第二十五章透射電子顯微鏡

1、第25章 透射電子顯微鏡透射電子顯微技術(shù)自20世紀(jì)30年代誕生以來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為材料、化學(xué)化工、物理、生物等領(lǐng)域科學(xué)研究中物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)觀察、測試十分重要的手段。電子顯微學(xué)是一門探索電子與固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的科學(xué)，電子顯微鏡把人眼睛的分辨能力從大約0.2 mm拓展至亞原子量級（0.1nm)，大大增強(qiáng)了人們觀察世界的能力。尤其是近20多年來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入納米科技時(shí)代，納米材料研究的快速發(fā)展又賦予這一電子顯微技術(shù)以極大的生命力，可以這樣說，沒有透射電子顯微鏡，就無法開展納米材料的研究；沒有電子顯微鏡，開展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究是不可想象的。目前，它的發(fā)展已與其他學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)，

2、密切聯(lián)系在一起。25.1 基本原理透射電子顯微鏡在成像原理上與光學(xué)顯微鏡是類似的（圖25-1），所不同的是光學(xué)顯微鏡以可見光做光源，而透射電子顯微鏡則以高速運(yùn)動的電子束為“光源”。在光學(xué)顯微鏡中，將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡；在電子顯微鏡中，相應(yīng)的電子聚焦功能是電磁透鏡，它利用了帶電粒子與磁場間的相互作用。理論上，光學(xué)顯微鏡所能達(dá)到的最大分辨率d，受到照射在樣品上的光子波長以及光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA的限制： （25-1）在20世紀(jì)初，科學(xué)家就已發(fā)現(xiàn)理論上使用電子可以突破可見光的光波波長限制（波長范圍400700nm）。由于電子具有波粒二象性，而電子的波動特性則意味著一束電子具有與一束電磁輻射相

3、似的性質(zhì)。電子波長可以通過徳布羅意公式使用電子的動能推導(dǎo)出。由于在TEM中，電子的速度接近光速，需要對其進(jìn)行相對論修正： （25-2）式中，h表示普朗克常數(shù)；m0表示電子的靜質(zhì)量；E是加速電子的能量；c為光速。電子顯微鏡中的電子通常通過電子熱發(fā)射過程或者采用場電子發(fā)射方式得到。隨后電子通過電勢差進(jìn)行加速，并通過靜電場與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強(qiáng)度、相位、以及周期性的信息，這些信息將被用于成像。在真空系統(tǒng)中，由電子槍發(fā)射出的電子經(jīng)加速后，通過磁透鏡照射在樣品上。透過樣品的電子被電子透鏡放大成像。成像原理是復(fù)雜的，可發(fā)生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多種效應(yīng)，使得在相平面形成

4、襯度（即明暗對比），從而顯示出透射、衍射、高分辨等圖像。對于非晶樣品而言，形成的是質(zhì)厚襯度像，當(dāng)入射電子透過此類樣品時(shí)，成像效果與樣品的厚度或密度有關(guān)，即電子碰到的原子數(shù)量越多，或樣品的原子序數(shù)越大，均可使入射電子與原子核產(chǎn)生較強(qiáng)的排斥作用電子散射，使面通過物鏡光闌參與成像的電子強(qiáng)度降低，襯度像變淡。另外，對于晶體樣品而言，由于入射電子波長極短，與物質(zhì)作用滿足布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，在衍射襯度模式中，像平面上圖像的襯度來源于兩個(gè)方面，一是質(zhì)量、厚度因素，二是衍射因素；在晶體樣品超薄的情況下（如10nm左右），可使透射電子顯微鏡具有高分辨成像的功能，可用于材料結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析，此時(shí)

5、獲得的圖像為相位襯度，它來自樣品上不同區(qū)域透過去的電子（包括散射電子）的相位差異。圖25-1 光學(xué)顯微鏡與透射電子顯微鏡成像原理的比較25.2 透射電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)包括主機(jī)和輔助系統(tǒng)兩大部分，主體部分（圖25-2）包含電子源、照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察記錄系統(tǒng)等；輔助系統(tǒng)包含真空系統(tǒng)（機(jī)械泵、離子泵等），電路系統(tǒng)（變壓器、調(diào)整控制），水冷系統(tǒng)等。以下主要介紹主體部分。25.2.1 電子槍透射電子顯微鏡中產(chǎn)生電子的裝置叫電子槍，電子槍的研發(fā)與應(yīng)用大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：鎢燈絲、六硼化鑭單晶和場發(fā)射電子槍，它們所產(chǎn)生電子束的質(zhì)量越來越好，其亮度分別比普通鎢燈絲亮幾十倍和

6、上萬倍，而且單色性好，尤為適合于高級透射電子顯微鏡。電子槍分為熱陰極型和場發(fā)射型兩類，熱陰極電子槍的材料主要有鎢絲和六硼化鑭(LaB6)，而場發(fā)射電子槍又可以分為熱場發(fā)射、冷場發(fā)射兩個(gè)分支。電子槍的功能是產(chǎn)生高速電子，以熱陰級電子槍為例（圖25-3、圖25-4），它由處于負(fù)高壓（或稱加速電壓）的陰極、柵極（電位比燈絲還要負(fù)幾百到幾千伏，數(shù)值可調(diào)）和處于0電位的陽極組成，加熱燈絲發(fā)射電子束，并在陽極加電壓使電子加速，經(jīng)加速而具有高能量的電子從陽極板的孔中射出，電子束能量與加速電壓有關(guān)，柵極則起到控制電子束形狀的作用。另外，如果在某些金屬的表面施加強(qiáng)電場，金屬表面可向外逸出電子，依照此原理可制成場

7、發(fā)射電子槍，它沒有柵極，但由陰極和兩個(gè)陽極構(gòu)成，第一個(gè)陽極主要使電子發(fā)射，第二個(gè)陽極使電子加速和會聚。根據(jù)加速電壓的數(shù)值，由電子槍發(fā)射出來的電子，在陽極加速電壓（生物樣品多采用80100kV，金屬、陶瓷等多采用120kV、200kV、300kV，超高壓電鏡則高達(dá)10003000kV）的作用下，經(jīng)過聚光鏡（23個(gè)電磁透鏡）匯聚為電子束照射到樣品上。據(jù)此可以理解，由于電子的穿透能力很弱（比X射線弱得多），進(jìn)行透射電子顯微鏡檢測的樣品必須很薄，其厚度與樣品成分、加速電壓等有關(guān)，一般范圍在100nm左右（甚至更低）。此外，整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)必須保持在理想的真空狀態(tài)，真空系統(tǒng)通常由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、離子泵、真

8、空測量儀表及真空管道組成，它的作用是抽出鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在105托及以下，目前最好的真空度可以達(dá)到10-10托左右。如果真空度不理想的話，可產(chǎn)生多種副作用，如電子與空氣中氣體分子之間的碰撞可引起散射而影響襯度，還會使電子?xùn)艠O與陽極間高壓電離導(dǎo)致極間放電，從而影響電子槍的壽命，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。圖25-2 透射電子顯微鏡基本構(gòu)造（1電子槍；2加速管；3陽極室隔離閥；4第一聚光鏡；5第二聚光鏡；6聚光后處理裝置；7聚光鏡光闌；8測角臺；9樣品桿；10物鏡；11選區(qū)光闌；12中間鏡；13投影鏡；14投影鏡；15光學(xué)顯微鏡；16小熒光屏；17大熒光屏）圖25-3 熱陰級電

9、子槍的基本構(gòu)造圖25-4 熱陰級電子槍的燈絲25.2.2 照明系統(tǒng)電子槍發(fā)射出的電子束有一定的發(fā)散角，經(jīng)后續(xù)調(diào)節(jié)后，可得到發(fā)散角很小的平行電子束?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)會聚鏡的電流改變電子束的電流密度(亦稱束流)。在透射電子顯微鏡的觀測過程中，需要亮度高、相干性好的照明電子束。因此，電子槍發(fā)射出來的電子束還要用兩個(gè)電磁透鏡進(jìn)一步會聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。圖25-5為照明系統(tǒng)光路圖，一般都采用雙聚光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能是為下一級成像系統(tǒng)提供一個(gè)亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光鏡用于匯聚電子槍射出的電子束，以求最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑半角和束斑大小。在圖25-5中，第一聚光鏡常

10、采用短焦距強(qiáng)勵(lì)磁透鏡，它的作用是將從電子槍得到的光斑盡量縮小；第二聚光鏡為長焦距弱透鏡，它的功能是將第一聚光鏡得到的光源會聚到試樣上，該透鏡通?？蓪庠雌鸬椒糯笞饔?。圖25-5 照明系統(tǒng)光路圖25.2.3 放大、成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)包括樣品室、物鏡、中間鏡、反差光闌、衍射光闌、投射鏡以及其他電子光學(xué)部件。它的主要功能是，由于穿過樣品的電子攜帶了樣品本身的結(jié)構(gòu)信息，將穿過試樣的電子束在透鏡后成像或成衍射花樣，并經(jīng)過物鏡、中間鏡和投影鏡接力放大，最終以圖像或衍射像的形式顯示于熒光屏上。樣品室有一套機(jī)關(guān)設(shè)置，以保證樣品經(jīng)常更換時(shí)不破壞主機(jī)的真空。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，樣品可在X軸、Y軸二維方向移動，以便找到所要觀

11、察的位置。圖25-6為成像系統(tǒng)示意圖，物鏡是主機(jī)中最關(guān)鍵的部分，這是因?yàn)橥干潆娮语@微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡。它的功能是將來自樣品不同部位、傳播方向相同和相位相同的彈性散射電子束會聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點(diǎn)的不同方向的彈性散射束會聚于其像平面上，構(gòu)成與試樣組織相對應(yīng)的顯微像。實(shí)際上，物鏡的任務(wù)就是形成第一幅電子像或衍射像，完成物到像的轉(zhuǎn)換并加以放大，要求像差盡可能小而又要有較高的放大倍數(shù)（10020倍）。順便提及，目前新一代透射電子顯微鏡的特點(diǎn)是主要大幅度改善了球差矯正參數(shù)，但此類設(shè)備使用還不普及，在常見的透射電子顯微鏡中，物鏡光闌可以擋掉

12、大角度散射的非彈性電子，使色差和球差減少，在提高襯度的同時(shí)還可以得到樣品的更多信息，在選擇后焦面上的晶體樣品衍射束成像后，可獲得明、暗場像。另外，作為弱激磁長焦距可變率透鏡，中間鏡可放大120倍，它的作用是控制透射電鏡總的放大倍數(shù)，把上方物鏡形成的一次中間像或衍射像投射到投影鏡的物平面上，而投影鏡則是一種短焦距強(qiáng)磁透鏡，它可把經(jīng)過中間鏡形成的二次中間像或衍射像投影到熒光屏上，最終形成放大的電子像或衍射像。（a）衍射模式（b）放大模式圖25-6 成像系統(tǒng)光路圖25.2.4 觀察室和照相室（記錄系統(tǒng)）在觀察、記錄系統(tǒng)中，為方便前期觀察，高性能透射電子顯微鏡除了熒光屏外，還配有用于聚焦的小熒光屏和放

13、大510倍的光學(xué)放大鏡。熒光屏的分辨率為5070m，因此在觀察細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)要有足夠高的放大率，以使熒光屏能分辨并為人眼所能見。例如，如需要觀察0.5nm的顆粒就需要10萬倍的電子光學(xué)放大，再加10倍的光學(xué)放大即可。25.3 透射電子顯微鏡在科學(xué)研究中的應(yīng)用最后還將談一談利用透射電子顯微鏡在科學(xué)研究中所能解決的主要問題。25.3.1 材料的常規(guī)觀測及高分辨成像 （a） （b）圖25-7 納米材料透射電子顯微鏡觀察結(jié)果示例圖25-7中兩張圖片為納米材料透射電子顯微鏡的檢測結(jié)果，從中可以看出，它們是平面投影圖像，不同于富有立體感的掃描電子顯微鏡圖像。其中，圖25-7（a）中的納米粒子為球形（嚴(yán)格地說為

14、準(zhǔn)球形），顆粒尺寸大小較為均一，分散性很好；圖25-7（b）中的納米材料為棒形，顆粒尺寸大小較為均一，分散性較好。納米粒子的粒徑分布統(tǒng)計(jì)是納米材料研究中常遇到的問題，盡管現(xiàn)在已有多種分析測試納米材料粒徑分布的方法，如小角X射線散射等，但可信度最高的當(dāng)屬依托透射電子顯微鏡技術(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。（a）晶體結(jié)構(gòu) （b）自組裝結(jié)構(gòu)圖25-8 材料的高分辨透射電子顯微鏡觀察結(jié)果示例圖25-8為材料的高分辨透射電子顯微鏡觀察結(jié)果，其中圖25-8（a）是晶體材料的高分辨圖像，從中可清楚地看見晶格條紋，并可得到晶面間距d值。至于晶面歸屬的判斷，給出處理方法是：先利用高分辨透射電子顯微鏡圖像中的條紋線距離和多晶面時(shí)的

15、相關(guān)取向，估算出該條紋線對應(yīng)的晶面，然后再用相同樣品的XRD檢測結(jié)果進(jìn)行矯正，對于大多數(shù)晶體物質(zhì)而言，都有XRD檢測出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如d值等，可信度高。圖25-8（b）也給出了有序的條紋結(jié)構(gòu)，但此時(shí)層間距和層的厚度均明顯大于圖25-8（a）中的結(jié)果，故圖25-8（b）顯示的已不是晶體結(jié)構(gòu)，而是所謂的自組裝結(jié)構(gòu)，它是納米材料研究中的熱點(diǎn)問題。25.3.2 電子衍射花樣及其形成原理再來了解電子衍射問題，在透射電子顯微鏡中，來自聚光鏡的電子束打到樣品上，與樣品發(fā)生相互作用，當(dāng)樣品薄到一定程度時(shí)，電子就可以透過樣品?？蓪⑼高^去的電子分成兩類，一類是繼續(xù)按照原來方向運(yùn)動的電子，能量幾乎沒有改變，稱之為直進(jìn)

16、電子；另一類是運(yùn)動方向偏離原來方向的電子，稱之為散射電子。就散射電子而言，如果電子的能量有比較大的改變，我們稱之為非彈性散射電子；有的電子能量幾乎沒有改變，可稱之為彈性散射電子。所有這些電子通過物鏡后在物鏡的后焦面上會形成一種特殊的圖像，稱之為夫瑯禾費(fèi)衍射花樣。圖25-9對常見電子衍射花樣進(jìn)行了歸納：如果被電子束照射的樣品區(qū)域是一塊單晶，則花樣的特點(diǎn)是中央亮斑加周圍其它離散分布、強(qiáng)弱不等的衍射斑，斑點(diǎn)呈規(guī)律性分布；如果被電子束照射的樣品區(qū)域包括許多單晶，則衍射花樣的特點(diǎn)是中央亮斑加周圍半徑不等的一圈圈同心圓亮環(huán)；如果被電子束照射的樣品區(qū)域是非晶，則衍射花樣的特點(diǎn)是中央亮斑加從中央到外圍越來越暗

17、的彌散光暈。至于為什么會形成這些花樣的原因，可從樣品對入射電子的散射來解釋：對于晶體樣品，由于原子、離子、分子等基本質(zhì)點(diǎn)排列的周期性，不同質(zhì)點(diǎn)同一方向上的散射波之間存在固定的相位差，在一些方向上相位差為2的整數(shù)倍，根據(jù)波的疊加理論，在這些方向上的散射波會發(fā)生加強(qiáng)干涉，稱之為衍射。如圖25-9（a）所示，在相同方向上的衍射波在物鏡后焦面上形成一個(gè)亮斑，可稱之為衍射斑，顯然，直進(jìn)的電子形成處于中央位置的透射斑，而整個(gè)后焦面的圖像稱之為電子衍射花樣，至于哪些方向上會出現(xiàn)衍射波，這可由布拉格公式?jīng)Q定。由于電子衍射花樣與晶體的結(jié)構(gòu)之間存在對應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)所記錄下的衍射花樣，對晶體結(jié)構(gòu)（單晶）進(jìn)行分析，即

18、對圖25-9（a）中主要衍射斑點(diǎn)進(jìn)行衍射指標(biāo)的標(biāo)注，完成這項(xiàng)工作需要較多的知識積累，常用的方法有：查書，通過比對一些專著中列出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，標(biāo)出結(jié)果；嚴(yán)格推理，這是最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茢喾椒?，尤其適合未知晶體結(jié)構(gòu)的測定，此方法的使用是建立在對晶體衍射學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上的（圖25-10）；其他簡易的標(biāo)注方法。對于多晶樣品，構(gòu)成多晶的每一個(gè)單晶形成自己的衍射花樣，由于每一個(gè)單晶的取向不同，每個(gè)單晶上相同指數(shù)的衍射波出現(xiàn)在以入射電子方向?yàn)橹行木€的圓錐上，它們通過物鏡后形成衍射環(huán)（圖25-9（b）。利用這些衍射環(huán)的有關(guān)數(shù)據(jù)，也可以對多晶樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，基本公式為： Rd=L =K （25-3）式中R為衍射斑或

19、衍射環(huán)與透射斑（電子衍射圖案圓心）之間的距離；d為晶面間距；L為電子衍射的相機(jī)長度；為入射電子束的波長。由于L和一般都為固定值，兩者的乘積K為常數(shù)，稱為相機(jī)常數(shù)。當(dāng)樣品為非晶時(shí)，從不同原子上散射出的同一方向上的電子波之間沒有固定的相位差，且隨著散射角的增大，散射的電子數(shù)量少，能量損失大，它們通過物鏡后，直進(jìn)的電子形成中央亮斑。散射的電子形成周圍的光暈。越往外，光暈越來越弱（圖25-9（c）?？傊诓僮魍干潆娮语@微鏡時(shí)，只要把它的工作方式切換到衍射模式，則可以在熒光屏上觀察到在物鏡后焦面上形成的衍射花樣，也可以用底片或CCD相機(jī)拍攝下來。利用上述樣品的X射線衍射性能，加上電子衍射花樣，可以對材

20、料中的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，包括晶界、位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶、相界、反相疇界、析出相、取向關(guān)系等。 (a)單晶結(jié)構(gòu) (b)多晶結(jié)構(gòu)(c)非晶結(jié)構(gòu)圖25-9 材料電子衍射觀察結(jié)果 圖25-10（a）電子衍射圖像形成的原理示意圖（b）晶帶正空間與倒空間對應(yīng)關(guān)系圖25.4 實(shí) 驗(yàn) 25.4.1 透射電子顯微鏡用于無機(jī)納米材料的檢測1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?）認(rèn)知透射電子顯微鏡的基本原理，了解有關(guān)儀器的主要結(jié)構(gòu)；2）學(xué)習(xí)利用此項(xiàng)電子顯微技術(shù)觀察、分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，主要包括：常規(guī)成像、高分辨成像、電子衍射和能譜分析等；3）重點(diǎn)幫助學(xué)生掌握納米材料等的微觀形貌和結(jié)構(gòu)測試結(jié)果的判讀，主要包括：材料的尺寸、大小均勻性

21、、分散性、幾何形狀，以及材料的晶體結(jié)構(gòu)和生長取向等。2. 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備名稱及其主要性能參數(shù)圖25-11 JEM-2100型透射電子顯微鏡目前國內(nèi)外使用的透射電子顯微鏡主要來自歐洲和日本廠商，圖25-11為日本電子（JEOL）JEM-2100型透射電子顯微鏡，主要性能參數(shù)如下：1）電子槍：LaB6（六硼化鑭）；2）點(diǎn)分辨率：0.21nm；線分辨率：0.19nm；3）加速電壓：80, 100, 120, 160, 200 kV（主要使用電壓為200 kV）；4）束斑尺寸：0.5-25nm；5）放大倍數(shù)（高倍）：2000-1,500,000；放大倍數(shù)（低倍）：50-6,000；6）傾斜角：30。3

22、. 實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備、儀器、裝置圖25-12 透射電子顯微鏡工作系統(tǒng)模式圖透射電子顯微鏡的輔助設(shè)備分為3個(gè)部分：、主機(jī)運(yùn)行支撐部分；、數(shù)據(jù)記錄和測試附加功能；、樣品預(yù)處理。圖25-12中標(biāo)有中文的部分為前兩個(gè)部分，輔助系統(tǒng)除了前面已經(jīng)介紹的真空系統(tǒng)（機(jī)械泵、離子泵等），電路系統(tǒng)（變壓器、調(diào)整控制）外，透射電子顯微鏡中的多個(gè)部位還需要冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。另外，傳統(tǒng)的測試結(jié)果（圖像）記錄裝置為照相機(jī)，使用這一技術(shù)時(shí)對曝光和相片沖洗均有一定要求，操作較為繁瑣，近些年來，基于電光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的CCD(Charge Coupled Device)數(shù)碼專用相機(jī)已得到越來越普及的應(yīng)用，大大提高了測試效率。透射電子顯微

23、鏡中常配有元素分析儀器，如EDS（亦稱EDX，energy dispersive spectroscopy of X-rays）和WDS(亦稱WDX，wave dispersive spectroscopy of X-rays)，這些相似于掃描電子顯微鏡中的元素分析裝置。透射電子顯微鏡中還可配有名為能量損失譜EELS（Electron energy loss spectroscopy）的元素分析儀器，它通過分析以非彈性散射作用透過樣品的電子能量變化，從而判定樣品的成分，它還可給出元素的電子層狀態(tài)等信息。對于一般透射電子顯微鏡，EDS的能量分辨率較低，約為150 eV，但EDS可以得到較大能量范

24、圍（020 keV）的特征X射線譜；EELS的能量分辨率較高，約為1eV，電子能量損失范圍在02 keV。掃描透射電子顯微鏡STEM（Scanning transmission electron microscope）是指在透射電子顯微鏡中配有的掃描附件，它綜合了掃描和普通透射電子分析的原理和功能，尤其適用于采用場發(fā)射電子槍作電子源的透射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡的制樣（樣品預(yù)處理）是相關(guān)測試中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對于常見的粉末樣品，選擇合適的分散劑將樣品超聲分散制成膠體或懸濁液后，滴加至專用銅網(wǎng)（見圖25-13）上，銅網(wǎng)附有擔(dān)載膜，晾干后待測。圖25-13 常用銅網(wǎng)的樣式但是，對于非超細(xì)粉末樣品

25、，如較大塊狀高分子、陶瓷和金屬等材料，由于它們的高厚度，是無法直接進(jìn)行檢測的。因此，必須進(jìn)行試樣的超薄化預(yù)處理，主要方法包括切片、離子減薄等，圖25-14為一款常用離子減薄設(shè)備，它的工作原理是：利用氬離子束將試樣“削”?。▓D25-15（c），之前還需將原始試樣進(jìn)行切割、研磨（圖25-15（a）、凹坑（圖25-15（b）等處理。圖25-14 Gatan 691 PIPS型精密氬離子減薄儀圖25-15離子減薄的前期處理：（a），（b）； 基本原理：（c）4. 實(shí)驗(yàn)步驟1）樣品制備（1）將納米金屬氧化物粉末（如TiO2）0.01g加入到5 mL乙醇中，搖勻并置于超聲清洗器中，超聲處理510 min，

26、形成具有較好分散性的膠體或懸濁液；（2）用移液器吸取一滴上述液體樣品滴加到涂覆有碳支持膜的銅網(wǎng)上，晾干備用。2）樣品電鏡觀察整個(gè)操作過程由多個(gè)步驟組成，分別在計(jì)算機(jī)的操作界面上和手動面板上完成。（1）先檢查儀表和計(jì)算機(jī)屏幕顯示的真空情況，要求主機(jī)鏡筒內(nèi)壓小于210-5Pa。（2） 啟動高壓HT按鈕，加高壓：120180 kV，時(shí)間為10 min，等待3 min后，再進(jìn)行180200 kV的升壓過程，時(shí)間為10min。（3）升壓過程中，可將銅網(wǎng)小心裝上樣品桿（如圖25-16所示），插入樣品桿前檢查主機(jī)工作參數(shù)顯示屏上的相關(guān)參數(shù)條件，插入樣品桿預(yù)抽真空，等待綠燈亮后10min，完全插入樣品桿，再過

27、2min后加燈絲電流。圖25-16 樣品桿的主要結(jié)構(gòu)（4）試樣觀察分析：、小心移動試樣臺，觀察分析試樣；、選擇合適的放大倍數(shù)、樣品坐標(biāo)和光亮度；、聚焦、CCD拍照；、保存照片。（5）電子衍射的觀察，可選擇選區(qū)衍射模式，即使用選區(qū)光闌。（6）試樣觀察完畢后，將放大倍數(shù)設(shè)定在40k，束流聚焦在熒光屏中心，關(guān)掉燈絲電流，復(fù)位試樣臺坐標(biāo)軸(X, Y, Z)至“0”，然后小心拉出樣品桿。務(wù)必注意：每次更換樣品時(shí)，切記進(jìn)行“歸零操作”。（7）實(shí)驗(yàn)完畢后，先退下高壓至120 kV(200 kV120 kV，時(shí)間控制為5 min)，然后關(guān)掉高壓。（8）如實(shí)填寫實(shí)驗(yàn)記錄。（9）離開實(shí)驗(yàn)室前，搞好衛(wèi)生，檢查空調(diào)和

28、除濕機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理將CCD相機(jī)獲取的照片（.DM3格式）轉(zhuǎn)化為.JPG或.TIFF格式，用光盤導(dǎo)出。利用照片上標(biāo)出的比例尺等信息分析納米金屬氧化物的形貌、粒徑和分散性；分析高分辨圖像中晶面間距的歸屬；分析電子衍射結(jié)果。寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。6. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)由于透射電子顯微鏡屬于高電壓、高真空大型精密儀器，學(xué)生在使用前須經(jīng)嚴(yán)格的培訓(xùn)或老師的現(xiàn)場指導(dǎo)，注意事項(xiàng)如下：1）勿擅自操縱、修理儀器。2）不僅要預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還要注重理論知識的學(xué)習(xí)和補(bǔ)充。3）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，一定要先確認(rèn)真空系統(tǒng)狀態(tài)以及真空度。4）樣品桿有多種類型，常見的有單傾、雙傾（更適合做高分辨取向性觀察）等。將銅網(wǎng)固定至樣品桿上

29、時(shí)，固定螺絲不可擰得過緊，為防止銅網(wǎng)脫落，可用右手握住樣品桿，左手輕拍右手?jǐn)?shù)次。5）將樣品桿裝入主機(jī)時(shí)一定要小心，注意動作的協(xié)調(diào)性和連貫性，以免損壞樣品、樣品桿、樣品臺或?qū)е麦w系真空度降低（漏氣）。 6）開機(jī)升高壓時(shí)，要注意暗電流的變化： 在計(jì)算機(jī)的操作界面上，點(diǎn)擊HT按鈕，暗電流(亦稱束電流)最終升至61uA左右； 設(shè)定高壓為120 kV；升壓120kV160kV，暗電流最終升至83uA左右；升壓160kV180kV，暗電流最終升至93uA左右；升壓180kV200kV，暗電流最終升至105uA左右。7）發(fā)射電子束（出亮）插入樣品桿，等離子泵的真空度回到原來的水平后，可有FILAMENTREADY的提示，此時(shí)點(diǎn)擊燈絲加熱按鈕，等電子束發(fā)射穩(wěn)定后，可在熒光屏上形成綠色光斑，使用LOW MAG模式對樣品進(jìn)行初步觀察，隨后進(jìn)一步放大觀察。8）CCD相機(jī)的使用及維護(hù)用標(biāo)準(zhǔn)樣品（一般為納米金）進(jìn)行比例尺標(biāo)定；CCD相機(jī)不僅能方便拍照，它附帶的多種軟件功能還可進(jìn)行所得圖像分析，尤其適用于高分辨、電子衍射等測試結(jié)果的分析；為使其中的光學(xué)器件避免