電子顯微鏡講義-2012(第三節(jié))2012.11.28

1、回顧： 電子與固體的相互作用a.背散射電子 （back scattering electron）二次電子 (secondary electron),,,,,,,,,,,,,,,,,,a.背散射電子,b.二次電子,f.俄歇電子,e.特征X射線,g.陰極發(fā)光,d.透射電子,c.吸收電子,c.吸收電子,,試樣,電子束,,一、背散射電子 和二次電子,,,,,,,,,,,,,,,,,Mg,,入射電子,,二次電子,K,L,,背散射電子,,背散

2、射電子,背散射電子和二次電子的區(qū)別： 性能 背散射電子 二次電子 來源不同：能量不同：測(cè)試深度不同： 分辨率不同：與原子系數(shù)的關(guān)系：圖像信息不同：圖像陰影：,反射的入射電子 激發(fā)出來的試樣電子數(shù)千ev至數(shù)萬ev 不超過50 ev，一般幾ev 200-300nm

3、 小于10nm200-300nm 小于10nm有 沒有形貌及成分分布 形貌有 無,第三節(jié),透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和應(yīng)用,透射電子顯微鏡的定義：透射電子顯微鏡是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦，通過電子透過成像的一種高分辨率

4、、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。透射電子顯微鏡的分類（一）根據(jù)電鏡的功能： 1.普通電鏡 2.高分辨電鏡（HRTEM） 3.掃描透射電鏡（STEM） 4.分析型電鏡（AEM）等等。,掃描透射電鏡 SEM中電子射線作用于樣品后，其中一部分電子可透過樣品成為透射電子，將透過樣品的透射電子和散射電子用檢測(cè)器接收成像，即成為掃描透射電鏡。這種電鏡一般用場(chǎng)發(fā)射電子槍，兼有TEM、SEM

5、和分析電鏡的特點(diǎn)，能觀察較厚的樣品，分辨本領(lǐng)和成像質(zhì)量都很好，是近年來電鏡技術(shù)的最大改進(jìn)之一。,分析電鏡分析電鏡是利用電子射線轟擊樣品所產(chǎn)生的X射線或俄歇電子對(duì)樣品元素進(jìn)行分析的一類電鏡。其特點(diǎn)是能在觀察超微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)樣品中一個(gè)極微小的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)分析，從而在超微結(jié)構(gòu)水平上測(cè)定各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分及其變化規(guī)律。 1）分析TEM。在TEM上配備X射線能譜儀后即成為分析TEM，目前很多100KV和 200KV TEM都可以

6、裝上X射線檢測(cè)附件，進(jìn)行樣品的元素分析。 2）分析SEM。在SEM上配備X射線能譜儀后，便可兼有電子探針分析樣品化學(xué)成分的功能。 3）掃描俄歇電鏡。把SEM與俄歇電子能量分析儀相結(jié)合，即成為掃描俄歇電鏡，它能對(duì)樣品表面進(jìn)行微區(qū)元素分析，是一種表面微觀分析電鏡。,1.3.2 根據(jù)加速電壓的大小分為以下3種：（1）一般TEM。最常用的是100KV電鏡。這種電鏡分辨率高（點(diǎn)0.3nm，晶格0.14nm），但穿透本領(lǐng)小，觀察樣

7、品必須很薄，約為30～100nm，如細(xì)胞和組織的超薄切片、復(fù)型膜和負(fù)染樣品等。相當(dāng)普及。我校有這樣的設(shè)備，分辨率達(dá)到0.2nm。（2）高壓TEM。目前常用的是200KV或300KV電鏡。這種電鏡對(duì)樣品的穿透本領(lǐng)約為100KV電鏡的1.6倍以上，可以在觀察較厚樣品時(shí)獲得很好的分辨本領(lǐng)，從而可以對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維觀察，200KV分辨率可達(dá)到0.19nm。（3）超高壓TEM。目前已有500KV、1000KV和3000KV的超高壓TEM。

8、這類電鏡具有穿透本領(lǐng)強(qiáng)、輻射損傷小、可以配備環(huán)境樣品室及進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)觀察等優(yōu)點(diǎn)，1000KV分辨率也已達(dá)到0.1nm。,常規(guī)透射電鏡: <120kV（<200KV）； 測(cè)試樣品厚度小于100nm；低超高壓電鏡：200-500kV； 測(cè)試樣品厚度大于200nm；超高壓電鏡： 500-1000kV； 測(cè)試樣品厚度達(dá)到7微米；高超高壓電鏡

9、：大于1000kV。,透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。主要包括以下幾個(gè)部分:,電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）是其核心，它的光路圖與透射光學(xué)顯微鏡相似.,2.1.1 照明系統(tǒng)① 組成： 由電子槍、聚光鏡（1、2級(jí)）和相應(yīng)的平移對(duì)中、傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。②作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度高、束斑小、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足

10、明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像需要，照明束可在2°-3°范圍內(nèi)傾斜。,柵極的作用：限制和穩(wěn)定電流。 從電子槍發(fā)射出的電子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，為此，需進(jìn)一步會(huì)聚成近似平行的照明束，這個(gè)任務(wù)由聚光鏡實(shí)現(xiàn)，通常有兩級(jí)聚光鏡來聚焦。,1. 電子槍 電子槍是電鏡的電子源。其作用是發(fā)射并加速電子，并會(huì)聚成交叉點(diǎn)。 目前電子顯微鏡使用的電子源有兩類： 1 熱電子源——加熱時(shí)產(chǎn)生電子，W絲，

11、LaB6 2 場(chǎng)發(fā)射源——在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電子，場(chǎng)發(fā)射電鏡（FE） 熱陰極電子源電子槍的結(jié)構(gòu)如圖所示，形成自偏壓回路，柵極和陰極之間存在數(shù)百伏的電位差。電子束在柵極和陽極間會(huì)聚為尺寸為d0的交叉點(diǎn)，通常為幾十um。,2. 聚光鏡 聚光鏡的作用是會(huì)聚電子槍發(fā)射出的電子束，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑大小。一般采用雙聚光鏡系統(tǒng)，如圖所示。1. 為了調(diào)整束斑大小，在C2聚光鏡下裝一個(gè)聚光鏡光欄。

12、通常經(jīng)二級(jí)聚光后可獲得幾u(yù)m的電子束斑；2. 為了減小像散，在C 2下還要裝一個(gè)消像散器，以校正磁場(chǎng)成軸對(duì)稱性的.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電子槍光斑,,第一聚光鏡M=0.1-0.02,1μm,第二聚光鏡M=2,分析附件,光瀾,2μm,50μm,,,2.1.2 成像系統(tǒng)由物鏡、物鏡光欄、選區(qū)光欄、中間鏡（1、2）和投影鏡組成 1. 物 鏡 a  用來獲得第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射

13、花樣的透鏡。電鏡的分辨率主要取決于物鏡，必須盡可能降低像差。b 物鏡通常為強(qiáng)勵(lì)磁、短焦透鏡（f = 1-3mm）,放大倍數(shù)100—300倍，目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達(dá)0.1nm。 c 物鏡的分辨率主要決定于極靴的形狀和加工精度，極靴間距越小，分辨率就越高。d  為進(jìn)一步減小物鏡球差，在物鏡后焦面上安放物鏡光闌。2. 物鏡光闌 裝在物鏡背焦面，直徑20—120um，無磁金屬制成（Pt、Mo等)作用：

14、a    提高像襯度b    減小孔徑角，從而減小像差c     進(jìn)行暗場(chǎng)成像3. 選區(qū)光欄裝在物鏡像平面上，直徑20-400um作用：對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)衍射分析。,4. 中間鏡 中間鏡是一個(gè)弱勵(lì)磁、長(zhǎng)焦距、變倍率透鏡，放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)0—20倍 作用1    控制電鏡總放大倍數(shù)2 

15、   成像/衍射模式選擇工作原理見圖,5. 投影鏡 短焦、強(qiáng)磁透鏡，進(jìn)一步放大中間鏡的像。投影鏡內(nèi)孔徑較小，使電子束進(jìn)入投影鏡, 孔徑角很小。放大倍數(shù)100萬倍。小孔徑角有兩個(gè)特點(diǎn)：景深大，改變中間鏡放大倍數(shù)，使總倍數(shù)變化大，也不影響圖像清晰度 焦深長(zhǎng)，放寬對(duì)熒光屏和底片平面嚴(yán)格位置要求。 注意：目前，一般電鏡裝有附加投影鏡，用以自動(dòng)校正磁轉(zhuǎn)角成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作：a 衍射操作模式b&

16、#160; 成像操作模式,2.1.3 觀察記錄系統(tǒng)觀察和記錄系統(tǒng)包括熒光屏和照相機(jī)構(gòu)。 熒光屏涂有在暗室操作條件下，人眼較敏感、發(fā)綠光的熒光物質(zhì)，有利于高放大倍數(shù)、低亮度圖像的聚集和觀察。照相機(jī)構(gòu)是一個(gè)裝在熒光屏下面，可以自動(dòng)換片的照相暗盒。膠片是一種對(duì)電子束曝光敏感、顆粒度很小的溴化物乳膠底片，為紅色盲片，曝光時(shí)間很短，一般只需幾秒鐘。    新型電鏡均采用電磁快門，與熒光屏聯(lián)動(dòng)。有的裝有自

17、動(dòng)曝光裝置。    現(xiàn)代電鏡已開始裝有電子數(shù)碼照相裝置，即CCD相機(jī)。,2.2 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1 樣品平移與傾斜裝置（樣品臺(tái)）電鏡樣品小而薄，通常用外徑3mm的樣品銅網(wǎng)支持，網(wǎng)孔或方或園，約0.075mm，見圖。              

18、0;                                    &#

19、160;           樣品臺(tái)的作用是承載樣品，并使樣品在物鏡極靴孔內(nèi)平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進(jìn)行觀察分析。平移是樣品臺(tái)的基本動(dòng)作，平移最大值 ± 1mm。傾斜裝置用的最普遍的是“側(cè)插”式傾斜裝置，如圖所示。,.2.2 電子束傾斜與平移裝置新式電鏡都帶有電磁偏轉(zhuǎn)器，使入射電子束平移

20、和傾轉(zhuǎn)，其原理見圖，上、下兩線圈聯(lián)動(dòng)的。利用電子束原位傾斜可以進(jìn)行中心暗場(chǎng)成像操作。,2.2.3 消像散器用來消除或減小透鏡磁場(chǎng)的非軸對(duì)稱性，把固有的橢圓形磁場(chǎng)校正成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)的裝置。消像散器分為機(jī)械式和電磁式兩類。機(jī)械式：電磁透鏡的磁場(chǎng)周圍放置幾塊位置可以調(diào)節(jié)的導(dǎo)磁體來吸引部分磁場(chǎng)。電磁式：通過電磁極間的吸引和排斥來校正磁場(chǎng)，如圖所示，兩組四對(duì)電磁體排列在透鏡磁場(chǎng)外圍，每對(duì)電磁體同極相對(duì)安置。通過改變兩組電磁體的勵(lì)磁強(qiáng)度和

21、磁場(chǎng)的方向?qū)崿F(xiàn)校正磁場(chǎng)。,消像散器一般安裝在透鏡的上、下極靴之間。,,,,,,,,,,,,,,,2.2.4 光闌透射電鏡有三種主要光闌：聚光鏡光闌、物鏡光闌和選區(qū)光闌。1.  聚光鏡光闌作用：限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，該光闌裝在第二聚光鏡下方。光闌孔直徑：20-400um，一般分析用時(shí)光闌孔直徑用200-300um，作微束分析時(shí)，采用小孔徑光闌。2.  物鏡光闌也稱襯度光闌，安裝于物鏡的后焦面

22、。光闌孔直徑20-120um功能與作用：a    提高像襯度b    減小孔徑角，從而減小像差c    進(jìn)行暗場(chǎng)成像 由無磁金屬制成（Pt、Mo等)制造。由于小光闌孔容易污染，高性能電鏡常用抗污染光闌或自潔光闌，結(jié)構(gòu)如圖所示。光闌孔周圍開口，電子束照射后熱量不易散出，處于高溫狀態(tài)，污染物不易沉積。 光闌常做成四個(gè)一組的光

23、闌孔，安裝在光闌桿的支架上。使用時(shí)，通過光闌桿的分檔機(jī)構(gòu)按需要依次插入。,3.  選區(qū)光闌 為了分析樣品上的微區(qū)，應(yīng)在樣品上放置光闌來限定微區(qū)，對(duì)該微區(qū)進(jìn)行衍射分析叫做選取衍射。該光闌是選區(qū)光闌，也稱限場(chǎng)光闌或視場(chǎng)光闌。因?yàn)橐治龅奈^(qū)很小，一般數(shù)微米量級(jí)，要做這樣小的光闌孔在技術(shù)上有難度，也很容易污染，因此選取光闌都放置在物鏡的像平面位置?？梢赃_(dá)到放置在樣品平面上的效果，但光闌可以做的更大些。  如

24、果物鏡的放大倍數(shù)是50，則一個(gè)直徑為50um的光闌可以選擇樣品上1um的微區(qū)。,選取光闌由無磁性金屬材料制成，光闌孔徑范圍20-400um，大小不同的四孔一組，由光闌支架分檔推入。,2.3 透射電鏡的主要性能參數(shù)及測(cè)定2.3.1  主要性能參數(shù)分辨率、放大倍數(shù)、加速電壓2.3.2  分辨率及其測(cè)定： 分為點(diǎn)分辨率和晶格分辨率1. 點(diǎn)分辨率 透射電鏡剛能分清的兩個(gè)獨(dú)立顆粒的間隙或中心距離。測(cè)定

25、方法：Pt或貴金屬蒸發(fā)法 將Pt或貴金屬真空加熱蒸發(fā)到支持膜（火棉膠、碳膜）上，可得到粒徑0.5-1nm、間距0.2-1nm的粒子。高倍下拍攝粒子像，再光學(xué)放大5倍，從照片上找粒子間最小間距，除以總放大倍數(shù)，即為相應(yīng)的點(diǎn)分辨率，如圖所示。,2. 晶格分辨率當(dāng)電子束射入樣品后，通過樣品的透射束和衍射束間存在位向差。由于透射和衍射束間的位相不同，它們間通過動(dòng)力學(xué)干涉在相平面上形成能反映晶面間距大小和晶面方向的條紋像，即晶格條紋

26、像，如圖所示。,注意：晶格分辨率與點(diǎn)分辨率是不同的，點(diǎn)分辨率就是實(shí)際分辨率，晶格分辨率的晶格條紋像是因位相差引起的干涉條紋，實(shí)際是晶面間距的比例圖像。,TEM圖像的成像及應(yīng)用,TEM發(fā)現(xiàn)聚合物單晶（single crystal）,PE單晶,螺旋生長(zhǎng),1957年A.J. Keller首先發(fā)現(xiàn)濃度0.01%的聚乙烯溶液中，極緩慢冷卻時(shí)可生成棱形片狀的、電鏡下可觀察到的片晶，呈現(xiàn)出單晶特有典型的電子衍射圖。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)聚甲醛、尼龍、聚脂

27、等單晶。,電鏡在聚合物結(jié)晶模型確定中的一個(gè)重要貢獻(xiàn),,Keller A. Phil. Mag., 1957, 2: 1171.Fischer E W. Z. Naturforsch, 1957, 12A: 753.Till P. J. Polym. Sci., 1957, 24: 301.,D、指紋織構(gòu)（Fingerprint texture ）是膽甾相的一個(gè)典型織構(gòu)。膽甾相一般存在手性分子，手性的存在使分子間的排列發(fā)生扭曲，形成尺

28、寸很大的螺旋結(jié)構(gòu)，螺距足夠大時(shí)，膽甾相常呈現(xiàn)層線織構(gòu)，當(dāng)層線發(fā)育受阻時(shí)則表現(xiàn)為指紋織構(gòu)。,通過簡(jiǎn)單的光學(xué)織構(gòu)可以幫助我們了解液晶態(tài)，但是難以準(zhǔn)確判斷液晶相的類型，需要進(jìn)一步借助衍射實(shí)驗(yàn)來確定。,高分辨能力,,像襯度    定義：像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。由于圖像上不同區(qū)域間存在明暗程度的差別即襯度的存在，才使得我們能觀察到各種具體的圖像。只有了解像襯度的形成機(jī)理，才能對(duì)各種具體的圖

29、像給予正確解釋，這是進(jìn)行材料電子顯微分析的前提。1、非晶樣品的像襯度    非晶樣品透射電子顯微圖像襯度是由于樣品不同微區(qū)間存在的原子序數(shù)或厚度的差異而形成的，即質(zhì)量厚度襯度（質(zhì)量厚度定義為試樣下表面單位面積以上柱體中的質(zhì)量），也叫質(zhì)厚襯度。質(zhì)厚襯度適用于對(duì)復(fù)型膜試樣電子圖像作出解釋。質(zhì)量厚度數(shù)值較大的，對(duì)電子的吸收散射作用強(qiáng)，使電子散射到光欄以外的要多，對(duì)應(yīng)較安的襯度。質(zhì)量厚度數(shù)值小的，

30、對(duì)應(yīng)較亮的襯度。,2、衍射襯度 對(duì)于晶體，若要研究其內(nèi)部缺陷及界面，需把樣品制成薄膜，這樣，在晶體樣品成像的小區(qū)域內(nèi)，厚度與密度差不多，無質(zhì)厚襯度。但晶體的衍射強(qiáng)度卻與其內(nèi)部缺陷和界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。由樣品強(qiáng)度的差異形成的襯度叫衍射襯度，簡(jiǎn)稱衍襯。    晶體試樣在進(jìn)行電鏡觀察時(shí)，由于各處晶體取向不同和(或)晶體結(jié)構(gòu)不同，滿足布拉格條件的程度不同，使得對(duì)應(yīng)試樣下表面處有不同的衍射

31、效果，從而在下表面形成一個(gè)隨位置而異的衍射振幅分布，這樣形成的襯度，稱為衍射襯度。這種襯度對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和取向十分敏感，當(dāng)試樣中某處含有晶體缺陷時(shí)，意味著該處相對(duì)于周圍完整晶體發(fā)生了微小的取向變化，導(dǎo)致了缺陷處和周圍完整晶體具有不同的衍射條件，將缺陷顯示出來?？梢?，這種襯度對(duì)缺陷也是敏感的?；谶@一點(diǎn)，衍襯技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究晶體缺陷。,衍襯成像，操作上是利用單一透射束通過物鏡光欄成明場(chǎng)像，或利用單一衍射束通過物鏡光欄成暗場(chǎng)像。近似考慮，忽

32、略雙束成像條件下電子在試樣中的吸收，明暗場(chǎng)像襯度是互補(bǔ)的。明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像均為振幅襯度，即它們反映的是試樣下表面處透射束或衍射束的振幅大小分布，而振幅的平方可以作為強(qiáng)度的量度，由此便獲得了一幅通過振幅變化而形成襯度變化的圖像。,典型明場(chǎng)像a）和暗場(chǎng)像b）,3. 相位襯度：如果所用試樣厚度小于l0nm，甚至3 nm。它是讓多束衍射光束穿過物鏡光闌彼此相干成像，像的可分辨細(xì)節(jié)取決于入射波被試樣散射引起的相位變化和物鏡球差、散焦引起的附加相

33、位差的選擇。它追求的是試樣小原子及其排列狀態(tài)的直接顯示。圖所示是薄晶成像的情形。一束單色平行的電子波射入試樣內(nèi)，與試樣內(nèi)原子相互作用，發(fā)生振幅和相位變化。當(dāng)其逸出試樣下表面時(shí)，成為不同于原入射波的透射波和各級(jí)衍射波。由于試樣很薄，衍射波振幅甚小，透射波振幅基本上與入射波振幅相同，非彈性散射可忽略不計(jì)。衍射波與透射波間的相位差為π／2。如果物鏡沒有像差，且處于正焦?fàn)顟B(tài)，而光闌也足夠大，使透射波與衍射波得以同時(shí)穿過光闌相干。相干結(jié)

34、果產(chǎn)生的合成波其振幅與入射波相同，只是相位位置稍許不同。由于振幅沒變，因而強(qiáng)度不變，所以沒有襯度。要想產(chǎn)生襯度，必須引入一個(gè)附加相位，使所產(chǎn)生的衍射波與透射波處于相等的或相反的相位位置，也就是說， 讓衍射波沿圖X軸向右或向左移動(dòng)π／2，這樣，透射波與衍射波相干就會(huì)導(dǎo)致振幅增加或減少，從而使像強(qiáng)度發(fā)生變化，相位襯度得到了顯示。,透射電子顯微鏡的種常見工作模式TEM有四種基本的工作模式，作用各不相同。 1．圖像模式。在

35、這種模式下，TEM是一臺(tái)放大鏡，可以對(duì)樣品的形貌進(jìn)行觀察，比如晶粒尺寸，晶體缺陷，相分布，等等。,2．衍射模式。 在這種模式下，TEM是一臺(tái)電子衍射儀，我們看到的是電子被樣品散射后形成的衍射強(qiáng)度分布。大家對(duì)于XRD可能比較熟悉，而電子衍射相對(duì)陌生一些。其實(shí)，電子衍射在原理上跟XRD非常類似，只是實(shí)現(xiàn)的方式不同。電子衍射的強(qiáng)度在空間是三維分布。在TEM中，我們通常觀察到的是其中的一個(gè)截面，就是通常所說的電子衍射圖，或者叫電子衍射譜

36、。截面的特征跟觀察的方向密切相關(guān)。,單晶衍射模式,多晶衍射模式,3．高分辨像（HREM）。顧名思義，這種技術(shù)得到的圖像分辨率特別高。最新的技術(shù)已經(jīng)可以得到分辨率低于1埃的圖像細(xì)節(jié)。這樣的分辨率已經(jīng)小于很多材料里面原子之間的距離，因此可以利用這種技術(shù)研究材料的原子排列情況。尤其是在缺陷，界面，低維結(jié)構(gòu)以及攙雜材料的研究中，這種技術(shù)大量應(yīng)用。TEM和STEM都可以得到HREM圖像，因?yàn)槠涑上裨砗屠玫男盘?hào)不同，它們?cè)趹?yīng)用上有各自的特點(diǎn)和優(yōu)

37、勢(shì)。,GaN中的層錯(cuò)高分辨像,4．三維拓?fù)洌╡lectron tomography）。 透射電子顯微術(shù)是一種平面成像技術(shù)，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)都是三維樣品在二維平面的投影。拓?fù)浼夹g(shù)可以根據(jù)一系列二維圖片的信息按照特定的算法把三維結(jié)構(gòu)復(fù)原出來。這一技術(shù)在生物和納米材料領(lǐng)域。 已經(jīng)有很多應(yīng)用。用于重構(gòu)的二維圖片是廣義的，并不局限于幾何形貌，也可以是成分分布或者磁、電、應(yīng)力等物理量的分布，重構(gòu)得到的就是相應(yīng)信息的三維分布。結(jié)合高

38、分辨率和豐富的工作方式，拓?fù)浼夹g(shù)在TEM領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常廣的。,同一套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用兩種不同的重構(gòu)算法得到的金顆粒形狀,透射電子顯微鏡的種常見工作模式TEM有四種基本的工作模式，作用各不相同。 1．圖像模式--形貌結(jié)構(gòu)觀察。在這種模式下，TEM是一臺(tái)放大鏡，可以對(duì)樣品的形貌進(jìn)行觀察，比如晶粒尺及分布，相結(jié)構(gòu)，等等。,2．衍射模式---晶體結(jié)構(gòu)。 在這種模式下，TEM是一臺(tái)電子衍射儀，我們看到的是電子被樣品散射后形成的衍

39、射強(qiáng)度分布。大家對(duì)于XRD可能比較熟悉，而電子衍射相對(duì)陌生一些。其實(shí)，電子衍射在原理上跟XRD非常類似，只是實(shí)現(xiàn)的方式不同。電子衍射的強(qiáng)度在空間是三維分布。在TEM中，我們通常觀察到的是其中的一個(gè)截面，就是通常所說的電子衍射圖，或者叫電子衍射譜。截面的特征跟觀察的方向密切相關(guān)。,單晶衍射模式,多晶衍射模式,3．高分辨像（HREM）---高分辨圖像。顧名思義，這種技術(shù)得到的圖像分辨率特別高。最新的技術(shù)已經(jīng)可以得到分辨率低于1埃的圖像細(xì)節(jié)。

40、這樣的分辨率已經(jīng)小于很多材料里面原子之間的距離，因此可以利用這種技術(shù)研究材料的原子排列情況。尤其是在缺陷，界面，低維結(jié)構(gòu)以及攙雜材料的研究中，這種技術(shù)大量應(yīng)用。TEM和STEM都可以得到HREM圖像，因?yàn)槠涑上裨砗屠玫男盘?hào)不同，它們?cè)趹?yīng)用上有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。,GaN中的層錯(cuò)高分辨像,4．三維拓?fù)洌╡lectron tomography）---立體圖像。 透射電子顯微術(shù)是一種平面成像技術(shù)，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)都是三維樣品在二維平

41、面的投影。拓?fù)浼夹g(shù)可以根據(jù)一系列二維圖片的信息按照特定的算法把三維結(jié)構(gòu)復(fù)原出來。這一技術(shù)在生物和納米材料領(lǐng)域。 已經(jīng)有很多應(yīng)用。用于重構(gòu)的二維圖片是廣義的，并不局限于幾何形貌，也可以是成分分布或者磁、電、應(yīng)力等物理量的分布，重構(gòu)得到的就是相應(yīng)信息的三維分布。結(jié)合高分辨率和豐富的工作方式，拓?fù)浼夹g(shù)在TEM領(lǐng)域的應(yīng)用前景是非常廣的。,,第三節(jié) TEM中電子衍射及相機(jī)長(zhǎng)度,TEM原理及應(yīng)用,TEM電子衍射,其衍射幾何與X射線完全

42、相同,——都遵循Bragg方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關(guān)系. 衍射方向可以由愛瓦德球(反射球)作圖求出. 因此,許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理.,概述,電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。從底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡(jiǎn)單。物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約為X射線一萬倍，曝光時(shí)間短。,TEM電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn),2. 電子

43、衍射基本原理 ——Bragg方程一般推導(dǎo) 2d sinq = nl （1）,注意：是產(chǎn)生衍射的必要條件，但不充分。,d——衍射晶面間距（nm） ?——入射電子波長(zhǎng)（nm）。θ——Bragg 角（°）,這個(gè)公式的物理意義： 當(dāng)波長(zhǎng)為λ的光以θ照射到晶面距為d的晶面原子上時(shí)就會(huì)在2θ角方向產(chǎn)生衍射。,Bragg公式推導(dǎo),在面內(nèi)不同點(diǎn)AE = BFδ = AE –B

44、F = 0,在面間不同點(diǎn)δ = EB + BF = 2dsinθ,,,,,,,干涉條件？ 1.相位相同，2.波程差是波長(zhǎng)的整數(shù)倍 nλ. ∴ 2d sinθ = nλ,2d sinθ = nλ重要意義： 把微觀難測(cè)量的量d 與宏觀可測(cè)量的量θ（或 L0和R ） 相聯(lián)系起來。,測(cè)定L0 和R？,3. 簡(jiǎn)單電子衍射儀中的電子衍射,若n = 1,則Bragg衍射公式可改寫為: 2d sinθ=λ

45、 (2)由圖可知, tg2θ =R/L0∵θ是一小量, ∴ 2sinθ≈ tg2θ≈ R/L0 (3)∴ R d = L0λ (4) 式中, L0 為樣品(物面) 到物鏡后焦面(衍射屏) 的距離,稱為電子衍射儀的相機(jī)長(zhǎng)度; L0λ為電子衍射儀的相機(jī)常數(shù)。,3. TEM中的電子衍射,二者的不同之處在于TEM中所得到的電子衍射圖像又經(jīng)過了二級(jí)放大。,T

46、EM電子衍射,物鏡的背焦面、像平面和中間鏡的物平面三面合一。,,,,樣品各晶粒同名（HKL）面衍射線形成以入射電子束為軸、2?為半錐角的衍射圓錐。不同（HKL）衍射圓錐2?不同，但各衍射圓錐均共頂、共軸。,多晶衍射環(huán),,,,,,,,,,,,,,,,燈絲,,樣品,,單晶電子衍射花樣是所有與反射球相交的倒易點(diǎn)（構(gòu)成的圖形）的放大像。,單晶衍射花樣,,,,,,,,,,,,,燈絲,樣品,,,,4. TEM 中電子衍射的相機(jī)長(zhǎng)度,,對(duì)于晶格間距為

47、d的第一級(jí)( n =1) 衍射斑,依據(jù)Bragg衍射條件可知 2d sinθ=λ (5) λ已知，求d=? 關(guān)鍵如何求 sinθ？,R,∵ tg2θ≈ 2 sinθ, 另由圖中的幾何關(guān)系可得:2 sinθ≈ tg2θ =OD/f0 (6)d*OD/f0 =λ (7)設(shè)中間鏡和投影鏡的放大倍數(shù)分別為MI 、MP ,依據(jù)成像關(guān)系可得: R = OD·MI ·MP. 即:OD =R/MI &#

48、183; MP (8)將式(8) 代入式(7) 得: R d = f0 ·MI ·MP ·λ. 定義:L = f0 ·MI ·MP (9)則有 R d = Lλ (10),R,兩個(gè)重要定義：1.TEM像征相機(jī)長(zhǎng)度(L) — 是TEM中物鏡焦距、中間鏡及投影鏡放大倍數(shù)的乘積(L = f0 ·MI ·MP ). 像征相機(jī)長(zhǎng)度通常簡(jiǎn)稱為TEM的相

49、機(jī)長(zhǎng)度;2. TEM相機(jī)常數(shù)(Lλ) —— 相機(jī)長(zhǎng)度(L)與電子束波長(zhǎng)(λ)的乘積。在某一TEM條件下是一定值。,,5. TEM相機(jī)常數(shù)的標(biāo)定在日立H - 600TEM上實(shí)驗(yàn)拍攝的金單晶(200) 的電子衍射花樣照片和晶格條紋。,已知條件：a.標(biāo)樣金單晶(200) 的晶面距為0.204 nm,b.加速電壓100KV(λ)c.從圖中測(cè)量出(200) 晶面的第1級(jí)衍射斑的衍射半徑R = 3.7 mm,求相機(jī)長(zhǎng)度(L

50、 )和相機(jī)常數(shù)(Lλ)?解:當(dāng)加速電壓為100KV，λ = 0.0037 nm 依據(jù)式(10) 計(jì)算相機(jī)長(zhǎng)度為 L =Rd/ λ= 3.7mm*0.204nm/ 0.0037 nm = 204 mm,相機(jī)常數(shù)為L(zhǎng)λ= Rd = 0.755(nm·mm),Ur 為入射電子的加速電壓的相對(duì)論修正電壓.Ur = U0 (1 + 01978 ×10 -6U0 ) = 100 ×103 (1 +

51、01978 ×10- 6 ×100 ×103 ) = 109.78 ×103 V,6. 問題,從下圖中測(cè)量出金單晶(200) 晶面的第1級(jí)衍射斑的衍射半徑R = 14.9mm,計(jì)算相機(jī)長(zhǎng)度及誤差。,解：已知d = 0.204nm, λ= 0.0037nm,則相機(jī)長(zhǎng)度為 L =Rd/ λ= 14.9mm*0.204nm/ 0.0037 nm = 821.5 mm,已知標(biāo)稱相機(jī)長(zhǎng)度為0.8 m

52、,則誤差= [(821.5-800)/800]*100%=2.7%,第四節(jié) 透射電子顯微鏡應(yīng)用、制樣及實(shí)驗(yàn),透射電子顯微鏡制樣及實(shí)驗(yàn),透射電子顯微鏡樣品制備技術(shù) TEM的樣品必須足夠薄（如100nm），根據(jù)不同的材料特性，主要有以下幾類制樣方法。 1．粉末分散：這種方法適用于粉末材料。這種方法非常簡(jiǎn)單，只要把材料在合適的溶劑里分散，然后轉(zhuǎn)移到帶有支撐膜的銅網(wǎng)上就可以了。脆性的塊體材料在研缽里粉碎后，也可以用這種方法制樣

53、。 2．超薄切片：把材料先用樹酯包埋，固化后用特制刀具切出很薄的碎片。把碎片漂浮在合適的液體表面，然后再轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上就可以了。 3．離子減?。喊褖K體材料研磨到很薄，然后放在離子減薄機(jī)內(nèi)用能量較高的離子束轟擊，直到穿孔。孔的邊緣會(huì)有一些很薄的區(qū)域適合電鏡觀察。,4．電化學(xué)拋光：把材料研磨到比較薄，放在合適的電解液里，加上一定的電壓，過一段時(shí)間后，材料上就會(huì)有一部分被腐蝕掉，出現(xiàn)適合觀察的薄區(qū)。 5．機(jī)械研磨：這通常是作為其它制樣方法

54、的前期步驟，但是有時(shí)候也可以作為一種獨(dú)立的方法使用。比如使用拋光機(jī)把樣品磨成楔形，邊緣部位就會(huì)出現(xiàn)很薄的區(qū)域。 6．復(fù)形和萃?。哼@是比較古老的方法。復(fù)形就是復(fù)制形貌，有不同的操作方法，最終都是用碳膜把材料表面形態(tài)復(fù)制下來，然后噴鍍金屬增加襯度。萃取是把碳膜附著在材料表面，把材料腐蝕掉后，某些抗腐蝕的顆粒就粘附在膜上成為樣品。 7．聚焦離子束刻蝕（FIB）：這是近年來新興的一種制樣方法。在特殊的掃描電鏡里，用聚焦的鎵離子束對(duì)沿一定的路

55、線對(duì)樣品轟擊，最后挖成一個(gè)薄片。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是位置精確，對(duì)于需要在特定位置進(jìn)行觀察的樣品尤其適用。 這里只是簡(jiǎn)要提到了幾種主要的TEM制樣方法，未必能應(yīng)對(duì)所有材料的制備。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)需要靈活選用。,復(fù)形,做樣之前要思考的問題,1.做什么：（顆粒大小及分布、核殼結(jié)構(gòu)納米粒子、分散（團(tuán)聚）、樣品形態(tài)（納米球形、納米棒、納米線、立方塊、空心球等等）、晶體結(jié)構(gòu)分析，聚合物材料和復(fù)合材料內(nèi)部相結(jié)構(gòu)等；2.T

56、EM能否達(dá)到目的：根據(jù)TEM制樣要求和局限性。3.有沒有必要使用TEM？4.有沒有更合適的表征儀器？,2，支持膜——購(gòu)買或制備,商業(yè)購(gòu)買的支持膜種類,微柵類  碳支持膜  超薄碳膜  純碳膜,微柵類,普通微柵：200目銅網(wǎng)微柵膜，是在支持膜上特意制作上微孔，孔徑為0.3-2微米，膜厚為15-20納米。噴碳后微孔上沒有殘留碳膜層，是透孔，特別適合于觀察粉末樣品或切片樣品的高分辨像，通常選擇觀察在

57、微柵孔的邊緣（空洞）處的樣品，以得到較高襯度的高分辨像。,小孔微柵：孔徑小于0.3微米,可承載細(xì)微樣品。,碳支持膜,國(guó)產(chǎn)超強(qiáng)支持膜 碳支持膜是以國(guó)產(chǎn)銅網(wǎng)作載體,孔為圓孔,邊緣有鋸齒狀;膜以有機(jī)層為主，膜層較薄，背底一般影響很小,韌性強(qiáng),不易破損。通常用水或乙醇分散樣品，支持膜均不會(huì)受腐蝕。銅網(wǎng)孔小大適宜，是觀察100nm以下樣品形貌像十分理想的載網(wǎng)支持膜。 載網(wǎng)材料還有有鎳網(wǎng)和鉬網(wǎng)兩種(主要為進(jìn)口支持膜),超薄碳膜

58、 超薄碳膜也是支持膜的一種，它是在微柵孔上，搭載一層3-5nm的超薄碳膜，適合超細(xì)微粒粉末樣品的觀察，特別是對(duì)分散較好的10nm以下的樣品，可以達(dá)到高分辨觀察，不致從微柵孔上漏掉。,純碳膜 是在碳支持膜的基礎(chǔ)上，將有機(jī)層用特殊方法去除后得到的純碳膜，膜厚7-10nm，很適合需要在有機(jī)溶劑或高溫下處理的樣品。,銅網(wǎng)的種類及形狀50目 0.45mm 100目 0.25mm 200目 0.09mm400目 0.04mm,

59、測(cè)試中心目前所用不同支持膜,制樣的基本工具,碳支持膜,碳支持膜,夾子和銅網(wǎng)盒,用于ＴＥＭ測(cè)試的樣品有：納米粉末、塊狀、平面膜。樣品制備方法：滴液法、超薄切片法、復(fù)型法、離子減薄等（主要無機(jī)樣品）。,粉末樣品制備——滴液法,由于掃描電鏡( SEM) 分辨率 低,不能清晰地看到納米顆粒,粒度分析儀只能分析數(shù)百納米以上的微粒,且不能直觀地展現(xiàn)粒子形態(tài)。對(duì)于納米材料,只有透射電鏡( TEM) 是最清晰、直觀、有效的分析儀器。但是,由于納米

60、材料表面效應(yīng)大、吸附能力強(qiáng),極易團(tuán)聚,通常所用的粉末制樣方法不能將顆粒分散開,很難分辨出粒子的大小與形狀。,一般的納米粉末分為納米粒子，納米棒，納米線，納米帶，納米纖維，納米薄片等等，這類樣品是制樣最方便的。 對(duì)于高分子的納米顆粒，因?yàn)橐r度問題很難觀察，通常要染色以后再看。不過如果能適當(dāng)降低電壓來增加襯度也是一種選擇。,納米粉末樣品制備的幾個(gè)問題1 　分散劑的選擇,對(duì)于納米粉末,干撒于載網(wǎng)上,觀察到的多是團(tuán)聚塊,而

61、且易滑落污染鏡筒。一般選擇溶劑作分散劑使顆粒分散成懸濁液,再滴于載網(wǎng)膜上. 由于不同材料的表面性質(zhì)不同,所用分散劑亦應(yīng)不同。對(duì)分散劑的要求,1，能與待分析材料相互浸潤(rùn)而不溶解,且不溶解銅網(wǎng)上的支持膜;2，分散劑有良好的揮發(fā)性,且在濾紙上有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散速度. 揮發(fā)性能好,能確保納米粒子團(tuán)聚前即粘附于銅網(wǎng)上。納米顆粒隨分散劑的擴(kuò)散而分散開來,若擴(kuò)散速度太快顆粒大多流失,不便觀察,反之,則顆粒聚集,也達(dá)不到觀察目的.,注意：

62、 a. 有的樣品用乙醇會(huì)團(tuán)聚，觀察效果不佳，必須用水或者THF來做，也是可行的。 b. 水的分散對(duì)一般的銅網(wǎng)都不浸潤(rùn)，所以掛的時(shí)候要多撈幾次，或者用反向鑷子提拉幾次看到上面有水滴即可，實(shí)在撈不到水滴，其實(shí)也應(yīng)該吸附了不少納米粒子了。不過水分散的樣品要長(zhǎng)時(shí)間烘烤，否則抽真空的時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)，而且會(huì)影響泵油的壽命。 c. THF常用來分散CNT等碳材料，只是要注意不要太多，另外也需要加大烘烤時(shí)間。,超聲波的使用

63、將納米材料加入分散劑后,用手搖動(dòng)或攪拌,很難破壞顆粒間的作用力。為此,采用超聲波進(jìn)行超聲處理,時(shí)間一般為10 -30min 左右較好。對(duì)于一些重金屬材料或表面能較大的材料,超聲波一停,立即會(huì)出現(xiàn)沉淀或團(tuán)聚現(xiàn)像,取出的樣品與吸管吸取位置有關(guān),重復(fù)性差,不足以反映樣品的真實(shí)狀態(tài)。因此,必須在超聲波振蕩器中迅速于溶液中間位置取樣,確保分析結(jié)果具有代表性。最好用毛細(xì)管吸起一定深度的樣品（因?yàn)槊?xì)管在插入的過程中能保證均勻取樣），然后滴1

64、-2滴到銅網(wǎng)上。,表面活性劑的選擇　　為克服表面能,防止團(tuán)聚, 使用了表面活性劑。方法是將加有少量表面活性劑的分散劑與納米材料充分混合,使顆粒均勻地分散形成懸濁液。由于顆粒表面吸附有近于單分子層的表面活性劑,滴于載網(wǎng)上干燥后,不易團(tuán)聚。常用的表面活性劑有亞甲基二萘磺酸鈉(NNO) 、油酸鈉、焦磷酸鈉等。,納米材料直接分散于支持膜內(nèi) 一些尺寸小于10 nm 的特細(xì)納米材料,即便采用上述三種方法有時(shí)仍達(dá)不到理想的分散效果。為

65、此,將粉末直接加入制備支持膜用的聚乙烯醇縮甲醛溶液中,并使其充分分散,像通常制備支持膜那樣制膜和撈膜于銅網(wǎng)上。該方法只能用于粒徑極小、比重也較輕的納米材料.,制樣基本過程：一般的納米粒子用乙醇等分散劑超聲分散10-30min. 濃度在0.5-3%左右。2. 用滴管、毛細(xì)管滴加1-2滴到銅網(wǎng)上，或者用鑷子夾了銅網(wǎng)到分散好的懸濁液里面提拉一下，就應(yīng)該能保證有足夠的粒子掛上。3. 對(duì)于易揮發(fā)樣品，可直接放在樣品盒里自然干燥。

66、 對(duì)遇難揮發(fā)也可用紅外燈烘烤一下，盡量除去溶劑，以保護(hù)機(jī)械泵的油被污染。注意有些樣品的烘烤是會(huì)損毀樣品形貌的，這個(gè)就要較長(zhǎng)時(shí)間的晾干，或者用反向鑷夾住，用電吹風(fēng)的冷風(fēng)吹干。,納米顆粒樣品制備實(shí)例,1, 取適量的粉末和乙醇分別加入小試管（0.5-3%），進(jìn)行超聲振蕩10~30min，用玻璃毛細(xì)管吸取粉末和乙醇的均勻混合液，然后滴2~3滴該混合液體到微柵網(wǎng)上（如粉末是黑色，則當(dāng)微柵網(wǎng)周圍的白色濾紙表面變得微黑，此時(shí)便適中。滴得太多，則

67、粉末分散不開，不利于觀察，同時(shí)粉末掉入電鏡的幾率大增，嚴(yán)重影響電鏡的使用壽命；滴得太少，則對(duì)電鏡觀察不利，難以找到實(shí)驗(yàn)所要求粉末顆粒。 2, 等15 min以上，以便乙醇盡量揮發(fā)完畢；否則將樣品裝上樣品臺(tái)插入電鏡，將影響電鏡的真空,塊狀樣品制備方法1,超薄切片法,超薄切片的制作,超薄切片是在超薄切片機(jī)中進(jìn)行的。要切出比較理想的超薄切片要求：1. 一臺(tái)質(zhì)量好的超薄切片機(jī)外，2. 還要有滲透、包埋良好的包埋塊，3. 合適的染

68、色技術(shù)和效果4.要有好的切片刀以及操作者的熟練技術(shù)等。,超薄切片的原理超薄切片機(jī)是一種貴重的精密儀器，根據(jù)不同的進(jìn)刀系統(tǒng)（熱膨脹式和機(jī)械進(jìn)刀式）分為兩類超薄切片機(jī)：熱膨脹式超薄切片機(jī)是利用金屬桿熱脹冷縮產(chǎn)生長(zhǎng)度變化的原理來進(jìn)刀進(jìn)行切片的，原理如下圖所示，樣品在樣品桿的帶動(dòng)下快速通過鋒利的刀刃，并削下樣品突出刀刃的部分。由于樣品桿在電熱絲的加熱下穩(wěn)定并極其緩慢地伸長(zhǎng)，可以有控制地切下極?。ǜ鱾€(gè)型號(hào)的切片機(jī)性能有所不同，一般能切出

69、厚度為幾納米到上百納米的切片）的切片。切片的厚度取決于加熱電流的大小，電流越大，膨脹越迅速，切片就越厚。,機(jī)械進(jìn)刀式的超薄切片機(jī)是以微動(dòng)螺旋和微動(dòng)杠桿來提供微小進(jìn)刀而切出切片的，它操作方便，而且可以切出較大面積的切片。,1.超薄切片機(jī),A.切片機(jī)的分類： 低溫切片機(jī)和常溫切片機(jī)。 B.適用范圍： 主要用于高分子、生物等樣品的制作。,C.超薄切片機(jī)使用方法： a.常溫切片機(jī)：將

70、樣品包埋或制成5mm直 徑的樣條，使用切片機(jī)將樣品切在水槽內(nèi)，用微柵撈起即可，用于Tg高于60℃。 b.低溫切片機(jī)：將彈性樣品制成2～2.5mm的樣條放入切片機(jī)中。待樣品、刀、腔室均達(dá)到－100℃以下，即可制作樣品。,我們的超薄切片機(jī),廠家：美國(guó)RMC公司型號(hào)：Powertome XL基本技術(shù)參數(shù)： 切片厚度：1-999nm 切削速度：0.1-49.9mm/sec 切削區(qū)域：0-15m

71、m,控制精度0.05mm.,切片之前的準(zhǔn)備工作——包埋劑配制、樣品滲透和包埋、樣品固化。 滲透和包埋的目的是使包埋劑逐步滲透入組織細(xì)胞內(nèi)，以便與細(xì)胞外的包埋劑同時(shí)聚合，保證能切出質(zhì)量?jī)?yōu)良的超薄切片。,包埋液的基本要求：1. 硬度適宜而且均一,有良好的切割性能，目前通用的包埋劑切割性能都很好。一般來說，Epon和非極性丙烯酸樹脂的切割性能要比低粘度的環(huán)氧樹脂（如Spurr等）以及極性丙烯酸樹脂（如Lowicryl K4