第5篇19电镜(透射电镜和扫描电镜)

1、电镜（透射电镜和扫描电镜）电镜（透射电镜和扫描电镜） 在聚合物研究中的应用在聚合物研究中的应用 光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求。上世纪求。上世纪3030年代后，电子显微镜的发明将分辨年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结

2、构、成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从成分分析等于一体。人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展。此有了长足的发展。前言前言19331933年年Ruska Ruska 第一台第一台TEM(1986 TEM(1986 Nobel Prize)Nobel Prize)19391939年第一台商品透射电子显微镜年第一台商品透射电子显微镜（TEMTEM）高压（高压（TEM）（）（W，LaB6阴极）阴极）加速电压加速电压200KV、300KV、400KV高分辨型高分辨型（TEMTEM）晶格分辨率晶格分辨率0.14nm0.14nm超高压（超高压（TEMTEM）加速电压加速电压3000kV3000k

3、V晶格分辨率晶格分辨率0.05nm0.05nm分析型（分析型（TEMTEM）晶格分辨率晶格分辨率0.204nm0.204nm配配EDSEDS、EELSEELS、拉伸、拉伸、加热、冷冻、倾斜台加热、冷冻、倾斜台电子与物质的作用 散射、弹性散射、非弹性散射 入射电子二次电子背散射电子俄歇电子试样吸收电子特征X射线荧光感应电导透射电子TEM 透射电子显微镜是以透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照波长极短的电子束作为照明源明源，用电磁透镜来聚焦成像，用电磁透镜来聚焦成像，因此有很高的放大因此有很高的放大倍数（倍数（106倍），高分辨率（倍），高分辨率（0.1nm）。）。透射电镜透射电镜（TEM）电

4、子光学系统（核心）电子光学系统（核心）电源与控制系统电源与控制系统真空系统真空系统照明系统照明系统成像系统成像系统观察与记录系统观察与记录系统透射电镜透射电镜 透射电镜的构造及成象透射电镜的构造及成象电子枪发射电子束电子枪发射电子束 经聚光镜聚经聚光镜聚焦焦 照射样品照射样品 电子束穿过电子束穿过样品样品 经物镜放大成像经物镜放大成像 在物镜的背焦面上形成衍射花样在物镜的背焦面上形成衍射花样 在物镜的像平面上形成显微图像在物镜的像平面上形成显微图像 图像被中间镜和投影镜逐步放大图像被中间镜和投影镜逐步放大 在荧光屏或感光底片上成像在荧光屏或感光底片上成像 n物镜(M0)用来获得被检物的一次放大

5、像和衍射谱，它决定显微镜的分辨率，是电镜的心脏中间镜(Mi)是个可变倍率的弱透镜，它的作用是把物镜形成一次中间像或衍射谱射到投影镜的物面上投影镜(Mp)把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上，一般具有23个聚光镜和46个物镜加投影镜。n电镜的总放大倍数等于成像系统各透镜放大倍数的乘积即： M0MiMp成像方式成像方式TEM有两种基本成像模式：有两种基本成像模式： 衍射成像衍射成像晶体结构同位分析晶体结构同位分析 显微成像显微成像微观组织形貌观察微观组织形貌观察（1） 显微成像显微成像 高放大倍数成像高放大倍数成像：中间镜以物镜像为物，投影：中间镜以物镜像为物，投影 镜又以中间镜像为物，成像

6、于荧光屏，结果可镜又以中间镜像为物，成像于荧光屏，结果可 以获得几万至几十万放大倍数电子像。以获得几万至几十万放大倍数电子像。(2) 衍射成像衍射成像 晶体样品通过物镜在后焦面上形成衍射像，晶体样品通过物镜在后焦面上形成衍射像，调节中间镜焦距，调节中间镜焦距，使其物平面与物镜后焦面重合，使其物平面与物镜后焦面重合，可以最终在荧光屏上形成二次放大的衍射图像可以最终在荧光屏上形成二次放大的衍射图像。有意义的衍射像必须明确它是来自样品那个区域有意义的衍射像必须明确它是来自样品那个区域的衍射波，这就是选区衍射。的衍射波，这就是选区衍射。 镜筒内为什么保持高真空状态镜筒内为什么保持高真空状态 防止高速电

7、子受空气分子碰撞而改变运防止高速电子受空气分子碰撞而改变运动轨迹；动轨迹； 避免因空气分子电离而引起放电而破坏避免因空气分子电离而引起放电而破坏了电子枪电极间的绝缘；了电子枪电极间的绝缘； 避免阴极氧化及样品污染。避免阴极氧化及样品污染。 为什么使用电磁透镜为什么使用电磁透镜 使用静电透镜（用电场聚焦）需要高使用静电透镜（用电场聚焦）需要高压，给设备的设计和操作带来不便。压，给设备的设计和操作带来不便。 故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使用；而聚光镜、物镜、中间镜和投影镜则用；而聚光镜、物镜、中间镜和投影镜则都采用电磁透镜（用磁场聚焦），可以通都采用电磁透镜（

8、用磁场聚焦），可以通过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力。过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力。而且光学显微镜的玻璃透镜没有聚焦成像而且光学显微镜的玻璃透镜没有聚焦成像的能力，不能用于电子显微镜。的能力，不能用于电子显微镜。TEM和光学透射显微镜的异同和光学透射显微镜的异同n相同点：相同点： （1）光学成像原理相同；）光学成像原理相同； （2）都能用于形貌分析。）都能用于形貌分析。不同点：不同点： （1）光源不同；）光源不同； （2）聚焦透镜不同；）聚焦透镜不同； （3）TEM中有中间镜；中有中间镜； （4）TEM镜筒中要保持高真空；镜筒中要保持高真空； （5）放大倍数及分辨率不同；放大倍数及分辨

9、率不同； （6）景深焦长不同。）景深焦长不同。JEM-3010高分辨高分辨透射电镜透射电镜分辨率：点分辨率电镜能够分辨的两点间最小距离。 0.230.25nm 线分辨率电镜能够分辨的两线间最小距离。 0.1040.14nm电子枪所发射的电子束的波长越短，分辨率越高；加速电压越高，波长越短；因此提高加速电压可提高分辨率。提高加速电压可提高分辨率。加速电压：一般指透射电镜能够达到的最高加速电压。 （普通透射电镜最高可达100200kV，现已有300kV以上的 商品高压（超高压）电镜。）加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察较厚的样品，同时加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察较厚的

10、样品，同时有利于电镜的分辨率。有利于电镜的分辨率。放大倍数：几十到几十万（106）倍；连续可调 透射电镜的主要性能指标透射电镜的主要性能指标透射电镜的主要性能指标透射电镜的主要性能指标n衬度指透射电镜图像中亮和暗的差别（类似于黑白照片的反差） 。衬度是一幅图像能否被清晰观察的前提。高分子电镜图像的衬度主要是吸收衬度，取决于样品各处参与成像的电子数目的差别。电子数越多，散射越厉害，透射电子越少，图像就越暗。还与下面因素有关： a 样品越厚，图像越暗 b 原子序数越大，图像越暗 c 密度越大，图像越暗其中，密度的影响最重要，因为高分子的组成中原子序数差别不大，所以样品排列紧密程度的差别是其反差的注

11、意来源。扫描电镜（扫描电镜（SEM）n最大特点是焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究。n放大倍数范围广，从十几倍到2万倍，几乎覆盖了光学显微镜和TEM的范围。n制样简单，样品的电子损伤小，所以SEM成为高分子材料常用的重要剖析手段。扫描电镜（扫描电镜（SEM）入射电子二次电子背散射电子俄歇电子试样吸收电子特征X射线荧光感应电导透射电子SEM1942年年 Zworykin, Hiller, Suyder 第一台第一台SEM 1965年商品扫描电子显微镜（年商品扫描电子显微镜（SEM）普通扫描电镜（普通扫描电镜（W阴极）阴极） 分辨率分辨率3nm3nm可配备可配备EDS、WDS、拉伸、

12、拉伸、加热、冷加热、冷冻台冻台、背散射电子探头、背散射电子探头场发射电子枪场发射电子枪扫描电镜扫描电镜分辨率分辨率0.4nm环境扫描电镜环境扫描电镜可变真空度可变真空度1Pa300Pa低压扫描电镜低压扫描电镜1100eV低能扫描电镜低能扫描电镜SEM扫描电子显微镜的结构和工作原理扫描电子显微镜的结构和工作原理由电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过二至三个聚光镜汇聚，再经物镜聚集成一个细的电子束聚焦在样品表面。在聚光镜与物镜之间装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。n引起二次电子、背散射电子发射。n这些信号被探测器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过

13、扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频传号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。扫描电镜与透射电镜的主要区别扫描电镜与透射电镜的主要区别(1) (1) 扫描电镜电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜，而没扫描电镜电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜，而没有透射电镜里起成像放大作用的物镜、中间镜和投影镜。这些有透射电镜里起成像放大作用的物镜、中间镜和投影镜。这些电磁透镜所起的作用在扫描电镜中是用信号接受处理显示系统

14、电磁透镜所起的作用在扫描电镜中是用信号接受处理显示系统来完成的来完成的。(2) (2) 扫描电镜的成像过程与透射电镜的成像原理是完全不同扫描电镜的成像过程与透射电镜的成像原理是完全不同的。透射电镜是利用电磁透镜成像，并一次成像；扫描电镜的。透射电镜是利用电磁透镜成像，并一次成像；扫描电镜的成像不需要成像透镜，它类似于电视显像过程，其图像按的成像不需要成像透镜，它类似于电视显像过程，其图像按一定时间空间顺序逐点形成，并在镜体外显像管上显示。一定时间空间顺序逐点形成，并在镜体外显像管上显示。扫描电子显微镜的主要性能扫描电子显微镜的主要性能分辨率分辨率n分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标。对微区成分

15、分析而言，它分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标。对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。小距离。n这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径愈小，分辨率愈高。这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径愈小，分辨率愈高。n但分辨率并不直接等于电子束直径，因为入射电子束与试样相互作但分辨率并不直接等于电子束直径，因为入射电子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射束的直径。用会使入射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射束的直径。放大倍数放大倍数n放大倍数与屏幕分辨率

16、有关：放大倍数与屏幕分辨率有关：放大倍数放大倍数= =屏幕分辨率屏幕分辨率/ /电子束直径电子束直径衬度衬度n主要是指表面形貌衬度。表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸（表主要是指表面形貌衬度。表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸（表面地理）决定的。面地理）决定的。焦深焦深n焦深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力焦深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围，这个范围用一段距离来表示。范围，这个范围用一段距离来表示。焦深大意味着能使不平整性大焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦。的表面上下都能聚焦。SEM电镜样品的制样技术电镜样品的制样技术制样简单，对于导电

17、性材料，可用导电胶粘制样简单，对于导电性材料，可用导电胶粘贴在铜或铝的样品座上贴在铜或铝的样品座上但大多数聚合物样品为绝缘体，因此需在观但大多数聚合物样品为绝缘体，因此需在观察前于察前于真空中喷镀金属膜真空中喷镀金属膜，以增强图像的立，以增强图像的立体感。对于高分子样品可用较低的加速电压体感。对于高分子样品可用较低的加速电压（1-5kV1-5kV），并尽可能在低频观察，以减少），并尽可能在低频观察，以减少电荷积累。电荷积累。对于可溶性高分子材料，在样品量很少时TEM电镜样品的制样技术电镜样品的制样技术对于不能溶解的块状材料时电镜在聚合物研究中的应用电镜在聚合物研究中的应用观察聚合物的聚集态结构

18、观察聚合物的聚集态结构研究聚合物的多相共混体系研究聚合物的多相共混体系在聚合物纳米复合材料研究中的应用在聚合物纳米复合材料研究中的应用尼龙尼龙6甘油甘油聚乙烯全氯乙烯聚乙烯全氯乙烯从稀溶液中缓慢结晶从稀溶液中缓慢结晶单晶单晶晶态结构晶态结构单晶单晶l电镜在聚合物结晶模型确定中的一个重要贡献电镜在聚合物结晶模型确定中的一个重要贡献纤维晶纤维晶发现于天然聚合物中发现于天然聚合物中合成聚合物经高倍拉合成聚合物经高倍拉伸亦可得到伸亦可得到伸直链晶伸直链晶高压下生成高压下生成Prime 1969聚乙烯聚乙烯 5000atm5000atm串晶串晶溶液在搅拌下结晶溶液在搅拌下结晶球晶球晶i-PS球晶球晶i-

19、PS全同聚苯乙烯球晶的电子显微镜照片全同聚苯乙烯球晶的电子显微镜照片 球晶的偏光显微镜照片球晶的偏光显微镜照片观察非晶聚合物的形态观察非晶聚合物的形态电镜在聚合物研究中的应用电镜在聚合物研究中的应用观察聚合物的聚集态结构观察聚合物的聚集态结构研究聚合物的多相共混体系研究聚合物的多相共混体系在聚合物纳米复合材料研究中的应用在聚合物纳米复合材料研究中的应用研究聚合物的多相共混体系研究聚合物的多相共混体系研究聚合物共混体系中的相行为与分散研究聚合物共混体系中的相行为与分散研究聚合物共混体系中的断裂机理研究聚合物共混体系中的断裂机理研究聚合物共混体系中的相行为与分散研究聚合物共混体系中的相行为与分散SEM images for PHBV/PBAT blends: (a) 100/0, (b) 95/5,(c) 90/10, and (d) 80/20.100/095/5(a)(b)1 m研究聚合物共混体系中的相行为与分散研究聚合物共混体系中的相行为与分散SEM images for PHBV/PBAT blends: (a) 100/0, (b) 95/5,(c) 90/10, and (d) 80/20.(c)(d)4 m90/103m80/20SEM images