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1、第25卷第4期兵器材料科学与工程Vol.25No.42002年7月ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGJuly2002X高角度环形暗场Z衬度像成像原理及方法李鹏飞(内蒙古工业大学材料科学与工程学院呼和浩特市010062)摘要:通常的高分辨电子显微镜应用相位衬度成像,相位衬度的成像是由于透过样品的各级衍射束相互干涉的结果,其衬度取决于衍射束的相对相位关系。在扫描透射电子显微镜中使用高角度环形探测器,可以得到原子序数衬度像。介绍了高角度环形暗场(HAADF)的原子序数衬度(Z-衬度)像的成像原理及方法。关键词:Z衬度;高角度环形暗场;成
2、像原理中图分类号:TN153文献标识码:A文章编号:1004)244X(2002)04)0044)04材料微观结构和缺陷与性能之间的关系一直是扫描透射电子显微术(STEM)是TEM与SEM材料科学领域重要的研究内容,电子显微学在其中的巧妙结合。它采用聚焦的高能(通常为100~[2]起着重要的推动作用,随着新材料向结构尺度纳米400keV)电子束(入射电子束直径可达0.126nm)化的方向发展,需要在纳米甚至原子尺度上研究微扫描能透过电子的薄膜样品,利用电子与样品相互观结构特性,这就迫切要求发展与之相适应的分辨作用产生的弹性散射电子及非弹性散射电子来成率更高的分析仪器、探
3、测记录设备及分析方法。像、电子衍射或进行显微分析。TEM、SEM和目前,可以使电子显微像的点分辨率达到0.1STEM三种成像方式的比较见表1。nm的方法大致有[1]:1.使用高压电子显微镜表1三种成像方式比较(1MeV及以上);2.透射电子显微镜球差(Cs)修正成像光源加速电压样品收集信息成像原理方式形式/keV形状法;3.变焦法;4.离轴全息术;5.高分辨透射电子显平行相位衬度、衍射衬度、TEM>100薄膜前散射电子微术(HRTEM);6.高角度环形暗场Z衬度方法。光束质厚衬度、振幅衬度等其中高角度环形暗场(HAADF)Z衬度方法目SEM点1~30块状背散射电子形貌衬
4、度、电压衬度、二次电子原子序数衬度等前在国内尚未见使用报道,本文试图作尽可能详细弹性及非弹的介绍,以推动该方法在国内的使用。STEM点>100~400薄膜原子序数衬度等性散射电子1STEM的成像STEM图像的获得可以采用专用的透射扫描电1.1STEM的成像方式镜(如英国生产的HB-501等),它的光学镜筒与众所周知,透射电子显微术(TEM)是用平行的SEM类似。这种仪器不具备普通TEM的功能,因高能电子束照射到一个能透过电子的薄膜样品上,此只在STEM和SEM模式下工作。常用的是一种由于试样对电子的散射作用,其散射波在物镜后方TEM/STEM混合型仪器,一般表示为(S)
5、TEM。它将产生两种信息。在物镜的后焦平面上形成含有结是在通常的TEM中加装了扫描附件、探测设备及晶学或晶体结构信息的电子衍射花样;在物镜像平分析装置。如环形探测器、8过滤器、电子能量损失面上形成高放大倍率的形貌像或是高分辨率的反映谱仪等等。这种仪器具有STEM,TEM及SEM的样品内部结构的像。扫描电子显微术(SEM)则是各种功能。如日本生产的JEOL2010F分析电镜。用聚焦的低能电子束扫描块状样品的表面,利用电1.2STEM与TEM的电子光学系统比较子与样品相互作用产生的二次电子、背反射电子成图1简要的表示了形成TEM相干图像、STEM像,可以得到表面形貌,化学成
6、分及晶体取向等信相干图像及非相干图像的电子光学系统布置之间的息。差别。图1(A)为TEM相干成像的电子光学系统X收稿日期:2002-03-18;修订日期:2002-05-10作者简介:李鹏飞(1954-),男,内蒙古呼和浩特市,副教授,主要从事材料表面改性研究及组织结构分析工作,发表论文二十余篇。E-mail:li-pf@263.net第4期李鹏飞等:高角度环形暗场Z衬度像成像原理及方法45布置图,通常的原子分辨相位衬度像是一种相干像。和很小的轴向收集器光阑,因此,图像的衬度主要是在相位衬度成像中,当一束近似平行的入射电子束由透射电子贡献的,这些电子既没有能量损失,也没
7、照射到样品上时,除了形成透射束(即零级衍射束)有改变方向。用探测器把这些电子收集起来就形成外,还会产生各级衍射束,通过透镜的聚焦作用,在一个样品内部微观结构的透射扫描明场像,这样的其后焦面上形成衍射束振幅的极大值,每个振幅极STEM明场像类似于普通的TEM明场像。在这种大值又可视为次级光源,互相干涉,再于透镜的像平情况下,STEM的成像理论和TEM是完全一样的。面上形成物体的相位衬度像。这是由于透射电子穿因此STEM的图像可以直接用TEM图像的成像理过薄晶体时,其波的振幅基本不变,而波的相位却由论解释。一般情况下,对于相同的电子光学系统,
