电镜的近期发展

4.5电镜的近期发展电镜自1932年问世以来，经过半个世纪的发展，不但作为显微镜主要指标的分辨本领已由10nm(1939年第一台商用透射电镜)提高到0.1-0.3nm，可以直接分辨原子，并且还能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成的分析，成为全面评价固体微观特征的综合性仪器。电镜在材料科学中的应用可以说是经历了三个高潮：1）50-60年代的薄晶体中位错等晶体缺陷的衍衬像的观察；2）70年代极薄晶体的高分辨结构像及原子像的观察；3）80年代兴起的分析电镜的对纳米区域的固体材料，用X射线能谱或电子能量损失谱进行成分分析及用微束电子衍射进行结构分析。在此期间，人们还致力于发展超高压电镜、扫描透射电镜、环境电镜以及电镜的部件和附件等，以扩大电子显微分析的应用范围和提高其综合分析能力。4.5.2高分辨电镜高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高分辨像。这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的投影，因此又称为结构像(图4-86)加速电压为100kV或高于100kV的透射电镜(或扫描透射电镜)，只要其分辨本领足够的高，在适当的条件下，就可以得到结构像或单原子像。从用100kV、500kV和1000kV电镜所观察到的原子排列很接近理论预言的情况，也和X射线、电子衍射分析结果相近。图4.86硅[110]晶向的结构像结构像的衬度-SEM像衬之三—位相衬度在SEM质厚衬度成像时，一般是用物镜光阑挡掉散射光束，使透射束产生衬度。但在极薄(如60nm)样品条件下或观察单个原子时，它们不同部位的散射差别很小，或者说样品各点散射后的电子差不多都通过所设计的光阑，这时就看不到样品各部位电子透过的数目差别，即看不到质厚衬度。但在这时，散射后的电子其能量会有10-20eV的变化，这相当于光束波长的改变，从而产生位相差别。如图4.87是一个行波图，本应为T波，现在变成了I波，两者之间的位相角差一个△φ，但两者的振幅应相当或近似相等，只是差一个散射波S，它和I波的位相差π/2，在无像差的理想透镜中，S波和I波在像平面上，可以无像差的再迭加成像，所得结果振幅和T一样，我们不会看到振幅的差别，如图4.88(a)。图4.87行波图但如果使S波改变的位相，那么如图4.88(b)所示，就会看到振幅I+S与T的不同，这种形成的衬度就叫做位相衬度。在透射电镜中，球差和欠焦都可以使S波的位相改变，从而形成位相衬度。图4.88复振幅图实际上，透射电镜的像衬度，一般来说是质厚衬度和位相衬度综合的结果。对于厚样品来说，质厚衬度是主要的；对于薄样品来说，位相衬度则占主导地位。以位相衬度形成的单原子像或结构像的观测标志着电镜已得到了重大发展。在大分子中有意识地引进重原子，用高分辨电镜直接观察和拍摄照片，根据重原子所占据的位置就可以得到大分子的结构信息；另外，观察晶体的原子结构像及其缺陷，就能把材料的宏观性质与其微观结构直接联系起来，从而使人们的视野扩展到分子和原子的水平。4.5.3超高压电镜一般将加速电压大于500kV的色SEM称为超高压电镜。现世界上已出现3000kV的超高压电镜。(1)可观察较厚的样品。提高加速电压，亦即提高了电子的穿透能力，可以在观察较厚样品时也能达到很高的分辨本领(超高压电镜的分辨本领目前已达到甚至超过了100kV电镜的水平)。这使利用SEM观察无机非金属材料图4.891MV超高压电镜下观察到的玻璃纤维（直径约5μm）的暗场像(2)可观察“活”样品或含水样品。具体做法是用一个环境室代替普通样品台。前者是一个薄壁容器，一侧可通大气。超高压电镜的电子束能量大，所以能穿透环境室的两道薄壁和样品而成像。这样，人们可以随时观察该样品的水化情况。(3)可提高暗场像的质量。超高压电镜中衍射束和光轴的夹角很小，当移动物镜光阑使衍射束通过以获得暗场像时，成像束的像差比在100kV的情况下要小得多，所以能4.5.4扫描透射电镜扫描透射电镜是综合了扫描电镜和透射电镜的原理和特点而出现的一种新型电镜。它能够分别检测弹性散射、非弹性散射和未经散射的电子。弹性散射电子是大角度散射，大部分将被能量分析器入口处光阑(或弹性散射电子检测器)所截获，经放大送入显像管栅极；非弹性散射电子是小角度散射，但有能量损失(约50eV)，进入环形能量分析器(静电式或磁式)后，沿较小的曲率半径运动；而未经散射电子能量较高，进入环形能量分析器后，沿较大的曲率半径运动。上述三种信号可以同时分别记录和显示。如果利用弹性散射和非弹性散射电子的强度差，形成一幅组合图像可以直接显示单个重原子或原子排列(即高分辨像)。(1)入射电子与样品原子的非弹性散射作用将导致能量的损失。这在普通成像时，由于成像透镜在样品之后，不同能量的透射电子通过透镜后将产生色差。一般说，样品厚度越大，透射电子的能量变化范围越大，色差也就越大，图像质量下降。而在扫描透射成像时，透镜在样品之前不参与成像，不同能量的透射电子直接被检测器所接收，不存在色差问题。在同样的加速电压条件下，扫描透射成像方式可用来分析比普通透射成像厚一些的样品。(2)在扫描透射成像过程中，光电倍增管实际上起着像增强器的作用，检测到的透射电子信号还可以用电子学线路进一步处理，以提高图像的衬度和亮度，缩短照相曝光时间。所以，衬度较差的样品用扫描透射成像比较合适。(3)因在样品下装有一套能量分析器，所以扫描透射电镜可以获得更多电子束与样品相互作用的信息。4.5.5分析电镜任何一种电镜加上能做元素分析的附件就称为分析电镜，如透射电镜或扫描透射电镜加X射线能谱仪或者能量损失谱仪，甚至有人将带有波谱仪或能谱仪的扫描电镜也称为分析电镜。另外，在电镜的发展过程中，人们还致力于发展电镜的各种附件，仅样品台一项就近十种，譬如有拉伸、高温、低温、压缩、弯曲、压痕以及切削等样品台。将这些样品台装在电镜中，就可以将材料表面结构的显微研究与在加载、变温条件下材料的宏观性能测试结合起来，为材料的强度与断裂的基本理论和应用研究展现出令人鼓舞的前景。4.5.6低真空扫描电镜(含环境扫描电镜)用扫描电镜观察非导体的表面形貌，以往需将试样首先进行干燥处理，然后在其表面上喷镀导电层，以消除样品上的堆积电子。由于导电层很薄，所以样品表面的形貌细节无大损伤。但导电层毕竟改变了样品表面的化学组成和晶体结构，使这两种信息的反差减弱；而且干燥常引起脆弱材料微观结构的变化。更重要的是干燥终止了材料的正常反应，使反应动力学观察不能连续进行。为了克服这些缺点，低真空扫描电镜应运而生。低真空扫描电镜包括环境扫描电镜(后者缩写为ESEM)。低真空扫描电镜是指其样品室外于低真空状态下，气压可接近3kPa。它的成像原理基本上与普通扫描电镜一样，只不过普通扫描电镜样品上的电子由导电层引走；而低真空扫描电镜样品上的电子被样品室内的残余气体离子中和，因而即使样品不导电也不会出现充电现象。低真空扫描电镜的机械构造除样品室的真空系统和光栏外，与普通扫描电镜基本上是一样的。所以它的工作原理除样品室内的电离平衡外，也和普通扫描电镜相差无几。低低真空扫描电镜既可在低真空下工作，也可在高真空下工作。带有场离子发射电子枪的环境扫描电镜在低真空下的分辨本领已达到普通扫描电镜高真空下操作时的水平。(1)可在气相或液相存在的环境中观察样品，避免干燥损伤和真空损伤(2)可连续观察材料反应动力学过程