透射电镜讲义

透射电镜讲义 第一部分：仪器介绍     透射电子显微镜用高能电子束作为照明源。利用从样品下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面透出的电子束来成像。原理上及结构上与透射式光学显微镜一样。世界上第一台透射电子显微镜是德国人鲁斯卡1936年发明的。他与发明扫描隧道显微镜的一起获得1982 年的诺贝尔物理奖。目前透射电子显微镜的生产厂家有日本的日立（HITACHI）、日本电子（JEOL）、美国的（FEI）、德国的（LEO）。我校的这台是1985年购买的。型号是日本电子的JEM—2000EX。     透射电子显微镜主要由电子光学系统、真空系统、电源系统（包括高压系统）、附件系统组成。电子光学系统一般就是指镜筒。从上到下依次为电子枪、聚光镜、样品台、物镜、中间镜、投影镜、荧光屏、照相室。     电子枪的功能是产生高速电子。它由灯丝（阴极，处于负高压，即加速电压）、栅极（电位比灯丝还要负几百到几千伏，数值可调）、阳极（处于0电位）组成。根据加速电压的数值，透射电子显微镜一般分为低压电镜（小于120KV）、中压电镜（200~300KV）、高压电镜（大于400KV）。低压电镜主要用在医学和生物学方面。后面的两种主要用在材料科学上。电子枪发出的电子束的亮度和尺寸与灯丝的类型有关。从钨灯丝到六硼化镧单晶灯丝再到场发射电子枪，电子束的质量越来越好。但价格及使用成本也同样越来越高。     由电子枪发出的电子束接着进入聚光镜系统。它包括两个聚光镜和一个活动聚光镜光阑。它们的作用是调节即将照到样品上的电子束的尺寸和亮度。聚光镜是电磁透镜。简单地讲，它的构造就是在铁筒外面绕线圈，线圈中有电流。于是在筒内产生磁场。该磁场能使电子偏转并聚焦，好比光学中的凸透镜。光阑是在中央有小孔的钼片。根据小孔的直径（100微米、200微米、400微米），从小到大依次称为小号、中号、大号。现代高性能电镜可以将电子束斑最小聚到小于1nm。     电镜的样品台是用来放置装有样品的样品杆的。为了不破坏镜筒的真空。样品台都带有进样间。它有内门和外门。装样品杆时，内门关闭，外门开。样品杆到一定位置时，关外门。对样品间抽气。待样品间抽完气，再开内门，把样品杆送到底。电镜的样品台和样品杆是非常精密的装置。因为电镜的放大倍数很高，外界对样品杆的微小干扰反映到荧光屏上就会很可观。所以使用时要非常小心。电镜的样品杆有单倾和双倾之分。所谓单倾是指样品只能绕X轴旋转，双倾则既可绕X轴又可绕Y轴旋转。双倾杆是非常有用的东西，因为它可以让你从不同的方向观察样品。另外还有加热台、低温台、拉伸台。     关于透射电子显微镜样品的制备见下一章。现在假设样品已制备好并已装入电镜中。     从聚光镜来的电子束打到样品上。与样品发生相互作用。如果样品薄到一定程度，电子就可以透过样品。透过去的电子分成两类。一类是继续按照原来的方向前进，能量几乎没有改变。我们称之为直进电子。另一类是方向偏离原来的方向。我们称之为散射电子。这些电子中有的能量有比较大的改变。我们称之为非弹性散射电子。有的电子能量几乎没有改变。我们称之为弹性散射电子。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图象。我们称之为夫琅禾费衍射花样。如果被电子束照射的区域是非晶，则花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的光晕。如果被电子束照射的区域是一块单晶，则花样的特点是中中央亮斑加周围其它离散分布、强弱不等的衍射斑。如果被电子束照射的区域包括许多单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈亮环。至于为什么会形成这些花样。可以从入射电子的散射来解释。对非晶样品，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越来越弱。对晶体样品，由于原子排列的规律性，不同原子的同一方向的散射波之间存在固定的相位差。某些方向上相位差为2π的整数倍。根据波的理论，在这些方向上的散射波会发生加强干涉。我们称之为衍射。同一方向的衍射波在物镜后焦面上形成一个亮斑。我们称之为衍射斑。直进的电子形成中央的透射斑。整个后焦面的图象称之为电子衍射花样。至于哪些方向上会出现衍射波，这可由布拉格公式决定。详细 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 见教材。由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，如果我们记录下衍射花样，就可以对晶体结构进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。这正是透射电子显微镜能够进行晶体结构分析的原因之一。对多晶样品，每个单晶形成自己的衍射花样。由于各个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射圈。通过分析这些衍射圈的半径和亮度，也可以对多晶样品进行结构分析。把透射电镜的工作方式切换到衍射模式，则在物镜后焦面上形成的花样在荧光屏上可以观察到，也可以用底片或相机记录下来。     仪器在物镜的后焦面位置有一个活动光阑。我们称之为物镜光阑。它是上面开有不同直径小孔的钼皮。小孔的直径从小到大依次是50微米、100微米、200微米。这个光阑的作用是控制到物镜像平面参与成像的电子束。我们可以不插入物镜光阑，让所有电子束到像平面成像。也可以插入光阑，让一束或多束电子到像平面成像。这里就涉及到透射电子显微镜的两种成像模式。只让一束电子通过物镜后焦面进而到像平面成像的模式称为衍射衬度（又称振幅衬度）模式。让一束以上通过物镜后焦面进而到像平面成像的模式称为高分辨模式（也称相位模式）。在衍射衬度模式中，如果让透射束到像平面成像，则称为明场像。如果让衍射束到像平面成像，则称为暗场像。对非晶样品，由于没有衍射束，所以一般也只有明场像之说。对晶体样品，不但有暗场，根据光路的不同，还有中心暗场与弱束暗场之分。中心暗场是让强衍射束通过。弱束暗场是让弱衍射束通过。通常观察样品的形貌、颗粒大小、组织结构、晶体缺陷等采用衍射衬度模式。如果需要观察晶体的原子排列特征，如晶格像、原子结构像等，就要采用高分辨模式。     在衍射衬度模式中，像平面上图象的衬度来源于两个方面。一是质量、厚度因素；一是衍射因素。所谓质量因素，是指由于样品的不同部位的密度不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，密度高的区域透过去的直进电子束弱于密度低的区域。于是到达荧光屏上的效果是密度高的区域暗，密度低的区域亮。这就形成了衬度。所谓厚度因素，是指由于样品的不同部位的厚度不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，厚区域透过去的直进电子束弱于薄的区域。于是到达荧光屏上的效果是厚区暗，薄区亮。这也形成了衬度。所谓衍射因素，是指由于样品上不同的部位产生电子衍射的情况不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，产生强衍射的区域透过去的直进电子束弱于产生弱衍射的区域。于是到达荧光屏上时，产生强衍射的区域暗，弱衍射的区域亮（明场像）。利用衍射因素，加上电子衍射花样，可以对材料中的许多内容进行研究，如晶界、位错、层错、孪晶、相界、反相畴界、析出相、取向关系等。     在高分辨模式中，像平面上图象的衬度来源于样品上不同区域透过去的电子（包括散射电子）的相位不同。在这种模式中，样品被看成一个三维的（有时近似为二维）的周期势函数。平面电子波打到样品后，受到该函数的影响，分为透射波（直进电子束）和衍射波。这些电子束从样品下表面出来时，有各自的振幅和相位。它们通过物镜后在后焦面处形成电子衍射花样。这些电子束再向前传播，在像平面成像。如果样品很薄，可以认为样品的作用仅仅是改变入射电子波的相位。于是从样品的不同部位出来的同方向的电子波具有同样的振幅。但如果势场不同，则从势能高的区域产生的透射波和衍射波间的相位改变不同于势能低的区域。由于像平面的图象衬度是样品上某一点发出的透射波与散射波的合成，所以像平面上势能高的区域形成的衬度会不同于势能低的区域。另外从势能相同的位置处（准确地讲，应该叫等效位置）出来的衍射束（包括透射束）之间的相位差是2π的整数倍。它们在像平面的合成会形成反映样品中势函数周期性的图象。由于势能高低与原子排列相关，所以这种图象也就反映了样品中原子的排列特征。我们也可以从另外一个角度来理解高分辨像的形成。根据光的传播原理和付里叶变换的定义，当平面电子波照到薄晶体样品后，在物镜后焦面形成的电子衍射花样就是描述样品的势函数（二维）的傅立叶变换花样。中央的亮斑是变换后的第一项（常数项）的平方。其它的衍射斑是每一子函数的模的平方。它到中央的距离代表频率。至于每一子函数的相位，很遗憾，在衍射花样中得不到反映。从后焦面的衍射花样再到物镜的像平面，又是一次傅立叶变换。这次的原函数是后焦面的花样。变换后的函数是像平面的图象。我们称这次变换为反变换。在理想的情况下（透镜无限大，透镜没有缺陷），反变换后的函数应该是样品的势函数。但实际上透镜不可能无限大，透镜也不可能没有缺陷。于是在像平面上的图象与样品的实际图象之间会有误差。在透射电镜中，该误差的主要来源是物镜的球差。为消除物镜球差的影响，在拍摄高分辨像时，常采用谢尔茨欠焦的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。上述的内容其实就是阿贝成像原理。一束光（广义的）通过物体后，物体的物理特征（如周期性的势函数）已经被融合到出射光里，或者说出射光携带了样品的结构信息。透镜把其中的一部分聚到后焦面形成衍射花样（傅立叶变换花样），这些波再进一步到像平面成像（傅立叶反变换）。透镜成了一种傅立叶变换装置。     仪器再往下是中间镜和投影镜。它们的作用是把后焦面的衍射花样或像平面的图象进一部放大，最后到达荧光屏。仪器的图象模式与衍射模式之间的切换就是改变中间镜的电流，使其物平面分别是物镜像平面和物镜后焦面。于是就可以很方便地把观察区域的形貌和该区域的衍射花样联系到一起。这里再介绍透射电镜很重要的一个功能，叫选区电子衍射。在物镜的像平面上，有一个活动光阑。它的结构与物镜光阑一样。只是孔的直径不同。有20微米、100微米、300微米三档。它的功能可以这样来描述：在图象模式中，如果用选区光阑套住图象中的某一部分，再转换到衍射模式，则在荧光屏上看到的电子衍射花样是被套住部分对应的样品上的区域产生的，而不是被电子束照射的所有区域产生的，尽管在物镜的后焦面上的电子衍射花样是样品上被电子束照射的所有区域产生的。这个功能非常有用。它使得我们在进行小区域的电子衍射时，没有必要把电子束缩到很小。当然，也可以用缩小电子束的办法来进行微区电子衍射。一般来说，100纳米以上用选区电子衍射。100纳米以下用微束电子衍射。     透射电镜的荧光屏是表面涂有荧光粉的铝板。电子打在荧光粉后，发出可见光。光强与照射的电子束强弱成比例。样品上不同地方的性质不同，则透过去的电子数量、电子波的相位、电子波的振幅就会不同。这些不同在荧光屏上形成亮度变化的图象。这些图象也就反映了样品里面的信息。     在荧光屏的下面是照相系统。以前都是用底片记录图象。现在的新机器大多采用CCD采集图象。就好比数码相机取代以前的底片照相机。     除了上面介绍的主机外，透射电镜一般都配有能谱。它装在样品的上方。利用从样品上激发出的特征X射线来判定样品的成分。在透射电镜上还有另一种测定样品成分的装置，叫电子能量损失谱（EELS）。它装在荧光屏的下面。它通过分析透过样品的电子的能量变化来判定样品的成分。它还可给出元素的电子层状态等信息。这是非常高级的分析手段。 第二部分：样品制备介绍     透射电镜的样品一般分为粉末样、薄膜样、生物样三类。对粉末样品，粒径最好在10微米以下。超过该尺寸的样品可能会伤害机器。通常将少量粉末样品用水或酒精等作为溶剂将其散开。经常采用超声波震荡的方法使粉末在溶剂中更加分散。然后用滴管或移液枪取少量液体滴在有膜铜网上。注意要滴在铜网的有膜面。这种铜网可以从电镜耗材公司购买。它的结构一般是空铜网+一层火棉胶膜（或方华膜）+一层碳膜。另外也有纯碳膜的铜网及专门用于高分辨的微栅网等其它规格的铜网。滴完液体后，要等铜网干了才能装入样品杆。对水样，为加快速度，一般用红外灯烘烤。     为观察金属、半导体、陶瓷等材料的内部组织结构，需要制备薄膜样品。工序如下：首先是从大块的样品上切一厚0.3-0.5毫米的薄片。如果样品是金属等导电的材料，一般采用线切割的办法。如果是陶瓷、半导体等材料，一般采用金刚石切割机。接着是采用机械研磨的办法把该薄片减薄到100微米左右。一般是在砂纸上进行。接着是把薄片加工成直径3毫米的圆片。对金属等韧性材料，有专门的冲片机。对陶瓷等脆性材料则用超声波切割机。接着再用专门的磨片机把该小圆片的厚度减到50微米左右。同样是在砂纸上进行。接下来对金属样品，一般采用双喷电解抛光机让小圆片的中央穿孔。孔的边缘很薄。电子可以透过。这样样品就算完成了。为去除样品表面的污染物，经常需要再把双喷过的样品用离子减薄仪打一下。这样效果会更好。但要注意选择离子减薄仪的工作参数，因为有的样品经不起离子轰击。换句话讲，就是离子轰击会改变样品的组织结构。对陶瓷样品，接下来的工序是用挖坑机在小圆片中央挖坑。最后使得坑的底部到另一面的厚度在10微米左右。然后把该样品用离子减薄仪轰击，直至穿孔。同样孔的边缘很薄，电子可以透过。为防止荷电，这种样品一般还要在表面（对着入射电子的那一面）喷一薄层碳。    为观察生物样品，同样需要制样。 第三部分：上机观察典型样品 在单倾台上装两个样。一是纳米金颗粒。一是碳纳米管。 按操作规程将样品杆插入机器。 开透镜电源，开高压电源。 确认真空表的指针在绿区，高压ready灯亮。按下HT钮。机器自动升高压。一般用120KV。 待高压加上并稳定后，加灯丝电流。即把灯丝电流发射钮慢慢顺时针转到饱和位置。这时在荧光屏上会看到放大的铜网像（50倍）。将倍率切换到2500倍。图象更明显。再将倍率切换到20000倍，就会看到铜网上的样品（金颗粒）。插入选区光阑（小号），让它套住许多金颗粒，切换到衍射模式，在荧光屏上将出现多晶衍射环。插入物镜光阑（小号），让它套住中央亮斑，切换到图象模式，并移去选区光阑，在荧光屏上就出现明场像。与不加物镜光阑相比，图象的对比度提高了。荧光屏上有一根标尺。根据它可以知道颗粒的尺寸。看完金颗粒后，把样品杆移到另一位置，观察碳纳米管。步骤同上。观察完后，关闭灯丝电流。高压可以不关。取下单倾杆。 在双倾杆的2号位装上不锈钢薄膜样。确认机器的样品位也是2号。插入样品杆。 开灯丝，在荧光屏上会看到样品上的小孔。用样品移动钮把小孔移到荧光屏的中央。切换到2500倍，用样品移动钮将适合观察的区域移到荧光屏中央。切换到20000倍，选择一个晶粒，用选区光阑套住该晶粒的一部分，切换到衍射模式，在荧光屏上出现单晶的电子衍射花样。用双倾台旋转样品，得到对称性很好的花样。如果样品较厚，还可以看到菊池线。用物镜光阑套住透射斑，切换到图象模式，会看到该晶粒的像及它与其它晶粒的界面。与没有旋转前相比，该晶粒变暗了。因为旋转后该晶粒衍射光变强了。再在该样品上寻找其它区域观察。会看到晶界、位错、层错、等倾条纹、等厚条纹。 第四部分：观看制样设备 1．真空镀膜机 2．金刚石圆片切割机 3．超声波切割机 4．冲片机 5．磨片机 6．挖坑机 7．电解双喷抛光机 8．离子减薄机 透射电镜(TEM)基本原理 Transmissim Electnonic Microscopy 透射电镜基本构造与光学显微镜相似，主要由光源、物镜和投影镜三部分组成，只不过用电子束代替光束，用磁透镜代替玻璃透镜。光源由电子枪和一或两个聚光镜组成，其作用是得到具有确定能量的高亮度的聚焦电子束。 SEM基本原理图： SEM的基本原理.jpg 透射电镜的构造 1. 电子透镜系统 2. 真空系统 3. 供电系统 电镜的成像光路上除了物镜和投影镜外，还增加了中间镜，即组成了一个三级放大成像系统。 三级放大成像图： 三级放大成像.jpg 物镜和投影镜的放大倍数一般为100，中间镜的放大倍数可调，为0－20。中间镜的物平面与物镜的像平面重合，在此平面装有一可变的光阔，称为选区光阑。荧光屏、光学观察放大镜及照相机等组成观察系统。 电镜构造的两个特点 1、磁透镜 磁透镜工作原理图： 磁透镜的工作原理.jpg 2、因为空气会便电子强烈地散射，所以凡有电子运行的部分都要求处于高真空，要达到1.33×10－4 Pa或更高。    光学显微镜中的玻璃透镜不能用于电镜，因为它们没有聚焦成像的能力，是“不透明”的。电流通过线圈时出现磁力线和南北极。    由于电子带电，会与磁力线相互作用，而使电子束在线圈的下方聚焦。只要改变线圈的励磁电流，就可以使电镜的放大倍数连续变化。为了使磁场更集中在线周内部也包有软铁制成的包铁，称为极靴化，极靴磁透镜磁场被集中在上下极靴间的小空间内，磁场强度进一步提高。 电子与样品相互作用产生的信息： HYPERLINK "http://www.emroom.cn/attachment.php?aid=62" \t "_blank" 电子与样品相互作用所产生的信息.jpg 电镜三要素 分辨率 大孔径角的磁透镜，100KV时，分辨率可达0.005nm。实际TEM只能达到0.1－0.2nm，这是由于透镜的固有像差造成的。        提高加速电压可以提高分辨率。已有300KV以上的商品高压(或超高压)电镜，高压不仅提高了分辨率，而且允许样品有较大的厚度，推迟了样品受电子束损伤的时间，因而对高分子的研究很有用。但高加速电压意味着大的物镜，500KV时物镜直径45－50cm。      对高分子材料的研究所适合的加速电压，最好在250KV左右。 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数量级以上。 衬度     在分析TEM图像时，亮和暗的差别(即衬度，又称反差)到底与样品的什么特性有关，这点对解释图像非常重要。 投射电子显微镜的样品处理 对样品的一般要求 1、样品需置于直径为2－3mm的铜制载网上，网上附有支持膜； 2、样品必须很薄，使电子束能够穿透，一般厚度为100nm左右； 3、样品应是固体，不能含有水分及挥发物； 4、样品应有足够的强度和稳定性，在电子线照射下不至于损坏或发生变化； 5、样品及其周围应非常清洁，以免污染而造成对像质的影响。 样品的一般制备方法 1、粉末样品可将其分散在支持膜上进行观察。    2、直接制成厚度在100－200nn之间的薄膜样品，观察其形貌及结晶性质。一般有真空蒸发法、溶液凝固(结晶)法、离子轰击减薄法、超薄切片法、金届薄片制备法。    3、采用复型技术，即制作表面显微组织浮雕的复形膜，然后放在透射电子显微镜中观察。制作方法一般有四种，即塑料(火棉胶)膜  一级复型、碳膜一级复型、塑料－碳膜二级复型、萃取复型。 透射电子显微镜的观测内容 1、表面起伏状态所反映的微观结构问题； 2、观测颗粒的形状、大小及粒度分布； 3、观测样品个各部分电子射散能力的差异； 4、晶体结构的鉴定及分析。 成像的影响因素 电子数目越多．散射越厉害，透射电子就越少，从而 图像就越暗 样品厚度、原子序数、密度对衬度也有影响，一般有下列关系： 1．样品越厚，图像越暗； 2．原于序数越大，图像越暗； 3．密度越大，图像越暗     其中，密度的影响最重要，因为高分子的组成中原于序数差别不大，所以样品排列紧密程度的差别是其反差的主要来源。 扫描电镜的最大特点 1.焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究 2.放大倍数范围广，从十几倍到2万倍，几乎覆盖了光学显微镜和TEM的范围 3.制样简单，样品的电子损伤小 4.这些方面优于TEM，所以SEM成为高分子材料，成为常用的重要剖析手段 扫描电镜图片： 扫描电镜.jpg 电镜图片： SEM与TEM的主要区别 1.在原理上，SEM不是用透射电子成像，而是用二次电子加背景散射电子成像。 2.在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外，检测系统完全不同。