TEM基本原理及实例分析.pdf

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1.2 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1～5μm ；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2～10μm的照明电子束斑 图3 成像系统光路2. 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4 JEM—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2.1 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2dsinθ=λ因为 sinθ=λ/2d≤1所以 λ ≤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1. 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/V b*=c×a/V c*=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：① 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Nhkl② 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/λ以O为中心，1/λ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/λ图5 爱瓦尔德球作图法三、电子衍射谱的标定3.1 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θ角非常小，ghkl 矢量接近和入射电子束垂直，因此，可以认为 ΔOO*G∽ ΔOO'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/dhkl k=1/λ故 R=λL1/d=λLg 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=λLghkl=Kghkl这就是电子衍射基本公式式中K=λL 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2θ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/λ）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，2θ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=λL/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20 nm145nm15nm 8nm2nm 图9 TEM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145nm，粒径从表面到内部逐渐减小，表面颗粒直径较大，在20～30nm，中间区域纳米颗粒直径约为7nm，底部纳米颗粒直径在2nm左右12 5 nm图10 TEM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1 FFT转换得出面间距结果统计（区域A）Mark Number D—Spacing Element Lattice Plane1 2.097Å Cu （111）2.087Å2 2.042Å Rutile(TiO2) （210）2.054Å12 5 nm图11 TEM样品纳米颗粒高分辨及FFT图（区域B）表2 FFT转换得出面间距结果统计（区域B）Mark Number D—Spacing Element Lattice Plane1 2.172Å Rutile(TiO2) （111）2.187Å2 2.095Å Cu （111）2.087Å123 45672图12 选区电子衍射图表3 面间距结果统计（区域C）Mark Number D—Spacing Element Lattice Plane1 2.098Å Cu （111）2.087Å2 2.081Å Cu （111）2.087Å3 2.442Å AnataseTiO2 （103）2.435Å4 2.426Å AnataseTiO2 （103）2.435Å5 2.091Å Cu （111）2.087Å6 2.095Å Cu （111）2.087Å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/nm 图13 选区电子衍射图表4 面间距结果统计（区域D）1 2 3 4 5 69.524nm 12.389nm 14.665nm 17.867nm 23.767nm 28.233nm2.099Å 1.614Å 1.364Å 1.119Å 0.842Å 0.708ÅCu CuO AnataseTiO2 RutileTiO22.087Å（111） 1.622Å(021) 1.367Å(116) 1.114Å（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[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.。