电子显微镜

电子显微镜一、透射电子显微镜（1）透射电子显微镜工作原理透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜类似。它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的分辨率的同时兼有结构分析的功能。（2）透射电子显微镜构造透射电镜的光路图电子光学系统电子显微镜的电子光学系统的核心是磁透镜。电子光学系统是一个透镜组。上端是电子枪部分，下端是观察和照相部分，中间则为成像系统和样品室。照明系统由电子枪和第一聚光镜、第二聚光镜组成。它的作用是提供一个亮度高、尺寸小的电子束。电子束的亮度取决于电子枪，电子束直径的尺寸则取决于聚光镜。电子枪又分为阴极灯丝、栅极、加速阳极三部分，是电镜的照明光源。灯丝通过电流后发射出电子，栅极电压比灯丝负几百伏，作用是使电子会聚，改变栅压可以改变电子束尺寸。加速阳极系统具有比灯丝高数十万伏的高压，其作用是使电子加速，从而形成一个高速运动的电子束。聚光镜是使电子束聚焦到所观察的试样上，通过改变聚光镜的激磁电流，可以改变聚光镜的磁场强度，从而控制照明强度及照明孔径角大小。样品室在照明系统下面，放置被观察样品，并使样品沿x、y、z方向移动。样品室下面是成像系统。它是由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是电镜的重要部分，它的作用是形成样品的第一级放大像，并对像进行聚焦。物镜中还有一个可变光阑和物镜消像散器，其作用是减少物镜像散，提高分辨本领。物镜所产生的任何缺陷都将被随后的中间镜和投影镜放大，所以透射电镜分辨本领的高低主要取决于物镜。通常用强磁透镜作为物镜，其放大率为100～200倍。中间镜的作用是把物镜形成的第一级放大像再进行二级放大。中间镜一般用弱磁透镜，要求电流的可调范围比较大。改变中间镜的激磁电流可以改变中间镜磁场强度，从而改变中间镜的放大倍数，进而改变整个成像系统总的放大倍数。投影镜的作用是把上述所形成的电子图象进一步放大并投影到荧光屏上。要求荧光屏有较高的放大倍数，一般用强磁透镜。设物镜的放大倍数为M0，中间镜的放大倍数为M1，投影镜的放大倍数为Mp，这时成像系统的总的放大系数M为：M=M0M1Mp在电镜的设计、制造中，采用改变中间镜的放大倍数来改变总的放大倍数。（3）透射电镜分辨率与放大倍数分辨率点光源通过理想透镜（无像差）成像后，不能得到一个完整的点像，而是得到一个具有一定尺寸中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的所谓埃利斑（Airy）。通常埃利斑的大小以第一暗环的半径r表示。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的埃利斑半径r的表达式为：式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n是物方介质折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。MnRsin61.0分辨本领孔径越大，分辨率越高。孔径角越大，收集的信息越多，得到的图像越少受衍射的影响，越接近点像。波长越短，分辨率越高。电子波长取决于加速电压V：人眼睛的分辨本领0.1~0.2mm光学显微镜的分辨本领200nm电子显微镜0.1~0.2nmV226.1sin61.0/nMRr放大倍数电镜最大的放大倍数等于肉眼分辨率（约0.2mm）除以电镜的分辨率0.2nm，因而在106数量级上。（4）透射电子显微镜图像的衬度原理每张电子显微镜照片都是用明暗不同而形成像的。当电子束通过薄样品时，由于电子与试样的相互作用，电子通过样品后即发生电子散射、电子衍射和干涉等物理过程。用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄，避免样品被吸收。电子显微镜照片的反差即衬度，有散射衬度、衍射衬度和相位衬度三种。①散射衬度由于样品对入射电子的散射而引起的。它是非晶态物质形成衬度的主要原因。散射衬度的形成②衍射衬度这是样品对电子的衍射引起的，是晶体样品的主要衬度。衍射衬度形成示意图③位相衬度由于散射波和入射波在像平面上干涉而引起的衬度。是超薄样品和高分辨像的衬度来源。（5）透射电子显微镜的样品制备①金属载网和支持膜支持膜应具有良好的电子透明性，能经受电子轰击，并有较高的热稳定性和化学稳定性，一般采用聚乙烯醇缩甲醛、硝酸纤维素、聚乙烯醇和醋酸纤维素的溶液在蒸馏水表面成膜。近来常用的是蒸镀一层20nm厚的碳膜。因为碳的原子序数低，碳膜对电子束的透明度高，又耐电子轰击，其强度、导电、导热和迁移性均很好。②超薄切片技术用超薄切片机可获得50nm左右的薄试样。如果要用透射电子显微镜研究大块聚合物样品的内部结构，可采用此法制样。纤维、薄膜、颗粒状或小块试样，须用树脂包埋后进行超薄切片。常用的包埋剂有邻苯二甲酸二丙烯酯、甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸丁酯的混合单体及环氧树脂等。经包埋后再切片，就不会切削过程而使超微结构发生变形。一般来说，由超薄切片得到的试样还不能直接用来进行透射电镜的观察。因为其衬度较低，需要通过染色或蚀刻的方法来改善切片试样的图像衬度。但不要采用投影的方法，因为切片的表面总有刀痕，投影以后会引入假象。分散聚四氟乙烯粉粒的超薄切片像③蚀刻蚀刻的目的是除去一部分结构，从而可以突出需要的结构。蚀刻方法主要有三种：溶剂蚀刻、酸蚀刻和等离子蚀刻。溶剂蚀刻是靠溶剂的溶解除去易溶性分子；酸蚀刻是用强酸选择性氧化某一相，使高分子断裂为碎片而被除去；等离子或离子蚀刻是用等离子或离子带电体攻击聚合物表面，除去表面的原子或分子，由于除去速度的差异而产生相之间的反差。125℃结晶的等规聚丙烯薄膜的蚀刻表面的复型照片④投影利用真空镀膜的方法把重金属以一定的角度沉积到试样表面上去当试样表面存在凹凸起伏的表面形貌时，面向蒸发源的区域沉积上一层重金属，而背向蒸发源的区域会凸出部分挡掉，沉积不上重金属，从而形成对电子束透明的“阴影区”，使图像反差大增，立体感加强。⑤染色所谓染色处理实质上就是用一种含重金属的试剂对试样中的某一个相或某一组分进行选择性的化学处理，使其结合上或吸附上重金属，而另一部分则没有，从而导致它们对电子的散射能力的明显差异。SBS嵌段共聚物挤出条横截面超薄切片的电子显微像（OsO4）染色1）OsO4染色，可染-C=C-双键、-OH基、-NH2基。其染色反应是：2）RuO4染色：克服了OSO4染色的局限性。对大部分聚合物都能染色，对PVC、PMMA、PAN、PVF不能染色。对不同的聚合物的染色速率不同。用2%RuO4水溶液熏15~40min。⑥冷冻脆断除了切片以外，块状聚合物样品的内部结构还可以通过冷冻脆断的方法来显示。具体做法是先将样品在液氮或液态空气中浸泡一段时间，待液氮表面不再有气泡时，表明样品内外均已冷冻到液氮温度。这时将样品取出，迅速折断。折断后如果表面粗糙，可用扫描电镜观察。如果表面不太粗糙，也不能直接放入透射电镜中观察。只能先复型，后观察。⑦复型先将试样的一个表面打磨抛光，形成平整的表面，选择适当的蚀镂剂将试样表面侵蚀，再用适当的方法将蚀镂过的表面复制下来，复制物作透射电镜观测，从而了解试样的形态结构。1）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。分辨率低（10－20nm），电子束照射下易分解和破裂。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。把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离。分辨率高（2－5nm），电子束照射下不易分解和破裂，样品易遭到破坏。2）二级复型先一次复型，然后进行二次碳复型，把一次复型溶去，得到第二次复型。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。塑料-碳二级复型塑料-碳二级复型结合两种一级复型的优点。不破坏样品原始表面；最终复型碳膜，稳定性和导电导热性都很好，电子束照射下不易分解和破裂；分辨率和塑料一级复型相当。适于粗糙表面和断口的复型。二级复型照片（6）透射电子显微镜的应用1）结晶性高分子(a)PE单晶的电子显微像（a）和电子衍射谱（b）0.01%的PE二甲苯稀溶液，80℃β型古塔胶单链单晶的形态及电子衍射图PEO球晶PE球晶PE串晶尼龙66树枝晶2）多相高分子体系①共混物高抗冲尼龙的相结构（a）相差显微镜照片（450x）；（b）TEM照片（5140x）；（c）TEM照片（5790x）TEM切片样品都经RuO4蒸汽染色橡胶组分形成连续相，尼龙为分散相②嵌段共聚物的结构形态ab－1b－2苯乙烯与异戊二烯、苯乙烯与丁二烯嵌段共聚，按共组分含量不同，可形成球状、柱状、层状等各种聚集态。图a为球状形态，图b－1为双螺旋形态图b－2为年轮型层状形态。3）高分子乳液颗粒形态PMMA/SPS乳液粒子的TEM照片三、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope-SEM）是以类似电视摄影显像的方式，通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。扫描电子显微镜以较高的分辨率（3.5nm）和很大的景深清晰地显示粗糙样品的表面形貌，并以多种方式给出微区成份等信息，用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理，以及其它方面的应用。（1）电子束与固体样品相互作用时产生的信号具有高能量的入射电子束与固体样品表面的原子核及核外电子发生作用，产生如下物理信号。入射电子束轰击样品产生的信息①背散射电子（backscatteringelectron)—背散射电子是指被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子。②二次电子(secondaryelectron)—在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。它是一种真空自由电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此，外层的电子较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子。其中90%来自于外层价电子。③吸收电子(absorptionelectron)—入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽，最后被样品吸收。④透射电子(transmissionelectron)—如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。⑤俄歇电子(Augerelectron)—如果原子内层电子在能级跃迁过程中释放出来的能量ΔE并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层的另一个电子发射出去（或空位层的外层电子发射出去），这一个被电离的电子称为俄歇电子。每种原子都有自己的特定壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值。⑥特征X射线(characteristicX-ray)—指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。特征X射线的波长和原子序数间的关系服从莫塞莱定律。Z—原子序数，K、σ—常数原子序数和特征能量，特征波长之间有对应关系，据此可进行成分分析。2ZK（2）扫描电子显微镜的成像原理由电子枪发射的能量最高可达30keV的电子束，经会聚镜和物镜缩小、聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上将按一定时间空间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品表面之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用，可将各方向发射的二次电子汇集起来，再经加速极加速射到闪烁体转变成光信号，经过光导管到达光电倍增管，使光信号再转变成电信号。这个信号又经视频放大器放大，并将其输出送至显象管的栅极，调制显象管的亮度。因而在荧光屏上便呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面起伏程度（形貌）的二次电子像。扫描电镜成像过程示意图入射电子束在样品上的扫描和显象管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的，这样就保证了入射电子束的扫描和显象管中电子束的扫描完全同步，保证了样品