透射电子显微分析修改后.pptx

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1、电子衍射的类型电子衍射的类型p按入射电子能量的大小，电子衍射可分为 透射式高能电子衍射 高能电子衍射 反射式高能电子衍射 低能电子衍射 第1页/共40页 在电子光学微观分析仪器中、透射电镜历史久，发展快，应用范围也最广泛。早在30年代末期、透射电镜就已初步定型生产，并已达到分辨率优于2nm的水平。到40年代末，透射电镜的主体己基本定型。由电子枪和两个聚光镜组成照明系统，产生一束聚焦很细、亮度高、发散度小的电子束；由物镜、中间镜和投影镜三个透镜组成三级放大的成像系统；给出分辨率优于1nm放大几十万倍的电子像。透射电镜的发展带动了电子光学仪器和技术的发展。第2页/共40页第一节透射电镜的结透射电镜

2、的结构及应用构及应用 第3页/共40页 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称镜筒，是透射电子显微镜的核心，它的光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图81所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。第4页/共40页第5页/共40页p 一、一、透射电镜的结构透射电镜的结构 第6页/共40页 (1)照明系统 照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中及倾斜调节装置组成。它的作用是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照明

3、电子束可在20-30范围内倾斜。电子枪。电子枪通常采用发夹式热阴极三极电子枪，它由阴极、栅极和阳极构成。在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流。新型电镜还有采用六硼化镧(LaB6)及场发射电子枪，它们的寿命、亮度、能量分散和机械性能稳定性均优于钨丝三极电子枪。第7页/共40页第8页/共40页 聚光镜。聚光镜的作用是会聚从电子枪发射出来的电子束，控制照明孔径角、电流密度利光斑尺寸。几乎所有的高性能电镜都采用双聚光镜。这两个透镜一般是整体的。其中第一聚光镜为短焦距强激磁透镜，可将光斑缩小为2060分之一，使照明束直径降为0.20.75m；第二聚光镜是长焦距磁透镜，放大

4、倍数一般是2倍。使照射在试样上的束径增为0.41.5m左右。在第二聚光镜下面径向插入个孔径200400m的多孔的活动光阑、用来限制和改变照明孔径角。为了使投射到样品上的光斑较圆，在第二聚光镜下方装有机械式或电磁式消像散器。第9页/共40页第10页/共40页(2)(2)样品室样品室 样品室中有样品杆、样品杯及样品台。透射电镜样品一般放在直径为3mm、厚50100m的载网上，载网放入样品杯中。样品台的作用是承载样品，并使样品能在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转以选择感兴趣的样品区域进行观察分析。样品台有顶插式和侧插式两种，一般高分辨型电镜采用顶插式样品台。分析型电镜采用侧插式样品台。最新式的电镜上还装

5、有双倾斜、加热、冷却和拉伸等样品台以满足相变、形变等动态观察的需要。第11页/共40页p(3)(3)成像系统成像系统p 一般由物镜、中间镜和投影镜组成。p 物镜的分辨本领决定了电镜的分辨本领，因此为了获得最高分辨本领、最佳质量的图像，物镜采用了强激磁、短焦距透镜以减少像差还借助于孔径不同的物镜光阑和消像散器及冷阱进一步降低球差，改变衬度，消除像散，防止污染以获得最佳的分辨本领。p 中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的图像进一步放大。第12页/共40页p(4)图像观察与记录系统图像观察与记录系统p该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成。第13页/共40页p2真空系统真空系统p 真空系统由机械泵，油

6、扩散泵、换向阀门、真率测量仪表及真空管道组成。p 它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10-5托以上，目前最好的真空度可以达到10-910-10。托。1托为133.3帕斯卡。1托等同于1毫米汞柱p 如果真空度低的话，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电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。第14页/共40页3供电控制系统供电控制系统 加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。透射电镜的电路主要由以下部分组成、高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源

7、、电子枪灯丝加热电源，以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。另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。第15页/共40页第二节第二节 透射电镜成像原理透射电镜成像原理 阿贝光学显微镜衍射成像原理也适用于电子显微镜，而且更有重要的现实意义：因为被观察的物是品体，我们不但可以在物镜的像平面上获得物的放大了的电子像还可以在物镜的后焦面处得到晶体的电子衍射谱。第16页/共40页从聚光镜来的电子束打到样品上。与样品发生相互作用。如果样品薄到一定程度，电子就可以透过样品。透过去的电子分成两类。一类是继续按照原来的方向前进，能量几乎没有改变。我们称之为

8、直进电子。另一类是方向偏离原来的方向。我们称之为散射电子。这些电子中有的能量有比较大的改变。我们称之为非弹性散射电子。有的电子能量几乎没有改变。我们称之为弹性散射电子。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图象。我们称之为夫琅禾费衍射花样第17页/共40页如果被电子束照射的区域是非晶，则花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的光晕。如果被电子束照射的区域是一块单晶，则花样的特点是中中央亮斑加周围其它离散分布、强弱不等的衍射斑。如果被电子束照射的区域包括许多单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈亮环第18页/共40页至于为什么会形成这些花样。可以从入射电子的散射来

9、解释。对非晶样品，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越来越弱。对晶体样品，由于原子排列的规律性，不同原子的同一方向的散射波之间存在固定的相位差。某些方向上相位差为2的整数倍。根据波的理论，在这些方向上的散射波会发生加强干涉。我们称之为衍射。同一方向的衍射波在物镜后焦面上形成一个亮斑。我们称之为衍射斑。直进的电子形成中央的透射斑。整个后焦面的图象称之为电子衍射花样第19页/共40页由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，如果我们记录下衍射

10、花样，就可以对晶体结构进行分析。这正是透射电子显微镜能够进行晶体结构分析的原因之一。对多晶样品，每个单晶形成自己的衍射花样。由于各个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射圈。通过分析这些衍射圈的半径和亮度，也可以对多晶样品进行结构分析。把透射电镜的工作方式切换到衍射模式，则在物镜后焦面上形成的花样在荧光屏上可以观察到，也可以用底片或相机记录下来。第20页/共40页仪器在物镜的后焦面位置有一个活动光阑。我们称之为物镜光阑。它是上面开有不同直径小孔的钼皮。小孔的直径从小到大依次是50微米、100微米、200微米。这个光阑的作用是控制到

11、物镜像平面参与成像的电子束。我们可以不插入物镜光阑，让所有电子束到像平面成像。也可以插入光阑，让一束或多束电子到像平面成像。这里就涉及到透射电子显微镜的两种成像模式。只让一束电子通过物镜后焦面进而到像平面成像的模式称为衍射衬度（又称振幅衬度）模式。让一束以上通过物镜后焦面进而到像平面成像的模式称为高分辨模式（也称相位模式）第21页/共40页在衍射衬度模式中，如果让透射束到像平面成像，则称为明场像。如果让衍射束到像平面成像，则称为暗场像。对非晶样品，由于没有衍射束，所以一般也只有明场像之说。对晶体样品，不但有暗场，根据光路的不同，还有中心暗场与弱束暗场之分。中心暗场是让强衍射束通过。弱束暗场是让

12、弱衍射束通过。通常观察样品的形貌、颗粒大小、组织结构、晶体缺陷等采用衍射衬度模式。如果需要观察晶体的原子排列特征，如晶格像、原子结构构像等，就要采用高分辨模式第22页/共40页第23页/共40页p 根据阿贝的理论：p 在一平行光束照射到一光栅上，除了透射束也就是0级衍射束外，还会产生各级衍射束，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S1，S0.S1各级衍射谱。p 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，例如图中的像点I1、I1就是物点O1、O1的像。第24页/共40页p透镜的成像作用可以分为两个过程：p 第一个过程是平行电子束

13、遇到物的散射作用而分裂成为各级衍射谱，即由物变换到衍射的过程；p 第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点，即由衍射重新变换到物(像是放大了的物)的过程。p 这个原理完全适用于透射电镜的成像作用，晶体对于电子束就是一个三维光栅。第25页/共40页 在电子显微镜中，物镜产生的在电子显微镜中，物镜产生的次放大像还要次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的三次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，如放大像，如下下图所示。图所示。中间镜的物平面与物镜的像平面重合，投影镜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。中间镜把物镜给的物平面

14、与中间镜的像平面重合。中间镜把物镜给出的放大像投射到投影镜的物平面上，再由投影镜出的放大像投射到投影镜的物平面上，再由投影镜把它投射到荧光屏上。把它投射到荧光屏上。显然，三次放大图像的总放大倍率显然，三次放大图像的总放大倍率M总总为为 M总总=M物物M中中M投投 式中M物物,M中中,M投投分别为物镜、中间镜、投影镜的放大倍数 第26页/共40页第27页/共40页 既然根据阿贝成像理论 在物镜的后焦面上有衍射谱，就可以通过减弱中间镜电流从而增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，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，得到次放大了的电子衍射谱。再经过投影镜的放大作用，最后在荧光屏上

15、得到二次放大的电子衍射谱。第28页/共40页第三节第三节 透射电镜的复型技术透射电镜的复型技术 由于电子束穿透能力很低，因此要求所观察的样品很薄，对于透射电镜常用的75200kV加速电压来说，样品厚度控制在100200nm为宜。复型样品是一种间接试样，是用中间媒介物(碳、塑料薄膜)把样品表面浮雕复制下来，利用透射电子的质厚衬度效应，通过对浮雕的观察，间接地得到材料表面组织形貌。第29页/共40页p1塑料塑料-碳二级复型技术碳二级复型技术p 在各种复型制备中，塑料在各种复型制备中，塑料-碳二级复型是碳二级复型是一种迄今为止最为稳定和应用最为广泛的一一种迄今为止最为稳定和应用最为广泛的一种。种。p

16、 该方法在制备过程中不损坏试样表面，该方法在制备过程中不损坏试样表面，重复性好，供观察的第二级复型重复性好，供观察的第二级复型碳膜导碳膜导热导电好。热导电好。p 具体制备方法如下：具体制备方法如下：第30页/共40页p(1)在在样样品品表表面面滴滴一一滴滴丙丙酮酮，然然后后贴贴上上一一片片稍稍大大于于样样品品的的AC纸纸(6醋醋酸酸纤纤维维素素丙丙酮酮溶溶液液制制成成的的薄薄膜膜)。注注意意不不可可留留下下气气泡泡或或皱皱折折。待待AC纸纸干干透透后后小小心心揭揭下下。AC纸纸应应反反复复贴贴几几次次以以便便使使试试样样表表面面的的腐腐蚀蚀产产物物或或灰灰尘尘等等去去除除，将将最最后后片片AC

17、纸纸留下，这片留下，这片AC纸就是需要的塑料一级复型。纸就是需要的塑料一级复型。p (2)将得到样品浮雕的将得到样品浮雕的AC纸复型面朝上平整纸复型面朝上平整地贴在衬有纸片的胶带纸上。地贴在衬有纸片的胶带纸上。第31页/共40页 (3)(3)上上述述的的复复型型放放入入真真空空镀镀膜膜机机内内进进行行投投影影重重金金属属，最最后后在在垂垂直直方方向向上上喷喷镀镀一一层层碳碳，从从而而得到醋酸纤维素一碳的复合复型。得到醋酸纤维素一碳的复合复型。(4)(4)将将复复合合复复型型剪剪成成小小于于3 3 mmmm小小片片投投入入丙丙酮酮溶溶液液中中，待待醋醋酸酸纤纤维维素素溶溶解解后后，用用铜铜网网将

18、将碳碳膜捞起。膜捞起。(5)(5)将将捞捞起起的的碳碳膜膜连连同同钢钢网网一一起起放放到到滤滤纸纸上上吸吸干干水水分分，经经干干燥燥后后即即可可入入电电镜镜进进行行观观察察。整整个制备过程如图个制备过程如图13-513-5所示。所示。第32页/共40页第33页/共40页p2萃取复型技术萃取复型技术p 萃取复型法是样品制备中最重要的进展萃取复型法是样品制备中最重要的进展之一，之一，p 其目的在于如实地复制样品表面的形貌，其目的在于如实地复制样品表面的形貌，同时又把细小的第二相颗粒同时又把细小的第二相颗粒(如金属间化合物、如金属间化合物、碳化物和非金属夹杂物等碳化物和非金属夹杂物等)从腐蚀的金属表

19、面从腐蚀的金属表面萃取出来，嵌在复型中，被萃取出的细小颗萃取出来，嵌在复型中，被萃取出的细小颗粒的分布与它们原来在样品中的分布完全相粒的分布与它们原来在样品中的分布完全相同，因而复型材料就提供了一个与基体结构同，因而复型材料就提供了一个与基体结构一样的复制品。一样的复制品。p 萃取出来的颗粒具有相当好的衬度，而萃取出来的颗粒具有相当好的衬度，而且可在电镜下做电子衍射分析。且可在电镜下做电子衍射分析。第34页/共40页 萃萃取取复复型型方方法法也也有有很很多多种种，常常见见的的是是碳碳萃萃取复型和火棉胶取复型和火棉胶-碳二次萃取复型方法。碳二次萃取复型方法。(1)碳萃取复型方法碳萃取复型方法按一

20、般金相试样的要求对试样磨削、抛光。按一般金相试样的要求对试样磨削、抛光。选选择择适适当当的的浸浸蚀蚀剂剂进进行行深深腐腐蚀蚀，这这种种浸浸蚀蚀剂剂既能溶去基体而又不会腐蚀第二相颗粒。既能溶去基体而又不会腐蚀第二相颗粒。将试样认真清洗以除去腐蚀产物。将试样认真清洗以除去腐蚀产物。第35页/共40页p 将将试试样样放放入入真真空空镀镀膜膜机机中中喷喷碳碳，喷喷碳碳时时转转动动试试样样以以使使碳碳复复型型致致密密地地包包住住析析出出物物或或夹夹杂杂物物，一般情况下不投影。一般情况下不投影。p 选选择择适适当当的的电电解解液液进进行行电电解解脱脱膜膜电电解解脱脱膜膜时时电电流流密密度度要要适适当当，电

21、电流流过过大大形形成成大大量量气气泡泡会会使使碳碳膜膜碎碎裂裂，电电流流过过小小则则长长时时间间脱脱不不掉掉碳碳膜膜，适当的电流密度可通过实验来确定。适当的电流密度可通过实验来确定。p 将将脱脱下下碳碳膜膜捞捞入入新新鲜鲜电电解解液液中中停停留留10min左右以溶掉贴在碳膜上的腐蚀产物。左右以溶掉贴在碳膜上的腐蚀产物。p 将碳膜捞入酒精中清洗，最后用铜网捞起将碳膜捞入酒精中清洗，最后用铜网捞起放到滤纸上干燥待观察。图放到滤纸上干燥待观察。图13-6是碳萃取复型过是碳萃取复型过程示意图。程示意图。第36页/共40页第37页/共40页p(2)火棉胶火棉胶-碳二次萃取复型方法碳二次萃取复型方法p 火

22、火棉棉胶胶-碳碳二二次次萃萃取取复复型型方方法法的的试试样样准准备备、深深浸浸蚀蚀与与碳碳萃萃取取复复型型方方法法相相同同，在在此此基基础础上上进进行行如如下下操作：操作：p 将将1的的火火棉棉胶胶滴滴到到试试样样上上，待待火火棉棉胶胶干干燥燥后用刀片轻划四周火棉胶，然后用胶带纸将其取下。后用刀片轻划四周火棉胶，然后用胶带纸将其取下。p 在在真真主主镀镀膜膜机机内内喷喷碳碳后后将将其其剪剪成成3mm的的小片。小片。p 用用石石油油醚醚溶溶掉掉胶胶带带纸纸得得到到火火棉棉胶胶-碳碳二二次次萃萃取取复复型型，然然后后再再用用醋醋酸酸戊戊脂脂溶溶去去火火棉棉胶胶得得到到碳碳萃萃取取复型。复型。p 用铜网将用铜网将3mm的碳膜捞到滤纸上干燥后的碳膜捞到滤纸上干燥后待观察。待观察。第38页/共40页值得一提的是，复型制备技术是电镜观察中的值得一提的是，复型制备技术是电镜观察中的一个十分关键环节。一个十分关键环节。要想制备出合格的试样样品，不仅需要各种知要想制备出合格的试样样品，不仅需要各种知识而且需要实际经验以及熟练的技能这些都是识而且需要实际经验以及熟练的技能这些都是在实践中锻炼和摸索出来的。在实践中锻炼和摸索出来的。第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页