第八章 晶体薄膜的电子显微分析n n复型技术：复型技术： 只能表面形貌分析（萃取只能表面形貌分析（萃取 复型对基体组织复型对基体组织仍只是形貌）仍只是形貌） 分辨本领受限分辨本领受限n n晶体薄膜：晶体薄膜： 高分辨本领高分辨本领 内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍射成像和电子衍射研究行衍射成像和电子衍射研究 动态观察动态观察一、晶体薄膜样品制备一、晶体薄膜样品制备1. 1.要求要求n n厚度：厚度：500nm500nm以下以下n n组织结构与大块样品相同组织结构与大块样品相同n n有较大的透明面积有较大的透明面积n n有一定的强度、刚度有一定的强度、刚度n n制备过程中表面不能产生氧化和腐蚀制备过程中表面不能产生氧化和腐蚀2. 2.制备方法制备方法n n生长薄膜生长薄膜n n减薄薄膜减薄薄膜3. 3.减薄薄膜制备方法减薄薄膜制备方法（1 1）切薄片）切薄片 0.30.5mm 0.30.5mm n n电火花切割电火花切割 导电样品导电样品n n金刚石刃内圆切割机金刚石刃内圆切割机 不导电样品不导电样品 （2 2）预减薄）预减薄n n化学法化学法 2050 2050 mmn n机械法机械法 70 70100100mm（3）最终减薄n n双喷电解抛光法 目前效率最高和操作最简便的方法 但不适于: 非导电样品 容易腐蚀的试样 具有孔隙的粉末冶金试样 组织中各相减薄速度差过大 硬质合金及易于脆断不能清洗的石墨样品n n离子减薄法 不导电样品和导电样品均适用 通常在离子减薄前先使用挖坑机二、衍射衬度成像（衍衬成像）原理1.明场像2.暗场像3.中心暗场像三、电子衍衬像的运动学原理n n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。n n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。n n衍射衬度特点：与晶体内部结构具有相应性但不相似，反映出来的图像需要用衍衬理论解释n n衍衬理论：预示或解释晶体图象特征，讨论晶体结构、成分、位向、缺陷、厚度等因素与衍射强度Ig的关系的理论1.基本假设（1）双束假设假定电子束透过薄晶体试样成像时，除了透射束外只存在一束较强的衍射束，而其它衍射束却大大偏离布拉格条件，它们的强度均可视为零。（2）入射束与衍射束间相互作用不存在（3）电子束在晶体样品内多次吸收可忽略不计（4 4）柱体近似）柱体近似所谓柱体近似就所谓柱体近似就是把成像单元缩小到和一个是把成像单元缩小到和一个晶胞相当的尺度。可以假定晶胞相当的尺度。可以假定透射束和衍射束都能在一个透射束和衍射束都能在一个和晶胞尺寸相当的晶柱内通和晶胞尺寸相当的晶柱内通过，此晶柱的截面积等于或过，此晶柱的截面积等于或略大于一个晶胞的底面积、略大于一个晶胞的底面积、相邻晶柱内的衍射波不相干相邻晶柱内的衍射波不相干扰，晶柱底面上的衍射强度扰，晶柱底面上的衍射强度只代表一个晶柱内晶体结构只代表一个晶柱内晶体结构情况。情况。2. 2.理想晶体衍射强度理想晶体衍射强度式中：式中：s s 偏离参量偏离参量 t t 晶体厚度晶体厚度 消光距离消光距离 消光距离，即强到强或弱到弱的深度距离，这里的“消光”指的是尽管满足衍射条件，但由于动力学相互作用而在晶体内一定深度处衍射波或透射波的强度实际为零3.金属薄膜的衍衬图象分析（1）完整晶体厚度消光条纹（等厚条纹）n n同一条纹上晶体厚度相同 立方立方ZrOZrO2倾斜晶界条纹（2）理想晶体弯曲消光条纹（等倾条纹）4.非理想晶体衍射强度四、晶体缺陷分析1.层错堆积层错是最简单的平面缺陷。层错发生在确定的晶面上，层错面上、下方分别是位向相同的两块理想晶体，但下方晶体相对于上方晶体存在一个恒定的位移R。（1）平行于薄膜表面的层错（2）倾斜于薄膜表面的层错2.位错3.第二相粒子这里指的第二相粒子主要是指那些和基体之间处于共格或半共格状态的粒子，它们的存在会使基体晶格发生畸变，由此就引入了缺陷矢量R，使产生畸变的晶体部分和不产生畸变的部分之间出现衬度的差别，因此，这类衬度被称为应变场衬度。应该指出的是共格第二相粒子的衍衬图像并不是该粒子真正的形状和大小，这是一种因基体畸变而造成的间接衬度。五、薄膜衍衬技术在材料研究中的五、薄膜衍衬技术在材料研究中的应应 用用位错与金属的强度位错与金属的强度TheObservationofTheObservationofDislocationsinMetalsbyEMDislocationsinMetalsbyEMn n赫什（赫什（HirchHirch）用电镜从实）用电镜从实验上证明了位错的存在。验上证明了位错的存在。n n高分辨电子显微技术能显高分辨电子显微技术能显示位错的原子排列结构示位错的原子排列结构纳米材料的结构表征纳米材料的结构表征Structural study of nanostructured materialsn n探索性的表征促进了纳米科技领域的重要发现，开拓了新的方向Somu Iijima 于于1991年在电子显微镜下发现纳米碳管，年在电子显微镜下发现纳米碳管， Nature，354 (1991) 56.蛋白超微结构的现代电子显微分析蛋白超微结构的现代电子显微分析ThestateofartofmodernThestateofartofmodernproteinelectronmicroscopyproteinelectronmicroscopyn nAtomicScaleVisulizationoftheR-subunitofthebacterialflagellaproteinfilamentbyelectroncryomicroscopyNature, 424, p643-650 (2003)病毒结构学病毒结构学 StructuralbiologyofvirusStructuralbiologyofvirusn nVirus,naturalVirus,naturalnanoparticlesnanoparticlesInfluenza virusInfluenza virus (an Orthomyxovirus) is responsible for acute upper respiratory disease, usually accompanied by fever and myalgia SARS virus particles (Nature, v423, p240,2003) Fig.3 TEM micrograph (a); HRTEM image (b) and EDS spectrum(c) of the 120min milled nanocomposite powder 100nm10nmCeO2(b)(a)(c)