透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡電子束與固體樣品的相互作用具有高能量的入射電子束與固體樣品的原子核及核外電子發(fā)生作用后，可產(chǎn)生多種物理信號(hào)。

電子束和固體樣品表面作用時(shí)的物理現(xiàn)象一、背射電子彈性背反射電子是指被樣品中原子和反彈回來(lái)的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數(shù)千到數(shù)萬(wàn)電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。背反射電子的產(chǎn)生范圍在100nm-1mm深度電子束在試樣中的散射示意圖背反射電子產(chǎn)額和二次電子產(chǎn)額與原子序束的關(guān)系背反射電子束成像分辨率一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當(dāng)）。背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號(hào)不僅能分析新貌特征，也可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，定性進(jìn)行成分分析。二、二次電子二次電子是指背入射電子轟擊出來(lái)的核外電子。由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。二次電子來(lái)自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到1nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它主要取決與表面形貌。三、特征X射線

特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。X射線一般在試樣的500nm-5mm深處發(fā)出。四、俄俄歇歇電子子如果原原子內(nèi)內(nèi)層電電子能能級(jí)躍躍遷過(guò)過(guò)程中中釋放放出來(lái)來(lái)的能能量不不是以以X射線的的形式式釋放放而是是用該該能量量將核核外另另一電電子打打出，，脫離離原子子變?yōu)闉槎未坞娮幼?，這這種二二次電電子叫叫做俄俄歇電電子。。因每一一種原原子都都由自自己特特定的的殼層層能量量，所所以它它們的的俄歇歇電子子能量量也各各有特特征值值，能能量在在50-1500eV范圍內(nèi)。。俄歇歇電子是是由試樣樣表面極極有限的的幾個(gè)原原子層中中發(fā)出的的，這說(shuō)說(shuō)明俄歇歇電子信信號(hào)適用用與表層層化學(xué)成成分分析析。顯微鏡的的歷史大約在400年前（1590年），由由荷蘭科科學(xué)家楊楊森和后后來(lái)的博博物學(xué)家家列文虎虎克發(fā)明明和完善善的顯微微鏡，向向人們揭揭示了一一個(gè)陌生生的微觀觀世界，，他們是是開辟人人類顯微微分析的的始祖。。早期的顯顯微鏡因?yàn)樵缙谄诘娘@微微鏡以玻玻璃鏡片片做透鏡鏡，使用用可見光光為光源源，所以以人們把把它稱為為光學(xué)顯顯微鏡?！，F(xiàn)在，，最好的的光學(xué)顯顯微鏡可可以達(dá)到到1500倍的放大大倍數(shù)?！，F(xiàn)代的光學(xué)顯微微鏡在光學(xué)顯顯微鏡的的完善和和發(fā)展過(guò)過(guò)程中，，人們發(fā)發(fā)現(xiàn)：不不管如何何完善光光學(xué)顯微微鏡的透透鏡和結(jié)結(jié)構(gòu)，其其放大倍倍數(shù)和分分辨率總總是被限限定在1000多倍和幾幾百納米米的水平平，不可可能再有有所新的的突破。。后來(lái)，人人們終于于發(fā)現(xiàn)：：是顯微鏡所所使用的的光源限制制了光學(xué)顯微微鏡的放放大倍數(shù)數(shù)和分辨辨率的進(jìn)進(jìn)一步發(fā)發(fā)展。因因?yàn)椋煽梢姽獾牡牟ㄩL(zhǎng)在在390納米到760納米之間間，而顯顯微鏡的的分辨率率最多也也只能是是其所使使用光源源的半波波長(zhǎng)的大大小，所所以光學(xué)學(xué)顯微鏡鏡的理論論極限分分辨本領(lǐng)領(lǐng)也就在在200納米左右右。光的本質(zhì)質(zhì)光具有波波粒兩像像性，其其中波長(zhǎng)長(zhǎng)是光的的特性之之一。隨隨著科學(xué)學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，，人們對(duì)對(duì)于光有有了深入入的認(rèn)識(shí)識(shí)。人們們知道了了電磁波波，紅外外線和X射線等等等和普普通的可可見光一一樣都是是光的一一種，它它們都具具有光的的一般性性質(zhì)，只只不過(guò)它它們的波波長(zhǎng)有所所不同。。關(guān)于顯微學(xué)的的一些基基本概念念分辨率放大倍數(shù)數(shù)與空放放大聚焦，欠欠焦與過(guò)過(guò)焦景深什么是分分辨率？？簡(jiǎn)單地說(shuō)說(shuō)，分辨辨率就是是能夠把把兩個(gè)點(diǎn)點(diǎn)分辨開開的最小小距離。。人眼睛的的分辨率率大約為為0.1個(gè)毫米。。所以，要要想看清清比0.1個(gè)毫米還還小的東東西，就就要借助助于放大大鏡和顯顯微鏡。。即利用用顯微鏡鏡把所要要觀察的的物體至至少放大大到0.1個(gè)毫米以以上，我我們才能能看清它它。不同波長(zhǎng)長(zhǎng)光源分分辨本領(lǐng)領(lǐng)的比較較點(diǎn)分辨的的比較示示意圖放大與空空放大定義：對(duì)對(duì)于某一一顯微鏡而而言，在在其可分分辨能力力之內(nèi)的的圖像放放大，叫叫做有效效放大。。此時(shí)的的圖像放放大不失失圖像表表面的細(xì)細(xì)節(jié)。而在顯微微鏡分辨辨能力以以外的圖圖像放大大，叫做做空放大，，也叫做做無(wú)效放大大。空放大只只是放大大了圖像像的輪廓廓，而不不能放大大和分辨辨圖像表面面的細(xì)節(jié)節(jié)?？辗糯蟮牡氖疽鈭D圖聚焦和景景深的概概念聚焦：簡(jiǎn)簡(jiǎn)單地說(shuō)說(shuō)就是讓讓圖像最最清楚。。在理論論上講，，就是讓讓成像在在透鏡的的焦點(diǎn)上上。欠焦：就就是成像像還未達(dá)達(dá)到焦點(diǎn)點(diǎn)。過(guò)焦：就就是成像像已超過(guò)過(guò)了焦點(diǎn)點(diǎn)。景深：就就是在焦焦點(diǎn)附近近能看清清圖像的的余量。。一般在在低倍率率下景深深較大，，在高倍倍率下景景深變小小。光學(xué)焦距距圖小光圈(f是大值)，大景深深大光圈（（f?。【熬吧罴热皇枪夤庠聪拗浦屏孙@微鏡的的放大倍倍數(shù)和分分辨率的的發(fā)展，，人們自然然會(huì)想到到：要想想提高顯微鏡的的放大倍倍數(shù)和分分辨率，，就應(yīng)該該更換波波長(zhǎng)更短短的光源源。隨著著人們對(duì)對(duì)電磁波波的認(rèn)識(shí)識(shí)，人們們了解到到：在一一定的電電壓下電電子束的的波長(zhǎng)可可以達(dá)到到零點(diǎn)幾幾個(gè)納米米，使用用電子束束做為光光源，顯顯微鏡的的分辨率率就可能能提高幾幾個(gè)數(shù)量量級(jí)。電子顯微微鏡的產(chǎn)產(chǎn)生電磁透鏡鏡研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：靜電電磁場(chǎng)可可以使電電子的運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向向發(fā)生改改變，對(duì)對(duì)稱的靜靜電磁場(chǎng)場(chǎng)可以像像玻璃聚聚焦光線線那樣把把電子束束匯聚成成一點(diǎn)，，這使得得用電子子束聚焦焦成像成成為可能能，這樣樣就產(chǎn)生生了電磁磁透鏡。。由于電電磁透鏡鏡能把電電子束象象光一樣樣地聚焦焦成像，，所以使使用電子子束做為為光源的的顯微鏡鏡就應(yīng)運(yùn)運(yùn)而生了了。這就就是電子顯微微鏡。靜電透鏡鏡示意圖圖實(shí)用的電電子顯微微鏡經(jīng)過(guò)不斷斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)和摸索索，在上上個(gè)世紀(jì)紀(jì)三十年年代，由由德國(guó)科科學(xué)家M·克諾諾爾與E·魯斯斯卡在柏柏林工學(xué)學(xué)院制造造出了世世界上第第一臺(tái)透透射式電電子顯微微鏡。由由于使用用了電子子束做為為顯微鏡鏡的光源源，電子子顯微鏡鏡的分辨辨率大大大超過(guò)了了光學(xué)顯顯微鏡，，達(dá)到了了零點(diǎn)幾幾個(gè)納米米的水平平。電子顯微微鏡與光光學(xué)顯微微鏡的光光路比較較加速電壓壓與電子束波波長(zhǎng)的關(guān)關(guān)系電子顯微微鏡的電電子束波波長(zhǎng)視其其所使用用的加速速電壓的的大小而而定，一一般加速速電壓在在100KV的電子顯顯微鏡其其電子束束的波長(zhǎng)長(zhǎng)約為0.4納米，這這樣電子子顯微鏡鏡的分辨辨率應(yīng)該該可以達(dá)達(dá)到兩個(gè)個(gè)埃(0.2納納米）的的水平，，這要比比光學(xué)顯顯微鏡的的分辨率率高的多多的多。。超高壓的的電子顯顯微鏡其其電子束束的波長(zhǎng)長(zhǎng)更短，，所以會(huì)會(huì)有更高高的分辨辨率。普通的透透射電子子顯微鏡鏡超高壓電電子顯微微鏡透射電子顯微微鏡電子顯微微鏡的分分類電子顯微微鏡基本本分為兩兩種類型型：一種是：：透射電子子顯微鏡鏡，另一種是是：掃描描電子顯顯微鏡。。透射電鏡鏡是透射射成像，，圖像是是二維的的，靠欠欠焦形成成一定的的圖像反反差。掃描電鏡鏡是反射射成像，，圖像是是三維的的，有很很好的立立體感，，但分辨辨率低于于透射電電鏡，目目前指標(biāo)標(biāo)分辨率率可以達(dá)達(dá)到3個(gè)納米。。掃描電子子顯微鏡鏡圖其它型式式的顯微微鏡掃描隧道道顯微鏡鏡：利用用隧道電電流效應(yīng)應(yīng)原子力顯顯微鏡：：利用原原子力效效應(yīng)激光力顯顯微鏡：：利用激激光作用用力磁力顯微微鏡：利利用磁作作用力以上各類類顯微鏡鏡都屬于于探針觸觸摸效應(yīng)應(yīng)方式的的，而光學(xué)顯微微鏡和電電子顯微微鏡則屬屬于光的的視覺效效應(yīng)方式式。使用電子子顯微鏡鏡的一般般要求由于電子顯微微鏡鏡體體內(nèi)為真真空系統(tǒng)統(tǒng)，所以以要求被被分析物物質(zhì)應(yīng)為為干燥的的，不含含有水分分或揮發(fā)發(fā)性溶劑劑的樣品品。對(duì)于透射電鏡鏡還要求求被分析樣樣品要做做的很薄薄，最好好在100納米以下下，以有有利于電電子束的的穿透成成像。當(dāng)加速電電壓較高高時(shí)，電電子束的的穿透力力會(huì)更強(qiáng)強(qiáng)，所以以樣品可可以做得得厚一些些。透射電鏡鏡的制樣樣目的制樣目的的：就是是要使樣樣品做的的很薄，，以利于于電子束束的穿過(guò)過(guò)。制樣方法法：可以以是粉碎碎；切片片；研磨磨；減薄??；分散散，以及及復(fù)型或或染色等等等。制樣使用用的設(shè)備備有：超超薄切片片機(jī)；真真空鍍膜膜機(jī)；離離子減薄薄儀等等等。超薄切片片機(jī)真空鍍膜膜機(jī)離子鍍膜膜機(jī)樣品制備備的具體體要求和和方法對(duì)于粉末末樣品一一般要求求粒度應(yīng)應(yīng)小于300納米，粒粒度較大大時(shí)，會(huì)會(huì)只能看看到顆粒粒的輪廓廓，不能能分析顆顆粒表面面上的細(xì)細(xì)節(jié)。纖維類樣樣品得直直徑應(yīng)最最好小于于200納米。不論是纖纖維，粉粉末或高高分子納納米球的的樣品都都要在適適當(dāng)?shù)娜苋芤褐凶鲎隽己玫牡姆稚ⅲ?，然后滴滴在或撈撈到銅網(wǎng)網(wǎng)上的支支撐膜上上。對(duì)于特殊殊樣品需需要做特特殊的制制備，列列如：切切片，染染色，離離子減薄薄或復(fù)型型處理。。銅網(wǎng)和承承載樣品品的支撐撐膜透射電子子顯微鏡鏡使用的的銅網(wǎng)一一般直徑徑為2毫米，上面銃銃有許多微米米大小的孔，，在銅網(wǎng)上覆覆蓋了一層很很薄的火棉膠膠膜并在上面面蒸鍍了碳層層以增加其膜膜的強(qiáng)度，被被分析樣品就就承載在這種種支撐膜上。。如果在連續(xù)的的火棉膠膜上上再制出一些些通透的孔，，我們把這種種支撐膜叫作作“微篩”。。高分辨分析析時(shí)一般使用用微篩來(lái)承載載樣品。什么是染色？？對(duì)于反射電子子能力差，圖圖像襯度小的的樣品常用染染色的方法來(lái)來(lái)提高成像的的質(zhì)量。染色色的目的就是是讓被分析樣樣品結(jié)合上一一些重金屬，，以增加其反反射電子的能能力，使樣品品成像的襯度度變大，最終終獲得高質(zhì)量量的電鏡照片片。染色常常是對(duì)對(duì)于生物樣品品或高分子樣樣品而言的，，染色的方法法有許多種，，對(duì)于不同的的樣品其染色色方法可能完完全不同。無(wú)機(jī)粉末樣品品的制備要求求首先，樣品的的粒度要足夠夠的小，例如如在100納米以下。如如果有團(tuán)聚較較大的顆粒，，要適當(dāng)?shù)淖鲎鲅心ヌ幚?。。一般將粉末樣樣品置于無(wú)水水乙醇之中，，使用超聲波波將其充分分分散，然后再再滴到微篩膜膜上，自然涼涼干后就可用用于電鏡分析析了。超聲波儀電鏡照片的分分析對(duì)電鏡照片的的分析，應(yīng)先先從各種資料料中盡可能地地對(duì)被分析樣樣品有所了解解，估計(jì)可能能出現(xiàn)的結(jié)果果，再與電鏡鏡照片進(jìn)行比比對(duì)，做出正正確的解釋。。對(duì)于金屬氧化化物可能具有有一些典型的的構(gòu)成形狀，，如球形，條條形，支形或或核形等等，，可以根據(jù)這這些形狀來(lái)判判斷金屬氧化化物的種類和和生長(zhǎng)情況?！，F(xiàn)代電鏡一般般都帶有“能能譜”附件，，對(duì)于不好判判斷的晶粒形形狀，可以使使用X光能譜譜對(duì)所分析的的樣品做分區(qū)區(qū)元素分析，，然后再做出出其正確的判判斷。典型電鏡照片片的比較金顆粒三三氧化化二鐵單晶，多晶與與非晶的比較較使用電鏡的電電子衍射功能能可以判斷樣樣品的結(jié)晶狀狀態(tài)：?jiǎn)尉闉榕帕辛型旰煤玫狞c(diǎn)點(diǎn)陣。。多晶為為一組組序列列直徑徑的同同心環(huán)環(huán)。非晶為為一對(duì)對(duì)稱的的球形形。單晶，，多晶晶與非非晶的的電子子衍射射圖一些樣樣品的的電鏡鏡照片片高分子子球碳碳棒MCM41一些樣樣品的的電鏡鏡照片片Ni晶晶粒催催化劑劑表表面Co顆粒粒不同溫溫度下下TiO2晶粒粒生長(zhǎng)長(zhǎng)的情情況纖維，，角形形和花花狀的的電鏡鏡照片片球表面面的Au，，氧化化鑭，，F(xiàn)e2O3Zn粒粒，Al2O3，單單壁碳碳管高分子子網(wǎng)，，晶體體層面面，納納米球球局部的的單晶晶，晶晶粒的的生長(zhǎng)長(zhǎng)，晶晶體棒棒與顆顆粒氧化膜膜，碳碳管組組裝，，銀粒粒生長(zhǎng)長(zhǎng)樣品表表面的的凹凸凸形態(tài)態(tài)和附附著物物晶體顆顆粒，，F(xiàn)FT變變換，，電子子衍射射硅的晶晶格排排布金剛石石的晶晶格排排布TECNAI-20拍的的AU單晶晶膜電鏡使使用中中的一一些問(wèn)問(wèn)題放大倍倍數(shù)不不是越越大越越好。。要搞清清你做做電鏡鏡分析析的目目的。。不是什什么樣樣品都都能達(dá)達(dá)到分分辨率率的指指標(biāo)。。要獲得得高質(zhì)質(zhì)量的的電鏡鏡照片片，樣樣品制制備是是一個(gè)個(gè)重要要的因因素。。好的設(shè)設(shè)備，，加上上適當(dāng)當(dāng)?shù)臉訕悠诽幪幚砗秃途男牡牟俨僮鞑挪拍艿玫玫礁吒咚狡降碾婋婄R分分析結(jié)結(jié)果。。含有表表面活活性劑劑的硫硫化物物總結(jié)結(jié)透射電電子顯顯微鏡鏡是把把經(jīng)加加速和和聚集集的電電子束束投射射到非非常薄薄的樣樣品上上，電電子與與樣品品中的的原子子碰撞撞而改改變方方向，，從而而產(chǎn)生生立體體角散散射。。散射射角的的大小小與樣樣品的的密度度、厚厚度相相關(guān)，，因此此可以以形成成明暗暗不同同的影影像。。透射電電子顯顯微鏡鏡的分分辨率率為0.1～0.2nm，放大大倍數(shù)數(shù)為幾幾萬(wàn)～～百萬(wàn)萬(wàn)倍，，用于于觀察察超微微結(jié)構(gòu)構(gòu)，即即小于于0.2?m、光學(xué)學(xué)顯微微鏡下下無(wú)法法看清清的結(jié)結(jié)構(gòu)，，又稱稱"亞顯微微結(jié)構(gòu)構(gòu)"。透射射電鏡鏡(TEM)樣品必必須制制成電電子能能穿透透的，，厚度度為100～2000埃的薄薄膜。。成像原原理可可分為為三種種情況況：吸收像像：當(dāng)電子子射到到質(zhì)量量、密密度大