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第1页共14页透射电子显微镜原理及其技术进展摘要：透射电子显微镜是一种新型高性能的大型检测仪器，是现代物理以及先进技术社会的产物，随着科技的发展，TEM的技术会更加先进，使用范围也更加广泛。本文在着重论述透射电子显微镜基本原理和结构以及应用的基础上，介绍透射电子显微镜的最新科学成果及其在未来的发展趋势，随着各种科学技术被应用于透射电子显微镜的制作工艺中，导致TEM的性能不断完善发展以及TEM与计算机技术的密切结合与应用。透射电子显微镜在各个领域中的应用。即透射电子显微镜在地质领域，材料科学及提高钢性能方面的应用，透射电子显微镜及相关技术在多相催化研究中的应用,并通过对其归类分析进一步说明了透射电子显微镜的应用。关键词：TEM的基本原理;TEM的新技术进展;TEM的用途1引言透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,TEM)是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学技术的研究开发工作中被广泛地使用。透射电镜工作原理是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。由于显微镜的分辨率取决于所用光的波长，人们从本世纪初开始就尝试用波长更短的电磁波取代可见光来放大成像，以制造分辨本领更高的显微镜。1933年，德国人E.Ruska制成了世界上第一台以电子作为“光源”的显微镜----电子显微镜，也即现在的透射电子显微镜[1]。最早由E.Ruska等发明的电镜就是透射电子显微镜，其工作原理和光学显微镜十分相似。随着科学技术的进步，各种新技术被应用于TEM的制作工艺中，从而导致TEM性能的不断改善。主要表现在三大方面：TEM本体硬件的发展，TEM所属附件的进一步的发展以及TEM在各个领域中的应用.2透射电子显微镜原理及其构造2.1TEM的原理2.1.1TEM的工作原理第2页共14页所谓电子显微镜是以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”。投射电子显微镜的特点，在于我们是利用透过样品的电子束来成像，这一点有别于扫描电子显微镜。现代电子显微镜的分辨本领已经可达0.1nm。2.1.2TEM的成像原理金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息，而TEM由于入射电子投射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向[2]。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据投射电子图像和相互作用的复杂性，因此所获得的图像也很复杂。它不像表面形貌那样直观，易懂。因此，如何对一张电子图像获得的信息作出正确的解释？如前所述电子透过试样所得到的投射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部分的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的分布不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子像称为透射电子衬度像。[3]其形成机制有二种:1相位衬度如果透射束映射可以重新组合，从而保持他们的振幅和位相，则可只得到产生衍射的。那些晶体面的晶格像，或者一个个原子的晶体结构像。仅适用于很薄的晶体试样(约100埃)。2振幅衬度振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅衬度主要有质量衬度和衍射衬度二种：(1)质厚衬度由于试样的质量和厚度不同，各部分对于入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差。称为质厚衬度。(2)衍射衬度其主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图像反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。3透射电子显微镜发展趋势第3页共14页3.1TEM本体硬件的进一步发展从TEM的发展历史来看，随着技术的进步，各种新技术被应用于TEM的制作工艺中，从而导致TEM硬件性能的不断改善。20世纪30年代末期发明的第一代TEM的分辨率只有3nm，到了50年代达到优于1nm，而在90年代一些特制的TEM更达到了0.1nm。我们有理由相信在制作TEM硬件方面的进步将持续下去。这种进步将表现为新一代TEM的性能越来越好，使用越来越方便，对于操作人员的要求越来越简单[8]。20世纪70年代具有高分辨率的透射电镜和分析电镜出现后，它的分辨水平日臻细微，功能更趋多样，已成为现代实验室中一种不可或缺的研究晶体结构和化学组成的综合仪器。众所周知，界面、位错、偏析物和间隙原子等缺陷结构，对于材料及器件的物理、力学和电学性质产生重要影响，因此获取物质的原子结构、化学成分和局域电子态的信息细节是高分辨分析电子显微学的研究目标。为获得原子间成键信息，要求能量分辨率达0.1～0.2eV，为获得缺陷的原子结构细节，要求“亚埃”的点分辨率。若要在中等电压的电镜中获得“亚埃”和“亚电子伏特”的分辨率，则需要发展配有准单色的电子源、电子束斑尺寸小于0.2nm的聚光镜系统、物镜球差校正器、无像差投影镜和能量过滤成像系统等部件的新一代透射电子显微镜[9]。近年来，透射电子显微镜及相关部件的发展非常迅速，除继续提高场发射枪透射镜的性能和稳定性之外，陆续研发出新一代的慢扫描电荷耦合器件、球差校正器、单色器、高能量分辨率的新一代能量过滤成像系统等，在中等电压的电镜中可以获得“亚埃的空间分辨率”和“亚电子伏特的能量分辨率”。比方说场发射枪透射电子显微镜，场发射枪透射电子显微镜与W或LaB6灯丝热电子发射透射电镜相比，场发射电子枪具有纳米电子束斑亮度高、束流大、出射电子能量分散小和相干性好等优点，可显著提高电镜的信息分辨率，特别适合于纳米尺度综合分析，如亚纳米尺度成分分析、精确测定原子位置、结构因子和电荷密度等。70年代第一台实验场发射枪透射电镜问世以来，特别是20世纪80年代后期具有高性能、高稳定性的场发射枪透射电镜出现后，它的性能日臻完善，已为全世界电子显微学工作者提供了大量的商用场发射透射电镜。近两年出现的新型场发射枪透射电镜有FEI公司的TecnaiG2F30。TecnaiG2F20和JEOL公司的JEM2100F、JEM3000F、JEM2200FS、JEM3200FS及LEO公司的SATEM等。第4页共14页随着自动化技术的迅速发展，现代的透射电子显微镜技术也步入了自动化或数字化时代。除了成像部分，真空系统等提高了电路的集成度以外，机械运动部分的自动化程度也大幅度提高。但是，目前在国内尚有一批20世纪末期以前的电镜产品，还处于手动或半自动化状态，且仍在发挥着重要作用。JEM-1000X，JEM-200FX，HT-800等。我们针对JEM-1000XI1型透射电镜样品台移动的手动摇柄进行了自动化改造，实现了操作“鼠标”来控制样品台移动的设想，实际应用效果良好。JEM-1000XII透射电镜的样品台是在电镜筒体的中部，而操作样品台的移动是靠两组X.Y万向节和连杆延伸到电镜的操作台面上，靠手动(左、右)摇柄进行操作。为了使摇柄能显示样品位置，在摇柄万向节处通过齿轮驱动一只20k11的电位器，并连接到示波器上，以显示样品所处的位置。我们分别将移动样品台的左右两个手动摇柄，换成两个伺服电机，并通过电路进行控制[10]。3.2TEM所属附件的进一步发展早期TEM作为一种高分辨率、高倍率的显微镜，只是光学显微镜的一个技术延伸。但随着电子显微学理论和实践的不断发展、积累，人们发现、开发了TEM的许多新功能，使TEM成为了一种综合性分析仪器。直到最近，一些新的TEM附件还在不断地被发明出来。比如，图像过滤器就是近十年来开发出来的新附件。在未来的年代里，我们依然有理由期待一些更新、更好、更易操作的附件被发明出来，从而为TEM增加新功能，或进一步提高TEM的现有功能和分析测试精度。从电子显微镜诞生以来，更高的分辨率就一直是追求的目标。普通光学的分辨率定义，也是在扫描电镜中使用的分辨率判据，即判别图像中最近两点之间的距离，不再适用于相干成像的透射电子显微镜。从高分辨技术诞生以来，人们就给透射电镜赋予了两个独特的、而且独立的分辨率[11]。一个是点分辨率，它是指最佳条件下高分辨像上可直接解释的分辨率;另一个是信息极限，限定了对称照明时最小的可见信息。薛泽(Schcrzcr)早就提出过，圆形对称的电磁透镜不可避免地具有正的球差和色差系数。虽然两项像差均随透镜极靴间距的减小而减弱，但最小的极靴间距必须顾及到处在其间的样品移动和倾转范围。球差造成图像的锐利度减弱;而色差则使得能量不等的电子成像在不同的像面上，亦使图像的质量下降。虽然对于较厚的样品色差的影响要明显的多，但由于电子枪的相对较好第5页共14页的单色性，以及通常很薄的高分辨样品厚度，色差似乎对分辨率的影响远小于球差。电子显微镜的点分辨率，就是以物镜的球差系数(Ｃｓ)和电子波长(λ)，在很薄的弱相位物体厚度和良好的电子单色性假设下，来定义的:ρ≈066Ｃ14ｓλ34(1)上述的点分辨率定义中，采用了所谓的扩展薛泽欠焦条件，即以物镜的欠焦量部分地补偿因物镜球差带来的影响。典型的TecnaiF20STwin的球差系数为12ｍｍ，结合200kV下的电子波长0.0025nm，不难从(1)式算出其点分辨率是0.24nm。传统的高分辨电子显微学中，在弱相位物体近似下，较弱的色差影响被处理为一作用在衬度传递函数的逐渐衰减的包络:Ｅｔ(ｇ)=ｅｘｐ-12π2λ2Δ2ｇ4(2)这里，ｇ是倒易空间矢量长度，λ仍是电子波长，Δ则是由于色差引起的离焦标准差(亦称聚焦扩展)。对非弱相位物体的像，更严格地应按电子能量的分布，非相干地叠加不同的离焦像。如果Ｃｃ是色差系数，Ｅ是电子的表征能量，σ(Ｅ)为电子枪出射电子能量扩展的标准差，Ｖ是电子的加速电压，σ(Ｖ)为加速电压非稳定性的标差，Ｉ是物镜电流，σ(Ｉ)为物镜电流波动的标准差，则聚焦扩展可以表示成下式:Δ=Ｃｃσ(Ｅ)Ｅ2+σ(Ｖ)Ｖ2+2σ(Ｉ)Ｉ2(3)在同样的近似条件下，电子束的会聚也会引入另外一个与会聚半角(α)相关的衰减包络。不过，对现代普遍使用的、具有足够亮度的场发射枪而言，电子束在成像模式时的会聚角很小，特别是用于成像的电子束中心部分。由电子束会聚造成的衬度传递函数衰减，远小于色差的影响而可以被忽略。在这样的前提下，(2)式定义了能够被衬度传递函数传输的最高空间频率，限制了电镜可以看到的最小的信息。这也定义了电子显微学中的另一个分辨率，即信息极限。如果定义Ｅｔ(ｇ)衰减为ｅ-2时是信息的传输极限，那么信息极限就是:ρｔ=πλΔ2(4)第6页共14页注意，有关文献中信息极限的定义略有不同，但其差异只是Ｅｔ(ｇ)衰减为多少时成为极限。采用略为保守的估计，TecnaiF20STwin高压和物镜电流高稳定性可以近似地采用下列数值:σ(Ｖ)Ｖ=10×10-6和σ(Ｉ)Ｉ=10×10-6。并且Ｃｃ=12ｍｍ。常规地，我们并不在最佳的能量分辨率(低引出电压)的条件下，获取高分辨像，更何况样品会引起零损失峰的展宽。3.3与计算机的结合应用随着现在计算机科学的迅速进步，作为现代科学技术分析器的TEM也越来越依赖于计算机的使用。事实上，TEM硬件的进步是与计算机控制系统的不断进步无法断然分开的。但是，即使今天我们对于TEM的实验结果也还需要使用大量的人力进行分析。在这一方面我们完全有理由相信随着新的电子显微学理论的进展以及新的计算机软件开发的成功，未来对于TEM的实验结果分析的自动化程度将进一步提高，从而大大提高人们从事TEM的工作效率。例透射式电子显微镜远程共享，透射式电子显微镜作为高精密仪器，许多用户有使用需求，但因其价格昂贵，用户只能委托有透射式电子显微镜的单位进行检测。以这种委托方式实现仪器的共享，效率低，并存在以下三个问题:1)需要将样品送到电镜所在地;2)需要用户单位专业研究人员与电镜工作人员协同工作，直到得到有效的图形资料;3)在得出实验数据前，需要研究人员用专用软件对庞大的图形数据进行反复分析，这需要专用的数据分析的计算平台。从以上问题出发，笔者提出了透射式电