电子显微镜讲义-TEM-XXXX(第3,4节)XXXX1127

•回顾：电子与固体的相互作用•a.背散射电子（backscatteringelectron）二次电子(secondaryelectron)a.背散射电子b.二次电子f.俄歇电子e.特征X射线g.阴极发光d.透射电子c.吸收电子c.吸收电子试样电子束•一、背散射电子和二次电子•Mg入射电子二次电子KL背散射电子背散射电子•背散射电子和二次电子的区别：•性能背散射电子二次电子1.来源不同：2.能量不同：3.测试深度不同：4.分辨率不同：5.与原子系数的关系：6.图像信息不同：7.图像阴影：反射的入射电子激发出来的试样电子数千ev至数万ev不超过50ev，一般几ev200-300nm小于10nm200-300nm小于10nm有没有形貌及成分分布形貌有无第三节透射电子显微镜结构和应用•透射电子显微镜的定义：•透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦，通过电子透过成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。•透射电子显微镜的分类•（一）根据电镜的功能：•1.普通电镜2.高分辨电镜（HRTEM）3.扫描透射电镜（STEM）4.分析型电镜（AEM）等等。•扫描透射电镜•SEM中电子射线作用于样品后，其中一部分电子可透过样品成为透射电子，将透过样品的透射电子和散射电子用检测器接收成像，即成为扫描透射电镜。这种电镜一般用场发射电子枪，兼有TEM、SEM和分析电镜的特点，能观察较厚的样品，分辨本领和成像质量都很好，是近年来电镜技术的最大改进之一。•分析电镜•分析电镜是利用电子射线轰击样品所产生的X射线或俄歇电子对样品元素进行分析的一类电镜。其特点是能在观察超微结构的同时，对样品中一个极微小的区域进行化学分析，从而在超微结构水平上测定各种细胞结构的化学成分及其变化规律。•1）分析TEM。在TEM上配备X射线能谱仪后即成为分析TEM，目前很多100KV和200KVTEM都可以装上X射线检测附件，进行样品的元素分析。•2）分析SEM。在SEM上配备X射线能谱仪后，便可兼有电子探针分析样品化学成分的功能。•3）扫描俄歇电镜。把SEM与俄歇电子能量分析仪相结合，即成为扫描俄歇电镜，它能对样品表面进行微区元素分析，是一种表面微观分析电镜。•1.3.2根据加速电压的大小分为以下3种：•（1）一般TEM。最常用的是100KV电镜。这种电镜分辨率高（点0.3nm，晶格0.14nm），但穿透本领小，观察样品必须很薄，约为30～100nm，如细胞和组织的超薄切片、复型膜和负染样品等。相当普及。我校有这样的设备，分辨率达到0.2nm。•（2）高压TEM。目前常用的是200KV或300KV电镜。这种电镜对样品的穿透本领约为100KV电镜的1.6倍以上，可以在观察较厚样品时获得很好的分辨本领，从而可以对样品的结构进行三维观察，200KV分辨率可达到0.19nm。•（3）超高压TEM。目前已有500KV、1000KV和3000KV的超高压TEM。这类电镜具有穿透本领强、辐射损伤小、可以配备环境样品室及进行各种动态观察等优点，1000KV分辨率也已达到0.1nm。•常规透射电镜:120kV（200KV）；测试样品厚度小于100nm；•低超高压电镜：200-500kV；测试样品厚度大于200nm；•超高压电镜：500-1000kV；测试样品厚度达到7微米；•高超高压电镜：大于1000kV。透射电子显微镜的结构•透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。•主要包括以下几个部分:电子光学系统（镜筒）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似.•2.1.1照明系统•①组成：由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。•②作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2°-3°范围内倾斜。•栅极的作用：限制和稳定电流。从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步会聚成近似平行的照明束，这个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。•1.电子枪电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并会聚成交叉点。目前电子显微镜使用的电子源有两类：1热电子源——加热时产生电子，W丝，LaB62场发射源——在强电场作用下产生电子，场发射电镜（FE）热阴极电子源电子枪的结构如图所示，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间会聚为尺寸为d0的交叉点，通常为几十um。2.聚光镜聚光镜的作用是会聚电子枪发射出的电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般采用双聚光镜系统，如图所示。1.为了调整束斑大小，在C2聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可获得几um的电子束斑；2.为了减小像散，在C2下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的.电子枪光斑第一聚光镜M=0.1-0.021μm第二聚光镜M=2分析附件光澜2μm50μm透射电子2.1.2.成像系统由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成1.物镜a用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。b物镜通常为强励磁、短焦透镜（f=1-3mm）,放大倍数100—300倍，目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm。c物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度，极靴间距越小，分辨率就越高。d为进一步减小物镜球差，在物镜后焦面上安放物镜光阑。2.物镜光阑装在物镜背焦面，直径20—120um，无磁金属制成（Pt、Mo等)作用：a提高像衬度b减小孔径角，从而减小像差c进行暗场成像3.选区光栏装在物镜像平面上，直径20-400um作用：对样品进行微区衍射分析。4.中间镜中间镜是一个弱励磁、长焦距、变倍率透镜，放大倍数可调节0—20倍作用1控制电镜总放大倍数2成像/衍射模式选择工作原理见图5.投影镜短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜,孔径角很小。放大倍数100万倍。小孔径角有两个特点：景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图像清晰度焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。注意：目前，一般电镜装有附加投影镜，用以自动校正磁转角成像系统的两个基本操作：a衍射操作模式b成像操作模式2.1.3观察记录系统观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿光的荧光物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的聚集和观察。照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时间很短，一般只需几秒钟。新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。现代电镜已开始装有电子数码照相装置，即CCD相机。2.2主要部件的结构与工作原理2.2.1样品平移与倾斜装置（样品台）电镜样品小而薄，通常用外径3mm的样品铜网支持，网孔或方或园，约0.075mm，见图。样品台的作用是承载样品，并使样品在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。平移是样品台的基本动作，平移最大值±1mm。倾斜装置用的最普遍的是“侧插”式倾斜装置，如图所示。.2.2电子束倾斜与平移装置新式电镜都带有电磁偏转器，使入射电子束平移和倾转，其原理见图，上、下两线圈联动的。利用电子束原位倾斜可以进行中心暗场成像操作。2.2.3消像散器用来消除或减小透镜磁场的非轴对称性，把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场的装置。消像散器分为机械式和电磁式两类。机械式：电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体来吸引部分磁场。电磁式：通过电磁极间的吸引和排斥来校正磁场，如图所示，两组四对电磁体排列在透镜磁场外围，每对电磁体同极相对安置。通过改变两组电磁体的励磁强度和磁场的方向实现校正磁场。消像散器一般安装在透镜的上、下极靴之间。2.2.4光阑透射电镜有三种主要光阑：聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。1.聚光镜光阑作用：限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，该光阑装在第二聚光镜下方。光阑孔直径：20-400um，一般分析用时光阑孔直径用200-300um，作微束分析时，采用小孔径光阑。2.物镜光阑也称衬度光阑，安装于物镜的后焦面。光阑孔直径20-120um功能与作用：a提高像衬度b减小孔径角，从而减小像差c进行暗场成像由无磁金属制成（Pt、Mo等)制造。由于小光阑孔容易污染，高性能电镜常用抗污染光阑或自洁光阑，结构如图所示。光阑孔周围开口，电子束照射后热量不易散出，处于高温状态，污染物不易沉积。光阑常做成四个一组的光阑孔，安装在光阑杆的支架上。使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入。3.选区光阑为了分析样品上的微区，应在样品上放置光阑来限定微区，对该微区进行衍射分析叫做选取衍射。该光阑是选区光阑，也称限场光阑或视场光阑。因为要分析的微区很小，一般数微米量级，要做这样小的光阑孔在技术上有难度，也很容易污染，因此选取光阑都放置在物镜的像平面位置。可以达到放置在样品平面上的效果，但光阑可以做的更大些。如果物镜的放大倍数是50，则一个直径为50um的光阑可以选择样品上1um的微区。选取光阑由无磁性金属材料制成，光阑孔径范围20-400um，大小不同的四孔一组，由光阑支架分档推入。2.3透射电镜的主要性能参数及测定2.3.1主要性能参数分辨率、放大倍数、加速电压2.3.2分辨率及其测定：分为点分辨率和晶格分辨率1.点分辨率透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。测定方法：Pt或贵金属蒸发法将Pt或贵金属真空加热蒸发到支持膜（火棉胶、碳膜）上，可得到粒径0.5-1nm、间距0.2-1nm的粒子。高倍下拍摄粒子像，再光学放大5倍，从照片上找粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应的点分辨率，如图所示。2.晶格分辨率当电子束射入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位向差。由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像，如图所示。注意：晶格分辨率与点分辨率是不同的，点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。TEM图像的成像及应用TEM发现聚合物单晶（singlecrystal）PE单晶螺旋生长1957年A.J.Keller首先发现浓度0.01%的聚乙烯溶液中，极缓慢冷却时可生成棱形片状的、电镜下可观察到的片晶，呈现出单晶特有典型的电子衍射图。随后陆续发现聚甲醛、尼龙、聚脂等单晶。电镜在聚合物结晶模型确定中的一个重要贡献KellerA.Phil.Mag.,1957,2:1171.FischerEW.Z.Naturforsch,1957,12A:753.TillP.J.Polym.Sci.,1957,24:301.D、指纹织构（Fingerprinttexture）是胆甾相的一个典型织构。胆甾相一般存在手性分子，手性的存在使分子间的排列发生扭曲，形成尺寸很大的螺旋结构，螺距足够大时，胆甾相常呈现层线织构，当层线发育受阻时则表现为指纹织构。通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态，但是难以准确判断液晶相的类型，需要进一步借助衍射实验来确定。高分辨能力像衬度定义：像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。1、非晶样品的像衬度非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。质厚衬度适用于对复型膜试样电子图像作出解释。质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。2、衍射衬度对于晶体，