第九章透射电镜成像分析
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理
透射电镜是一种常用的电子显微镜，用于观察和研究材料中的微观结构。
它利用电子的波粒二象性，通过透射原子层的电子来形成显微图像，具有比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的成像原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 电子发射：透射电镜使用热阴极或冷阴极发射出高速电子，这些电子被加速到高能状态。
2. 透射样品：加速的电子通过一个非常薄的样品片，如薄片状的金属、陶瓷或生物组织。
样品必须具有高度透射性，以允许电子通过。
3. 散射与透射：入射电子束在样品中发生散射和透射两种现象。
散射是指电子与样品中的原子或电子相互作用，改变其运动方向，而透射是指电子穿过样品的现象。
4. 透射电子形成图像：透射电镜使用透射电子成像器件，如方形磁透镜或电磁透镜，将透射电子聚焦在屏幕或感光材料上。
根据电子的能量和散射情况，屏幕上形成亮暗不同的区域，形成图像。
透射电镜成像原理的关键在于控制电子束的发射和透射过程，以及透射电子的成像聚焦和检测。
通过调整透射电子的能量、电磁透镜的设置和样品的准备，可以获得高分辨率的电子显微图像，揭示材料的微观结构和性质。
透射电子显微镜的成像原理
Fig. 1. (a) Selected area 140 nm diameter of image containing single S phase particle; (b) SAED pattern from the selected area; (c) fast Fourier transform of the image intensity in (d), the HRTEM image of the embedded particle in (a); (e) microdiffraction pattern of the precipitate and surrounding matrix.
运动学近似
完整晶体衍射强度
将薄晶体分成许多小的晶柱，晶 柱平行于Z方向。每个晶柱内都含 有一列元胞。
假设每个晶柱内电子衍射波不进 入其他晶柱，这样只要把每个晶 柱中的各个单胞的衍射波的和波 求出，则和波振幅的平方即为晶 柱下面P点衍射波强度。
各个晶柱下表面衍射波强度的差 异则构成衍衬度像源
完整晶体运动学柱体近似
Rn' Rn R
缺陷晶体衍射波合波的振幅为
F e2iKRn
K g s Rn' Rn R
完整晶体的衍 射强度公式
缺陷晶体衍射波合成振幅为
F e e 2isz 2igR
a 2 g R
是研究缺陷衬度的一个非常重要的参数
a 0, 表示g R
2 isz zn
g
n
n
写成积分形式
g
F
t e2isz z dz
0
ID
F2
sin2 szt sin2 sz
透射电镜成像分析
萃取复型和粉末样品
• 萃取复型最常见的两种是： • 碳萃取复型 • 火棉胶-碳二次萃取复型
3.4.2 质厚衬度原理
质厚衬度的前提：
非晶体试样中原子对入射电子的散射 和电镜小孔径角成像（依靠衬度光阑）
试样各部分对电子束散射本领的不同， 经衬度光阑的作用后，在荧光屏上产生了 放大的强度不一的像。
3.4.2 质厚衬 度原理
光最终减薄
3.4.1 薄膜样品的制备
材料
溶液配方
备注
铁和钢 铁和钢
30%HNO3+15%HCl+10% 热溶液 HF+45%H2O
33%H3PO4+40%H2O2
60C
铁和钢 35%HNO3+65%H2O
热溶液
3.4.1 薄膜样品的制备
• 非金属薄膜样品的制备：
• 复型：将试样表面组织浮雕复制到一种
• 若以未发生强烈衍射的A晶粒亮度IA作为 图像的背景强度I，则B晶粒的像衬度为：
•
（I/I）=（IA-IB）/I0 Ihkl /I0
• 让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡
掉得到图像衬度的方法-明场像（BF）
3.4.3 衍衬成像原理
• 若将光阑孔套住hkl而把透射束 挡掉，就可以得到---暗场像 （DF）
• 当电子束穿过晶体薄膜时，严格满足布拉格 条件的晶面产生强衍射束，不严格满足布拉 格条件的晶面产生弱衍射束，不满足布拉格 条件的晶面不产生衍射束。
3.4.3 衍衬成像原理
• 假设薄膜只有两颗位向不同的
入射束I0
晶粒A和B
• 在入射电子束的照射下，B晶 样品 粒的某（hkl）晶面组恰好与入 物镜
B
•
IAI0 因为与B晶粒不同位向的A晶
《透射电镜成像分析》课件
人工智能与图像解析
总结词
透射电镜结合人工智能技术进行图像解析是 未来的发展趋势，能够提高图像解析的准确 性和效率，为科学研究提供更可靠的数据支 持。
详细描述
透射电镜获取的图像数据量庞大，人工解析 效率低下且容易出错。结合人工智能技术进 行图像解析可以提高准确性和效率，为科学 研究提供更可靠的数据支持。同时，人工智 能技术还可以用于图像识别、模式匹配等方 面，有助于科学家们更好地理解和分析透射 电镜的图像数据。
基于一系列连续的二维图像，通过图像配准和三维插值等技术， 重建出物体的三维结构。
投影与表面重建
通过透射电镜的投影数据，利用表面重建算法，得到物体的表面几 何形态。
立体视觉与深度恢复
利用双目或多目视觉原理，恢复出物体的深度信息，实现三维场景 的重建。
图像数据库与信息管理技术
图像数据存储
采用高效的数据存储方式，如分布式存储或云存储， 确保大量图像数据的可靠存储。
06
透射电镜的未来发展与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
高分辨成像技术
总结词
透射电镜的高分辨成像技术是未来发展的重要方向，能够揭示更细微的结构和分子排列，为科学研究提供更深入 的观察和分析。
详细描述
随着材料科学、生物学等领域的不断发展，对高分辨成像技术的需求越来越迫切。透射电镜的高分辨成像技术能 够捕捉到更细微的结构和分子排列，为科学家们提供更深入的观察和分析，有助于揭示物质内部的奥秘和规律。
数据索引与检索
建立图像数据的索引机制，提供快速的图像检索功能 ，便于用户快速查找所需数据。
数据安全与隐私保护
采用加密和安全传输等技术，确保图像数据的安全性 和隐私保护。
透射电镜衍射成像原理
透射电镜衍射成像原理
透射电镜是一种高级显微镜，利用电子束来成像样品的内部结构。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，电子具有波动性，因此可以产生衍射现象。
在透射电镜中，电子束通过样品时会发生衍射，通过观察样品衍射图样可以得到样品的内部结构信息。
透射电镜的成像原理主要包括以下几个方面：
1. 衍射：当电子束穿过样品时，与样品原子相互作用，会发生衍射现象。
电子束的波长通常在纳米级别，与可见光波长相当，因此可以得到高分辨率的图像。
样品的晶格结构会影响电子的衍射图样，通过分析衍射图样可以确定样品的晶格结构和原子排列。
2. 焦点：透射电镜的成像是通过电子透镜进行调焦来实现的。
透射电镜中的透镜由电磁场产生，可以调节电子束的聚焦和散焦。
透射电镜的透镜系统通常包括透镜、准直器和透镜孔径，通过调节透镜的参数可以获得清晰的电子图像。
3. 探测器：透射电镜的探测器通常是电子学传感器，可以将电子束转换为电子信号。
通过调节探测器的灵敏度和增益，可以获取高质量的电子图像。
透射电镜的探测器通常具有高灵敏度和低噪声，可以获取高分辨率的图像。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，通过电子的衍射现象和透镜系统的调焦来实现高分辨率的图像获取。
透射电镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有重要的应用价值，可以帮助科学家研究样品的内部结构和性质。
透射电镜的发展将进一步推动科学研究的进步，为人类社会的发展做出贡献。
透射电镜的成像原理
透射电镜的成像原理
透射电镜是一种使用电子束来形成样本的高分辨率图像的仪器。
其成像原理是基于电子束与样品之间的相互作用，以及测量和记录电子束与样品间散射电子的数量。
在透射电镜中，电子束被发射器产生，并通过一系列的电磁透镜系统进行控制和聚焦。
控制电磁透镜的磁场可以调整电子束的轨迹和聚焦点，确保其足够细致地照射到待观察的样品上。
当电子束照射到样品上时，一部分电子将被透射，另一部分电子将会被样品散射。
透射电子将会进入一个环形激光诱导荧光屏幕，形成亮点。
而散射电子将会被对称地捕获并聚焦到像差校正器上。
这些散射电子将被像差校正器中的透镜所聚集，并被定向进入像增强器。
像增强器中的透镜系统再次聚焦散射电子，将其集中到探测器上。
探测器会记录下每个点的电子数量，并转化为一个数值图像。
这个数值图像可以被计算机显示和存储，形成我们在透射电镜中观察到的高分辨率样品图像。
透射电镜的成像原理依赖于电子束与样品之间的相互作用，以及通过控制电磁透镜和像增强器等装置的电子束的聚焦和记录。
通过这种方式，透射电镜可以达到非常高的分辨率，使我们能够观察并研究微观尺度的样品结构和特性。
透射电镜的成像原理
透射电镜的成像原理
透射电镜（TransmissionElectronMicroscopy,TEM）是利用电磁理论设计出来的一种新型电镜，它主要用来观察生物大分子的结构，通过电子束的照射使样品表面产生各种变化，从而反映出样品表面的形貌、尺寸、元素组成等信息。
TEM还可用于观察原子和分子水平的物理和化学现象。
下面简单介绍一下TEM成像原理。
一、电子束扫描
电子束是一种很强的电磁波，当它照射到样品上时，一部分能量被反射回来，一部分能量被发射出去，在样品表面产生散射光。
散射光穿过样品后被收集起来。
通过对收集到的散射光进行测量，就可以得到样品表面的散射光强度、波长等信息。
二、成像原理
TEM的基本工作原理是：在电子束的作用下，样品表面产生周期性的振动和反弹，引起电子-声子耦合并产生电磁波，从而使样品表面产生一系列不同波长、不同振幅和不同相位的电子波，这些波通过聚焦系统聚焦到物镜的中心并通过透镜汇聚到焦点。
—— 1 —1 —。
透射电镜明暗场成像原理
透射电镜明暗场成像原理哎呀，透射电镜这玩意儿，说起来可真是让人头大。
你知道吗，我最近在实验室里搞这个，整天对着显微镜，眼睛都快成斗鸡眼了。
不过呢，说起来也挺有趣的，就像看一场微观世界的电影。
首先得说说，透射电镜这家伙，它可不简单。
它能把那些我们肉眼看不见的小东西，比如细菌啊、病毒啊，放大到我们能看清楚。
这就像是给显微镜装了个超级放大镜，不过这个放大镜可不一般，它用的是电子束，不是普通的光线。
明暗场成像，这俩词听起来挺高大上的，其实说白了，就是看东西的时候，有的地方亮，有的地方暗。
这跟我们平时拍照差不多，有的地方曝光过度，有的地方曝光不足。
但是，在透射电镜里，这明暗可不简单，它们能告诉我们好多关于样品的信息。
比如说，明场成像，就是电子束直接穿过样品，然后打到屏幕上，形成图像。
这就像是你拿着手电筒照在一张纸上，纸上的字透过光就能看见了。
但是，如果纸上有凸起或者凹陷，那些地方就会挡住光线，形成阴影。
在透射电镜里，样品上的不同结构也会让电子束发生偏转，形成明暗不同的区域。
暗场成像就更有意思了。
这就像是你用手电筒照在一张纸上，但是不看纸，而是看那些被纸挡住的光。
在透射电镜里，就是让那些被样品挡住的电子束形成图像。
这样，样品上的凸起或者凹陷就会显得特别明显，因为它们挡住了更多的电子束。
我记得有一次，我在显微镜下观察一个样品，那是一个细菌的切片。
我调整了透射电镜的参数，先是用明场成像，看到细菌的轮廓，然后切换到暗场成像，那些细菌的表面结构就变得异常清晰。
那种感觉，就像是你突然戴上了一副3D眼镜，看2D电影变成了立体的。
透射电镜的这些成像原理，虽然听起来挺复杂的，但只要你亲自操作一次，就会觉得，哇，这玩意儿真是太神奇了。
它就像是打开了一扇通往微观世界的大门，让我们能够看到那些我们平时根本看不到的东西。
所以，下次你要是有机会，也去试试透射电镜，感受一下那种从微观世界里看到宏观世界的感觉。
不过，记得保护好你的眼睛，别像我一样，整天盯着显微镜，眼睛都快成斗鸡眼了。
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当入射方向为k的入射线照射试样表面时，开始受到原 子的强烈散射，产生相干散射线（衍射线），同时部分弹 性透射（忽略非弹性散射），随入射深度增大，且参与衍 射原子或晶胞增多，透射线强度减小，衍射线强度增大。 达某深度透射线强度全部转化为衍射线强度。与此同时， 衍射线照射至另一平行（HKL）晶面，产生与入射方向相 同的二次衍射线（类似于透射线），随深度增大，一次衍 射线强度降低，二次衍射线（类似于透射线）增大，到某 深度一次衍射线强度降低为零，透射线强度达到最大。实 现一循环过程。该循环周期深度称为消光距离，记作ξ g
§9.2晶体薄膜样品的制备---概述
透镜试样：薄膜与复型试样 复型试样为间接试样,分辨率取决于复型材料,碳 膜为20A0,限制了TEM高分辨率使用.仅对试样表 面形貌复制,显示表面形貌,不能显示内部组织(缺 陷、界面)结构;间接试样(除萃取颗粒外)不能对试 样结构、物相分析. 薄膜试样是直接试样,分辨率高,充分发挥透镜 分辨率高特点(1—2A0),能清晰显示内部精细结构 (位错、孪晶等);因是直接试样,能对试样结构、物 相分析; 并可对微区实现电子衍射、成像同步分析.
' 0 t1
1 2
g ' g ,衍衬像在层错区与无层错区出现不同 的亮度,层错区为均匀的亮带或暗带
a)平行层错 b)倾斜层错
一、层错
2.倾斜于薄膜表面的层错 倾斜于薄膜表面的层错与其他的倾斜界 面 (如晶界)相似,图像显示为平行于层错, 与上,下表面交线的亮暗相间的条纹,其深度 周期为1/S
IB IA QAt A QB tb t QA QB C 1 e 1 e Qt IB
四、非晶体试样成像
五、复型技术
◆复型技术:把浸蚀金相表面大中型断口显微组 织浮雕复制到一很薄的膜上,该膜为复型试样,在 TEM中产生的电子(负)图像,反映了原试样的形貌. ◆复型材料要求: 非晶态、无结构;粒度小;耐电 子轰击.常用塑料、碳膜. ◆复型试样分辨率: TEM性能一定下,取决于复型 材料的粒度,粒度小,分辨率高.碳膜 r0 20A0 ,塑 料 r0 100 200A0 . ◆复型技术应用现状: 扫描电镜和晶体薄膜技术 已在很多场合取替了复型技术,但在断口分析时, 复型更清晰、立体感更强.
3.理想晶体衍衬运动学基本方程的应用
1）.等厚条纹(衍射强度随样品厚度的变化) 如果晶体保持在确定的位向,则衍射晶面的 偏离矢量S恒定.此时
Ig
1 ( g )
2
sin ts
2
当t=n/s (n 为整数)时,Ig=0; 而当t=(n+0.5)/s时, 衍射强度最大,.Ig随试样厚度t周期性振荡,定性解 释晶体样品楔形边缘出现厚度条纹
第二篇 电子显微分析
第九章 透射电镜成像分析
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆
质厚衬度成像原理 复型技术 晶体薄膜样品的制备 衍射衬度成像原理 消光距离与衍衬学理论 晶体缺陷分析
§9.1质厚衬度成像原理
非晶体试样和复型试样的成像原理。 一、原子散射截面
Ze ◆弹性散射截面 ：入射电子 r rn , Urn , 则 n rn2 衡量一原子核把入射电子散射至大 于 的散射能力 2 ◆非弹性散射截面: e re 反映一核外电子
三. 质厚衬度原理
入射强度I0电子束.穿过t厚度试样,散射角小 于的散射束强度I= I e Qt
0
1.同试样厚度差 QBt B QAt A A处: I A I 0 e ;B处: I B I 0 e 以B处强度为背底强度.则衬度 IB IA QAt A QB tb Qt C 1 e 1 e Qt IB 2.等厚不同成分
§9.2晶体薄膜样品的制备---步骤
1.大块试样----导电材料,电火花切割成 0.5mm左右薄片(非导电材料:金刚石刀刃 切割) 2.机械研磨法或化学减薄至0.1mm左右 3.最终减薄至上2000A0.导电金属材料,采用 双喷电解抛光法;非导电材料,离子轰击
金属薄片的线切割
双喷式电解减薄装置示意图
一端有斜面的薄晶,在斜面上的晶体的厚度t是连 续变化的,故可把斜面的 晶体分割成一系列厚度 各不相等的晶柱,当电子 束通过各晶柱时,柱体底 部的衍射强度因厚度不 同而发生连续变化,在衍 射图像上楔形边缘上出 现等厚亮暗条纹,每一亮 暗周期代表一个消光距 离的大小,tg=1/s
等厚条纹形成原理
实际晶体内部的晶界、亚晶界、孪晶界等 都属于倾斜界面,在界面上出现等厚条纹
VC cos g nFg
Fg ---结构因子, VC----晶胞体积, θ ---布拉格角
§9.5 消光距离与衍衬学理论
二、衍衬运动学简介
利用衍衬运动学、动力学的原理可计算衍射衬度像各 像点的强度,从而定性解释其成像原因.运动学设随电子进 入样品深度增大,透射线强度减弱,衍射线强度增大,之间无 相互作用..动力学设随电子束深入样品,透射束与衍射束间 存在能量交换 1. 衍衬运动学基本假设 不考虑衍射束与透射束间的相互作用(衍射束强度远小于 透射束时,试样很薄和偏离矢量大时);不考虑电子束通过 样品时引起的多次反射和吸收(适用于薄试样).
把入射电子散射至大于的散射能力.
◆原子散射截面:
◆单位体积(含N个原子)试样总原子散射截面:
0 n Z e
(N0--阿伏加德罗常数,ρ--试样密度, A—原子量.)
Q N0
A
0
二. TEM小孔径角成像
利用物镜光阑让散射 角小于某 的电子 束参与成像,从而达 到减小孔径角的目的
1.明场成像(BF) 以单相多晶为例,A、B两晶粒,B晶粒有一(HKL) 面满足衍射条件,则B晶粒满足双光束条件(既有透 射束,又有衍射束);A晶粒无衍射面,则物镜像平面 I A I B I HKL <1 形成的衬度: C IA IA 2.中心暗场(CDF) 电子束倾斜2θ角入射,物镜光阑挡住透射线,由 衍射线参与成像而获得图像衬度.这种成像方法称 中心暗场成像.该法衬度大,广泛应用. IB IA C 1 IB
衍射成像原理（a）明场像（b）中心暗场衍射成像
铝合金晶粒形貌像 a)明场像 b)暗场像
§9.4 消光距离与衍衬学理论
一、消光距离
入射电子受原子强烈散射作用，平行晶面满足 布条件产生衍射线，但其与入射的透射线相互 作用不容忽视。假设晶体的（HKL）晶面严格满 足布氏条件，入射线只被原子弹性散射为透射 线和（HKL）晶面的衍射线（双光束条件）。
5、粉末样品制备
TEM试样有薄膜样(复型、薄膜晶体)、粉 末样. 1.胶粉混合法: 干净玻璃片上滴火棉胶溶 液,后在上面放少许粉末.将另一玻璃片压 上 , 对研后突然抽开 , 待膜干后 , 划成小于 3mm小块,在水中脱膜,铜网捞起小块试样. 2.支持膜分散粉末法:制备火棉胶膜或碳膜, 在其上滴入均匀的粉末颗粒悬浮液,静置 干燥后,喷一层薄碳膜.
1. 图像衬度的改善-----重金属投影 相同材料表面形貌差越大,衬度越大.但 仅靠表面不平难于形成大衬度,且平整的 金相表面现象不宜深腐蚀,否则相界过浸 蚀,采用重金属投影可改善衬度.在复型试 样上以15—450方向,向复型样表面蒸镀 密度大重金属Cr、Pt,从而增加相邻部位 的密度差、厚度差,提高衬度
S eff s g
Ig g
2
1 S eff
sin 2 tseff (s ) 2 eff
上式说明衍射束强度随样品厚度t呈周期性变化, 变化周期为 1 S eff . 运动学理论是动力学理论在特 定条件下的近似
§9.6 晶体缺陷分析
一、层错 1.平行于薄膜表面的层错
2.一级复型
◆ 塑料一级复型 塑料:1%火棉胶醋酸戊脂溶液或醋酸纤维素丙酮 溶液. 方法: 在试样表面滴上述溶液并展平,溶剂蒸发后 ,揭下一层100nm左右的塑料膜,剪成小于3mm的 小方块,放于铜网. 特点:不破坏试样表面,分辨率低200A0左右.不宜 高度差大的试样
◆ 碳一级复型
方法:真空镀膜装置内,向干净试样表面蒸镀一定 厚度(几十纳米)碳膜, 将碳膜划成小于3mm 的方块, 放入分离液中 分离. 特点:膜等厚,破坏试样 表面,分辨率高(30— 50A0)
பைடு நூலகம்
§9.3衍射成像原理---衍射衬度
复型试样依据质厚衬度原理成像 . 而薄膜 晶体基本等厚,平均原子序数也无差别,质 厚衬度小.难获满意的图像反差. 衍射衬度:等厚薄膜晶体内各部分满足衍 射条件不同,产生的衍射线强度不同,从而 在荧光屏上形成光强度差图像.根据衍射 衬度形成的电子图像,称衍衬像
§9.3衍射成像原理
倾斜晶界及其等厚条纹
2).等倾条纹
2 sin 2 ts Ig 2 (s) 2 g
当 t 为常数时 ,Ig 随 s 变化 ,s=0,±3/2t, ±5/2t… 时 Ig有极大值. s=0,±1/t, ±2/t…时Ig=0, ±1/t 的范围看作是偏离布条件后产生衍射强度的界 限.即周期宽度. 由上述可解释无缺陷薄膜晶体稍加弯曲,弯曲区 的衍衬像出现消光条纹.
厚度为t的薄膜内存在平行于表面的层错CD,离 上、下表面的距离为t1、t2. 无层错区衍射 波振幅为 ： t sin ts 2isz g A(t ) e dz s 0 存在层错, t t
g A ' (t ) e 2isz dz e 2isz dz
二、衍衬运动学简介 1.衍衬运动学基本假设
1） 双光束近似
电子束透过薄晶体试样成像时,除透射束外只存 在一束较强的衍射束,其偏离矢量为S.此时衍射束、 透射束强度关系: I0=IT+Ig 2）柱体近似 成像点由若干大小相当于一个晶胞的柱体组成, 双束在柱体内通过,相邻柱体间相互不干扰,
晶柱OA产生的衍射强度（S＞0）
等倾条纹形成原理