现代纳米科学与纳米材料

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1、纳米功能材料纳米功能材料(cilio)及及应用应用金海云金海云第一页，共76页。什么是材料？什么是材料？我们为什么要了解材料？我们为什么要了解材料？材料研究材料研究(ynji)(ynji)的方法是什的方法是什么？么？第二页，共76页。材料是宇宙间可用于制造有用物品的物材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。有用指除了使用价值外，还需具有一质。有用指除了使用价值外，还需具有一定的性能，如物理性质，化学性质和力学定的性能，如物理性质，化学性质和力学性能等。物品可以是单件的器件或元件，性能等。物品可以是单件的器件或元件，可以是组装的机器与仪器，也可以是集成可以是组装的机器与仪器，也可以是集成的系统。根

2、据材料的基本性质与结构的系统。根据材料的基本性质与结构(jigu)(jigu)，可以将其分为四大类，即金属，可以将其分为四大类，即金属，陶瓷，聚合物和复合材料。陶瓷，聚合物和复合材料。第三页，共76页。MicrostructureSynthesis andProcrssingPerformanceCostCompositionInvolves the generation and application of knowledge relating the composition,structure,and the processing of m a t e r i a l s t o t h

3、e i r properties and uses.材料组成、结构、加工与材料性质、材料组成、结构、加工与材料性质、使用之间关系的发现使用之间关系的发现(fxin)(fxin)与应用。与应用。第四页，共76页。第五页，共76页。现代现代(xindi)(xindi)纳米科学的起纳米科学的起点点 费因曼博士费因曼博士(bsh)1959(bsh)1959年年 There plenty room at the There plenty room at the bottom.bottom.底部大有可为底部大有可为第六页，共76页。纳米材料的检测分析纳米材料的检测分析(fnx)(fnx)技术技术透射电子显

4、微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）原子力显微镜原子力显微镜 X X光衍射仪光衍射仪第七页，共76页。形态结构形态结构(微纳构型微纳构型)：TEMTEM，SEMSEM，STMSTM，AFMAFMMorphology(the microstructural or Morphology(the microstructural or nanostructural architecture)nanostructural architecture)晶体结构晶体结构(原子排列方式原子排列方式(fngsh)(fngsh)：XRDXRD，EDED，LEE

5、DLEEDCrystal structure(the detailed atomic Crystal structure(the detailed atomic arrangement in the chemical phases contained arrangement in the chemical phases contained within the microstructurewithin the microstructure）化学组成化学组成(元素与分子构成元素与分子构成)：EDSEDS，AESAESChemistry(the elements and possibly mole

6、cular Chemistry(the elements and possibly molecular groupings present)groupings present)电子结构电子结构(键键)：IRIR，UVUVElectronic structure(the nature of the Electronic structure(the nature of the bonding between atoms)bonding between atoms)第八页，共76页。第九页，共76页。电子显微镜电子显微镜SEMSEM：Scan electron microscope Scan ele

7、ctron microscope 材料材料(cilio)(cilio)学院，理学院学院，理学院TEMTEM：transmission electron transmission electron microscope microscope 材料材料(cilio)(cilio)学院学院第十页，共76页。一一.光学显微镜：光学显微镜：人的眼睛人的眼睛:分辨极限毫米分辨极限毫米(100微米微米)。光学显微镜光学显微镜:分辨极限微米分辨极限微米(细菌、细胞细菌、细胞(xbo)。显微镜的分辨极限公式（阿贝公式）为：显微镜的分辨极限公式（阿贝公式）为：/(Nsin)，Nsin是透镜的孔径数是透镜的孔径数。

8、其最大值为。光镜采用的可见光的波。其最大值为。光镜采用的可见光的波长为长为400760nm。观察更微小的物体必须利用波长更短的波观察更微小的物体必须利用波长更短的波作为光源。作为光源。透射透射(tu sh)电子显微镜电子显微镜(TEM)transmission electron microscope第十一页，共76页。第十二页，共76页。第十三页，共76页。No.R/mmK/mmMeasuredd/Standardd/Plane Indices(hkl)14.9716.503.3193.32800227.7516.502.1292.16910039.7616.501.6921.66400441

9、3.5016.501.2221.252110SAD衍射花样(huyng)的分析结果SAD衍射花样衍射花样(huyng)的分析的分析结果结果第十四页，共76页。二二.电子显微镜的电子光学电子显微镜的电子光学(din(din z un xu)z un xu)基础基础 19241924年德布洛依提出了微观粒子具有波粒二年德布洛依提出了微观粒子具有波粒二象性的假设。象性的假设。19291929诺贝尔物理诺贝尔物理例如例如100 kV100 kV电压下加速的电子，德布洛依波电压下加速的电子，德布洛依波的波长为埃，比可见光的波长小几十万倍。的波长为埃，比可见光的波长小几十万倍。19221922年，物理学家

10、布施利用年，物理学家布施利用(lyng)(lyng)电子在电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，可以实现电子波聚焦，研究成功了电性质，可以实现电子波聚焦，研究成功了电子透镜，为电镜的发明奠定了基础。子透镜，为电镜的发明奠定了基础。第十五页，共76页。电子显微镜：电子显微镜：第十六页，共76页。当高能入射电子束轰击样品表面时，入射电子当高能入射电子束轰击样品表面时，入射电子束与样品间存在相互作用，有束与样品间存在相互作用，有99%99%以上的入射电以上的入射电子能量子能量(nngling)(nngling)转变成样品热能，而余下的转变成样品热能，

11、而余下的约约1 1的入射电子能量的入射电子能量(nngling)(nngling)，将从样品，将从样品中激发出各种有用的信息。我们的电子显微镜中激发出各种有用的信息。我们的电子显微镜利用的就是这些信息。利用的就是这些信息。第十七页，共76页。1)1)二次电子：从距样品表面二次电子：从距样品表面l00 l00 左右深度左右深度(shnd)(shnd)范围内激发出来的低能电子。范围内激发出来的低能电子。50eV-SEM50eV-SEM2)2)背散射电子：从距样品表面背散射电子：从距样品表面0.11m0.11m深度深度(shnd)(shnd)范围内散射回来的入射电子，其能量近似范围内散射回来的入射电

12、子，其能量近似入射电子能量。入射电子能量。SEM SEM、低能电子衍射、低能电子衍射3)3)透射电子：如果样品足够薄透射电子：如果样品足够薄(1m(1m以下以下)。透过样。透过样品的入射电子为透射电子，其能量近似于入射电子品的入射电子为透射电子，其能量近似于入射电子能量。能量。TEMTEM第十八页，共76页。4)4)吸收电子：残存在样品个的入射电子。吸收电子：残存在样品个的入射电子。吸收电子像吸收电子像(表面化学成份和表面形貌信息表面化学成份和表面形貌信息)5)5)俄歇电子：从距样品表面几俄歇电子：从距样品表面几深度范围内发射深度范围内发射的并具有特征能量的二次电子。的并具有特征能量的二次电子

13、。AESAES6)6)非弹性散射电子：入射电子受到原子核的吸非弹性散射电子：入射电子受到原子核的吸引改变方向电子。能量损失谱。引改变方向电子。能量损失谱。原子核原子核(连续波长连续波长X X射线射线)和核外电子和核外电子(h wi(h wi din z)(din z)(二次电子和特征二次电子和特征X X射线射线)第十九页，共76页。7)X7)X射线射线(光子光子)：由于原子的激发和退激发过程，：由于原子的激发和退激发过程，从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的特从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的特征征X X射线，发射深度为射线，发射深度为0.55m0.55m范围。范围。8)8)阴极荧光

14、：入射电子束发击发光材料表面时，阴极荧光：入射电子束发击发光材料表面时，从样中激发出来的可见光或红外光。从样中激发出来的可见光或红外光。9)9)感应电动势：自由载流子在半导体的局部电场感应电动势：自由载流子在半导体的局部电场作用下作用下,各自运动到一定的区域积累起来各自运动到一定的区域积累起来(q li),(q li),形成净空间电荷而产生电位差。形成净空间电荷而产生电位差。第二十页，共76页。1932193319321933年间，德国年间，德国RuskaRuska和和Knoll Knoll 等在柏林等在柏林(bi(bi ln)ln)制成了第一台电子显微镜。放大率制成了第一台电子显微镜。放大率

15、:l2:l2倍。表明电倍。表明电子波可以用于显微镜。子波可以用于显微镜。19861986诺贝尔奖。诺贝尔奖。第二十一页，共76页。19391939年德国的西门子公司产生了分辨本领优于年德国的西门子公司产生了分辨本领优于100 100 的电子显微镜。的电子显微镜。现代高性能的透射现代高性能的透射(tu sh)(tu sh)电子显微镜点分辨电子显微镜点分辨本领优于本领优于3 3，晶格分辨本领达到，晶格分辨本领达到1212，自动化程，自动化程度相当高。度相当高。第二十二页，共76页。2.2.电子显微镜的电子光学电子显微镜的电子光学(din z un(din z un xu)xu)理论理论电子的波动性

16、及电子波的波长电子的波动性及电子波的波长根据德布洛依假设，运动根据德布洛依假设，运动(yndng)(yndng)微粒和一个平面微粒和一个平面单色波相联系，以速度为单色波相联系，以速度为v,v,质量为质量为m m的微粒相联系的的微粒相联系的德布洛依波的波长为：德布洛依波的波长为：m其中(qzhng)为普朗克常数。第二十三页，共76页。初速度为初速度为0 0的电子，受到电位差为的电子，受到电位差为V V的电场的加的电场的加速后速度为速后速度为v v，根据能量守恒原理，根据能量守恒原理(yunl)(yunl)，电，电子获得的动能为：子获得的动能为：第二十四页，共76页。电子显微镜所用电子显微镜所用(

17、su yn)的电压在几十千伏的电压在几十千伏以上，须考虑相对论效应。经相对论修正后，以上，须考虑相对论效应。经相对论修正后，电于波长与加速电压之间的关系为：电于波长与加速电压之间的关系为：式中式中m0为电子的静止质量，为电子的静止质量，c为光速为光速(un s)。得到近似公式：得到近似公式：=(150/V)1/2第二十五页，共76页。加速加速(ji s)电压电压(kV)电子波长电子波长()相对论修相对论修正后正后 的电子波长的电子波长()第二十六页，共76页。静电透镜静电透镜根据电磁学原理根据电磁学原理(yunl)(yunl)，电子在静电场中，电子在静电场中受到的电场力受到的电场力F F为为V

18、1V2V3第二十七页，共76页。如果电子不是沿者电场的方向运功，电场将如果电子不是沿者电场的方向运功，电场将使运动电子发生折射。使运动电子发生折射。电子在静电场中遵循电子光学折射定律电子在静电场中遵循电子光学折射定律 sin sin1/sin 1/sin 2=(V2)1/2/(V1)1/2=ne2/2=(V2)1/2/(V1)1/2=ne2/ne1ne1(V)1/2(V)1/2起着电子光学折射率的作用起着电子光学折射率的作用(zuyng)(zuyng)，静电透镜用来使电子枪的阴极发射出的电，静电透镜用来使电子枪的阴极发射出的电子会聚成很细的电子束，而不是成像。因为子会聚成很细的电子束，而不是成

19、像。因为很强的电场在真空度较低的镜体内会产生弧很强的电场在真空度较低的镜体内会产生弧光放电和点击穿。光放电和点击穿。第二十八页，共76页。磁透镜磁透镜 运动的电子运动的电子(dinz)在磁场中受到的洛伦在磁场中受到的洛伦兹力兹力:第二十九页，共76页。电子在磁场电子在磁场(cchng)中的受力和运动：中的受力和运动：电子运动与磁场电子运动与磁场(cchng)同向：电子不受磁同向：电子不受磁场场(cchng)影响影响电子运动与磁场电子运动与磁场(cchng)垂直：电子在与磁垂直：电子在与磁场场(cchng)垂直的平面做均匀圆周运动垂直的平面做均匀圆周运动电子运动与磁场电子运动与磁场(cchng)

20、交角交角：电子是一螺：电子是一螺旋线旋线第三十页，共76页。当电子经过短线圈造成的磁当电子经过短线圈造成的磁场时，短线圈形成的磁场是场时，短线圈形成的磁场是不均匀的，作用于电子的力不均匀的，作用于电子的力是变化的。在这类轴对称的是变化的。在这类轴对称的弯曲磁场中，电子运动的轨弯曲磁场中，电子运动的轨迹是一条空间迹是一条空间(kngjin)曲曲线，离开磁场后，电子的旋线，离开磁场后，电子的旋转加速度减为零，电子作偏转加速度减为零，电子作偏向轴的直线运动，并进而与向轴的直线运动，并进而与轴相交。轴对称的磁场对运轴相交。轴对称的磁场对运动电子总是起会聚作用。动电子总是起会聚作用。第三十一页，共76页

21、。电磁透镜的光学性质电磁透镜的光学性质式中：式中：u、v与与f物距、像距与焦距。物距、像距与焦距。式中：式中：V0电子加速电压电子加速电压(diny)；R透镜半径；透镜半径；NI激磁线圈安匝数；激磁线圈安匝数；A与透镜结构有关的比例常数。与透镜结构有关的比例常数。第三十二页，共76页。电磁透镜是一种焦距电磁透镜是一种焦距(jioj)(或放大倍数或放大倍数)可可调的会聚透镜。减小激磁电流，可使电磁透调的会聚透镜。减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距镜磁场强度降低、焦距(jioj)变长变长(由由f1变为变为f2）。第三十三页，共76页。三三.TEM的构造的构造照明系统、样品台、物镜系统、放

22、大系统照明系统、样品台、物镜系统、放大系统、数据、数据(shj)记录系统。记录系统。第三十四页，共76页。1.照明系统：照明系统：电子电子(dinz)枪：枪：(提供高照明电流，电流提供高照明电流，电流密度和电子密度和电子(dinz)束相干性低的电子束相干性低的电子(dinz)束）通常用束）通常用V形钨丝或形钨丝或LaB6热离热离子发射源或场发射源（高真空用外加电子发射源或场发射源（高真空用外加电场诱发的电子场诱发的电子(dinz)发射、用于高分辨发射、用于高分辨）温度达到温度达到2000K以上，发射强度高的稳定以上，发射强度高的稳定的电子的电子(dinz)，在加速加压的作用下，在加速加压的作用

23、下，定向运动，在光阑小孔的控制下，允许定向运动，在光阑小孔的控制下，允许一定发散角范围的电子一定发散角范围的电子(dinz)穿过光阑穿过光阑得到未聚焦的电子得到未聚焦的电子(dinz)束。束。第三十五页，共76页。电子显微电子显微镜镜 光学光学(gung(gungxu)xu)显显微镜微镜 第三十六页，共76页。聚光透镜：采用双聚光镜系统，从电子枪射来的聚光透镜：采用双聚光镜系统，从电子枪射来的电子束在磁场的作用下，会聚于一点，其直径电子束在磁场的作用下，会聚于一点，其直径(zhjng)小于几微米。调解线圈电流，可调节电子小于几微米。调解线圈电流，可调节电子束斑大小。（铜线圈绕软铁柱，中间打一小

24、孔）束斑大小。（铜线圈绕软铁柱，中间打一小孔）强激磁透镜强激磁透镜(第一第一(dy)聚光镜聚光镜)束斑缩小率束斑缩小率10-50倍倍弱激磁透镜弱激磁透镜(第二聚光镜第二聚光镜)放大率放大率2倍倍第三十七页，共76页。2.样品台样品台:进行结构分析的关键部位，可进行结构分析的关键部位，可以对由于退火、电场或机械以对由于退火、电场或机械(jxi)应力引起应力引起的各种现象进行原位观察。的各种现象进行原位观察。样品样品(yngpn)铜网图铜网图:(左左)方孔；方孔；(右右)圆孔圆孔第三十八页，共76页。3.成像系统成像系统物镜物镜是形成第一副电子图像或衍射花样是形成第一副电子图像或衍射花样的透镜，决

25、定成像分辨率的极限。的透镜，决定成像分辨率的极限。一般为强激磁短焦距透镜一般为强激磁短焦距透镜(f=1-3mm)，放大倍数为放大倍数为100-300倍，分辨率可达，会倍，分辨率可达，会聚能力很强，可通过聚能力很强，可通过(tnggu)调节电流调节电流调节会聚能力。调节会聚能力。第三十九页，共76页。4.放大系统放大系统5.由中间镜（弱激磁长焦距透镜，由中间镜（弱激磁长焦距透镜，0-20倍）和投影倍）和投影(tuyng)镜（强激磁短焦距镜（强激磁短焦距透镜）组成。透镜）组成。第四十页，共76页。5.荧光屏：玻璃上涂荧光物质，荧光屏：玻璃上涂荧光物质，ZnO，ZnS等，等，留下样品信息，有纳米留下

26、样品信息，有纳米(n m)颗粒的地方，电颗粒的地方，电子透射少，留下影子。子透射少，留下影子。电压对电压对TEM的影响：电压要稳定的影响：电压要稳定 透射电压：与放大倍数有关。透射电压：与放大倍数有关。灯丝电压：图像亮度。灯丝电压：图像亮度。加速电压：会聚点。加速电压：会聚点。第四十一页，共76页。JEM2100F(左左)剖面图剖面图,(右右)真空真空(zhnkng)系系统配置统配置第四十二页，共76页。透射电镜（透射电镜（TEM）的成像过程）的成像过程1.从加热到高温的钨丝发射电子，在高电压作用从加热到高温的钨丝发射电子，在高电压作用下以极快的速度射出，聚光镜将电子聚成很细下以极快的速度射出

27、，聚光镜将电子聚成很细的电子束，射在试样的电子束，射在试样(sh yn)上；上；2.电子束透过试样电子束透过试样(sh yn)后进入物镜，由物后进入物镜，由物镜、中间镜成像在投影镜的平面上，这是中间镜、中间镜成像在投影镜的平面上，这是中间像；像；3.再由投影镜将中间像放大，投影到荧光屏上，再由投影镜将中间像放大，投影到荧光屏上，形成最终像。形成最终像。第四十三页，共76页。四四 TEM的观察的观察图像种类：图像种类：明场像（透射电子）明场像（透射电子）暗场暗场(nchng)像（衍射电子）像（衍射电子）第四十四页，共76页。1.TEM的分辨的分辨(fnbin)率率 在电子图像上能分辨在电子图像上

28、能分辨(fnbin)开的相邻两点在试开的相邻两点在试样上的距离称为电子显微镜的分辨样上的距离称为电子显微镜的分辨(fnbin)率，率，亦称点分辨亦称点分辨(fnbin)率。一般用重金属粒子测。率。一般用重金属粒子测。A:常数；常数；:照明电子束波长；照明电子束波长；Cs:透镜球差系数透镜球差系数。r0的典型值约为，高分辨的典型值约为，高分辨(fnbin)条件下，条件下，r0可达约可达约电镜的放大率是指电子图像相对于试样的线性放电镜的放大率是指电子图像相对于试样的线性放大倍数。大倍数。第四十五页，共76页。2.衬衬 度度在透射电镜中，电子的加速电压很高，在透射电镜中，电子的加速电压很高，采用的试

29、样很薄，所接受采用的试样很薄，所接受(jishu)的是的是透过的电子信号。透过的电子信号。因此主要考虑电子的散射、干涉和衍射因此主要考虑电子的散射、干涉和衍射等作用。电子束在穿越试样的过程中等作用。电子束在穿越试样的过程中，与试样物质发生相互作用，穿过试，与试样物质发生相互作用，穿过试样后带有试样特征的信息。样后带有试样特征的信息。第四十六页，共76页。人的眼睛不能直接感受电子信息，需要将其转人的眼睛不能直接感受电子信息，需要将其转变成眼睛敏感的图像。图像上明、暗变成眼睛敏感的图像。图像上明、暗(或黑、白或黑、白)的差异称为的差异称为(chn wi)图像的衬度，或者称为图像的衬度，或者称为(c

30、hn wi)图像的反差。图像的反差。穿过试样各点后电子波的相位差情况不同，在穿过试样各点后电子波的相位差情况不同，在像平面上电子波发生干涉形成的合成波色不同像平面上电子波发生干涉形成的合成波色不同，形成图像上的衬度。，形成图像上的衬度。衬度原理是分析电镜图像的基础。衬度原理是分析电镜图像的基础。第四十七页，共76页。1)散射散射(质量质量厚度厚度)衬度衬度:试样试样(sh yn)上各部位散上各部位散射能力不同所形成的衬度射能力不同所形成的衬度。原子序数越大，厚度越。原子序数越大，厚度越大，密度越大，图像颜色大，密度越大，图像颜色越深。适用于非晶或晶粒越深。适用于非晶或晶粒小的样品。小的样品。透

31、射电镜的图象透射电镜的图象(t xin)衬度的种衬度的种类：类：第四十八页，共76页。2)衍射衬度衍射衬度 薄晶（多晶膜）试样电镜图象的衬度，是由与薄晶（多晶膜）试样电镜图象的衬度，是由与样品样品(yngpn)内结晶学性质有关的电子衍射特内结晶学性质有关的电子衍射特征所决定的。由于晶粒取向不同，不能同时满征所决定的。由于晶粒取向不同，不能同时满足布氏衍射。足布氏衍射。晶粒位相不同晶粒位相不同(b tn)产生的衍衬产生的衍衬效应图效应图(左左)衍衬明场象衍衬明场象,(右右)衍衬暗场象衍衬暗场象第四十九页，共76页。3)相位差衬度相位差衬度 入射电子波穿入射电子波穿过极薄的试样过极薄的试样形成的散

32、射波形成的散射波和直接透射和直接透射(tu sh)波之间产生波之间产生相位差，经物相位差，经物镜的会聚作用镜的会聚作用，在像平面上，在像平面上会发生干涉。会发生干涉。(左左)相位衬度的形成相位衬度的形成(xngchng),(右右)质量质量-厚度厚度衬度的形成衬度的形成(xngchng)第五十页，共76页。3.高分辨高分辨TEM(HRTEM)高分辨高分辨TEM是观察材料是观察材料(cilio)微观结构的方微观结构的方法。不仅可以获得晶包排列的信息，还可以法。不仅可以获得晶包排列的信息，还可以确定晶胞中原子的位置。确定晶胞中原子的位置。200 KV的的TEM点分辨率为点分辨率为0.2 nm，100

33、0KV的的TEM点分辨率为。点分辨率为。可以直接观察原子象。可以直接观察原子象。第五十一页，共76页。高分辨显微像高分辨显微像高分辨显微像的衬度是由合成高分辨显微像的衬度是由合成(hchng)的透的透射波与衍射波的相位差所形成的。射波与衍射波的相位差所形成的。透射波和衍射波的作用所产生的衬度与晶体中透射波和衍射波的作用所产生的衬度与晶体中原子的晶体势有对应关系。重原子具有较大原子的晶体势有对应关系。重原子具有较大的势，像强度弱。的势，像强度弱。晶格条纹像晶格条纹像常用于微晶和析出物的观察，可以揭示微晶常用于微晶和析出物的观察，可以揭示微晶的存在以及形状，可通过衍射环的直径和晶的存在以及形状，可

34、通过衍射环的直径和晶格条纹间距来获得。格条纹间距来获得。第五十二页，共76页。A:非晶态合金非晶态合金(hjn)B:热处理后微晶的晶热处理后微晶的晶格条纹像格条纹像C:微晶的电子衍射微晶的电子衍射明亮部位为非晶明亮部位为非晶暗的部位为微晶暗的部位为微晶第五十三页，共76页。AlN/h-BN复相陶瓷复相陶瓷(toc)晶界图晶界图 第五十四页，共76页。AlN/h-BN复相陶瓷复相陶瓷(toc)晶界图晶界图 第五十五页，共76页。第五十六页，共76页。纳米纳米(n m)碳管的碳管的HRTEM像像第五十七页，共76页。AlN/h-BN纳米纳米(n m)复相陶瓷复相陶瓷HRTEM像像第五十八页，共76

35、页。SIC/h-BN纳米纳米(n m)复相陶瓷复相陶瓷HRTEM像像第五十九页，共76页。4 电子衍射电子衍射当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过薄膜到达感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则薄膜到达感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则偏离透射束形成有规则的衍射斑点。偏离透射束形成有规则的衍射斑点。对于多晶体而言，由于晶粒数目极大且晶面位向对于多晶体而言，由于晶粒数目极大且晶面位向在空间任意分布在空间任意分布(fnb)，多晶体的倒易点阵将，多晶体的倒易点阵将变成倒易球。倒易球与爱瓦尔德球相交后在相变成倒易球。倒易球与爱瓦尔德球相交后在相纸上的投影将成为一个

36、个同心圆。纸上的投影将成为一个个同心圆。电子衍射结果实际上是得到了被测晶体的倒易点电子衍射结果实际上是得到了被测晶体的倒易点阵花样，对它们进行倒易变换从理论上讲就可阵花样，对它们进行倒易变换从理论上讲就可知道其正点阵的情况知道其正点阵的情况电子衍射花样的标定。电子衍射花样的标定。第六十页，共76页。与与X射线衍射类似，遵循布拉格定律射线衍射类似，遵循布拉格定律:波长为波长为的电子束照射到晶体上，当电子束的的电子束照射到晶体上，当电子束的入射方向与晶面距离为入射方向与晶面距离为d的一组晶面之间的夹的一组晶面之间的夹角角满足关系式满足关系式 时，就 在 与 入 射 束 成时，就 在 与 入 射 束

37、 成 2 的 方 向 上 产 生的 方 向 上 产 生(chnshng)衍射束，式中衍射束，式中n为整数。为整数。第六十一页，共76页。在电子衍射中，一般在电子衍射中，一般(ybn)只考虑一级衍只考虑一级衍射。可以计算获得各衍射环所对应的晶面射。可以计算获得各衍射环所对应的晶面间距。由此分析晶体结构或点阵类型。可间距。由此分析晶体结构或点阵类型。可以和以和X射线衍射分析的数据对照。射线衍射分析的数据对照。第六十二页，共76页。电子衍射与电子衍射与X射线的衍射相比的特点射线的衍射相比的特点(tdin)：1）衍射角很小，一般为）衍射角很小，一般为1-2度。度。2）物质对电子的散射作用强，电子衍射强

38、，）物质对电子的散射作用强，电子衍射强，摄取电子衍射花样的时间只需几秒钟，而摄取电子衍射花样的时间只需几秒钟，而X射线衍射则需较长时间。射线衍射则需较长时间。3）晶体样品的显微像与电子衍射花样结合，）晶体样品的显微像与电子衍射花样结合，可以作选区电子衍射。可以作选区电子衍射。第六十三页，共76页。电子衍射基本电子衍射基本几何几何(j h)关系关系图图第六十四页，共76页。面间距为面间距为d的晶面族的晶面族(hkl)满足布拉格条件，满足布拉格条件，在距离样品为在距离样品为L的底片上照下了透射斑点的底片上照下了透射斑点O和衍射斑点和衍射斑点G，G和和O之间的距之间的距离为离为R。从图可知：从图可知

39、：R/L=tg2因为因为(yn wi)电子衍射中的衍射角非常小电子衍射中的衍射角非常小(12度度)tg22sinL=Rd第六十五页，共76页。衍射斑点衍射斑点(bndin)的对称性及可能所属的对称性及可能所属晶系晶系第六十六页，共76页。CdS纳米线的纳米线的HRTEM像及电子衍射图像及电子衍射图第六十七页，共76页。四、用四、用TEM测纳米材料尺寸测纳米材料尺寸 1制样要求制样要求负载的铜网上，铜网直径负载的铜网上，铜网直径2-3 mm。样品必须薄，电子束可以穿透，在样品必须薄，电子束可以穿透，在100 kV 时时,厚厚度度(hud)不超过不超过100 nm，一般在，一般在50nm。粉体。粉

40、体、涂膜、切片、染色、涂膜、切片、染色样品必须清洁，防尘，无挥发性物质。样品必须清洁，防尘，无挥发性物质。有足够的强度和稳定性，耐高温、辐射，不易挥有足够的强度和稳定性，耐高温、辐射，不易挥发、升华、分解。发、升华、分解。(注意辐射损伤）注意辐射损伤）第六十八页，共76页。2基本步骤基本步骤-粉体粉体将样品用超声波振荡分散，除去软团聚将样品用超声波振荡分散，除去软团聚。用覆盖有碳膜或其它高分子膜的铜网悬用覆盖有碳膜或其它高分子膜的铜网悬浮液中，捞取或用滴管浮液中，捞取或用滴管(d un)滴在滴在碳膜上，用滤纸吸干或晾干后，放入碳膜上，用滤纸吸干或晾干后，放入样品台。样品台。在有代表性且尺寸分布

41、窄的地方，分散在有代表性且尺寸分布窄的地方，分散好的地方照像。好的地方照像。第六十九页，共76页。基本步骤基本步骤-块体（陶瓷或金属样品）块体（陶瓷或金属样品）将样品磨制将样品磨制3丝以内。丝以内。在须减薄的区域在须减薄的区域(qy)磨坑。磨坑。离子减薄。离子减薄。在减薄区选择有代表性的地方照像。在减薄区选择有代表性的地方照像。第七十页，共76页。3确定尺寸方法确定尺寸方法1 任意地测量约任意地测量约600颗粒的交叉长度颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术，然后将交叉长度的算术(sunsh)平平均值乘上一统计因子均值乘上一统计因子(1.56)来获得平来获得平均粒径。均粒径。第七十一页，共76页

42、。2 测量测量100个颗粒中每个颗粒的最大交叉个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。均值。3求出颗粒的粒径，画出粒径与不同粒径求出颗粒的粒径，画出粒径与不同粒径下的微粒分布图，将分布曲线下的微粒分布图，将分布曲线(qxin)中中心的峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。心的峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。第七十二页，共76页。4TEM法测纳米样品的优缺点法测纳米样品的优缺点优点：优点：分辨率高，分辨率高，1-3，放大倍数放大倍数(bish)可达几百万倍，可达几百万倍，亮度高，亮度高，可靠性和直观性强，是颗粒度测定的绝可靠性和直观性强，是颗粒度测定的绝对方法。对方法。第七十三页，共76页。缺点：缺点：缺乏统计性。立体感差，制样难，不能观察活缺乏统计性。立体感差，制样难，不能观察活体，可观察范围小，从几个微米体，可观察范围小，从几个微米(wi m)到几个到几个埃。埃。取样时样品少，可能不具代表性。取样时样品少，可能不具代表性。铜网捞取的样品少。铜网捞取的样品少。观察范围小，铜网几平方毫米就是观察范围小，铜网几平方毫米就是1012平方纳米平方纳米。粒子团聚严重时，观察不到粒子真实尺寸。粒子团聚严重时，观察不到粒子真实尺寸。第七十四页，共76页。第七十五页，共76页。第七十六页，共76页。