透射電鏡原理

1、透射電子顯微鏡（透射電子顯微鏡（TEMTEM）2013化學(xué)萃英班化學(xué)萃英班肖俊釗肖俊釗 周旭峰周旭峰 胡靜遠(yuǎn)胡靜遠(yuǎn) 周洋周洋透射電鏡簡(jiǎn)介透射電鏡簡(jiǎn)介 概念：概念：透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）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本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。 簡(jiǎn)史：簡(jiǎn)史： 1933年，德國(guó)科學(xué)家盧斯卡（Ruska）和克諾爾（Knoll）研制出了世界上第一臺(tái)透射電鏡，到今天，透射電鏡已經(jīng)誕生了70多年，由電鏡應(yīng)用而形成的交叉性學(xué)科電子顯微學(xué)已經(jīng)日趨完善，電鏡的分辨能力也比最初時(shí)提高了超過100倍，達(dá)到了亞埃級(jí)

2、，并且在自然科學(xué)研究中起到日益重要的作用。1.11.1概念及簡(jiǎn)史概念及簡(jiǎn)史 1.2.1自然光與電子束的波長(zhǎng) 可見光的波長(zhǎng)在390760nm 電子波長(zhǎng)：取V=100kV，理論得到電子波長(zhǎng)為0.0037nm1.2分辨率：分辨率：為什么采用電子束做為光源?1.2.2顯微鏡的分辨率l通常人眼的分辨本領(lǐng)大概是0.2mm（即人眼可分辨的兩點(diǎn)間最小距離 為0.2mm）l顯微鏡可分辨的兩點(diǎn)間的最小距離，即為顯微鏡的分辨率.61. 0sin61. 00N.And是照明束波長(zhǎng)，是透鏡孔徑半角，n 是物方介質(zhì)折射率，nsin或NA稱為數(shù)值孔徑。sin,61.0nNANAd對(duì)于采用物鏡的孔徑角接近90度考慮采用可見光

3、波長(zhǎng)極限390nm的光束照明顯微鏡系統(tǒng)，可得d 約為200nm對(duì)于TEM在100kV加速電壓下，波長(zhǎng)0.0037nm，d約為0.002nm，目前電子顯微鏡達(dá)不到其理論極限分辨率，最小分辨率達(dá)到0.1nm1.2.3有效放大倍數(shù) 光學(xué)顯微鏡必須提供足夠的放大倍數(shù)，把它能分辨的最小距離放大到人眼能分辨的程度。相應(yīng)的放大倍數(shù)叫做有效放大倍數(shù)有效放大倍數(shù)，它可由下式來確定：顯微鏡分辨本領(lǐng)人眼分辨本領(lǐng)為顯微鏡放大倍數(shù)00,rrMrrMee）光學(xué)顯微鏡分辨率（）人眼的分辨率（nm200mm2 . 0光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)透射電鏡的有效放大倍數(shù)）（透射電子顯微鏡分辨率）人眼的分辨率（nm1 . 0mm2 .

4、 0由上面公式可以直接得出，光學(xué)顯微鏡的有效放大倍數(shù)遠(yuǎn)小于透射電鏡。電子圖像的放大倍數(shù)為物鏡、中間鏡和投影鏡的放大倍數(shù)之乘積，即M=M.Mr.Mp。 透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱透射電鏡，TEM）可以以幾種不同的形式出現(xiàn)： 高分辨透鏡（HRTEM）：JEM2100，點(diǎn)分辨率：0.23 nm，晶格分辨率：0.14 nm，最小束斑尺寸0.5nm 透射掃描電鏡（STEM）: 利用磁透鏡將電子束聚焦到樣品表面并在樣品表面快速掃描，通過電子穿透樣品成像，既有透射電子顯微鏡功能，又有掃描電子顯微鏡功能的一種顯微鏡。 分析型電鏡(AEM):JEM2010HF，點(diǎn)分辨率: 0.25 nm,晶格分辨率: 0.19 nm

5、,最小束斑尺寸1.5nm 1.31.3分類分類 按加速電壓分類： 400KV為超高壓透射電鏡 按照明系統(tǒng)分類： 普通透射電鏡和場(chǎng)發(fā)射透射電鏡 按成像系統(tǒng)分類： 低分辨率透鏡和高分辨率透鏡JEM-2100JEM-2100透射電鏡外觀圖透射電鏡外觀圖分析型透射電子顯微鏡基本構(gòu)造基本構(gòu)造及各部分結(jié)構(gòu)原理及各部分結(jié)構(gòu)原理基本構(gòu)造基本構(gòu)造及各部分結(jié)構(gòu)原理及各部分結(jié)構(gòu)原理基本構(gòu)造基本構(gòu)造圖1.透射電鏡電子光學(xué)部分基本構(gòu)造示意圖電子光學(xué)部分電子光學(xué)部分 照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。它的作用：為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源；選擇照明方式（明場(chǎng)或暗場(chǎng)成像）。圖2.照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖照明系統(tǒng)照

6、明系統(tǒng)電子槍電子槍電子槍燈絲加熱電路flashing電路W/LaB6燈絲柵極陽極發(fā)射體第一陽極第二陽極熱電子發(fā)射Thermal Electron Gun場(chǎng)發(fā)射Field Emission Gun圖3.電子槍工作原理圖 聚光鏡聚光鏡 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)。圖4.聚光鏡示意圖為了調(diào)整束斑大小還在第二聚光鏡下裝一個(gè)聚光鏡光闌。為了減小像散，在第二聚光鏡下還要裝一個(gè)消像散器，以校正磁場(chǎng)成軸對(duì)稱性的誤差。 樣品室樣品室 樣品室中有樣品桿、樣品環(huán)及樣品臺(tái)。其位于照明部分和物鏡之間，其中樣品臺(tái)的作用是承載樣品，并使樣品能在物鏡極靴孔內(nèi)平

7、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。成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡。物鏡：放大倍數(shù)100300倍。 作用：形成第一幅放大像中間鏡：放大倍數(shù)020倍 作用：a.控制電鏡總放大倍數(shù)。 b.成像/衍射模式選擇。投影鏡：進(jìn)一步放大中間鏡的像 該系統(tǒng)由熒光屏、照相機(jī)和數(shù)據(jù)顯示等組成。這部分的主要作用是提供獲取信息，一般由熒光屏，照相機(jī)，數(shù)據(jù)顯示等組成。圖像觀察和記錄系統(tǒng)圖像觀察和記錄系統(tǒng)圖5.分析電鏡圖像觀察與記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖透射電鏡成像原理透射電鏡成像原理透射電鏡由于入射電子透射試樣后，將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用，透射電鏡由

8、于入射電子透射試樣后，將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用，從而改變其能量及運(yùn)動(dòng)方向。顯然，不同結(jié)構(gòu)有不同的相互作用。這樣，就從而改變其能量及運(yùn)動(dòng)方向。顯然，不同結(jié)構(gòu)有不同的相互作用。這樣，就可以根據(jù)透射電子圖象所獲得的信息來了解試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)透射電子圖象所獲得的信息來了解試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：在有形貌像的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微區(qū)成分和結(jié)構(gòu)分析特點(diǎn)：在有形貌像的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微區(qū)成分和結(jié)構(gòu)分析成像過程成像過程透鏡的成像過程一般可分為兩個(gè)過程：透鏡的成像過程一般可分為兩個(gè)過程：第一個(gè)過程是平行電子束遭到物的散射作用而分散成各級(jí)衍射譜，即由第一個(gè)過程是平行電子束遭到物的散射作用而分散成各級(jí)衍射譜，即由物變

9、換到衍射譜的過程；物變換到衍射譜的過程；第二個(gè)過程是各級(jí)衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上匯聚成諸像點(diǎn)，即由第二個(gè)過程是各級(jí)衍射譜經(jīng)過干涉重新在像平面上匯聚成諸像點(diǎn)，即由衍射重新變換成物（放大了的物）的過程。衍射重新變換成物（放大了的物）的過程。成像分類成像分類吸收像吸收像 ：當(dāng)電子射到：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成相作用是時(shí)，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過的電散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原

10、理。衍射像：電子束被樣品衍射像：電子束被樣品衍射衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射波的振幅分布不均陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。勻，反映出晶體缺陷的分布。相位像：當(dāng)樣品薄至相位像：當(dāng)樣品薄至100以下時(shí)，電子可以以下時(shí)，電子可以傳過傳過樣品，波的振樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。透射電子顯微像的襯

11、度來源及分類透射電子顯微像的襯度來源及分類透射電子顯微鏡成像實(shí)際上是透射電子束強(qiáng)度分布的記錄，由于透射電子顯微鏡成像實(shí)際上是透射電子束強(qiáng)度分布的記錄，由于電子與物質(zhì)相互作用，透射強(qiáng)度會(huì)不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為襯度，電子與物質(zhì)相互作用，透射強(qiáng)度會(huì)不均勻分布，這種現(xiàn)象稱為襯度，所得的像稱為襯度像。所得的像稱為襯度像。透射電鏡的襯度來源于樣品對(duì)入射電子束的散射。可分為：透射電鏡的襯度來源于樣品對(duì)入射電子束的散射?？煞譃椋赫穹r度振幅襯度相位襯度相位襯度質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來源衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來源：僅適于很薄的晶體試樣

12、：僅適于很薄的晶體試樣(100)(100)相位襯度相位襯度由合成像的由合成像的透射波和衍射波透射波和衍射波之間的相位差形成的，成為相位襯度之間的相位差形成的，成為相位襯度。需要在物鏡的后焦面上插入大的物鏡光柵，使以上兩個(gè)波。需要在物鏡的后焦面上插入大的物鏡光柵，使以上兩個(gè)波干涉干涉形成形成像。像。振幅襯度振幅襯度振幅襯度是由于入射電子通過試樣時(shí)，與試樣內(nèi)原子發(fā)生相互作振幅襯度是由于入射電子通過試樣時(shí)，與試樣內(nèi)原子發(fā)生相互作用而用而發(fā)生振幅的變化發(fā)生振幅的變化，引起反差。振幅襯度主要有質(zhì)厚襯度和衍射襯，引起反差。振幅襯度主要有質(zhì)厚襯度和衍射襯度兩種。度兩種。質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度由于試樣的質(zhì)量和厚度不

13、同，各部分對(duì)入射電子發(fā)生相互作由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，各部分對(duì)入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束的強(qiáng)度分布用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束的強(qiáng)度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)厚襯度。不同，形成反差，稱為質(zhì)厚襯度。質(zhì)厚襯度原理：質(zhì)厚襯度原理：襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚襯度主要取決于散射電子（吸收主要取于厚度，也可歸于厚度），當(dāng)散射角大于物鏡的孔徑角度，也可歸于厚度），當(dāng)散射角大于物鏡的孔徑角時(shí)時(shí), ,它不能它不能參與成象而相應(yīng)地變暗參與成象而相應(yīng)地變暗. .這種電子越多這種電子越多, ,其象越暗其象越暗. .或者說或者說, ,散射本散射本領(lǐng)大

14、領(lǐng)大, ,透射電子少的部分所形成的象要暗些透射電子少的部分所形成的象要暗些, ,反之則亮些。反之則亮些。衍射襯度衍射襯度衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射條件衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射條件(2dsin=n)程度差異以及結(jié)構(gòu)振幅不同而形成電子圖象反差。它程度差異以及結(jié)構(gòu)振幅不同而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)于非晶體試樣是不存在的。僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)于非晶體試樣是不存在的。衍射襯度形成機(jī)理：衍射襯度形成機(jī)理：明場(chǎng)像明場(chǎng)像用物鏡光欄用物鏡光欄將衍射束擋掉將衍射束擋掉，只讓透射束通過而得到，只讓透射束通過而得到圖象襯度的方法稱為明場(chǎng)成像，所得的圖象稱為明場(chǎng)像。圖象

15、襯度的方法稱為明場(chǎng)成像，所得的圖象稱為明場(chǎng)像。暗場(chǎng)像暗場(chǎng)像用物鏡光欄用物鏡光欄擋住透射束及其余衍射束擋住透射束及其余衍射束，而只讓一束，而只讓一束強(qiáng)衍射束通過光欄參與成像的方法，稱為暗場(chǎng)成像，所得圖象為暗強(qiáng)衍射束通過光欄參與成像的方法，稱為暗場(chǎng)成像，所得圖象為暗場(chǎng)像。暗場(chǎng)成像有兩種方法：偏心暗場(chǎng)像與中心暗場(chǎng)像。場(chǎng)像。暗場(chǎng)成像有兩種方法：偏心暗場(chǎng)像與中心暗場(chǎng)像。明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像成像機(jī)理只有晶體試樣形成的衍襯像才存在明場(chǎng)像與暗場(chǎng)像之分。只有晶體試樣形成的衍襯像才存在明場(chǎng)像與暗場(chǎng)像之分。它不是表面形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作它不是表面形貌的直觀反映，是入射電子束與晶體試樣之間相互作

16、用后的反映。用后的反映。 SrTiO3陶瓷陶瓷TEM明場(chǎng)像明場(chǎng)像 SrTiO3陶瓷陶瓷TEM暗場(chǎng)像暗場(chǎng)像明場(chǎng)像與暗場(chǎng)像實(shí)物圖片33制樣與應(yīng)用制樣與應(yīng)用透射電鏡專用銅網(wǎng)透射電鏡專用銅網(wǎng)支持膜支持膜超薄碳膜超薄碳膜 小于小于10nm10nm的粒子的粒子微柵微柵 管狀、棒狀、納米團(tuán)聚物管狀、棒狀、納米團(tuán)聚物 普通碳膜普通碳膜 形貌觀察形貌觀察3435 支持膜的分類支持膜的分類無孔碳支持膜系列無孔碳支持膜系列碳支持膜：碳支持膜厚度碳支持膜：碳支持膜厚度10-20nm10-20nm，具有抗熱性和導(dǎo)電性，推薦選用，具有抗熱性和導(dǎo)電性，推薦選用230230目載網(wǎng)目載網(wǎng)純碳支持膜：當(dāng)必須使用純碳支持膜：當(dāng)必須

17、使用有機(jī)溶劑作為分散劑有機(jī)溶劑作為分散劑時(shí)選擇，碳支持膜厚度時(shí)選擇，碳支持膜厚度20-40nm20-40nm， 適合觀察適合觀察10nm10nm以上的樣品，推薦選用以上的樣品，推薦選用400400目載網(wǎng)目載網(wǎng)薄純碳支持膜：當(dāng)必須使用薄純碳支持膜：當(dāng)必須使用有機(jī)溶劑或高溫下處理的特殊樣品有機(jī)溶劑或高溫下處理的特殊樣品，碳支持膜厚度，碳支持膜厚度 7-10nm 7-10nm，適合分散性較好，帶有機(jī)包覆層的核殼結(jié)構(gòu)之類的納米材料樣，適合分散性較好，帶有機(jī)包覆層的核殼結(jié)構(gòu)之類的納米材料樣品品超薄碳支持膜：碳膜厚度超薄碳支持膜：碳膜厚度3-5nm3-5nm，適合觀察，適合觀察10nm10nm以下，分散性

18、較好的納米材料，以下，分散性較好的納米材料，有孔碳支持膜系列有孔碳支持膜系列微柵支持膜：能達(dá)到無背底觀察的效果，推薦選用微柵支持膜：能達(dá)到無背底觀察的效果，推薦選用230230目載網(wǎng)目載網(wǎng)純碳微柵支持膜、純碳微柵支持膜、FIBFIB微柵支持膜微柵支持膜 等等非碳材料支持膜非碳材料支持膜無碳方華膜、鍍金、鍍鍺支持膜無碳方華膜、鍍金、鍍鍺支持膜 等等透射電鏡樣品制備方法透射電鏡樣品制備方法 材料研究用的材料研究用的TEMTEM試樣大致有三種類型：試樣大致有三種類型：經(jīng)懸浮分散的超細(xì)粉末顆粒。經(jīng)懸浮分散的超細(xì)粉末顆粒。用一定方法減薄的材料薄膜。用一定方法減薄的材料薄膜。用復(fù)型方法將材料表面或斷口形貌

19、復(fù)用復(fù)型方法將材料表面或斷口形貌復(fù)制下來的復(fù)型膜。制下來的復(fù)型膜。 分散分散：用超聲波分散器將需要觀察的粉末在溶：用超聲波分散器將需要觀察的粉末在溶液（不與粉末發(fā)生作用的）中分散成懸浮液。液（不與粉末發(fā)生作用的）中分散成懸浮液。 鍍膜鍍膜：用滴管滴幾滴在覆蓋有碳加強(qiáng)火棉膠支：用滴管滴幾滴在覆蓋有碳加強(qiáng)火棉膠支持膜的電鏡銅網(wǎng)上。待其干燥（或用濾紙吸干）后持膜的電鏡銅網(wǎng)上。待其干燥（或用濾紙吸干）后，再蒸上一層碳膜，即成為電鏡觀察用的粉末樣品，再蒸上一層碳膜，即成為電鏡觀察用的粉末樣品。1 1、粉末樣品制備、粉末樣品制備塊狀材料是通過減薄的方法（需要先進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)方法塊狀材料是通過減薄的方法（需

20、要先進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)方法的預(yù)減?。┲苽涑蓪?duì)電子束透明的薄膜樣品。減薄的方法的預(yù)減?。┲苽涑蓪?duì)電子束透明的薄膜樣品。減薄的方法有有超薄切片超薄切片、電解拋光電解拋光、化學(xué)拋光化學(xué)拋光和和離子轟擊離子轟擊等等. .適用于適用于生物試生物試樣樣適用于金適用于金屬材料屬材料適用于在化學(xué)試劑適用于在化學(xué)試劑中能均勻減薄的材中能均勻減薄的材料，如半導(dǎo)體、單料，如半導(dǎo)體、單晶體、氧化物等。晶體、氧化物等。無機(jī)非金屬材料大無機(jī)非金屬材料大多數(shù)為非導(dǎo)電材料多數(shù)為非導(dǎo)電材料，上述方法均不適，上述方法均不適用。用。6060年代初產(chǎn)生年代初產(chǎn)生了離子轟擊減薄裝了離子轟擊減薄裝置后，才使無機(jī)非置后，才使無機(jī)非金屬材料的薄膜制金屬材料的薄膜制備成為可能。備成為可能。2 2薄膜樣品的制備薄膜樣品的制備 復(fù)型制樣方法是用對(duì)電子束透明的薄膜把材料表復(fù)型制樣方法是用對(duì)電子束透明的薄膜把材料表面或斷口的面或斷口的形貌復(fù)制下來，常稱為復(fù)型形貌復(fù)制下來，常稱為復(fù)型