透射電鏡課件

1、透射電子顯微鏡簡介,透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,簡稱TEM) 組成：由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成 原理：用聚焦電子束作照明源，使用于對電子束透明的薄膜試樣，以透過試樣的透射電子束或衍射電子束所形成的圖像來分析試樣內部的顯微組織結構,透射電子顯微鏡的優(yōu)點,放大倍數是顯微觀察工具中最大的之一； 像變形性小即觀察結果真實可靠； 所觀察到的像是樣品內部結構的平面投影像； 選擇不同操作模式可獲得樣品的電子衍射圖，這對成分分析特別有用；,透射電子顯微鏡的發(fā)展史,1925 年De Broglie 發(fā)現(xiàn)了波粒二項性是微觀粒子的基本

2、特性，即電子和光一樣既是粒子又是波 1926 年Busch 指出具有軸對稱性的磁場對電子束起著透鏡的作用，有可能使電子束聚焦成像 1931 年Knoll 和Ruska 制造了帶雙透鏡的電子源，獲得了放大1217 倍的電子光學系統(tǒng)中光闌的像 1931 年6 月4 日Knoll 和Ruska 首次報道研制成功第一臺透射電子顯微鏡(TEM)。,為什么采用電子束而不用自然光？,由顯微鏡的分辨率與光源的波長決定了透射電子顯微鏡的放大倍率遠大于普通光學顯微鏡；一般來說，光學顯微鏡的最大放大倍率在2000倍左右，而透射電子顯微鏡的放大倍率可達百萬倍。,透射電子顯微鏡的組成,透射電子顯微鏡主要由3 部分組成，

3、它們是電子光學部分、真空部分和電子部分。 電子光學部分：由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和像的觀察系統(tǒng)組成。照明系統(tǒng)由電子槍和幾個聚光鏡組成，其功能是為成像系統(tǒng)提供一個亮度大、尺寸小的照明光斑。,電子槍（electronic gun）,由陰極（cathode）、陽極（anode）和控制極組成，三者決定著電子發(fā)射的數目及其動能。 陰極：是產生自由電子的源頭，一般有直熱式和旁熱式2種，旁熱式陰極是將加熱體和陰極分離，各自保持獨立。在電鏡中通常由加熱燈絲（filament）兼做陰極稱為直熱式陰極，材料多用金屬鎢絲制成，其特點是成本低，但亮度低，壽命也較短,陽極 ：為一中心有孔的金屬圓筒，處在陰極下方。加速從陰極

4、發(fā)射出的電子。 控制極：匯聚電子束；控制電子束電流的大小，調節(jié)像的亮度。,限制TEM分辨率關鍵技術-電子槍,超高壓和中等加速電壓技術：電子經過試樣后，對成像有貢獻的彈性散射電子所占的百分比決定了圖像分辨率、信號、噪聲的高低； 高亮度、高相干度：超高分辨率、電子衍射等技術的必須保證；,成像系統(tǒng),包括物鏡、中間鏡和投影鏡。 物鏡的任務是形成第一幅電子像或衍射譜，完成物到像的轉換并加以放大，既要求像差盡可能小又要求高的放大倍數(100200 倍)一般物鏡的焦距為2 mm3 mm，球差系數為1 mm2 mm。 為消除像散和其他色差，在物鏡附近還裝有消像散器和防污裝置。通常樣品放在物鏡的前焦面附近，物鏡

5、光欄在后焦面附近,物鏡光闌的作用,擋掉大角度散射的非彈性電子，使色差和球差減少，在提高襯度的同時，得到更多的樣品信息； 可選擇后焦面上的晶體樣品衍射束成像，獲得明、暗場像，這在觀察電子衍射像時有重要意義。,聚光鏡,由于電子之間的斥力和陽極小孔的發(fā)散作用。 聚光鏡有增強電子束密度和再次將發(fā)散的電子匯聚起來的作用。 多為磁透鏡，調節(jié)其電流，控制照明亮度、照明孔徑角和束斑大小。,方 法 原 理,阿貝首先提出了相干成像的新原理，即頻譜和兩次衍射成像的概念。并用傅里葉變換來闡明顯微鏡成像的機制。,阿貝成像原理,(1) 當一束平行光束照射到具有周期性結構的物體時，便產生衍射現(xiàn)象，除零級衍射外，還有各級衍射

6、束。經過透鏡的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的極大值，每個振幅的極大值又可看成為次級相干源，由它們發(fā)出次級波在像平面上相干成像。,(2)阿貝透鏡衍射成像可分為兩個過程, 平行光束受到有周期性特征物體的散射作用形成各級衍射譜，同級平行散射波經過透射后都聚焦在后焦面上同一點。 各級衍射波通過干涉在像平面上形成反映物的特征的像。在透射電子顯微鏡中，用電子束代替平行入射光束，用薄膜狀的樣品代替周期性結構的物體，就可以重復以上衍射成像過程。,(3) 對于透射電子顯微鏡，改變中間鏡的電流，使中間鏡的物平面從一次像平面移向物鏡的后焦面，可得到衍射譜；反之，讓中間鏡的物面從后焦面向下移到一次像平面，就可看

7、到像。 高能電子(50 keV200 keV)可以穿透樣品，根據樣品不同位置的電子透過強度不同或電子透過樣品的衍射方向不同，經過后面電磁透鏡的放大后，在熒光屏上顯示出圖像。透射電子顯微鏡在加速電壓Ep=100 keV 下，電子的波長為3.7 pm，波形影響遠小于光波,成像原理,吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。 衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現(xiàn)晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，

8、從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。 相位像：當樣品薄至100以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化,透射電鏡,透射電子顯微鏡的實驗技術 透射電子顯微鏡的應用,透射電鏡的實驗技術,電子顯微鏡應用的質量在一定程度上受樣品制備技術的制約，不同類型、不同要求的樣品有完全不同的制備方法。,對樣品的一般要求,1. 透射電鏡樣品置于載樣銅網上(23mm)，所觀察的試樣最大尺度不超過1mm。 2. 樣品必須薄到電子束可以穿透。具體厚度視加速電壓大小和樣品材料而異，在100kV加速電壓下，一般樣品的厚度在100nm左右。 3.電鏡鏡筒中處于高真空狀態(tài)，只能研究固體

9、樣品。樣品中若含有水分、易揮發(fā)物質及酸堿等腐蝕性物質，需事先加以處理。 4. 樣品需要有足夠的強度和穩(wěn)定性，在電子轟擊下不致?lián)p壞或變化。,承載網,像金屬、半導體這些自身強度較好的樣品薄膜，可直接按要求沖成一定的大小和形狀，除此之外，大多數樣品都較易變形，需要有一個承載體來支撐，特別是溶液形式的樣品。 通常用得最多的載網是銅網,樣品銅網放大像,方孔,圓孔,銅網,標準的銅網是直徑3 mm、厚約0.02 mm 的圓網，網孔的密度有單位英寸長度400 目、200 目、10 目、50 目等規(guī)格，還有一些用于專門需要的特殊形狀孔的網，如長條形孔或有定位標記的網等。,1,銅網的清洗, 除膜：將以火棉膠為支持

10、膜的回收銅網放在一個小燒杯中，分別用丙酮、乙酸異戊酯溶液各浸泡30 min，并適當振蕩，也可以單單在乙酸異戊酯里浸泡24 h 以上，可見膜從網上脫落，倒掉浸泡液，用清水沖洗數遍。 浸蝕：往上述小燒杯中注入少量濃H2SO4，小心振蕩13 min 待銅網發(fā)亮，倒掉浸蝕液，用清水沖洗數次，再用質量分數為5%的氨水漂洗，略作振蕩后倒掉，水洗數次。,銅網的清洗, 脫水：用蒸餾水沖洗34 次，再用無水乙醇浸泡片刻，重復13 次。 干燥與檢查：將銅網盡量分散地置于墊有清潔濾紙的培養(yǎng)皿里，在5060 的烘箱里烘干。先用目檢剔除明顯不干凈的銅網再在低倍顯微鏡下逐個檢查，選出清潔的、平整的、挺括的銅網準備制膜用(

11、新的銅網用無水乙醇清洗干燥)。,支持膜,對于溶液樣品，光有銅網還不能起承載的作用，大多數超薄切片因太薄，直接置于銅網上仍會發(fā)生變形，需在銅網上加一支持膜，這種膜既需堅固、導電、導熱性好，又需對電子束的透明性好、在幾十萬倍放大下仍不顯示自身結構，以免樣品變形從網孔中掉出或因支持膜的質量問題在電子顯微鏡照片中形成較強的背景而影響分辨率。,支持膜材料的條件,本身沒有結構，對電子束的吸收不大，以免影響對試樣結構的觀察； 本身顆粒度要小，以提高樣品分辨率； 本身有一定的力學強度和剛度，能忍受電子束的照射而不致畸變或破裂。,支持膜的選擇,對分辨率要求不太高的樣品：支持膜合適的厚度為20 nm 左右，常用火

12、棉膠-碳復合膜； 對高分辨率的樣品：支持膜合適的厚度為2 nm 左右，常用碳膜； 分辨細節(jié)達原子數量級時：采用單晶薄片或厚度小于2 nm 的碳膜作支持膜,支持膜的制備方法, 火棉膠膜 噴碳 碳膜,2,火棉膠膜,將0.5 g1.5 g 范圍的固體火棉膠溶入100 mL 的乙酸異戊醋中(24 小時可全部溶解)，置于非常密封的滴液瓶中。在一個直徑為20 cm30 cm 的結晶皿中注滿蒸餾水，靜置片刻，待水面完全平靜后，輕輕地將12 滴火棉膠溶液(由水面大小決定)滴到水面上，當膜形成后用針挑掉以清潔水面，再用同樣方法制出第二張膜，滴液時滴管要小心靠近水面。將銅網輕輕地整齊地逐一排放在膜的中間(無皺褶處

13、)，剪一塊濾紙片，尺寸略大于銅網“矩陣”，但必須小于膜的尺寸，小角度地輕輕貼近膜，按入水中，待全部濕潤后提起，銅網就整齊地排列在膜與濾紙之間了。將該濾紙片放在培養(yǎng)皿中置于5060的烘箱里烘干。,噴碳,將排有銅網的烘干了的濾紙片，放在真空鍍膜機鐘罩內的樣品臺上，在紙片邊上放一小塊干凈光滑的白磁片，作為碳膜厚度指示板。在磁面上滴一小滴真空油，碳蒸發(fā)過程中，油滴內仍保持潔白色，周圍顏色逐漸變黑指示碳膜厚度增加，對于火棉膠-碳復合膜，一般只需噴到非常淺的銀灰色即可。,碳膜,用解剖針或保安刀將碳膜劃成銅網大小的方塊，慢慢地將載玻片浸入蒸餾水中，用鑷子夾住銅網，小心地浸入水中，慢慢放在碳膜下面，水平地提出

14、水面，去掉多余的邊緣，放在濾紙上干燥。,復型技術,普通的復型技術有塑料一級復型、碳一級復型、塑料-碳二級復型及抽取復型。 與前面介紹的對載網支持膜的特性要求一樣，復型膜也需具有良好的導電、導熱性，足夠的強度、剛度、耐電子轟擊性能等。,3,表面復型技術,透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要求被觀察的樣品對入射電子束是“透明的”。電子束穿透固體樣品的能力，主要取決于加速電壓和樣品物質原子序數。加速電壓越高，樣品原子序數越低，電子束可以穿透樣品厚度越大。所以一般適宜的樣品厚度約為200nm,表面復型技術,顯然，要制備這樣薄的的金屬樣品不是一件輕而易舉的事情。因此，當透射電子顯微鏡誕生后，首

15、先被應用于觀察醫(yī)學生物樣品，而金屬樣品遇到的困難就是樣品制備問題。20世紀40年代初期才出現(xiàn)了“復型”技術，即把金屬試樣表面浸蝕后產生的顯微組織浮雕復制到一種很薄的膜上，然后把復制薄膜（叫做復型）放到透射電鏡中去觀察分析，這樣才使透射電鏡應用于顯示金屬材料的顯微組織有了實際的可能，,表面復型技術,用于制備復型的材料本身必須是“無結構”的（或非晶體的），也就是說，要求復型材料即使在高倍（eg：十萬倍）成像時，也不顯示其本身的任何結構細節(jié)。常用的復興材料是塑料和真空蒸發(fā)沉積碳膜，他們都是非晶體。,表面復型技術,一級復型技術,一級復型方法有三種：塑料，碳和氧化物復型。氧化物復型主要用于鋁和鋁合金，在

16、電解減薄金屬方法成熟之后已很少應用。 (1) 塑料一級復型：塑料一級復型是最簡單的一種表面復型，是用預先配置好的塑料溶液在已浸蝕好的金屬試樣上直接澆鑄而成的。,塑料一級復型的具體制備方法：,用液滴灌在金屬試樣表面放一滴塑料溶液，用清潔玻璃輕輕地將其刮平，靜置干燥后形成厚度約為100nm的塑料薄膜。其浮凸與金屬試樣表面正好相反，故這種復型又稱負復型； 在透明膠紙上放幾塊略小于樣品銅網（=3mm）的紙片，再在其上放置樣品銅網，這樣僅使其邊緣粘貼在膠紙上。 把貼有樣品銅網的膠紙平整的壓貼在已干燥的塑料表面，利用膠紙的粘性把塑料一級復型從金屬試樣表面干剝下來。 用針尖或小刀在銅網邊緣劃一圈，將塑料薄膜

17、劃開，再用鑷子把樣品銅網連同貼附在它上面的塑料一級復型取下，即可放到透射電鏡中去觀察。,碳一級復型,由于碳的遷移性好，噴碳后得到的是一層沿著樣品表面均勻、等厚的膜，從垂直方向看，除在有高度起伏的輪廓線處顯得較暗外，平面處，無論是凸起的還是凹下的，碳膜提供的襯度相同，結果是分辨不出表面究竟是凹的還是凸的。如果在噴碳前或后加上重金屬投影可以彌補這個問題 所以：碳一級復型的剝落不易掌握，實際中很少采用。,復型法,2) 碳一級復型： 在真空鍍膜裝置中，將碳棒以垂直方向，向樣品表面蒸鍍1020nm的碳膜(其厚度通過潔白瓷片變?yōu)闇\棕色來控制)；然后用針尖將碳膜劃成略小于電鏡銅網的小塊，最后將碳膜從試樣上分

18、離開來，必要時投影。,塑料-碳二級復型,塑料-碳二級復型及在其中進行重金屬投影，制備較容易，膜的綜合性能好，圖像質量也較好，是最常用的復型技術。,塑料-碳二級復型的制備, 用丙酮清洗樣品表面。 將 3%火棉膠溶液滴在樣品表面，使其均勻流開，傾斜樣品，除去多余溶液。 待火棉膠膜干燥(2 min5 min)，朝膜面哈一口氣，用透明膠帶除去火棉膠膜。用同樣方法再重做一張火棉膠膜，用雙面膠的一面取下膜，另一面固定在載玻片上，膜片朝上放入真空蒸發(fā)儀中。,塑料-碳二級復型的制備方法, 先傾斜方向重金屬投影，再垂直方向噴碳。投影金屬一般選擇鉻，投影角為1545，表面比較平整的樣品取較小的投影角。投影金屬放在鎢絲繞成的錐形螺旋蒸發(fā)器上，慢慢加大電流至噴鍍金屬受熱至白熾狀態(tài)，移開樣品上的擋板，將電流加到最大，投影就開始了。碳膜的厚度以淺灰色為宜。 將復型膜用小刀輕輕劃成略小于銅網的方塊，劃時只要將復型膜劃破即可。放入二甲苯溶液中保持12 小時，將透明膠紙撈掉。,塑料-碳二級復型的制備方法, 取出火棉膠碳膜，浸入乙酸戊醋溶液中清洗一次，轉移到蒸餾水中，使復型膜展平漂浮在水面，用銅網撈起，干燥即可。,塑料-碳二級復型制備過程示意圖,抽取復型,與前面3 種復型不同，它是用碳膜抽取樣品表面的第二相粒子，以分析第二相的分布、形態(tài)、分成、結構、取向等。金屬樣品中用得