透射電鏡的使用

如有你有幫助，請購買下載，謝謝！如有你有幫助，請購買下載，謝謝！頁PAGE頁如有你有幫助，請購買下載，謝謝！頁透射電鏡的使用一、實驗?zāi)康?1)了解透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；學(xué)習(xí)透射電鏡的樣品制備方法；學(xué)習(xí)透射電鏡的操作；掌握透射電鏡圖像的分析二、透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理透射電鏡主要作用是研究微米級到納米級尺度上物質(zhì)的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析，探索圍觀上比均勻性與物質(zhì)性能的關(guān)系。I）固體表面形貌觀察；II）顆粒大小、形狀、粒度分析；III）固體顯微結(jié)構(gòu)分析（形態(tài)、成分、物相）；IV）原子排列、晶體缺陷分析。2.1概述在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完善光學(xué)顯微鏡的透鏡和結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)和分辨率總是被限定在1000多倍和幾百納米的水平，不可能再有所新的突破。后來，人們終于發(fā)現(xiàn)：是顯微鏡所使用的光源限制了光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的進一步發(fā)展。因為，可見光的波長在390納米到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波長的大小，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨本領(lǐng)也就在200納米左右。2.2透射電鏡的發(fā)展史1931年，第一臺透射電鏡在德國柏林誕生；1934年，電鏡的分辨率可達50nm；1939年，西門子公司投放第一臺商品電鏡，分辨率優(yōu)于10nm；60s、70s，提高分辨率，東京大學(xué)拍出第一張高分辨的原子像照片；80s，提高高壓水平，100kv→200kv；90s，計算機技術(shù)，提高自動化程度，CCD成像，遠程同步觀察等。目前世界主流的大型電鏡，分辨本領(lǐng)為2~3埃，電壓為100～500kV，放大倍數(shù)50~1200,000倍。由于材料研究強調(diào)綜合分析，電鏡逐漸增加了一些其它專門儀器附件，使其成為微觀形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)分析和成分分析的綜合性儀器，即分析電鏡。高分辨透射電子顯微鏡提高透射電子顯微鏡分辨率的關(guān)鍵在于物鏡制造和上下極靴之間的間隙，舍棄各種分析附件可以使透射電子顯微鏡的分辨率進一步提高。但是近年來隨著電子顯微鏡制造技術(shù)的提高，高分辨透射電子顯微鏡也在增加各種分析附件，完善其分析功能。目前生產(chǎn)透射電鏡的公司有：日本電子JEOL：JEM2010（F），2100F；JEM3010，3000F日本日立HITACHI：H-9000（F）美國FEI：TecnaiF30，TecnaiF202.3透射電鏡的工作原理透射電鏡是以波長極短的電子束作為照明光源，用電磁透鏡聚焦成像，使用對電子透明的薄膜樣品，以透射電子為成像信號的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。透射電鏡的工作原理：在高真空條件下，發(fā)射的電子在陽極加速電壓的作用下，高速地穿過陽極孔，經(jīng)過1～2級聚光鏡匯聚成很細的電子束后均勻照射到樣品上待觀察的微區(qū)，因為電子束穿透能力有限，所以要求樣品做得很薄，觀察區(qū)域的厚度在200nm左右。由于樣品很薄大部分電子可以穿透樣品，其強度分布與所觀察樣品區(qū)域的形貌、組織和結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。透射出的電子再經(jīng)物鏡、中間鏡和投影鏡放大后投射在觀察圖像的熒光屏上，熒光屏將電子的強度分布轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷墓鈴姺植迹罱K在熒光屏上顯示出與樣品形貌、組織和結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的圖像。2.4透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)主要功能：JEM-2010屬于高分辨型透射電鏡，可以進行高分辨圖像觀察，位錯組態(tài)分析；第二相、析出相結(jié)構(gòu)、形態(tài)、分布分析；晶體位向關(guān)系測定等。CCD相機可以實現(xiàn)透射電子圖像的數(shù)字化。能譜儀及能量損失譜儀可以獲得材料微區(qū)的成分信息。透射電鏡的結(jié)構(gòu)1）光學(xué)成像系統(tǒng)：照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡；成像放大系統(tǒng)：物鏡、中間鏡、投影鏡；圖像觀察：熒光屏、照相盒；樣品臺2）真空系統(tǒng)：機械泵，擴散泵，離子泵3）電氣系統(tǒng)：機械泵、油擴散泵、離子泵、真空測量儀表及真空管道4）附件系統(tǒng)：能譜儀(EDS)EnergyDispersiveX-rayspectrocopyCCD(Chargecoupleddevice)能損儀（PEELS/GIF）高角環(huán)形暗場像（HAADF）High-AngleAnnularDark-Fielddrypumpstation制樣設(shè)備計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用使透射電子顯微鏡的控制變得簡單，自動化程度大大提高，整機性能提高。在透射電子顯微鏡的觀察與記錄系統(tǒng)中增加攝像系統(tǒng)，使分析觀察更加方便，而且能連續(xù)記錄。近幾年慢掃描CCD相機越來越多地取代傳統(tǒng)的觀察與記錄系統(tǒng)，將透射電子信號（圖象）傳送到計算機顯示器上，不僅方便觀察記錄，而且與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使遠程觀察記錄成為可能TEM的最主要特點是它既可以進行形貌分析又可以做電子衍射分析，在同一臺儀器上把這兩種方法結(jié)合起來可使組織結(jié)構(gòu)分析的實驗過程大為簡化。若減小中間鏡的電流，在維持像距不變的條件下使焦距和物距變長，這樣就可把中間鏡的物平面移至物鏡的背焦面上，此時，在熒光屏上即顯示出一幅反映試樣晶體結(jié)構(gòu)的衍射花樣。2.5電子衍射的基本原理電子衍射的原理和X射線相似，是以滿足（或基本滿足）布拉格方程作為產(chǎn)生衍射的必要條件。但是，由于電子波有其本身的特性，電子衍射和X射線衍射比較時，具有下列不同的地方：首先是電子波的波長比X射線短得多，在同樣滿足布拉格條件時，它的衍射角θ很小，約為10-2rad。而X射線產(chǎn)生衍射時，其衍射角最大可接近π/2。其次，在進行電子衍射操作時采用薄晶樣品，薄樣品的倒易點會沿著樣品厚度方向延伸成桿狀，因此，增加了倒易點和厄瓦爾德球相交截的機會，結(jié)果使略為偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射。第三，因為電子波的波長短，采用厄瓦爾德圖解時，反射球的半徑很大，在衍射角θ較小的范圍內(nèi)反射球的球面可以近似地看成是一個平面，從而也可以認(rèn)為電子衍射產(chǎn)生的衍射斑點大致分布在一個二維倒易截面內(nèi)。這個結(jié)果使晶體產(chǎn)生的衍射花樣能比較直觀地反映晶體內(nèi)各晶面的位向，給分析帶來不少方便。最后，原子對電子的散射能力遠高于它對X射線的散射能力（約高出四個數(shù)量級），故電子衍射束的強度較大，攝取衍射花樣時僅需數(shù)秒鐘。上圖為18Cr2Ni4WA鋼經(jīng)900℃油淬后在透射電鏡下攝取的選區(qū)電子衍射花樣。該鋼淬火后的顯微組織是板條馬氏體和在板條間分布的薄膜狀殘余奧氏體，得到的衍射花樣中有兩套斑點，一套是馬氏體斑點，另一套是奧氏體斑點。1.馬氏體斑點標(biāo)定（驗證）：圖3a是一套衍射斑點⑴測定R1、R2、R3，其長度分別為10.2mm,10.2mm和14.4mm。量得R1與R2之間的夾角為90O,R1與R3之間的夾角為45O。⑵用查表法，以R2/R1及R1和R2之間的夾角θ查表，即可得出晶帶軸為[001]。相對于R1的晶面是(h1k1l1),其指數(shù)為（110），與R2相對應(yīng)的晶面(h2k2l2)，其指數(shù)為（-110）。⑶已知有效相機常數(shù)λL＝2.05mm·nm，可求得：d110=d-110=2.05/10.2=0.201nm這和鐵素體相應(yīng)的面間距0.202nm相近。另一面間距d3=λL/R3=2.05/14.4=0.142nm此數(shù)值和鐵素體d200=0.143nm相近，由110和-110兩個斑點的指數(shù)標(biāo)出R3對應(yīng)的指數(shù)應(yīng)是020，而鐵素體中（110）面和（020）面的夾角正好是45O。實測值和理論值之間相互吻合，從而驗證了此套斑點來自基體馬氏體的[001]晶帶軸。應(yīng)該指出的是，α-Fe、鐵素體、和馬氏體點陣常數(shù)是有差別的，但其差別在10-10～10-11mm數(shù)量級，電子衍射的精度不高，因而不能加以區(qū)別。殘余奧氏體電子衍射花樣的標(biāo)定（驗證）圖3b)為另一套衍射斑點，量得R1＝10.2mm,R2=10.2mm,R3=16.8mm。R1和R2之間的夾角為70°，R1和R3之間的夾角為35°。根據(jù)R2/R1和θ1≈70O查表得膜面方向應(yīng)為[011]。與R1和R2對應(yīng)的斑點指數(shù)分別為11-1和-11-1。用矢量加法求得相當(dāng)于R3的斑點應(yīng)為022。用衍射基本公式對晶面間距進行校核d11-1=d-11-1=2.05/10.0=0.205nm此數(shù)值和奧氏體{111}面間距的理論值0.207nm相近d02-2=2.05/16.8=0.122nm此數(shù)值和奧氏體{220}面間距的理論值0.126nm相近。根據(jù)夾角公式計算（11-1）和（02-2）面夾角應(yīng)是35.26O，和實測值35O相近，由此證明了這套斑點來自鋼中的奧氏體相。三、實驗儀器高分辨透射電鏡（JEM-2100F）塊狀樣品粗切機超聲波切片機研磨盤凹坑儀離子減薄儀超聲分散儀微柵待測樣品（1）微柵透射電子顯微鏡使用的銅網(wǎng)一般直徑為3毫米，上面銃有許多微米大小的孔，在銅網(wǎng)上覆蓋了一層很薄的火棉膠膜并在上面蒸鍍了碳層以增加其膜的強度，被分析樣品就承載在這種支撐膜上。如果在連續(xù)的火棉膠膜上再制出一些通透的孔，我們把這種支撐膜叫作“微篩”。高分辨分析時一般使用微篩來承載樣品。四、樣品制備方法3.1制樣要求1）直徑為3mm；2）樣品需要足夠薄,HRTEM要求更高（一般形貌約100nm厚；高分辨像1～10nm厚）；3）尺寸越小越好，尤其適用于納米材料的分析；4）導(dǎo)電、穩(wěn)定（電荷會在非導(dǎo)電樣品上面積聚大量電荷，會干擾TEM的磁場和電子束，并對樣品造成損傷）5）非磁性樣品（防止磁性材料對磁透鏡污染，特別是物鏡）6）無水分，不易揮發(fā)（如水、揮發(fā)性物質(zhì)、有機物，在高能電子轟擊下會發(fā)熱氣化，遇冷又凝結(jié)，污染鏡筒，特別是物鏡）對于粉末樣品一般要求粒度應(yīng)小于300納米，粒度較大時，會只能看到顆粒的輪廓，不能分析顆粒表面上的細節(jié)。纖維類樣品得直徑應(yīng)最好小于200納米。不論是纖維，粉末或高分子納米球的樣品都要在適當(dāng)?shù)娜芤褐凶隽己玫姆稚?，然后滴在或撈到銅網(wǎng)上的支撐膜上。對于特殊樣品需要做特殊的制備，列如：切片，染色，離子減薄或復(fù)型處理。3.2制樣方法化學(xué)減薄法（所有樣品）電解雙噴法（導(dǎo)電材料）復(fù)型法（金屬和非金屬）超薄切片法（生物材料、高分子膜材料）CIB聚集高電子束法（可定向切割）粉碎研磨法（粉末樣品）機械減薄法離子減薄法（塊狀的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、玻璃、多層膜等）超聲波分散法（粉末樣品）染色法3.3制樣設(shè)備慢速鋸超聲波圓片切割機加熱臺、研磨盤656型凹坑儀離子減薄儀E6500型真空噴涂儀超聲波分散儀離子減薄儀的工作原理：在電場作用下氬氣被電離成Ar+離子，帶著一定能量的氬離子從陽極飛向陰極，通過陰極孔，打在接地的樣品表面，使樣品表面濺射，這就是氬離子轟擊的基本原理。3.4制樣過程1）塊狀樣品用低速鋸將塊狀樣品粗切割成片狀，厚度最好在1mm以下；用超聲波圓片切割機將片狀樣品切割成直徑為3mm的圓片；用加熱臺、研磨盤研磨減薄圓片，直至厚度小于70um；用656型凹坑儀將薄圓片機械磨削成凹坑狀，厚度降至20um，但不能穿孔；用離子減薄儀將凹坑薄圓片減薄，直至圓片中間穿孔，獲得滿足電鏡觀察要求的薄片；2）粉末樣品用超聲波分散儀將粉末分散。五、測試1.緩慢加高壓到200kV（Nomal），在冷阱中加入液氮；2.將樣品微柵置于樣品架上，送入電鏡；3.開啟CCD計算機控制系統(tǒng)，確認(rèn)冷卻水開啟和CCD電致冷溫度<-25℃；4.打開電子槍BEAM閥；5.調(diào)整電子槍及照明系統(tǒng)合軸；6.選擇樣品適當(dāng)區(qū)域，進行TEM圖像觀察，并利用CCD拍觀察到的TEM圖像，保存分析結(jié)果；7.關(guān)閉電子槍BEAM閥；8.將電鏡高壓降到160kV（StandBy），加熱冷阱（ACDheat）。六、圖像分析先看高分辨圖像，再看形貌圖像對電鏡照片的分析，應(yīng)先從各種資料中盡可能地對被分析樣品有所了解，估計可能出現(xiàn)的結(jié)果，再與電鏡照片進行比對，做出正確的解釋。對于金屬氧化物可能具有一些典型的構(gòu)成形狀，如球