中南大学：《电子显微分析》_第四章 透射电子显微镜成象原理（苏玉长）

第四章透射电子显微镜成象原理

第四章 透射电子显微镜成象原理

金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面 的微观形貌,它无法获得物质内部的信息。而 透射电镜由于入射电子透射试样后,将与试样 内部原子发生相互作用,从而改变其能量及运 动方向。显然,不同结构有不同的相互作用 这样,就可以根据透射电子图象所获得的信息 来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互 作用的复杂性,因此所获得的图象也很复杂 它不象表面形貌那样直观、易懂

金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面 的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。而 透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样 内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运 动方向。显然，不同结构有不同的相互作用。 这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息 来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互 作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。 它不象表面形貌那样直观、易懂

因此,如何对一张电子图象获得的信息作出 正确的解释和判断,不但很重要,也很困难。 必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作 出正确的解释。如前所述电子束透过试样所得 到的透射电子束的强度及方向均发生了变化, 由于试样各部位的组织结构不同,因而透射到 荧光屏上的各点强度是不均匀的,这种强度的 不均匀分布现象就称为衬度,所获得的电子象 称为透射电子衬度象 其形成的机制有两种:

因此，如何对一张电子图象获得的信息作出 正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。 必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作 出正确的解释。如前所述电子束透过试样所得 到的透射电子束的强度及方向均发生了变化， 由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到 荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的 不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象 称为透射电子衬度象。 其形成的机制有两种：

1相位衬度 如果透射束与衍射東可以重新组合,从而保持它们的 振幅和位相,则可直接得到产生衍射的 那些晶面的晶格象,或者一个个原子的晶体结构象。 仅适于很薄的晶体试样(≈100A) 2.振幅衬度 振幅衬度是由于入射电子通过试样时,与试样内原子 发生相互作用而发生振幅的变化,引起反差。振幅衬 度主要有质厚衬度和衍射衬度两种:

1.相位衬度 如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的 振幅和位相，则可直接得到产生衍射的 那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。 仅适于很薄的晶体试样(≈100Å)。 2. 振幅衬度 振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子 发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅衬 度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：

①质厚衬度 由于试样的质量和厚度不同,各部分对入射电 子发生相互作用,产生的吸收与散射程度不同, 而使得透射电子束的强度分布不同,形成反差 称为质-厚衬度 ②衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射 条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图 象反差。它仅属于晶体结构物质,对于非晶体 试样是不存在的

① 质厚衬度 由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电 子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同， 而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差， 称为质-厚衬度。 ② 衍射衬度 衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射 条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图 象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体 试样是不存在的

第一节质厚衬度原理 由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发 生相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很 薄,吸收很少。衬度主要取决于散射电子(吸 收主要取于厚度,也可归于厚度),当散射角 大于物镜的孔径角α时,它不能参与成象而相应 地变暗这种电子越多,其象越暗或者说散射本 领大透射电子少的部分所形成的象要暗些,反 之则亮些

第一节 质厚衬度原理 由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发 生相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很 薄，吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸 收主要取于厚度，也可归于厚度），当散射角 大于物镜的孔径角α时,它不能参与成象而相应 地变暗.这种电子越多,其象越暗.或者说,散射本 领大,透射电子少的部分所形成的象要暗些,反 之则亮些

对于透射电镜试样,由于样品较厚,则质 厚衬度可近似表示为 Gpt=N(G2p2t2/A2-op1t1/A1)(4-1) 其中 02.001 原子的有效散射截面 试样原子量 样品密度 t1--试样厚度 N 阿佛加德罗常数

• 对于透射电镜试样,由于样品较厚，则质 厚衬度可近似表示为: Gρt = N(δ02ρ2 t2 /A2 - δ01ρ1 t1 /A1 ) (4-1) 其中 δ02.δ01 --- 原子的有效散射截面 A2 . A1 --- 试样原子量 ρ2 . ρ1 --- 样品密度 t2 , t1 --- 试样厚度 N --- 阿佛加德罗常数

对于复型试样 02=oo1A1=A2p1=p2 则有Gon=N(60p(21t1)/A) =N(δp△t/A)(4-2) 即复型试样的质厚衬度主要取决于厚度, 对于常数复型,则其衬度差由式(4-1)决定, 即由质量与厚度差共同决定,故(4-1)称为 质量衬度表达式

• 对于复型试样 σ02 =σ01 A1=A2 ρ1=ρ2 则有 Gρt = N(δ0ρ(t2 -t1 ) /A) = N (δ0ρ△t /A ) (4-2) 即复型试样的质厚衬度主要取决于厚度, 对于常数复型,则其衬度差由式(4-1)决定, 即由质量与厚度差共同决定,故(4-1)称为 质量衬度表达式

散射截面: 弹性:Yn=ze/ua6n=兀 丌(z2e2/u2a) 非弹性:Y=e/ua6e=πye Zoe= ZI y e 00= on+ zoe 6n/z6e=z表明原子序数越大,弹性散射 的比例就越大弹性散射是透射电子成像 的基础,而非弹性散射主要引起背底增强 试图象反差下降

散射截面: 弹性: γn = z e/ u α бn=π γn 2 = π(z 2e 2 / u 2α) 非弹性: γ e = e/ u α бe= π γ e 2 zбe= zπ γ e 2 б o= бn + zбe бn / zбe = z 表明原子序数越大,弹性散射 的比例就越大,弹性散射是透射电子成像 的基础,而非弹性散射主要引起背底增强, 试图象反差下降

第二节衍射衬度形成机理 明场像与暗场像 前面已经讲过衍射衬度是来源于晶体试样各部 分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异 (如图)。 设入射电子束恰好与试样OA晶粒的(h1kl)平面 交成精确的布拉格角θ,形成强烈衍射,而OB 晶粒则偏离 Bragg反射,结果在物镜的背焦面 上出现强的衍射斑hkκl1,若用物镜光栏将该强 斑束hk1挡住,不让其通过,只让透射束通过, 这样,由于通过OA晶粒的入射电子受到(h1k1)

第二节 衍射衬度形成机理 明场像与暗场像 • 前面已经讲过,衍射衬度是来源于晶体试样各部 分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异 （如图）。 设入射电子束恰好与试样OA晶粒的(h1k1 l1 )平面 交成精确的布拉格角θ，形成强烈衍射，而OB 晶粒则偏离Bragg反射，结果在物镜的背焦面 上出现强的衍射斑h1k1 l1。若用物镜光栏将该强 斑束h1k1 l1挡住，不让其通过，只让透射束通过， 这样，由于通过OA晶粒的入射电子受到(h1k1 l1 )