第二章 电镜类型与特点简介

第二章

电子显微镜的类型与特点简介第一节透射式电镜第三节扫描透射式电镜第四节分析类电镜第五节扫描探针式显微镜第二节扫描式电镜第六节激光共聚焦显微镜第一节透射式电子显微镜一般（常规）TEM：100KV高压TEM：200KV超高压TEM：500Kv、1MV、3MV根据加速电压的大小分为：一、常规透射电镜（TEM）1、原理：主要利用入射电子束穿过样品，产生携带样品横截面内部的电子信号，并经多级磁透镜的放大后成像于荧光板，整幅像同时成立。2、特点：

⑴样品超薄h<1000Å⑵二维平面像、立体感差⑶分辨率高，优于2Å⑷样品制备复杂3、观察对象：

主要样品内部超微结构（可用来观察组织和细胞内部的超微结构、微生物、生物大分子等）二、超高压透射电镜（UHVEM:ultra-highvoltageelectronmicroscope）

HV<500kv为常规及高压电镜,一般TEM：100~200KVHV>500kv为超高压电镜，Hvmax=1MV（法），3MV，15MV（美），10MV（日）1、特点：

⑴穿透能力强、可观察较厚的样品µm级⑵分辨率高，2Å（晶格分辨率）⑶单色性好，色差小，成像质量好⑷加速电压越高，散射截面越小，辐射损伤减小⑸场深大，可获取样品的三维结构信息⑹样品室一般为环境样品室，可观察活体生物样品2、缺点：

体积庞大、结构复杂、价格昂贵、需专用的防护装置3、观察对象：主要研究非生物材料的晶格结构、观察细胞骨架系统（微梁、微丝），人工培养细胞、血细胞等日立超高压电镜H-3000（3MV）第二节扫描式电镜依据性能不同主要分为：（1）常规（一般）SEM（2）环境扫描电镜（3）低压扫描电镜（4）场发射电子枪SEM（5）生物用SEM（6）扫描电－声电镜

1、原理：

利用电子束轰击样品表面，引起二次电子等信号的发射，主要利用SE并放大、传递SE所携带的信息，按时间序列逐点成像，显像管上成像2、特点：

⑴图象立体感强、可观察一定厚度的样

⑵样品制备简单，可观察较大的样

⑶

分辨率较高，30~40Å

一、常规扫描电镜（SEM）2、特点：

⑷倍率连续可变，从4倍~~15万⑸可配附件，进行微区的定量、定性分析3、观察对象：

主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构，管腔内表面的结构等1、特点：①多种真空状态：高、低、超低真空

1Torr（乇）=1mmHg柱压力=1/760标准大气压=133.3Pa

粗真空：760~10乇低真空：10~10-3乇 高真空：10-3~10-8乇超高真空：10-8乇以下多种真空条件下可得SEI像、BEI像，且

=4nm②样品室可充气体:水气、氮气

③动态分析：样品温度从-185℃~1000℃④制样简单：样品无须镀膜、脱水、干燥等处理真正的“环境”条件，可直接观察含水、含油样品低气压空间二、环境扫描电镜（ESEM）2、缺点：

造价太高$30万，Philips（FEI），分辨率仍不很高3、观察对象：

活体生物、真菌、细菌、人工培养细胞等（含液体［水或油等］、以及不适合进行常规固定、脱水、干燥等处理的样品）如：ESEM最适宜观察培养基上人工培养细胞的表面微观结构。三、低压扫描电镜（LVSEM:lowvoltage）2、特点

⑴加速电压降低，增强反差⑵试样不易发生充放电效应，

⑶Hv=2－3Kv时也可获得1nm的分辨率3、观察对象：

可观察绝缘物质、生物样品、半导体材料1、类型：⑴高分辨型低压扫描电镜⑵新型“减速”低压扫描电镜四、场发射电子枪SEM场发射电子枪SEM优点:

⑴场发射电子枪具有亮度高、能量分散少，阴极源尺寸小等优点，其分辨率已达到0.3-0.4nm。⑵可在低加速电压下进行高分辨率观察，因此可以直接观察绝缘体而不发生充、放电现象。优点：装备有冰冻、冷热样品台，可把含水生物样品迅速冷冻并对冰冻样品进行观察，可以减少化学处理引起的人为变化，使观察样品更接近于自然状态。若要观察内部结构，还可用冷刀把样品进行切开，加温使冰升华，并在其上喷镀一层金属再进行观察，所有这些过程都在SEM中不破坏真空的状态下进行。五、生物用SEM六扫描电－声电镜SEAM（ScanningElectronAcousticMicroscope）成像原理基于样品微热学和弹性性质的变化建立图像的，优点如下：1.电子束斑直径小10nm，分辨率高2.能交换显示同一样品的二次电子像和扫描电－－声像。3.能显示样品表面和亚表面不同层次的图像，并且不破坏成像的剖面。4.节省费用，对现有的SEM稍加改装即可一机两用(一)优点：比较振幅和相位的成像结果，可以区别表面和亚表面的结构差异。（二）扫描电－声显微镜的成像原理成像过程及原理框图(三)SEAM观察的对象：

可以显示样品表面或表面下不同层次的微观热性质的差异，适宜检测有晶格结构或有分层结构的金属、陶瓷、半导体材料、有机介质等样品，进行生物样品表面和亚表面分析，进行晶体界面分析和亚表面无损分析。如：生物组织、大分子结构的分层研究和检测，组织损伤研究等。

1.超高真空的场发射式STEM第三节扫描透射式电镜（STEM）

2.附件型STEM

工作原理介于TEM与SEM之间，兼顾SEM及TEM的优点、功能更强大、又弥补各自的缺点。（一）类型

使用场发射电子枪，单晶钨针尖灯丝，可以获得很高的亮度10－8－10－10A/cm2立体弧度，分辨率0.3-0.5nm，真空度10－10torr，价格极高。附件附加在TEM或SEM上，分辨率较低，TEM电镜附件型分辨率1－1.5nm;SEM电镜附件型分辨率4－6nm,附件型STEM主要用于X－ray能谱、波谱分析或电子损失谱分析，用以观察元素分布图⑴兼顾SEM及TEM的特点、功能强大、但造价高⑵分辨率不如TEM高,高分辨型0.3~0.5nm;附件型1~1.5nm⑶在200KV以上且超高真空时，照射面积小，热损伤和辐射损伤小、污染小，可以观察到铀和钍原子像⑷能过检测到扫描透射电子、透射电子和散射电子，并可同时观察明场和暗场，可进行适当的处理和比较，获取更多超微结构信息⑸可观察较厚样品(0.2~0.4µm)和低反差样品，图像的反差和亮度易调节，切片可以不染色⑹显像方式：荧光板、显像管（二）、特点（三）、观察对象：观察样品表面、内部，获取样品的明场及暗场图像第四节分析类电镜分析电镜是利用电子束（射线）轰击样品所产生的X射线或俄歇电子等信号对样品元素进行分析的一类电镜。其基本特点：能在观察超微结构的同时，对样品中一个极微小的区域进行化学分析，从而在超微结构水平上测定各种细胞结构的化学成分及其变化规律。（1）分析TEM：

也称生物分析电镜（BATEM:biologicanalysis）

TEM+EDS（or：WDS），分辨率高

=1.5Å、分析性能好。目前很多100KV和200KVTEM都可以装上X射线检测附件，进行样品的元素分析。（2）分析SEM：

在SEM上配备X射线能谱仪（或波谱仪）后，便可兼有电子探针分析样品化学成分的功能。（3）扫描俄歇电镜：

把SEM与俄歇电子能量分析仪相结合，即成为扫描俄歇电镜，它能对样品表面进行微区元素分析，是一种表面微观分析电镜。（一）分析电镜的类型（AEM:analysiselectronmicroscope)

连续X-ray背底扣除能量：Z特征X-ray的能量特征X-ray

波长：Z特征X-ray的波长1、波谱仪（WDS）

Wavelength-dispersespectrometer

微区定量分析，4Be92U慢20~60分，灵敏度高2、能谱仪（EDS）

Energy-dispersespectrometer

微区定性分析，11Na92U快2~3分，灵敏度低（二）分析电镜的原理连续X-ray特征X-ray波长与能量之间的关系：特征X射线的波长与加速电压无关系，只与样品的种类有关系。

特征X-ray的波长和能量随样品中各元素的不同而异，可用于定量、定性分析

Z↗激发的特征X-ray能量E↗波长↘即：只要是同一种原子，不论其所处的物理或化学状态如何，它们所发出的特征X射线均应具有相同的波长或能量。分析电镜中X射线显微分析的理论依据：第五节扫描探针式显微镜（1）扫描隧道显微镜（STM）（2）原子力显微镜（AFM）（3）激光力显微镜（LFM）、（4）扫描电化学显微镜（SECM）分类：一、扫描隧道显微镜（STM）（STM:scanningtunnelingmicroscope）1、原理：利用量子隧道效应获取样品表面结构。其关键部件是有一个加上一定电压的精密探针，当探针接近物质时，由于‘隧道效应’而有电子飞出，从而在探针与物质之间有电流通过。当探针沿物质表面扫描时，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图象化，即可显示出原子水平的凹凸形形态。2、STM特点：⑴M=1000万倍，

水平<1Å，

垂直<0.1Å⑵可进行“活体”观察、可在大气、液体环境下直接观察物质表面特征⑶三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察。⑷（观察固体时）只能观察导体和半导体的表面结构、非导电的物质需要覆盖一层导电薄膜3、STM应用：主要用于研究表面科学、半导体材料、生命科学优点：可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。STM在生物领域的应用：

STM在生物和有机材料一领域有着广泛的应用前景。尽管目前还存在着如何解释生物样品的STM图象、如何更好地制备生物样品以及选择合适衬底以沉积生物分子等问题，但实际应用中已取得了不少好结果。例如在真空、大气和溶液条件下的DNA研究，球蛋白、胶原蛋白及红血球的研究等。扫描隧道显微镜能直接观察生物大分子(如DNA、RNA和蛋白质等)的原子布阵，也能观察一些生物结构(如生物膜、细胞壁等)的原子排列。在生物学研究中发挥着重要作用，将把生物学研究推进到纳米科学水平。STM在纳米科技中的应用：

STM不仅能够对样品表面进行成像，而且还能在纳米尺度上对材料表面进行刻蚀与修饰。由微观到宏观，即直接操纵单个原子和分子，对它们进行排列组合，以形成新的物质，或制造出一定功能的机器这是实现纳米加工的新思想，STM的出现使这一思想变为现实。自从STM问世以来，STM作为一种纳米加工的工具的研究已涉及到表面直接刻写、电子束诱导沉积以及单原子操纵等方面，并取得了一批高水平的研究结果。扫描隧道电子显微镜下金原子的晶格排列图像第一节形态观察技术硅111