1、透射電子顯微鏡簡(jiǎn)介,透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,簡(jiǎn)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(duì)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(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu),透射電子顯微鏡的優(yōu)點(diǎn),放大倍數(shù)是顯微觀察工具中最大的之一； 像變形性小即觀察結(jié)果真實(shí)可靠； 所觀察到的像是樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(duì)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(xiàng)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(duì)稱性的磁場(chǎng)對(duì)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(xué)系統(tǒng)中光闌的像 1931 年6 月4 日Knoll 和Ruska 首次報(bào)道研制成功第一臺(tái)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(zhǎng)決定了透射電子顯微鏡的放大倍率遠(yuǎn)大于普通光學(xué)顯微鏡；一般來說，光學(xué)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(dá)百萬(wàn)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(xué)部分、真空部分和電子部分。 電子光學(xué)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(gè)聚光鏡組成，其功能是為成像系統(tǒng)提供一個(gè)亮度大、尺寸小的照明光斑。,電子槍（electronic gun）,由陰極（cathode）、陽(yáng)極（anode）和控制極組成，三者決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能。 陰極：是產(chǎn)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(dú)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(diǎn)是成本低，但亮度低，壽命也較短,陽(yáng)極 ：為一中心有孔的金屬圓筒，處在陰極下方。加速?gòu)年帢O

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(diào)節(jié)像的亮度。,限制TEM分辨率關(guān)鍵技術(shù)-電子槍,超高壓和中等加速電壓技術(shù)：電子經(jīng)過試樣后，對(duì)成像有貢獻(xiàn)的彈性散射電子所占的百分比決定了圖像分辨率、信號(hào)、噪聲的高低； 高亮度、高相干度：超高分辨率、電子衍射等技術(shù)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(wù)是形成第一幅電子像或衍射譜，完成物到像的轉(zhuǎn)換并加以放大，既要求像差盡可能小又要求高的放大倍數(shù)(100200 倍)一般物鏡的焦距為2 mm3 mm，球差系數(shù)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(shí)，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(chǎng)像，這在觀察電子衍射像時(shí)有重要意義。,聚光鏡,由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用。 聚光鏡有增強(qiáng)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(diào)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(jī)制。,阿貝成像原理,(1) 當(dāng)一束平行光束照射到具有周期性結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，便產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，除零級(jí)衍射外，還有各級(jí)衍射

6、束。經(jīng)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(gè)振幅的極大值又可看成為次級(jí)相干源，由它們發(fā)出次級(jí)波在像平面上相干成像。,(2)阿貝透鏡衍射成像可分為兩個(gè)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(jí)衍射譜，同級(jí)平行散射波經(jīng)過透射后都聚焦在后焦面上同一點(diǎn)。 各級(jí)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(jié)構(gòu)的物體，就可以重復(fù)以上衍射成像過程。,(3) 對(duì)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(jù)樣品不同位置的電子透過強(qiáng)度不同或電子透過樣品的衍射方向不同，經(jīng)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(zhǎng)為3.7 pm，波形影響遠(yuǎn)小于光波,成像原理,吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)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(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，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(dāng)樣品薄至100以下時(shí)，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(shí)驗(yàn)技術(shù) 透射電子顯微鏡的應(yīng)用,透射電鏡的實(shí)驗(yàn)技術(shù),電子顯微鏡應(yīng)用的質(zhì)量在一定程度上受樣品制備技術(shù)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(duì)樣品的一般要求,1. 透射電鏡樣品置于載樣銅網(wǎng)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(zhì)及酸堿等腐蝕性物質(zhì)，需事先加以處理。 4. 樣品需要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在電子轟擊下不致?lián)p壞或變化。,承載網(wǎng),像金屬、半導(dǎo)體這些自身強(qiáng)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(shù)樣品都較易變形，需要有一個(gè)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(wǎng)是銅網(wǎng),樣品銅網(wǎng)放大像,方孔,圓孔,銅網(wǎng),標(biāo)準(zhǔn)的銅網(wǎng)是直徑3 mm、厚約0.02 mm 的圓網(wǎng)，網(wǎng)孔的密度有單位英寸長(zhǎng)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(wǎng)，如長(zhǎng)條形孔或有定位標(biāo)記的網(wǎng)等。,1,銅網(wǎng)的清洗, 除膜：將以火棉膠為支持

10、膜的回收銅網(wǎng)放在一個(gè)小燒杯中，分別用丙酮、乙酸異戊酯溶液各浸泡30 min，并適當(dāng)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(wǎng)上脫落，倒掉浸泡液，用清水沖洗數(shù)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(wǎng)發(fā)亮，倒掉浸蝕液，用清水沖洗數(shù)次，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氨水漂洗，略作振蕩后倒掉，水洗數(shù)次。,銅網(wǎng)的清洗, 脫水：用蒸餾水沖洗34 次，再用無(wú)水乙醇浸泡片刻，重復(fù)13 次。 干燥與檢查：將銅網(wǎng)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(wǎng)再在低倍顯微鏡下逐個(gè)檢查，選出清潔的、平整的、挺括的銅網(wǎng)準(zhǔn)備制膜用(

11、新的銅網(wǎng)用無(wú)水乙醇清洗干燥)。,支持膜,對(duì)于溶液樣品，光有銅網(wǎng)還不能起承載的作用，大多數(shù)超薄切片因太薄，直接置于銅網(wǎng)上仍會(huì)發(fā)生變形，需在銅網(wǎng)上加一支持膜，這種膜既需堅(jiān)固、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，又需對(duì)電子束的透明性好、在幾十萬(wàn)倍放大下仍不顯示自身結(jié)構(gòu)，以免樣品變形從網(wǎng)孔中掉出或因支持膜的質(zhì)量問題在電子顯微鏡照片中形成較強(qiáng)的背景而影響分辨率。,支持膜材料的條件,本身沒有結(jié)構(gòu)，對(duì)電子束的吸收不大，以免影響對(duì)試樣結(jié)構(gòu)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(xué)強(qiáng)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(duì)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(fù)合膜； 對(duì)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(xì)節(jié)達(dá)原子數(shù)量級(jí)時(shí)：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(shí)可全部溶解)，置于非常密封的滴液瓶中。在一個(gè)直徑為20 cm30 cm 的結(jié)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(dāng)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(shí)滴管要小心靠近水面。將銅網(wǎng)輕輕地整齊地逐一排放在膜的中間(無(wú)皺褶處

13、)，剪一塊濾紙片，尺寸略大于銅網(wǎng)“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(rùn)后提起，銅網(wǎng)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(wǎng)的烘干了的濾紙片，放在真空鍍膜機(jī)鐘罩內(nèi)的樣品臺(tái)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(nèi)仍保持潔白色，周圍顏色逐漸變黑指示碳膜厚度增加，對(duì)于火棉膠-碳復(fù)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(wǎng)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(wǎng)，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(fù)型技術(shù),普通的復(fù)型技術(shù)有塑料一級(jí)復(fù)型、碳一級(jí)復(fù)型、塑料-碳二級(jí)復(fù)型及抽取復(fù)型。 與前面介紹的對(duì)載網(wǎng)支持膜的特性要求一樣，復(fù)型膜也需具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，足夠的強(qiáng)度、剛度、耐電子轟擊性能等。,3,表面復(fù)型技術(shù),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(duì)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(zhì)原子序數(shù)。加速電壓越高，樣品原子序數(shù)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(fù)型技術(shù),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(dāng)透射電子顯微鏡誕生后，首

15、先被應(yīng)用于觀察醫(yī)學(xué)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(jì)40年代初期才出現(xiàn)了“復(fù)型”技術(shù)，即把金屬試樣表面浸蝕后產(chǎn)生的顯微組織浮雕復(fù)制到一種很薄的膜上，然后把復(fù)制薄膜（叫做復(fù)型）放到透射電鏡中去觀察分析，這樣才使透射電鏡應(yīng)用于顯示金屬材料的顯微組織有了實(shí)際的可能，,表面復(fù)型技術(shù),用于制備復(fù)型的材料本身必須是“無(wú)結(jié)構(gòu)”的（或非晶體的），也就是說，要求復(fù)型材料即使在高倍（eg：十萬(wàn)倍）成像時(shí)，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。常用的復(fù)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(fù)型技術(shù),一級(jí)復(fù)型技術(shù),一級(jí)復(fù)型方法有三種：塑料，碳和氧化物復(fù)型。氧化物復(fù)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(yīng)用。 (1) 塑料一級(jí)復(fù)型：塑料一級(jí)復(fù)型是最簡(jiǎn)單的一種表面復(fù)型，是用預(yù)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(jí)復(fù)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(fù)型又稱負(fù)復(fù)型； 在透明膠紙上放幾塊略小于樣品銅網(wǎng)（=3mm）的紙片，再在其上放置樣品銅網(wǎng)，這樣僅使其邊緣粘貼在膠紙上。 把貼有樣品銅網(wǎng)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(jí)復(fù)型從金屬試樣表面干剝下來。 用針尖或小刀在銅網(wǎng)邊緣劃一圈，將塑料薄膜

17、劃開，再用鑷子把樣品銅網(wǎng)連同貼附在它上面的塑料一級(jí)復(fù)型取下，即可放到透射電鏡中去觀察。,碳一級(jí)復(fù)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(wú)論是凸起的還是凹下的，碳膜提供的襯度相同，結(jié)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(bǔ)這個(gè)問題 所以：碳一級(jí)復(fù)型的剝落不易掌握，實(shí)際中很少采用。,復(fù)型法,2) 碳一級(jí)復(fù)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(wǎng)的小塊，最后將碳膜從試樣上分

18、離開來，必要時(shí)投影。,塑料-碳二級(jí)復(fù)型,塑料-碳二級(jí)復(fù)型及在其中進(jìn)行重金屬投影，制備較容易，膜的綜合性能好，圖像質(zhì)量也較好，是最常用的復(fù)型技術(shù)。,塑料-碳二級(jí)復(fù)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(jí)復(fù)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(fù)型膜用小刀輕輕劃成略小于銅網(wǎng)的方塊，劃時(shí)只要將復(fù)型膜劃破即可。放入二甲苯溶液中保持12 小時(shí)，將透明膠紙撈掉。,塑料-碳二級(jí)復(fù)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(zhuǎn)移到蒸餾水中，使復(fù)型膜展平漂浮在水面，用銅網(wǎng)撈起，干燥即可。,塑料-碳二級(jí)復(fù)型制備過程示意圖,抽取復(fù)型,與前面3 種復(fù)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(jié)構(gòu)、取向等。金屬樣品中用得