第七章電子顯微鏡法

第七章電鏡概況與發(fā)展史顯微鏡是人類(lèi)認(rèn)識(shí)微觀世界的重要工具。第一種顯微鏡的發(fā)明是光學(xué)顯微鏡。光學(xué)顯微鏡使用可見(jiàn)光做照明源，用玻璃透鏡來(lái)聚焦光和放大圖像。光學(xué)分辨本領(lǐng)受光波長(zhǎng)限制，極限分辨本領(lǐng)為200nm。小于200nm物體的觀測(cè)須使用小于光波長(zhǎng)的照明源。電子顯微鏡使用高能量的加速電子代替光做照明源，使用電磁線圈代替玻璃透鏡來(lái)聚焦成像。高速運(yùn)動(dòng)的粒子與短波輻射相聯(lián)系，例如在100kV電壓下加速的電子，相應(yīng)的波長(zhǎng)為0.0037nm，比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)小幾十萬(wàn)倍?，F(xiàn)代電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)已經(jīng)達(dá)到原子大小的水平概況結(jié)構(gòu)與參數(shù)成像原理制樣方法應(yīng)用舉例電子顯微鏡掃描電子顯微鏡SEM透射電子顯微鏡TEM透射電鏡（TEM）1、TEM的構(gòu)造主要包括：電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器三部分。（1）電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）：核心是磁透鏡（短焦距、高放大率）上端——電子槍部分；中間——成像系統(tǒng)（樣品室）；下端——觀察和照相部分其中：電子照明系統(tǒng)（電子槍和第一、二會(huì)聚鏡）：

——提供亮度高、尺寸小的電子束透鏡成像系統(tǒng)：包括物鏡、中間鏡、投影鏡組成（三級(jí)成像系統(tǒng)）

物鏡：形成放大的一次電子圖像，并對(duì)像進(jìn)行聚焦（強(qiáng)磁透鏡）

中間鏡：通過(guò)調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)來(lái)改變整個(gè)系統(tǒng)的M（弱磁透鏡）

投影鏡：將電子圖像進(jìn)一步放大并投射到熒光屏上（強(qiáng)磁透鏡，高M(jìn)）

總放大倍率：M=M0.M1.M2（2）真空系統(tǒng)：鏡筒處于高真空的原因空氣中，電子與氣體粒子碰撞而散射，降低平均自由程電子槍的高壓要處于高真空中，以免引起放電高真空可延長(zhǎng)燈絲壽命試樣在高真空中可減少污染普通TEM的真空度達(dá)到10-2~10-3Pa，高性能的TEM要求達(dá)到10-5~10-7Pa（3）電器部分：包括：電子槍的高壓電源（需要高穩(wěn)定性）磁透鏡激磁電流的電源（高穩(wěn)定性）各種操作、調(diào)整設(shè)備的電器真空系統(tǒng)的電源安全保護(hù)用電器電磁透鏡的像差球差：由電磁透鏡磁場(chǎng)中近軸區(qū)域和遠(yuǎn)軸區(qū)域?qū)﹄娮邮恼凵洳煌鹞稂c(diǎn)通過(guò)透鏡沒(méi)有會(huì)聚成一個(gè)像點(diǎn)，而是會(huì)聚在一定范圍的軸向距離上。電磁透鏡的像差色差：有電子波能量非單一引起物點(diǎn)通過(guò)透鏡沒(méi)有會(huì)聚成一個(gè)像點(diǎn)，而是會(huì)聚在一定范圍的軸向距離上。電磁透鏡的像差像散：電磁透鏡磁場(chǎng)軸不對(duì)稱(chēng)所產(chǎn)生的物點(diǎn)通過(guò)透鏡沒(méi)有會(huì)聚成一個(gè)像點(diǎn)，而是會(huì)聚在一定范圍的軸向距離上。（消像散器）2、TEM的主要性能指標(biāo)包括：分辨本領(lǐng)、放大器、加速電壓、衍射相機(jī)長(zhǎng)度以及自動(dòng)化程度、所具備的功能等（1）分辨本領(lǐng)——分辨率，點(diǎn)分辨率和線分辨率（首要指標(biāo)）

在電子圖像上能分辨開(kāi)的相鄰兩點(diǎn)在試樣上的距離——點(diǎn)分辨率

在電子圖像上能分辨出的最小晶面間距——線分辨率或晶格分辨率

近代高分辨率的TEM的點(diǎn)分辨率達(dá)0.3nm，線分辨率達(dá)0.144nm（2）放大率：指電子圖像相對(duì)于試樣的線性放大倍數(shù)

有效放大率：與儀器的分辨率相匹配

M=D/r

最高放大率>有效放大率反映可能的分辨本領(lǐng)低倍放大率：應(yīng)與光學(xué)顯微鏡銜接（1000－2000倍）更低倍率：50－100倍，用于普查試樣，選擇視場(chǎng)

例如：

D=0.1mm，r=0.3nm，則M=330000倍，最高放大率在60~80萬(wàn)為合適（3）加速電壓：指電子槍中陽(yáng)極相對(duì)于燈絲的電壓（決定電子束的能量）

V高，則穿透力強(qiáng)，可直接觀察較厚的樣品（一般V=50~100kV）對(duì)于金屬薄膜樣品，V>100kV，最好>1000kV（超高壓電鏡）（高分辯率）（4）相機(jī)長(zhǎng)度：是電鏡作為電子衍射時(shí)的一個(gè)儀器常數(shù)

電鏡作電子衍射，衍射譜圖是放大了的，因此其相機(jī)長(zhǎng)度比電子衍射儀大很多，而且可調(diào)。2、TEM的主要性能指標(biāo)2、TEM的襯度形成原理電鏡照片：明暗不同這種電子圖像上明暗（或黑白）的差異稱(chēng)為圖像的襯度（或反差）主要有：散射（質(zhì)量-厚度）襯度、衍射襯度和相位襯度（1）散射(質(zhì)量－厚度）襯度：電子通過(guò)樣品時(shí)，受到樣品中元素的原子核和核外電子的電場(chǎng)作用，使運(yùn)動(dòng)速度和方向發(fā)生變化，稱(chēng)為電子的散射。

由于試樣上各部位散射能力不同所形成的襯度，即稱(chēng)為散射襯度

——是非晶態(tài)形成襯度的主要原因

圖3-9散射襯度的形成非晶態(tài)（2）衍射襯度：

運(yùn)動(dòng)的電子具有波粒二相性（具有一定波長(zhǎng)）。被加速的電子束與晶體物質(zhì)作用，可發(fā)生衍射現(xiàn)象。布拉格定律：2dSinθ=nλ

由電子衍射產(chǎn)生的襯度稱(chēng)為衍射襯度

——是晶體樣品形成襯度的主要原因圖3-10布拉格定律及衍射形成示意圖2、TEM的襯度形成原理晶體樣品（3）相位襯度：

相位襯度是由于電子波干涉產(chǎn)生的，是超薄樣品和高分辨像的襯度來(lái)源，可觀察原子像和分子像。

a.超薄樣品：入射電子波穿過(guò)極薄的試樣后，形成的散射波與透射波產(chǎn)生相位差，經(jīng)物鏡會(huì)聚后，在像平面發(fā)生干涉。由于各點(diǎn)的相位差情況不同，干涉后形成合成波也不同，形成相位襯度。

b.在進(jìn)行高分辨觀察時(shí)，為獲得更多的信息，可選用大孔徑的物鏡光闌，或不用。相位襯度2、TEM的襯度形成原理超薄樣品和高分辨像質(zhì)量-厚度襯度（1）粉末制樣法（2）超薄切片法（3）復(fù)型法

制樣方法TEM研究催化劑催化劑物性的檢測(cè)物相鑒別粒子大小及其分布測(cè)定孔結(jié)構(gòu)觀察研究負(fù)載型催化劑在催化劑制備過(guò)程中的應(yīng)用在催化劑失活、再生研究中的應(yīng)用設(shè)備名稱(chēng)分析透射電鏡型

號(hào)

TecnaiG220（FEI公司）功能及用途應(yīng)用領(lǐng)域：用于金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料及高分子生物材料的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的微觀可視性觀察和分析

主要用途：

透射電鏡樣品形貌，相應(yīng)選區(qū)電子衍射觀察

微衍射及相干電子衍射觀察；

配合特征X射線能譜儀(EDS)進(jìn)行成分分析技術(shù)指標(biāo)點(diǎn)分辨率：0.23nm

線分辨率：0.14nm

放大倍數(shù)：25X～1050000X

常用附件：

EDAX能譜儀碳棒其他樣品的電鏡照片目錄：SEM的概述SEM的結(jié)構(gòu)原理

SEM的性能參數(shù)

SEM的應(yīng)用掃描電子顯微鏡

(ScanningElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM)是繼透射電鏡（TEM）之后發(fā)展起來(lái)的一種電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱(chēng)為掃描電鏡。SEM的概述：掃描電子顯微鏡的成像原理和光學(xué)顯微鏡或者透射電子顯微鏡不同，它是以電子束作為照明源，把聚焦得很細(xì)的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)有關(guān)的信息，然后加以收集和處理從而獲得微觀形貌放大像。掃描電鏡（SEM）是一種大型精密儀器，為微觀世界的探測(cè)提供了一種新的研究手段。目前已廣泛應(yīng)用于冶金礦產(chǎn)，生物醫(yī)學(xué)，材料科學(xué)、物理和化學(xué)等領(lǐng)域。SEM的概述：在最近20多年的時(shí)間內(nèi)，掃描電子顯微鏡發(fā)展迅速，又綜合了X射線分光譜儀、電子探針以及其它許多技術(shù)而發(fā)展成為分析型的掃描電子顯微鏡，儀器結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，分析精度不斷提高，應(yīng)用的功能不斷擴(kuò)大，成為眾多研究領(lǐng)域不可缺少的工具。光學(xué)顯微鏡的圖像景深很小，只能看清楚硅柱在某一高度附近的形貌，成像質(zhì)量差，但電子掃描顯微鏡的圖像景深很大，多孔硅柱的不同高度都能成清晰的像，且分辨率高，因此，可以得到完整的多孔硅的形貌像。SEM的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)(舉例)：圖1.多孔硅的兩種圖像比較（a）光學(xué)顯微鏡圖像（b）掃描電子顯微鏡圖像二次電子------被入射電子轟擊出來(lái)的樣品中原子的核外電子。具體解釋由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，因此外層的電子較容易和原子脫離。當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可離開(kāi)原子而變成自由電子。如果這種散射過(guò)程發(fā)生在比較接近樣品表層，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。電子顯微鏡常用的信號(hào)：

2.二次電子（secondaryelectron）二次電子------被入射電子轟擊出來(lái)的樣品中原子的核外電子。電子顯微鏡常用的信號(hào)：

2.二次電子（secondaryelectron）二次電子對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效的顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表面層，產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒(méi)多大區(qū)別。所以二次電子的分辨率較高。掃描電子顯微鏡的分辨率通常就是二次電子分辨率。特征X射線------原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。電子顯微鏡常用的信號(hào)：

3.特征X射線（characteristicX-ray）由于X射線光子反映樣品中元素的組成情況，因此可于用來(lái)分析材料的成分。SEM的工作原理：圖1掃描電鏡的主體結(jié)構(gòu)基本工作原理在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)多級(jí)電磁透鏡匯集成細(xì)小的電子束。在末級(jí)透鏡上方掃描線圈的作用下，使電子束在試樣表面做光柵掃描。入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線等各種信息（其二維強(qiáng)度分布隨著試樣表面的特征而變）。這些信號(hào)被不同的接收器接收，經(jīng)放大后，調(diào)制熒光屏的亮度，得到一個(gè)反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖像?！肮鈻艗呙?逐點(diǎn)成像”

掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和原理真空物鏡聚光鏡電子槍掃描電路光電倍增管探測(cè)器觀察用陰極射線管拍攝用用陰極射線管掃描線圈二次電子電子槍聚光鏡掃描線圈物鏡：將50um的電子束斑會(huì)聚成幾個(gè)納米樣品室信號(hào)收集和圖象顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)（10-3Pa）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)2.放大倍數(shù)變化范圍大：15倍----20萬(wàn)倍

(TEM,高達(dá)106倍,放大倍數(shù)變化范圍較?。?.分辯率3—4nm.

（TEM的分辨率約為2nm,高分辨TEM為0.1nm，但TEM對(duì)樣厚度要求十分苛刻，且觀察區(qū)域小.)

1.可以觀察直徑為10----30mm的大塊樣品，制作方法簡(jiǎn)單掃描電鏡（SEM）成像的特點(diǎn)

4.景深大,成像富有立體感:適用于粗糙表面和斷口的分析觀察景深的概念是這樣描述的，在景像平面上所獲得的成清晰像的空間深度稱(chēng)為成像空間的景深熱發(fā)射三極電子槍鎢燈絲電子槍六硼化鑭電子槍工作時(shí)，利用燈絲電源對(duì)燈絲直接加熱，當(dāng)燈絲達(dá)到工作溫度(2000K以上)時(shí)，發(fā)射出電子。電子槍場(chǎng)發(fā)射電子槍場(chǎng)發(fā)射電子槍是利用靠近曲率半徑很小的陰極尖端附近的強(qiáng)電場(chǎng)使陰極尖端發(fā)射電子。一般由三級(jí)電磁透鏡組成，即第一聚光鏡、第二聚光鏡和末級(jí)聚光鏡(即物鏡)。其主要功能是依靠透鏡的電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)電子的相互作用將電子槍中交叉斑處形成的電子源逐級(jí)會(huì)聚成為在樣品上掃描的極細(xì)電子束。

透射電鏡的電子透鏡是放大透鏡，而掃描電鏡的電子透鏡是縮小透鏡，它的“物”就是電子束交叉斑，打到樣品上的入射電子束斑就是交叉斑的“像”。電磁透鏡SEM的主要性能指標(biāo)及影響因素對(duì)于掃描電鏡，限制和影響其分辨率的因素較多。其中較主要的有下列三個(gè)因素：A.入射電子束斑直徑通過(guò)減小電磁透鏡的像差（主要是球差和像散）和增大透鏡縮小倍數(shù)，可縮小入射電子束斑直徑，從而提高掃描電鏡分辨率。B.樣品對(duì)電子的散射作用樣品上發(fā)射信息的最小范圍，實(shí)際上決定于有效入射電子束斑的大小。C.信噪比掃描電鏡形貌襯度原理凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測(cè)器很容易被收集，所以二次電子圖像無(wú)陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響。

二次電子像是表面形貌襯度像，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種像襯度。因?yàn)槎坞娮有盘?hào)主要來(lái)處樣品表層5－10nm的深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒(méi)有明確的關(guān)系，而對(duì)微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的方向十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯