透射电子显微镜-TEM复习课程

透射电子显微镜-TEMTransmissionelectronmicroscope内容简介结构原理样品制备透射电子显微像选区电子衍射分析透射电子显微镜-TEMTEM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。为什么采用电子束而不用自然光？显微镜的分辨率自然光与电子束的波长有效放大倍数显微镜的分辨率为波长为折射率，数值孔径，为孔径角的一半，nNAnNANAdsin,61.0通常人眼的分辨本领大概是0.2mm（即人眼可分辨的两点间最小距离为0.2mm）显微镜可分辨的两点间的最小距离，即为显微镜的分辨率自然光与电子束的波长可见光的波长在390～760nm电子波长：取V=100kV，理论得到电子波长为0.0037nmsin,61.0nNANAd对于采用物镜的孔径角接近90度考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微镜系统，可得d约为200nm对于TEM在100kV加速电压下，波长0.0037nm，d约为0.002nm，目前电子显微镜达不到其理论极限分辨率，最小分辨率达到0.1nm有效放大倍数光学显微镜必须提供足够的放大倍数，把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相应的放大倍数叫做有效放大倍数，它可由下式来确定：显微镜分辨本领人眼分辨本领为显微镜放大倍数00,rrMrrMee有效放大倍数）光学显微镜分辨率（）人眼的分辨率（nm200mm2.0透射电镜的有效放大倍数）（透射电子显微镜分辨率）人眼的分辨率（nm1.0mm2.0光学显微镜的有效放大倍数由上面公式可以直接得出，光学显微镜的有效放大倍数远小于透射电镜。为什么采用电子束做为光源?结论：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。电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高一千倍左右，可以达到2Å的水平，使观察物质纳米级微观结构成为可能。分析型透射电子显微镜透射电子显微镜结构原理电子光学系统真空系统操作控制系统电子光学系统照明系统成像系统观察记录系统照明系统作用是提供光源（控制其稳定度、照明强度和照明孔径角）；选择照明方式（明场或暗场成像）。阴极控制极阳极电子束聚光镜试样（1）阴极电子源：1.钨灯丝—热发射束流密度~10A/cm2束斑大小~4nm2.场发射源束流密度105A/cm2束斑大小1nm常用肖特基源（2）阳极加速从阴极发射出的电子。为了操作安全，一般是阳极接地，阴极带有负高压。-50~200kV（3）控制极会聚电子束；控制电子束电流大小，调节像的亮度。阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，习惯通称为“电子枪”。电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮度、图像稳定度和穿透样品的能力。(4)聚光镜由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极后，逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜有增强电子束密度和再次将发散的电子会聚起来的作用。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。(4)聚光镜高性能TEM采用双聚光镜系统，提高照明效果。成像系统照明系统成像系统观察记录系统（1）物镜物镜是将试样形成一次放大像和衍射谱。决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。放大倍数较高，一般为100～300倍。目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。（2）中间镜中间镜是弱磁透镜，它的功能是把物镜形成的一次中间像或衍射谱投射到投影镜物面上，再由投射镜放大到终平面（荧光屏）。弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。在电镜中变倍率的中间镜控制总放大倍率，用M表示放大倍率，它等于成像系统各透镜放大率的乘积，即：需要提及的一点是：增加中间镜的数量，可以增加放大倍数；但当达到显微镜有效放大倍数时，再增加中间镜的数量已是徒劳的；因为此时显微镜所能提供的分辨率已经达到极限，纵使继续放大，也无法分辨出更紧密的两点。PIMMMM0（3）投影镜投影镜的功能是把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上，成为试样最终放大图像及衍射谱。它和物镜一样是短焦距强磁透镜。但是对投影镜精度的要求不像物镜那么严格，因为它只是把物镜形成的像做第三次放大。具有很大的场深和焦深.场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。成像系统成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。（a）调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，此时背焦面上形成的衍射斑点就会被中间镜进一步放大，并经过投影镜投影到荧光屏上得到衍射花样。（b）由于物镜成像在中间镜以前，因此中间镜以物镜像为物，所成图像在投影镜前汇聚，投影镜以中间镜像为物进行投影。成像系统材料研究中，希望弄清很小区域的结构和形貌，既要观察其显微像（形貌），又要得到其衍射花样（分析结构）。衍射状态与成像状态的变换是通过改变中间镜的激磁电流实现的。先观察显微像，再转换到衍射花样。成像系统透射束像平面→一次显微像电子→样品物镜衍射束背焦面→第一级衍射花样像平面显微像调整中间镜I使物平面与物镜重合→投影镜→荧光屏背焦面衍射花样电子光学系统照明系统成像系统观察记录系统观察纪录系统这部分的主要作用是提供获取信息，一般由荧光屏，照相机，数据显示等组成真空系统由机械泵，扩散泵，控制阀门和仪表组成，它的作用是：避免电子和气体分子相遇，防止干扰减小样品污染延长灯丝寿命操作控制系统提供透镜组件线圈的电流电压保证电流电压稳定，防止因电压波动引起色差，从而影响分辨率提供各种操作模式的选择和切换提供系统的预警和自动保护装置透射电子显微镜样品制备TEM应用的深度和广度一定程度上取决于试样制备技术。能否充分发挥电镜的作用，样品的制备是关键，必须根据不同仪器的要求和试样的特征选择适当的制备方法。电子束穿透固体样品的能力，主要取决于电压V和样品物质的原子序数Z。一般V越高，Z越低，电子束可以穿透的样品厚度越大。透射电子显微镜样品制备制样要求：a.对于TEM常用的50～200kV电子束，样品厚度控制在100～200nm，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行观察。b.制样过程要防止污染和改变样品的性质，如机械损伤或热损伤等；c.根据观察的目的和样品的性质，确定制样方法。透射电子显微镜样品制备制样方法a.粉末法b.化学减薄法c.双喷电解减薄法d.离子减薄法e.复型法透射电子显微镜样品制备粉末法1.主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及溶液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在1μm以下。2.制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察外，还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。透射电子显微镜样品制备制样步骤：a.将样品捣碎；b.将粉末投入液体，用超声波振动成悬浮液，液体可以是水，甘油，酒精等，根据试样粉末性质而定；c.观察时，将悬浮液滴于附有支持膜的铜网上，待液体挥发后即可观察。透射电子显微镜样品制备化学减薄法1.此法是利用化学溶液对物质的溶解作用达到减薄样品的目的。2.通常采用硝酸，盐酸，氢氟酸等强酸作为化学减薄液，因而样品的减薄速度相当快。透射电子显微镜样品制备制样步骤：a.将样品切片，边缘涂以耐酸漆，防止边缘因溶解较快而使薄片面积变小；b.薄片洗涤，去除油污，洗涤液可为酒精，丙酮等；c.将样品悬浮在化学减薄液中减薄；d.检查样品厚度，旋转样品角度，进行多次减薄直至达到理想厚度，清洗。透射电子显微镜样品制备化学减薄法的缺点：1.减薄液与样品反应，会发热甚至冒烟；2.减薄速度难以控制；3.不适于溶解度相差较大的混合物样品。透射电子显微镜样品制备双喷电解减薄法1.此法是通过电解液对金属样品的腐蚀，达到减薄目的。2.减薄步骤：a.用化学减薄机或机械研磨，制成薄片，并冲成3mm直径的圆片，抛光；b.将样品放入减薄仪，接通电源；c.样品穿孔后，光导控制系统会自动切断电源，并发出警报。此时应关闭电源，马上冲洗样品，减小腐蚀和污染。透射电子显微镜样品制备双喷电解减薄法缺点：只适用于金属导体，对于不导电的样品无能为力。透射电子显微镜样品制备离子减薄法1.用高能量的氩离子流轰击样品，使其表面原子不断剥离，达到减薄的目的。2.主要用于非金属块状样品，如陶瓷，矿物材料等。透射电子显微镜样品制备a.将样品手工或机械打磨到30~50μm。b.用环氧树脂将铜网粘在样品上，用镊子将大于铜网四周的样品切掉。c.将样品放减薄器中减薄，减薄时工作电压为5kV，电流为0.1mA，样品倾角为15°d.样品穿孔后，孔洞周围的厚度可满足电镜对样品的观察需要。e.非金属导电性差，观察前对样品进行喷碳处理，防止电荷积累。制样步骤：透射电子显微镜样品制备离子减薄法优点：易于控制，可以提供大面积的薄区。缺点：速度慢，减薄一个样品需十几个小时到几十个小时。透射电子显微镜样品制备复型法a.对物体表面特征进行复制的一种制样方法。b.目的在于将物体表面的凹凸起伏转换为复型材料的厚度差异，然后在电镜下观察，设法使这种差异转换为透射电子显微像的衬度高低。c.表面显微组织浮雕的复型膜，只能进行形貌观察和研究，不能研究试样的成分分布和内部结构。d.同一试块，方法不同，得到复型像和像的强度分布差别很大，应根据选用的方法正确解释图像。透射电子显微镜样品制备复型材料要求a.复型材料本身在电镜中不显示结构，应为非晶物质。b.有一定的强度和硬度，便于成型及保存，且不易损坏。c.有良好的导电性和导热性，在电子束的照射下性质稳定。透射电子显微镜样品制备复型类型1.塑料一级复型2.碳一级复型3.塑料-碳二级复型4.抽取复型透射电子显微镜样品制备分辨率1－2nm，电子束照射下易分解和破裂。塑料一级复型样品上滴浓度为1%的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜。印模表面与样品表面特征相反。透射电子显微镜样品制备碳一级复型样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。优点：图像分辨率高2－5nm，导电导热性能好,电子束照下稳定缺点：很难将碳膜从样品上剥离透射电子显微镜样品制备塑料-碳二级复型先用塑料做一级复型，以它为模型做碳的复型。用试剂溶去一级复型，经过两次复制的复型称二级复型。为了增加衬度可在倾斜15-45°的方向上喷镀一层重金属，如Cr、Au等。二级复型照片二级复型照片透射电子显微镜样品制备抽取复型又称萃取复型，用碳膜把经过深度侵蚀试样表面的第二相粒子（如杂质）黏附下来。在透镜下可观察第二相粒子形状，大小，分布及其与样品组织结构的关系。透射电子显微像透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强度分布的记录，由于电子与物质相互作用，透射强度会不均匀分布，这种现象称为衬度，所得的像称为衬度像。透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分为：质厚衬度：非晶样品衬度的主要来源衍射衬度：晶体样品衬度的主要来源振幅衬度相位衬度：仅适于很薄的晶体试样(≈100Å)质厚衬度质厚衬度（又称吸收衬度）：由于试样的质量和厚度不同，各部分与入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质厚衬度。质厚衬度是非晶体样品衬度的主要来源，它所反映的，更多是物体表面特性和形貌特征。是样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的。来源于电子的非相干散射，Z越高，产生散射的比例越大；d增加，将发生更多的散射。质厚衬度不同微区Z和d的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子I有差别，形成像的衬度。Z