第四章 透射电镜

透射电镜

东华大学测试中心内容透射电子显微镜成象原理透射电镜试样的制备实例透射电子显微镜成象原理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。其主要特点是，测试的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。以高能电子（50-200keV）穿透样品，根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍射方向不同，经过后面的电磁透镜的放大后，在荧光屏上显示出图象；透射电镜在加速电压Ep=100keV下，电子的波长为3.7pm。金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。而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。如前所述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。其形成的机制有两种：相位衬度，振幅衬度。1.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)。2.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。振幅衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：质厚衬度，衍射衬度。

①质厚衬度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。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。概念

阿贝（Abbe，德国光学家）原理d—分辨本领λ—光的波长n—折射系数α—孔径半角表明了显微镜的分辨极限取决于光源的波长的大小，即可分辨的最小距离与波长成正比

概念德布罗意（DeBroglie，法国物理学家）方程（1924年）表明了微观粒子（电子、离子、中子）快速运动时（接近光速）在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质——即波粒两象性。h—普朗克常数m、v—分别为粒子的质量、速度概念布施（Busch，德国物理学学家）理论：用轴对称的电场和磁场聚焦电子束的理论（1926年）鲁斯卡（Ruska,德国科学家）等人设计并制造了世界上第一台透射电子显微镜。（1931-1933年）透射电子——对于薄试样（100nm左右）入射电子可透过试样。透射电子中有弹性散射电子和非弹性散射电子，透射电子的数量取决于入射电子所穿过的试样微区的厚度、成份、晶体结构及位向。概念ip=ib+is+ia+it入射电子束强度ib—背散射电子信号强度is—二次电子信号强度ia—吸收电子信号强度it—透射电子信号强度TEM光路图H-800TEM概念衬度理论

弹性散射——入射电子与原子核作用时，只改变其运动方向，能量基本上无变化。非弹性散射——入射电子与核外电子作用时，不仅改变其运动方向，能量也将变化。概念质量厚度衬度

对于非晶试样（实际包括弥散分布的多晶在内），设入射电子数为n0，透射电子数为nn=n0e-Qt

Q—散射截面

t—试样厚度概念因强度与电子数成正比，故I=I0e-Qt设在tc样品厚度下，Qtc=1则有即透射电子与入射电子的强度比恒为一常数在同样强度衰减的条件下，比较各种物质的散射能力有：N0—阿佛加德罗常数A—原子量σ—单原子的散射截面ρ—密度概念可写为即厚度与密度的乘积为材料的临界质量厚度，它表示了材料综合的散射能力。质量厚度衬度理论表明了由于材料原子散射引起的透射电子强度的衰减即与试样厚度t有关同时也与原子序数和材料密度有关。概念衍射衬度：衍射衬度是用晶体的衍射电子束或透射电子束成像，像衬度源于电子衍射波（或透射波）振幅的变化，遵循劳埃（Laue）方程：a(cosα-cosα0)=Hλb(cosβ-cosβ0)=Kλc(cosγ-cosγ0)=Lλcos2α+cos2β+cos2γ=1或布拉格（Bragg）方程：2dSinθ=nλ概念所规定的衍射条件和几何关系，电子束被薄晶体试样衍射后，试样不同区域的衍射波振幅（及强度）分布对应于晶体各部分不同的衍射能力。当晶体中存在缺陷时，缺陷区域的衍射能力不同于完整区域，使各衍射波（从而使透射波）的振幅（及强度）分布不均匀，反映出晶体缺陷分布的情形。因而能显示晶粒、晶界、层错、位错、晶格中原子的排列等有用信息。概念相位衬度：当试样薄至10nm以下时，电子束穿过试样后，波振幅变化甚微，可以忽略不计，此时像的衬度源于电子波的相位变化。由于各衍射束之间相互干涉的效应，使得散射电子波与入射电子波产生相位差，形成相位衬度。此时图像被分解为许多不同波长的简单的正弦波的叠加，波长越短的波形对应着越细的细节，显微镜的像差和欠焦量的结合，起着对这个叠加波形的过滤作用。相位衬度的分辨率极高，可显示晶格、原子像。但因相位像的衬度与试样的厚度及成像条件密切相关，所以不同厚度及不同欠焦量下图像的差别很大，应注意正确诠释。透射电镜试样的制备和染色50年代初50年代中匹斯超薄切片机高分子材料和生物细胞学分子尺度

显微观察晶体的位错

鲍曼合金减薄技术

证实透射电镜试样的制备和染色60年代初70年代鲍留斯离子减薄装置

陶瓷材料、矿石以及月球岩石等

电镜分析植田2nm的氯化酞氰铜薄膜

分子结构

在原子分辨率水平下观察

透射电镜试样的制备和染色金属载网——常用的金属载网是直径为3mm的铜网，其网孔的样式随制作方法和所观察的试样不同而有差异，一般多用200目的载网，以保证以70%上的电子束通过。载网透射电镜试样的制备和染色支持膜——支持膜应当易被电子束穿透，且有足够的机械强度，耐电子束轰击，并具有一定的化学稳定性。支持膜的厚度一般为20nm以下。常用的支持膜有：聚乙烯醇缩甲醛膜（Formvar）火棉胶膜醋酸纤维素膜碳膜透射电镜试样的制备和染色超薄切片——将试样包埋在于其硬度相当的环氧树脂材料中，以便固定样品，然后用超薄切片机切下100nm以下的薄片，收集在铜网上。

Reichert-JungUltracutE超薄切片机透射电镜试样的制备和染色电子染色——因为一般高聚物的密度在1g×cm-3左右，衬度较弱，为了研究其结构，必须提高衬度，所以采用电子染色的方法。一般生物样品多用铅（硝酸铅PbNO3、柠檬酸铅PbC5H6O7）、铀（醋酸铀UO2Ac2）、镧（硝酸镧LaNO3）、银（硝酸银AgNO3）、铋等重金属对被检测物进行电子染色，使试样的某些结构比较疏松的部位吸收重金属元素而增加密度，但不改变试样的形态，从而提高反差（衬度）。透射电镜试样的制备和染色1964年四氧化锇（OsO4）染色法问世，应用于电镜观测，使人们能够从微观上研究聚合物的两相形态，成为聚合物改性研究中的重要里程碑。目前，对高分子材料多使用四氧化锇（OsO4）和四氧化钌（RuO4），对试样进行电子染色，他们可与含双键的高聚物反应，将重金属锇或钌连接到高聚物上，以增加材料的散射能力。四氧化钌（RuO4）不但能与双键反应，同时还能与部分饱和烃等反应，因此应用更广泛。下表例举了一些四氧化钌（RuO4）可染或不可染的高聚物材料：透射电镜试样的制备和染色PolymerAbbreviatednamestained1polystyrenePSYes2Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenyleneoxide)PPOYes3Poly(vinylmethylether)PVMEYes4Poly(ethyleneoxide)PEOYes5Poly(ethyleneoxide-co-propyleneoxide)PEOPOYes6Poly(epichlorohydrin)PECHYes7Poly(vinylformal)PVForYes8Woodandcotton(containscellulose)Q-tipYes透射电镜试样的制备和染色PolymerAbbreviatednamestained9Poly(vinylalcohol)PVAYes10Poly(vinylmethylketone)PVMKYes11Poly(ethyleneterephthalate)PETYes12Poly(vinylchloride)PVCNo13Poly(vinylidenefluoride)PVF2No14Poly(methylmethacrylate)PMMANo15High-densitypolyethylateHDPEYes16LinearpolyethylenewaxLPEYes17AtacticpolypropyleneaPPYes18IsotacticpolypropyleneiPPYes透射电镜试样的制备和染色PolymerAbbreviatednamestained19Poly(cis-1,4-butadiene)PBYes20Nylon11Nylon11Yes21polyacrylamidePAAYes22Poly(vinylpyrrolidone)PVPYes23polyacrylonitrilePANNo24Styrene/acrylonitrilecopolymer(75/25)SANYes25polyimideH-filmYes26polycarbonatePCYes275minepoxyYes28Poly(p-phenyleneethersulfone)PPESYes透射电镜试样的制备和染色如对PET（聚酯）、PBT（聚苯并噻唑）等聚酯类高聚物采用丙烯胺处理。对CPE（氯化聚乙烯）、EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）、ACR（丙烯酸酯弹性体）、PBD（顺丁橡胶）等采用氯磺酸（SHO3Cl）处理。四氧化锇（OsO4）四氧化钌（RuO4）高聚物材料溴化或磺化形成双键较好的染色效果透射电镜试样的制备和染色负染色——对于一般高分子粒子，常采用负染色的方法。这种方法一般粒子与染色剂没有产生任何反应，本质上并没有对材料进行染色，只是用密度比粒子高的化学物质把粒子包围起来，使图像在黑色的背景下显现出白色的粒子，系一种反衬的方法。但在用磷钨酸（PTA）做负染色剂时，因不同PH值的PTA在水中和在酯中的溶解度差异很大，所以对于核壳-粒子,会由于PTA溶解度的不同使PTA进入核或壳从而产生染色效果，分辨出核-壳结构。透射电镜试样的制备和染色另有一些染色剂会对一些特定的材料产生染色效果，如碘甲烷（CH3I）,高锰酸钾（KMnO4）等。一般染色剂的染色性能随浓度、PH值、时间、温度而变化。染色一般可分为浸染、熏染和混染等多种方法。透射电镜试样的制备和染色染色垫滑动染架染色盘实例1兔毛纤维（棱脊，剥离）（SEM）兔毛纤维（横、纵，鳞片，皮质细胞，横隔层）（OsO4染色）实例兔毛纤维（正副皮质细胞,空腔）（OsO4染色）实例兔毛纤维（角质层和皮质层，细胞间物质，原纤和基质结构）（OsO4染色）兔毛纤维（正皮质细胞，空腔，纵向，髓质样物质，原纤和基质结构）（OsO4染色）实例兔毛纤维（细胞核残留物，颗粒状结构，原纤和基质结构）（OsO4染色）（STEM）实例2澳洲羊毛纤维（正副皮质细胞，细胞间物质）（OsO4染色）实例澳洲羊毛纤维（角质层和皮质层，细胞间物质，原纤和基质结构）（高锰酸钾KMnO4染色）实例3纳米SiN透射电镜照片实例4GrainboundaryTEMmicrographofaPZTceramic实例5Austeniticstainlesssteelsolutiontreated,quenchedandtemperedSystem:Fe-C-XComposition:StainlesssteelwithCr18,Ni10,Nb1(wt%)Processing

Solutiontreated24hoursat1300ºCthenquenched.Tempered350hoursat700ºC

实例Austeniticstainlesssteelsolutiontreated,quenchedandtempered,showingM23C6precipitateSystem:Fe-C-X,StainlesssteelwithCr18,Ni10,Mo1(wt%)400nm

实例Martensiticsteeltempered,withdislocationhelicesinferriteSystem:Fe-C-XComposition:Fe,C0.2,Mo4(wt%)Processing

Tempered20hoursat500ºC实例Martensiticsteeltempered,withprecipitationofMo2CinferriteSystem:Fe-C-XComposition:Fe,C0.2,Mo4(wt%)Processing

Tempered20hoursat600ºC实例Martensiticsteeltempered,withprecipitationofMo2CondislocationsinferriteSystem:Fe-C-XComposition:Fe,C0.2,Mo4(wt%)Processing

Tempered300hoursat550ºC实例Martensiticsteelquenchedthentempered,withprecipitationofMo2CondislocationsinferriteSystem:Fe-C-XComposition:Fe,C0.2,Mo4(wt%)Processing

Tempered300hoursat550ºC实例Highcarbonsteel

System:Fe-C-X,Composition:Fe,C1,Mn2,Si1.5,Cr1.3(wt%)

实例Multi-walledcarbonnanotube

实例ChannellingcontrastTEMimage