6透射电子显微镜

透射电子显微镜•电子束与固体样品的相互作用具有高能量的入射电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后，可产生多种物理信号。电子束和固体样品表面作用时的物理现象•一、背射电子•弹性背反射电子是指被样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。•非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数量上看，弹性背反射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度电子束在试样中的散射示意图•背反射电子产额和二次电子产额与原子序束的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背反射电子的产额随原子序数的增加而增加（右图），所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。•二、二次电子•二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。•二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到1nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。•二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表面形貌。三、特征X射线•特征X射线是原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5mm深处发出。四、俄歇电子•如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。•因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。显微镜的历史大约在400年前（1590年），由荷兰科学家杨森和后来的博物学家列文虎克发明和完善的显微镜，向人们揭示了一个陌生的微观世界，他们是开辟人类显微分析的始祖。早期的显微镜因为早期的显微镜以玻璃镜片做透镜，使用可见光为光源，所以人们把它称为光学显微镜。现在，最好的光学显微镜可以达到1500倍的放大倍数。现代的光学显微镜在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大倍数和分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平，不可能再有所新的突破。后来，人们终于发现：是显微镜所使用的光源限制了光学显微镜的放大倍数和分辨率的进一步发展。因为，可见光的波长在390纳米到760纳米之间，而显微镜的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波长的大小，所以光学显微镜的理论极限分辨本领也就在200纳米左右。光的本质光具有波粒两像性，其中波长是光的特性之一。随着科学技术的发展，人们对于光有了深入的认识。人们知道了电磁波，红外线和X射线等等和普通的可见光一样都是光的一种，它们都具有光的一般性质，只不过它们的波长有所不同。关于显微学的一些基本概念分辨率放大倍数与空放大聚焦，欠焦与过焦景深什么是分辨率？简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小距离。人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借助于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物体至少放大到0.1个毫米以上，我们才能看清它。不同波长光源分辨本领的比较点分辨的比较示意图放大与空放大定义：对于某一显微镜而言，在其可分辨能力之内的图像放大，叫做有效放大。此时的图像放大不失图像表面的细节。而在显微镜分辨能力以外的图像放大，叫做空放大，也叫做无效放大。空放大只是放大了图像的轮廓，而不能放大和分辨图像表面的细节。空放大的示意图聚焦和景深的概念聚焦：简单地说就是让图像最清楚。在理论上讲，就是让成像在透镜的焦点上。欠焦：就是成像还未达到焦点。过焦：就是成像已超过了焦点。景深：就是在焦点附近能看清图像的余量。一般在低倍率下景深较大，在高倍率下景深变小。光学焦距图小光圈(f是大值)，大景深大光圈（f小），小景深既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。电子显微镜的产生电磁透镜研究发现：静电磁场可以使电子的运动方向发生改变，对称的静电磁场可以像玻璃聚焦光线那样把电子束汇聚成一点，这使得用电子束聚焦成像成为可能，这样就产生了电磁透镜。由于电磁透镜能把电子束象光一样地聚焦成像，所以使用电子束做为光源的显微镜就应运而生了。这就是电子显微镜。静电透镜示意图实用的电子显微镜经过不断的实验和摸索，在上个世纪三十年代，由德国科学家M·克诺尔与E·鲁斯卡在柏林工学院制造出了世界上第一台透射式电子显微镜。由于使用了电子束做为显微镜的光源，电子显微镜的分辨率大大超过了光学显微镜，达到了零点几个纳米的水平。电子显微镜与光学显微镜的光路比较加速电压与电子束波长的关系电子显微镜的电子束波长视其所使用的加速电压的大小而定，一般加速电压在100KV的电子显微镜其电子束的波长约为0.4纳米，这样电子显微镜的分辨率应该可以达到两个埃(0.2纳米）的水平，这要比光学显微镜的分辨率高的多的多。超高压的电子显微镜其电子束的波长更短，所以会有更高的分辨率。普通的透射电子显微镜超高压电子显微镜透射电子显微镜电子显微镜的分类电子显微镜基本分为两种类型：一种是：透射电子显微镜，另一种是：扫描电子显微镜。透射电镜是透射成像，图像是二维的，靠欠焦形成一定的图像反差。扫描电镜是反射成像，图像是三维的，有很好的立体感，但分辨率低于透射电镜，目前指标分辨率可以达到3个纳米。扫描电子显微镜图其它型式的显微镜扫描隧道显微镜：利用隧道电流效应原子力显微镜：利用原子力效应激光力显微镜：利用激光作用力磁力显微镜：利用磁作用力以上各类显微镜都属于探针触摸效应方式的，而光学显微镜和电子显微镜则属于光的视觉效应方式。使用电子显微镜的一般要求由于电子显微镜镜体内为真空系统，所以要求被分析物质应为干燥的，不含有水分或挥发性溶剂的样品。对于透射电镜还要求被分析样品要做的很薄，最好在100纳米以下，以有利于电子束的穿透成像。当加速电压较高时，电子束的穿透力会更强，所以样品可以做得厚一些。透射电镜的制样目的制样目的：就是要使样品做的很薄，以利于电子束的穿过。制样方法：可以是粉碎；切片；研磨；减薄；分散，以及复型或染色等等。制样使用的设备有：超薄切片机；真空镀膜机；离子减薄仪等等。超薄切片机真空镀膜机离子镀膜机样品制备的具体要求和方法对于粉末样品一般要求粒度应小于300纳米，粒度较大时，会只能看到颗粒的轮廓，不能分析颗粒表面上的细节。纤维类样品得直径应最好小于200纳米。不论是纤维，粉末或高分子纳米球的样品都要在适当的溶液中做良好的分散，然后滴在或捞到铜网上的支撑膜上。对于特殊样品需要做特殊的制备，列如：切片，染色，离子减薄或复型处理。铜网和承载样品的支撑膜透射电子显微镜使用的铜网一般直径为2毫米，上面铳有许多微米大小的孔，在铜网上覆盖了一层很薄的火棉胶膜并在上面蒸镀了碳层以增加其膜的强度，被分析样品就承载在这种支撑膜上。如果在连续的火棉胶膜上再制出一些通透的孔，我们把这种支撑膜叫作“微筛”。高分辨分析时一般使用微筛来承载样品。什么是染色？对于反射电子能力差，图像衬度小的样品常用染色的方法来提高成像的质量。染色的目的就是让被分析样品结合上一些重金属，以增加其反射电子的能力，使样品成像的衬度变大，最终获得高质量的电镜照片。染色常常是对于生物样品或高分子样品而言的，染色的方法有许多种，对于不同的样品其染色方法可能完全不同。无机粉末样品的制备要求首先，样品的粒度要足够的小，例如在100纳米以下。如果有团聚较大的颗粒，要适当的做研磨处理。一般将粉末样品置于无水乙醇之中，使用超声波将其充分分散，然后再滴到微筛膜上，自然凉干后就可用于电镜分析了。超声波仪电镜照片的分析对电镜照片的分析，应先从各种资料中尽可能地对被分析样品有所了解，估计可能出现的结果，再与电镜照片进行比对，做出正确的解释。对于金属氧化物可能具有一些典型的构成形状，如球形，条形，支形或核形等等，可以根据这些形状来判断金属氧化物的种类和生长情况。现代电镜一般都带有“能谱”附件，对于不好判断的晶粒形状，可以使用X光能谱对所分析的样品做分区元素分析，然后再做出其正确的判断。典型电镜照片的比较金颗粒三氧化二铁单晶，多晶与非晶的比较使用电镜的电子衍射功能可以判断样品的结晶状态：单晶为排列完好的点阵。多晶为一组序列直径的同心环。非晶为一对称的球形。单晶，多晶与非晶的电子衍射图一些样品的电镜照片高分子球碳棒MCM41一些样品的电镜照片Ni晶粒催化剂表面Co颗粒不同温度下TiO2晶粒生长的情况纤维，角形和花状的电镜照片球表面的Au，氧化镧，Fe2O3Zn粒，Al2O3，单壁碳管高分子网，晶体层面，纳米球局部的单晶，晶粒的生长，晶体棒与颗粒氧化膜，碳管组装，银粒生长样品表面的凹凸形态和附着物晶体颗粒，FFT变换，电子衍射硅的晶格排布金刚石的晶格排布TECNAI-20拍的AU单晶膜电镜使用中的一些问题放大倍数不是越大越好。要搞清你做电镜分析的目的。不是什么样品都能达到分辨率的指标。要获得高质量的电镜照片，样品制备是一个重要的因素。好的设备，加上适当的样品处理和精心的操作才能得到高水平的电镜分析结果。含有表面活性剂的硫化物总结透射电子显微镜是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2?m、光学显微镜下无法看清的结构，又称亚显微结构。透射电镜(TEM)样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000埃的薄膜。成像原理可分为三种情况：吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。相位像：当样品薄至100?以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。样品上厚的部分或重元素多的部分对电子散射的几率大。透过这些部分的电子在后焦面上分布在轴外的多。用光阑截去部分散射电子会使质量厚度大的部位在像中显得暗。