电子显微技术

电子显微技术•电子显微镜(简称电镜，EM)经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。我国的电子显微学也有了长足的进展。电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖。总述：•电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等等。电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。总述：•电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，SEM)两大类。扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两者的性能。总述：总述——显微镜的发展历史•17世纪，光学显微镜（观察细菌和细胞的微米世界）理论极限分辨率0.2mm•20世纪20～30年代量子力学的发展（电子的波粒二相性）•1931年，第一台电子显微镜诞生（TEM）（观察病毒和纳晶的纳米世界）•1939年，德国西门子公司生产出第一批商业TEM•1942年，第一台实验室用SEM诞生•1965年，第一台商品SEM•1982年，第一台STM问世（标志着人类进入了人工操纵原子的时代）总述：光学显微镜与电子显微镜的区别总述：光学显微镜与电子显微镜的区别项目电子显微镜光学显微镜照明光源电子束可见光照明波长加速电压80kV时，波长其中紫色光波长400nm为0.0042nm分辨率0.2nm0.2μm（肉眼分辨0.2mm）放大倍数100万倍1000倍成像透镜电磁透镜玻璃透镜照明介质1.33x10-4Pa以上真空度空气、玻璃、油焦距调整调整物镜电流，改变磁场改变物镜与样品之间距离强度调整焦距调焦样品50～100nm超薄切片厚切片样品载体具有支持膜载网载玻片OpticalMicroscopeVSSEM总述：总述：Thecomparisonpictureofmicroscopeandtransmissionelectronmicroscope总述：Thecomparisonpictureofscanningelectronmicroscopeandtransmissionelectronmicroscope主要内容：•TEM——透射扫描电镜•SEM——扫描电子显微镜•STM——扫描遂道显微镜•AFM——原子力显微镜•ESEM——环境扫描电镜•STEM——扫描透射电镜•FESEM——场发射扫描电镜•SEAM——扫描电声显微镜TEM（透射电子显微镜）：•透射电子显微镜（英语：Transmissionelectronmicroscopy，缩写TEM），简称透射电镜。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。用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。TEM——透射电镜的结构•图5-11是透射电镜的外观照片。•通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成，其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。•图5-12是电子光学系统的组成部分示意图。由图可见透射电镜电子光学系统是一种积木式结构，上面是照明系统、中间是成像系统、下面是观察与记录系统。TEM——照明系统•照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。•电子枪是发射电子的照明光源。•聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。•照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。TEM——电子枪•电子枪是透射电子显微镜的电子源。•常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，•图5-13（a）为电子枪的自偏压回路，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。•图5-13（b）是电子枪结构原理图。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。TEM——灯丝TEM——聚光镜•聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统，如图5-14所示。第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小率为10～50倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为1～5μm；而第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果在样品平面上可获得2～10μm的照明电子束斑。TEM——从聚光镜到物镜TEM——成像系统•成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。•（一）物镜•物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。•物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。TEM——物镜•物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨率就越高。•为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而且或以提高图像的衬度。•此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。•在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和距离总是固定不变的，（即物距L1不变）。因此改变物理学镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距（即f和L2）来满足成像条件。TEM——中间镜•中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍范围调节。当M1时，用来进一步放大物镜的像；当M1时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。•如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子显微镜中的成像操作，如图5-15（a）所示。如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是电子显微镜中的电子衍射操作，如图5-15（b）所示。TEM——投影镜•投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。TEM——成像系统•高性能的透射电镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。见图TEM——观察与记录系统•观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数十厘米的间距，仍能得到清晰的图像透射电镜的主要部件——样品台•样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。透射电镜的样品是放置在物镜的上下极靴之间，由于这里的空间很小，所以透射电镜的样品也很小，通常是直径3mm的薄片。透射电镜的主要部件——样品台透射电镜的主要部件——消像散器•消像散器可以是机械式的，可以是电磁式的。机械式的是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它们来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场校正成接近旋转对称的磁场。电磁式的是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场的透射电镜的主要部件——光阑•在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，它们的作用主要是挡掉发散的电子，保证电子束的相干性和照射区域。其中三种主要的可动光阑是第二聚光镜光阑，物镜光阑和选区光阑。光阑都用无磁性的金属（铂、钼等）制造。透射电镜的主要部件——第二聚光镜光阑•四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上（图5-19），使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入，使光阑孔中心位于电子束的轴线上（光阑中心和主焦点重合）。•聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。光阑孔的直径为20～400μm作一般分析观察时，聚光镜的光阑孔径可用200～300μm，若作微束分析时，则应采用小孔径光阑。TEM——样品制备1、超薄切片：将包埋块中的生物样品切成一定厚度的薄片，在透射电子显微镜下观察细胞的细微结构。以了解不同结构形态、不同功能的细胞内部结构和成分。2、冷冻复型：一种制备透射电子显微镜样品的方法。也可称为冷冻断裂或冷冻蚀刻技术。在生物、化学科学等领域，是一项重要的实验技术。TEM——样品制备超薄切片技术主要包括取材、固定、包埋、切片、染色等步骤。TEM——样品制备化学固定防冻保护样品冷冻和断裂冷冻蚀刻和冷冻复型复型膜剥离和捞膜冷冻复型技术流程透射电镜的主要部件——物镜光阑•物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放在物镜的后焦面上。•常用物镜光阑孔的直径是20～120μm范围。•电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角(或衍射角)较大的电子被光阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原因。加入物镜光阑使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。•物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。利用明暗场显微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。透射电镜的主要部件——选区光阑•选区光阑又称场限光阑或视场光阑。•为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。•对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是50倍，则一个直径等于50μm的光阑就可以选择样品上直径为1μm的区域。•选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑孔的直径位于20～400μm范围之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。SEM（扫描电子显微镜）：•扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。SEM——原理利用扫描线圈使电子束在样品表面进行扫描，由于高能电子束与样品物质的相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。利用二次电子信息对样品表面的组织或形貌进行检测、分析和成像。样品入射电子Auger电子阴极发光背散射电子二次电子X射线透射电子SEM——扫描电镜的结构扫描电镜的主要结构：主要包括五个主要组成部分：电子束会聚系统、样品室、真空系统、电子学系统和显示部分。SEM——扫描电镜的结构SEM——电子会聚系统•由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。•其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径电子枪SEM——真空系统•扫描电镜的镜体和样品室内部都需要保持1.33×10-2~1.33×