透射电镜

透射电子显微镜简介•透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope,简称TEM)•组成：由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统组成•原理：用聚焦电子束作照明源，使用于对电子束透明的薄膜试样，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构透射电子显微镜的优点•①放大倍数是显微观察工具中最大的之一；•②像变形性小即观察结果真实可靠；•③所观察到的像是样品内部结构的平面投影像；•④选择不同操作模式可获得样品的电子衍射图，这对成分分析特别有用；透射电子显微镜的发展史•1925年DeBroglie发现了波粒二项性是微观粒子的基本特性，即电子和光一样既是粒子又是波•1926年Busch指出具有轴对称性的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像•1931年Knoll和Ruska制造了带双透镜的电子源，获得了放大12～17倍的电子光学系统中光阑的像•1931年6月4日Knoll和Ruska首次报道研制成功第一台透射电子显微镜(TEM)。为什么采用电子束而不用自然光？•由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透射电子显微镜的放大倍率远大于普通光学显微镜；一般来说，光学显微镜的最大放大倍率在2000倍左右，而透射电子显微镜的放大倍率可达百万倍。透射电子显微镜的组成•透射电子显微镜主要由3部分组成，它们是电子光学部分、真空部分和电子部分。•电子光学部分：由照明系统、成像系统和像的观察系统组成。照明系统由电子枪和几个聚光镜组成，其功能是为成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑。电子枪（electronicgun）•由阴极（cathode）、阳极（anode）和控制极组成，三者决定着电子发射的数目及其动能。•阴极：是产生自由电子的源头，一般有直热式和旁热式2种，旁热式阴极是将加热体和阴极分离，各自保持独立。在电镜中通常由加热灯丝（filament）兼做阴极称为直热式阴极，材料多用金属钨丝制成，其特点是成本低，但亮度低，寿命也较短•阳极：为一中心有孔的金属圆筒，处在阴极下方。加速从阴极发射出的电子。•控制极：汇聚电子束；控制电子束电流的大小，调节像的亮度。限制TEM分辨率关键技术-电子枪•超高压和中等加速电压技术：电子经过试样后，对成像有贡献的弹性散射电子所占的百分比决定了图像分辨率、信号、噪声的高低；•高亮度、高相干度：超高分辨率、电子衍射等技术的必须保证；成像系统•包括物镜、中间镜和投影镜。•物镜的任务是形成第一幅电子像或衍射谱，完成物到像的转换并加以放大，既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数(100～200倍)一般物镜的焦距为2mm～3mm，球差系数为1mm～2mm。•为消除像散和其他色差，在物镜附近还装有消像散器和防污装置。通常样品放在物镜的前焦面附近，物镜光栏在后焦面附近物镜光阑的作用•①挡掉大角度散射的非弹性电子，使色差和球差减少，在提高衬度的同时，得到更多的样品信息；•②可选择后焦面上的晶体样品衍射束成像，获得明、暗场像，这在观察电子衍射像时有重要意义。聚光镜•由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用。•聚光镜有增强电子束密度和再次将发散的电子汇聚起来的作用。•多为磁透镜，调节其电流，控制照明亮度、照明孔径角和束斑大小。方法原理•阿贝首先提出了相干成像的新原理，即频谱和两次衍射成像的概念。并用傅里叶变换来阐明显微镜成像的机制。阿贝成像原理•(1)当一束平行光束照射到具有周期性结构的物体时，便产生衍射现象，除零级衍射外，还有各级衍射束。经过透镜的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的极大值，每个振幅的极大值又可看成为次级相干源，由它们发出次级波在像平面上相干成像。(2)阿贝透镜衍射成像可分为两个过程•①平行光束受到有周期性特征物体的散射作用形成各级衍射谱，同级平行散射波经过透射后都聚焦在后焦面上同一点。•②各级衍射波通过干涉在像平面上形成反映物的特征的像。在透射电子显微镜中，用电子束代替平行入射光束，用薄膜状的样品代替周期性结构的物体，就可以重复以上衍射成像过程。•(3)对于透射电子显微镜，改变中间镜的电流，使中间镜的物平面从一次像平面移向物镜的后焦面，可得到衍射谱；反之，让中间镜的物面从后焦面向下移到一次像平面，就可看到像。•高能电子(50keV～200keV)可以穿透样品，根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过样品的衍射方向不同，经过后面电磁透镜的放大后，在荧光屏上显示出图像。透射电子显微镜在加速电压Ep=100keV下，电子的波长为3.7pm，波形影响远小于光波成像原理•吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。•衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。•相位像：当样品薄至100Å以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化透射电镜•透射电子显微镜的实验技术•透射电子显微镜的应用透射电镜的实验技术•电子显微镜应用的质量在一定程度上受样品制备技术的制约，不同类型、不同要求的样品有完全不同的制备方法。对样品的一般要求1.透射电镜样品置于载样铜网上(φ2～3mm)，所观察的试样最大尺度不超过1mm。2.样品必须薄到电子束可以穿透。具体厚度视加速电压大小和样品材料而异，在100kV加速电压下，一般样品的厚度在100nm左右。3.电镜镜筒中处于高真空状态，只能研究固体样品。样品中若含有水分、易挥发物质及酸碱等腐蚀性物质，需事先加以处理。4.样品需要有足够的强度和稳定性，在电子轰击下不致损坏或变化。承载网•像金属、半导体这些自身强度较好的样品薄膜，可直接按要求冲成一定的大小和形状，除此之外，大多数样品都较易变形，需要有一个承载体来支撑，特别是溶液形式的样品。•通常用得最多的载网是铜网样品铜网放大像方孔圆孔铜网•标准的铜网是直径3mm、厚约0.02mm的圆网，网孔的密度有单位英寸长度400目、200目、10目、50目等规格，还有一些用于专门需要的特殊形状孔的网，如长条形孔或有定位标记的网等。1铜网的清洗①除膜：将以火棉胶为支持膜的回收铜网放在一个小烧杯中，分别用丙酮、乙酸异戊酯溶液各浸泡30min，并适当振荡，也可以单单在乙酸异戊酯里浸泡24h以上，可见膜从网上脱落，倒掉浸泡液，用清水冲洗数遍。②浸蚀：往上述小烧杯中注入少量浓H2SO4，小心振荡1～3min待铜网发亮，倒掉浸蚀液，用清水冲洗数次，再用质量分数为5%的氨水漂洗，略作振荡后倒掉，水洗数次。铜网的清洗③脱水：用蒸馏水冲洗3～4次，再用无水乙醇浸泡片刻，重复1～3次。④干燥与检查：将铜网尽量分散地置于垫有清洁滤纸的培养皿里，在50～60℃的烘箱里烘干。先用目检剔除明显不干净的铜网再在低倍显微镜下逐个检查，选出清洁的、平整的、挺括的铜网准备制膜用(新的铜网用无水乙醇清洗干燥)。支持膜•对于溶液样品，光有铜网还不能起承载的作用，大多数超薄切片因太薄，直接置于铜网上仍会发生变形，需在铜网上加一支持膜，这种膜既需坚固、导电、导热性好，又需对电子束的透明性好、在几十万倍放大下仍不显示自身结构，以免样品变形从网孔中掉出或因支持膜的质量问题在电子显微镜照片中形成较强的背景而影响分辨率。支持膜材料的条件①本身没有结构，对电子束的吸收不大，以免影响对试样结构的观察；②本身颗粒度要小，以提高样品分辨率；③本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂。支持膜的选择•对分辨率要求不太高的样品：支持膜合适的厚度为20nm左右，常用火棉胶-碳复合膜；•对高分辨率的样品：支持膜合适的厚度为2nm左右，常用碳膜；•分辨细节达原子数量级时：采用单晶薄片或厚度小于2nm的碳膜作支持膜支持膜的制备方法•①火棉胶膜•②喷碳•③碳膜2火棉胶膜•将0.5g～1.5g范围的固体火棉胶溶入100mL的乙酸异戊醋中(24小时可全部溶解)，置于非常密封的滴液瓶中。在一个直径为20cm～30cm的结晶皿中注满蒸馏水，静置片刻，待水面完全平静后，轻轻地将1～2滴火棉胶溶液(由水面大小决定)滴到水面上，当膜形成后用针挑掉以清洁水面，再用同样方法制出第二张膜，滴液时滴管要小心靠近水面。将铜网轻轻地整齐地逐一排放在膜的中间(无皱褶处)，剪一块滤纸片，尺寸略大于铜网“矩阵”，但必须小于膜的尺寸，小角度地轻轻贴近膜，按入水中，待全部湿润后提起，铜网就整齐地排列在膜与滤纸之间了。将该滤纸片放在培养皿中置于50～60℃的烘箱里烘干。喷碳•将排有铜网的烘干了的滤纸片，放在真空镀膜机钟罩内的样品台上，在纸片边上放一小块干净光滑的白磁片，作为碳膜厚度指示板。在磁面上滴一小滴真空油，碳蒸发过程中，油滴内仍保持洁白色，周围颜色逐渐变黑指示碳膜厚度增加，对于火棉胶-碳复合膜，一般只需喷到非常浅的银灰色即可。碳膜•用解剖针或保安刀将碳膜划成铜网大小的方块，慢慢地将载玻片浸入蒸馏水中，用镊子夹住铜网，小心地浸入水中，慢慢放在碳膜下面，水平地提出水面，去掉多余的边缘，放在滤纸上干燥。复型技术•普通的复型技术有塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型及抽取复型。•与前面介绍的对载网支持膜的特性要求一样，复型膜也需具有良好的导电、导热性，足够的强度、刚度、耐电子轰击性能等。3表面复型技术•透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电子束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度越大。所以一般适宜的样品厚度约为200nm表面复型技术•显然，要制备这样薄的的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品，而金属样品遇到的困难就是样品制备问题。20世纪40年代初期才出现了“复型”技术，即把金属试样表面浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做复型）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能，表面复型技术•用于制备复型的材料本身必须是“无结构”的（或非晶体的），也就是说，要求复型材料即使在高倍（eg：十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。常用的复兴材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，他们都是非晶体。表面复型技术一级复型技术一级复型方法有三种：塑料，碳和氧化物复型。氧化物复型主要用于铝和铝合金，在电解减薄金属方法成熟之后已很少应用。(1)塑料一级复型：塑料一级复型是最简单的一种表面复型，是用预先配置好的塑料溶液在已浸蚀好的金属试样上直接浇铸而成的。塑料一级复型的具体制备方法：•用液滴灌在金属试样表面放一滴塑料溶液，用清洁玻璃轻轻地将其刮平，静置干燥后形成厚度约为100nm的塑料薄膜。其浮凸与金属试样表面正好相反，故这种复型又称负复型；•在透明胶纸上放几块略小于样品铜网（ψ=3mm）的纸片，再在其上放置样品铜网，这样仅使其边缘粘贴在胶纸上。•把贴有样品铜网的胶纸平整的压贴在已干燥的塑料表面，利用胶纸的粘性把塑料一级复型从金属试样表面干剥下来。•用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料薄膜划开，再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型取下，即可放到透射电镜中去观察。碳一级复型•由于碳的迁移性好，喷碳后得到的是一层沿着样品表面均匀、等厚的膜，从垂直方向看，除在有高度起伏的轮廓线处显得较暗外，平面处，无论是凸起的还是凹下的，碳膜提供的衬度相同，结果是分辨不出表面究竟是凹的还是凸的。如果在喷碳前或后加上重金属投影可以弥补这个问题•所以：碳一级复型的剥落不易掌握，实际中很少采用。复型法2)碳一级复型：在真空镀膜装置中，将碳棒以垂直方向，向样品表面蒸镀10～20nm的碳膜(其厚度通过洁白瓷片变为浅棕色来控制)；然后用针尖将碳膜划成略小于电镜铜网的小块，最后将