TEM透射电子显微镜

1、第七章第七章 透射电子显微镜透射电子显微镜Transmission electron microscope第一节第一节 透射电子显微镜的结构和成像原理透射电子显微镜的结构和成像原理第二节第二节 透射电镜的主要性能参数及测定透射电镜的主要性能参数及测定第三节第三节 样品的制备样品的制备第一节第一节 透射电子显微镜的结构和成像原理透射电子显微镜的结构和成像原理（a）（b）n以波长极短的电子束作为照明以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。子光学仪器。n由由电子光学系统电子光学系统、电源与控制电源与

2、控制系统系统及及真空系统真空系统三部分组成。三部分组成。n电子光学系统通常称镜筒，是电子光学系统通常称镜筒，是TEMTEM的核心，它的光路原理与透的核心，它的光路原理与透射光学显微镜十分相似。其分射光学显微镜十分相似。其分为三部分：为三部分：照明系统照明系统、成像系成像系统统和和观察记录系统观察记录系统。一、照明系统一、照明系统n（1 1）电子枪）电子枪n电子枪是电子枪是TEMTEM的电子源。的电子源。n常用的是热阴极三极电子枪，常用的是热阴极三极电子枪，由由发夹形钨丝阴极发夹形钨丝阴极、阳极阳极和和栅栅极极组成。组成。 阴极，阴极，又称灯丝，一般由又称灯丝，一般由0.03-0.03-0.1m

3、m0.1mm钨丝作成钨丝作成V V或或Y Y形状。形状。 阳极阳极加速从阴极发射出的电子。加速从阴极发射出的电子。为了操作安全，一般是阳极接地，为了操作安全，一般是阳极接地，阴极带有负高压。阴极带有负高压。 -50-200kV-50-200kV一、照明系统一、照明系统n（1 1）电子枪）电子枪n电子枪是电子枪是TEMTEM的电子源。的电子源。n常用的是热阴极三极电子枪，常用的是热阴极三极电子枪，由由发夹形钨丝阴极发夹形钨丝阴极、阳极阳极和和栅栅极极组成。组成。 栅极栅极会聚电子束；控制电子束电流大小，调节像的亮度。会聚电子束；控制电子束电流大小，调节像的亮度。电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的

4、亮度、图像稳定度和电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮度、图像稳定度和穿透样品的能力。穿透样品的能力。一、照明系统一、照明系统(2) (2) 聚光镜聚光镜n作用：用来会聚电子枪射出的作用：用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样电子束，以最小的损失照明样品，调节品，调节照明强度、孔径角和照明强度、孔径角和束斑大小束斑大小。n一般采用一般采用双聚光镜系统双聚光镜系统。第一聚光镜为第一聚光镜为强激磁透镜强激磁透镜，束，束斑缩小率为斑缩小率为10-5010-50倍左右，将电倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为子枪第一交叉点束斑缩小为1-5m1-5m；第二聚光镜为第二聚光镜为弱激磁透镜弱激磁透镜

5、，适，适焦时放大倍数为焦时放大倍数为2 2倍左右，结果倍左右，结果在样品平面上可获得在样品平面上可获得2-10m2-10m的照明电子束斑。的照明电子束斑。二、成像系统二、成像系统(1) (1) 物镜物镜n作用：用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样作用：用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。的透镜。nTEMTEM的分辨率主要取决于物镜的分辨率主要取决于物镜n通常采用强激磁，短焦距的物镜，放大倍数较高，一般为通常采用强激磁，短焦距的物镜，放大倍数较高，一般为100100300300倍，倍，目前高质量物镜分辨率可达目前高质量物镜分辨率可达0.1nm0.1nm左右。左右。

6、 n物镜的分辨率决定于极靴的形状和加工精度。物镜的分辨率决定于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高。辨率越高。物镜光阑不仅具有减小球差、像散和色差的作用，而且可以提物镜光阑不仅具有减小球差、像散和色差的作用，而且可以提高图像的衬度。高图像的衬度。极靴极靴: :是电机磁极一个独特的结构是电机磁极一个独特的结构, ,由软磁材料（如纯由软磁材料（如纯铁）制成的中心穿孔的柱体对称芯子，被称为极靴。铁）制成的中心穿孔的柱体对称芯子，被称为极靴。用极靴一般是为了获得较好的线性分布。用极靴一般是为了获得较好

7、的线性分布。 成像系统由物镜、中间镜和投影镜构成。成像系统由物镜、中间镜和投影镜构成。二、成像系统二、成像系统(2)(2)中间中间镜镜n成二次像。成二次像。n是一个弱激磁的长焦距变倍率透镜，是一个弱激磁的长焦距变倍率透镜，0 02020倍可调。倍可调。n利用中间透镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。利用中间透镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。成像系统由物镜、中间镜和投影镜构成。成像系统由物镜、中间镜和投影镜构成。投中物总MMMM(3)(3)投影投影镜镜n短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧光屏上，称为三级放大成像。光屏上，称为三级放大成像。

8、n具有具有很大很大的景深和焦长。的景深和焦长。二、成像系统二、成像系统n样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间镜的物平面，样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物平面，荧光屏在投影镜的像平中间镜的像平面是投影镜的物平面，荧光屏在投影镜的像平面上。面上。n物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间镜中间镜的的电流电流来来调节电镜总放大倍数调节电镜总放大倍数M M。nM M越大，成像亮度越低，成像亮度与越大，成像亮度越低，成像亮度与M M2 2成成反比反比。n高性能高性能TEMTEM大都采用大都采用5 5级透镜放大，中间镜和

9、投影镜有两级。级透镜放大，中间镜和投影镜有两级。n放大放大成像操作成像操作：中间镜的：中间镜的物平面物平面和物镜的和物镜的像平面像平面重合，荧重合，荧光屏上得到光屏上得到放大像放大像。n电子衍射操作电子衍射操作：中间镜的：中间镜的物平面物平面和物镜的和物镜的后焦面后焦面重合，得重合，得到电子衍射到电子衍射花样花样。二、成像系统二、成像系统高倍放大高倍放大电子衍射电子衍射成像系统光路成像系统光路三、观察记录系统三、观察记录系统n观察和记录装置包括荧光屏和照相机结构。观察和记录装置包括荧光屏和照相机结构。n人眼无法观测电子，人眼无法观测电子，TEMTEM中的电子信息通过荧光屏和照中的电子信息通过荧

10、光屏和照相底版转换为可观察图像。相底版转换为可观察图像。透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成消像散器：用来消除或减小透镜磁场的非消像散器：用来消除或减小透镜磁场的非轴对称性，把固有的椭圆形磁场校正成旋轴对称性，把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场的装置。转对称磁场的装置。 电磁式消像散器电磁式消像散器测插式样品倾斜装置测插式样品倾斜装置透射电子显微镜的构成透射电子显微镜的构成TEMTEM有三种主要光阑：有三种主要光阑：聚光镜光阑聚光镜光阑（Condenser lens holderCondenser lens

11、holder）作用：限制照明孔径角。作用：限制照明孔径角。光阑孔直径：光阑孔直径：20-400um20-400um。 物镜光阑物镜光阑（Objective lens holdersObjective lens holders）作用：作用：提高像衬度；减小孔径角，从而减小像差；提高像衬度；减小孔径角，从而减小像差；进行暗场成像；进行暗场成像；光阑孔径：光阑孔径：20-120um20-120um。选区光阑选区光阑（Diffraction lens holdersDiffraction lens holders）来限定微区，对该微区进行衍射分析；来限定微区，对该微区进行衍射分析；光阑孔直径：光阑孔直

12、径：20-400um20-400um。 TEMTEM的型号的型号仪器名称：300kV高分辨TEM产品型号：Tecnai G2 F30 S-Twin生产厂家：荷兰 Philips-FEI 公司 1.信息分辨率极限：0.14nm，2.点分辨率：0.20nm，3.线分辨率：0.10nm，4.高分辨STEM分辨率：0.17nm，5.样品最大倾角：40TEMTEM的型号的型号JEM-2100（HR）技术指标:加速电压：200kV；分辨率：点分辨率0.23 nm，晶格分辨率0.14nm；放大倍数：2,000-1,500,000（MAG 模式）；样品倾斜角度：35。分 辨 率：0.34nm加速电压：7520

13、0KV放大倍数：25万倍日立H700电子显微镜JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率 1.94TEMTEM的型号的型号TEM TEM 样品测试过程样品测试过程超声波振荡器超声波振荡器抽真空抽真空上样品上样品观察观察拍照拍照（光斑、聚焦）（光斑、聚焦）（Charge Coupied Device ，CCD）乙醇30 min样品板样品板样品杆样品杆TEM TEM 样品测试过程样品测试过程抽真空抽真空上样品上样品观察观察拍照拍照（光斑、聚焦）（光斑、聚焦）（Charge Coupied Device ，CCD）取样取样Figure 2.(a) TEM image ofthe

14、materials after the HNO3-based exfoliation and subsequent esterification reactions,showing the transformation of a large fraction of the original single-channelnanotubes to tube-in-tube structures.(b) An individual tube-in-tube assembly with open end. (c) SEM image of the end of a tube-in-tube assem

15、bly.Two tubes produced by exterior assembly.The inner tube moiety of the bottom image shows a bamboo-like shape，markedly the pristine tube moiety.NanoLett.,Vol.4, No.11, 2004，2255-2259.TEMTEM可得到的信息可得到的信息 材料的形貌材料的形貌(a - f ) T E M i m a g e o f t h e produced Co-NiCNTs. (g) The carbon-focused HRTEM im

16、age of an individual Co-NiCNT.J. Phys. Chem. C, Vol. 112, No. 39, 2008 15249TEMTEM可得到的信息可得到的信息 组织结构组织结构TEMTEM可得到的信息可得到的信息Fig.1.(a) Typical TEM image of the product obtained from a detonation of PACo(AC)2paraffin with a mass ratio of 20:1:5 and PA loading density of 0.2g/cm3 (sample1), showing that t

17、he grown tubes are dominant with normal CNTs with continuous hollow channels.(b) TEM image of the product obtained from a detonation of PACo(AC)2paraffin with a mass ratio of30:3:10 and PA loading density of 0.2g/cm3 (sample 5), showing that most of the tubes exhibit bamboo shape. Statistical diamet

18、er distributions of the normal CNTs from sample1(c) and the bamboo-shape CNTs from sample 5(d).Y. Lu etal./ Carbon 42 (2004) 31993207尺寸分布尺寸分布TEM image of the materials obtained by freezing the synthesis system. Inset: EDS spectrum of the materials.J. Phys. Chem. C, Vol. 112, No. 39, 2008 15249TEMTEM

19、可得到的信息可得到的信息微区元素分析微区元素分析X-X-光能量散布光谱仪光能量散布光谱仪 X-ray energy dispersive spectrometer (EDS) (a) TEM image of Co-Ni alloy particles. Inset: SAED pattern of the right particle. (b) HRTEM image of a small Co-Ni alloy nanoparticle. Cubic twinned structuresJ. Phys. Chem. C, Vol. 112, No. 39, 2008 15249TEMTEM

20、可得到的信息可得到的信息选区晶体结构的分析选区晶体结构的分析第二节第二节 透射电镜的主要性能参数及测定透射电镜的主要性能参数及测定（1 1）分辨率）分辨率n是是TEMTEM的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。结构细节的能力。n点点分辨率：能分辨两点之间的最短距离。分辨率：能分辨两点之间的最短距离。第二节第二节 透射电镜的主要性能参数及测定透射电镜的主要性能参数及测定（1 1）分辨率）分辨率n是是TEMTEM的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。结构细节的能力。n线线分辨

21、率：能分辨两条线之间的最短距离，通过拍摄分辨率：能分辨两条线之间的最短距离，通过拍摄已知晶体的晶格象测定，又称已知晶体的晶格象测定，又称晶格分辨率晶格分辨率。晶格分辨率测定金（220）、（200）晶格像（2 2）放大倍数）放大倍数n指电子图像对于所观察试样区的指电子图像对于所观察试样区的线性线性放大率。放大率。n目前高性能目前高性能TEMTEM的的M M范围为范围为80-10080-100万倍。万倍。n不仅考虑最高和最低放大倍数，还要考虑是否覆盖低倍不仅考虑最高和最低放大倍数，还要考虑是否覆盖低倍到高倍的整个范围。到高倍的整个范围。n电镜不能将其所分辨的细节放大到人眼可辨认程度。对电镜不能将其

22、所分辨的细节放大到人眼可辨认程度。对细节观察是用电镜放大在荧光屏上成像，经附带的立体细节观察是用电镜放大在荧光屏上成像，经附带的立体显微镜进行聚焦和观察。显微镜进行聚焦和观察。n将仪器的最小可分辨距离放大到人眼可分辨距离所需的将仪器的最小可分辨距离放大到人眼可分辨距离所需的放大倍数称为放大倍数称为有效有效放大倍数放大倍数。一般仪器的最大倍数稍大。一般仪器的最大倍数稍大于有效放大倍数。于有效放大倍数。BAIMMMM中投中物总2说明说明n人眼分辨本领约人眼分辨本领约0.2mm0.2mm，光学显微镜（，光学显微镜（OMOM）约）约0.2m0.2m。n把把0.2m0.2m放大到放大到0.2mm0.2m

23、m的的M M是是10001000倍倍, ,是有效放大倍数。是有效放大倍数。nOMOM分辨率在分辨率在0.2m0.2m时，有效时，有效M M是是10001000倍。倍。nOMOM的的M M可以做的更高，但高出部分对提高分辨率没有贡可以做的更高，但高出部分对提高分辨率没有贡献，仅是让人眼观察舒服。献，仅是让人眼观察舒服。（2 2）放大倍数）放大倍数 测定晶格分辨率常用晶体晶格分辨率测定金（220）、（200）晶格像（3 3）加速电压）加速电压n指电子枪阳极相对于阴极灯丝的电压，决定了发射的电指电子枪阳极相对于阴极灯丝的电压，决定了发射的电子的子的和和E E。n电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（

24、厚试样）、电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（厚试样）、分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。n普通普通TEMTEM的最高的最高V V一般为一般为100kV100kV和和200kV200kV，通常所说的，通常所说的V V是指是指可达到的最高加速电压。可达到的最高加速电压。第三节第三节 样品制备样品制备nTEMTEM应用应用的深度和广度一定程度上取决于的深度和广度一定程度上取决于试样制备技术试样制备技术。n能否充分发挥电镜的作用，样品的制备是关键，必须根据能否充分发挥电镜的作用，样品的制备是关键，必须根据不同仪器的要求和试样的特征选择适当的制备方法。不同仪器的要求

25、和试样的特征选择适当的制备方法。n电子束穿透固体样品的能力，主要取决于电子束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压加速电压V V和样和样品物质的品物质的原子序数原子序数Z Z。一般。一般V V越高，越高，Z Z越低，电子束可以穿越低，电子束可以穿透的样品厚度越大。透的样品厚度越大。n对于对于TEMTEM常用的常用的5050200kV200kV电子束，样品厚度控制在电子束，样品厚度控制在100100200nm200nm，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行观察。观察。nTEMTEM样品制备方法有很多，常用样品制备方法有很多，常用支持膜法支持膜法、

26、晶体薄膜法晶体薄膜法、复型法复型法和和超薄切片法超薄切片法4 4种。种。一、支持膜法一、支持膜法n粉末粉末试样多采用此方法。试样多采用此方法。n将试样载在支持将试样载在支持膜膜上，再用上，再用铜网铜网承载。承载。n支持膜的作用是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支支持膜的作用是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。持膜。n支持膜材料必须具备的支持膜材料必须具备的条件条件： 无结构，对电子束的吸收不大；无结构，对电子束的吸收不大； 颗粒度小，以提高样品分辨率；颗粒度小，以提高样品分辨率； 有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。照射而不变形、破

27、裂。n常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸甲基乙烯酯等。乙酸甲基乙烯酯等。n在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐热性，称为和耐热性，称为加强膜加强膜。一、支持膜法一、支持膜法一、支持膜法一、支持膜法n支持膜上的粉末试样要求支持膜上的粉末试样要求高度分散高度分散，可根据不，可根据不同情况选用分散方法：同情况选用分散方法： 悬浮悬浮法：超声波分散器将粉末在与其不发生法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，作用的溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。干后即可。 散布

28、散布法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩下的就分散在支持膜上。余，剩下的就分散在支持膜上。二、晶体薄膜法二、晶体薄膜法n块状块状材料多采用此方法。材料多采用此方法。n通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品。通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品。n薄膜样品制备方法薄膜样品制备方法要求要求： 制备过程中不引起材料组织的变化。制备过程中不引起材料组织的变化。 薄，避免薄膜内不同层次图像的重叠，干扰分薄，避免薄膜内不同层次图像的重叠，干扰分析。析。 具有一定的强度。具有一定的强度。二、晶体薄膜法二、晶体薄膜法n薄膜样品制备薄膜样品制备步骤步骤： 切取：切取薄切取：切取薄

29、块块（厚度（厚度0.5mm0.5mm） 预减薄：用机械研磨、化学抛光、电解抛光预减薄：用机械研磨、化学抛光、电解抛光减薄成减薄成“薄薄片片”（0.1mm0.1mm） 终减薄：用电解抛光、离子轰击减薄成终减薄：用电解抛光、离子轰击减薄成“薄薄膜膜”（500nm500nm）n避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。终减薄时去除损伤层。终减薄时去除损伤层。终减薄方法：终减薄方法：双喷式电解抛光减薄双喷式电解抛光减薄 离子减薄离子减薄二、晶体薄膜法二、晶体薄膜法三、复型法三、复型法n在电镜中在电镜中易起变化易起变化的样品和的样品和难以制成薄膜难以制成薄膜的试

30、的试样采用此方法。样采用此方法。n用对电子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄用对电子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种间接间接样品制备方法。样品制备方法。n复型材料和支持膜材料相同。复型材料和支持膜材料相同。n表面显微组织浮雕的复型膜，只能进行表面显微组织浮雕的复型膜，只能进行形貌观形貌观察和研究察和研究，不能研究试样的成分分布和内部结，不能研究试样的成分分布和内部结构。构。 一级复型一级复型塑料一级复型塑料一级复型n样品上滴浓度为样品上滴浓度为1%1%的火棉的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮

31、溶液，溶液在样品表素丙酮溶液，溶液在样品表面展平，多余的用滤纸吸掉，面展平，多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一溶剂蒸发后样品表面留下一层层100nm100nm左右的塑料薄膜。左右的塑料薄膜。n分辨率低（分辨率低（101020nm20nm），），电子束照射下易分解电子束照射下易分解和破裂。和破裂。三、复型法三、复型法 一级复型一级复型塑料一级复型塑料一级复型三、复型法三、复型法碳一级复型碳一级复型n样品放入真空镀膜装置中，样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面蒸镀在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜。一层厚度为数十纳米的碳膜。把样品放入配好的分离液中进把样品放入配好

32、的分离液中进行电解或化学分离。行电解或化学分离。n分辨率高（分辨率高（2 25nm5nm），），电子束照射下不易分解和电子束照射下不易分解和破裂，样品易遭到破坏。破裂，样品易遭到破坏。三、复型法三、复型法喷碳装置喷碳装置三、复型法三、复型法碳一级复型碳一级复型 二级复型二级复型n先一次复型，然后进行二次碳复型，把一次复型溶去，先一次复型，然后进行二次碳复型，把一次复型溶去，得到第二次复型。得到第二次复型。n为了增加衬度可在倾斜为了增加衬度可在倾斜15-4515-45的方向上喷镀一层重金属，的方向上喷镀一层重金属，如如CrCr、AuAu等。等。三、复型法三、复型法塑料塑料- -碳二级复型碳二级复型塑料塑料- -碳二级复型结合两种一级复型的优点：碳二级复型结合两种一级复型的优点：不破坏不破坏样品原始表面；样品原始表面；最终复型碳膜，最终复型碳膜，稳定性和导电导热性都很好稳定性和导电导热性都很好；电子束照射下电子束照射下不易分解不易分解和和破裂破裂；分辨率分辨率和塑料一级复型和塑料一级复型相当相当。 n适于粗糙表面和断口的复型。适于粗糙表面和断口的复型。三、复型法三、复型法塑料塑料- -碳二级复型碳二级复型三、复型法三、复型法相在样品上是凸起的。相在样品上是凸起的。 萃取复型萃取复型n用碳膜把经过深度侵蚀用