4第3讲透射电子显微镜.

LOGO第3讲透射电子显微镜中南大学物理与电子学院先进材料超微结构与超快过程研究所2015-4-29主讲：周聪华CompanyLogo内容提要一、概述二、基础理论2.1光学显微镜的局限性2.2加速电子-德布罗意波2.3电子光学系统2.4磁聚焦三、TEM3.1TEM结构3.2TEM样品制备3.3TEM观测方式3.4电子衍射3.5典型观测结果四、参考文献与课后习题CompanyLogo包括：用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析用电子探针仪进行的X射线显微分析电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。一、概述CompanyLogo1)具有在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、晶体结构和化学成分。2)为一种微区分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率达到0.2～0.3nm（TEM），可直接分辨原子，能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成分析。3)各种仪器日益向多功能、综合性方向发展。电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，与其它的形貌、结构和化学组成分析方法相比具有以下特点：一、概述CompanyLogo电子显微镜发展简史1924年L.De和Broglie发现运动电子具有波粒二象性。1926年Busch发现在轴对称的电磁场中运动的电子有会聚现象。二者结合导致研制电子显微镜的伟大设想。1931年，德国柏林恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔制作第一台电镜。至1934年电镜的分辨率可达50nm，1939年德国西门子公司第一台电镜投放市场，分辨率优于10nm。1935年克诺尔（Knoll）提出扫描电子显微镜的工作原理，1938年阿登纳（Ardenne）制造了第一台扫描电子显微镜。一、概述CompanyLogo60年代后，电镜开始向高电压、高分辨率发展，100~200kV的电镜逐渐普及，1960年，法国研制了第一台1MV的电镜，1970年又研制出3MV的电镜。70年代后，电镜的点分辨率达0.23nm，晶格（线）分辨率达0.1nm。同时扫描电子显微镜有了较大的发展，普及程度逐渐超过了透射电镜。近年来，出现了联合透射、扫描，并带有分析附件的分析电镜。电镜控制的计算机化和制样设备的日趋完善，使电镜成为一种既观察图象又测结构，既有显微图象又有各种谱线分析的多功能综合性分析仪器。一、概述CompanyLogo80年代后，又研制出了扫描隧道电镜和原子力显微镜等新型的显微镜。我国自1958年试制成功第一台电镜以来，电镜的设计、制造和应用曾有相当规模的发展。主要产地有北京和上海。但因某些方面的原因，国产电镜逐渐被进口电镜取代。一、概述CompanyLogo1986年卢斯卡为此获得诺贝尔物理学奖1931年，第一台电子显微镜一、概述CompanyLogo电镜的分类透射电子显微镜（透射电镜）TEM扫描电子显微镜（扫描电镜）SEM扫描透射电子显微镜（扫描透射电镜）STEM一、概述CompanyLogo2.1光学显微镜的局限性二、基础理论光学显微镜列文虎克（AntonievanLeeuwenhoek）(1632.10.24－1723.08.26)荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者生卒均于代尔夫特CompanyLogo2.1光学显微镜的局限性光学显微镜的“分辨本领”是表示一个光学系统刚能清楚地分开两个物点间的最小距离，距离越小，分辨能力越高。阿贝根据衍射理论导出的光学透镜分辨能力的公式：二、基础理论透镜的分辨率r值与N.A成反比，与λ值成正比，r值越小，分辨本领越高。0.61()sinrnmn数值孔径，简写为N.AsinnCompanyLogo当用可见光作光源，采用组合透镜、大的孔径角、高折射率介质浸没物镜时，N.A值可提高到1.6。最佳情况的透镜分辨极限是209nm(中心波长550nm)。要进一步提高显微镜的分辨能力，就必须用更短波长的照明源。X射线波长很短，在0.05~10nm范围，但至今也无法能使之有效聚焦成像。2.1光学显微镜的局限性二、基础理论电子束??CompanyLogo1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子也具有波粒二象性的假说。这个物质波的频率和波长与能量和动量之间的关系如下：由此可得德布罗意波波长：运动中的电子也必伴随着一个波——电子波。2.2加速电子-德布罗意波二、基础理论EhhphhpmCompanyLogo电子波长与其加速电压平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。当加速电压较低时，vc(光速)，电子质量近似于静止质量m0，由（6）、（7）式整理得：一个初速度为零的电子，在电场中从电位为零的点受到电位为V的作用，其获得的动能和运动速度v之间的关系为：2.2加速电子-德布罗意波二、基础理论212EeVmv01501.23(nm)2hVemVVCompanyLogo加速电压（kV）电子波长（nm）加速电压（kV）电子波长（nm）10.0388800.00418100.01221000.00370200.008592000.00251300.006985000.00142500.0053610000.00087当加速电压较高时，电子运动速度增大，电子质量也随之增大，必须用相对论进行校正：60201.23(nm)10.978510212hVVeVemVmc2.2加速电子-德布罗意波二、基础理论CompanyLogo是以波长极短的电子束作为照明源，用电子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。2.3电子光学系统二、基础理论透射电子显微镜透射电镜电子光学系统、电源系统、真空系统、操作系统四部分：CompanyLogo1.点分辨率：0.19nm2.线分辨率：0.14nm3.加速电压：80,100,120,160,200kV4.倾斜角：255.STEM分辨率：0.20nm透射电镜的基本结构二、基础理论2.3电子光学系统CompanyLogo二、基础理论电子光学系统光学系统磁透镜2.3电子光学系统CompanyLogo电子枪电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度、分辨率和穿透样品能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为50－100kV，近来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、阳极和位于阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。它能使阴极发射的电子会聚，得到一个小于100μm的电子束斑。聚光镜聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。二、基础理论2.3电子光学系统CompanyLogo物镜物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。物镜的球面像差一般通过在物镜背焦面径向插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。二、基础理论CompanyLogo中间镜和投影镜中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较长。其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为0－20倍。三级成像的总放大倍数为：MT=MOMIMP其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影的放大倍数。磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。一般通过将物镜和投影镜的放大倍数MO、MP固定，而改变中间镜放大倍数MI来改变总放大倍数MT。应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与MT成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。二、基础理论2.3电子光学系统CompanyLogosinBqFm大小方向qmFB力与速度方向垂直。不能改变速度大小，只能改变速度方向。mFqBvvv一、带电粒子在磁场中的运动洛仑兹力2.4磁聚焦二、基础理论LOGO平行或反平行与B0)1(0mFc0B粒子做直线运动垂直与B0)2(BqFm0RmBq200qBmR0qBmRT220粒子做匀速圆周运动××××××××××××××××××××××××××××××BFv0vqmFqBvvvLOGOqBmTThcos2cos00//角成与B0)3(//0vBcos0//sin0qBmRqBmsin0qBmRT22螺距h：qR//0BhCompanyLogo二、基础理论2.4磁聚焦CompanyLogo二、基础理论2.4磁聚焦CompanyLogov//vvv磁聚焦sinvvv//cosvvvh------------+---------01vv---------------------------02vvqBmvTvh2//二、基础理论2.4磁聚焦CompanyLogo二、基础理论2.4磁聚焦CompanyLogo电子光源聚光透镜样品室物镜中间放大镜投影放大镜荧光屏照相室照明部分放大成像部分显像部分聚光镜偏转器物镜后焦平面光栏选区光栏阴极栅极阳极电子光学系统三、TEM3.1TEM结构CompanyLogo真空系统和供电系统仪器真空要求：10-3Pa减少空气散射，提高衬度；高速电子可使空气电离，导致电极间放电，影响安全。两套供电系统：（1）电子枪：高频高压，1000Hz，高压，产生一定λ的电子束。（2）磁透镜：低压稳流，可调节，以控制透镜的焦距f和放大倍数。三、TEM3.1TEM结构CompanyLogo附加装置倾转台，绕一轴单倾；绕二轴双倾。加热、冷却、拉伸附件。微区成分分析谱仪。三、TEM3.1TEM结构CompanyLogo支持膜法复型法晶体薄膜法超薄切片法三、TEM3.2样品制备样品要求由于电子束的穿透力较弱，难以穿过0.1μm以上的切片，所以TEM对样品的厚度有极高的要求。样品制备方法薄！CompanyLogo支持膜法粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。复型法复型是利用一种薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜)将固体试样表面的浮雕复制下来的一种间接样品。只能作为试样形貌的观察和研究，而不能用来观察试样的内部结构。晶体薄膜法薄膜样品制备有许多方法，如沉淀法、塑性变形法和分解法、化学腐蚀法、电解抛光法等。超薄切片法高分子材料和生物样品用超薄切片机可获得50nm左右的薄样品。用此法制备试样时的缺点是将切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻；或将样品包埋在一种可以固化的介质中。三、TEM3.2样品制备CompanyLogo一、明场像利用透射电子束成像。观察物体的形貌像。电子枪晶体中的衍射面网衍射束透射束物镜后焦平面光栏挡去衍射束2θ三、TEM3.3观测方式光学显微镜CompanyLogo二、暗场像观察（1）利用衍射电子束成像。观察物体的形貌像。电子枪晶体中的衍射面网衍射束透射束物镜后焦平面光栏挡去透射束2θ三、TEM3.3观测方式CompanyLogo二、暗场像观察（2）将物镜的像平面与中间镜的物平面重合。利用衍射电子束成像。观察物体的形貌像。暗场像与明场像衬度相反。电子枪晶体中的衍射面网透射束衍射束物镜后焦平面光栏挡去透射束2θ三、TEM3.3观测