透射电子显微分析技术-曹艳霞

透射电子显微

分析技术

曹艳霞

郑州大学材料科学与工程学院主要内容电子光学基础透射电子显微技术样品制备电子光学基础一、电子与物质的相互作用

二、为什么采用电子束而不用自然光？Whynotvisiblelight?

分辨率λ：光源的波长；

n：物点和透镜之间的折射率；

α：孔径半角，即透镜对物点的张角的一半；nsinα称为数值孔径，用N.A表示。提高分辨率的方法?&降低入射光的波长&增加介质的折光指数&增加入射光圆锥的半角

自然光与电子束的波长:

可见光的波长在3900～7600Å，光学玻璃透镜分辨本领的极限值可达0.2微米电子束的波长约为可见光的十万分之一电子束的波长与加速电压有关：

有效放大倍数显微镜必须提供足够的放大倍数，把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相应的放大倍数叫做有效放大倍数，它可由下式来确定：M=re∕r0M—显微镜放大倍数re—人眼分辨本领r0—显微镜分辨本领需要提及的一点是：增加中间镜的数量，可以增加放大倍数；但当达到显微镜有效放大倍数时，再增加中间镜的数量已是徒劳的；因为此时显微镜所能提供的分辨率已经达到极限，纵使继续放大，也无法分辨出更紧密的两点三、电磁透镜的原理通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点。

四、电磁透镜的像差

3.电磁透镜的景深和焦长

当透镜焦距和物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动也会引起失焦。同样，如果由此引起的失焦斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨率也没有影响。所允许的透镜像平面轴向偏差就是透镜的焦长。对于多级透镜组成的电镜，焦长一般都超过10～20cm。这样只要在荧光屏上的图像是清晰的，那么在荧光屏上方或下方十几厘米放置底片，所拍摄的图像都是清晰的，给照相记录带来很大的方便。透射电子显微技术热电子发射电子枪透射电镜

A、普通钨丝型(W)B、六硼化镧型(LaB6)场发射电子枪型透射电镜

A、热阴极型ZrO/W(100)(1800K)

W(100)(1600K)B、冷阴极型W(310)(300K)

利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(workfunction)能障而逃离比较部分光学显微镜透射电镜光源可见光(日光、电灯光)电子源(电子枪)照明控制玻璃聚光镜电子聚光镜样本1mm厚的载玻片约10nm厚的薄膜放大成象系统玻璃透镜电子透镜介质空气和玻璃高度真空像的观察直接用眼利用荧光屏聚焦方法移动透镜改变线圈电流或电压分辨本领200nm0.2~0.3nm有效放大倍数103×106×物镜孔径角约700＜10景深较小较大焦长较短较长像的记录照相底板照相底板光学显微镜与透射电镜的比较四、电镜的局限性

样品制备一、粉末样品

1．对粉末样品基本要求：

（1）单颗粉末尺寸最好小于1μm；

（2）无磁性；

（3）以无机成分为主，否则会造成电镜严重的污染，高压跳掉，甚至击坏高压枪；

2.粉末样品的制备方法（1）选择高质量的碳膜铜网或微栅网（直径3mm）（2）用镊子小心取出铜网，将膜面朝上（在灯光下观察显示有光泽的面，即膜面），轻轻平放在白色滤纸上；（3）取适量的粉末和乙醇分别加入小烧杯，进行超声振荡10~30min，用玻璃毛细管吸取粉末和乙醇的均匀混合液，然后滴2~3滴该混合液体到铜网上；（4）等15min以上，以便乙醇尽量挥发完毕；否则将样品装上样品台插入电镜，将影响电镜的真空。

沙尘暴的矿物颗粒

二、块状样品超薄切片法高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内部结构，可采用此法制样。

用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻；或将样品包埋在一种可以固化的介质中。

选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削过程中使超微结构发生变形。大多数聚合物由轻元素组成。在用质厚衬度成象时图象的反差很弱，因此，由超薄切片得到的试样还不能直接用来进行透射电镜的观察，还需要通过染色或蚀刻来改善衬度。染色

用一种含重金属的试剂对试样中的某一相或某一组分进行选择性的化学处理，使其结合或吸附上重金属，从而导致其对电子的散射能力有明显的变化。高分子材料多采用四氧化锇和四氧化钌染色。例如，高抗冲尼龙共混物微观相分离结构的透射电镜观察。

蚀刻：目的在于通过选择性的化学、物理作用，加大上述聚合物试样表面的起伏程度。

离子蚀刻

是利用半晶聚合物中晶区和非晶区或利用聚合物多相体系中不同相之间耐离子轰击的程度上的差异。

具体做法是在低真空系统中通过辉光放电产生的气体离子轰击样品表面，使其中一类微区被蚀刻掉的程度远远大于另一类微区，从而造成凹凸起伏的表面结构。

常用的蚀刻方法有化学试剂蚀刻和离子蚀刻。用作蚀刻的化学试剂有氧化剂和溶剂两类。所用的氧化剂有发烟硝酸和高锰酸盐试剂等。它们的蚀刻作用是使试样表面某一类微区容易发生氧化降解作用，使反应生成的小分子物更容易被清洗掉，从而显露出聚合物体系的多相结构来。

PE/PA共混体系，可采用甲酸将PA刻蚀掉，形成衬度。2.复型3.离子减薄法西安交通大学

先进电子显微镜研究平台TITANG260-300物镜球差矫正透射电镜、聚光镜球差校正JEM-ARM200F(UHR)、JEOL2100透射电镜、HeliosNanolab600i双束扫描电镜、FEIQuanta250FEG场发射环境扫描电镜及透射电镜样品制样设备等。

FEITitanG2物镜球差校正透射电镜点分辨率：0.08nm；信息分辨率：0.08nm；电子枪能量分辨率：≤0.7eV（300kV）；STEM分辨率：0.136nm；最大会聚角α：100mrad；最大衍射角：±13°；加速电压：60-300kV；样品区极限真空＜1.0*10-5Pa；可进行三维重构工作；5轴CompuStage样品台；照相方式：一体化GatanUS1000CCD相机；能谱仪：一体化能谱仪，分辨率136eV，面积30mm2；EFTEM:一体化最新一代Gatan

Quantam系统；可以STEM+CCD、STEM+EFTEM+CCD、STEM+PEELS、STEM+PEELS+EDX同时采集数据。此外该电镜配有全息附件，可以对样品进行电子全息分析（electronholography）JEOLARM200F聚光镜球差校正透射电镜点分辨率：0.19nm；晶格分辨率：0.10nm；信息分辨率：