TEM透射电子显微镜的成像原理

明场像
暗场像
晶体中的取向：多晶、析出物、 缺欠
多晶
析出物
共格
位错
半共格
非共格
二、衍衬像：明场像与暗场像
明场像的成像
明场像：采用物镜光栏挡 住所有的衍射线，只让透 射光束通过的成像。
2d sinθ = λ
透过取向位置满足布拉格 关系的晶粒的电子束强度 弱
透过取向位置不满足布拉 格关系的晶粒的电子束强 度强
衍射衬度理论
厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品：
内有若干个晶粒，它们没有厚度差，同时又 足够的薄，以致可不考虑吸收效应，两者的 平均原子序数相同，唯一差别在于它们的晶 体位向不同。
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不
000
同，导致各个晶粒对电子的衍射能力
不同所产生的衬度变化。
如何解释衬度的变化？
衍射衬度理论
a:透射波的强度几乎等于入 射波的强度；
b:衍射束不再被晶面反射到 入射线方向。
运动学近似
运动学近似成立的条件：
¾样品足够薄，入射电子受到多次散射的机会 减少到可以忽略的程度；
¾衍射处于足够偏离布拉格条件的位向，衍射 束强度远小于透射束强度
柱体近似模型
• 电子束由试样上表面A入射，在样品下表面P点 出射，透射束与衍射束相应的距离为：
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.
Fine secondary γ’-particles are formed in the specimen
Fig. 10. The area containing thin Zr–C particles and tiny Zr-rich particles in the annealed specimen after creep test at 600 °C (100 MPa, 9160 h, total deformation 0.71%). Zone axis diffraction pattern of both matrix and thin plate-like Zr–C particles in the insert. Two matrix reflection vectors (D03 structure) are marked by arrows.
−2πisz ⋅zn
g
n
n
写成积分形式
∫ φg
=F
t e−2πisz ⋅z dz
0
ID
=
F2
sin 2 (π s zt ) sin 2 (π s z )
因为 sz很小，所以可写为
ID
=
F2
sin2 (π szt ) (π sz )2
衍射波振d幅φg的=微ξiπ分g e形−2式πis是x⋅zdz
衍射波强度公式：
(b)旋转Moiré 条纹
图3.66 Moiré 条纹形成原理图(c)通常Moiré 条纹
衍射衬度理论简称为衍衬理论
运动学理论：不考虑入射波与衍射波 的相互作用
衍衬理论
动力学理论：考虑入射波与衍射波的 相互作用
三、完整晶体中衍衬像运动学理 论
对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波
1、有一个晶面严格满足布 拉格条件：双束条件
双束动力学近似
2、入射波与任何晶面都不 满足布拉格条件，假设：
在完整晶体中引入缺陷的普遍效应，是使原来 规则排列的周期点阵受到破坏，点阵发生了短程 或长程畸变。
四、不完整晶体中衍衬像运动学 理论
处理畸变晶体方法：
1、把畸变晶体看成是局部倒易点阵矢量、或局部晶面间
距发生变化： g → g + Δg
2、把畸变晶体看成是完整晶体的晶胞位置矢量发生变 化，位置矢量由理想晶体 Rn' → Rn + R
ID
=
π2
ξ
2 g
sin2 (π szt ) (π sz )2
式中 V
F
θ
ξ
λ
c g g
ξg
=
πVc cosθ λ Fg
－单胞体积 －衍射角之半 －结构振幅 －电子波长 －消光距离
等厚条纹
等厚条纹
Leabharlann Baidu
衍射波强度：
ID
=
π2
ξ
2 g
sin 2 (π szt ) (π sz )2
ξg
=
πVc cosθ λ Fg
Fig. 2. TEM micrographs and corresponding diffraction patterns of the AA2324 alloy in the WQ-270 condition: (a) bright field; (b) [0 0 1]Al SAD pattern of
位错衍衬像
Dislocations in Ni-base superalloy
The micrograph shows the dislocation structure following creep, with dislocations looping around the particles
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 = xna + ynb + znc
其a 中b ， ，c 是单胞的基矢
对于所考虑的晶柱来说， xn = yn = 0
因此， P 0 处的合成波振幅为
∑ ∑ φg = F
e−2π iK⋅Rn = F
e−2π iK⋅( znc)
n
n
K =g+s
s = sxa∗ +syb∗ +szc∗
∑ ∑ φ = F e = F e −2πiK⋅Rn
离轴暗场像的质量差， 物镜的球差限制了像的 分辨能力。
暗场像的成像
hkl 000
通过倾斜照明系统使入射
电子束倾斜2θB，让B晶
粒的( hkl )晶面处于布拉 格条件，产生强衍射，而 物镜光阑仍在光轴位置 上，此时只有B晶粒的 hkl 衍射束正好沿着光轴通过 光阑孔，而透射束和其它 衍射束被挡掉,这种方式 称为中心暗场成像方式。
暗场像的成像
暗场像：采用物镜光栏挡 住透射光束，只让一束衍 射光通过的成像。
2d sinθ = λ
透过取向位置满足布拉格 关系的晶粒的电子束强度 强
透过取向位置不满足布拉 格关系的晶粒的电子束强 度弱
暗场像的成像
000 hkl
使光阑孔套住hkl斑点， 把透射束和其它衍射束 挡掉，在这种暗场成像 的方式下，衍射束倾斜 于光轴，故又称离轴暗 场。
透射电子显微镜的成 像原理
透射电镜像
1、复型像：反映试样表面状态的像，衬 度取决于复型试样的原子序数和厚度； 2、衍衬像：反映试样内部的结构和完整 性，起源于衍射光束； 3、相衬像：由透射束和一束以上的衍射 束相互干涉产生的像。
2、衍射衬度像
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，导致各个 晶粒对电子的衍射能力不同所产生的衬度变化。
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
试样斜面和锥形孔产生等厚条纹示意图
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等厚条纹
（s=常数，t变化）
等倾干涉
（ t =常数， s 变 化）
四、不完整晶体中衍衬像运动学 理论
1、不完整晶体衍射强度公式
所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位 错、层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和 晶粒边界等缺陷。
位错运动的动态电子显微镜观察
左：具有最大衬度的刃位错像 g∥b 右：位错衬度趋于零 g⊥b
多相合金的衍射和衬度效应
1、第二相的衍射效应 （相界面）
共格
半共格
非共格
平行于电子束的片状沉淀产生的倒易杆
在s=0时可以看到条纹
s≠0时可以看到伪卫星斑点
(a)平行 Moiré 条纹
the S phase precipitate in dark contrast in (a) with surrounding matrix (the streaks emanating from the
brighter Al spots are an artefact due to camera saturation); (c) simulated SAD pattern corresponding
缺陷晶体衍射波合波的振幅为
∑ φ = F e−2πiK⋅Rn′
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
∑ φ = F e ⋅ e −2π isz −2π ig⋅R
a = 2π 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
t ⋅ 2θ ≈ 100× 2×10−2 nm = 2nm
三、完整晶体中衍衬像运动学理 论
对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波
1、有一个晶面严格满足布 拉格条件：双束条件
双束动力学近似
2、入射波与任何晶面都不 满足布拉格条件，假设：
a:透射波的强度几乎等于入 射波的强度；
b:衍射束不再被晶面反射到 入射线方向。