透射电子显微镜基本原理及实例分析透射电子显微镜基本原理及实例分析 一 电镜的结构与成象一 电镜的结构与成象 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 率 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为镜筒 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 分为三部分 即照明系统 成像系统和观察记录系统 图 1透射显微镜构造原理和光路 1 1照明系统照明系统 照明系统由电子枪 聚光镜和相应的平移对中 倾斜调节装置组成 其作用是提供一束 亮度高 照明孔径角小 平行度好 束流稳定的照明源 为满足明场和暗场成像需要 照明 束可在 2 3 范围内倾斜 1 电子枪电子枪 电子枪是透射电子显微镜的电子源 常用的是热阴极三极电子枪 它由发夹形钨丝阴极 栅级帽和阳极组成 如图所示 图 2电子枪 a 自偏压回路 b 电子枪内的等电位面 2 聚光镜聚光镜 1 2成像系统成像系统 成像系统主要是由物镜 中间镜和投影镜组成 1 物镜物镜 物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜 透射电子显微镜 分辨率的高低主要取决于物镜 通常采用强激磁 短焦距的物镜 相差小 物镜的分辨率主 要决定于极靴的形状和加工精度 一般来说 极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小 物镜 的分辨率就越高 聚光镜用来会聚电子枪射出的电 子束 以最小的损失照明样品 调节 照明强度 孔径角和束斑大小 一般 都采用双聚光镜系统 如图所示 第一聚光镜是强激磁透镜 束斑缩小 率为 10 50 倍左右 将电子枪第一交 叉点束斑缩小为 1 5 m 而第二聚 光镜是弱激磁透镜 适焦时放大倍数 为 2 倍左右 结果在样品平面上可获 得 2 10 m 的照明电子束斑 图 3成像系统光路 2 中间镜中间镜 中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜 可在 0 20 倍范围调节 当放大倍数大于 1 时 用来进一步放大物镜像 当放大倍数小于 1 时 用来缩小物镜像 3 投影镜投影镜 投影镜的作用是把经中间镜放大 或缩小 的像 或电子衍射花样 进一步放大 并投 影到荧光屏上 它和物镜一样 是一个短焦距的强磁透镜 投影镜的激磁电流是固定的 因 为成像电子束进入投影镜时孔径角很小 约 10 5rad 因此它的景深和焦长都非常大 图 4JEM 2101F 透射电镜镜筒剖面图 a 与真空系统配置 b 二 电镜中的电子衍射原理二 电镜中的电子衍射原理 2 1 布拉格定律布拉格定律 由 X 射线衍射原理我们已经得出布拉格方程的一般形式为 2 d sin 因为sin 2d 1 所以 2d 这说明 对于给定的晶体样品 只有当入射波长足够短时 才能产生衍射 电子衍射的衍射角是非常小的 这是它的花样特征之所以区别 X 射线衍射的主要原因 2 2 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法倒易点阵与爱瓦尔德球图解法 1 倒易点阵的概念倒易点阵的概念 晶体的电子衍射 包括 X 射线单晶衍射 结果得到的是一系列规则排列的斑点 晶体 点阵结构与其电子衍射斑点之间可以通过另外一个假想的点阵很好地联系起来 这就是倒易 点阵 通过倒易点阵可以把晶体得电子衍射斑点直接解释成晶体相应晶面的衍射结果 也就 是说 电子衍射斑点就是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像 2 倒易点阵中单位矢量的定义倒易点阵中单位矢量的定义 设正点阵的原点为 O 基矢为a b c 倒易原点的原点为 O 基矢为 a b c 则有 a b c Vb c a Vc a b V 式中 V 正点阵中单胞的体积 V a b c b c a c a b 表明某一倒易基矢垂直于正点阵中和自己异名的二基矢所成平面 3 倒易点阵的性质倒易点阵的性质 在倒易点阵中 由原点 O 指向任意坐标为 hkl 的阵点的矢量 ghkl 倒易矢量 为 ghkl ha kb lc 式中 hkl 为正点阵中的晶面指数 上式表明 倒易矢量 ghkl垂直于正点阵中相应的 hkl 晶面 或平行于它的法向 Nhkl 倒易矢量中的一个点代表的是正点阵中的一组晶面 倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数 即 ghkl 1 dhkl 只有在立方点阵中 晶面法向和同指数的晶向是重合 平行 的 即倒易矢量 ghkl是与 相应指数的晶向 hkl 平行的 4 爱瓦尔德球图解法爱瓦尔德球图解法 在倒易空间中 画出衍射晶体的倒易点阵 以倒易原点 O 为端点作入射波的波矢量 k 该矢量平行于入射束方向 长度等于波长的倒数 即 k 1 以 O 为中心 1 为半径作一个球 这就是爱瓦尔德球 或称为反射球 此时 若有倒易 阵点 指数为 hkl 正好落在爱瓦尔德球的球面上 则相应的晶面组 hkl 与入射束的方向 必满足布拉格条件 而衍射束的方向就是 OG 或者写成衍射波的波矢量 k 其长度也等于反 射球的半径 1 图 5爱瓦尔德球作图法 三 电子衍射谱的标定三 电子衍射谱的标定 3 1 电子衍射基本公式电子衍射基本公式 电子衍射操作是把倒易点阵的图像进行空间转换并在 正空间中记录下来 用底片记录下来的图像称之为衍射花 样 图 7 为电子衍射花样形成原理图 待测样品安放在爱瓦 尔德球的球心 O 处 入射电子束和样品内某一晶面 hkl 相遇并满足布拉格条件时 则在 k 方向上产生衍射束 ghkl 是衍射晶面倒易矢量 它的端点位于爱瓦尔德球面上 在试 样下方距离 L 处放一张底片 就可以把入射束和衍射束同 时记录下来 入射束形成的斑点 O 称为透射斑点或中心斑 点 衍射斑点 G 实际上是 ghkl矢量端点 G 在底片上的投影 端点 G 位于倒易空间 而投影 G 已经通过转换进入了正空 间 G 和中心斑点 O 之间的距离为 R 可把矢量 O G 写成 R 因 角非常小 ghkl矢量接近和入射电子束垂直 因此 可以认为 OO G OO G 因为从样品到底片的距离是已知的 故有 R L ghkl k 因为ghkl 1 dhklk 1 故R L1 d Lg 图 6电子衍射花样形成原理图 因为R ghkl 所以上式还可以写成R Lghkl Kghkl 这就是电子衍射基本公式 式中 K L 称为电子衍射的相机常数 而 L 称为相机长度 这就是说 衍射斑点的 R 矢量是产生这一斑点的晶面组倒易矢量 g 按比例的放大 相机常 数 K 就是比例系数 或放大倍数 3 2 单晶电子衍射花样的分析单晶电子衍射花样的分析 标定单晶电子衍射花样的目的是确定零层倒易截面上各 ghkl矢量端点 倒易阵点 的指 数 定出零层倒易截面的法向 即晶带轴 uvw 并确定样品的点阵类型 物相及位向 1 单晶衍射花样的产生及其几何特征单晶衍射花样的产生及其几何特征 由图 8 可以看出 单晶体的电子衍射 花样 是一系列排列得十分规则的斑点 这种花样的产生及其特点 可由图 7 得到 清楚的解释 前已解释 由于通常入射电 子束的波矢量 k 比倒易点阵矢量 g 要大得 多 衍射角 2 极小 所以只有在倒易原点 O 附近落在爱瓦尔德球球面上的那些倒易 阵点所代表的晶面组满足布拉格条件而产生衍 射束 考虑到爱瓦尔德球的半径 1 很大 O 附近的球面可以近似地被看成是垂直于入射波矢量 k 的平面 因而在确定的样品下 倒 易原点中也只有近似地垂直于 k 且通过 O 的一个平面内 的倒易阵点 有可能与球面接触而满足衍射条件 2 多晶衍射花样的产生及其几何特征多晶衍射花样的产生及其几何特征 多晶体样品的电子衍射和 X 射线粉末法所得花样的几 何特征非常相似 由一系列不同半径的同心圆环所组成 这 种环形花样的产生 是由于受到入射束辐照的样品区域内存 在大量取向杂乱的细小晶体颗粒 d 值相同的同一 hkl 晶面 族内符合衍射条件的晶面组所产生的衍射束 构成以入射束 为轴 2 为半顶角的圆锥面 它与照相底版的交线即为半 图 7晶带和它的倒易面 图8多晶体样品电子衍射 花样的产生 径 R L d 的圆环 如图 9 所示 事实上 属于同一晶面族 但取向杂乱的那些晶面组的 倒易阵点 在空间构成以 O 为中心 g 1 d 为半径的球面 它与爱瓦尔德球面交线是一个 圆 记录到的衍射花样中的圆环 就是这一交线的投影放大像 d 值不同的晶面族 将产生 半径不同的圆环 所谓多晶电子衍射花样的指数化 就是确定产生这些衍射环的晶面族指数 hkl 四 实例分析四 实例分析 20 nm20 nm 145nm145nm 15nm15nm 8nm8nm 2nm2nm 图 9TEM 样品整体形貌图 从整体形貌图上可以看出 纳米颗粒分布深度为 145 nm 粒径从表面到内部逐渐减小 表面颗粒直径较大 在 20 30 nm 中间区域纳米颗粒直径约为 7 nm 底部纳米颗粒直径 在 2nm 左右 1 1 2 2 5 nm5 nm 图 10TEM 样品纳米颗粒高分辨及 FFT 图 区域 A 选定图中的晶面区域 进行 FFT 转换 得到倒易空间对应的倒易阵点 然后量出不同 阵点到倒易原点之间的距离 取倒数就得到实际晶面间距 再参照 PDF 卡片中的晶面间距 数据找出对应物质 该图进行 FFT 转换之后 得到如下结果 表 1FFT 转换得出面间距结果统计 区域 A MarkNumberD SpacingElementLatticePlane 12 097 Cu 111 2 087 22 042 Rutile TiO2 210 2 054 1 1 2 2 5 nm5 nm 图 11TEM 样品纳米颗粒高分辨及 FFT 图 区域 B 表 2FFT 转换得出面间距结果统计 区域 B MarkNumberD SpacingElementLatticePlane 12 172 Rutile TiO2 111 2 187 22 095 Cu 111 2 087 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7272 图 12选区电子衍射图 表 3面间距结果统计 区域 C MarkNumberD SpacingElementLatticePlane 12 098 Cu 111 2 087 22 081 Cu 111 2 087 32 442 Anatase TiO2 103 2 435 42 426 Anatase TiO2 103 2 435 52 091 Cu 111 2 087 62 095 Cu 111 2 087 从上图可以看出 倒易格点 12 连线与 56 连线夹角为 72 说明在该区域存在两种取向的晶 体 Cu 晶面夹角为 72 同时有锐钛矿 TiO2存在 5 1 nm5 1 nm 图 13选区电子衍射图 表 4面间距结果统计 区域 D 123456 9 524 nm12 389 nm14 665 nm17 867 nm23 767 nm28 233 nm 2 099 1 614 1 364 1 119 0 842 0 708 CuCuOAnatase TiO2Rutile TiO2 2 087 111 1 622 021 1 367 116 1 114 410 图中不同半径的圆环分别对应不同物质的某一晶面 这些晶面有不同的取向 五 主要参考文献五 主要参考文献 1 黄孝瑛 透射电子显微学 M 上海 上海科学技术出版社 1980 2 刘文西 黄孝瑛 陈玉茹 材料结构电子显微分析 M 天津 天津大学出版社 1989