.1光学显微镜的局限性,可见光的波长在39007600埃，则其极限分辩率为2000埃,半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限,对玻璃透镜来说，取最大孔径半角=7075,0,，在物方介质为油的情况下，n=1.52，那么其数值孔径nsin=1.251.35,r。=(1/2),5,2.1.2 电子性质,高速运动的电子所具有的动能:,电子波是物质波的一种:,其中：h=6.6210,-34,焦耳秒,e=1.6010,-19,库仑,m,0,=9.11,10,-31,千克,(,电子的静止质量,),6,2.1.2 电子性质,电子的波长：,电子质量的校正,7,2.1.2 电子性质,加速电压与电子波长,加速电压（kV） 电子波长（,） 加速电压（kV） 电子波长（,）,25 0.076 200 0.025,50 0.054 500 0.014,75 0.043 1000 0.0087,100 0.037 3000 0.0036,8,注 意,光波波长40008000.,电子波长是光波长的10万分之一,由 得:,电子显微镜的理论分辨率,0.02，,电子显微镜的实际分辨率,2（1.0-2.0）,9,原因:,电子透镜不完善，有像差（球差、色差、像散）,电子透镜孔径角之半, 0.01,弧度（ sin,10,-2,）,10,2.1.3,电子透镜的像差,电磁透镜的像差：,球差,像散,色差,11,球差,球差即球面像差，是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的,12,球差,球差最小散焦斑的半径在原物面上的折算值如下：,C,s,球差系数，通常相当于焦距，13mm,电磁透镜的孔径半角,若两点距离 时，不能分辨,13,通常物镜 的值相当于它的焦距大小，对大多数TEM,3mm；高分辨电镜(HREM) 1mm。因为 。若用小孔光栏挡住外围射线，可以使球差迅速下降。但也使分辨率降低，因此，必须找出两者合成效应的最小,的值。现代物镜可获得 0.3mm，,10,-3,弧度，对应的分辨率,为,2。,2.1.3 电子透镜的像差,14,像 散,由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称,透镜像散的产生示意图,15,16,像 散,造成像散的原因：,极靴的机械不对称,极靴内部被污染,极靴材料内部结构和成份不均匀,像散对分辨率的限制往往超过球差和衍射差，但,像散可矫正,（引入一个强度和方位可调的矫正场，称为,消像散器,）,17,色差,色差是由于成像电子波长（或能量）变化引起透镜焦距变化而引起的,18,19,色差,色差的产生,20,色 差,稳定加速电压和透镜电流可减小色差,在物平面上的圆斑半径为：,C,c,色散系数，a孔径角之半， 电子能量变化,21,景深 和焦长,景深：,指当像平面固定时（像距不变），能维持物像清晰的范围内，允许物平面（样品）沿透镜主轴移动的最大距离D,f,焦长：,固定样品的条件下(物距不变),像平面沿透镜主轴移动时仍能保持物像清晰的距离范围,22,电磁透镜景深D,f,与焦长D,L,23,景深,D,f,取 r,0,=1 nm，,10,-3,rad,则 D,f,= 200200nm,试样（薄膜,）,一般厚200,300nm,，上述景深范围可保证样品整个厚度范围内各个结构细节都清晰可见.,24,焦长,取 r,0,=1 nm, =10,-2,rad,若 M=200， D,L,=8 mm,若 M=20000，D,L,=80 cm,电磁透镜的这一特点给电子显微镜图像的照相记录带来了极大的方便，只要在荧光屏上图像聚焦清晰，在荧光屏上或下十几厘米放置照相底片，所拍得的图像也是清晰的。,25,2.1.4,成像透镜及性质,电子在磁场中的运动特征：,电子在磁场中的运动轨迹受磁场的强度和形状制约,26,光学玻璃透镜,对于光学玻璃透镜，平行光穿过透镜后发生折射就会聚焦在透镜的焦点上,27,电磁透镜,电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种,轴对称的不均匀分布磁场,在轴对称的磁场中，电子在磁场内作螺旋近轴运动,28,电磁透镜的聚焦原理示意图,洛仑兹力：,正电荷在磁场中运动时受到磁场的作用力,29,利用电磁线圈产生磁场的,电磁透镜,可以通过调节电流而很方便地调节磁场强度，从而调节透镜焦距和放大倍数,30,31,32,带有软磁铁壳的电磁透镜示意图,环状狭缝减少磁场的广延度，使大量磁力线集中在缝隙附近的狭小地区之内，增强磁场强度,。,33,带有带有极靴的磁透镜,极靴,进一步缩小磁场轴向宽度，在环状间隙两边，接出一对顶端成园锥状的极靴，可使有效磁场集中到沿透镜轴几mm范围。,34,35,习 题,电子波有何特征?与可见光有何异同?,分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。,电磁透镜的像差是怎样产生的?如何消除和减少像差?,说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么?如何提高电磁透镜的分辨率？,电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响?说明电磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？假设电磁透镜没有像差，也没有衍射埃利斑，即分辨率极高，此时它的景深和焦长如何?,36,2.2 透射电子显微镜的结构,2.2.1电镜的主要结构和工作原理,2.2.2 电镜的照明系统,（1）电子枪,（2）聚光镜,（3）垂直照明和倾斜照明,22.3 成像系统,（1）物镜、中间镜和投影镜,（2）聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑,37,（3）中放大倍数成像和低放大倍数成像,2.2.4 图像观察和记录系统,（1）荧光屏,（2）照相装置,2.2.5 样品台,2.2.6 真空和供电系统,2.2 透射电子显微镜的结构,38,TEM简介：,Transmission Electron Microscope,透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），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,39,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，现场观察辐射损伤; 减少波长散布像差; 增加分辨率等，目前已有数部2-3MeV的TEM在使用中。左图为200keV TEM之外形图。,40,(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。美国於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,0.17n,m，可直接观察晶体中的原子。,41,(3),多功能分析装置：如附加电子能量分析仪 (electron analyzer，EA) 可监定微区域的化学组成。,(4) 场发射电子光源: 具高亮度及契合性，电子束可小至1nm。除适用於微区域成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术(holography)。,42,3.2.1电镜的主要结构和工作原理,JEM-2010透射电镜,加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率 1.94,43,EM420透射电子显微镜,加速电压20KV、40KV、60KV、,80KV、100KV、120KV晶格分辨率 2.04点分辨率 3.4最小电子束直径约2nm倾转角度=60度 =30度,44,Philips CM12透射电镜,加速电压20KV、40KV、60KV、80KV,、100KV、120KVLaB6或W灯丝晶格分辨率 2.04点分辨率 3.4最小电子束直径约2nm；倾转角度=20度 =25度,45,CEISS902电镜,加速电压50KV、80KVW灯丝顶插式样品台能量分辨率1.5ev倾转角度=60度转动4000,46,光学显微镜和透射电镜光路图比较,：,光源,中间像,物镜,试样,聚光镜,目镜,毛玻璃,电子镜,聚光镜,试样,物镜,中间像,投影镜,观察屏,47,日本JEOL公司生产的 JEM-1200EX透射电镜,国家超细粉末研究中心,48,浙江大学分析测试中心JEM-1200EX,49,2.2.1电镜的主要结构和工作原理,50,透射显微电镜构造原理和光路,51,1.2 电镜的照明系统,照明系统的组成：,电子枪、聚光镜、平移对中及倾斜装置,照明系统的作用：,为成像系统提供一束亮度高、相干性好的照明光源,为满足暗场成像的需要电子束可在2,3,范围内倾斜,52,2.2.2 电镜的照明系统,照明系统满足如下条件,：,（,1）能够提供足够数目的电子,（2）电子发射区域要小,（3）电子速度要大,53,（1）电子枪,电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子,热电子源,加热时产生电子，W丝，L,a,B,6,场发射源,在强电场作用下产生电子,54,（1）电子枪,-,热阴极电子源电子枪的结构,形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差,55,（1）电子枪,阴极（灯丝）：,用0.030.1mm,的钨丝做成V或Y形状,在真空中通电加热，当温度高达2400,C（约1安培电流）,钨丝表面电子获得大于逸出功的能量，开始发射,56,（1）电子枪,阳极：,加速从阴极发射出来的电子，以获得所须的足够大的动能,阳极板放在阴极的下方，阳极板的中心小孔对准钨丝的尖端,一般是阳极接地，阴极带有负高压,57,（1）电子枪,阳极板存在的问题,：,如过分缩小阳极小孔，穿过小孔的电子数减少，降低图像亮度,注意,阳极对电子束不起会聚作用，方向引导。,58,（1）电子枪,控制极（栅极）：,放置在阴极与阳极之间，依靠比阴极更负的电位（栅极排斥作用），使电子束强烈的会聚，从而抵消阳极板小孔的发散作用，使电子束以细束状由阳极板小孔穿行而过。,59,2.,2.2 电镜的照明系统,（2）聚光镜,作用：,用于会聚电子枪射出的电子束,单聚光镜照明系统,双聚光镜照明系统,60,2.,2.2 电镜的照明系统,第一聚光镜 ：,强激磁透镜、短焦距,作用：缩小从电子枪来的束径，1微米或更小,第二聚光镜：,弱激磁透镜、长焦距,作用：将第一聚光镜汇聚的电子束放大约两倍 投射到试样上,61,照明系统光路图,62,2.2.2 电镜的照明系统,消像散器作用：,为减小像散，在,第二聚光镜,下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性。,63,2.2.2 电镜的照明系统,（3）垂直照明和倾斜照明,垂直照明,：照明电子束轴线和成像系统轴线重合（适用于明场像）,倾斜照明,：照明电子束轴线和成像系统轴线成一定的夹角（一般是23适用于暗场像）,具体操作,：电磁偏转器调节,64,2.2.3 成像系统,成像系统一般由:,物镜,中间镜,投影镜,物镜的分辨本领决定了电镜的分辨本领,65,（1）物镜：,强激磁、短焦距透镜（f=13mm）,放大倍数100300倍,分辨率 2,强励磁短焦透镜作用：,形成第一幅放大像,66,（2）中间镜,弱激磁长焦距变倍透镜，可在 020倍范围调节,中间镜作用:,控制电镜总放大倍数,成像/衍射模式选择,67,(3)投影镜：,强激磁、短焦距,将来自中间镜的像进一步放大并透射到荧光屏或照相底片上,68,（4）物镜、中间镜和投影镜,试样 、物镜、中间镜和投影镜的相对位置,试样处在物镜的物平面上,物镜的像平面是中间镜的物平面,中间镜的像平面是投影镜的物平面,69,（5）透射电镜成像原理（阿贝成像原理）,当被观察的样品是晶体时，不但可以在物镜的像平面上获得放大了的像，还可以在物镜的后焦面上得到晶体的电子衍射谱,70,（5）,阿贝衍射成像原理,当一束平行光照射到一光栅上时，除了透射束（0级衍射束）外，会产生各级衍射束，经过透镜的聚焦作用，,在其后焦面上产生衍射振幅的极大值。,即图中的S,1、,S,0,、S,1,衍射谱。,每一个振幅极大值都可以认为是一个次级振动中心,，由这里发出的次级波在像平面上相干成像。图中的像点I,1、,I,1,就是物点O,1、,O,1,的像,71,（a）高放大率,（b）衍射,（c）低放大率,物,物镜,衍射谱,一次像,中间镜,二次像,投影镜,三次像,（荧光屏）,选区光阑,72,（5）,阿贝衍射成像原理,晶体对于电子束而言就是一个三维的光栅,第一部分：,平行电子束遭到晶体的散射作用而分裂成各级衍射谱，即由物变换成衍射的过程,第二部分：,各级衍射谱经过干涉重新在像平面上汇聚成诸像点，即由衍射变换到物（放大了的像）的过程,73,2.2.3 成像系统,在电子显微镜中，,放大的形貌像：,中间镜的物平面与物镜的像平面重合，投影镜的物平面与中间镜的像平面重合,。此时，中间镜把物镜的放大像投影到投影镜的物平面上，再由投影镜将其投射到荧光屏上,三次放大图像的总放大倍率为：,M,总,=M,物,M,中,M,投,74,第二相粒子 Cr,7,C,3,75,2.2.3 成像系统,放大的电子衍射花样：,根据阿贝成像理论在物镜的后焦面上得到衍射谱,方法：,通过减弱中间镜电流来增大物距，使其物平面与物镜的后焦面重合，这样就可以把物镜产生的衍射谱投射到中间镜的像平面上，再经过投影镜放大，最后在荧光屏上得到二次放大的电子衍射谱，也称,电子衍射花样,76,单晶衍射多晶衍射环 非晶衍射,77,聚光镜光阑、物镜光阑、选区光阑,透射电镜中三种主要的光阑是：,聚光镜光阑,物镜光阑,选区光阑,78,(1)聚光镜光阑,聚光镜光阑,：限制照明的孔径角，通常插在第 二聚光镜下面，光阑孔径约20400微米,79,(2)物镜光阑,物镜光阑,：为了减小物镜的球差和提高像的衬度；为缩小物镜孔径角，在物镜,极靴进口,表面放置的一个光阑。,衬度光阑:,装在,物镜背焦面,，直径20120um，无磁金属制成,也叫物镜光阑,作用：,a.提高像衬度 b.减小孔径角，从而减小像差 c.进行暗场成像,80,（3）选区光阑,选区光阑：,处在,物镜的像平面上,，直径20400um,光阑孔的大小和形状可以调节，以达到限制和选择所需的视场，进行选区衍射，不用时也可退出视场。,又称中间镜光阑或限制视场光阑,作用：,对样品进行微区衍射分析,81,82,（4）中放大倍数成像和低放大倍数成像,中放大倍数成像：,在三级成像系统中，若适当改变物镜激磁强度，使物镜成像于中间镜之下，则中间镜以物镜像为“虚物”，将其形成为缩小的实像于投影镜上，投影镜以中间镜像为物，进行放大成像，就可获得几千几万倍的电子像。,83,（5）中放大倍数成像和低放大倍数成像,低放大倍数成像：,关闭物镜，减弱中间镜激磁强度，使中间镜起长焦距物镜的作用，成像于投影镜上，投影镜以中间镜像为物，进行放大，成像于荧光屏上，就可获得100300倍的视场较大的图像,低放大倍数成像的目的：,为确定高倍观察区域提供方便,84,2.2.4 图像观察和记录系统,（1）荧光屏（观察屏）,荧光屏所在的空间 -观察室观察屏用荧光粉制成，又称荧光屏,（2）照相装置,照相底版和观察屏放在投影镜的像平面上，两者相距约十几厘米,85,22.5 样品台,样品台、样品杯和样品杆都处在样品室中。电镜样品一般放在直径3mm、厚50100m,的载网上，载网放入样品杯中,样品台,的作用,：承载样品并使样品在极靴孔内平移、倾斜、旋转以便选择感兴趣的区域进行观察分析,样品台分顶插式和侧插式,86,图 “侧插”式倾斜装置,87,2.2.5 样品台,对样品台的要求,：,要使样品铜网牢固的夹持在样品座中，并保持良好的电热接触,样品移动机构要有足够的精度,样品相对于电子束可做任意的倾斜,88,图 样品铜网放大像,（a）方孔 （b）圆孔,89,2.2.6 真空和供电系统,真空系统的作用,：排除镜筒内的气体。目前最好的真空度可以达到10,-7,10,-8,Pa,如果真空度低则,：,电子与气体分子的碰撞会引起散射而影响衬度,使栅极与阳极间高压电离导致极间放电,残余气体会腐蚀灯丝、污染样品,90,2.2.6 真空和供电系统,供电系统：,加速电压和激磁电流不稳定将产生严重的色差、降低电镜的分辨本领。要稳定加速电压和透镜电流,透镜电路,由高压直流电源、透镜激磁电源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等部分组成,91,一句话,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,92,为什么要用TEM?,93,附：透射电镜的主要性能参数及测定,主要性能参数：,分辨率,放大倍数,加速电压,94,分辨率及其测定,点分辨率：,透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。,测定方法：Pt或贵金属蒸发法。 如图所示。 将Pt或贵金属真空加热蒸发到支持膜（火棉胶、碳膜）上，可得到粒径0.5-1nm、间距0.2-1nm的粒子。高倍下拍摄粒子像，再光学放大5倍，从照片上找粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应的点分辨率。,95,96,分辨率及其测定,晶格分辨率：,当电子束射入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位相差。由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像，如下图所示。,晶格分辨率与点分辨率的区别：点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。,97,图 晶格分辨率测定金（220）、（200）晶格像,测定方法：利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜做标样，拍摄晶格像。测定晶格分辨率常用的晶体见下表。根据仪器分辨率的高低选择晶面间距不同的样品做标样。,98,表,：,测定晶格分辨率常用晶体,99,放大倍数,透射电镜的放大倍数随样品平面高度、加速电压、透镜电流而变化。TEM在使用过程中，各元件的电磁参数会发生少量变化，从而影响放大倍数的精度。因此，必须定期标定。,标定方法：用衍射光栅复型为标样，在一定条件下（加速电压、透镜电流），拍摄标样的放大像，然后从底片上测量光栅条纹像间距，并与实际光栅条纹间距相比即为该条件下的放大倍数，见图2-10。例如，衍射光栅2000条/mm，条纹间距0.0005mm.,利用光栅复型上喷镀碳微粒法。碳微粒间距较光栅微粒间距小，用光栅间距标定碳粒间距，就可以扩大标定范围，适用于5000-50000倍的情况。,晶格条纹像法。利用测定晶格分辨率的样品为标样，拍摄条纹像，测量条纹像间距，再计算条纹像间距与实际晶面间距的比值，即为放大倍数。适用于高倍，如10万倍以上的情况。,100,图 (a)5700倍 (b) 8750倍,101,习 题：,1.,透射电镜主要由几大系统构成?各系统之间关系如何?,2.照明系统的作用是什么?它应满足什么要求?,3.成像系统的主要构成及特点是什么?,4.分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系，并画出光路图。,5.样品台的结构与功能如何?它应满足哪些要求?,6. 透射电镜中有哪些主要光阑?在什么位置?其作用如何?,7.如何测定透射电镜的分辨率与放大倍数?电镜的哪些主要参数控制着分辨率与放大倍数?,8.点分辨率和晶格分辨率有何不同?同一电镜的这两种分辨率哪个高?为什么?,102,