透射电镜的电子像衬度原理在线视频

同学们好

这节课我们一起来学习

透射电镜的电子像衬度原理

主要内容包括质厚衬度

衍射衬度和相位衬度衬度

首先

我们来看一下这几张

高熵合金激光冲击组织的TEM照片

我们通过TEM的表征

可以揭示其位错的形成过程

看到了位错壁 DWS

位错缠结 DT

位错胞 DC 和少量孪晶

证明了其主要变形方式为位错滑移

那么这样的灰度图像是如何形成的呢

依据什么原理做出上述解释的呢？

我们再看另一个报道

这是新型金属间化合物材料的

表征结果

通过透射电镜

可以鉴定晶粒内部结构

配合原子分辨能量色散X射线谱

可确定晶格中的元素分布

同时

可以看到

沿着晶界产生了一层超薄的无序层

约为5nm厚

我们还发现Fe和Co原子

在边界区表现出强烈的偏聚趋势

而Ni

Al和Ti原子则大量亏损

可见

TEM在材料的表征中

有着重要的作用

而能够根据图像得出上述结论的原理

就是透射电镜电子像衬度

在其中起着至关重要的作用

接下来给大家重点介绍什么是衬度

电子像的衬度是指

试样不同部位

由于对入射电子作用不同

经成像放大系统后

在显示装置上显示的强度差异

如果样品一个部分的

电子束强度为I1

另一个部分的电子束强度为I2

则电子像的衬度C可表示为

在透射电镜中

产生这种差异的主要原因

主要有两个方面

一个是振幅差 一个是相位差

与之相对应的衬度

分别称为振幅衬度和相位衬度

以上我们讲到的振幅衬度和相位衬度

其中振幅衬度又可分为

质厚衬度和衍射衬度

质厚衬度主要针对复型非晶材料

衍射衬度主要针对晶体材料

而对于相位衬度来说

主要用于高分辨的电子像

对于无定形或非晶体试样

由于试样各部分质量与厚度不同

造成的显微像上的明暗差别

产生的就是质厚衬度

主要为试样原子对入射电子的散射

以及小孔径角成像

由于样品的不均匀性

样品对入射电子有不同的散射能力

散射角大的电子

只有部分散射电子通过光阑参与成像

形成图像中的暗点

相反

散射角小的电子

形成图像的亮点

这两方面共同形成图像的明暗衬度

这种衬度反映了样品各点在厚度

密度和组成上的差异

前面我们已经介绍过

为了确保透射电子显微镜的

高分辨本领

采用小孔径角成像

它是通过在物镜背焦平面上

沿径向插入一个小孔径的物镜光阑

来实现的

把散射角大于α的电子挡掉

只允许散射角小于α的电子

通过物镜光阑参与成像

那么就可以得到像

影响质厚衬度的因素主要有

试样厚度和原子序数

如果试样上相邻两点的物质种类

和结构完全相同

只是电子穿越的厚度不同

则在明场像中

暗的部位对应的试样厚

亮的部位对应的试样薄

另外

大家都知道

物质的原子序数越大

散射电子的能力越强

图像上相应位置越暗

质厚衬度主要决定于散射电子的数量

散射本领大

透射电子束少的样品部分

所形成的的像要暗些

反之

则亮些

利用物质固有散射的不同

而形成的质厚衬度

可以通过明暗的区别清晰的看到单晶

粉末

萃取复型像的表面形貌

我们都知道

试样上各微区晶体取向

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

这称为衍射衬度

衍射衬度对晶体结构和取向十分敏感

当样品微区具有不同结构

或者同种结构取向不同

或者晶体内部存在有缺陷时

导致微区有不同的衍射条件

形成不同的衬度

这就可以从图像中

将微观组织显示出来

对于完整晶体来说

由于晶面在各处满足布拉格条件

这时样品各处的衍射强度都一样

不显示衬度差别

而实际晶体往往是不完整的

这一不完整性会造成衍射衬度的差别

从而可通过衍衬成像技术

观察晶体的内部变化

如由晶界

孪晶界等引起的取向关系改变

由点

线

面

体缺陷引起的弹性位移

相变

成分

组织改变等也会引起衍射差别

衍衬成像技术可对如图晶体中的位错

层错

孪晶

第二相粒子等不完整晶体

进行直接观察

衍射衬度的成像方式

分为明场像和暗场像

明暗场像是互补的

前面已介绍过

明场像是用透射束成像

可以给出研究对象的全貌

而暗场像是用单束衍射束成像

仅显示出对衍射强度

有贡献的区域的形貌

当试样很薄时

一般在10nm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

也就是上述讲过的

质厚衬度或衍射衬度都得不到

这时候怎么办呢

可以利用电子束

在试样出口表面上的相位不一致

使相位差转换成强度差

从而形成衬度

这称为相位衬度

可形成高分辨率像

透射光束和衍射光束拥有不同的相位

存在一定的相位差

透射光束与衍射光束相互干涉

形成干涉图像

形成了相位衬度

也就是高分辨像

相位衬度需满足

弱相位体近似和最佳欠焦条件

才能获得反映晶体结构的像

弱相位体近似是在试样足够薄时

使得其吸收作用可以忽略

则透射波与衍射波成为相干波

一定条件下发生干涉作用成像

右图是不同欠焦条件和样品厚度时

Y原子投影位置

即亮点

出现了图像衬度翻转

需小心求证后加以解释图像衬度

最后我们来小结一下本节课内容

这一节主要介绍了

透射电镜电子像的衬度原理

主要分为质厚衬度

衍射衬度和相位衬度

质厚衬度是由于

样品不同区域厚度或

平均原子序数差异造成的

透射束强度的差异而形成的衬度

衍射衬度是在晶体材料中

样品各部分满足

布拉格条件的程度不同

以及结构振幅不同而产生的

是晶体材料中用得最多的一种衬度

相位衬度是

由透射光束和衍射光束相互干涉

而形成的像

有相干的相位衬度像

我们称为 高分辨像

也有非相干的相位衬度像

我们称为 原子序数衬度像

就是 HAADF

这节课就讲到这里

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