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1、透射电镜基本成像操作及像衬度,目录,2,成像操作,5,1.明场成像和暗场成像,6,利用投射到荧光屏上的选区衍射谱可以进行透射电镜的两种最基本的成像操作。,晶体样品或非晶体样品，其选区衍射谱上必存在一个由直射电子束形成的中心亮斑以及一些散射电子。我们可以选直射电子也可以选部分散射电子来成像。这种成像电子的选择是通过在物镜背焦面上插入物镜光栏来实现的。,选用直射电子（透射束）形成的像称为明场像，选用散射电子（衍射束）形成的像称为暗场像。,1.明场成像和暗场成像,暗场成像有两种方法：偏心暗场像与中心暗场像。,7,1.明场成像和暗场成像,由于成像电子束偏离了透射电镜的光轴而造成较大的像差并在成像时难以
2、聚焦，成像质量较差。在透射电镜中，为了获得高质量的暗场像，人们总是采取“中心暗场成像”，即将入射电子束反向倾斜一个相应的散射角度，而使散射电子沿光轴传播。,对晶体样品而言，如明场成像时 晶面组恰与入射方向交成精确的布拉格角，而其余晶面组均与衍射条件存在较大偏差，此时除透射束外只有一个强的衍射束即 衍射束，即构成所谓的“双光束条件”。在此条件下，通过束倾斜，使入射束沿原先的 衍射束方向入射，即将中心斑点移至 衍射斑点位置。此时，晶面组将偏离布拉格条件，而 晶面组与入射束交成准确的布拉格角，其衍射束与光轴平行，正好通过光栏孔，而透射束和其他衍射束均被挡掉，如图9-17(c)。,2.像衬度,8,像衬
3、度是图像上不同区域间明暗程度的差别。正是由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到的各种具体的图像。,透射电镜的像衬度与所研究的样品材料自身的组织结构、所采用的成像操作方式和成像条件有关。,透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。当电子波穿越样品时，其振幅和相位都将发生变化，这些变化都可以产生像衬度。,图1 透射电镜像衬度分类,2.像衬度,1.相位衬度 当透射束和至少一束衍射束同时通过物镜光栏参与成像时，由于透射束与衍射束的相互干涉，形成一种反映晶体点阵周期性的条纹像和结构像，这种像衬的形成是透射束和衍射束相位相干的结果，故称相位衬度。2.振幅衬度 振幅衬度是
4、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。,图1 透射电镜像衬度分类,质厚衬度,质厚衬度,定义：非晶体样品透射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，即质量厚度衬度，简称质厚衬度。,原理：质厚衬度是建立在非晶体样品中原子对入射电子的散射和透射电子显微镜小孔径角成像基础上的成像原理。对于非晶体样品来说，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多（或样品越厚），样品的原子核库仑力场越强（或样品原子序数越大或密度越大），被散射到物镜光阑外的电子就越多，而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低。,这是因为电
5、子穿过样品时，通过与原子核的弹性作用被散射而偏离光轴，弹性散射截面是原子序数的函数。此外，随样品厚度增加，将发生更多的弹性散射。所以，样品上原子序数较高或样品较厚的区域（较黑）比原子序数较低或样品较薄的区域（较亮）将使更多的电子散射而偏离光轴，如图9-18所示。,质厚衬度,透射电镜总是采用小孔径角成像，在图9-18所示的明场成像即在垂直入射并使光栏孔置于光轴位置的成像条件下，偏离光轴一定程度的散射电子将被物镜光栏挡掉，使落在像平面上相应区域的电子数目减少（强度较小），原子序数较高或样品较厚的区域在荧光屏上显示为较暗区域。,反之，质量或厚度较低的区域对应于荧光屏上较亮的区域。所以，图像上的明暗程
6、度的变化反映了样品上相应区域的原子序数（质量）或样品厚度的变化。,此外，也可以利用任何散射电子来形成显示质厚衬度的暗场像。显然，在暗场成像条件下，样品上较厚或原子序数较高的区域在荧光屏上显示为较亮区域。,质厚衬度受到透射电子显微镜物镜光栏孔径和加速电压的影响。,衍射衬度,由X射线衍射原理我们得出布拉格方程的一般形式为因为 所以 这说明，对于给定的晶体样品，只有当入射波长足够短时，才能产生衍射。而对于电镜的照明光源高能电子束来说，比X射线更容易满足。通常的透射电镜的加速电压为100200kV，即电子波的波长为10-210-3nm数量级，而常见晶体的晶面间距为10010-1nm数量级，于是,电子衍
7、射原理,这表明，电子衍射的衍射角总是非常小，这是它的花样特征之所以区别X射线衍射的主要原因。,电子衍射原理,（a）单晶体-排列十分整齐的许多斑点（b）多晶体-一系列不同半径的同心圆环（c）非晶-一个漫散的中心斑点（d）准晶,（d）准晶,衍射衬度,定义：对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射。所以，在晶体样品的成像过程中，起决定作用的是晶体对电子的衍射。由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度。,衍射强度影响因素：晶体取向和结构振幅。对没有成分差异的单相材料，衍射衬度是由样品各处满足布拉格条件程度的差异造成的。,衍衬成像和质厚衬度成像的重要差别：在形成显示质厚衬度的暗场像时，可以利用任意的
8、散射电子。而形成显示衍射衬度的明场像或暗场像时，为获得高衬度高质量的图像，总是通过倾斜样品台获得所谓“双束条件”，即在选区衍射谱上除强的直射束外只有一个强衍射束。,衍射衬度,以单相的多晶体薄膜样品为例。设想薄膜内有两颗晶粒A和B，它们之间的唯一差别在于它们的晶粒学位向不同。如果在入射电子束照射下，B晶粒的某 晶面组恰好与入射方向交成精确的布拉格角，而其余的晶面均与衍射条件存在较大的偏差，即B晶粒的位向满足“双光束条件”。此时，在B晶粒的选区衍射花样中，斑点特别亮，也即其 晶面的衍射束最强。如果假定对于足够薄的样品，入射电子受到的吸收效应可不予考虑，且在所谓“双光束条件”下忽略所有其他较弱的衍射
9、束，则强度为 的入射电子束在B晶粒区域内经过散射之后，将成为强度为 的衍射束和强度为 的透射束两个部分。,衍射衬度,同时，设想与B晶粒位向不同的A晶粒内所有晶面组，均与布拉格条件存在较大的偏差，即在A晶粒的选区衍射花样中将不出现任何衍射斑点而只有中心透射斑点，或者说其所有衍射束的强度均可视为零。于是，A晶粒区域的透射束强度仍近似等于入射束 强度。,由于在电子显微镜中样品的第一幅衍射花样出现在物镜的背焦面上，所以若在这个平面上加进一个尺寸足够小的物镜光阑，把B晶粒的 衍射束挡掉，只让透射束通过光阑孔并到达像平面，则构成样品的第一幅放大像。此时，两颗晶粒的像亮度将有不同。因为,如以A晶粒亮度IA为
10、背景强度，则B晶粒的像衬度为,于是我们在荧光屏上将会看到，B晶粒较暗而A晶粒较亮。,这种让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到的图像衬度，叫明场成像。,衍射衬度,习惯上常以另一种方式产生暗场像，即把入射电子束方向倾斜2角度，使B晶粒的 晶面组处于强烈衍射的位向，而物镜光阑仍在光轴位置。此时只有B晶粒的 衍射束正好通过光阑孔，而透射束被挡掉，这叫做中心暗场成像方法。,B晶粒的像亮度为，而A晶粒由于在该方向的散射度极小，像亮度几乎近于零，图像的衬度特征恰好与明场像相反，B晶粒较亮而A晶粒很暗。,在衍衬成像方法中，某一最符合布拉格条件的 晶面组强衍射束起着十分关键的作用，因为它直接决定了图像的衬度。,Thank you!,谢谢观赏,
