1、1 实验一实验一、透射电镜基本结构与原理透射电镜基本结构与原理实验二实验二、典型组织观察、典型组织观察实验三实验三、透射电镜样品制备透射电镜样品制备实验四实验四、电子衍射结构分析电子衍射结构分析实验五实验五、透射电镜基本操作方法透射电镜基本操作方法2透射电子显微镜透射电子显微镜 透射电子显微镜是利用电子的波动性透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器。尽管复杂得多，它在察原子结构的仪器。尽管复杂得多，它在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计，原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计，简单化地可将其看成放大倍率高得多的成
2、简单化地可将其看成放大倍率高得多的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在数十像仪器。一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。有些甚至可达数百万倍或千万倍。34611 透射电镜主要结构透射电镜主要结构电镜的基本组成包括电子枪（光源）与加速级管、电镜的基本组成包括电子枪（光源）与加速级管、聚光系统、成像系统、放大系统和记录系统。光聚光系统、成像系统、放大系统和记录系统。光路上主要由各种磁透镜和光阑组成路上主要由各种磁透镜和光阑组成.1照明系统
3、照明系统2成像放大系统成像放大系统 1）物镜）物镜 2）光阑）光阑 3）中间镜、投影镜）中间镜、投影镜 M总总M物物M中中M投投 3显象记录系统显象记录系统78透射电镜组成示意图透射电镜组成示意图9光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子枪聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板101.电子光学系统电子光学系统 图图9.1 是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结构上看，和光学透镜非常类似。构上看，和光学透镜非常类似。1）照明部分）照明部分 （1）阴极：又称灯丝，一般是由）阴极：又称灯丝，一般是由0.030.1毫米毫米的钨丝作成的钨丝作成V或或Y形状。
4、形状。（2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。（3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。小，调节象的亮度。阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，人们习惯上把它们通称为能，因此，人们习惯上把它们通称为“电子枪电子枪”。透射电镜一般是电子光学系统、真空透射电镜一般是电子光学系统、真空系统、供电系统三大部分组成。系统、供电系统三大部分组成。11（4）聚光镜：由于电子之间的
5、斥力）聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜就是为克服这种上仍然过大。聚光镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用。再一次将发散的电子会聚起来的作用。12阴极（接负高压）阴极（接负高压）控制极（比阴极控制极（比阴极负负1001000伏）伏）阳极阳极电子束电子束聚光镜聚光镜试样试样照明部分示意图照明部分示意图13电子电子枪枪 电子枪的类型有热发射和场发射两种，电子枪的类型有热发射和场发射两种，
6、大多用钨和六硼化镧材料。一般电子枪的大多用钨和六硼化镧材料。一般电子枪的发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理基本相同，即通过加热来使整个枪体来发基本相同，即通过加热来使整个枪体来发射电子。电子枪的发射体使用的材料有钨射电子。电子枪的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种。前者比较便宜并对真空和六硼化镧两种。前者比较便宜并对真空要求较低，后者发射效率要高很多，其电要求较低，后者发射效率要高很多，其电流强度大约比前者高一个量级。流强度大约比前者高一个量级。14 这部分由试样室、物镜、中间镜、投影镜等组这部分由试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成。成。（1）试样室：位于
7、照明部分和物镜之间，它）试样室：位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。（2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组织相对应的显微象。透射电镜的好坏，很大程度织相
8、对应的显微象。透射电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。上取决于物镜的好坏。15 近代高性能电镜一般都设有两近代高性能电镜一般都设有两个中间镜，两个投影镜。三级放大个中间镜，两个投影镜。三级放大放大成象成象和极低放大成象示意放大成象成象和极低放大成象示意图如下所示图如下所示:16（a）高放大率）高放大率（b）衍射）衍射（c）低放大率）低放大率物物物镜物镜衍射谱衍射谱一次象一次象中间镜二次象二次象投影镜投影镜 三次象三次象（荧光屏）（荧光屏）选区光阑选区光阑17物镜关闭物镜关闭无光阑无光阑 中间镜中间镜（作物镜用）（作物镜用）投影镜投影镜第一实象第一实象（荧光屏）（荧光屏）.普查象普查象极低放
9、大率象极低放大率象18这部分由观察室和照相机构组成。这部分由观察室和照相机构组成。在分析电镜中，还有探测器和电子能在分析电镜中，还有探测器和电子能量分析附件。量分析附件。3）显象部分）显象部分19 为了保证真在整个通道中只与试样发为了保证真在整个通道中只与试样发生相互作用，而不与空气分子发生碰撞，生相互作用，而不与空气分子发生碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底板因此，整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为为 10-410-7 毫米汞柱。毫米汞柱。20 透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的透射电镜需要两部分电源：一是供给
10、电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。电源的稳定性电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。所以，对供电系统的主要要求是产重要的标志。所以，对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统。作程序控制系统和数据处理的计算机系统。21第一节第一节 透射电子显微镜工作原理及构造透射电子显微镜工作原理及构造 一、工作原理 成像原理与光学显微镜类似。它们的根
11、本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg）方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。222321 透射电镜样品制备透射电镜样品制备 1陶瓷原料样品陶瓷原料样品 支持膜支持膜 塑料支持膜塑料支持膜 塑料塑料碳支持膜碳支持膜 碳支持膜碳支持膜 粉末样品的分散方法粉末样品的分散方法 超声波振荡法、喷雾法、悬浮液法。超声波振荡法、喷雾法、悬浮液法。242陶瓷制品陶瓷制品 复型复型 (1)一级复型一级复型
12、(2)二级复型二级复型 （3）衬度的提高）衬度的提高 超薄切片与直接薄膜样品超薄切片与直接薄膜样品 萃取复型萃取复型2526272829近代材料测试技术近代材料测试技术第六讲第六讲复型技术复型技术30一、复型样品的成像原理及复型材料的选择一、复型样品的成像原理及复型材料的选择v电子束的穿透能力电子束的穿透能力加速电压加速电压50200KV100200nmv复型：把浸蚀产生的金相试样复型：把浸蚀产生的金相试样表面显微组织浮雕复制到一种很表面显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，复制成薄膜叫做薄的膜上，复制成薄膜叫做“复复型型”。1.成像原理成像原理（1）试样对入射电子的散射）试样对入射电子的散射弹性
13、散射弹性散射非弹性散射非弹性散射影响散射角的因素：影响散射角的因素：r rn n U ZeU Ze31v所谓小孔径角成像是指在所谓小孔径角成像是指在物镜背焦平面上沿径向插入物镜背焦平面上沿径向插入一个小孔径的物镜光阑，挡一个小孔径的物镜光阑，挡掉散射角大于掉散射角大于的电子，只的电子，只允许散射角小于允许散射角小于的电子通的电子通过物镜光阑参与成像，而图过物镜光阑参与成像，而图像的衬度就取决于透过物镜像的衬度就取决于透过物镜光阑投影到荧光屏或照相底光阑投影到荧光屏或照相底片上不同区域的电子强度差片上不同区域的电子强度差别。别。（2）小孔经成像）小孔经成像32（3）质厚衬度成像原理）质厚衬度成像
14、原理v对于非晶体样品对于非晶体样品来说，入射电子透来说，入射电子透过样品时碰到的原过样品时碰到的原子数目越多子数目越多(或样品或样品越厚越厚)，样品原子核，样品原子核库仑电场越强库仑电场越强(或样或样品原子序数越大或品原子序数越大或密度越大密度越大)，被散射，被散射到物镜光阑外的电到物镜光阑外的电子就越多，而通过子就越多，而通过物镜光阑参与成像物镜光阑参与成像的电子强度也就越的电子强度也就越低。低。332.复型材料的选择复型材料的选择 对复型材料的要求：对复型材料的要求：复型材料是非晶体，复制样品表面浮雕能力复型材料是非晶体，复制样品表面浮雕能力强。分子尺寸要小，以提高对表面细节的显示。强。分
15、子尺寸要小，以提高对表面细节的显示。复型材料有足够的强度和刚度。防止破损或复型材料有足够的强度和刚度。防止破损或畸变。畸变。在电子束作用下，不易烧蚀、分解。在电子束作用下，不易烧蚀、分解。不腐蚀金属样品表面。不腐蚀金属样品表面。34火棉胶溶液：是浓度为火棉胶溶液：是浓度为0.5一一4的火棉胶的火棉胶 醋酸戊脂溶液。醋酸戊脂溶液。AC纸：是浓度为纸：是浓度为6一一12醋酸纤维素丙酮溶醋酸纤维素丙酮溶液，为了使其质地柔软、渗透性强，在溶液中加液，为了使其质地柔软、渗透性强，在溶液中加入入2一一3磷酸二苯脂；为使其有颜色，在溶液磷酸二苯脂；为使其有颜色，在溶液中加入少许基紫，大约经过中加入少许基紫，
16、大约经过24h个部溶解。把这个部溶解。把这种溶液倒在光滑的玻璃板上，倾斜转动玻璃板使种溶液倒在光滑的玻璃板上，倾斜转动玻璃板使其大面积铺展，为保持其大面积铺展，为保持AC纸清洁，防止吸水变白、纸清洁，防止吸水变白、卷曲开裂，再用一个玻璃钟罩将其扣上，同时钟卷曲开裂，再用一个玻璃钟罩将其扣上，同时钟罩下面留有一定空隙，以保证丙酮挥发逸出，经罩下面留有一定空隙，以保证丙酮挥发逸出，经过过24h，即可把干透的，即可把干透的AC纸揭下，夹在书中备用。纸揭下，夹在书中备用。常用复型材料及制备常用复型材料及制备35三、重金属投影和真空镀膜机三、重金属投影和真空镀膜机1.重金属投影重金属投影1）投影及其效果
17、）投影及其效果2）投影用重金属：常用的投影金属是铬投影用重金属：常用的投影金属是铬(Cr)、锗、锗(Ge)、金金(Au)和铂和铂(Pt)等。等。3)投影角度：投影角度：3045度，组织较细小，浸蚀较浅，可用度，组织较细小，浸蚀较浅，可用较小的角度，否则用大角度较小的角度，否则用大角度362.真空镀膜机及其操作真空镀膜机及其操作v真空镀膜机重金属投影和喷碳设备真空镀膜机重金属投影和喷碳设备37v真空镀膜机的操作真空镀膜机的操作“投影投影”与与“喷碳喷碳”操作规程操作规程 (1)打开总电源打开操作面板上的控制开关。打开总电源打开操作面板上的控制开关。(2)打开冷却水，开机械泵抽打开冷却水，开机械泵
18、抽56min后，给扩散泵加热，待加热后，给扩散泵加热，待加热30min后，停机械泵。后，停机械泵。(3)将低真空三通阀拉出。开磁力充气阀对钟罩充气，取下钟罩，将低真空三通阀拉出。开磁力充气阀对钟罩充气，取下钟罩，关磁力充气阀。关磁力充气阀。(4)在蒸发电极在蒸发电极I的钨丝网内放入金丝或铬粒。在蒸发电极的钨丝网内放入金丝或铬粒。在蒸发电极H处安处安放磁棒，摆好样品，调好蒸发距离与角度，盖上钟罩。放磁棒，摆好样品，调好蒸发距离与角度，盖上钟罩。(5)开机械泵，开低真空测量，对镀膜室抽低真空达开机械泵，开低真空测量，对镀膜室抽低真空达85Pa左右。左右。(6)将低真空三通阀于柄推入抽系统，开高真空
19、蝶阀，待真空度将低真空三通阀于柄推入抽系统，开高真空蝶阀，待真空度达达0.1Pa时，开高真空测量。时，开高真空测量。(7)当真空度达到当真空度达到0.003Pa时，将开关时，将开关3HK拔到蒸发档，蒸发极拨拔到蒸发档，蒸发极拨到到I，转动调压手轮，逐渐加大电流，重金属发出辉光，随后开始蒸，转动调压手轮，逐渐加大电流，重金属发出辉光，随后开始蒸发，待蒸发完毕，把旋转调压器手轮归零。发，待蒸发完毕，把旋转调压器手轮归零。38 8)把蒸发电极拨到把蒸发电极拨到II位置，再转动调压手轮，逐位置，再转动调压手轮，逐渐加大电流至出现辉光放电，碳开始蒸发，当乳渐加大电流至出现辉光放电，碳开始蒸发，当乳白色瓷
20、片未滴油处出现棕色时，喷碳完毕，旋转白色瓷片未滴油处出现棕色时，喷碳完毕，旋转调压器手轮归零。调压器手轮归零。(9)待样品冷却后，关闭高真空测量和高真空蝶待样品冷却后，关闭高真空测量和高真空蝶阀，把低真空三通阀手柄拉出，关机械泵，开磁阀，把低真空三通阀手柄拉出，关机械泵，开磁力充气阀充气，关充气阀，取下钟罩，取出样品，力充气阀充气，关充气阀，取下钟罩，取出样品，清洗镀膜室，盖上钟罩。开机械泵抽低真空清洗镀膜室，盖上钟罩。开机械泵抽低真空56mm后停机械泵，关闭各电源及总电源。待扩散后停机械泵，关闭各电源及总电源。待扩散泵停止加热泵停止加热30min后再关冷却水，全部工作结束。后再关冷却水，全部
21、工作结束。39四、复型样品的种类及制作方法四、复型样品的种类及制作方法1.塑料一级复型塑料一级复型 (1)预先配制塑料溶液；预先配制塑料溶液；(2)用滴管在金相试样表面放一滴塑料溶液。用清洁玻用滴管在金相试样表面放一滴塑料溶液。用清洁玻璃棒轻轻地刮平，多余的溶液用滤纸吸掉，静置，待溶璃棒轻轻地刮平，多余的溶液用滤纸吸掉，静置，待溶剂蒸发后，形成厚度约剂蒸发后，形成厚度约100nm的塑料薄膜；的塑料薄膜；(3)在透明胶纸上放几块略小于铜网的纸片，再在其上在透明胶纸上放几块略小于铜网的纸片，再在其上放置铜网，使其边缘粘贴在胶纸上；放置铜网，使其边缘粘贴在胶纸上；(4)对已干燥的塑料表面呵一口气，使
22、之稍湿润，把贴对已干燥的塑料表面呵一口气，使之稍湿润，把贴有铜网的胶纸平整地压贴上去，利用胶纸的粘性把塑料有铜网的胶纸平整地压贴上去，利用胶纸的粘性把塑料一级复型从金相试样表面子剥下来；一级复型从金相试样表面子剥下来；(5)用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料膜划开，用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料膜划开，再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型取下，即可放到透射电镜中去观察。取下，即可放到透射电镜中去观察。40塑料一级复型的干剥塑料一级复型的干剥塑料一级复型的特点：塑料一级复型的特点：v 塑料一级复型操作简塑料一级复型操作简单，假象
23、少，可定点观单，假象少，可定点观察。但衬度差察。但衬度差，易被电，易被电子束烧蚀和分解，分辨子束烧蚀和分解，分辨率低仅达到率低仅达到20nm左右。左右。412.碳一级复型碳一级复型制备方法如下：制备方法如下：(1)在真空镀膜装置中以垂直的方向在已浸蚀好的金相在真空镀膜装置中以垂直的方向在已浸蚀好的金相试样表面上直接蒸发沉积一层厚度为数十纳米的碳膜。蒸试样表面上直接蒸发沉积一层厚度为数十纳米的碳膜。蒸发沉积碳膜的厚度，由放在金相试样旁边的乳白色瓷片表发沉积碳膜的厚度，由放在金相试样旁边的乳白色瓷片表面在喷碳前后颜色的变化来估计，一般认为变为浅棕色为面在喷碳前后颜色的变化来估计，一般认为变为浅棕色
24、为宜。宜。(2)用针尖或小刀把喷过碳的金相试样表面划成略小于铜用针尖或小刀把喷过碳的金相试样表面划成略小于铜网的小方格然后浸入适当的化学试剂中作第二次浸蚀或网的小方格然后浸入适当的化学试剂中作第二次浸蚀或电解抛光，使碳膜与金相试样表面分离。对于普通的碳钢电解抛光，使碳膜与金相试样表面分离。对于普通的碳钢或合金钢，可采用或合金钢，可采用10硝酸酒精溶液，硝酸酒精溶液，11.5Acm2电电流密度电解抛光流密度电解抛光15s左右使碳膜分离，然后放到浓度为左右使碳膜分离，然后放到浓度为30一一40的硝酸中洗涤的硝酸中洗涤10min,最后用蒸馏水洗涤最后用蒸馏水洗涤5min左左右。右。(3)用铜网将碳复
25、型捞起烘干即可放到透射电子显微镜用铜网将碳复型捞起烘干即可放到透射电子显微镜中去观察中去观察。42碳一级复型制备及其图像衬度碳一级复型制备及其图像衬度特点：特点：碳一级复型分辨率高可达到碳一级复型分辨率高可达到25nm，性能稳定，假，性能稳定，假象少，但制作方法比较麻烦，而且经化学或电解方法分离象少，但制作方法比较麻烦，而且经化学或电解方法分离碳复型时，金相试样的原始表面易破坏。图像衬度较差，碳复型时，金相试样的原始表面易破坏。图像衬度较差，只能看出浮雕轮廓线，却不能区别其是凸或凹。只能看出浮雕轮廓线，却不能区别其是凸或凹。433塑料塑料碳二级复型碳二级复型v塑料碳二级复型是使用较普遍的一种复
26、型，它兼有塑料一级复塑料碳二级复型是使用较普遍的一种复型，它兼有塑料一级复型和碳一级复型的某些优点。具体制备方法如下：型和碳一级复型的某些优点。具体制备方法如下：(1)先制备塑料一级复型先制备塑料一级复型 (2)将塑料复型的复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上。将塑料复型的复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上。(3)将固定好的塑料复型放在真空镀膜装置。先以倾斜方向投影将固定好的塑料复型放在真空镀膜装置。先以倾斜方向投影重金属，再以垂直方间喷碳。重金属，再以垂直方间喷碳。(4)将复合型剪成略小于铜网的小方块，然后用生物切片石蜡将将复合型剪成略小于铜网的小方块，然后用生物切片石蜡将小方块喷碳一面贴
27、在烘热的小玻璃片上，待玻璃片冷却，石蜡凝固小方块喷碳一面贴在烘热的小玻璃片上，待玻璃片冷却，石蜡凝固后，放到盛有丙酮或醋酸甲脂的有磨口盖的容器中，将第一级复型后，放到盛有丙酮或醋酸甲脂的有磨口盖的容器中，将第一级复型徐徐溶解，经放在烘箱或水浴内加热后第二级复型则漂浮在丙酮溶徐徐溶解，经放在烘箱或水浴内加热后第二级复型则漂浮在丙酮溶液中。液中。(5)用铜网把第二级复型转移到清洁的丙酮中洗涤，再捞到蒸馏用铜网把第二级复型转移到清洁的丙酮中洗涤，再捞到蒸馏水中，依靠水的表面张力使第二级复型平展并漂浮在水面上，再用水中，依靠水的表面张力使第二级复型平展并漂浮在水面上，再用摄子夹住铜网把第二级复型捞起，
28、干燥后即可供观察。摄子夹住铜网把第二级复型捞起，干燥后即可供观察。44塑料碳二级复型的制备塑料碳二级复型的制备 特点：特点：（1）优点是不）优点是不破坏金相试样的破坏金相试样的原始表面，必要原始表面，必要时可重复制备。时可重复制备。（2）碳膜，导）碳膜，导电导热性好，在电导热性好，在电子束照射下较电子束照射下较稳定。（稳定。（3）经）经重金属重金属“投影投影”处理，既增加了处理，既增加了衬度，又能增加衬度，又能增加图像的层次感和图像的层次感和立体感。立体感。454.萃取复型萃取复型v萃取复型可用来观察分析第二相粒子的形状、大小、分萃取复型可用来观察分析第二相粒子的形状、大小、分布，同时还可以用
29、电子衍射法分析它们的物相。目前常用布，同时还可以用电子衍射法分析它们的物相。目前常用碳抽取复型，具体制备方法如下：碳抽取复型，具体制备方法如下：(1)在深浸蚀过的金相试样表面、蒸发沉积一层较厚的在深浸蚀过的金相试样表面、蒸发沉积一层较厚的碳膜碳膜(20nm以上以上)，然后用针尖或小刀把碳膜划成小于铜，然后用针尖或小刀把碳膜划成小于铜网的小方块。网的小方块。(2)将喷碳、划过格的试样放到盛有浸蚀剂的器皿中进将喷碳、划过格的试样放到盛有浸蚀剂的器皿中进行第二次深浸蚀行第二次深浸蚀(或进行电解抛光或进行电解抛光)，使碳膜连同凸出试样，使碳膜连同凸出试样表面的第二相粒子与基体分离。表面的第二相粒子与基
30、体分离。(3)将分离后的碳膜转移到某种化学试剂中洗涤，溶去将分离后的碳膜转移到某种化学试剂中洗涤，溶去残留的基体，最后移到酒精中洗涤，用铜网捞起，干燥后残留的基体，最后移到酒精中洗涤，用铜网捞起，干燥后即可供观察和进行衍射分析。即可供观察和进行衍射分析。46萃取复型的制备萃取复型的制备47 (一一)胶粉混合法胶粉混合法 在干净玻璃片上调火棉胶溶液，然后在玻璃片胶液上在干净玻璃片上调火棉胶溶液，然后在玻璃片胶液上放少许粉末并搅匀。再将另一玻璃片压上，两玻璃片对研放少许粉末并搅匀。再将另一玻璃片压上，两玻璃片对研并突然抽开。稍候，膜干，用刀片划成小方格，将玻璃片并突然抽开。稍候，膜干，用刀片划成小
31、方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落用铜网斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落用铜网将方形膜捞出，待观察。将方形膜捞出，待观察。(二二)支持膜分散粉末法支持膜分散粉末法 需透射电镜分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔，需透射电镜分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉木放在膜上棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉木放在膜上送入电镜分析。送入电镜分析。5.粉末样品粉末样品48粉末样品的观察粉末样品的观察49TEM样品制备技术 一 平面
32、样品制备 二 截面样品制备 三 粉末样品制备 四 氩离子减薄样品 TEM样品制备在电子显微学研究中起着非常重要的作用。制备方法:化学减薄；电解双喷；解理；超薄切片；粉碎研磨；聚焦离子束；机械减薄；离子减薄，这些方法都能制备出较好的薄膜样品。新材料的发展对样品制备技术提出了更高的要求，制备时间短，可观察的面积更大，薄区的厚度更薄，并能高度局域减薄。TEM样品类型(本室研究课题所涉及的材料)块状：用于普通微结构研究 平面：用于薄膜和表面附近微结构研究 横截面样品：薄膜和界面的微结构研究 纳米材料：粉末，纤维，纳米量级的材料50薄膜透射样品制备工艺示意图51一平面样品制备 1.切割 2.平面磨 3.
33、钉薄(凹坑)4.厚度的测量 5.粘环(样品支架)5253五、典型组织观察五、典型组织观察1.珠光体组织观察珠光体组织观察54v屈屈 氏氏 体体552.贝氏体组织贝氏体组织v上贝氏体上贝氏体56v下贝氏体下贝氏体57v粒状贝氏体粒状贝氏体58碳钢的回火组织观察碳钢的回火组织观察59回火组织回火组织601Cr18Ni9Ti不锈钢萃取复型不锈钢萃取复型固溶处理后固溶处理后800保温保温189h61韧性断口韧性断口4.断断 口口62脆性断口脆性断口63脆性断口脆性断口典型河流花样典型河流花样6431 电子衍射及电子衍射及 结构分析结构分析 电子衍射与电子衍射与X射线衍射的基本原理是完全射线衍射的基本原
34、理是完全一样的，两种技术所得到的晶体衍射花样在一样的，两种技术所得到的晶体衍射花样在几何特征上也大致相似，电子衍射与几何特征上也大致相似，电子衍射与X射线射线衍射相比的突出特点为：衍射相比的突出特点为：在同一试样上把物相的形貌观察与结构在同一试样上把物相的形貌观察与结构分析结合起来；分析结合起来；物质对电子的散射更强，约为物质对电子的散射更强，约为X射线的射线的一百万倍，特别适用于微晶、表面和薄膜的一百万倍，特别适用于微晶、表面和薄膜的晶体结构的研究，且衍射强度大，所需时间晶体结构的研究，且衍射强度大，所需时间短，只需几秒钟。短，只需几秒钟。65 1电子衍射基本公式电子衍射基本公式 Rd=L=
35、K 2有效相机常数有效相机常数K的标定的标定 3单晶衍射花样的分析单晶衍射花样的分析66典 型 电 子典 型 电 子衍射图衍射图（a）非晶）非晶（b）单晶）单晶（c）多晶）多晶（d）会聚）会聚束束67第三章 电子衍射（TEM）第一节 倒易阵点基本知识第二节 散射振幅及消光定律第三节 相机常数公式（电子衍射“放大”公式）第四节 多晶电子衍射花样及其标定第五节 单晶电子衍射花样及其标定第六节 其它类型衍射分析技术介绍68电子衍射单晶衍射:周期性规则排列的斑点多晶衍射:一组同心圆环69电子衍射简介1 金属和其它晶体物质是由原子，离子或原子集团在三维空间内周期性地有规则排列的质点对具有适当波长的辐射波
36、（如X射线、电子或中子）的弹性相干散射，将产生衍射现象，在某些确定的方向上；散射波因位相相同而彼此加强，而在其它方向上散射波的强度很弱或等于零。电子显微镜的照明系统提供了一束波长恒定的单色平面波，因而自然地具备着用它对晶体样品进行电子衍射分析的条件。电子衍射与x射线衍射的基本原理是完全一样的，两种技术所得到的晶体衍射花样在几何特征上也大致相似。多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环。单晶花样由排列得十分整齐的许多斑点所组成，分别如图a）和b）所示。单晶体的电子衍射花样比X射线劳厄法所得的花样，更能直观地反映晶体的点阵结构和位向；特别是当采用倒易点阵和爱瓦尔德球作图法时，这种联系将是十分
37、明显的，并常常可以使单晶电子衍射花样的分析方法变得相当简单 70电子衍射简介2目前大多在透射型电子显微镜中利用选区衍射的方式进行电子衍射分析，晶体样品的形貌特征和微区晶体学性质可以在同一仪器中得到反映，这是现有其它显微分析方法所难以实现的。同时，电子衍射对于金属薄膜（以及其它薄晶体样品）衍衬成像的机理具有重要的理论和实践意义，因为这种图像的衬度特征取决于用以成像的某一特定衍射束的强度，它能显示样品内组成相的结构，位向和晶体缺陷等等，因而图像的获得和诠释皆有赖于被观察视域选区电子衍射花样的正确辨认和分析。本章主要说明电子衍射几何理论的一些基本概念，即只限于分析衍射花样的几何特征和由此所能获得的样
38、品晶体学信息。只涉及高能电子衍射（HEED），入射电子的能量一般在数十千电子伏以上；另一类特别适用于表面结构分析的所谓低能电子衍射（LEED），其仪器构造和花样分析方法均不同于高能电子衍射，将在以后给以简单的介绍。71选区电子衍射1选区衍射的最小分析区域：.m因为选区范围可发生误差，这种误差来源于选区成像时物镜的聚焦精度和球差 缩小选区光栏的孔径使样品上被分析范围小于.m将是徒劳的。TEM可以同时显示形貌图像和分析晶体结构，通常采用”选区电子衍射“方法，有选择地分析样品不同微区范围内的晶体结构特性。选区衍射的基本原理见图。当电镜以成像方式操作时（SA），中间镜物平面与物镜像平面重合，荧光屏上显
39、示样品的放大图像。此时，我们在物镜像平面内插入一个孔径可变的选区先栏（不同孔径的多级光栏），光栏孔套住想要分析的那个微区，7273选区电子衍射2 形貌图像和晶体结构像（即电子衍射花样）同时显示。看形貌图像（在 物镜的像平面上）：按SA（或ZOOM）模式，此时中间镜对物镜的像平面放大 看衍射花样（在 物镜的焦平面上）：按DIFF 此时中间镜对物镜的焦平面放大 可随意转换74布喇格定律(示意图)n nsinsin2d2dhklhkl其中为波长为掠射角（即入射方向与晶面的夹角）dhkl为平行晶面组（hkl）面间距n为整数75布喇 格定律 在与入射方向成2角的方向上，相邻平行晶面反射波之间的波程差为波
40、的整数倍，各层晶面原子的散射波在2方向上具有相同的位相，它们因相互加强而产生该晶面组的衍射束。0，l，2，3，叫做衍射级数。对于确定的晶面和入射电子波长，衍射级数愈高，衍射角或2愈大。零级行射束（0）就是透射束或直射束或直射束，它与入射方向平行，严格地说它是由散射角2为零的散射波叠加而产生的。为了简化起见，我们把（41）式改写为：晶体对电子波的衍射现象，与X射线衍射一样，一般都简单地采用布喇格定律加以描述。我们把晶体内原子排列的规则性分解成为一系列具有确定位向的平行晶面在空间的有规则堆垛，从而把晶体的衍射看成符合布喇格条件的一组或若干组平行晶面对入射波的反射。参看图。n ns si in n2
41、 2d d76电子衍射的衍射角总是非常小的，花样特征及有别于X射线衍射 由图可见，入射束，衍射束与衍射晶面的法线在同一平面内，这与几何光学中的反射定律十分相似，所以习惯上常把晶体的衍射说成是满足布喇格条件的晶面对入射束的反射。同时根据正弦函数的性质，这就是说，对于给定的晶体样品，只有当入射波的波长足够短，才有可能得到衍射束，这个条件对于电子显微镜内进行的高能电子衍射来说是完全可以满足的。因为通常电子枪加速电压为80100kV甚至更高，也即入射波波长为102数量级，而金属中常见晶体的晶面间距的数量级为102，于是 12sindd2102sin2d弧度10277第一节 倒易阵点基本知识 布喇格定律
42、告诉我们，对于给定的入射条件，晶体的某一(hkl)晶面是否发生衍射及其衍射束的方向，取决于该晶面组的晶面间距和它相对于入射束的位向，后者可以用晶面的法线Nhkl表示。据此，如果采用倒易点阵概念和爱瓦尔德球作图法，将能更加清楚地阐明晶体衍射的几何关系。傅立叶变换：F(x)=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+.+78第一节 倒易阵点基本知识VccbaVcacbVcbacbacacbcbaVc 所谓倒易点阵，指的是在量纲L-1的倒易空间内的另外一个点阵，它与正空间内某一特定的点阵相对应。如果正点阵晶胞的基矢为a,b,c;则相应的倒易点阵基矢为：其中Vc为正点阵晶胞的体积 a*、
43、b*和c*分别垂直于b和c、和a以及a和b所在的平面 79ccbbaa,aa1bb1cc180正倒点阵之间的几何关系81面心立方正倒点阵关系822.爱瓦尔德球作图法爱瓦尔德球作图法832.1散射振幅倒易阵点的倒易阵点的“权重权重”结构因数或结构振幅结构因数或结构振幅 所有满足布喇格定律或者倒易阵点正好落在爱瓦德球球面上的(hkl)晶面组是否都会产生衍射束？我们从X射线衍射已经知道，衍射束的强度Ihkl 2FIhklhklFhkl叫做(hkl)晶面组的结构因数或结构振幅，表示晶体的正点阵晶胞内所有原子的散射波在衍射方向上的合成振幅，即 njjjjjhkllzkyhxifF1)(2exp其中fj是
44、晶胞中位于(Xj，Yj，Zj)的第个原子的原子散射振幅；n是晶胞原子数 842.2 消光定律晶面组得到衍射束：必要条件：满足布拉格定律；充分条件：满足Fhkl0的（hkl）表 常见晶体结构的消光规律晶体结构晶体结构消光条件消光条件不消光条件不消光条件简单立方无消光面心立方（Al,，Cu，Ni等）h,k,l有奇有偶h,k,lh,k,l全奇全偶全奇全偶体心立方（-Fe，V，W等）h+k+l=奇数h+k+l=偶数偶数体心四方（马氏体-Fe）h+k+l=奇数h+k+l=偶数偶数金刚石立方(Si，Ge等)h,k,lh,k,l全偶，全偶，且且h+k+l 4n4n或h,k,lh,k,l有奇有偶有奇有偶密排六
45、方(-Ti，Zr，Mg等)h+2k4n4n及及l奇数852.2.1 立方晶体衍射晶面N值表862.2.2 立方晶体衍射晶面N值表立方晶体衍射晶面立方晶体衍射晶面N N值表值表N=h2+k2+l21234567891011121314hkl100110111200210211-220221,300310311222320321简单立方 面心立方 体心立方 N=h2+k2+l215161718192021222324252627hkl-400410411,330331420321332-422500510511,333简单立方 -面心立方 -体心立方 -872.2.3 面心立方晶体衍射晶面N值表（
46、不消光的N值）面心立方晶体衍射晶面面心立方晶体衍射晶面N N值表值表N=h2+k2+l23481112161922427hkl111 200 220 311 222 400 331 420 422511,333面心立方882.2.3 体心立方晶体衍射晶面N值表体心立方晶体衍射晶面体心立方晶体衍射晶面N N值表值表N=h2+k2+l2246810121416hkl110200211220310222321400体心立方N=h2+k2+l21820222426hkl411,330420332422510体心立方89第三节 相机常数公式（电子衍射“放大”公式）相机常数标定：（已知晶体dhkl，测量R
47、hkl）,校正计算TEM的K 未知物相鉴定：（已知K，测量Rhkl），分析计算未知晶体的dhklhklhkldRKhklhklRKdhklhklgKRhklhkldg1hklhklgR单晶花样中的斑点可以直接被看成是相应倒易面的放大1.2.3.903,2,1sin2kkd2.布喇格公式反射线互相加强满足X射线射线准直缝准直缝晶体晶体劳厄斑劳厄斑劳厄实验 dd d dsin 12晶面晶面ACB91电子衍射示意图=/2d，10-2弧度入射束近似平行（hkl）K=1/远比 d大，倒易面（与反射球相交处）近似平面=2dsin =dR/LK=Ld=K/RgKgLR)(hklhklgR92第四节 多晶电子
48、衍射花样及其标定93多晶花样的主要用途多晶花样的主要用途两个方面：（）标定相机常数：利用已知晶体样品标定相机常数；（）物相鉴定：分析计算大量弥散的抽取复型粒子或其它粉末粒子的系列dhkl化合物（通过查ASTM卡片索引）找出数据接近的几张卡片，仔细核对所有的值和相对强度，并参考已经掌握的其它资料（如样品来源、化学成分处理工艺等），确定样品的物相。94例题1：相机常数的标定利用金多晶花样标定相机常数的分析计算利用金多晶花样标定相机常数的分析计算衍射环编号12345678R(mm)6.287.2710.2912.0512.5714.6215.8716.31R2i/R211.00 1.34 2.68
49、3.68 4.01 5.42 6.39 6.75 3.00 4.02 8.05 11.05 12.02 16.26 19.16 20.24 N3481112161920（hkl）111200220311222400331420d()2.3498 2.0350 1.4390 1.2272 1.1749 1.0175 0.9337 0.9101 KRd(mm)14.76 14.79 14.81 14.79 14.77 14.88 14.82 14.84 通 过 真 空 蒸 发 沉 积 得 到 颗 粒 细 小 的 多 品 薄 膜。金（Au）：面心立方晶体，晶格常数a0.；得到圆环并测量得系列R值；求
50、：相机常数K？（mm）hklhklNad0KRd95利用多晶花样进行相机常数的标定步骤（已知晶格常数a0）1、测量衍射半径R，列表R从小到大；（先测直径D，R0.5D）；2、计算R2i/R21比，（R1为最小的半径）3、将R2i/R21系列乘以3或2，使得接近整数比（N值）4、写出对应的整数Nhkl，（根据上述3、的结果及N值表）5、写出hkl，（根据N值表）hklhklNad07、KRd(mm)6、算出系列（立方晶系）96例题2：未知物相的鉴定已知：相机常数K22.63（mm）得到圆环并测量得系列R值；hklhklRKd利用多晶花样的分析计算进行物相鉴定利用多晶花样的分析计算进行物相鉴定衍射
