【2017年整理】透射电镜与电子能量损失谱.doc

2010年Zeiss 会论文 2010年8月 PAGE PAGE 1 TEM与电子能量损失谱 北京科技大学 材料物理系 柳得橹 1 TEM在钢铁研究中的作用 随着科学的进步，新技术日新月异、层出不穷，另一方面，材料尤其是历史悠久的钢铁材料的研究发展获得了突飞猛进的进展。新概念、新工艺和新材料不断涌现，原有的常规分析方法常常不能满足钢铁材料发展与组织及性能控制的需要。例如，近些年来钢铁材料研究中常见的纳米尺度相或小沉淀粒子的定性、定量分析；超细晶粒钢的分析；界面及其附近的分析；相变及其产物—TRIP钢、TWIP钢的分析等。人们迫切希望应用一些高分辨率的微观分析方法来解决问题，而且对分析技术提出了更高的新要求。 光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜 (TEM) 是各实验室最常见的设备，应用日益广泛，然而这些仪器的功能、技术指标、应用与管理维护的效率和方便程度等等都在不断地推陈出新，发展极其迅速。尽管如此，这三类仪器的适用范围仍然是不同的。它们的主要特征与差别在于：分辨率；形成放大图像的成像方式及信号来源；图像的衬度机制；照明光源等。可以大致简单地归纳如下： 光学显微镜——现行的常规检验方法，用于观察试样表面的形貌像，如钢的组织、晶粒度、夹杂物分类评级等。照明光源波长范围：可见光 400~800 nm， 紫外线13 ~390 nm，光学显微镜的极限分辨率约为~250nm，常用分辨率在1?m SEM——观察分析块状试样表面层，照明电子束波长取决于它的能量在0.12至0.007nm范围（对应于加速电压 100V~30kV）, 可用试样激发的多种信号成像，分辨率取决于成像信号种类和入射电子束的直径，目前二次电子像的分辨率可达~1nm; 制样方便。 X-射线能谱分析（EDX）的空间分辨率约~1微米，根据材料的成分与密度而不同；不能做EELS分析。可以应用背散射电子衍射（EBSD）分析晶体结构，分析面积大、自动化程度高、方便。 TEM——观察薄试样，照明电子束波长在3.7 ~0.87 pm（加速电压100kV~1000kV），分辨率约0.2nm，能观察晶体缺陷如位错及其密度等。EDX分析的空间分辨率略大于入射束的直径、为纳米级；如果装备有电子能量损失谱（EELS）仪，则可以进行EELS分析和能量选择成像以及能量过滤像。SEM 和TEM都可以配备试样的加热、冷却、拉伸等试样台，有可能进行动态观察研究。 由此可见，尽管TEM的样品制备复杂、对操作技术要求较高，为了观察分析材料中纳米级尺寸区域的形貌、结构和成分，TEM是不可缺少的手段。而且只有TEM才能观察到试样内的晶体缺陷如位错及其特征、位错密度等。由于观察区域太小，TEM的观察结果是否能代表大块材料的特性是个很重要的问题，为此，通常需要把同一实验材料的OM、SEM和TEM的观察结合起来，得出有意义的结果。 2 电子能量损失谱（EELS）与能量选择像 2.1 EELS的功能 电子能量损失谱分析简称EELS（Electron Energy Loss Spectroscopy）是利用入射电子束在试样中发生非弹性散射，电子损失的能量DE直接反应了发生散射的机制、试样的化学组成以及厚度等信息，因而能够对薄试样微区的元素组成、化学键及电子结构等进行分析[1]。由于低原子序数元素的非弹性散射几率相当大，因此EELS技术特别适用于薄试样低原子序数元素如碳、氮、氧、硼等的分析。它的特点是：分析的空间分辨率高，仅仅取决于入射电子束与试样的互作用体积；直接分析入射电子与试样非弹性散射互作用的结果而不是二次过程，探测效率高。一般来说，X-射线波谱仪（XWDS）的接收效率为~10– 3至10 ? 4，能谱仪（XEDS）的接收效率在10–2以下。而EELS技术由于非弹性散射电子仅偏转很小的角度，几乎全部被接收。 此外，能损谱分析没有XEDS分析中的各种假象，不需进行如吸收、荧光等各种校正，其定量分析原则上是无标样的。但是EELS分析存在一定的困难，主要是对试样厚度的要求较高，尤其是定量分析的精度有待改善。 而应用EELS进行能量过滤或者能量选择成像，可以得到选定化学元素在试样中的分布图，类似于X射线能谱的元素面分布图，有利于识别细小的析出相粒子和某些元素的偏聚，在进行电子衍射分析时，应用能量过滤电子形成衍射花样则具有独到的优势。 由于电子通过试样时发生了散射，弹性散射电子干涉形成布拉格衍射束，非弹性散射电子根据其散射机制不同而具有不同的能量损失，同时还以不同的角分布传播。图1 示意地给出了各种散射电子的角分布，这些非弹性散射电子叠加在由弹性散射电子形成的布拉格衍射斑上，图2 所示硅单晶的衍射图上可以看出非弹性散射电子的影响，在衍射