高角度環(huán)形暗場Z襯度像成像原理及方法

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1、第25卷第4期兵器材料科學與工程Vol.25No.42002年7月ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGJuly2002X高角度環(huán)形暗場Z襯度像成像原理及方法李鵬飛(內(nèi)蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院呼和浩特市010062)摘要:通常的高分辨電子顯微鏡應用相位襯度成像,相位襯度的成像是由于透過樣品的各級衍射束相互干涉的結(jié)果,其襯度取決于衍射束的相對相位關系。在掃描透射電子顯微鏡中使用高角度環(huán)形探測器,可以得到原子序數(shù)襯度像。介紹了高角度環(huán)形暗場(HAADF)的原子序數(shù)襯度(Z-襯度)像的成像原理及方法。關鍵詞:Z襯度;高角度環(huán)形暗場;成

2、像原理中圖分類號:TN153文獻標識碼:A文章編號:1004)244X(2002)04)0044)04材料微觀結(jié)構(gòu)和缺陷與性能之間的關系一直是掃描透射電子顯微術(shù)(STEM)是TEM與SEM材料科學領域重要的研究內(nèi)容,電子顯微學在其中的巧妙結(jié)合。它采用聚焦的高能(通常為100~[2]起著重要的推動作用,隨著新材料向結(jié)構(gòu)尺度納米400keV)電子束(入射電子束直徑可達0.126nm)化的方向發(fā)展,需要在納米甚至原子尺度上研究微掃描能透過電子的薄膜樣品,利用電子與樣品相互觀結(jié)構(gòu)特性,這就迫切要求發(fā)展與之相適應的分辨作用產(chǎn)生的彈性散射電子及非彈性散射電子來成率更高的分析儀器、探

3、測記錄設備及分析方法。像、電子衍射或進行顯微分析。TEM、SEM和目前,可以使電子顯微像的點分辨率達到0.1STEM三種成像方式的比較見表1。nm的方法大致有[1]:1.使用高壓電子顯微鏡表1三種成像方式比較(1MeV及以上);2.透射電子顯微鏡球差(Cs)修正成像光源加速電壓樣品收集信息成像原理方式形式/keV形狀法;3.變焦法;4.離軸全息術(shù);5.高分辨透射電子顯平行相位襯度、衍射襯度、TEM>100薄膜前散射電子微術(shù)(HRTEM);6.高角度環(huán)形暗場Z襯度方法。光束質(zhì)厚襯度、振幅襯度等其中高角度環(huán)形暗場(HAADF)Z襯度方法目SEM點1~30塊狀背散射電子形貌襯

4、度、電壓襯度、二次電子原子序數(shù)襯度等前在國內(nèi)尚未見使用報道,本文試圖作盡可能詳細彈性及非彈的介紹,以推動該方法在國內(nèi)的使用。STEM點>100~400薄膜原子序數(shù)襯度等性散射電子1STEM的成像STEM圖像的獲得可以采用專用的透射掃描電1.1STEM的成像方式鏡(如英國生產(chǎn)的HB-501等),它的光學鏡筒與眾所周知,透射電子顯微術(shù)(TEM)是用平行的SEM類似。這種儀器不具備普通TEM的功能,因高能電子束照射到一個能透過電子的薄膜樣品上,此只在STEM和SEM模式下工作。常用的是一種由于試樣對電子的散射作用,其散射波在物鏡后方TEM/STEM混合型儀器,一般表示為(S)

5、TEM。它將產(chǎn)生兩種信息。在物鏡的后焦平面上形成含有結(jié)是在通常的TEM中加裝了掃描附件、探測設備及晶學或晶體結(jié)構(gòu)信息的電子衍射花樣;在物鏡像平分析裝置。如環(huán)形探測器、8過濾器、電子能量損失面上形成高放大倍率的形貌像或是高分辨率的反映譜儀等等。這種儀器具有STEM,TEM及SEM的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的像。掃描電子顯微術(shù)(SEM)則是各種功能。如日本生產(chǎn)的JEOL2010F分析電鏡。用聚焦的低能電子束掃描塊狀樣品的表面,利用電1.2STEM與TEM的電子光學系統(tǒng)比較子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背反射電子成圖1簡要的表示了形成TEM相干圖像、STEM像,可以得到表面形貌,化學成

6、分及晶體取向等信相干圖像及非相干圖像的電子光學系統(tǒng)布置之間的息。差別。圖1(A)為TEM相干成像的電子光學系統(tǒng)X收稿日期:2002-03-18;修訂日期:2002-05-10作者簡介:李鵬飛(1954-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特市,副教授,主要從事材料表面改性研究及組織結(jié)構(gòu)分析工作,發(fā)表論文二十余篇。E-mail:li-pf@263.net第4期李鵬飛等:高角度環(huán)形暗場Z襯度像成像原理及方法45布置圖,通常的原子分辨相位襯度像是一種相干像。和很小的軸向收集器光闌,因此,圖像的襯度主要是在相位襯度成像中,當一束近似平行的入射電子束由透射電子貢獻的,這些電子既沒有能量損失,也沒

7、照射到樣品上時,除了形成透射束(即零級衍射束)有改變方向。用探測器把這些電子收集起來就形成外,還會產(chǎn)生各級衍射束,通過透鏡的聚焦作用,在一個樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的透射掃描明場像,這樣的其后焦面上形成衍射束振幅的極大值,每個振幅極STEM明場像類似于普通的TEM明場像。在這種大值又可視為次級光源,互相干涉,再于透鏡的像平情況下,STEM的成像理論和TEM是完全一樣的。面上形成物體的相位襯度像。這是由于透射電子穿因此STEM的圖像可以直接用TEM圖像的成像理過薄晶體時,其波的振幅基本不變,而波的相位卻由論解釋。一般情況下,對于相同的電子光學系統(tǒng),