1、,透射電子顯微鏡是以波長很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領，高放大倍數的電子光學儀器。測試的樣品要求厚度極?。◣资{米），以便使電子束透過樣品。,第8講 透射電子顯微分析2011年11月4日,Transmission Electron Microscope TEM,發(fā)展歷史,在電子光學微觀分析儀器中，透射電鏡歷史久，發(fā)展快，應用范圍也最廣泛 1932-1933，Ruska等制備第一臺透射電子顯微鏡后，透射電鏡就已初步定型生產，并已達到分辨率優(yōu)于2nm的水平 到40年代末， 透射電鏡的主體己基本定型。 由電子槍和兩個聚光鏡組成照明系統(tǒng)，產生一束聚焦很細、亮度高、發(fā)散度小

2、的電子束；由物鏡、中間鏡和投影鏡三個透鏡組成三級放大的成像系統(tǒng)； 給出分辨率優(yōu)于lnm放大幾十萬倍的電子像。透射電鏡的發(fā)展帶動了電子光學儀器和技術的發(fā)展，在此基礎上發(fā)展越來越多的高精尖儀器,一、儀器結構介紹 透射電子顯微鏡由三大部分組成： 電子光學系統(tǒng)， 真空系統(tǒng) 供電控制系統(tǒng)。,電子光學系統(tǒng)，又稱鏡筒，是電子顯微鏡的主體。 1、電子槍 2、聚光鏡 3、物鏡、中間鏡和投影鏡 4、消像散 5、熒光屏、照相系統(tǒng) 6、樣品室,電子光學系統(tǒng)，又稱鏡筒，是電子顯微鏡的主體。 1、電子槍 2、聚光鏡 3、物鏡、中間鏡和投影鏡 4、消像散 5、熒光屏、照相系統(tǒng) 6、樣品室,電子光學系統(tǒng)，又稱鏡筒，是電子顯微

3、鏡的主體。 1、電子槍 2、聚光鏡 3、物鏡、中間鏡和投影鏡 4、消像散 5、熒光屏、照相系統(tǒng) 6、樣品室,1）電子光學部分,整個電子光學部分完全置于鏡筒之內，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置 根據這些裝置的功能不同又可 將電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng),（1）照明系統(tǒng),照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調節(jié)裝置組成。它的作用是為成像系統(tǒng)提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內傾斜 電子槍。它由陰極、柵極和陽極構成。 在真空中通電加熱后使從陰

4、極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流 聚光鏡。聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸,(2)樣品室樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺 (3)成像系統(tǒng) 一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領，中間鏡和投影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大 (4)圖像觀察與記錄系統(tǒng) 該系統(tǒng)由熒光屏、照相機、數據顯示等組成,2）真空系統(tǒng),真空系統(tǒng)由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內氣體，使鏡筒真空度至少要在 托以上 如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間

5、高壓電離導致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品,3）供電控制系統(tǒng),加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領，所以加速電壓和透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準 透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅動裝置及自動曝光電路等部分組成。 另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器,二、成像原理 透射電子顯微鏡中，物鏡、中間鏡，總的放大倍數就是各個透鏡倍率的乘積。 M = M0.Mi.Mp 式中：M0-物鏡放大倍率，數值在50-100范圍；Mi-

6、中間鏡放大倍率，數值在0-20范圍；Mp-投影鏡放大倍率，數值在100-150范圍，總的放大倍率M在1000-200,000倍內連續(xù)變化。 據阿貝成像理論在物鏡的后焦面上有衍射譜，可以通過減弱中間鏡電流來增大其物距，使其物平面與物鏡的后焦面相重，這樣就可以把物鏡產生的衍射譜透到中間鏡的像平面上，得到一次放大了的電子衍射譜，再經過投影鏡的放大作用，最后在熒光屏上得到二次放大的電子衍射譜,三、性能與制樣 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。 對于透射電鏡常用的加速電壓為100KV，因此適宜的樣品厚度約200納米。 目前，樣品可以通過兩種方法獲得，一

7、是表面復型技術，二是樣品減薄技術。,1、表面復型技術 所謂復型技術就是把樣品表面的顯微組織浮雕復制到一種很薄的膜上，然后把復制膜（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材料的顯微組織。復型膜必須滿足以下特點： 1）本身是“非晶體的，在高倍（如十萬倍）成像時，也不顯示其本身的任何結構細節(jié)。 2）對電子束足夠透明（物質原子序數低）； 3）具有足夠的強度和剛度，在復制過程中不致破裂或畸變； 4）具有良好的導電性，耐電子束轟擊； 5）是分子尺寸較小的物質-分辨率較高。 常用的復型材料是塑料和真空蒸發(fā)沉積碳膜，碳復型比塑料復型要好。,金相復型的制備方法,1對金相試樣的要求 試

8、樣要細心磨制，仔細拋光， 力求避免產生微小的磨痕及變形層，浸蝕劑與做金相試驗時所用的浸蝕劑相同，浸蝕應淺些，這樣可保留組織細節(jié)。 2塑料一碳二級復型 塑料一碳二級復型由于其制備過程不損壞金相試樣表面，重復性好，供觀察的第二級復型一碳膜導電導熱性好，在電子束照射下較為穩(wěn)定，因而得到廣泛的應用。具體制備方法如下：,（1） 在樣品表面滴一滴丙酮，然啟貼上一片與樣品大小相近的AC紙(6醋酸纖維素丙酮溶液薄膜)。注意不要留下氣泡或皺折待AC紙干透后小心揭下。反復貼AC紙3-4次以去除腐蝕產物，將最后一片AC紙留下，這片AC紙就是所需要的塑料一級復型。（2） 將AC紙復型面朝上平整地貼在襯有紙片的膠帶紙上

9、。（3） 將復型放人真空鍍膜機真空室中，使投影重金屬的蒸發(fā)源與復型成一定角度，角度視表面凸凹而定，通常在15一45度之間。常投影后再沿垂直方向噴鍍一層碳當無油處白色瓷片變成淺褐色時為宜。 （4） 將醋酸纖維一碳復合膜剪成小于中3mm小片投入丙酮中，待醋酸纖維素溶解后，用鑷子夾住銅網將碳膜撈起如果碳膜卷曲，可將其撈人蒸餾水中，靠水的表面聲力把卷負的碳膜展開，然后再用銅網撈起（5） 將撈起的碳膜放到濾紙上吸水干燥后即可放人電鏡中觀察,復型示意圖,2、樣品減薄技術 復型技術只能對樣品表面性貌進行復制，不能揭示晶體內部組織結構信息。 樣品減薄技術可以克服上述缺點， 它的特點： 1）可以最有效地發(fā)揮電鏡

10、的高分辨率本領； 2）能夠觀察金屬及其合金的內部結構和晶體缺陷，并能對同一微區(qū)進行衍襯成像及電子衍射研究，把形貌信息與結構信息聯系起來； 3）能夠進行動態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的生核長大過程，以及位錯等晶體缺陷在引力下的運動與交互作用。 減?。撼∏衅ㄉ飿悠罚?、電解拋光（金屬樣品）、化學拋光（半導體、單晶體、氧化物）、離子轟擊（無機非金屬材料、要進行預切割）,用于透射電鏡觀察式樣的要求是：它的上下底面應該大致平行，厚度應在50-500nm，表面清潔。制備薄膜一般有以下步驟： （1）切取厚度小于0.5mm的薄塊。 （2）用金相砂紙研磨，把薄塊減薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。為避

11、免嚴重發(fā)熱或形成應力，可采用化學拋光法。,（3）用電解拋光，或離子轟擊法進行最終減薄，在孔洞邊緣獲得厚度小于500nm的薄膜。,生物磁鐵礦晶體的完好晶形 （TEM照片）,沙塵暴的礦物顆粒,海鹽氣溶膠顆粒；匈牙利上空大陸大氣層中收集到的煤灰/硫化物混合顆粒的TEI,煤灰/硫化物混合顆粒的TEM圖象,Sol-gel法合成羥磷灰石, 可分辨出毛發(fā)狀、長柱狀的晶體輪廓, 但晶面發(fā)育不明顯 (TEI),Somu Iijima(飯島)于1991年在電子顯微鏡下發(fā)現納米碳管，Nature，354 (1991) 56.,Bi系超導氧化物的堆積缺陷層調整Stacking faultLayer modulatio

12、n,四、電子衍射技術 利用透射電鏡進行物相形貌觀察，僅是一種較為直接的應用，透射電鏡還可得到另外一類圖像-電子衍射圖。圖中每一斑點都分別代表一個晶面族，不同的電子衍射譜圖又反映出不同的物質結構。,1、特點 電子衍射原理和X射線衍射原理是完全一樣的，但較之其還有以下特點： 1）電子衍射可與物像的形貌觀察同步結合，使人們能在高倍下選擇微區(qū)進行晶體結構分析，弄清微區(qū)的物相組成； 2）電子波長短，使單晶電子衍射斑點大都分布在一二維倒易截面內，這對分析晶體結構和位向關系帶來很大方便； 3）電子衍射強度大，所需曝光時間短，攝取衍射花樣時僅需幾秒鐘。,2、單晶電子衍射 當一電子束照射在單晶體薄膜上時，透射束

13、穿過薄膜到達感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī)則的衍射斑點（電子衍射圖1）。 3、多晶電子衍射 多晶體由于晶粒數目極大且晶面位向在空間任意分布，倒易點陣將變成倒易球。倒易球與愛瓦爾德球相交后在相紙上的投影將成為一個個同心圓（電子衍射圖2）。,Electron Diffraction Pattern,晶體,多晶體,非晶體,4、選區(qū)電子衍射 （1）原理： 在中間鏡上方放一孔徑可變的選區(qū)光闌，把不感興趣的區(qū)域擋掉。這時可以得到選區(qū)成像；維持樣品位置和孔徑光闌不變，而減弱中間鏡電流轉變?yōu)檠苌浞绞讲僮鳎瑒t此時將得到選區(qū)電子衍射結果。 換言之，經過上述兩步操作，我們得到了所需的選區(qū)圖像及其

14、微區(qū)電子衍射。經過對電子衍射花樣的標定就可知道選區(qū)圖像的物質結構將形貌信息與結構信息進行聯合分析。,衍射花樣與晶體的幾何關系,Bragg定律： 2d sin= d = 晶面間距 電子波長 q = Bragg 衍射角 衍射花樣投影距離： 當很小 tan22 sin rd=L=常數,r,O,G,G,L,d,（2）幾何特點： 1）作Ewald球 根據布拉格方程，極小，則極小。 2） 極小，則Ewald球 極大，球面接近平面。 R=Ltg2Lsin22Lsin 可得 R/L=2sin=/d 電子衍射的基本公式： R/L=/d 式中：R衍射斑點距中心的距離 電子波長，它與加速電壓有關 L鏡筒長度，為定值

15、,設：K=L為相機常數，則 R=K/d=Kr* 可知 1、R與r*有關，與r*的值成正比； 2、衍射斑點為倒易點的投影 可以證明，電子衍射結果是晶體倒易點陣投影的直觀反映，對它們進行標定（指標化），可得到倒易點陣空間分布狀態(tài),電子衍射與X射線衍射相比較，具有下列不同之處： 首先，電子波的波長比X射線短得多，在同樣滿足布拉格條件時，它的衍射角很小，約為10-2rad 其次，在進行電子衍射操作時采用薄晶樣品，薄樣品的倒易陣點會沿著樣品厚度方向延伸成桿狀，因此，增加了倒易陣點和愛瓦爾德球相交截德機會，結果使略為偏離布拉格條件德電子束也能發(fā)生衍射 第三，因為電子波德波長短，采用愛瓦爾德球圖解時，反射球德半徑很大，在衍射角較小的范圍內反射球的球面可以近似地看成一個平面，從而也可以認為電子衍射產生的衍射斑點大致分布在一個二維倒易截面內,Exercise 8,1、回答透射電鏡（TEM）的基本構造、工作原理及其應用 2、簡述透電子衍射與X射線衍射有何異同點？ 3、 簡述TEM復型樣品的制作過程。 4、 什么是電子衍射的相機常數？試推導之。 5、對于粉末樣品，如何使用TEM進行觀察？ 6、對于不同的塊體材料（金屬