透射电镜中的EDS STEM和EELS的原理及应用-天津大学
透射电子显微镜介绍
对于材料研究用的TEM试样大致有三种类型： 经悬浮分散的超细粉末颗粒。 用一定方法减薄的材料薄膜。 用复型方法将材料表面或断口形貌复制下来的复型膜。
对支持膜的要求：
➢ 要有相当好的机械强度，耐高能电子轰击； ➢ 应在高倍下不显示自身组织，本身颗粒度要小，以提高样品分辨率； ➢ 有较好的化学稳定性、导电性和导热性。
二、透射电子显微成像
使用透射电镜观察材料的组织、结构，需具备以下两个前提： 一是制备适合TEM观察的试样，厚度100-200nm，甚至更薄； 二是建立电子图像衬度理论 像衬度是指电子像图上不同区域间光强度的差别。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分为：
衍射衬度：晶体薄膜试样显微图像 质厚衬度 ：非晶态试样图像
形貌+结构 空心结构
四、透射电镜得到的信息
晶格条纹+电子衍射
（1）量取两个晶面晶面之间的距离 （2）与标准卡片去比对，选择合适的面
四、透射电镜得到的信息
线扫 Line Scan 面扫 Mapping
EDS元素分析
四、透射电镜得到的信息
总
一般成像 模式
明场像 （BF） 暗场像 （DF）
微观形貌，厚度差异，尺寸大小 取向，分布，结构缺陷
在明场像情况下，原子序数较高或样品较厚的 区域在荧光屏上显示较暗的区域。在暗场像情 况下，与明场像相反。
质量厚度衬度：对于无定形或非晶体试样，电子图像的衬度是由于试样各 部分的密度ρ和厚度t不同形成的，简称质厚衬度。
成像的影响因素
➢ 电子数目越多，散射越厉害，透射电子就越少，从而图像就越暗 ➢ 样品厚度、原子序数、密度对衬度也有影响，一般有下列关系：
透射电镜中的EDS STEM和EELS的原理及应用-天津大学
3、高能损失范围的谱图
高能损失范围：E > 50eV 原子的内壳层电子被激发至费米能级的各个未占 据态所引起的能量损失 高能损失范围谱图: 本底(background)来源于： 多重非弹性散射 前一电离损失峰的尾巴 电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
1、零损失峰
信号来源： 入射电子与样品未发生交互作用 入射电子与样品发生弹性交互作用（但不包括大散射角的 Bragg 衍射） 入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于 0.1eV 零损失峰可用作于：
谱仪的调整
零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率
2、低能损失区－等离子损失峰
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
样品中电子结构以及能级分布
原子构成固体 时能级的分裂
能带：导带、禁带、满带（价带） 导带中电子可以自由移动而导电、 禁带中不允许存在电子、 满带被电子填满，电子被激发至导 带后即为价带 可用来区分导体、半导体、绝缘体
样品中电子结构以及能级分布（电子只能被激发至 未占据态的能级）
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV
反映样品的能态结构 广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电离损失峰化学位移 (Chemical shift) 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的内壳层 电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。
电镜原理及其应用
明场像（BF）：选用直射电子形成的像（透射束），像清晰。 ∨ 暗场像（DF）：选用散射电子形成的像（衍射束），像有畸变、分辨率低。
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中间镜： 放大物镜所产生的像和衍射谱。 投影镜： 是把经中间镜形成的二次中间像及衍射谱放大到 荧光屏上，形成最终放大的电子像和衍射谱。 电镜总的放大倍数： M=M物×M中×M投
JEM-2100F主体的剖面图
16
1)电子枪：
热阴极、栅极、阳极 作用：为电镜提供照明源
热阴极：发射电子 栅 极：控制电子束的形状和强度； 阳 极：加速电子。
钨(W)灯丝
LaB6灯丝
场发射灯丝
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热电子发射 W
亮度(200KV)/A· cm2· str-1 光源尺寸 能量发散度/eV 使用条 件 发射 真空度/Pa 温度/K 电流/μA 电流效率 维修 约5×105 50 μm 2.3 10-3 2,800 约100 100% 无需
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1931年，德国学者诺尔(Knoll)和鲁斯卡(Ruska)获得了放大12 ～17倍的电子光学系统中的光阑的像，证明可用电子束和电 磁透镜得到电子像； 1934年，电子显微镜的分辨率已达到500Å，鲁斯卡也因此获 得了1986年的诺贝尔物理学奖； 1939年德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电子显微 镜；分辨率优于100Å；并投入生产。 1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子 显微镜(SEM)。 随后，电子显微镜的质量不断提高。迄今，其分辨本领和放 大率分别可达0.14nm和100万倍。 1960’S, 透射电子显微镜的加速电压越来越高，可透视越来 越厚的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能 力。
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透射电子，透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构 来决定。 a. 能量和入射电子相当的弹性散射电子；(TEM) b. 各种不同能量损失的非弹性散射电子，特征能量损失Δ E 的非弹性散射电子(即特征能量损失电子)和分析区域的成分 有关，可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进 行微区成分分析(EELS)。
透射电镜纳米束电子衍射在纳米结构中的应用
透射电镜纳米束电子衍射在纳米结构中的应用毛晶;张金凤;龙丽霞;张磊;李晓晖;韩雅静【摘要】透射电子显微镜(TEM)除了熟知的高分辨分析外,还具备纳米束电子衍射(NBD)功能,可对尺寸很小的在几纳米至几十纳米的颗粒进行对应的晶体结构、物相分析,这对于材料中细小析出相分析等具有重大意义.以50nm左右的碳包覆铁颗粒为对象,对纳米束电子衍射测试原理、步骤、测试过程中相机常数、聚光镜光阑等参数选择的影响进行了详细的说明.这一方法解决了超细小颗粒、区域衍射分析困难的问题,为高校充分利用TEM测试微小区域晶体结构提供了具体的实验指导.【期刊名称】《实验室科学》【年(卷),期】2018(021)006【总页数】5页(P24-27,30)【关键词】透射电子显微镜;物相结构;纳米束电子衍射【作者】毛晶;张金凤;龙丽霞;张磊;李晓晖;韩雅静【作者单位】天津大学材料学院, 天津 300072;天津大学材料学院, 天津 300072;天津大学材料学院, 天津 300072;天津大学资产处, 天津 300072;天津大学材料学院, 天津 300072;天津大学材料学院, 天津 300072【正文语种】中文【中图分类】G482透射电子显微镜(TEM)采用波长很短的电子束作为光源，可以获得亚埃级别的高分辨率。
TEM同时结合EDS、EELS、衍射分析可以获得微区的成分分析、价态分析以及晶体结构分析[1-3]，加上近年来发展的原位TEM技术[4-5]，TEM已经成为了材料领域不可或缺的重要分析手段。
X射线单晶衍射分析以及粉末多晶X射线分析是研究晶体结构的常规方法，应用广泛。
但是其分析对象为宏观聚集体，且尺寸通常在几百纳米或是微米级以上范围。
而透射电镜电子衍射分析在纳米材料的晶体结构分析、位相分析等过程中具有独特的优势[6-8]。
常见的透射电晶体结构分析通过选区电子衍射完成[9]，但是选区电子衍射对于细小的析出相或是纳米颗粒物相分析存在一定的困难[10-11]。
高角环形暗场扫描透射电镜工作原理
高角环形暗场扫描透射电镜工作原理高角环形暗场扫描透射电镜工作原理简介高角环形暗场扫描透射电镜（Scanning Transmission Electron Microscope，简称STEM）是一种强大的工具，用于研究材料的结构和性质。
它利用高能电子束通过样品，将样品的微观结构显微地显示出来，并提供高分辨率的图像和化学分析。
工作原理1.发射电子源：STEM使用一种极其尖锐的发射电子源，如钨尖或场致发射电源。
这个发射电子源发射出非常细的电子束，用于对样品进行扫描。
2.高能电子束：生成的电子束被加速到非常高的能量，通常在几千伏到几十万伏之间。
这样高能的电子束可以穿过样品，并与样品中的原子或分子发生相互作用。
3.透射电子模式：在STEM中，使用透射电子模式来观察样品。
透射电子模式允许电子束穿透样品，并通过其中的原子或分子与电子进行相互作用。
这种相互作用会散射部分电子，产生信号。
4.暗场探测：暗场是一种特殊的探测方式。
在STEM中，使用环形暗场探测器来收集散射电子。
环形暗场探测器位于电子束后方，收集在一个特定角度范围内散射的电子。
由于暗场探测器只收集散射电子，相对于亮场探测器，它能提供更高的对比度。
5.扫描：STEM是一种扫描电子显微镜，可以通过扫描样品表面的方式获取完整的成像。
电子束被聚焦到非常小的点上，然后在样品上进行扫描，在每个扫描位置收集散射电子。
通过多个扫描位置的叠加，可以生成一幅高分辨率的图像。
功能和应用1.高分辨率成像：STEM提供高分辨率的成像，可以显示样品中的各种微观结构，例如晶体缺陷、晶界和原子排列等。
它可以显示出高度细节的图像，对材料科学和纳米技术的研究非常有用。
2.化学分析：STEM还可以进行化学分析，通过透射电子能谱（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy，简称EDS）技术来确定样品中不同元素的含量和分布情况。
这项功能使STEM成为研究材料的化学成分和晶体结构的有力工具。
EELS的测试原理和应用
EELS的测试原理和应用1. 什么是EELS能量损失谱(Energy Loss Spectroscopy, EELS)是一种扫描透射电子显微镜(STEM)技术的应用，通过测量材料中透射的电子能量损失，获取材料的化学成分和电子结构信息。
EELS通常用于分析材料中的元素组成、电子能带结构、化学键的特征等。
2. EELS的原理EELS的原理基于电子能量损失与材料中原子、电子间相互作用的关系。
当透射电子穿过材料时，与材料中原子发生散射，损失一部分能量。
通过测量电子的能量损失，可以推断材料中的元素类型和电子能带结构。
EELS主要分为共振和非共振两种模式。
共振模式通过选择特定的能量损失进行测量，可以提高测量的灵敏度和分辨率。
非共振模式则采用全能量范围进行测量，对材料中的元素进行定性和定量分析。
3. EELS的应用3.1 材料分析EELS广泛应用于材料科学领域，可以用于分析材料的组成、界面结构、晶格畸变等。
通过测量电子的能量损失，可以获得材料中元素的电子结构信息，进而分析材料的物理和化学性质。
3.2 纳米颗粒表征由于EELS具有高空间分辨率和高能量分辨率的优点，因此在纳米颗粒的表征中得到了广泛应用。
通过EELS技术可以分析纳米颗粒的表面化学组成、晶格结构以及表面等离子体共振等特性。
3.3 生物医学研究EELS可用于生物医学研究中，通过测量生物样品中电子的能量损失，可以获得样品中元素组成、化学键结构以及生物分子的能带结构等信息。
因此，EELS可以用于研究生物分子的结构和功能。
3.4 界面电子学EELS可以用于研究材料的界面电子学性质，通过分析界面处电子的能量损失，可以探测界面的结构和元素组成。
这对于理解界面特性和设计新型材料具有重要意义。
3.5 稀土元素分析由于稀土元素的特殊性质，传统的分析方法往往难以准确测量稀土元素的含量。
而EELS可以通过测量电子的能量损失，定量分析含有稀土元素的材料。
因此，EELS在稀土元素研究中得到广泛应用。
透射电镜的原理是什么
透射电镜在材料领域的作用不容忽视,而最常用的三大透射电镜是：普通透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）,但是对于透射电镜的原理我们很多人却并不是很清楚，下面就为大家介绍一下。
透射电子显微镜（TransmissionE1ectronMicroscope z简称TEM）,是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。
散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏，胶片以及感光耦合组件）上显示出来的显微镜。
透射电镜的发展过程：在光学显微镜下无法看清小于0∙2微米的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超细结构。
要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。
目前TEM分辨力可达0.2纳米。
透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
透射电镜原理：透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛,而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。
电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。
透射电镜系统由以下几部分组成：电子枪：发射电子。
由阴极，栅极和阳极组成。
阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。
聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。
样品杆：装载需观察的样品。
物镜：聚焦成像，一次放大。
中间镜：二次放大，并控制成像模式（图像模式或者电子衍射模式）。
透射电镜的工作原理
透射电镜的工作原理
透射电镜是一种高级显微镜，它利用电子束而不是光束来观察样品的微观结构。
透射电镜的工作原理主要包括电子源、电子透镜系统、样品台和检测系统。
首先，电子源产生高能电子束。
通常采用热阴极发射电子的方式，通过加热使
阴极发射出电子，然后经过一系列的加速器和聚焦器，将电子束聚焦到极小的直径，以便能够穿透样品并形成清晰的像。
其次，电子透镜系统起到聚焦和成像的作用。
透射电镜中的电子透镜系统通常
包括几个电磁透镜，通过调节透镜的电压和电流，可以控制电子束的聚焦和偏转，从而实现对样品的高分辨率成像。
然后，样品台是样品放置的地方。
在透射电镜中，样品通常需要制备成极薄的
切片，以便电子束可以穿透并形成像。
样品台通常可以在多个方向上进行微小的移动，以便对样品进行全方位的观察和分析。
最后，检测系统用于接收电子束穿过样品后的信号，并将其转换成图像。
检测
系统通常采用荧光屏或者数字传感器，将电子束的信号转换成可见的图像，并通过电子显微镜的显示器或者计算机进行观察和分析。
总的来说，透射电镜的工作原理是利用高能电子束穿透样品，通过电子透镜系
统的聚焦和成像，将样品的微观结构放大成可见的图像，从而实现对样品的高分辨率观察和分析。
透射电镜在生物学、材料科学、纳米技术等领域有着广泛的应用，对于研究微观结构和表征样品具有重要意义。
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STEM与EELS的结合进行原子级别的结构分析
7、电子能量损失谱和X射线能谱
EDS 散射的二次过程 散射方向不是入射束前进方向 效率低 适于分析重元素
EELS 散射的一次过程 散射方向主要为入射束前进方向 效率高 灵敏度高，分辨率高 适于分析轻元素 提供空态态密度、氧化态、局域的相邻原子成分和距 离、能带结构信息、元素的价态信息等 缺点：峰形复杂、本底变化 需要较薄的样品、操作复杂
X射线光电子能谱（XPS）与EELS的比较
XPS原理：以X射线激发核外电子跃迁至自由电子能级 （EELS:使核外电子跃迁到费米能级以上的空能级）
Vacuum
XPS优点： 表面灵敏度高：采样深度0.5~2.5nm； 破坏性最小：软X射线，未聚焦，单 位面积X光子数少；
缺点： 空间分辨率低 深度剖析时，刻蚀和测量只能交替进 行 X-Ray
在电子束与样品作用的同时，用Si （Li）漂移探头收集样品释放的X射 线，然后按照X射线能量大小、信 号强度排列成谱，根据出峰能量值 即可进行元素的标定
ＥＤＳ定量分析
有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各 元素的X射线强度，通过强度比，再经过修正后可求出各 个元素的百分含量。有标样分析准确度高。 无标样定量分析：标样X射线强度是通过理论计算或者数据库 进行定量计算。是X射线显微分析的一种快速定量方法。强 度比： K=IS/IStd， 表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计算或用标样数据 库给定的，适应于不同实验条件。计算精度不如有标样定 量分析
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子 特征X射线 X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子 原子序数衬度像 —— STEM 透过电子
核心损失电子
等离子损失电子
电子能量损失谱——EELS
二、扫描透射电子显微术
入射电子
弹性散射电子 随着原子序数的增加，发生弹性散射的电子数目也成比例的上升， 经散射后偏离入射方向的程度更大，由于这些区别的存在，为我 们对样品进行原子尺度上的观测识别提供了可能
自由电子云
L K M
弹性散射电子 原子序数衬度像 —— STEM 透过电子
核心损失电子
等离子损失电子
电子能量损失谱——EELS
一、X射线能量色散谱基本原理
入射电子
X射线的产生
特征X射线
跃迁
散射损失能量的电子 不同元素的电子所处的轨道能量不同，跃迁过程中所释放的X射线的能量也 各自对应特定值，从而可以用来定性元素种类。
Conduction Band Valence Band
eXPS ELNES
８、GIF Tridiem 863 EELS的初步应用
碳纳米管中的Fe纳米线
SI分析Zn球周围Al分布
EFTEM分析银纳米线表面颗粒
EDS
原子序数衬度像的实现
Annular Detector
TEM模式下的高分辨图像和 STEM模式下的Z衬度像
STEM与EDS的结合
STEM收集样品局部原子序 数衬度像的同时收集每点的 EDS信息，进而得到各点的 形貌和成分信息 Z=33 Z=31
EDS探头
Annular Detector
Ga As 1.4Å
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
样品中电子结构以及能级分布
原子构成固体 时能级的分裂
能带：导带、禁带、满带（价带） 导带中电子可以自由移动而导电、 禁带中不允许存在电子、 满带被电子填满，电子被激发至导 带后即为价带 可用来区分导体、半导体、绝缘体
样品中电子结构以及能级分布（电子只能被激发至 未占据态的能级）
STEM—EDS进行成分分布分析
STEM面扫描元素分布
STEM线扫描元素分布
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子 特征X射线 X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子 原子序数衬度像 —— STEM 透过电子
核心损失电子
等离子损失电子
电子能量损失谱——EELS
三、电子能量损失谱基本原理及应用
等离子损失峰：入射电子与导体或半导体样品中的自由电子气交互 作用，使电子气振荡. E < 50eV
可用于：1 样品厚度
2 复介电系数
3 价带和导带电子态密度,禁带宽度 入射电子损失能量（等离子振荡能量） EP = hωP = h (ne2/ε0m)1/2
n: 自由电子气的局域态密度 可利用上式测定样品的浓度
透射电镜中的EDS、STEM 和EELS的原理及应用
——崔兰、林奎、郭前进
Contents
1.
X射线能量色散谱基本原理
2.
3.
扫描透射电子显微术
电子能量损失谱基本原理及应用
透射电镜的TEM成像模式
Beam Sample Obj
Screen
透射电镜成像原理示意图
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子 特征X射线 X射线能量色散谱 ——EDS
可利用 t/λ=ln(Io/It) 测量样品的厚度 λ：此能量范围的非弹性散射平均自由程 ≈100nm t：样品厚度， Io: 零峰强度，It：等离子损失峰强度
3、高能损失范围的谱图
高能损失范围：E > 50eV 原子的内壳层电子被激发至费米能级的各个未占 据态所引起的能量损失 高能损失范围谱图: 本底(background)来源于： 多重非弹性散射 前一电离损失峰的尾巴 电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
1、零损失峰
信号来源： 入射电子与样品未发生交互作用 入射电子与样品发生弹性交互作用（但不包括大散射角的 Bragg 衍射） 入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于 0.1eV 零损失峰可用作于：
谱仪的调整
零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率
2、低能损失区－等离子损失峰
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV
反映样品的能态结构 广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电离损失峰化学位移 (Chemical shift) 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的内壳层 电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构
石墨、金刚石等碳材料中的 碳原子通过形成π键和σ键相 结合，同时形成了未被电子 占据的、更高能量的π*键和 σ*键，当高能电子入射时， 碳原子内壳层电子将被激发 至此两个未占据态能级从而 使入射电子损失相应能量。 从而根据谱图中对应π*键和 σ*键的损失峰的不同可以区 分不同种类的碳材料。
近阈精细结构(ELNES)的应用实例
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
4、两种类型的TEM-EELS结构
外置（后置）型谱仪结构及工作原理
5、EELS谱图的获取
能量过滤像的获取
6、STEM和EELS的结合(Specture Image-SI)
中空环形探测器接收经过样品非 弹性散射后出射的高角散射电子 束（75－150mrad)，构成电子显 微像。同时利用穿过中空部分的 电子束进行EELS分析。 两者结合，Z－衬度像显示样品 中化学分布特征，同步进行的 EELS分析，可直接辨别该像点 对应的原子种类及其电子结构。