高分辨电子显微技术与材料表征
材料力学性能的微观表征与分析
材料力学性能的微观表征与分析材料力学性能的微观表征与分析在现代材料科学中起着重要的作用。
通过对材料微观结构进行分析，可以揭示材料的力学性能和力学行为的本质。
本文将介绍一些常用的微观表征技术，并探讨其在材料力学性能研究中的应用。
1. 金相显微镜金相显微镜是一种常见的材料显微镜，能够观察材料的显微组织和颗粒尺寸。
通过金相显微镜，可以对材料的晶粒大小、晶体结构和相含量等进行直观的观察和分析。
晶粒大小对材料的力学性能有很大影响，小晶粒尺寸通常会导致材料的强度和硬度增加。
2. 电子显微镜电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，可以观察材料的微观结构和表面形貌。
扫描电子显微镜（SEM）是其中一种常用的电子显微镜技术，可以获得材料表面的高分辨率图像。
透射电子显微镜（TEM）则能够观察材料的内部结构。
这些电子显微镜技术可以提供关于材料微观结构和缺陷的详细信息，揭示材料的力学性能和失效机制。
3. X射线衍射X射线衍射是一种常用的材料表征技术，通过对材料中的晶体进行衍射分析，可以确定晶体的晶胞参数和晶体结构。
通过X射线衍射，可以研究晶体中的缺陷和残余应力等信息，从而揭示材料的力学行为。
4. 原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是一种能够对材料表面进行原子级分辨的显微镜技术。
通过AFM，可以获得材料表面的三维形貌和力学性质。
AFM在材料力学性能的表征中具有广泛的应用，例如，可以通过AFM 观察微米级混凝土的表面纳米级颗粒的分布和力学特性。
5. 纳米压痕技术纳米压痕技术是一种通过在纳米尺度下对材料表面施加压力，来研究材料力学性质的方法。
通过纳米压痕实验，可以获得材料的硬度、弹性模量和塑性形变等重要力学参数。
这种技术可以应用于各种材料，从金属和陶瓷到生物材料和聚合物等。
通过以上的微观表征技术，我们可以揭示材料的微观结构和力学性能之间的关系。
这些表征技术为材料的设计和优化提供了重要的信息和依据。
例如，在材料的强度提升方面，我们可以通过观察晶粒大小和晶体结构来优化材料的微观结构，从而增强材料的力学性能。
高分辨电子显微学方法及其在半导体材料研究中的应用
密级:博士学位论文高分辨电子显微学方法及其在半导体材料研究中的应用作者姓名：常云杰指导教师: 李方华院士中国科学院物理研究所葛炳辉副研究员中国科学院物理研究所学位类别: 理学博士学科专业: 凝聚态物理研究所: 中国科学院物理研究所2017年4月Studies of High-Resolution Electron Microscopy Methods and Its Applications in SemiconductorsByYunjie ChangA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of ScienceInstitute of PhysicsChinese Academy of SciencesApril 2017摘要高分辨电子显微学作为从原子尺度评价材料内部结构的最有力的实验手段之一，被广泛应用于各种材料的研究。
但是，由于透射电镜成像系统的像差和样品厚度等的影响，高分辨像未必能反映正确的晶体结构信息。
为此往往需对高分辨像做细致的像衬分析或使用图像处理方法等来提升图像的分辨率以确定晶体结构。
随着球差校正器的出现及广泛使用，电镜分辨率提升至0.1 nm甚至更高，多数情况下可分辨所有原子；并且球差系数的可调节性也为研究人员提供了更多的实验手段。
然而，已有的像衬理论已难以对球差校正高分辨像作出很好的解释，因此有必要对球差校正像的像衬理论及相应的图像处理方法进行研究。
本论文研究内容可分为两部分：一部分介绍了高分辨电子显微学及像解卷处理方法在GaN薄膜缺陷结构测定中的应用；另一部分介绍了对球差校正高分辨像中非线性信息的研究工作。
具体内容包括：1.由200 kV普通电镜拍摄的分辨率仅为约0.2 nm的高分辨像出发，在原子尺度上测定了GaN薄膜中多种缺陷的核心结构。
材料分析高分辨电子显微学
（2）经物镜作用在后焦面处形成衍射谱 Q(u,v)=F[q(x,y)] （3）像平面上形成高分辨电子显微像 当物平面与像平面严格地为一对共轭面时，像面波Ψ(r) 真实地放大了物面波q(r)，而当物镜有像差时，像平面不严 格与物平面共轭，此时像面波不再真实地复现物面波。像面 波与物面波之间的这种偏差可用在物镜后焦面上给衍射波加 上一个乘子，就是衬度传递函数exp(iⅹ (u,v)) 。 同时考虑物镜光阑的作用C(U,V).因而像平面的电子散射 振幅为： Ψ(u,v)=F[C(U,V) Q(u,v) exp(iⅹ (u,v)) ] 像平面上像的强度为像平面上电子散射振幅的平方，即 振幅及其共轭的乘积： I(x,y)= Ψ*(u,v) · Ψ(u,v) =│1 +iF{C(U,V)F[σφ(x,y) Δz ] exp(iⅹ (u,v))} │2
（4）样品厚度对像衬度的影响 高分辨像实际上是所有参加成像的衍射束与透 射束之间因相位差而形成的干涉图像。因此，试样 厚度非直观地影响高分辨像的衬度。 图3-3所示为Nb2O5单晶在同一欠焦量下不同试 样厚度区域的高分辨照片。在照片上能看到由于试 样厚度不均匀等因素引起的图像衬度区域性变化， 即图像从试样边缘的非晶衬度过渡到合适厚度下的 晶胞单元结构像。
高分辨电子显微学
林鹏 081820022
目录
1.绪论
2.高分辨电子显微相位衬度像的成像原理 3.高分辨电子显微像衬度的影响因素 4.高分辨电子显微像的计算机模拟 5.高分辨电子显微观察和拍摄图像的程序 6.高分辨电子显微图像的类型和应用实例
1.绪论
不同材料有不同的使用性能；材料的性能 决定于材料的结构，特别是它的微观结构。 为了获得能满足人类生活和生产需要的材料， 必须研究材料的结构，首先要直接观察到结 构的细节。 1956年，门特用分辨率为0.8nm的透射 电子显微镜直接观察到酞菁铜晶体的相位衬 度像，这是高分辨电子显微学诞生的萌芽。
高分辨电子显微学进展及其在材料科学中的应用
显 微 学 ；２ 原 子 分 辨 率 的 扫 描 透 射 电 子 显 微 学 （ 原 子 序 数 衬 度 成 像 ） （） 或 。两 种 成 像 技 术 均 可 达 到 亚 埃 的 分 辨 率 。介 绍 了这 两 种 技 术 的各 自特 点 及 其 在 功 能 材 料 的 微 观 结 构 缺 陷 表 征 、 电 薄 膜 的极 性 确 定 等 方 面 的 应 铁 用 。随 着 亚 埃 分 辨 率 的 电子 显 微 学 的 发 展 ， 它必 将 对 材 料 科 学 、 理 学 、 米 科 学 、 学 及 生 命 科 学 等 产 生 重 物 纳 化
Ｖｏ ． ７ ＮＯ ３ Ｍ ａ ． ２ ０ １２ ． ｒ Ｏ１
实验 技 术 与方 法
高分辨 电子显微学进展及其在材料科学 中的应用
王 乙潜 ，梁 文 双
（ 岛大 学 国家 重 点 实验 室 培 育 基 地 ，山 东 青 岛 ２ ６ ７ ） 青 ６０ １
摘
要 ：简 要介 绍 了 高分 辨 电 子显 微学 的最 新 进 展 。 主要 表 现 在 两 个 方 面 ： １ 球 差 校 正 的 高 分 辨 透 射 电 子 （）
ａ ｏ ｉ ｒ ｓ ｌ ｔ ｎ ｓ ａ ｎ ｎ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｌｃ ｒ ｎ ｍｉ ｒ ｓ ｏ ｙ （ ＴＥＭ ｒ Ｚ ｃ ｎ ｒ ｓ ｍａ ｉｇ ｔ ｍ ｃ ｅ ｏ ｕ ｉ ｃ ｎ ｉ ｇ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｅｅ ｔｏ ｃ ｏ ｃ ｐ ｏ Ｓ ｏ － ｏ ｔａ ｔｉ ｇ ｎ ），ｃ ｎ ｒ ａ ｈ ａ ｓ ｂ ａ ｅ ｃ ｕ —
（ ｌｉａｉｎ Ｂａｅｆ ｒＳ ａｅＫｅ ａ ｏ ａｏ ｙ Ｃｕｔ ｔ ｓ ｏ ｔｔ ｙＬ ｂ ｒｔ ｒ ，Ｑｉｇ ａ ｉｅ ｓｔ ，Ｑｉｇ ａ ６ ０ ｌ，Ｃｈｎ ） ｖ ｏ ｎ ｄ ｏ Ｕｎｖ ｒｉｙ ｎ ｄｏ２ ６ ７ ｉａ
(完整版)TEM和STEM
目录
1.基本概念 2.发展概述
4.基本原理 5.优缺点的比较 6.应用举例 7.文献部分
基本概念
透射电子显微镜
透射电子显微镜Transmission Electron Microscope简称TEM： 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。
后，电子束进入下级的中间透镜和 第1、第2投影镜进行综合放大成像。
最终被放大了的电子影像投射在
观察室内的荧光屏板上。荧光屏将 电子影像转化为可见光影像以供使 用者观察。
STEM的工作原理
STEM成像不同于一般的平行电子束TEM， EDS 成像，它是利用会聚的电子束在样品上扫描来完成 的。在扫描模式下，场发射电子源发射出电子，通 过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺 度的束斑。电子束斑聚焦在试样表面后，通过线圈 控制逐点扫描样品的一个区域。在每扫描一点的同 时，样品下面的探测器同步接收被散射的电子。对 应于每个扫描位置的探测器接收到的信号转换成电 流强度显示在荧光屏或计算机显示器上。样品上的 每一点与所产生的像点一一对应。从探测器中间孔 洞通过的电子可以利用明场探测器形成一般高分辨 的 明场像。环形探测器接受的电子形成暗场像。
应用举例
• 透射电子显微镜广泛用于研究聚合物乳液颗 粒形态、纤维和织物的结构、聚合物材料的 降解性能、生物相容性等。同时，TEM在细 胞学、微生物学、临床病例诊断等领域也有 广泛应用。
透射电镜的出现为显微分析技术的发展开辟了新 的前景，然而要利用这种高空间分辨率的仪器来分 析材料的显微组织，并非是一件轻而易举的事情。
扫描透射电子显微镜
扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope简称STEM)：利用磁透镜将电子束聚焦到样品表面 并在样品表面快速扫描，通过电子穿透样品成像，既有透射电 子显微镜功能，又有扫描电子显微镜功能的一种显微镜。
超高分辨率显微成像技术的应用
超高分辨率显微成像技术的应用随着科学技术的不断发展，超高分辨率显微成像技术的应用已经成为了当前微观世界研究领域中的热点和重点之一。
它具有高分辨率、高清晰度、高灵敏度、高速度等特点，能够帮助科学家们更深入地观察和研究微观世界中的各种现象和物质结构，极大地推动了微观领域的研究进展。
一、超高分辨率显微成像技术的基本原理超高分辨率显微成像技术是指使用高分辨率的显微成像设备进行微观世界的观察和研究。
这类设备通常采用光学、电子、原子力等不同的成像原理和技术，可以帮助我们观察和研究各种微观结构和物质特性。
其中，基于光学原理的超高分辨率显微成像技术最为常见，例如：荧光共聚焦显微镜（ confocal fluorescence microscopy）、受限光学超分辨率显微镜（stimulated emission depletion microscopy, STED microscopy）、单分子荧光成像技术( single molecule super-resolution imaging)等等。
这些技术都能够通过特殊的成像原理、样品制备和数据处理等手段，在显微成像领域内实现高分辨率的成像，帮助科学家们更好地研究材料、生物、医学等领域的相关问题。
二、超高分辨率显微成像技术在生物领域的应用生物领域是超高分辨率显微成像技术得到广泛应用的领域之一。
这是因为生物体系中含有高度有序的分子、细胞等结构，需要高分辨率的成像技术才能很好地观察细胞表面、细胞互作、病毒等微观生物结构，从而解答生命科学领域中的众多问题。
例如，荧光共聚焦显微镜技术广泛应用于生物领域的成像研究。
结合荧光标记技术，荧光共聚焦显微镜可以实现高强度、高灵敏度的成像，观察到过去无法被发现的极微小的细胞组成结构和细胞生理学的过程，如透明的细胞、活细胞内部分子、原生动物等等。
因此，该技术在生物领域中有着广泛的应用前景，可以帮助科学家们更深入地研究细胞机制、病原微生物、疾病的发生机理等诸多问题。
材料结构的表征
材料结构的表征第三章材料的表征材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组成部分，材料设计的重要依据来源于材料的结构分析。
材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的检验。
因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于对材料结构分析表征的水平。
材料表征的主要手段：热分析技术显微技术X射线衍射技术波谱技术材料的表征就其任务来说主要有三个：成分分析、结构测定、形貌观察。
12材料组成：化学分析、X射线能谱仪材料结构： 1) 晶体结构：单晶（X射线单晶衍射仪）粉末材料（X射线粉末衍射）2) 材料显微：光学显微镜（OM）（0.8~150um）透射电子显微镜（TEM）(0.001~5um) (0.1~0.2nm) 扫描电子显微镜（SEM） 3) 材料谱学：谱学结果可以反映材料中的组成元素原子的成键、价态及性能。
材料性能：热学、力学、电学、光学、磁学、化学、生物医学等性能。
1）热学：TG、DSC、TM 2）电学：电导、电阻、温度系数、半导体的禁带宽度、电化学、光电化学3）光学：荧光（化学发光） 4）磁性：第一节热分析技术热分析：在程序控制温度条件下，测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。
从宏观性能的测试来判断材料结构的方法。
程序控制温度：指用固定的速率加热或冷却。
4热分析技术被广泛用于固态科学中，凡是与热现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析方法进行研究。
如材料的固相转变、熔融、分解甚至材料的制备等。
同时，这些变化还能被定量的描绘，可以直接测量出这些变化过程中所吸收或放出的热量，如熔融热、结晶热、反应热、分解热、吸附或解吸热、比热容、活化能、转变熵、固态转变能等。
热分析技术中，热重法(TG)、差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）应用的最为广泛。
5一、热重法(TG) 在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。
热重法通常有下列两种类型：等温热重法—在恒温下测量物质质量变化与时间的关系非等温热重法—在程序升温下测量物质质量变化与温度的关系61进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。
穿透式电子显微技术在材料科学中的应用
穿透式电子显微技术在材料科学中的应用近年来，随着电子显微技术的不断发展，穿透式电子显微技术在材料科学中得到了广泛的应用。
穿透式电子显微技术是一种能够观察材料内部微结构的高分辨率技术，被广泛用于材料成分分析、内部结构表征、纳米尺度材料研究等领域。
一、穿透式电子显微技术的原理穿透式电子显微技术的原理是将加速的电子束透过待测样品，然后通过投影方法获得样品的内部结构信息。
在此过程中，电子束先被投影在样品的表面，然后穿透样品的各个层次直至最内部，在透射层上形成射线，最后被接收器捕捉到形成图像。
所以穿透式电子显微技术像X光显微技术一样，可以观察材料的内部结构，但是由于只使用电子的束流，所以可以得到更高分辨率的图像。
二、穿透式电子显微技术在材料科学领域的应用1.材料成分分析穿透式电子显微技术可以通过电子束穿透样品，并透过它来测量材料成分。
这种技术可以用在研究非晶合金、纳米材料和热处理样品等方面。
通过分析电子束的衰减，可以确定待测样品的成分，并定量地分析其中的元素和晶粒尺寸。
2.内部结构表征穿透式电子显微技术可以用来探测原来无法被传统技术所观察到的微小结构。
它可以发现不同材料的内部结构，比如复合材料中的结构、纳米粒子、胶体或者微生物等。
3.纳米尺度材料研究纳米科技是目前材料科学中的热门研究领域，而穿透式电子显微技术对于纳米材料的研究尤其重要。
这种技术提供了极限的分辨率，可以观察到小至几纳米的粒子结构。
通过穿透电子显微技术的应用，科研人员可以准确地掌握纳米材料中的晶体结构和晶体缺陷，从而有效地研究纳米材料的特性。
三、穿透式电子显微技术的优势1.分辨率高与传统的光学显微镜相比，穿透式电子显微技术分辨率更高，允许物质分析到更小的尺寸范围。
2.无需特殊样品处理穿透式电子显微技术不需要对样品进行特殊处理，比如染色、标记或者切片等。
这意味着样品可以完整地保存下来，而不会对样品的物理、化学和生物特性等方面造成影响。
3.成本低传统的X光显微镜成像需要使用大型成像仪器，而穿透式电子显微技术可以使用普通的电子显微镜成像仪器，成本相对较低。
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高分辨电子显微技术与材料表征
随着科学技术的不断发展，高分辨电子显微技术在材料表征领域取得了重大进展。
这种技术通过利用电子束对材料进行成像，能够突破传统光学显微镜的分辨率限制，实现对微观结构的高清观察和表征。
本文将从原理、应用和发展趋势三个方面来探讨这一技术。
首先，我们来看一下高分辨电子显微技术的原理。
所谓电子显微技术，就是利
用电子束与样品相互作用的过程来获取样品的信息。
相比于光学显微镜，电子显微镜使用的是电子束而非光束，其波长要小于光的波长，从而能够达到更高的分辨率。
而高分辨电子显微技术在原理上又有所突破，它主要利用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）来对样品进行分析。
TEM通过电子束的透射来观察样
品的内部结构，分辨率可以达到纳米级别。
而SEM通过电子束的扫描来观察样品
的表面形貌，分辨率也可以达到纳米级别。
通过这两种技术，可以获取到材料在微观尺度上的结构和特性信息。
接下来，我们将来探讨高分辨电子显微技术在材料表征中的应用。
高分辨电子
显微技术在材料科学、生物学、化学等领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以对金属、陶瓷、聚合物等各类材料的晶体结构、晶体缺陷、表面形貌等进行观察和分析，为新材料的研发和制备提供重要的支持。
在生物学中，电子显微技术可以对生物细胞、组织等进行高清观察，揭示生物体内部结构和功能的微观细节。
在化学中，电子显微技术可以用于观察化合物的晶体结构、原子排列等，有助于解决一些化学反应机理等问题。
可以说，高分辨电子显微技术在各个学科领域都有重要的应用，对于科学研究和工程实践都具有重要的意义。
最后，我们来看一下高分辨电子显微技术在未来的发展趋势。
随着材料科学和
纳米技术的发展，人们对于高分辨电子显微技术的要求也越来越高。
一方面，人们要求更高的分辨率，以便观察和研究更细致的结构和性质。
另一方面，人们也要求更高的空间分辨率，以便观察和分析更大范围的样品。
因此，未来的高分辨电子显
微技术将会朝着更高分辨率、更高空间分辨率和更高样品适应能力的方向发展。
同时，随着计算机科学和人工智能技术的进步，人们也将更加注重发展智能化的电子显微技术，以提高观察和分析的效率。
综上所述，高分辨电子显微技术在材料表征领域的影响不可小觑。
它以其独特的原理和广泛的应用领域，为材料科学的发展和技术创新提供了强大的支撑。
在未来，随着技术的不断进步，高分辨电子显微技术将不断完善和发展，为我们揭示更多微观世界的秘密。