衬度原理
电子显微图像衬度的原理
电子显微图像衬度的原理
电子显微图像的衬度(pronounced Chang-du)是指影像中各个部分的对比程度。
影像中的对比度影响了我们对物体细节的观察和分析。
电子显微镜图像的衬度是通过调整电子束的衬度来实现的。
电子束是在显微镜中形成影像的关键部分。
电子束在其传播过程中会受到物质的散射和吸收。
由于样品的特性不同，电子束在物质中的传播路径和散射不同，这些差异会影响电子束的“亮度”。
衬度控制器的作用是调整电子束的出入角度，以便通过样品的散射和吸收获得所需亮度的电子束照明样品表面。
具有高衬度的样品区域看起来会比较亮，而具有低衬度的区域看起来就比较暗，从而形成明暗对比度。
因此，电子显微图像的衬度和样品对电子束的散射和吸收有关。
衬度的调整是通过控制电子束的出入角度来实现的，不同区域的亮度差异可以形成图像中的明暗对比度。
第十一章 透射显微术电子像衬度原理
=
1 = 0.245 2d 200
Å－1，由图查出
f(e)=5.41Å，则Fg=4f(e)=21.64Å。
（4）求
ξ g : 当V=100kV时，λ＝0.037 Å
πVC 3.14 × 68.36 = = 268 Å λFg 0.037 × 21.64
ξ g = ξ 200 =
以上算出的消光距离 ξ g 仅适用于s=0的情况，原 则上 ξ g 是动力学理论中的一个物理量，对有限 的s，需要用有效消光距离 ξ geff （小于 替 ξg。
1.等厚消光条纹(衍射强度随样品厚度的变化)
晶体保持确定取向，s保持不变
sin 2 ( πst ) Ig = ( sξ g ) 2
a 当t=1/s；2/s；3/s……n/s Ig=0 b 当t=1/2s；3/2s；5/2s……2n+1/2s
1
Ig
Ig=1/(sζg
)2
( sξ g ) 2
楔形试样边缘
振幅衬度
钢的衍射衬度像
相位衬度: 当试样很薄（10纳米以下），试样相邻晶柱出射的透射振 幅的差异不足以区分相邻的两个像点的程度。这时得不到振幅衬度。 但我们可以利用电子束在试样出口表面上相位不一致，使相位差转换 成强度差而形成的衬度，这种程度称为相位衬度
A：高分辨像，B：原子序数衬度（Z contrast）像
11.2 衍射衬度
由于晶体试样满足布拉格反射条件程度不同及结构振幅 不同而形成衍射强度差异而导致的衬度。 设两取相不同晶粒 A 和 B ， A 不满足布拉格衍射条件，强 度为I0的入射束穿过试样，A不产生衍射，透射束与衍射束 强度相同，即IA=I0 B 满足布拉格衍射条件，产生衍射，衍射束强度为 Ihkl ， 透射束强度IB=I0-Ihkl， 让透射束通过物镜光阑，将衍射束挡掉，则在荧光屏上 ，A晶粒比B晶粒亮，明场(Bright Field)像。 用物镜光阑孔套某hkl衍射斑，让对应与衍射点hkl的电子 束Ihkl 通过，挡掉透射束，B比A亮，暗场(Dark Field)像。 明场像的衬度特征是跟暗场像互补的，即某个部分在明 场像中是亮的，则它在暗场像中是暗的， 反之亦然。
相位衬度原理
相位衬度原理今天来聊聊相位衬度原理。
你们有没有见过那种在阳光下会有特殊视觉效果的物品呢？比如说一些蝴蝶的翅膀，从不同的角度看，会有不一样的色泽和光晕。
其实这背后就有点类似相位衬度原理在微观世界里的表现。
我最开始接触相位衬度原理的时候啊，那可真是一头雾水。
这就要说到光和物质相互作用的特性了。
在微观世界里，当光穿过一个物体的时候，就像一群小蚂蚁在搬东西，物体不同的区域会对光产生不同的影响。
简单来说，相位衬度原理主要是关涉到光的相位变化。
咱们就把光想象成是一群有着整齐步伐的士兵在跑步，当经过一个微观的物体结构时，有的地方会让士兵的脚步加快或者减慢（也就是光的相位变化）。
通常我们的眼睛只能看到光的强度信息，也就是看到那些很亮或者很暗的地方。
但是当我们利用特殊的技术手段（就像是给这些变化了步伐的士兵专门建一个舞台来展示他们的不同），让相位的变化能够通过强度的变化被我们的眼睛或者探测器察觉到，这就是相位衬度成像。
比如说晶体的结构研究里。
晶体内部的原子排列就像一个精细设计的小迷宫，原子间不同的疏密排列会使穿过的光有相位的变化。
通过相位衬度原理相关的成像技术，我们可以观察到晶体内部原子的阵列。
注意哦，这里面“相位回廊”（这里只是形象化说法，实际是微观的结构环境）可就不是随便逛逛那么简单，如果不理解这个原理，就丢失了很多微观结构的重要信息。
有意思的是，在生物样本成像里，相位衬度也帮我们不少忙。
细胞结构，比如细胞器，像是微观世界里的小工厂，相位衬度可以让我们在不染色（染色类似于一种破坏原生状态的化妆）的情况下，清楚观察到这些小工厂的结构排列等信息。
老实说，我一开始也不明白为什么相位这么个摸不着的东西这么重要。
打个比方吧，相位就像交响乐里每个乐器发出声音的先后顺序，如果不关注这个顺序，那整个交响乐的协同美感就没了。
同样，不关注相位，微观世界成像就缺少准确性和全面性。
说到这里，你可能会问，那在我们的日常生活中有什么更直接的应用呢？在集成电路中的电子元件检测这里就用到了，微小的电路像是一座微型城市，相位衬度成像可以把里面的小零件成像，帮助工程师找出故障或者优化设计。
衍射衬度的原理
衍射衬度的原理衍射衬度是一种光学技术，它利用光的波动性质来观察和测量物体的细微结构。
衍射衬度的原理可以用简单的话来解释，就是光波在通过物体时，会发生弯曲和散射，从而产生干涉效应。
这种干涉效应可以被捕捉和分析，从而获得物体的详细信息。
在衍射衬度技术中，光波首先通过一个光源发出。
这个光源可以是激光、白光或其他光源。
然后，光波通过一个衍射衬度元件，如光栅或光波板。
这个元件会改变光波的传播方向和相位，从而引起光波的干涉。
接下来，光波通过被测物体，物体可以是任何具有细微结构的物体，如生物细胞、纳米材料或微型器件等。
当光波通过物体时，它会受到物体的形状和结构的影响，从而发生衍射。
衍射衬度技术中最关键的一步是通过一个检测器来观察和记录光波的干涉图样。
这个干涉图样可以提供物体的详细信息，如形状、大小、表面形貌等。
通过分析干涉图样，我们可以了解物体的微观结构和特性。
衍射衬度技术在许多领域都有广泛的应用。
在生物医学领域，衍射衬度技术可以用来观察和研究生物细胞的形态和结构，从而帮助研究人员了解细胞的功能和疾病的发生机制。
在纳米科技领域，衍射衬度技术可以用来测量和表征纳米材料的形貌和结构，从而帮助研究人员设计和制造更好的纳米器件和材料。
在光学制造领域，衍射衬度技术可以用来检测和修正光学元件的形状和表面粗糙度，从而提高光学设备的性能和质量。
衍射衬度技术的发展和应用离不开科学家们多年来的不懈努力和创新。
通过不断改进衍射衬度元件的设计和制造技术，科学家们使得衍射衬度技术变得更加灵敏和精确。
通过结合衍射衬度技术和其他成像技术，如扫描电子显微镜和原子力显微镜，科学家们可以获得更全面和准确的物体信息。
总的来说，衍射衬度技术是一种非常重要和有用的光学技术。
它可以帮助我们观察和测量物体的微观结构和特性，从而推动科学研究和技术发展的进步。
通过不断创新和应用，衍射衬度技术将继续在各个领域发挥重要作用，为科学和技术的发展做出贡献。
sem的衬度原理
sem的衬度原理
SEM的衬度原理基于样品表面形貌和微区特征的差异，主要分为形貌衬度和成分衬度。
形貌衬度是由样品表面不同部位的形貌差异引起的，不同的形貌使得电子束在扫描过程中被散射的程度不同，从而在图像中形成不同的对比度。
成分衬度则是由样品表面微区成分的差异引起的，不同元素对电子的吸收和散射能力不同，导致电子束在各区域被散射的程度不同，从而形成了图像中的衬度差异。
通过调整SEM的观察条件和操作参数，可以优化衬度效果，提高图像质量。
具体来说，形貌衬度的形成主要取于样品表面相对于入射电子束的倾角。
如果样品表面光滑平整（无形貌特征），则不形成衬度；而对于表面有一定形貌的样品，其形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。
成分衬度的形成则与样品表面的元素组成和分布有关。
不同元素对电子的吸收和散射能力不同，导致电子束在各区域被散射的程度不同，从而形成了图像中的衬度差异。
通过特定的信号检测和分析技术，可以进一步提取样品表面的元素信息和化学态信息，例如通过能谱仪（EDS）或波谱仪（WDS）等技术实现元素分析，进一步揭示样品表面的微区特征和化学信息。
综上所述，SEM的衬度原理主要基于样品表面形貌和微区特征的差异，通过调整观察条件和操作参数可以优化衬度效果，提高图像质量。
同时，结合特定的信号检测和分析技术，可以进一步揭示样品表
面的元素组成和化学态信息。
第5章 TEM像衬度
高分辨晶格像成像全过程
包含了两次富氏变换. 第一次，物镜将 物面波分解成各级衍射波，在物镜后 焦面上得到衍射谱。第二次各级衍射 波相互干涉，重新组合，得到保留原 有相位关系的像面波，在像平面处得 到晶格条纹像。
0 (r ) Q g r
F F 1
物面波函数 衍射波函数 像面波函数
化学气相沉积
Al-Si合金共格与共格界面
长 的 界 面
外 延 生 长 的 界 面
成像模式的相互关系
当电子束通过样品后，可以人为地选择不同的成 像方式，得到不同衬度的电子显微像，它们反映 了样品晶体结构的不同方面。这些成像衬度方式
明场像
中心暗场像
粒状贝氏体－铁素体基体上的 （M－A）小岛
CuFeB合金中的纳米析出相
明场像
暗场像
W18Cr4V钢
中碳钢中珠光体
高速钢中马氏体
双相钢中铁素体与奥氏体
F A F A
加热－冷却过程中组织转变
TiNbSn合金两次加热循环相变的电子衍衬像， （a）和（a’）为室温组织，（c）和（c’）为 385K
断口复型-沿晶断裂
断口复型-疲劳辉纹
断口复型-河流花样
萃取复型—18CrNiW渗碳层
萃取样品
粉末样品
羟基磷灰石（HA）纳米粉末
粉末样品
非晶TiO2螺线管
Al2O3纳米粒子
粉末样品
Fe2O3纳米棒
Fe2O3纳米环
二、衍射衬度
样品微区晶体取向或者晶体结构不 同，满足布拉格衍射条件的程度不同， 使得在样品下表面形成一个随位置不同 而变化的衍射振幅分布，所以像的强度 随衍射条件的不同发生相应的变化，称 为衍射衬度。
相位衬度像的种类
材料分析方法-18 衬度原理和STEM
不完整晶体的运动学理论
r’处厚度元dz的散射振幅为 dΦg =(iπ/ξg)exp(-2πik•r’)dz
=(iπ/ξg)exp[-2πi(g+s)•(r+R)]dz =(iπ/ξg)exp(-2πisz)exp(-2πig•R)dz 不完整晶体的运动学方程 Φg=(iπ/ξg)∫exp(-2πisz)exp(-2πig•R)dz 因子exp(-2πig•R)是畸变位移场对衍射振幅的贡献，将位 移畸变场代入上式就可求得不完整晶体下表面的衍射振幅 Φg
在s=0处精确满足布拉格衍射 条件，两侧的偏离参量符号相 反，并且数值增大，衍衬像中 s=0处为亮线（暗场）或暗线 （明场），两侧有明暗相间的 条纹出现（因强度迅速下降， 条纹的数目有限），同一亮线 或暗线对应相同的偏离参量。 这种特征衬度称为等倾消光条 纹。
倾动一下样品，样品上相应于 s=0的位置发生变化，消光条 纹的位置也跟着发生变化。等 倾消光条纹对样品取向非常敏 感。
第六章 透射电子显微术像 衬度原理
本章要点：
衬度的
不论哪一种成像衬度都使电子显微像包含了丰富的晶体内部结构信息， 因此在许多情况下电子显微像不能象光学照片那样简单、直观地加以解释。
1
非晶样品：不发生衍射，弹性散射是随机发生的，散 射的强度只与样品的厚度和密度有关系。 晶体样品：电子散射按照布拉格方程，衍射束在2θhkl方 向上.
36
位错环
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39
40
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球形夹杂物的衍射像 球形夹杂物对附近晶体引起畸变示意图
42
小角晶界
扭转晶界形成几何示意图
小角度倾转晶界的衍衬像
7.0%Al－Ni合金中的扭转晶界和大角晶界 A为扭转晶界，B为大角晶界；箭头所指为界面位43 错
形貌衬度原理
β —Al2O3试样形貌像 2200×
2019/11/7
SEM
21
断口分析
功能陶瓷沿晶断口的二次电子像，断裂均 沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒表面光 滑，还可以看到明显的晶界相。
2019/11/7
SEM
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粉体形貌观察
钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000×
2019/11/7
PZT粉体的形貌 20000×
俄歇电子能量各有特征值，能量很低， 一般为50-1500eV.
俄歇电子的平均白由程很小(1nm左右).
只有在距离表面层1nm左右范围内(即几 个原子层厚度)逸出的俄歇电子才具备特 征能量，因此俄歇电子特别适用于表面 层的成分分析。
2019/11/7
SEM
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扫描电镜结构原理
扫 描 电 镜 结 构 原 理 框 图
引言
扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英 文 缩 写 为 SEM (Scanning Electron Microscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样 品表面，通过电子与样品相互作用产生的二 次电子、背散射电子等对样品表面或断口形 貌 进 行 观 察 和 分 析 。 现 在 SEM 都 与 能 谱 （EDS）组合，可以进行成分分析。所以， SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛 用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。
高分辨率的电子束直径要小，分辨率与电 子束直径近似相等。
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SEM
42
二、放大倍数高
当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面 扫描的幅度为As，相应地在荧光屏上阴极射线同步扫 描的幅度是Ac。则：
放大倍数= Ac /As 。 由于显微镜的荧光屏尺寸是固定不变，电子束在样 品上扫描一个任意面积的矩形时，在阴极射线管上看 到的扫描图像大小都会和荧光屏尺寸相同。因此我们 只要减小镜筒中电子束的扫描幅度，就可以得到高的 放大倍数，反之，放大倍数就减小。
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衬度(反差)
图像上明 暗(或色彩)的 差异。
人眼 辨别物体
人眼通过物体之间的光强度 与波长的不同，来辨别物体
强度差别使物 体有明暗之分
波长差别形 成斑斓色彩
人眼容易辨认 反差高的人物
4米宽 深十多米 高不限 侧面无窗
是什么所在？
Halong,Vietnam
光学显微镜 辨别物体
非弹性散射 入射电子与 核外电子作用，既改变方 向也改变能量。
散射衬度(质量-厚度衬度)
试样上各部位散射 能力不同(厚度不均匀 或原子序数相差较大) 所形成的衬度，是非晶 样品衬度的主要来源。
ZnO
明场像
挡住散 射电子， 让透射电 子成像。
暗场像
偏移光 阑，挡住透 射电子，让 散射电子成 像。
暗场像
倾斜电 子束，让 散射电子 成像。
明场像
暗场像
不锈钢 中的位错 线：明场 像与暗场 像亮暗相 反。
衍射衬度
衍射衬度
由样品各部位满足 布拉格条件的不同所形 的衬度，是含晶体样品 衬度的主要来源。
IB Ihkl I0 IB I0 Ihkl IA I0
衍衬 明场像
陶瓷
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
背散射电子
0.0 20 40 60 80 100
Atomic Number
B4C中的TiB2微粒
透射电镜 辨别物体
TEM的衬度 机制相对复杂
TEM衬度 涉及电子的 散射、干涉 和衍射等。
➊质-厚衬度
原子对入射电子的散射
弹性散射 入射电子与原 子核作用后，仅改变方向 而不改变能量；
衍衬 暗场像
ZrO2多晶 衍衬明场像
满足衍 射条件
吸收或反 射能力不同 形成反差
角闪石
钢渣
C3S
C3S
C3S C2S
角闪石
角闪石 56
扫描电镜 辨别物体
在SEM中，反 差是由于物体产生 各种物理信息的能 力不同造成的。
二次电子
0 10 20 30 40 50 60 70 80
theta/ °
二水石膏
CaSO4.2H2O