电子显微镜技术

电子显微镜技术第一节电子显微镜的发展与分辨率一、发展概况人们对微观世界的探索有着漫长的历史，我们知道人眼不能分辨0.2mm(2000000Å)以下的距离，到光学显微镜发明以后，对微观世界的观察前进了一大步。借助光学显微镜，人们才看到了细胞和细菌，这对医学和生物学是一大贡献。但光学显微镜的分辨率也只能达到2000~2500Å，极限放大倍数为1500倍。从本世纪初，电子光学理论得到了发展，科学家发现光波与电子运动有很深刻的相似性。1926年，Busch发表了关于磁聚焦的论文，指出旋转对称磁场可以使电子束折射，如同光学透镜使光线折射一样，随后德国的其他一些科学家发表了一系列电子光学论文，为电子光学奠定了理论基础。1932-1933年，德国制成了世界上第一台透射电子显微镜（具有三个透镜，冷阴极放电电子源，分辨率500Å）。1939年，德国西门子公司生产了第一台作为商品的透射电镜，分辨率已能达到100Å。1942年英国制成了第一台扫描电镜。电镜的出现是人们探索微观世界的一大突破。到现在最先进的透射电镜，其分辨率已能达到1~2Å，已能观察到重金属原子和大分子像，电镜在科学的各个领域得到了广泛的应用。二、光学显微镜的分辨极限•光的衍射：光属于电磁波，由于它具有波动性质，使得透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互之间发生干涉作用，产生衍射现象。即使是一个理想的点光源通过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上也不能得到一个理想的像点，而形成一个具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的所谓埃利（Airy）斑。通常以埃利斑第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的埃利斑半径的表达式为：（１）－－－透镜物方介质折射率（样品）－－－照明光波长－－－透镜孔径半角－－－透镜放大倍数00.61sinRMnnM一个样品可看成是由许多物点所组成的，当用波长为的光波照射物体时，每一个物点都可看成一个“点光源”，用透镜成像时，每一个“点光源”（如物点散射的光）都在透镜的像平面上形成各自的埃利斑像。如两物点相距较大，相应的埃利斑像也彼此分开；当两物点接近时，埃利斑像也彼此接近，直至部分重叠。瑞利（LordRayleigh）建议分辨两埃利斑像的判据是：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径（如图），此时两埃利斑强度叠加曲线表明，两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19%，因此肉眼仍能分辨是两个物点的像。我们把两埃利斑中心间距等于第一暗环半径时，样品上相应的两个物点间距离定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。由（１）式得到：000.61sinRrMn对于玻璃透镜来说，最大的孔径半角α=70~75o在物方介质为油的情况下，n≈1.5,其数值孔径nsinα≈1.25~1.35,因此式（２）可以简化为：Δr0≈1/2λ,这又称为半波公式。上式说明，透镜能分辨的两点间的最小距离，即分辨本领主要取决于照明波长，半波长是光学透镜分辨率的理论极限。可见光的波长在3900~7600Å之间，最佳情况下光学透镜分辨率极限值可达2000Å左右。三、电子显微镜的分辨极限根据上述的理论，要提高显微镜的分辨率，只有把照明源的波长缩短。理论上计算，电子显微镜使用的光源―电子光束，其波长约为可见光的十万分之一，（加速电压为50kv时，电子束波长λ=0.0526Å，）则电镜的理论分辨率也应提高十万倍（0.026Å）。但实际上电镜目前还达不到这样的分辨率，这是因为分辨率还要受到电磁透镜球面像差系数的影响。电镜实际分辨率Δr0=Aλ3/4Cs1/4Δr0――分辨率（Å）λ――电子束波长Cs――电磁透镜的球面像差系数现在透射电镜的极限分辨率已能达到~1Å。第二节光学透镜与电磁透镜一．光学透镜的成像原理对于薄透镜成像，物平面、焦平面、像平面三者之间的关系可按下式计算确定：－－物距－－像距－－焦距放大倍数111pqfpqffMpf二．电磁透镜的成像原理与光在光学透镜中透过产生折射一样，当一个电子束在激磁线圈中透过时，由于受电磁场的作用，电子运动会发生折射。与光在光学如电子运动方向与磁场（力线）垂直，运动轨迹是一个圆，半径，其中为电子质量，vo为电子初速度，e为电子电荷，H为磁场强度。当电子运动方向与磁力线成一定角度时，则每个电子的速度矢量v将分解为两个分量。一个平行于磁力线为vz,一个垂直于磁力线为vr。平行分量使电子沿磁力线方向运动，垂直分量使电子作圆周运动。因此，在此情况下，电子运动的轨迹是一个螺旋线。0mvReH，m螺旋线的半径决定于垂直磁力线的分速度，但电子旋转一周所需的时间为即电子旋转一周所需的时间仅与磁场强度H有关,而与速度分量无关，所以不同速度分量运动的电子转一圈所需的时间是一样的。虽然每个电子的圆圈轨道半径不一样，如果每个电子运动方向与线圈轴夹角很小，所有电子的轴向速度分量可看作大致相等，那么从同一点发射的所有电子沿着自己的螺旋轨道经过相同时间又在同一点会聚，即起聚焦作用。222rrrmvRmTvveHeH00coszvvv因此，对于磁透镜，有三点结论：①电磁透镜能产生螺旋磁场（旋转对称磁场）②电子束通过电磁透镜后能聚焦③符合光学透镜公式：111pqf第三节透射电镜的结构原理（TEM）(TransmittedElectricMicroscope)第三节透射电镜的结构原理（TEM）(TransmittedElectricMicroscope)电子显微镜与光学镜的结构有所相似。透射电镜由下列几部分组成一、电子光学系统（镜筒部分）（一）照明系统1）电子枪电子枪的钨丝，温度一般在2600℃，使用寿命约20~50小时，如温度提高至2800℃，则寿命大大降低，约只有2~3小时。12、电子光学系统（镜筒部分）、真空系统附属系统3、电源系统2）聚光镜目前分辨率高的都采用双聚光镜。为了减少象散，加入“消象散器”。为了调节孔径角，在聚光镜中，加有“聚光镜光阑”。（二）样品室对放置的试样要注意以下几个问题：1、受热变化由于电子束温度较高，有可能使样品受热变化，故对样品如会有升华、脱水等变化，要先经过特殊处理。2、污染某些试样在照射受热后，碳氢化合物会发生分解，一部分随抽真空跑掉，一部分会沉积在样品表面，而降低分辨能力。3、荷电现象电荷的沉积，有可能会使图像模糊，防止的办法是在试样上喷镀一些导电物质。（三）透镜系统透镜系统是电镜的关键部分，一般成像系统为三级成像系统，包括：物镜、中间镜、投影镜，通过调节中间镜和投影镜的电流，放大率能从几百倍连续地改变到几十万倍。（M1×M2×M3）1、物镜物镜是一种强磁透镜，要求象散尽可能小，其焦距较短。２、中间镜与投影镜其结构原理与物镜相同，作为投影镜要求有尽可能短的焦距，从而达到极高的放大率。（四）观察与记录系统观察系统主要是一个用硫化锌镉制成的荧光屏，电子束照射在荧光屏上，依据不同的强度，在荧光屏上显示出不同的亮度，记录系统装有“感光玻璃极”，可以对图像进行拍照，二、附属系统主要包括：①真空系统；②电气系统。第五节透射电镜的样品制备一、对试样的要求１、试样能使电子束透过，故对厚度有一定要求（1000Å），如加速电压愈高，原子序数愈小，其穿透能力愈大。２、在高真空下观察。３、要有一定的强度，使试样在电子束轰击下，仍能保持一定的形态。４、试样必须非常干净。二、试样的制备方法（一）超薄切片因为透射电镜对试样的厚度有一定的要求，因此对一些纤维试样，常用的方法是超薄切片。１、包埋与切片的步骤①将试样放入一种药用胶囊，将配好的包埋材料（环氧树脂）倒入胶囊中；②放入烘箱（60~80℃）中固化；③对包埋块进行修整；④切片。２、超薄切片机可切出200Å~1000Å厚度的超薄切片。根据刀的进给方式可分成两种类型：①机械推进型；②热膨胀型。（二）复型法复型法适于对一些较硬较脆的试样，由于难以超薄切片，只能用复型法。复型法适于对某些材料进行表面形貌观察。一级复型二级复型第六节、透射电镜的成像衬度（质厚衬度）机理一、弹性散射与非弹性散射一个电子在通过一个原子的静电场时，两者作用的结果表现为运动方向和能量的改变。当入射电子在运动中靠近某一个原子核时，由于库伦引力的作用，电子将向核方向偏转，偏转角大小取决于它靠近核的距离与原子序数的大小，偏转角称为“散射角”。由于原子核的质量远大于电子质量，因此入射电子的能量损失很小，可以忽略不计，这称之为“弹性散射”；当入射电子运动中靠近某一个自由电子时，由于库仑排斥作用，也必发生偏转，因为两电子质量相等，因此入射电子必有能量损失，这种散射称之为“非弹性散射”。①②Z――原子序数。可见原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。弹非弹1Z非弹性散射部分弹性散射部分第七节扫描电子显微镜一、结构原理图将电子束探针在试样上来回扫描，在试样上受激产生的二次电子、背散射电子、俄歇电子等分别被检测器接受，经放大器放大后，在荧光屏上扫描出图像，反映的图像衬度主要是“形貌衬度”。二、电子探针与试样的作用方式１、二次电子定义：核外电子被入射电子束轰击后，可离开原子核,变成自由电子从样品表面逸出，称为二次电子。①能量与渗度由于其能量大致在0~30-50eV之间，它们多数来自表面层下部5~50Å深度之间。因为二次电子的能量不大，再深部的二次电子就不能逸出试样表面。②二次电子成像衬度非晶体块状样品的二次电子产额与电子束入射角有关，正入射时产额比斜入射时低，入射角越大，二次电子产额越高。③二次电子的主要特点1）由于产额受入射角影响大，所以对试样表面状态敏感；2）在收集栅加正压时，具有翻越障碍，呈曲线进入探测器的能力；3）像的空间分辨率高（优于100Å）；4）二次电子产额与原子序数关系不大。２、背散射电子定义：由入射电子在试样内经过一次或几次大角度弹性散射或经过多次（几十或几百次）非弹性散射后离开试样表面的电子，称为弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子的特点：①因为具有较高的能量，因此可从试样的较深部位射出，能反映试样表面层内几个微米的特征形貌和某些材料不同相成分区域的轮廓。渗度为100Å~几个μ。②背散射电子的产额随原子序数增大而增多。4、俄歇电子（Auger）俄歇电子也属于特征能谱，它是法国科学家俄歇首先发现的，故命名。在入射电子激发下，若试样原子中某一电子（如K层电子）被电离，则空位便会由高能级电子（如L层电子）来填充，电子从高能级向低能级跃迁时，释放能量可能有两种方式：若以辐射方式，则产生特征X射线（Kα）；若原子核的序数较低，电子打到内层后激发的能量不大，不能引起辐射，则跃迁时使另一个电子（如L层中的另一电子）电离，则大于电离能的多余部分便成为该电子的动能，这种被二次电离的电子就称为“俄歇电子”。由于俄歇电子的能量极低，只有在表层约10Å范围内，产生的俄歇电子逸出表面后，能对俄歇峰有贡献。采用一种特殊的俄歇电子能谱仪，对俄歇电子收集并成像，可对试样作表面分析。同时，因为俄歇电子产生的几率随试样原子序数的减少而增加，因此特别适于作超轻元素的分析。5、透射电子在某些大型扫描电镜中，也可以将试样做得很薄，可对透射电子进行成像分析。6、X射线当高能入射电子轰击固体试样，就好像是一只X射线管，试样好比是阳极靶，受电子轰击后，能辐射出特征X谱线。某些大型扫描电镜同时配备有X射线光谱仪或X射线能谱仪。第八节扫描电镜样品制备和特点一、试样的制备①清洗②粘贴③喷镀（喷金）喷金的作用：1、减少试样表面电荷的沉积；2、增强二次电子的发射以提高成像衬度；3、加快散热，防止试样在电子束轰击下受热破坏。二、特点1、分辨率可达几十Å，放大倍数能达到10~30万倍。2、大景深，长焦深。因为焦距特别长（焦深大）（图像清晰可调范围的距离），因此图像的立体感强。特别适用于粗糙表面的观察和分析。3、大试样室，可以做一些动态试验（如：加热、拉伸等）。4、制样简便。