透射电子显微镜基本知识

1、透射电子显微镜基本知识透射电子显微学介绍 人们观察物质微观结构能力的进程俞大鹏电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学， 电子显微镜把人眼睛的分 辩能力从大约 0.2 mm 拓展至亚原子量级（ <1 A） ，大大增强了人们观察世界的能力。电子显 微学开始于上世纪 30 年代，经过几十年的不断发展和完善，现在已经成为凝聚态物理、半 导体电子技术、材料、化学、生物、地质等多学科的非常重要的研究手段。尤其是，随着科 学技术发展进入纳米科技时代， 电子显微镜更是显示出其强大的威力。 可以说， 假如没有电 子显微镜，现代科学技术是不可想象的，它的发 展与其他学科的发展息息相关，密切联系

2、 在一块的。以下是电子显微学发展史上一些重要的进程：§ 世界上第一台电子显微镜始创于 1932 年，它由德国科学家 Ruska 研制，奠定了利用电 子束研究物质微观结构基础；§ 1946年， Boersch 在研究电子与原子的相互作用时提出，原子会对电子波进行调制，改 变电子的相位。 他认为利用电子的相位变化， 有可能观察到单个原子， 分析固体中原子的排 列方式。这一理论实际上成为现代实验高分辨电子显微分析方法的理论依据；§ 1947 年，德国科学家 Scherzer 提出，磁透镜的欠聚焦（即所谓的Scherzer 最佳聚焦，而非通常的高斯正焦）能够补偿因透镜缺陷

3、（球差）引起的相位差，从而可显著提高电子显 微镜的空间分辨率；§ 1956 年，英国剑桥大学的 Peter Hirsch 教授等人不仅在如何制备对电子透明的超薄样 品，并观察其中的结构缺陷实验方法方面有所突破， 更重要的是他们建立和完善了一整套薄 晶体中结构缺陷的电子衍射动力学衬度理论。 运用这套动力学衬度理论， 他们成功解释了薄 晶体中所观察到的结构缺陷的衬度像。 因此 5060 年代是电子显微学蓬勃发展的时期， 成为 电子显微学最重要的里程碑；晶体理论强度、位错的直接观察 5060 年代电子显微学的最大贡献；§ 1957 年，美国 Arizona 洲立大学物理系的 Co

4、wley 教授等利用物理光学方法来研究电子 与固体的相互作用，并用所谓“多层法”计算相位衬度随样品厚度、欠焦量的变化，从而定 量解释所观察到的相位衬度像，即所谓高分辨像。 Cowley 教授建立和完善了高分辨电子显 微学的理基础；§ 1971 年， Iijima 等人首次获得了可解释的氧化物晶体的高分辨电镜像， 证实了他们所看 到的高分辨像与晶体结构具有对应关系，是晶体结构沿特定方向的二维投影；§ 7080 年代，分析型电子显微技术兴起、发展，可在微米、纳米区域进行成分、结构等 微分析；§ 1982 年，英国科学家 Klug 利用高分辨电子显微技术，研究了生物蛋白

5、质复合体的晶体 结构，因而获得了诺贝尔化学奖；§ 1984 年，美国国家标准局的 Shechtman 等科学家、中科院沈阳金属所的郭可信教授等， 利用透射电子显微技术，发现了具有5 次、 8次、 10 次，及 12次对称性的新的有序结构 准晶体，极大地丰富了材料、晶体学、凝聚态物理研究的内涵；§ 1982 年，瑞士 IBM 公司的 G. Binning, H. Rohrer 等人发明了扫描隧道显微镜（ STM ）。 他们和电子显微镜的发明者 Ruska 一同获得 1986 年诺贝尔物理奖；§ 1991 年，日本的 Iijima 教授利用高分辨电子显微镜研究电弧放电

6、阴极产物时，发现了 直径仅几十纳米的碳纳米管。最新进展： 德国科学家利用计算机技术实现了对磁透镜进行球差矫正，可以实现零球差，以及负球差，从而大大提高了透射电镜的空间分辨本领，目前的最高点分辨率可以达到 0.1 纳米，估计 5 年内可以逼进 0.05 纳米的。此外，通过在电子束照明光源上加装单色仪，可 以大大提高电镜的能量分辨率，目前最高可以获得 70 毫电子伏特的水平。现代电子显微学已经发展的相当完备， 从与固体作用方式上， 可分为扫描电镜和透射电 镜，本课程仅讲授相关的透射电子显微学部分。 从实验方法上分， 透射电子显微方法包括选 区电子衍射（ SAED ）、衍射衬度分析、汇聚束衍射（ C

7、BED ）、高分辨分析（ HREM ）、微区 成分分析（ EDS、EELs ），及 Z 衬度分析 等。现在还发展了电子全息分析和电子结构分析 等。现在， 通过计算机辅助修正， 可以实现零或负值的球差系数， 大大提高了透射电镜的空 间分辨率， 达到低于 0.1 纳米的点分辨率。另外， 通过单色仪等， 可以使电子束的能力分辨 率低于 0.1 eV ，大大提高了能量分辩能力。电子显微学的特点与可解决的问题 同其他结构表征手段相比，电子显微学具有以下几个方面的优点： 一、 散射能力强：和X射线相比，电子束的散射能力是前者的一万倍，因此可以在很微小区域获得足够的衍射强度，容易实现微、纳米区域的加工与成份

8、研究。原子对电子的散射能量远大于 X 射线的散射能力即使是微小晶粒（纳米晶体）亦可给出足够强的衍射 动力学衍射和吸收强，只能穿透薄样品三、波长短：Ewald 球半径大，衍射图有如一个倒易点阵平面直观，容易发生新衍射现象d 值精度差四、束斑可聚焦：会聚束衍射（纳米束衍射） ，可获得三维衍射信息，有利于分析点群、空间群对称性； 局域结构五、成像：正空间信息：直接观察结构缺陷直接观察原子团（结构像）直接观察原子（原子像） ，包括 Z 衬度像六、衍射：倒空间信息：选择衍射成像（衍衬像） ，获得明场、暗场像有利结构缺陷分析 从结构像可能推出相位信息七、成分分析：微区分析X 射线能谱分析（ EDS ） 特

9、征电子能量损失谱（ EELS ） 元素分布像（ Element Mapping ）八、电子全息：电子波全部信息（相位和振幅）微观电场、磁场分布微观应力场分布九、全部分析结果的数字化数据数字化，便于计算机存储与处理，与信息平台接轨析，电子显微学不仅是 X 射线晶体学的强有力补充， 特别适合微晶、 薄膜等显微结构分 对于局域微结构分析、尤其是纳米结构分析具有独特的优势。电子显微学不足及未来发展展望主要不足表现为：由于电子散射能力极强，容易发生二次衍射等，解释困难； 由于为三维物体的二维平面投影像，有时像的不唯一性，解释必须谨慎；超薄样品（ 100 纳 米以下），制样过程复杂、困难，制样有损伤；电子

10、束对样品有辐照损伤，有时会产生非本征结构（假像） ；未来发展展望 :1. 利用 EELS 精细结构研究电子结构 ;2. 利用 Z 衬度， 真正实现原子的化学成份的分辨 ;结合正空间、 倒空间信息， 进行三维重构， 实现原子水平的空间分辨本领。3. 最新进展：德国科学家利用计算机技术实现了对磁透镜进行球差矫正，可以实现零球差， 以及负球差，从而大大提高了透射电镜的空间分辨本领，目前的最高点分辨率可以达到 0.1 纳米，估计 5 年内可以逼进 0.05 纳米的。此外，通过在电子束照明光源上加装单色仪，可 以大大提高电镜的能量分辨率，目前最高可以获得 70 毫电子伏特的水平。清华大学朱静院 士率先在

11、北京建立了基于球差矫正的高性能透射电镜的北京国家电镜中心， 显示中国在这方 面努力的信心。主要参考文献：1、“近代物理实验技术” ， 吕斯华、朱印康编，高等教育出版社，第59 页， 1991。2、“ Electron Microscopy of Thin Crystals ”, P. Hirsch, A. Howie, R. B. Nicholson, D. W. Pashley,M. J. Whelan, Robert E. Krieger Huntington press, 1977 （有中翻译本） 。 .3、“ Diffraction Physics ” , J. Cowley, North Holland press, 1984.4、“ Experimental High-resolution Electron Microscopy ” , J. C. H. Spenc