透射电镜(TEM)原理详解

透射电镜原理详解光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。引言-电子光学基础透镜分辨率•指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离•光学透镜分辨率的公式：式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n是物方介质折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。•对于光学透镜，当n•sinα做到最大时(n≈1.5，α≈70-75°)•波长是透镜分辨率大小的决定因素。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。若用波长最短的可见光(λ=390nm)作照明源，则≈200nm200nm是光学显微镜分辨本领的极限sin61.00nr20r0r如何提高显微镜的分辨率•根据透镜分辨率的公式，要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。•顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。•更短的波长是X射线(0.01~10nm)。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。•除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。电子波长•根据德布罗意（deBroglie）的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s；m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系：即式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。将两式整理得：mvheUmv221meUv2UemUh226.12单位是nm单位是V不同加速电压下的电子波波长•加速电压U/KV电子波波长λ/nm加速电压U/KV电子波波长λ/nm204060801000.008590.006010.004870.004180.0037112016020050010000.003340.002850.002510.001420.00087电磁透镜•电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的•控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置电磁透镜•短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线,最后会聚在轴线上的一点。•实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。电磁透镜的像差及其对分辨率的影响•最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立H-800透射电镜为例，其加速电压达是200KV，若分辨率是波长的一半，那么它的分辨率应该是0.00125nm；实际上H-800透射电镜的点分辨率是0.45nm，与理论分辨率相差约360倍。•透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响;但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。•由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。•电镜的像差为：球差、像散、色差。其中球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著；像散可以消除；色差的影响是电压波动和样品厚度不均球差•球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。•原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为ΔrS的漫散圆斑。我们用ΔrS表示球差大小，计算公式为：•：球差系数•球差是像差影响电磁透镜分辨率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。341sSCrsC•球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着α的增大，分辨本领也急剧地下降衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率•由球差和衍射同时起作用的电磁透镜的理论分辨率可以由这两个效应的线性叠加求得，即61.0413sdsCrrr4125.1spC434149.0sibCr•最佳孔径半角相应的最小分辨率该式表达了由球差和衍射所决定的理论分辨本领。•普遍式为:•孔径半角α对衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率的影响是相反的。提高孔径半角α可以提高分辨率Δrd，但却大大降低了ΔrS。由球差和衍射所决定的电磁透镜的分辨本领r对孔径半角α的依赖性αp=B(λ/Cs)1/4=ACs1/4λ3/4ibr•透射电镜孔径半角α通常是10-2-10-3rad；目前最佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右•透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。2.2透射电镜的工作原理和特点•通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和操作控制系统组成．•其中电子光学系统是电镜的主要组成部分，通常称为镜筒．图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)高压系统真空系统操作控制系统观察和记录系统透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。工作原理透过样品的电子束强度（取决于上述信息），经过物镜聚焦放大在其像平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的。光学显微镜与透射电镜的比较比较部分光学显微镜透射电镜光源可见光电子源(电子枪)照明控制玻璃聚光镜电子聚光镜样本1mm厚的载玻片200~500nm厚的薄膜放大成像系统玻璃透镜电子透镜介质空气和玻璃高度真空像的观察直接用眼利用荧光屏聚焦方法移动透镜改变线圈电流或电压分辨本领200nm0.2~0.3nm有效放大倍数103×106×物镜孔径角约700＜10景深较小较大焦长较短较长像的记录照相底板照相底板正是由于α很小，TEM的景深和焦长都很大•TEM成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。•TEM成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分辨率就是显微镜的分辨率。透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,可用来直接观察原子像。特点相位衬度位错衍射衬度45钢900℃水淬，600℃回火1h，6000×二相粒子萃取复型样品制备示意图质厚衬度•具有一定能量的电子束与样品发生作用，透过样品的电子束，携带了反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息，这样的电子束经放大后形成反映这些信息的透射电子像。•正确分析透射电子像，需要了解图象衬度与以上这些反映材料特征信息之间的关系。•透射电子像中，有三种衬度形成机制：质厚衬度衍射衬度相位衬度1.原子核和核外电子对入射电子的散射透射电镜像衬形成原理(一)质厚衬度经典理论认为散射是入射电子在靶物质粒子场中受力而发生偏转。可采用散射截面的模型处理散射问题，即设想在靶物质中每一个散射元(一个电子或原子核)周围有一个面积为σ的圆盘，圆盘面垂直于入射电子束，并且每个入射电子射中一个圆盘就发生偏转而离开原入射方向；未射中圆盘的电子则不受影响直接通过。eZ供观察形貌结构的复型样品和非晶态物质样品的衬度是质厚衬度按Rutherford模型，当入射电子经过原子核附近时，其受到核电场的库仑力-e2Z/rn2作用而发生偏转，其轨迹是双曲线型。散射角n的大小取决于入射电子和原子核的距离rn：n=eZ/rnU或rn=eZ/nU电子电荷原子序数电子加速电压而相应的一个孤立原子核的散射截面为n=πrn2=πe2Z2/n2U2散射截面的大小当一个电子与一个孤立的核外电子作用时，也发生类似的偏转，散射角由下式决定：e=e/reU或re=e/eU从而相应的一个核外电子的散射截面为e=re2=2e2/e2U2我们定义单个原子的散射截面为0=n+Ze散射截面的大小原子核对入射电子的散射是弹性散射，而核外电子对入射电子的散射是非弹性散射。透射电镜主要是利用前者进行成像，而后者则构成图像背景，从而降低了图像衬度，对图像分析不利，可用电子过滤器将其除去。2.透射电镜小孔径角成像为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。由于物镜放大倍数较大，其物平面接近焦点，若物镜光阑的直径为D，则物镜孔径半角αα=D/2f小孔径角成像意味着只允许样品散射角小于α的散射电子通过物镜光阑成像，所有大于α的都被物镜光阑挡掉，不参与成像。定义散射角大于α的散射区为散射截面。显然，若使αn=αe=α，则表示，凡落入散射截面以内的入射电子不参与成像，而只有落在散射截面以外的才参与成像。3.质厚衬度原理设电子束射到一个原子量为M、原子序数为Z、密度为ρ和厚度为t的样品上，若入射电子数为n，通过厚度为dt后不参与成象的电子数为dn，则入射电子散射率为tMNnnAdd0单位体积样品中包含的原子个数单个原子的散射截面每单位体积样品的散射面积厚度为dt的晶体总散射截面将上式积分，得：式中N0为入射电子总数(即t=0时的n值)，N为最后参与成像的电子数。MtNNNA00exp当其他条件相同时，像的质量决定于衬度（像中各部分的亮度差异）。现在讨论的这种差异是由于相邻部位原子对入射电子散射能力不同，因而通过物镜光阑参与成像的电子数也不同形成的。BAAˊ令N1为A区样品单位面积参与成像的电子数，N2为B区样品单位面积参与成像的电子数，则A、B两区的电子衬度G为1110122202121exp1MtMtNNNNGA质厚衬度表达式将上式展成级数，并略去二级及其以后的各项，得：将t称为质量厚度。1110122202MtMtNGA对于大多数复型来说，因其是用同一种材料做的，上式可写为即衬度G取决于质量厚度ρt，这就是所谓质量厚度衬度(简称质厚衬度)的来源。实际上，这里G仅与厚度有关，即120ttMNGAtG当A、B两区不是由同一种物质组成时，衬度不仅取决于样品的厚度差，还取决于样品的原子序数差。同样的几何厚度，含重原子散射作用强，相应的明场像暗；反之，由轻原子组成的区域，散射作用弱，相应的明场像亮．复型样品的制备中，常采用真空镀膜投影的方法，由于投影（重）金属或萃取第二相粒子的原子序数总是比复型材料大得多，所以经过投影的复型图像衬度要高得多。•早期透射电子显微镜的制造水平有限和制样水平不高，难以对实际样品进行直接观察分析，主要使用复型技术，通过样品的质厚衬度像进行观察分析．所谓复型，就是把样品表面形貌复制出来，实际上是一种间接或部分间接的分析方法。•复型法，分辨本领较低，因此，不能充分发挥透射电镜高分辨率(0.2-0.3nm)的效能。更重要的是，复型(除萃取复型外)只能观察样品表面的形貌，而不能