第8章电子显微镜

第八章电子显微镜法电子显微镜学习要点1.了解电子显微镜的原理1.2熟知磁透镜的概念2.了解TEM衬度形成原理2.1熟知散射衬度、质厚衬度等概念2.2熟知TEM的制样方法及制样时应注意的问题2.3理解并运用TEM分析3.了解SEM的原理4.SEM的应用4.1熟知SEM的制样方法4.2理解并运用SEM研究聚合物的形态结构5.熟知TEM(透射电子成像)与SEM(二次电子及背散射电子成像)的区别奇妙的微观世界-1奇妙的微观世界-2奇妙的微观世界-3奇妙的微观世界-4奇妙的微观世界-5奇妙的微观世界-6ChemicalJournalonInternet.2007,9:52

一、显微镜的概述显微技术是观察和研究高聚物形态与结构最直观的方法之一。OM、TEM、SEM、AFM人眼分辨极限只有0.2mm光学显微镜的分辨极限是0.1μm电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm最好的电子显微镜的分辨率已经达到0.07nm一般原子、离子半径大约在0.1nm左右在电子显微镜下可以直接观察到分子甚至原子的世界这个分辨能力比人眼高出了近100万倍比最好的光学显微镜也高出了1000倍为什么不用紫外&X射线做照明光源？紫外:容易被物质强烈吸收X射线:难以改变方向、发生折射及聚焦成像光学显微镜最大放大倍数:1000~1500电子显微镜最大放大倍数：50~100万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扫描电子显微镜是应用电子束在样品表面扫描激发二次电子成像的电子显微镜。主要用于研究样品表面的形貌与成分。显微镜分辨本领光源透镜真空成像原理LMTEM200nm100nm0.1nm可见光（400-700）紫外光（200nm）电子束（0.01-0.9）玻璃透镜玻璃透镜电磁透镜不要求真空不要求真空要求真空1.33x10-5～1.33x10-3Pa利用样品对光的吸收形成明暗反差和颜色变化利用样品对电子的散射和透射形成明暗反差电镜与光镜的比较电子显微镜与光学显微镜的对比电子显微镜在分辨本领、放大倍数、景深、焦长等许多方面有着明显的优点它能把微区（几个微米）、甚至超微区（10nm以下）把形貌、成分、结构三个主要测试方面的内容密切结合起来进行研究电子显微镜的发明及发展开拓了许多新的研究领域但电子显微镜也有一些局限性需要光学显微镜和其他一些测试分析方法来补充许多不足之处特点内容电子显微镜光学显微镜照射束电子束（λ＝0.0037nm～∞）光束（λ＝400nm～750nm）媒质真空（1.33×10-2～1.33×10-6Pa）大气透镜电子透镜（电磁透镜）光学玻璃透镜分辨率透射电镜为0.14nm，扫描电镜为6nm可见光区为200nm放大倍数10～106倍，连续可调10～2000倍，更换透镜景深在1000倍时，景深约为30μm在1000倍时，景深约为0.1μm聚焦原理电子聚焦机械聚焦主要图像透射电子像，二次电子像，背散射电子像，吸收电子像，X射线面扫描像，X射线扫描像光学透射像，反射像及其他干涉像图像特点黑白反差的电子图像，高分辨原子像，格子像以及各种衍射图像光吸收、反射、透过形成图像，产生七色光的颜色及干涉颜色主要附件（1）电子衍射装置，（2）特征X射线波谱仪，（3）特征X射线能谱仪，（4）电子能量损失谱仪，（5）俄歇电子谱仪，（6）阴极发光装置，（7）热台、冷台，（10）拉伸、旋钮、压缩（1）带偏光、反光附件，（2）锥光附件，（3）费氏台及旋转针，（4）热台及冷台，（5）油浸法应用，等等电子显微镜的基本原理以电子束代替光镜中的光束，以电磁透镜代替光镜中的玻璃透镜，将聚焦很细的电子束发射到试样上一个微小区域内，产生不同的信号，并对这些信号进行收集、整理和分析，得到材料的微观形貌、结构和化学成分信息。电磁透镜的本质是一个通过直流电的线圈所产生的磁场，经过其磁场范围的电子束因受到磁场力的作用而改变其运动方向和速度，从而像光束通过玻璃透镜之后一样，最终会聚到一个焦点上。加速电压越大，则电子运动越快，故焦距较长。磁场力使电子束会聚，得到对应于被观测点的放大的图像，该图像可直接观察或拍照成电镜照片。光学凸透镜成像原理

电磁透镜的物距L1、像距L2和焦距f之间的关系也可以用光学显微镜成像原理公式表达：电磁透镜的像放大倍数(M)也可以用下式表明：

第二节电子显微镜的光学基础电子显微镜是利用电子束流作为“光源”使物体成像的电子束流实际上是一种阴极射线流，是一种带负电的粒子流

它具有波动性和粒子性一、电子的波动性及电子波的波长变换得德布洛依波的波长电子的动能经过相对论修正运动电子具有波粒二象性二、静电透镜在电子光学系统中使用的是一种具有旋转对称非均匀的磁场，这种磁极装置叫做磁透镜一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜后将被聚焦在轴线上一点即焦点这与光学玻璃凸透镜对平行轴线入射的光线的聚焦作用十分相似这表明电磁透镜与光学凸透镜有相似的光学性质三、磁透镜(一)磁透镜的光学性质三、磁透镜带有带有极靴的磁透镜极靴——进一步缩小磁场轴向宽度，在环状间隙两边，接出一对顶端成园锥状的极靴，可使有效磁场集中到沿透镜轴几mm范围。可使焦距变得更短。电磁透镜的像差

电磁透镜存在各种像差：一类是透镜磁场几何上的缺陷产生的几何像差，包括球面像差（球差）、像散和像畸变；另一类是电子波长或能量单一性引起的色差；另一类是轴上像散，不能完全避免，是影响电镜分辨率的主要像差之一。电磁透镜的景深和焦长

由于电子显微镜采用小孔径角成像所以电磁透镜具有一些重要的特点即景深很大、焦长很长

（1）景深

像平面不动(像距不变)，在满足成像清晰的前提下物平面沿轴线前后可移动的距离因此

透镜的景深(Df)可以定义为透镜的物平面允许的轴向偏差值

它与电磁透镜分辨本领Δγ0、孔径半角α之间的关系为：

从上式可以看出电磁透镜孔径半角越小、景深越大

若Δγ0＝1nm

α＝10-2～10-3弧度则Df＝200～2000nm

（2）焦长物点固定不变(物距不变)，在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离定义：透镜像平面允许的轴向偏差DL与分辨本领Δγ0及像点所张的孔径半角β之间的关系为：因所以

M为透镜放大倍数当电磁透镜放大倍数和分辨本领一定时焦长随孔径半角α减小而增大若Δγ0＝1nmα＝10-2弧度M＝200倍时Df＝8×106nm＝8mm多级电磁透镜组成的电子显微镜的放大倍数等于各级透镜放大倍数之和因此最终图像的焦长更长了约为10～20cm这样就可以容易的拍摄清晰的电子图像第三节透射电子显微镜透射电子显微镜的构造1.电子光学系统(TEM的主体)核心是磁透镜，要求短焦距、高放大率2.真空系统3.电镜的电器部分透射电镜二、透射电子显微镜的工作原理为什么要用TEM?波长分辨率聚焦优点局限性光学显微镜4000~8000Å2000Å可聚焦简单，直观只能观察表面形态,不能做微区成份分析。射线衍射仪0.1~100Å无法聚焦相分析简单精确无法观察形貌电子显微分析0.0251Å(200kV)TEM：0.9-1.0Å可聚焦组织分析;物相分析（电子衍射);成分分析（能谱，波谱，电子能量损失谱）价格昂贵不直观操作复杂；样品制备复杂。二、透射电子显微镜的主要性能指标1.分辨率2.放大率3.加速加压4.相机长度三、透射电镜的衬度形成原理透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。显然，不同结构有不同的相互作用。这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。因此，如何对一张电子图象获得的信息作出正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作出正确的解释。电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。衬度形成的机制有两种：1.振幅衬度

振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。振幅衬度主要有散射衬度（质厚衬度）和衍射衬度两种：2.相位衬度如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。仅适于很薄的晶体试样(≈100Å)。①散射衬度（质厚衬度，其原理）由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。非晶态形成衬度的主要原因，主要取决于样品各处参与成像的电子数目的差别，电子在试样中与原子相碰撞的次数愈多，散射量就愈大，散射量正比于试样的密度和厚度乘积，即试样的“质量厚度”②衍射衬度衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。质厚衬度原理由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄，吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜的孔径角α时,它不能参与成象而相应地变暗.这种电子越多,其象越暗.或者说,散射本领大,透射电子少的部分所形成的象要暗些,反之则亮些。第四节透射电镜在高分子研究中的应用(一)液相滴附法金属载网(常用铜网)和支持膜染色(为了提高反差，常见四氧化锇)(二)超薄切片法(三)复型法火棉胶一级复型碳膜一级复型塑料薄膜—碳膜二级复型(四)投影法(五)蚀刻法(六)离子轰击减薄法图样品铜网放大像（a）方孔（b）圆孔

3.玻璃刀的制作用专门的制刀机制作玻璃刀制刀机用玻璃条制备玻璃刀的过程应力线玻璃刀刀刃装上水槽的玻璃刀超薄切片机样品块和玻璃刀的相对位置捞（沾）片镊子水面聚合物晶态结构的研究0.01%PE二甲苯溶液，76°C，菱形片状单晶，重金属投影法测出片晶厚10nm左右，电子衍射法证明分子链垂直于晶面方向排列，但高分子链伸长几百纳米，根据测试结果，Keller提出晶片中分子链是折叠排列的，即高分子结晶的折叠链模型聚合物共混体系相形态的研究TEMimagesofAg/PVAnanocompositecolloids(a)andnano-AgwithoutPVA(b)

PVA有助于纳米银粒子的分散，粒径分布变窄聚合物基纳米复合材料形态结构的研究聚合物基纳米复合材料形态结构的研究聚合物基纳米复合材料形态结构的研究石墨烯的形态结构石墨烯在聚合物中的分散第五节扫描电子显微镜扫描电镜的特点(1)仪器分辨率高，能观察表面6nm左右的细节(2)仪器放大倍数变化范围大(10~150000X)，且能连续可调(3)观察试样的景深大，图像富有立体感(4)样品制样简单，图像更接近真实状态(5)可通过电子学方法方便有效地控制和改善图像的质量(反差和亮度)(6)可进行综合分析扫描电子显微镜电子束和物质之间的相互作用高速运动的电子束轰击样品就会产生许多物理信息主要有二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子、连续X射线、特征X射线、X荧光、阴极发光、透射电子、衍射电子、电动势场等。高速运动的入射电子受样品物质中原子核的散射一般只改变运动方向并不损失能量或者能量损失甚微这种散射叫做弹性散射；如果入射电子受样品物质作用不仅改变了电子运动的方向而且电子有不同程度的能量损失这种散射叫做非弹性散射一、扫描电镜的成像原理从电子枪阴极发出电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过会聚透镜及物镜的会聚作用，缩小成直径5nm~1μm的电子束交叉斑。在物镜上部的扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。一、扫描电镜的成像原理扫描电镜的图象衬度原理它主要是利用试样表面在高能电子束所激发出来的二次电子或背散射电子信号,通过接收放大在荧光屏上显示出来.它的衬度首先取决于信号性质即二次电子或背散射电子,其次取决于试样材料本身的性质.特别是试样表面的结构与性质.例如凹凸不平情况,成分差别,晶体取向及表面电位分布等.除此之外,扫描电镜成象还涉及到电子光学系统.如电子束斑的大小和象散,因此,也将影响到图象的衬度.最后,成象不是直接由二次电子或背散射电子显象,而必须经过一系列的电子线路将它们放大并在荧光屏上扫描显示。表面形貌衬度：二次电子发射量的多少取决于样品表面起伏的状况，SEM的衬度主要由样品表面的凹凸决定，尖棱、小粒子和空穴对二次电子产率有较大贡献原子序数衬度：

二次电子发射量的多少同时也取决于元素的原子序数，序数高的元素产生的二次电子多，序数低的元素产生的二次电子少。1．电子光学镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。2.样品室3.真空系统4.信号检测、显示系统及电源系统二、扫描电镜的仪器结构三、扫描电镜的主要性能指标及其影响因素分辨率是显微镜最重要的性能指标，其影响因素1.入射电子束斑直径2.样品对电子的散射作用3.信噪比SEM二次电子像的分辨率一般为6~10nm，最佳可达3nm四、X射线显微分析从电子枪发射出来的电子束，受高压加速，在电磁透镜作用下聚焦样品表面，样品中不同元素受激发发射出特征X射线，通过检测这些X射线，可对样品进行微区元素分析。ʋ：特征X射线频率，K、σ：常数，Z：原子系数根据发射出的特