可以使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显示出来。高分辨电子显微像是相位衬度的一种，相位衬度还包括波纹像、费涅尔条纹、层错条纹等。高分辨电子显微像种类包括一维条纹像、二维晶格像、一维结构像、二维结构像和原子像等。钛酸钠铋的高分辨显微像如图3所示。.图3钛酸钠铋的高分辨显微像3、电子衍射方法（1）选区电子衍射：选择特定像区的各级衍射束成谱。选区是通过置于物镜像平面的选区光阑来进行的。（2）束电子衍射：是利用经聚光镜系统会聚的、很细的电子束对试样进行衍射。电子束直径最小可达50nm。（3）分辨电子衍射。（4）高分散性电子衍射（小角度电子衍射）：为了拉开大间距晶面衍射斑点或小角度衍射束斑点和透射斑点之间的距离，一便于分辨和分析。物镜关闭增大了有效相机长度。（5）会聚束电子衍射：是用会聚成一定会聚角的电子束对试样进行衍射会聚角由第二聚光镜光阑孔直径决定。会聚束经晶体试样衍射后成透射束的明场圆盘和衍射束的暗场圆盘，这些衍射盘中的强度分布细节极其对称性给出晶体结构的三维信息。4、试样的制备方法（1）粉碎方法（5）超薄切片方法（2）电解减薄方法（6）离子减薄方法（3）化学减薄方法（7）聚焦离子束方法（4）化学减薄方法（8）真空蒸涂方法13
13 可以使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显示出来。 高分辨电子显微像是相位衬度的一种，相位衬度还包括波纹像、费涅尔条纹、层错条纹 等。高分辨电子显微像种类包括一维条纹像、二维晶格像、一维结构像、二维结构像和原子 像等。钛酸钠铋的高分辨显微像如图 3 所示。 图 3 钛酸钠铋的高分辨显微像 3、电子衍射方法 （1）选区电子衍射：选择特定像区的各级衍射束成谱。选区是通过置于物镜像平面的 选区光阑来进行的。 （2）束电子衍射：是利用经聚光镜系统会聚的、很细的电子束对试样进行衍射。电子 束直径最小可达 50nm。 （3）分辨电子衍射。 （4）高分散性电子衍射（小角度电子衍射）：为了拉开大间距晶面衍射斑点或小角度 衍射束斑点和透射斑点之间的距离，一便于分辨和分析。物镜关闭增大了有效相机长度。 （5）会聚束电子衍射：是用会聚成一定会聚角的电子束对试样进行衍射会聚角由第二 聚光镜光阑孔直径决定。会聚束经晶体试样衍射后成透射束的明场圆盘和衍射束的暗场圆盘， 这些衍射盘中的强度分布细节极其对称性给出晶体结构的三维信息。 4、试样的制备方法 （1）粉碎方法 （2）电解减薄方法 （3）化学减薄方法 （4）化学减薄方法 （5）超薄切片方法 （6）离子减薄方法 （7）聚焦离子束方法 （8）真空蒸涂方法
四、操作步骤选定以下两种方案中的一种：1、方案一：纳米材料表征（1）试样的准备：自己选定一种一维纳米材料，如碳纳米管、纳米线或纳米带。（2）透射电镜试样制备。自己选定以下的方法：粉末法：自己设计工艺路线。所用设备：真空镀膜仪、真空干燥箱等。切片法：自已包埋试样，然后进行切片。所用设备：超薄切片机、制刀机、冰箱、加热板和真空干燥箱等。（3）电镜观察。在指导老师的指导下，选择区域，获得高质量的高分辨电子显微像。所用设备：200kV高分辨透射电镜。2、方案二：晶体材料的物相分析（1）试样准备：自己选定一种固体结晶质材料，如方解石、石英、萤石、SrTiO3、BaTiO3等。（2）试样制备：机械磨薄和离子减薄。所用设备：离子减薄仪、Φ3mm冲片器、磨片机、凹坑研磨机和加热板等。（3）用透射电子显微镜进行电子衍射，获得2~3张电子衍射图。所用设备：200kV透射电镜。五、数据处理1、衍射图谱分析：根据所得的电子衍射图，自已设计分析方案，编制计算机程序，确定物相结构。2、高分辨电子显微像分析：从图像上测定晶面间距，根据JCPDS卡片确定晶面指数，然后确定图像的方向：如果图像能观察到晶体缺陷，简单指出缺陷的类型、晶体中的取向等信息，并对性能的影响加以讨论。六、分析讨论题1、TEM的图像衬度有哪些？2、TEM有哪些分析功能？3、选区电子衍射的基本公式是什么？如何进行电子衍射图谱的标定？（执笔人：施书哲）（审核人：李晓云、崔升）14
14 四、操作步骤 选定以下两种方案中的一种： 1、方案一：纳米材料表征 （1）试样的准备：自己选定一种一维纳米材料，如碳纳米管、纳米线或纳米带。 （2）透射电镜试样制备。自己选定以下的方法： 粉末法：自己设计工艺路线。所用设备：真空镀膜仪、真空干燥箱等。 切片法：自己包埋试样，然后进行切片。所用设备：超薄切片机、制刀机、冰箱、加 热板和真空干燥箱等。 （3）电镜观察。在指导老师的指导下，选择区域，获得高质量的高分辨电子显微像。所用 设备：200kV 高分辨透射电镜。 2、方案二：晶体材料的物相分析 （1）试样准备：自己选定一种固体结晶质材料，如方解石、石英、萤石、SrTiO3、BaTiO3 等。 （2）试样制备：机械磨薄和离子减薄。所用设备：离子减薄仪、Φ3mm 冲片器、磨片机、 凹坑研磨机和加热板等。 （3）用透射电子显微镜进行电子衍射，获得 2~3 张电子衍射图。所用设备：200kV 透射电 镜。 五、数据处理 1、衍射图谱分析：根据所得的电子衍射图，自己设计分析方案，编制计算机程序，确定物 相结构。 2、高分辨电子显微像分析：从图像上测定晶面间距，根据 JCPDS 卡片确定晶面指数，然后 确定图像的方向；如果图像能观察到晶体缺陷，简单指出缺陷的类型、晶体中的取向等 信息，并对性能的影响加以讨论。 六、分析讨论题 1、TEM 的图像衬度有哪些？ 2、TEM 有哪些分析功能？ 3、选区电子衍射的基本公式是什么？如何进行电子衍射图谱的标定？ （执笔人：施书哲） （审核人：李晓云、崔升）
实验四X射线能谱显微成分分析一、实验目的通过演示实验，使学生了解X射线能谱仪（简称能谱仪，英文为：EnergyDispersiveSpectrometer，缩写为EDS）的构造、工作原理、分析方法和应用。二、实验原理能谱仪利用电子束与样品作用，在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生X射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定，需要某些特殊的条件和技术。微区成分的定量分析，即把某元素的特征X射线强度换算成百分浓度。能谱仪工作的基本原理为：由试样出射的具有各种能量的X光子，相继经Be窗射入Si（Li）内，在1区产生电子空穴对。每产生一对电子空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量。因此每一个能量为E的入射光子产生的电子-空穴对数目N=E/3.8，入射X光子的能量越高，N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放大转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行记数，这样就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。三、实验仪器设备能谱仪的基本结构：锂漂移硅Si（Li）探测器，数字脉冲信号处理器，模数转换器，多道分析器及计算机。四、操作步骤1、试样准备：与SEM相同，然后放入SEM样品室中。2、分析过程：打开SEM高压，调整SEM以观察样品的表面形貌，选择待分析的区域，增加SEM的电子束束斑到能谱仪具有足够的X射线的强度（大于500cps），调整SEM的焦距，观察到清晰的图像，然后进行选区或点，用能谱仪采集图谱，然后进行定性和定量15
15 实验四 X 射线能谱显微成分分析 一、实验目的 通过演示实验，使学生了解 X 射线能谱仪（简称能谱仪，英文为：Energy Dispersive Spectrometer，缩写为 EDS）的构造、工作原理、分析方法和应用。 二、实验原理 能谱仪利用电子束与样品作用，在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生 X 射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。能 谱仪所能分析的元素可从 4Be 到 92U，但原子序数低于 12 的轻元素或超轻元素的测定，需 要某些特殊的条件和技术。微区成分的定量分析，即把某元素的特征 X 射线强度换算成百 分浓度。 能谱仪工作的基本原理为：由试样出射的具有各种能量的 X 光子，相继经 Be 窗射入 Si （Li）内，在 1 区产生电子空穴对。每产生一对电子空穴对，要消耗掉 X 光子 3.8eV 能量。 因此每一个能量为 E 的入射光子产生的电子-空穴对数目 N=E/3.8，入射 X 光子的能量越高， N 就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放大转换成电流脉冲，电流脉 冲的高度取决于 N 的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。 脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行记数，这样就可以描出一张特征 X 射线按能量大 小分布的图谱。 三、实验仪器设备 能谱仪的基本结构：锂漂移硅 Si（Li）探测器，数字脉冲信号处理器，模数转换器，多 道分析器及计算机。 四、操作步骤 1、试样准备：与 SEM 相同，然后放入 SEM 样品室中。 2、分析过程：打开 SEM 高压，调整 SEM 以观察样品的表面形貌，选择待分析的区 域，增加 SEM 的电子束束斑到能谱仪具有足够的 X 射线的强度（大于 500cps），调整 SEM 的焦距，观察到清晰的图像，然后进行选区或点，用能谱仪采集图谱，然后进行定性和定量
分析，还可进行元素的线、面的成分分布分析。五、数据处理能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定需要某些特殊的条件和技术，利用能谱仪进行微区成分的定量分析，即把元素成分经过一系列校正定量计算出来。1、化学成分分析扫描电镜的能谱分析可以把样品的成分和形貌、乃至结构结合在一起进行分析。既可对在较大范围区域内进行组分分析，也可对微小区域进行成分分析，最小分析区取决于X射线的空间分辨率（X射线在样品中的出射区域的大小）。2、元素的X射线面分布对于不同元素在试样中的分布以及它们含量的百分浓度，可以通过采集X射线得到面分布图（X-RayMapping）。3、元素的X射线线分布在面分布图上沿着指定的直线段提取出的X射线信号的强度分布曲线，称为X射线线扫描（X-RayLinescan），可以获得感兴趣元素的X射线强度沿这条线的分布图。1100Cr0o3ct0Cr8rA1CrA8.1470.000keuAccelerating Voltage: 20 KeVTakeOffAngle:37.4694°2.813Live Time:55.42secondsDead Time:Quantitative AnalysisFilter Fit MethodChi-sqd = 1.01Livetime = 55.4 SecStandardless AnalysisNetErrorElementRelativeErrork-ratio(1-Sigma)Counts(1-Sigma)AI-K638 +/-500.00763 +/- 0.00060Cr-K29659+/-2460.99237+/-0.0082316
16 分析，还可进行元素的线、面的成分分布分析。 五、数据处理 能谱仪所能分析的元素可从 4Be 到 92U，但原子序数低于 12 的轻元素或超轻元素的测 定需要某些特殊的条件和技术，利用能谱仪进行微区成分的定量分析，即把元素成分经过一 系列校正定量计算出来。 1、化学成分分析 扫描电镜的能谱分析可以把样品的成分和形貌、乃至结构结合在一起进行分析。既可对 在较大范围区域内进行组分分析，也可对微小区域进行成分分析，最小分析区取决于 X 射 线的空间分辨率（X 射线在样品中的出射区域的大小）。 2、元素的 X 射线面分布 对于不同元素在试样中的分布以及它们含量的百分浓度，可以通过采集 X 射线得到面 分布图（X-Ray Mapping）。 3、元素的 X 射线线分布 在面分布图上沿着指定的直线段提取出的 X 射线信号的强度分布曲线，称为 X 射线线 扫描（X-Ray Linescan），可以获得感兴趣元素的 X 射线强度沿这条线的分布图。 Accelerating Voltage: 20 KeV Take Off Angle: 37.4694 Live Time: 55.42 seconds Dead Time: 2.813 Quantitative Analysis Filter Fit Method Chi-sqd = 1.01 Livetime = 55.4 Sec. Standardless Analysis Element Relative Error Net Error k-ratio (1-Sigma) Counts (1-Sigma) Al-K 0.00763 +/- 0.00060 638 +/- 50 Cr-K 0.99237 +/- 0.00823 29659 +/- 246
KLMAdjustment FactorsZ-Balance:0.000000.000000.00000 Shell:1.000001.000001.00000PROZACorrectionAcc.Volt.=20kVTake-off Angle=37.47 degNumberof Iterations=3ZAFAtom%No.ofElementk-ratioElementWt%Err.CompoundCompoundWt%(calc.)Wt%Cations(1-Sigma) Formula1.653.12AI-K0.00742.2333.04+/- 0.13A120316.00096.8896.88Cr-K0.96251.00692.41+/-0.80Cr486.858O-K1.4024.561.47 S-------*Total100.00100.00100.00502.858The number of cation results arebased upon24Oxygen atomsTableSymbols:S--Wt.%calculated byStoichiometry图1能谱仪的定性及定量分析结果(a)-金属基体镀Cr层1000b900800700600500400002001002040608co120140150180Si.KCekFE（b）图（a）中横线位置的镀Cr层（a）渗浸Si3N4陶瓷层活塞环横断面扫描电镜二次电子像（SEI）和金属基体中元素的线分布图17
17 Adjustment Factors K L M Z-Balance: 0.00000 0.00000 0.00000 Shell: 1.00000 1.00000 1.00000 PROZA Correction Acc.Volt.= 20 kV Take-off Angle=37.47 deg Number of Iterations = 3 Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. Compound Compound No. of (calc.) Wt % (1-Sigma) Formula Wt % Cations Al-K 0.0074 2.233 3.04 1.65 +/- 0.13 Al2O3 3.12 16.000 Cr-K 0.9625 1.006 92.41 96.88 +/- 0.80 Cr 96.88 486.858 O -K - 1.402 4.56 1.47 S - - - - Total 100.00 100.00 100.00 502.858 The number of cation results are based upon 24 Oxygen atoms Table Symbols: S - Wt.% calculated by Stoichiometry 图 1 能谱仪的定性及定量分析结果 （a）渗浸 Si3N4 陶瓷层活塞环横断面 （b）图（a）中横线位置的镀 Cr 层 扫描电镜二次电子像（SEI） 和金属基体中元素的线分布图 （a） （b）