材料显微结构分析方法,清华大学研究生课程,VIII. 透 射 电 子 显 微 镜,一. 透射电镜结构原理,电子光学系统 ；,自动操作程度控制及数据处理微机系统。,真空系统 104106乇；,供电系统，高压稳定度；,VIII. 透 射 电 子 显 微 镜,电子光学系统：,电子照明系统 (电子枪，会聚镜系统）,2. 试样室,3. 成像放大系统,4. 图象记录装置,电子光学系统：,电子照明系统,*电子枪：,*会聚镜系统：,第一会聚镜：,第二会聚镜：,会聚光栏：,会聚光栏：,(电子枪，会聚镜系统）,10-5乇，以空气锁与试样室隔开,控制 e 束照射区域及强度,强透镜短焦距，缩小束径,会聚在后焦面，,控制 e 束发散及柱体中的气体向电子枪区域扩散。,弱透镜，扩束为2d，ED用，散焦减小孔径角，平行束。,加上消像散器，可变50400m，降低球差，消除像散,2. 试样室：,试样装入方式:,侧入式，,可作较大倾斜,双倾,平衡性稍差.,顶入式:,冷、热台，加压、拉伸,不能作倾斜，平衡性好.,空气锁的保证换样同时电镜柱体的真空度。,3. 成象放大系统：,物镜像平面中间镜前焦面,物镜后焦平面中间镜前焦面(ED),中间镜像平面投影镜前焦面,物镜,中间镜,投影镜,物镜光栏：,衬度光栏：,选区光栏：,4. 图象记录装置：,荧光屏,照像装置,ob极靴进口表面， 缩小孔径角用。,ob后焦面上,可变。,ob像平面上，可变 。,物镜成像原理,衍射花样成像,二. 显微成像及衍射花样成像原理 ：,衬度光栏,衬度光栏,选区光栏,选区光栏,物镜,中间镜,显微成像,试样,物镜成像原理,显微成像,衍射花样成像,*选区电子衍射 ：微晶结构及其形貌,如图，仅希望观察AA区,试样,物镜,衬度光栏,选区光栏,c: 调节I中,使f中,显微形貌观察,a: 打开衬度光栏,b: 调节选区光阑尺寸，,使之等于Md。,观察ED花样,至 f中前焦=f物后焦,缩小衬度光栏至0级衍射,AA,三. 成像衬度,散射衬度：透过试样不同部位时，散射与透射强度组成比例不同引起的反差 。,衍射衬度：透过试样不同部位时，衍射与透射强度组成比例不同引起的反差。,TEM衬度像：,铁红金圈结晶釉的表面形貌,复 型 像, 散射衬度,一次复型,二次复型,试样,复型像,一次复型,二次复型,(互补),(原貌),对薄晶体,当薄晶体中各部位(晶粒)符合Bragg条件不同时而产生的反差成为衍衬像。,衍衬像,薄：可透过e 晶体：可衍射,各部位，即取向差：小角晶界，晶粒取向，缺陷近旁取向及晶面间距差等。,取向差：e 束为短的德布罗意波，对晶体可衍射，取向即为波与各位的差。,电子束散射能力强，所以ED强度XRD，几个数量级，所以衬度大 。,* 明场像：,ID,I0-ID,晶体中(hkl)与入射e束成,衍射束与透射束聚焦在ob后焦面上 。,利用衬度光栏挡去,只有少数晶粒符合Bragg呈暗像；,多数晶粒不符合Bragg呈不同亮度 。,操作 ：,仅让I0-ID透射束成像。,符合Bragg方程 发生衍射ID。,ID,* 暗场像：,中心暗场像,旁轴暗场像,位错、挛晶、 电畴、共格相。,试样,物镜,衬度光栏,(1)倾斜电子束的方法。,(2)移动衬度光栏的方法。,使符合Bragg方程 发生衍射的晶粒成像。,使符合Bragg方程 发生衍射的晶粒成像。,SrTiO3陶瓷 TEM暗场像,SrTiO3陶瓷 TEM明场像,0.9PMN-0.1PT中B位有序区明场像,0.9PMN-0.1PT中B位有序区暗场像,等厚条纹:厚度不同引起(孔洞、边缘),ID高，可再次衍射。,试样的厚度足以使电子束反复散射,*条纹像：,试样不同深度处对入射电子束 形成入射，衍射线强度交替变化。,强 度,衍射线强度,入射线强度,这个周期距离称为消光距离d。,形成两股相互交叉在入射、 衍射方向上的电子束，,d,AlN陶瓷的TEM显微像,d,等厚条纹,等倾干涉条纹：,弯曲各部晶面与入射电子束不同，,*条纹像：,强 度,入射电子束,试样弯曲(受热或其他，薄片翘曲）,衍射情况不同所出现的干涉条纹。,符合Bragg条件不同，,AlN陶瓷的TEM显微像,等倾干涉条纹,2,hkl,爱瓦尔德作图法,2,2,当晶体无限厚,四. 电子衍射,(hkl)* 在倒空间是一倒易点,衍射峰窄小,不十分满足Bragg条件，因为晶体很薄，小于100埃，而Bragg公式是由无限厚晶体导出的。,爱氏球面几乎可近似为一平面，因为e束的德布罗意波长很短，故1/极大，尤其是与,1. 薄晶体衍射原理,比。,爱瓦尔德作图法：,反射球近乎是平面,所以，当晶体很薄时，,为满足爱氏作图法原理，,显然，倒易点 (hkl)*应该是具有一条倒易杆，,爱氏球(平)面才能与倒易杆相交发生衍射。,即存在,对,的偏离：,近似结果：,干涉函数,*偏离量值,与衍射强度关系，,当晶体为薄晶体时，,N3N2、N1,干涉函数可简化为：,因为,sz 是一个很小的量，,所以，,那么，衍射强度,当S在比2/t区间为小时，强度仍然很高，,1/t,杆与球面相截强度。,从符合爱瓦尔德作图法的意义上讲，相当于薄晶体的厚度方向(Z)倒易点阵的结点变成了“倒易杆”，,电子衍射原理：,l反射球面视为平面,反射球面可以与同一倒易面上的一组倒易结点相交，形成一个倒易平面倒易点分布的二维放大图形。,l倒易点倒易杆,PMN-PT陶瓷 晶粒的ED花样,电子衍射花样特征及标定：,l单晶：斑点花样,反射球面可以与同一倒易面上的一组倒易结点相交，形成一个倒易平面倒易点分布的二维放大图形。,电子衍射花样特征：,l多晶体：环花样 (同心圆),l玻璃：衍射荤环,铁镍基合金内的纳米微晶区 的显微像(左)及ED花样(右),堇青石玻璃陶瓷粉体 的TEM图像,堇青石玻璃陶瓷粉体的TEM图像(a)及其ED花样(b),由Bragg公式:,1/,1/d,O,O*,O,L,R,2,薄(单)晶体电子衍射几何：,爱氏球,薄晶体,即有：,由图：,即：,L:,电子衍射几何：,O,R,倒易杆,试样至底片有效长度,R:,斑点至底片中心距离,由：,O,R,那么：,由底片测出R，若已知L，可求d 。,所以 e 束入射方向约等于由衍射晶面组成的晶带的晶带轴。,换言之，只有那些与e束入射方向 为晶带轴所组成的晶带才能参与衍射。,晶带定理：,因为当很小时，e 束与衍射的晶面几乎是平行的,由结晶学知识，已知由两个不共方向的倒易矢量即可确定一个倒易点阵，,为两条不共方向、 相邻的最短矢量。,那么：,O*,因此，衍射矢量之间有一定内在联系，满足一定的关系：,满足关系：,(1),(2),若,和,由：,(1),(2),另有(3),O*,(4)任意确定某衍射点1的(hkl)；,#薄晶(单)体电子衍射花样标定步骤：,(1)测量各衍射点与中心点之距离 R ;,(2)求各衍射点的 ;,(3)对照JCPDS卡试标出各点的hkl；,R1,O*,R3,R2,hkl,(5)用组成最小平行四边形，试标另2、3点的(hkl)；,之夹角，与Cos的求值比较、验正标定结果的正确性；,(7)按指数沿一定方向整数增大，标出其余各衍射点的(hkl)；,(8)用,1(hkl),R1,O*,2,3,(220),(110),(6)测量,求晶带轴,电子衍射花样标定：,铁镍基合金中铁素体区内 AlNi金属间化合物析出物的ED分析,SrTiO3陶瓷的HTEM晶格条纹像,H-Nb2O5的HTEM晶格像,二. 以下是一篇科技论文对银纳米线材料的实验分析，右上图是银纳米线的TEM观察，图左上角为其ED分析；右下图是多种形态纳米银的XRD分析。作者由此得到以下一些结论： 1. 由右上的形貌图和选区衍射图可以证明Ag纳米线是多晶纤维 ； 2. 从右上图可以看到少量的Ag粒子附着在纳米线的表面； 3. 利用右下图的XRD实验的分析和计算、测量(已经扣除了仪器宽度)得到Ag纳米线的直径为37nm。 你认为上述的分析和结论是否正确，为什么？,课堂讨论思考及习题：,习 题：第33题 第35题 第37题,