材料科学研究方法-透射电子显微成像分析g.ppt

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1、第七章透射电子显微镜成象原理与图象解释金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。而透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。因此，如何对一张电子图象获得的信息作出正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作出正确的解释。如前所述电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向

2、均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。衬度（contrast）定义衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。其形成的机制有两种：1.相位衬度如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。仅适于

3、很薄的晶体试样(≈100Å)。——高分辨像相位衬度—原子像样品厚度＜100nm时，衍射波振幅甚小，透射波振幅几乎与入射波相同。衍射波与透射波的相位差为/2。如果物镜没有象差，且处于正焦状态，光阑又足够大，合成波与入射波相位位置稍有不同，但振幅没变，没有衬度。如果引入附加相位，使所产生的衍射波与透射被处于相等的或相反的相位位置，透射波与衍射波相干就会导致振幅增加或减少，从而使象强度发生变化，相位衬度得到了显示。HighresolutiontransmissionelectronmicroscopyofBaTiFeOnaturalmagneticmultilayers.

4、ThehighlyperiodicFe-richlayers(yellow)areseparatedbyaBa-richphase(blue).相位衬度—原子像相位衬度—原子像引入附加相位位移的方法：物镜的球差和欠焦量。由于透镜球差引入的程差如果观察面位于象面之下（物镜欠焦f），引进的程差则是DC－D’C’≈-0.5f2适当选择欠焦量，使两种效应引起的附加相位变化是(2n－1)／2，就可使相位差转换成强度差，使相位衬度得以显现。(再移动／2，两者相位差就可为)ABC—ABC’＝C4欠焦量和样品厚度对图像的影响exampleofimagesimulati

5、on“thicknessdefocusmap”ofspinel(MgAl2O4)in<001>projectionHRTEMImageofaT1PrecipitatePlate(oneunit-cellthick)inanAl-Cu-LiAlloy相位衬度—原子像相位衬度—原子像多孔硅的截面像。（a）低倍像，（b）到（e）为渐次离开表面处的高分辨像。多孔硅的电子能量损失谱∶（a）硅L2,3峰和（b）氧k峰相位衬度—原子像CarbonNanotubeGaAs1.4ÅAsGaZ=31Z=33[001]取向Al-3.3wt%Cu合金GP区，较亮像点对应于Cu原子原子序数衬度

6、2.3原子序数衬度Z衬度基于扫描透射电子显微术（STEM）:电子束扫描，环形暗场探测器STEM的像来源于当精细聚焦电子束(<2Å)扫描样品时，逐一照射每个原子柱，在环形探测器上产生强度的变化图，从而提供原子分辨水平的图像。原子序数衬度当探测高角度散射信号时,探测器上的强度主要来自声子散射项每一个被照明的原子柱的强度与热漫反射散射截面()直接相关，的值等于在探测器的环形范围内对原子类型因子进行积分为原子对于弹性散射的波形系数，同原子序数成正比，因此STEM提供了原子序数衬度，衬度比例于原子序的平方。2.振幅衬度振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而

7、发生振幅的变化，引起反差。振幅衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：①质厚衬度由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。ThemassandthicknesscontrastofInxGa12xAsQDsonaGaAssurface.二、衍衬像：明场像与暗场像②衍射衬度衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。第一节质厚衬度原理透过试样不同部位时，散射和透射强度的比