第8讲_透射电子显微镜(TEM)_20111104

1、 透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。测试的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。 第8讲 透射电子显微分析2011年11月4日Transmission Electron MicroscopeTEM 发展历史发展历史 在电子光学微观分析仪器中，透射电镜历史久，发展快，应用范围也最广泛1932-1933，Ruska等制备第一台透射电子显微镜后，透射电镜就已初步定型生产，并已达到分辨率优于2nm的水平到40年代末， 透射电镜的主体己基本定型。由电子枪和两个聚光镜组成照明系统，产生一束聚焦很细、亮度高、发散度小的

2、电子束；由物镜、中间镜和投影镜三个透镜组成三级放大的成像系统； 给出分辨率优于lnm放大几十万倍的电子像。透射电镜的发展带动了电子光学仪器和技术的发展，在此基础上发展越来越多的高精尖仪器一、仪器结构介绍v透射电子显微镜由三大部分组成：v电子光学系统，v真空系统v供电控制系统。v电子光学系统，又称镜筒，是电子显微镜的主体。 1、电子枪 2、聚光镜 3、物镜、中间镜和投影镜v4、消像散 5、荧光屏、照相系统 6、样品室v v电子光学系统，又称镜筒，是电子显微镜的主体。 1、电子枪 2、聚光镜 3、物镜、中间镜和投影镜v4、消像散 5、荧光屏、照相系统 6、样品室v v电子光学系统，又称镜筒，是电子

3、显微镜的主体。 1、电子枪 2、聚光镜 3、物镜、中间镜和投影镜v4、消像散 5、荧光屏、照相系统 6、样品室v CM200-FEG场发射枪电镜JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率 1.94加速电压20KV、40KV、80KV、160KV、200KV可连续设置加速电压热场发射枪晶格分辨率 1.4点分辨率 2.4最小电子束直径1nm能量分辨率约1ev倾转角度=20度 =25度JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率 1.94EM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率 2.04点分辨率 3

4、.4最小电子束直径约2nm倾转角度=60度 =30度Philips CM12透射电镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KVLaB6或W灯丝晶格分辨率 2.04点分辨率 3.4最小电子束直径约2nm；倾转角度=20度 =25度CEISS902电镜加速电压50KV、80KVW灯丝顶插式样品台能量分辨率1.5ev倾转角度=60度 转动40001）电子光学部分整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、着电子枪、聚光镜、样品室、 物镜、中间镜、投影镜、观物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏

5、、照相机构等装置察室、荧光屏、照相机构等装置根据这些装置的功能不同又可根据这些装置的功能不同又可 将电子光学部分分为照明系将电子光学部分分为照明系统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统（1）照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中及倾斜调节装置组成。它的作用是为成像系统提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在2-3度范围内倾斜电子枪。它由阴极、栅极和阳极构成。 在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流聚光镜。聚光镜的作用是会聚从电子枪发射出来的电子束，控制照明孔径角、电流密度和光斑尺寸

6、(2)样品室样品室中有样品杆、样品杯及样品台(3)成像系统 一般由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜的分辨本领决定了电镜的分辨本领，中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的图像进一步放大(4)图像观察与记录系统 该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成2）真空系统v真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀门、真空测量仪奉及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在 托以上v如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品3）供电控制系统 v加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差加速电压和透镜磁电流不

7、稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透镜电流及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准v透射电镜的电路主要由高压直流电源、透镜励磁电透射电镜的电路主要由高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等部分组成。自动曝光电路等部分组成。v另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、

8、电子能量损失谱等仪器谱议、电子能量损失谱等仪器二、成像原理v 透射电子显微镜中，物镜、中间镜，总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积。v M = M0.Mi.Mpv 式中：M0-物镜放大倍率，数值在50-100范围；Mi-中间镜放大倍率，数值在0-20范围；Mp-投影镜放大倍率，数值在100-150范围，总的放大倍率M在1000-200,000倍内连续变化。v据阿贝成像理论在物镜的后焦面上有衍射谱，可以通过减弱中间镜电流来增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，这样就可以把物镜产生的衍射谱透到中间镜的像平面上，得到一次放大了的电子衍射谱，再经过投影镜的放大作用，最后在荧光屏上得到二次放大的电子衍

9、射谱三、性能与制样三、性能与制样v 透射电子显微镜利用穿透样品的电子束透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是是“透明透明”的。的。v对于透射电镜常用的加速电压为对于透射电镜常用的加速电压为100KV，因，因此适宜的样品厚度约此适宜的样品厚度约200纳米。纳米。 v 目前，样品可以通过两种方法获得，一目前，样品可以通过两种方法获得，一是表面复型技术，二是样品减薄技术。是表面复型技术，二是样品减薄技术。 v1、表面复型技术、表面复型技术 v 所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复

10、制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型复型”）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示材料的显微组织。复型膜必须满足以下特点：于显示材料的显微组织。复型膜必须满足以下特点： v1）本身是）本身是“非晶体的，在高倍（如十万倍）成像时，非晶体的，在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。也不显示其本身的任何结构细节。 v2）对电子束足够透明（物质原子序数低）；）对电子束足够透明（物质原子序数低）； v3）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或）具有足够的强度和刚度，在复制过程中

11、不致破裂或畸变；畸变； v4）具有良好的导电性，耐电子束轰击；）具有良好的导电性，耐电子束轰击； v5）是分子尺寸较小的物质）是分子尺寸较小的物质-分辨率较高。分辨率较高。 v常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料复型要好。比塑料复型要好。金相复型的制备方法金相复型的制备方法 1对金相试样的要求 试样要细心磨制，仔细抛光， 力求避免产生微小的磨痕及变形层，浸蚀剂与做金相试验时所用的浸蚀剂相同，浸蚀应浅些，这样可保留组织细节。2塑料一碳二级复型 塑料一碳二级复型由于其制备过程不损坏金相试样表面，重复性好，供观察的第二级复型一碳膜导电导热

12、性好，在电子束照射下较为稳定，因而得到广泛的应用。具体制备方法如下： （1 1） 在样品表面滴一滴丙酮，然启贴上一片与样品大小相在样品表面滴一滴丙酮，然启贴上一片与样品大小相近的近的ACAC纸纸(6(6醋酸纤维素丙酮溶液薄膜醋酸纤维素丙酮溶液薄膜) )。注意不要留下气。注意不要留下气泡或皱折待泡或皱折待ACAC纸干透后小心揭下。反复贴纸干透后小心揭下。反复贴ACAC纸纸3-43-4次以去次以去除腐蚀产物，将最后一片除腐蚀产物，将最后一片ACAC纸留下，这片纸留下，这片ACAC纸就是所需要的纸就是所需要的塑料一级复型。塑料一级复型。（2 2） 将将ACAC纸复型面朝上平整地贴在衬有纸片的胶带纸上

13、。纸复型面朝上平整地贴在衬有纸片的胶带纸上。（3 3） 将复型放人真空镀膜机真空室中，使投影重金属的蒸将复型放人真空镀膜机真空室中，使投影重金属的蒸发源与复型成一定角度，角度视表面凸凹而定，通常在发源与复型成一定角度，角度视表面凸凹而定，通常在1515一一4545度之间。常投影后再沿垂直方向喷镀一层碳当无油处白度之间。常投影后再沿垂直方向喷镀一层碳当无油处白色瓷片变成浅褐色时为宜。色瓷片变成浅褐色时为宜。 （4 4） 将醋酸纤维一碳复合膜剪成小于中将醋酸纤维一碳复合膜剪成小于中3mm3mm小片投入丙酮小片投入丙酮中，待醋酸纤维素溶解后，用镊子夹住铜网将碳膜捞起如中，待醋酸纤维素溶解后，用镊子夹

14、住铜网将碳膜捞起如果碳膜卷曲，可将其捞人蒸馏水中，靠水的表面声力把卷负果碳膜卷曲，可将其捞人蒸馏水中，靠水的表面声力把卷负的碳膜展开，然后再用铜网捞起的碳膜展开，然后再用铜网捞起（5 5） 将捞起的碳膜放到滤纸上吸水干燥后即可放人电镜中将捞起的碳膜放到滤纸上吸水干燥后即可放人电镜中观察观察复型示意图2、样品减薄技术、样品减薄技术 v 复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内部组织结构信息。揭示晶体内部组织结构信息。 样品减薄技术可以克服上述缺点，样品减薄技术可以克服上述缺点， 它的特点：它的特点：v1）可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；）可以

15、最有效地发挥电镜的高分辨率本领； v2）能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，）能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把形貌信息与结构信息联系起来；把形貌信息与结构信息联系起来； v3）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。运动与交互作用。减薄：超薄切片（生物样品）、电解抛光（金属样减薄：超薄切片（生物样品）、电解抛光（金属样品）、化学抛光（半导体、单晶体、氧化

16、物）、品）、化学抛光（半导体、单晶体、氧化物）、离子轰击（无机非金属材料、要进行预切割）离子轰击（无机非金属材料、要进行预切割）v 用于透射电镜观察式样的要求是：它的上下用于透射电镜观察式样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在底面应该大致平行，厚度应在50-500nm，表面，表面清洁。制备薄膜一般有以下步骤：清洁。制备薄膜一般有以下步骤：v（1）切取厚度小于）切取厚度小于0.5mm的薄块。的薄块。 v（2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。为避免严重发热或形成应左右的薄片。为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。力，可采用

17、化学抛光法。 v（3）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于在孔洞边缘获得厚度小于500nm的薄膜。的薄膜。 生物磁铁矿晶体的完好晶形 （TEM照片）沙尘暴的矿物颗粒海盐气溶胶颗粒；匈牙利上空大陆大气层中收集到的煤灰/硫化物混合颗粒的TEI煤灰/硫化物混合颗粒的TEM图象 Sol-gel法合成羟磷灰石, 可分辨出毛发状、长柱状的晶体轮廓, 但晶面发育不明显 (TEI)Somu Iijima(饭岛饭岛)于于1991年年在电子显微镜下发现纳米碳在电子显微镜下发现纳米碳管，管，Nature，354 (1991) 56.Bi系超导氧化物的堆

18、积缺陷层调整Stacking faultLayer modulation四、电子衍射技术四、电子衍射技术v 利用透射电镜进行物相形貌观察，仅是一种较为直接的应用，透射电镜还可得到另外一类图像-电子衍射图。图中每一斑点都分别代表一个晶面族，不同的电子衍射谱图又反映出不同的物质结构。 1、特点、特点v电子衍射原理和电子衍射原理和X射线衍射原理是完全一样的，射线衍射原理是完全一样的，但较之其还有以下特点：但较之其还有以下特点： v1）电子衍射可与物像的形貌观察同步结合，）电子衍射可与物像的形貌观察同步结合，使人们能在高倍下选择微区进行晶体结构分析，使人们能在高倍下选择微区进行晶体结构分析，弄清微区的

19、物相组成；弄清微区的物相组成； v2）电子波长短，使单晶电子衍射斑点大都分）电子波长短，使单晶电子衍射斑点大都分布在一二维倒易截面内，这对分析晶体结构和布在一二维倒易截面内，这对分析晶体结构和位向关系带来很大方便；位向关系带来很大方便； v3）电子衍射强度大，所需曝光时间短，摄取）电子衍射强度大，所需曝光时间短，摄取衍射花样时仅需几秒钟。衍射花样时仅需几秒钟。 v2、单晶电子衍射 当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过薄膜到达感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则偏离透射束形成有规则的衍射斑点（电子衍射图1）。v3、多晶电子衍射 多晶体由于晶粒数目极大且晶面位向在空间任意分布，倒易点阵将变成倒易

20、球。倒易球与爱瓦尔德球相交后在相纸上的投影将成为一个个同心圆（电子衍射图2）。 Electron Diffraction Pattern晶体多晶体非晶体v4、选区电子衍射v（1）原理：v 在中间镜上方放一孔径可变的选区光阑，把不感兴趣的区域挡掉。这时可以得到选区成像；维持样品位置和孔径光阑不变，而减弱中间镜电流转变为衍射方式操作，则此时将得到选区电子衍射结果。 换言之，经过上述两步操作，我们得到了所需的选区图像及其微区电子衍射。经过对电子衍射花样的标定就可知道选区图像的物质结构将形貌信息与结构信息进行联合分析。 衍射花样与晶体的几何关系衍射花样与晶体的几何关系 vBragg定律：2d sin=

21、d = 晶面间距 电子波长 q = Bragg 衍射角v衍射花样投影距离：当很小 tan22sin rd=L=常数q2tanLr qqqrOGGLdv（2）几何特点：）几何特点：v 1）作）作Ewald球球 根据布拉格方程，根据布拉格方程，极小，则极小，则极小。极小。v 2） 极小，则极小，则Ewald球球 极大，球面接近平面。极大，球面接近平面。v R=Ltg2Lsin22Lsinv 可得可得 R/L=2sin=/dv电子衍射的基本公式电子衍射的基本公式： v R/L=/d v 式中：式中：R衍射斑点距中心的距离衍射斑点距中心的距离v 电子波长，它与加速电压有关电子波长，它与加速电压有关v

22、L镜筒长度，为定镜筒长度，为定值值v v设：K=L为相机常数，则 R=K/d=Kr* v可知 1、R与r*有关，与r*的值成正比；v 2、衍射斑点为倒易点的投影可以证明，电子衍射结果是晶体倒易点阵投影的直观反映，对它们进行标定（指标化），可得到倒易点阵空间分布状态电子衍射与电子衍射与X X射线衍射相比较，具有下列不同之处：射线衍射相比较，具有下列不同之处：v首先，电子波的波长比首先，电子波的波长比X X射线短得多，在同样满足射线短得多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角布拉格条件时，它的衍射角很小，约为很小，约为1010-2-2radradv其次，在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样其次，在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截德机会，此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截德机会，结果使略为偏离布拉格条件德电子束也能发生衍射结果使略为偏离布拉格条件德电子束也能发生衍射v第三，因为电子波德波长短，采用爱瓦尔德球图解第三，因为电子波德波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球德半径很