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第四章透射电子显微镜透射电子显微镜（简称透射电镜）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高辨率、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统（镜筒），电源和控制系统（包括电子枪高压电源，透镜电源，控制线路电源等）和真空系统三部分组成。镜筒是显微镜放大成像的核心部分，它的光学原理与透射型式的光学显微镜十分相似。透射电镜具有分辨率高（可以达到1Å）的特点，它能够在原子和分子尺度直接观察材料的内部结构；能方便地研究材料内部的相组成分布以及晶体中的位错、层错、晶界和空位团等缺陷，是研究材料微观组织结构的有力工具。透射电镜同时可实现电子衍射分析，如配置X射线能谱、电子能损谱还可测定微区成分。先认识一下透射电镜的图像准球形金纳米粒子的TEM图像金纳米线纳米金－二氧化钛核壳结构核壳结构Ru@Pt纳米粒子TEM图样品a、b的TEM图a纳米钛酸管，b管内铂颗料方块形的银纳米粒子银纳米线4.1透射电子成像透射电子显微镜用电子枪来获得电子束作照明源，发射电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚成很细的电子束照明样品。由于电子穿透能力弱，样品必须很薄，大约2nm左右。透过样品的电子束强度取决于样品微区的厚度、平均原子序数和晶体结构的差别，经过物镜聚焦放大后形成一幅反映样品微观特征的高分辨的透射电子像。4.2样品制备透射电镜需要的样品必须对电子束“透明”，因此样品的制备技术是透射电子显微镜研究微观结构的重要手段和前提。制备方法主要为复型技术，主要包括塑料一级复型、碳一级复型、塑料－碳二级复型、抽取复型、氧化物复型、支持膜和粉末样品制备等。（1）塑料一级复型这是最简单的一种表面复型，用预先配制好的塑料溶液在已浸蚀好的金相试样表面上直接浇铸而成。（2）碳一级复型碳一级复型又叫直接碳复型，它是在已制备好的试样表面上直接蒸发沉积碳膜制成。它克服了塑料一级复型分辨率较低和电子束照射下分解等缺点，具有分辨率高，稳定等优点。缺点是操作麻烦。(3)塑料－碳二级复型这是普遍使用的技术，它兼有塑料一级复型和碳一级复型的优点。上述三种均为表面复型，缺点是仅供观察分析材料的表面形貌，不能提供材料内部组织结构的资料。(4)抽取复型抽取复型又叫萃取复型，是利用一种薄膜，把经过深浸蚀的试样表面一些第二相粒子粘附下来，它在复型膜上的分布保持不变。所以抽取复型可以观察材料中第二相粒子的形状、大小、分布和物相。（5）氧化物复型铝及其合金可以利用其表面经阳极氧化生成的致密的三氧化二铝来制备复型，这叫做氧化物复型。（6）支持膜制备如果样品很薄或样品为粉末（颗粒），不能直接用样品铜网来承载，则需要在样品铜网上预先粘附一层连续的、很薄的支持膜（约0.2nm的厚度），把样品铜网孔复盖，保证粉末不从网孔上漏掉。使用的支持膜有塑料支持膜，塑料一碳支持膜和碳支持膜。粉末样品制备的成败关键取决于能否使其均匀分散到支持膜上，通常用超声波搅拌器搅拌成悬浮溶液，再滴到粘附有支持膜的样品铜网上，静止干燥后即可使用。4.3透射电镜的结构电镜一般是由电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。图10.1透射显微镜构造原理和光路4.3.1电子光学系统整个电子光学系统完全置于显微镜筒之内，自上而下顺序排列着：电子枪、聚光镜、试样室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、观察屏、照相机构等装置。其中:电子枪、聚光镜等组成照明部分；试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成成象部分；观察室、观察屏、照相装置（有的还设有电视装置）等组成显象部分；从结构上看，它非常类似于透射式光学显微镜，只不过用电子枪代替了可见光光源，用电磁透镜代替光学透镜，在涂有荧光粉的观察屏上成像，而不是在毛玻璃上成像。从光路图上看二者是十分类似，即从光源或电子枪发出的光线或电子束，被聚光镜会聚在所观察的试样上，通过物镜将试样成中间像，再经目镜或投影镜把像呈现在毛玻璃或观察屏上。4.3.1.1照明部分（1）阴极（灯丝，一般用0.03~0.1毫米的钨丝做成V或Y形状。在真空中通电加热，当温度达到2400℃时（约一安培电流），钨丝表面电子获得大于逸出功的能量便开始发射。温度愈高发射电子的数目愈多，注意温度应小于钨丝熔点。由于V或Y形钨丝尖端的温度最高，所以发射区域是钨丝尖端处很小的表面。目前分析电镜多备有六硼化镧低逸出功材料做的灯丝，以备需高亮度观察时使用。(2)阳极：从阴极发射出来的电子动能较小，远不能满足电镜成像的要求，必须给予加速以获得所需要的足够大的动能,中央带小孔的阳极板就是为此目的而设置。阳极板放置在阴极下面，小孔的中心对准钨丝的尖端，使电子获得越来越大的加速度，从而满足获得最大动能的要求。为了安全，一般是阳极板接地，阴极带有负高压。(3)控制极（栅极）：阳极对电子束不起会聚作用，而阴极发射出来的电子束较粗，尽管发射角较大的电子可以被阳极板挡住，但过分地缩小阳极板小孔，穿过阳极板小孔的电子势必然减少，从而降低像的亮度。此外，阳极小孔还能起发散透镜的作用，因此离开阳极后的电子束还要更粗些。控制极就是为了克服这种缺陷而加入的，它放置在阴极与阳极之间。依靠它比阴极更负的电位，使电子束强烈地会聚，从而大大抵消阳极板小孔的发散作用，使电子束以细束状态由阳极板小孔穿行而过。通过改变控制极电位的“电子束电流”旋钮，可控制电子束电流，以调节像的亮度。阴极、控制极和阳极共同决定电子的发射数目及动能，人们习惯上把它们统称为“电子枪”。(4)聚光镜：由于电子之间的库化排斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜就是为了克服这种缺陷而加入的。它有增强电子束密度和再一次将发散的电子束会聚起来的作用，从而使射到试样上的电子束截面变小，使电子束直径、强度和电子动能满足显微镜的要求。第一聚光镜是强透镜，具有较短的焦距。它的作用是缩小从电子枪来的电子束径，使之在第一聚光镜的后焦面上的直径为1微米或更小。第二聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距。它将第一聚光镜会聚成的电子束放大约二倍后投射到试样上。如果使第二聚光镜散焦（如进行电子衍射操作时），可减小照明孔径角，得到几乎平行光轴的照明电子束。为限制照明孔径角，还常在第二聚光镜下面径向插入光阑。为使照明束斑更圆，还在第二聚光镜外装有电磁式消像散器以消除聚光镜的像散。第二聚光镜之下装置的束偏转系统，其作用是使入射束倾斜照射试样，以获得中心暗场象或弱束象。如果电镜在此位置装的是双偏转扫描系统，使入射束既可倾斜照射试样，又可在试样上扫描，可以实现扫描电镜和透射电镜双重功能。4.3.1.2成象放大部分这部分由试样室、物镜、中间镜、投影镜等装置组成。试样台的移动是通过试样室外边的试样移动机械装置来完成的。为了防止镜筒内腔表面（特别是电子枪阴极附近）吸附水蒸气，试样室装有闸阀，使更换试样时无需破坏主体真空，还可提高工作效率。（1）试样室为把试样调到一个强反射位置，常需要将试样倾斜或旋转一个角度。立体观察时，为记录试样同一区域的位于光轴两侧相同位置上的图像，也需要将试样倾斜一定的角度，为此需设置试样倾斜旋转装置。在特殊情况下，试样室内可分别装设加热试样台、冷却试样台、形变试样台以对试样进行动力学和过程研究。（2）物镜物镜是电镜的最关键部分，其作用是：将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样像；将来自试样同一点不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微像，这实际是阿贝成像原理在电镜中的再现。先介绍阿贝成像原理：平行光束受到同期结构试样散射作用将试样结构信息显示出来，然后使衍射束通过干涉重新在象平面上形成反映试样特征的象。可见物镜是获得到第一幅具有一定分辨率、放大电子像的电子透镜。透射电镜分辨的好坏，很大程度上取决于物镜的优劣。物镜的最短焦距可达1毫米，理论分辨本领可达1Å，目前实际分辨本领已达到2Å。，为了减小物镜的球差和提高像的衬度，在物镜极靴进口表面和物镜后焦面上还各放光阑。前者是为防止物镜受到污染，称为物镜光阑；后者是为提高衬底而加入的，称为衬度光阑。衬度光阑让一部分电子通过，而挡住另一部分电子，对振幅衬度起了决定作用，也有人把它称之为物镜光阑。为了消除像散和其它像差，在物镜极靴附近还装有消像散器和防污染装置。透镜电镜往往使用双物镜加辅助透镜，试样置于上下物镜之间。上物镜起强聚光作用，调节进入试样前的电子束入射角；下物镜起成像放大作用。置于上物镜之上的辅助透镜是为进一步改善物镜场对称性而加入的。这种透镜组可进一步缩短焦距，降低像散，提高分辨率。为了收集入射束与试样作用而产生的含有试样表面形貌、元素分布等信息的二次电子、背散电子、X射线等信号，在上物镜上还装有相应的探测器。它们经过一系列转换可将所含信息显示在电视荧光屏上，或通过电传打字机显示在记录纸上。中间镜和投影镜（有的称为第一投影镜和第二投影镜）和物镜相似，但焦距较长。它们的作用是将来自物镜的电子象进行再放大，最后显示在观察屏上，得到高放大倍率的电子像。试样、物镜、中间镜、投影镜四者之间的相对位置是：试样放在物镜的物平面上（物镜的物平面接近物镜的前焦面），物镜的象平面是中间镜的物平面，中间镜的象平面是投影镜的物平面。物镜、中间镜、投影镜三者结合给出电镜的总放大倍率。中间镜除了起放大作用外，还起衍射的作用。这是因为通过减弱中间镜电流，增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，这样就可以把物镜后焦面上所形成的电子衍射花样投射到中间镜的像平面，即投影镜的物平面上，经放大显示出电子衍射花样。中间镜光阑又称限制视场光阑或先区光阑，它处于物镜的象平面上。光阑的大小和形状可进行调节，以达到限制和选择所需视场并进行选区衍射，不用时也可退出视场。现代高性能电镜一般都设有两个中间镜和两个投影镜。一般把第一个中间镜称为衍射镜，第二个叫做中间镜。第一个中间镜极靴较大，是个弱透镜，主要用于衍射成象或10万倍以下放大之用。第二个中间镜是较强透镜，用于10万倍以上成象。30万倍以上成象时，物镜、两个中间镜和两个投影镜同时起放大作用。低倍时，关掉物镜，第一个中间镜对试样进行第一次成像，这样因为物距加长，加之改变投影镜电流，总的放大倍率可在一千倍以下。4.3.1.3显像部分显像部分由观察屏和照相机组成。观察屏所在的空间称为观察室，由于观察屏是用荧光粉制成的，所以常称观察屏为荧光屏。观察屏和照相底板放在投影镜的像平面上，两者隔一段距离。由于电镜的焦深大，尽管观察屏和照相底板相距十几厘米，在观察屏上聚好焦后，将屏掀起，在照相底板上照象依然清晰。观察屏上的荧光粉能对电子感光，好的荧光粉感光度与所受照射的电子束强度成正比。通常所用的底板皆为电镜专用底板，X射线和光谱分析用的底板也可用作电镜照像。电镜要求底板分辨率高，约为100条线/毫米以上，以便进一步光学放大，充分发挥仪器的性能。在透射电镜中，在荧光屏之上还装有探测器，用来收集透射电子和散射电子，以形成扫描透射电镜的明场象和暗场象。在镜筒之下还装有电子能量分析仪它的作用是：衍射束经扫描线圈的偏转作用，逐个扫过入射光阑而进入电子能量分析仪。不同能量的电子在静电场或磁场作用下，产生不同程度的偏转而分散开来。再用能量选择光阑把不同能量损失的散射电子挑选出来，经探测器转换为电脉冲信号，经放大整理后显示在显像管的荧光屏上，或用x-y记录仪描绘下来。这样既可以把非弹性散射电子滤掉，得到背底低、清晰度高的电子衍射花样，又可进行电子能损谱分析，得出试样的微区化学成分。分析区域可小到100Å，这是电子探针所远不能及的，可用于研究细小沉淀颗粒及轻金属简单合金相界的成分变化。过去在热状态下研究沉淀、位错运动、晶粒长大等动态现象时，需要采用拍摄电影方法，将底片冲洗后才能看到结果。但往往由于曝光条件不合适，内容选择不当而失败。近代电镜弥补了这一缺陷，它们备有电视装置，这对动态研