所以,研究材料必须研究材料的微观结构 2
• 通常用来研究材料微观结构的方法 (method) 光学金相显微分析 X射线衍射 化学分析方法
这些技术在材料的研究中发挥了重要的作用
3
材料研究中各种分析方法的空间分辨能力极限
4
• 传统方法存在的问题 光学金相方法-分辨率受到光波衍射的限制,只能提供微米左右的
(quantitative)精度(precision)以及适应性
(applicability)等方面,越来越不能满足科学发展的需
要.
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• 电子光学仪器新设备相继出现 TEM (Transmission electron microscopy) SEM (scanning electron microscopy) EPMA (electron probe microanalyzer)电子探 针X射线显微分析仪 SIMS (secondary ion mass spectrometry)离子 探针 AES (Auger electron spectrometer)俄歇电子能谱仪
第一暗环的半径来衡量其大小n。－透镜物方介质折射率(refractive index)
R0
=
0.61 nsin
M
λ－照明光波长(wavelength) α－透镜孔径半角(semiangle of collection) M－透射放大倍数 nsinα-数值孔径(numerical aperture)
上式说明埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径成反比。
SAED(selected area electron diffraction)：
使微观形貌和晶体结构对应起来
原位(In situ)观察：利用各种特殊样品台对样品
进行高分辨率条件下的系统动态观察，揭示材料相 变和形变过程中组织结构的变化规律
TEM-本篇将要学习的主要内容
7
8
本篇主要内容
• TEM设计基础 • 设备介绍 • 样品制备 • 应用
第二篇 金属电子显微分析
1
绪论
• 微观结构(microstructure)决定宏观(macroscopical)性质 任何一种材料的宏观性能或行为都是由其微观结构所决定的.
微观结构 材料的化学组分(composition) 元素分布(elemental distribution) 组成相(phase)的形貌(morphology) (包括形状/大小/分布等) 晶体结构(crystal structure) 各个组成相之间的取向关系(orientation)和界面状 态(interface) 晶体缺陷(defect)的密度(density)和组态等
1) 光的衍射
Plane
光和无线电波一样属于电磁波。
由于它具有波动性质，使得由透镜各
个部分折射到像平面上的像点及其周
Object
围区域的光波相互之间发生干涉作用、
Lens
产生衍射现象。
所以，理想点光源的像是：具有一定尺
寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环
所组成的埃利 （Airy）斑,大约84％的强
度集中在中央亮斑，所以通常以埃利斑
。。。
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第一章 电子光学基础
$1 概述
• 电子显微镜：是一种高放大倍数、高分辨本领， 综合性能好的新型分析仪器。
• 要学习掌握电子显微镜的原理，首先要对光学显 微镜进行了解 两者都属于光学放大仪器，基本光学原理相似 区别在于使用照明源和聚焦成像的方法不同：前 者用可见光照明，用玻璃透镜聚焦成像；后者用 电子束照明，用一定形状的静电场或磁场（静电 透镜或磁透镜）聚焦成像。
n2
γ 11
光学透镜成像 光学显微镜聚焦、放大成像的主要部件-凸透镜
薄透镜性质：
(1)薄透镜的基本概念：透镜的中心、光轴 、主轴、副轴、透镜主平面、焦点F、 焦距f 、焦平面等 ；
(2) 成像规律：实像、虚像的条件
(3) 成像的几条特殊光线；通过这几条特殊光线，用作图的方法确定透镜成像的 位置和大小
所有电子光学仪器的共同特点:以电子光学方法将具有一定能量的电子(或离子)
会聚成细小的入射束，通过与样品物质的相互作用激发表征材料微观组织结构特 征的各种信息，检测并处理这些信息从而给出形貌、成分和结构的丰富资料.
6
• 最重要的显微分析手段-TEM
特点 高空间分辨率:可提供极其微细的材料组织结构情况
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$ 2 光的折射和光学透镜成像
• 光的折射(refraction)是光学透镜成像的基础
• 光的折射：光从一种介质传播到另一种介质时发生光的折 射
• 折射服从以下规律：
(1)入射光、折射光和介质界面的法线在同一平面内
(2)满足关系：
θ
sinq sing
=
v1 v2
=
n2 n1
=
n21
n1
另外重要概念：单色光
Image Plane
Airy Spot
13
14
2) 光学显微镜分辨本领理论极限.
样品由许多物点所组成的。每个物点为一个“点光源”。分辨判据：两埃 利斑中心间距等于第一暗环半径R0。此时样品上相应的两个物点间距离△r0。 定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。 由上式得到：
r0
=
R0 M
r0
=
0.61 nsin
对玻璃，最大的孔径半角α=70°~75°，物方介质为油情况下，n≈ 1.5，其 数值孔径 nsin α ≈1.25 ~ 1.35。因此上式可以简化为：
r0
1 2
可见光的波长在3900~7600Å之间，光学透镜分辨本领极限值可达2000Å。
以上说明，透镜能分辨的两点间的最小距离（即分辨本领）主要取决于照明波长， 半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限
形貌细节图象
X射线衍射-聚焦困难,衍射信息强度较弱,只能获得总体或平均的
结果
湿法和光谱化学分析-无法给出微观的成分不均匀性资料
上述技术空间分辨率(spatial resolution)不高, 不能把形貌显示和成分结构分析有机地结合起来.
在分辨率(resolution),检测灵敏度(sensitivity),定量
(4)薄透镜成像，物距L1，焦距f，像距L2三者之间的关系等
(5)透镜像的放大倍数
M = A'B' = L2 AB L1
f
A
B’
Bห้องสมุดไป่ตู้
L1
12 A’ L2
$3 光的衍射和光学显微镜分辨本领理论极限
由前所述，一个理想的点光源通过透镜成像时，在像面上应该
得到一个理想的像点，但是实际情况并非如此
Object