第11章 晶体薄膜衍衬成像分析(新)
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。
材料分析方法总结
第一章 X 射线物理学基础一、X 射线产生的主要装置和条件 主要装置：阳极靶材、阴极灯丝条件：a. 大量自由电子；b. 定向高速运动；c. 运动路径上遇到障碍（靶材）二、短波限一个电子在与阳极靶撞击时，把全部能量给予一个光子，这就是一个光量子所能获得的最大能量，即：h c/λ=eU ，此时光量子的波长即为短波限λSWL 。
三、连续X 射线（强度公式）大量电子在与靶材碰撞的过程中，能量不断减小，光子所获得的能量也不断减小，形成了一系列由短波限λSWL 向长波方向发展的连续波谱。
连续谱强度21iZU K I四、特征X 射线（莫塞莱定律）当X 射线管两端的电压增高到某一特定值U k 时，在连续谱的特定的波长位置上，会出现一系列强度很高，波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶材有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，所以称为特征谱或标识谱。
莫塞莱定律：Z K 21) U - U ( i K I m n 3 （Un 为临界激发电压，原子序数Z 越大，Un 越大）五、X 射线吸收（透射）公式——（质量吸收系数：单质、化合物（固溶体、混合物）） 单质 m tm m e I eI I 00化合物ni i mim w 1六、光电效应、荧光辐射、俄歇效应光电效应：当入射X 射线光量子能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能时，电子易获得能量从内层逸出，成为自由电子，称为光电子，这种光子击出电子的现象称为光电效应。
荧光辐射：因光电效应处于相应的激发态的原子，将随之发生如前所述的外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出特征X 射线，称X 射线激发产生的特征辐射为二次特征辐射，称这种光致发光的现象为荧光效应。
俄歇效应：原子K 层电子被击出后， L 层一个电子跃入 K 层填补空位，而另一个L 层电子获得能量逸出原子成为俄歇电子，称这种一个K 层空位被两个 L 层空位代替的过程为俄歇效应。
光电效应——光电子荧光辐射——荧光X 射线（二次X 射线） 俄歇效应——俄歇电子七、吸收限及其两个应用：滤波片的选择、靶材的选择吸收限：欲激发原子产生K、L、M等线系的荧光辐射，入射X 射线光量子的能量必须大于或至少等于从原子中击出一个K、L、M层电子所需的能量W K、W L、W M，如，W K= h K = hc / K，式中， K、 K是产生K系荧光辐射时，入射X射线须具有的频率和波长的临界值。
材料分析方法
a b c , b c a , c a b
V
V
V
(10-1)
式中，V 是正点阵单胞的体积，
V a (bc) b(c b) c (a b) (10-2)
图10-2 倒、正空间
基本矢量的关系
7
第二节 电子衍射原理
二、倒易点阵与爱瓦尔德图解
(一) 倒易点阵的概念
2.倒易点阵的性质
1) 基本矢量
2
第一节 概 述
一、常见的电子衍射花样 晶态、准晶态和非晶态物质的衍射花样见图10-1
a)
b)
c)
d)
图10-1 常见的电子衍射花样
a) 单晶体 b) 多晶体 c) 准晶体 d) 非晶体
3
第一节 概 述
二、电子衍射的特点
与X射线衍射相比，电子衍射具有如下特点：
1) 电子波波长很小，故衍射角2 很小(约10-2rad)、反射球半 径(1/)很大，在倒易原点O*附近的反射球面接近平面
第二节 电子衍射原理
二、倒易点阵与爱瓦尔德图解
(一) 倒易点阵的概念
2. 倒易点阵的性质
2) 倒易矢量 在倒易空间内，由倒易原点O*指向坐标为hkl
的阵点矢量称倒易矢量，记为ghkl
ghkl ha kb lc
(10-4)
倒易矢量ghkl与正点阵中的(hkl)晶面之间的几何关系为
ghkl (hkl),
爱瓦尔德球内三个矢量k、k 和 ghkl清晰地描述了入射束方向、 衍射束方向和衍射晶面倒易矢量之间的相对几何关系。 倒易
矢量 ghkl代表了正空间中(hkl)晶面的特性， 因此又称 ghkl为衍 射晶面矢量
如果能记录倒易空间中各 ghkl矢量的排列方式，就能推算出正 空间各衍射晶面的相对方位， 这是电子衍射分析要解决的主
第10章衍衬成像
二、直接样品的制备 1．初减薄
—由块状样品制备厚度约100-200μm的薄片； 塑性材料 —电火花线切割法或轧制法。 脆性材料—刀片将其沿解理面解理，直至达到对电子透明的程度。
如要使薄片不与解理面平行，可采用金刚锯。 2．圆片切取
—从薄片上切取φ3mm的圆片 塑性材料—采用特制的小型冲床； 脆性材料—采用电火花切割、超声波钻和研磨钻。 3．预减薄 —从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄至数μm 采用专用的机械研磨机。 4．终减薄 ——电解抛光和离子轰击至100-200nm 。
2.粉末样品制备
随着材料科学的发展，超细粉体及纳 米材料发展很快，而粉末的颗粒尺寸 大小、尺寸分布及形态对最终制成材 料的性能有显著影响，因此，如何用 透射电镜来观察超细粉末的尺寸和形 态便成了电子显微分析的一项重要内 容。
其关键工作是是粉末样品的制备，样 品制备的关键是如何将超细粉的颗粒 分散开来，各自独立而不团聚。
但塑料一级复型因其塑料分子较大，分辨 率较低；塑料一级复型在电子束照射下易 发生分解和破裂。
一级复型法
碳一级复型是直接把表面清洁的金相样品放入 真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸 镀一层厚度为数十纳米的碳膜。
把喷有碳膜的样品用小刀划成对角线小于3mm 的小方块，然后把样品放入配好的分离液中进 行电解或化学分离。碳膜剥离后也必须清洗， 然后才能进行观察分析。
像衬度成像原理
衬度是指在荧光屏 或照相底片上，眼 睛能观察到的光强 度或感光度的差别。
衬度：明暗程度
像衬度成像原理
透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。 分两种基本类型：
质厚衬度 衍射衬度 1. 非晶样品质厚衬度成像 非晶（复型）样品电子显微图像衬度是由于样品不同微 区间存在原子序数或厚度的差异而形成的，即质厚衬度。
第11章-1薄膜样品的制备
② 样品太薄，表面效应明显，组织、结构有别于大块样品。 • 因此，不同研究目的，样品厚度选用应适当。
对一般金属材料，样品厚度都在 500 nm 以下。
5
一、薄膜样品应具备的基本要求（2）
2. 薄晶组织结构须和块样相同，样品制备时，组织结构不变。
① 直接使用薄膜：只有少数情况（光学或电子器件）。
6
一、薄膜样品应具备的基本要求（3）
3. 薄膜应有较大透明面积，减薄应尽可能均匀。 以便选择典型的视域进行分析。
4. 薄膜样品应有一定强度和刚度。 在制备、夹持和操作过程中，在一定的机械力作用而不会引 起变形或损坏。
5. 在制备样品时，不允许表面产生氧化和腐蚀。 因氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假像。
26
电解抛光仪
美国Fischione 110型双喷电解抛光减薄仪： • 强大的双喷技术，能在数分钟内同时抛光样品的两面。 • 电解液成分、温度、流量、电压、喷射头数量可分别可控。
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二、薄膜制备工艺过程（8）
（2）离子减薄法： • 对不导电陶瓷或金属样经机械研磨、凹坑后，用离子减薄。
• 离子减薄：物理法减薄。 • 用氩离子束在样品两侧以一
美国Gatan公司656型凹坑仪： 样品中心区可研磨至≤50μm。 可准确定位， 增大薄区面积， 缩短离子减薄时间， 尤其适合于脆性材料。
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• 原理：用一个球形砂轮在样品中心滚磨，同时配以厚度精确 测量显示装置。
21
• 可精确控制凹坑深度
22
二、薄膜制备工艺过程（6）
4、最终减薄：常用双喷电解抛光减薄法和离子减薄法，它是目 前效率较高和操作简便的方法。
定倾角（5o～8o）轰击贱射样 品，将试样表面层层剥去， 最终使试样减薄到电子束可 通过的厚度。
第十三章 晶体薄膜衍射成像分析 qicaidie
如晶柱：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ ，其底部的衍射强度： Ig1、Ig2、Ig3 若三个晶柱内晶体构造有差别，三点 的强度就不同，则就有衬度。
（三）理想晶体的衍射强度
1、柱体下表面衍射波振幅： • 在 t 厚度薄晶内取一小晶柱， 入射电子波通过厚度元 d z （距上表面为 z 、位矢 r）， • 按费涅尔衍射原理，在某衍 射方向上的散射波振幅为：
I hkl 是衍射束的强度
明场像：在一物镜后面加一个 足够小的物镜光阑（即处于中 心斑点的位置），让透射束成 像。B晶粒产生的衍射束被光 阑挡住，像平面上B晶粒的亮 度 I0 - Ihkl就比A晶粒低。 一般暗场像：如果我们把光阑 向左移，使他的位置和衍射斑 点hkl重合。像平面上A晶粒的 亮度几乎为零，B晶粒的亮度 Ihkl。此时图像的衬度特征恰好 与明场像相反，B晶粒亮，A晶 粒暗。
• 理论推导结果表明：消光距离，记作ξg ：
d cos g n Fg
晶胞的体积Vc
n—原子面上单位面积内所含晶胞数。 1/n 就是一个晶胞所占有的面积， d—晶面间距； θ—布拉格角； Fg—结构因子。
g
Vc s g Fg
五 衍衬运动学简介
（一）先决条件：不考虑入射线与衍射线之间的相互作
d g
i
g
材料分析方法第3版周玉出版社配套PPT课件第1章机械工业出版社
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
2
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
L、 M、N、顺序递增
16
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 在莫塞莱定律 (1-6)式中，
K2
me 4
8 02h3c
1 n22
1 n12
R
1 n22
1 n12
其中R 称为里德伯常数，R = 1.0974107m-1；n1和n2是电子 跃迁前后壳层的主量子数，如 K 层 n =1，L 层n =2，M层 n =3等，…
X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
7
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱 13
10《材料研究与测试方法》---透射电镜样品制备及衍衬成像
1.2 粉磨样品的制备
需透射电镜分析的粉末颗 粒一般都小于铜网小孔， 应此要先制备对电子束透 明的支持膜。
常用支持膜有火棉胶膜和 碳膜，将支持膜放在铜网 上，再把粉末放在支持膜 上送入电镜分析。
粉末或颗粒样品制备的关 键取决于能否使其均匀分 散到支持膜上。
纳米粉末样品的制备过程
★用超声波分散器将需要观察的粉末在分散介质 〈不与粉末发生作用〉中分散成悬浮液。 ★用滴管滴几滴在覆盖有支持膜的电镜铜网上， 待其干燥(或用滤纸吸干)后, 即成为电镜观察 用的粉末样品。
二级复型
图为二级复型制备过程示意图。 图 (a) 为塑料中间复型，图 (b) 为在揭下的中间复型上进行碳 复型。为了增加衬度可在倾斜 15-45°的方向上喷镀一层重 金属，如 Cr 、 Au 等（称为投 影）。一般情况下，是在一次 复型上先投影重金属再喷镀碳 膜，但有时也可喷投次序相反， 图(c)表是溶去中间复型后的最 终复型。
将待观察的试样按预定取向切割成薄片，再经
机械减薄抛光等过程预减薄至30~40μm的薄膜。
把薄膜钻取或切取成尺寸为2.5~3mm的小片。
装入离子轰击减薄装置进行离子轰击减薄和离 子抛光。
离子轰击减薄原理
在高真空中，两个相对的冷阴 极离子枪，提供高能量的氩离 子流，以一定角度对旋转的样 品的两面进行轰击。 当轰击能量大于样品材料表层 原子的结合能时，样品表层原 子受到氩离子击发而溅射、经 较长时间的连续轰击、溅射， 最终样品中心部分穿孔。 穿孔后的样品在孔的边缘处极 薄，对电子束是透明的，就成 为薄膜样品。
阴极发射电子阳极加速聚光 镜会聚作用样品物镜放大 中间镜放大投影镜放大荧光 屏成像照相记录
电子衍射基本公式、花样及标定？
材料分析测试方法部分课后习题答案
第一章X 射线物理学基础2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。
4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。
查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。
材料分析方法-1-课件
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
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第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤