电子显微镜讲义TEMXX1127

回顾：电子与固体的相互作用a.背散射电子（backscatteringelectron）

二次电子

(secondaryelectron)

a.背散射电子b.二次电子f.俄歇电子e.特征X射线g.阴极发光d.透射电子c.吸收电子c.吸收电子试样电子束电子显微镜讲义TEMXX1127

一、背散射电子和二次电子

Mg

入射电子二次电子KL背散射电子背散射电子电子显微镜讲义TEMXX1127背散射电子和二次电子的区别：性能背散射电子二次电子来源不同：能量不同：测试深度不同：分辨率不同：与原子系数的关系：图像信息不同：图像阴影：反射的入射电子激发出来的试样电子数千ev至数万ev不超过50ev，一般几ev200-300nm小于10nm200-300nm小于10nm有没有形貌及成分分布形貌有无电子显微镜讲义TEMXX1127第三节

透射电子显微镜结构和应用电子显微镜讲义TEMXX1127透射电子显微镜的定义：透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦，通过电子透过成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。透射电子显微镜的分类（一）根据电镜的功能：

1.普通电镜

2.高分辨电镜（HRTEM）

3.扫描透射电镜（STEM）

4.分析型电镜（AEM）等等。电子显微镜讲义TEMXX1127扫描透射电镜

SEM中电子射线作用于样品后，其中一部分电子可透过样品成为透射电子，将透过样品的透射电子和散射电子用检测器接收成像，即成为扫描透射电镜。这种电镜一般用场发射电子枪，兼有TEM、SEM和分析电镜的特点，能观察较厚的样品，分辨本领和成像质量都很好，是近年来电镜技术的最大改进之一。电子显微镜讲义TEMXX1127分析电镜分析电镜是利用电子射线轰击样品所产生的X射线或俄歇电子对样品元素进行分析的一类电镜。其特点是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。在TEM上配备X射线能谱仪后即成为分析TEM，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。电子显微镜讲义TEMXX11271.3.2根据加速电压的大小分为以下3种：（1）一般TEM。最常用的是100KV电镜。这种电镜分辨率高（点0.3nm，晶格0.14nm），但穿透本领小，观察样品必须很薄，约为30～100nm，如细胞和组织的超薄切片、复型膜和负染样品等。相当普及。我校有这样的设备，分辨率达到0.2nm。（2）高压TEM。目前常用的是200KV或300KV电镜。这种电镜对样品的穿透本领约为100KV电镜的1.6倍以上，可以在观察较厚样品时获得很好的分辨本领，从而可以对样品的结构进行三维观察，200KV分辨率可达到0.19nm。（3）超高压TEM。目前已有500KV、1000KV和3000KV的超高压TEM。这类电镜具有穿透本领强、辐射损伤小、可以配备环境样品室及进行各种动态观察等优点，1000KV分辨率也已达到0.1nm。电子显微镜讲义TEMXX1127常规透射电镜:<120kV（<200KV）；测试样品厚度小于100nm；低超高压电镜：200-500kV；测试样品厚度大于200nm；超高压电镜：500-1000kV；测试样品厚度达到7微米；高超高压电镜：大于1000kV。电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX1127

透射电子显微镜的结构透射电子显微镜是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种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。主要包括以下几个部分:电子光学系统（镜筒）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似.电子显微镜讲义TEMXX11272.1.1照明系统①组成：

由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。②作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2°-3°范围内倾斜。

电子显微镜讲义TEMXX1127栅极的作用：限制和稳定电流。从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步会聚成近似平行的照明束，这个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。1.电子枪电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并会聚成交叉点。目前电子显微镜使用的电子源有两类：1热电子源——加热时产生电子，W丝，LaB62场发射源——在强电场作用下产生电子，场发射电镜（FE）

热阴极电子源电子枪的结构如图所示，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间会聚为尺寸为d0的交叉点，通常为几十um。电子显微镜讲义TEMXX11272.聚光镜

聚光镜的作用是会聚电子枪发射出的电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般采用双聚光镜系统，如图所示。1.为了调整束斑大小，在C2聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可获得几um的电子束斑；2.为了减小像散，在C

2下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的.电子枪光斑第一聚光镜M=0.1-0.021μm第二聚光镜M=2分析附件光澜2μm50μm透射电子电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX11272.1.2.成像系统由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成1.物镜a

用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。b物镜通常为强励磁、短焦透镜（f=1-3mm）,放大倍数100—300倍，目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm。c物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度，极靴间距越小，分辨率就越高。d

为进一步减小物镜球差，在物镜后焦面上安放物镜光阑。2.物镜光阑装在物镜背焦面，直径20—120um，无磁金属制成（Pt、Mo等)作用：a

提高像衬度b

减小孔径角，从而减小像差c

进行暗场成像3.选区光栏装在物镜像平面上，直径20-400um作用：对样品进行微区衍射分析。电子显微镜讲义TEMXX11274.中间镜中间镜是一个弱励磁、长焦距、变倍率透镜，放大倍数可调节0—20倍作用1

控制电镜总放大倍数2

成像/衍射模式选择工作原理见图5.投影镜短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜,孔径角很小。放大倍数100万倍。小孔径角有两个特点：景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图像清晰度焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。注意：目前，一般电镜装有附加投影镜，用以自动校正磁转角成像系统的两个基本操作：a衍射操作模式b

成像操作模式电子显微镜讲义TEMXX11272.1.3观察记录系统观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿光的荧光物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的聚集和观察。照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时间很短，一般只需几秒钟。

新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。

现代电镜已开始装有电子数码照相装置，即CCD相机。电子显微镜讲义TEMXX11272.2主要部件的结构与工作原理2.2.1样品平移与倾斜装置（样品台）电镜样品小而薄，通常用外径3mm的样品铜网支持，网孔或方或园，约0.075mm，见图。

样品台的作用是承载样品，并使样品在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。平移是样品台的基本动作，平移最大值

1mm。倾斜装置用的最普遍的是“侧插”式倾斜装置，如图所示。

电子显微镜讲义TEMXX1127.2.2电子束倾斜与平移装置新式电镜都带有电磁偏转器，使入射电子束平移和倾转，其原理见图，上、下两线圈联动的。利用电子束原位倾斜可以进行中心暗场成像操作。

2.2.3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转对称磁场的装置。消像散器分为机械式和电磁式两类。机械式：电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体来吸引部分磁场。电磁式：通过电磁极间的吸引和排斥来校正磁场，如图所示，两组四对电磁体排列在透镜磁场外围，每对电磁体同极相对安置。通过改变两组电磁体的励磁强度和磁场的方向实现校正磁场。消像散器一般安装在透镜的上、下极靴之间。电子显微镜讲义TEMXX11272.2.4光阑透射电镜有三种主要光阑：聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。1.

聚光镜光阑作用：限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，该光阑装在第二聚光镜下方。光阑孔直径：20-400um，一般分析用时光阑孔直径用200-300um，作微束分析时，采用小孔径光阑。2.

物镜光阑也称衬度光阑，安装于物镜的后焦面。光阑孔直径20-120um功能与作用：a

提高像衬度b

减小孔径角，从而减小像差c

进行暗场成像由无磁金属制成（Pt、Mo等)制造。由于小光阑孔容易污染，高性能电镜常用抗污染光阑或自洁光阑，结构如图所示。光阑孔周围开口，电子束照射后热量不易散出，处于高温状态，污染物不易沉积。光阑常做成四个一组的光阑孔，安装在光阑杆的支架上。使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入。电子显微镜讲义TEMXX11273.

选区光阑为了分析样品上的微区，应在样品上放置光阑来限定微区，对该微区进行衍射分析叫做选取衍射。该光阑是选区光阑，也称限场光阑或视场光阑。因为要分析的微区很小，一般数微米量级，要做这样小的光阑孔在技术上有难度，也很容易污染，因此选取光阑都放置在物镜的像平面位置。可以达到放置在样品平面上的效果，但光阑可以做的更大些。

如果物镜的放大倍数是50，则一个直径为50um的光阑可以选择样品上1um的微区。选取光阑由无磁性金属材料制成，光阑孔径范围20-400um，大小不同的四孔一组，由光阑支架分档推入。电子显微镜讲义TEMXX11272.3透射电镜的主要性能参数及测定2.3.1

主要性能参数分辨率、放大倍数、加速电压2.3.2

分辨率及其测定：分为点分辨率和晶格分辨率1.点分辨率透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。测定方法：Pt或贵金属蒸发法将Pt或贵金属真空加热蒸发到支持膜（火棉胶、碳膜）上，可得到粒径0.5-1nm、间距0.2-1nm的粒子。高倍下拍摄粒子像，再光学放大5倍，从照片上找粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应的点分辨率，如图所示。电子显微镜讲义TEMXX11272.晶格分辨率当电子束射入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位向差。由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像，如图所示。

注意：晶格分辨率与点分辨率是不同的，点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。电子显微镜讲义TEMXX1127TEM图像的成像及应用电子显微镜讲义TEMXX1127TEM发现聚合物单晶（singlecrystal）PE单晶螺旋生长1957年A.J.Keller首先发现浓度0.01%的聚乙烯溶液中，极缓慢冷却时可生成棱形片状的、电镜下可观察到的片晶，呈现出单晶特有典型的电子衍射图。随后陆续发现聚甲醛、尼龙、聚脂等单晶。电镜在聚合物结晶模型确定中的一个重要贡献KellerA.Phil.Mag.,1957,2:1171.FischerEW.Z.Naturforsch,1957,12A:753.TillP.J.Polym.Sci.,1957,24:301.D、指纹织构（Fingerprinttexture）是胆甾相的一个典型织构。胆甾相一般存在手性分子，手性的存在使分子间的排列发生扭曲，形成尺寸很大的螺旋结构，螺距足够大时，胆甾相常呈现层线织构，当层线发育受阻时则表现为指纹织构。

通过简单的光学织构可以帮助我们了解液晶态，但是难以准确判断液晶相的类型，需要进一步借助衍射实验来确定。高分辨能力像衬度

定义：像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。1、非晶样品的像衬度

非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。质厚衬度适用于对复型膜试样电子图像作出解释。质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。

2、衍射衬度

对于晶体，若要研究其内部缺陷及界面，需把样品制成薄膜，这样，在晶体样品成像的小区域内，厚度与密度差不多，无质厚衬度。但晶体的衍射强度却与其内部缺陷和界面结构有关。由样品强度的差异形成的衬度叫衍射衬度，简称衍衬。

晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。这种衬度对晶体结构和取向十分敏感，当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该处相对于周围完整晶体发生了微小的取向变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有不同的衍射条件，将缺陷显示出来。可见，这种衬度对缺陷也是敏感的。基于这一点，衍衬技术被广泛应用于研究晶体缺陷。

衍衬成像，操作上是利用单一透射束通过物镜光栏成明场像，或利用单一衍射束通过物镜光栏成暗场像。近似考虑，忽略双束成像条件下电子在试样中的吸收，明暗场像衬度是互补的。明场像和暗场像均为振幅衬度，即它们反映的是试样下表面处透射束或衍射束的振幅大小分布，而振幅的平方可以作为强度的量度，由此便获得了一幅通过振幅变化而形成衬度变化的图像。典型明场像a）和暗场像b）3.相位衬度：如果所用试样厚度小于l0nm，甚至3nm。它是让多束衍射光束穿过物镜光阑彼此相干成像，像的可分辨细节取决于入射波被试样散射引起的相位变化和物镜球差、散焦引起的附加相位差的选择。它追求的是试样小原子及其排列状态的直接显示。图所示是薄晶成像的情形。一束单色平行的电子波射入试样内，与试样内原子相互作用，发生振幅和相位变化。当其逸出试样下表面时，成为不同于原入射波的透射波和各级衍射波。由于试样很薄，衍射波振幅甚小，透射波振幅基本上与入射波振幅相同，非弹性散射可忽略不计。衍射波与透射波间的相位差为π／2。如果物镜没有像差，且处于正焦状态，而光阑也足够大，使透射波与衍射波得以同时穿过光阑相干。相干结果产生的合成波其振幅与入射波相同，只是相位位置稍许不同。由于振幅没变，因而强度不变，所以没有衬度。要想产生衬度，必须引入一个附加相位，使所产生的衍射波与透射波处于相等的或相反的相位位置，也就是说，让衍射波沿图X轴向右或向左移动π／2，这样，透射波与衍射波相干就会导致振幅增加或减少，从而使像强度发生变化，相位衬度得到了显示。透射电子显微镜的种常见工作模式TEM有四种基本的工作模式，作用各不相同。

1．图像模式。在这种模式下，TEM是一台放大镜，可以对样品的形貌进行观察，比如晶粒尺寸，晶体缺陷，相分布，等等。2．衍射模式。

在这种模式下，TEM是一台电子衍射仪，我们看到的是电子被样品散射后形成的衍射强度分布。大家对于XRD可能比较熟悉，而电子衍射相对陌生一些。其实，电子衍射在原理上跟XRD非常类似，只是实现的方式不同。电子衍射的强度在空间是三维分布。在TEM中，我们通常观察到的是其中的一个截面，就是通常所说的电子衍射图，或者叫电子衍射谱。截面的特征跟观察的方向密切相关。单晶衍射模式多晶衍射模式3．高分辨像（HREM）。顾名思义，这种技术得到的图像分辨率特别高。最新的技术已经可以得到分辨率低于1埃的图像细节。这样的分辨率已经小于很多材料里面原子之间的距离，因此可以利用这种技术研究材料的原子排列情况。尤其是在缺陷，界面，低维结构以及搀杂材料的研究中，这种技术大量应用。TEM和STEM都可以得到HREM图像，因为其成像原理和利用的信号不同，它们在应用上有各自的特点和优势。GaN中的层错高分辨像4．三维拓扑（electrontomography）。透射电子显微术是一种平面成像技术，实验得到的数据都是三维样品在二维平面的投影。拓扑技术可以根据一系列二维图片的信息按照特定的算法把三维结构复原出来。这一技术在生物和纳米材料领域。已经有很多应用。用于重构的二维图片是广义的，并不局限于几何形貌，也可以是成分分布或者磁、电、应力等物理量的分布，重构得到的就是相应信息的三维分布。结合高分辨率和丰富的工作方式，拓扑技术在TEM领域的应用前景是非常广的。同一套实验数据用两种不同的重构算法得到的金颗粒形状透射电子显微镜的种常见工作模式TEM有四种基本的工作模式，作用各不相同。

1．图像模式--形貌结构观察。在这种模式下，TEM是一台放大镜，可以对样品的形貌进行观察，比如晶粒尺及分布，相结构，等等。电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX11272．衍射模式---晶体结构。

在这种模式下，TEM是一台电子衍射仪，我们看到的是电子被样品散射后形成的衍射强度分布。大家对于XRD可能比较熟悉，而电子衍射相对陌生一些。其实，电子衍射在原理上跟XRD非常类似，只是实现的方式不同。电子衍射的强度在空间是三维分布。在TEM中，我们通常观察到的是其中的一个截面，就是通常所说的电子衍射图，或者叫电子衍射谱。截面的特征跟观察的方向密切相关。单晶衍射模式多晶衍射模式电子显微镜讲义TEMXX11273．高分辨像（HREM）---高分辨图像。顾名思义，这种技术得到的图像分辨率特别高。最新的技术已经可以得到分辨率低于1埃的图像细节。这样的分辨率已经小于很多材料里面原子之间的距离，因此可以利用这种技术研究材料的原子排列情况。尤其是在缺陷，界面，低维结构以及搀杂材料的研究中，这种技术大量应用。TEM和STEM都可以得到HREM图像，因为其成像原理和利用的信号不同，它们在应用上有各自的特点和优势。GaN中的层错高分辨像电子显微镜讲义TEMXX11274．三维拓扑（electrontomography）---立体图像。透射电子显微术是一种平面成像技术，实验得到的数据都是三维样品在二维平面的投影。拓扑技术可以根据一系列二维图片的信息按照特定的算法把三维结构复原出来。这一技术在生物和纳米材料领域。已经有很多应用。用于重构的二维图片是广义的，并不局限于几何形貌，也可以是成分分布或者磁、电、应力等物理量的分布，重构得到的就是相应信息的三维分布。结合高分辨率和丰富的工作方式，拓扑技术在TEM领域的应用前景是非常广的。电子显微镜讲义TEMXX1127第三节TEM中电子衍射

及相机长度TEM原理及应用电子显微镜讲义TEMXX1127

TEM电子衍射,其衍射几何与X射线完全相同,——都遵循Bragg方程所规定的衍射条件和几何关系.衍射方向可以由爱瓦德球(反射球)作图求出.因此,许多问题可用与X射线衍射相类似的方法处理.概述电子显微镜讲义TEMXX1127电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X射线一万倍，曝光时间短。TEM电子衍射与X射线衍射相比的优点电子显微镜讲义TEMXX11272.电子衍射基本原理

——Bragg方程一般推导

2d

sin

n

（

）

注意：是产生衍射的必要条件，但不充分。衍射束L02θθR130晶面透射束dHKLd——衍射晶面间距（nm）

——入射电子波长（nm）。θ——Bragg角（°）这个公式的物理意义：当波长为λ的光以θ照射到晶面距为d的晶面原子上时就会在2θ角方向产生衍射。电子显微镜讲义TEMXX1127Bragg公式推导法线

F

d在面内不同点AE=BFδ=AE–BF=0在面间不同点δ=EB+BF=2dsinθ干涉条件？

1.相位相同，2.波程差是波长的整数倍nλ.∴2dsinθ=nλ

ABEF法线法线电子显微镜讲义TEMXX11272dsinθ=nλ重要意义：把微观难测量的量d与宏观可测量的量θ（或L0和R

）相联系起来。

衍射束L02θθR130晶面透射束dHKLR1R2R3d

θ（2θ）L0和R

测定L0

和R？电子显微镜讲义TEMXX11273.简单电子衍射仪中的电子衍射衍射束L0R2θθ晶面入射电子束透射束衍射屏(后焦面)中心透射斑(0级衍射)1级衍射R1R2R3电子显微镜讲义TEMXX1127若n=1,则Bragg衍射公式可改写为:2dsinθ=λ(2)由图可知,tg2θ=R/L0∵θ是一小量,

∴2sinθ≈tg2θ≈R/L0(3)∴Rd=L0λ(4)式中,L0

为样品(物面)到物镜后焦面(衍射屏)的距离,称为电子衍射仪的相机长度;

L0λ为电子衍射仪的相机常数。

衍射束L0R2θθ晶面入射电子束透射束衍射屏(后焦面)电子显微镜讲义TEMXX11273.TEM中的电子衍射L?相机长度？二者的不同之处在于TEM中所得到的电子衍射图像又经过了二级放大。TEM电子衍射简单电子衍射衍射束L0R2θθ晶面入射电子束透射束衍射屏(后焦面)物镜物镜的背焦面、像平面和中间镜的物平面三面合一。物镜后焦面物镜样品入射电子束f0简单电子衍射L0电子显微镜讲义TEMXX1127样品各晶粒同名（HKL）面衍射线形成以入射电子束为轴、2

为半锥角的衍射圆锥。不同（HKL）衍射圆锥2

不同，但各衍射圆锥均共顶、共轴。多晶衍射环衍射环R荧光斑L?灯丝样品R1R2R3电子显微镜讲义TEMXX1127单晶电子衍射花样是所有与反射球相交的倒易点（构成的图形）的放大像。单晶衍射花样H2K2L2000H1K1L1灯丝样品R1R2R3L?电子显微镜讲义TEMXX11274.TEM中电子衍射的相机长度对于晶格间距为d的第一级(n=1)衍射斑,依据Bragg衍射条件可知2dsinθ=λ(5)

λ已知，求d=?关键如何求sinθ？相机长度？L?R电子显微镜讲义TEMXX1127∵tg2θ≈2sinθ,另由图中的几何关系可得:2sinθ≈tg2θ=OD/f0(6)d*OD/f0=λ(7)设中间镜和投影镜的放大倍数分别为MI

、MP,依据成像关系可得:R=OD·MI

·MP.即:OD=R/MI·MP(8)将式(8)代入式(7)得:Rd=f0·MI

·MP

·λ.定义:L=f0·MI

·MP(9)则有Rd=Lλ(10)R电子显微镜讲义TEMXX1127两个重要定义：1.TEM像征相机长度(L)

—是TEM中物镜焦距、中间镜及投影镜放大倍数的乘积(L=f0·MI

·MP

).像征相机长度通常简称为TEM的相机长度;2.TEM相机常数(Lλ)——相机长度(L)与电子束波长(λ)的乘积。在某一TEM条件下是一定值。电子显微镜讲义TEMXX11275.TEM相机常数的标定在日立H-600TEM上实验拍摄的金单晶(200)的电子衍射花样照片和晶格条纹。电子显微镜讲义TEMXX1127已知条件：a.标样金单晶(200)

的晶面距为0.204nm,b.加速电压100KV(λ)c.从图中测量出(200)晶面的第1级衍射斑的衍射半径R=3.7mm,求相机长度(L)和相机常数(Lλ)?解:当加速电压为100KV，λ

=0.0037nm依据式(10)计算相机长度为L=Rd/λ=3.7mm*0.204nm/0.0037nm=

204mm,相机常数为Lλ=Rd=0.755(nm·mm)RUr为入射电子的加速电压的相对论修正电压.Ur=U0

(1+01978×10

-6U0

)=100×103

(1+01978×10-6×100×103

)=109.78×103V电子显微镜讲义TEMXX11276.问题

从下图中测量出金单晶(200)

晶面的第1级衍射斑的衍射半径R=14.9mm,计算相机长度及误差。解：已知d=0.204nm,λ=0.0037nm,则相机长度为L=Rd/λ=14.9mm*0.204nm/0.0037nm=

821.5mm,已知标称相机长度为0.8m,则误差=[(821.5-800)/800]*100%=2.7%电子显微镜讲义TEMXX1127第四节透射电子显微镜应用、制样及实验电子显微镜讲义TEMXX1127透射电子显微镜制样及实验电子显微镜讲义TEMXX1127透射电子显微镜样品制备技术

TEM的样品必须足够薄（如100nm），根据不同的材料特性，主要有以下几类制样方法。

1．粉末分散：这种方法适用于粉末材料。这种方法非常简单，只要把材料在合适的溶剂里分散，然后转移到带有支撑膜的铜网上就可以了。脆性的块体材料在研钵里粉碎后，也可以用这种方法制样。2．超薄切片：把材料先用树酯包埋，固化后用特制刀具切出很薄的碎片。把碎片漂浮在合适的液体表面，然后再转移到铜网上就可以了。3．离子减薄：把块体材料研磨到很薄，然后放在离子减薄机内用能量较高的离子束轰击，直到穿孔。孔的边缘会有一些很薄的区域适合电镜观察。

电子显微镜讲义TEMXX11274．电化学抛光：把材料研磨到比较薄，放在合适的电解液里，加上一定的电压，过一段时间后，材料上就会有一部分被腐蚀掉，出现适合观察的薄区。5．机械研磨：这通常是作为其它制样方法的前期步骤，但是有时候也可以作为一种独立的方法使用。比如使用抛光机把样品磨成楔形，边缘部位就会出现很薄的区域。6．复形和萃取：这是比较古老的方法。复形就是复制形貌，有不同的操作方法，最终都是用碳膜把材料表面形态复制下来，然后喷镀金属增加衬度。萃取是把碳膜附着在材料表面，把材料腐蚀掉后，某些抗腐蚀的颗粒就粘附在膜上成为样品。7．聚焦离子束刻蚀（FIB）：这是近年来新兴的一种制样方法。在特殊的扫描电镜里，用聚焦的镓离子束对沿一定的路线对样品轰击，最后挖成一个薄片。这种方法最大的优点是位置精确，对于需要在特定位置进行观察的样品尤其适用。

这里只是简要提到了几种主要的TEM制样方法，未必能应对所有材料的制备。每种方法都有其优点和缺点，应该根据需要灵活选用。电子显微镜讲义TEMXX1127双喷电化学抛光适合观察的薄区复形电子显微镜讲义TEMXX1127做样之前要思考的问题1.做什么：（颗粒大小及分布、核壳结构纳米粒子、分散（团聚）、样品形态（纳米球形、纳米棒、纳米线、立方块、空心球等等）、晶体结构分析，聚合物材料和复合材料内部相结构等；2.TEM能否达到目的：根据TEM制样要求和局限性。3.有没有必要使用TEM？4.有没有更合适的表征仪器？电子显微镜讲义TEMXX11272，支持膜

——购买或制备电子显微镜讲义TEMXX1127商业购买的支持膜种类微栅类

碳支持膜

超薄碳膜

纯碳膜电子显微镜讲义TEMXX1127

微栅类普通微栅：200目铜网微栅膜，是在支持膜上特意制作上微孔，孔径为0.3-2微米，膜厚为15-20纳米。喷碳后微孔上没有残留碳膜层，是透孔，特别适合于观察粉末样品或切片样品的高分辨像，通常选择观察在微栅孔的边缘（空洞）处的样品，以得到较高衬度的高分辨像。电子显微镜讲义TEMXX1127小孔微栅：孔径小于0.3微米,可承载细微样品。电子显微镜讲义TEMXX1127碳支持膜国产超强支持膜碳支持膜是以国产铜网作载体,孔为圆孔,边缘有锯齿状;膜以有机层为主，膜层较薄，背底一般影响很小,韧性强,不易破损。通常用水或乙醇分散样品，支持膜均不会受腐蚀。铜网孔小大适宜，是观察100nm以下样品形貌像十分理想的载网支持膜。载网材料还有有镍网和钼网两种(主要为进口支持膜)电子显微镜讲义TEMXX1127超薄碳膜超薄碳膜也是支持膜的一种，它是在微栅孔上，搭载一层3-5nm的超薄碳膜，适合超细微粒粉末样品的观察，特别是对分散较好的10nm以下的样品，可以达到高分辨观察，不致从微栅孔上漏掉。电子显微镜讲义TEMXX1127纯碳膜是在碳支持膜的基础上，将有机层用特殊方法去除后得到的纯碳膜，膜厚7-10nm，很适合需要在有机溶剂或高温下处理的样品。电子显微镜讲义TEMXX1127铜网的种类及形状50目0.45mm100目0.25mm200目0.09mm400目0.04mm电子显微镜讲义TEMXX1127支持膜种类膜厚nm微孔衬度强度耐温抗溶剂适用倍率使用特点适用范围碳支持膜7-10无一般较好一般一般中倍率样品在碳和有机膜上一般样品形貌观察纯碳膜7-10无一般很好最好最好中倍率样品在碳膜上适合有机溶剂或加热微栅膜15-200.3-2um最好较好较好较好高分辨率样品在微孔边缘观察适合粉末或切片样品的高分辨超薄碳膜3-5无很好较好较好较好高分辨率样品在微孔上的超薄膜上适合极小粉末的高分辨电子显微镜讲义TEMXX1127测试中心目前所用不同支持膜电子显微镜讲义TEMXX1127制样的基本工具碳支持膜碳支持膜夹子和铜网盒电子显微镜讲义TEMXX1127用于ＴＥＭ测试的样品有：纳米粉末、块状、平面膜。样品制备方法：滴液法、超薄切片法、复型法、离子减薄等（主要无机样品）。电子显微镜讲义TEMXX1127粉末样品制备——滴液法电子显微镜讲义TEMXX1127由于扫描电镜(SEM)分辨率低,不能清晰地看到纳米颗粒,粒度分析仪只能分析数百纳米以上的微粒,且不能直观地展现粒子形态。对于纳米材料,只有透射电镜(TEM)是最清晰、直观、有效的分析仪器。但是,由于纳米材料表面效应大、吸附能力强,极易团聚,通常所用的粉末制样方法不能将颗粒分散开,很难分辨出粒子的大小与形状。电子显微镜讲义TEMXX1127

一般的纳米粉末分为纳米粒子，纳米棒，纳米线，纳米带，纳米纤维，纳米薄片等等，这类样品是制样最方便的。

对于高分子的纳米颗粒，因为衬度问题很难观察，通常要染色以后再看。不过如果能适当降低电压来增加衬度也是一种选择。

电子显微镜讲义TEMXX1127纳米粉末样品制备的几个问题1分散剂的选择对于纳米粉末,干撒于载网上,观察到的多是团聚块,而且易滑落污染镜筒。一般选择溶剂作分散剂使颗粒分散成悬浊液,再滴于载网膜上.

由于不同材料的表面性质不同,所用分散剂亦应不同。对分散剂的要求,1，能与待分析材料相互浸润而不溶解,且不溶解铜网上的支持膜;2，分散剂有良好的挥发性,且在滤纸上有适当的扩散速度.挥发性能好,能确保纳米粒子团聚前即粘附于铜网上。纳米颗粒随分散剂的扩散而分散开来,若扩散速度太快颗粒大多流失,不便观察,反之,则颗粒聚集,也达不到观察目的.电子显微镜讲义TEMXX1127

注意：

a.有的样品用乙醇会团聚，观察效果不佳，必须用水或者THF来做，也是可行的。

b.水的分散对一般的铜网都不浸润，所以挂的时候要多捞几次，或者用反向镊子提拉几次看到上面有水滴即可，实在捞不到水滴，其实也应该吸附了不少纳米粒子了。不过水分散的样品要长时间烘烤，否则抽真空的时间就会很长，而且会影响泵油的寿命。

c.THF常用来分散CNT等碳材料，只是要注意不要太多，另外也需要加大烘烤时间。电子显微镜讲义TEMXX1127超声波的使用将纳米材料加入分散剂后,用手摇动或搅拌,很难破坏颗粒间的作用力。为此,采用超声波进行超声处理,时间一般为10-30min左右较好。对于一些重金属材料或表面能较大的材料,超声波一停,立即会出现沉淀或团聚现像,取出的样品与吸管吸取位置有关,重复性差,不足以反映样品的真实状态。因此,必须在超声波振荡器中迅速于溶液中间位置取样,确保分析结果具有代表性。最好用毛细管吸起一定深度的样品（因为毛细管在插入的过程中能保证均匀取样），然后滴1-2滴到铜网上。电子显微镜讲义TEMXX1127表面活性剂的选择为克服表面能,防止团聚,使用了表面活性剂。方法是将加有少量表面活性剂的分散剂与纳米材料充分混合,使颗粒均匀地分散形成悬浊液。由于颗粒表面吸附有近于单分子层的表面活性剂,滴于载网上干燥后,不易团聚。常用的表面活性剂有亚甲基二萘磺酸钠(NNO)、油酸钠、焦磷酸钠等。电子显微镜讲义TEMXX1127纳米材料直接分散于支持膜内一些尺寸小于10nm的特细纳米材料,即便采用上述三种方法有时仍达不到理想的分散效果。为此,将粉末直接加入制备支持膜用的聚乙烯醇缩甲醛溶液中,并使其充分分散,像通常制备支持膜那样制膜和捞膜于铜网上。该方法只能用于粒径极小、比重也较轻的纳米材料.

电子显微镜讲义TEMXX1127制样基本过程：一般的纳米粒子用乙醇等分散剂超声分散10-30min.浓度在0.5-3%左右。2.用滴管、毛细管滴加1-2滴到铜网上，或者用镊子夹了铜网到分散好的悬浊液里面提拉一下，就应该能保证有足够的粒子挂上。3.对于易挥发样品，可直接放在样品盒里自然干燥。对遇难挥发也可用红外灯烘烤一下，尽量除去溶剂，以保护机械泵的油被污染。注意有些样品的烘烤是会损毁样品形貌的，这个就要较长时间的晾干，或者用反向镊夹住，用电吹风的冷风吹干。电子显微镜讲义TEMXX1127纳米颗粒样品制备实例1,取适量的粉末和乙醇分别加入小试管（0.5-3%），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滴该混合液体到微栅网上（如粉末是黑色，则当微栅网周围的白色滤纸表面变得微黑，此时便适中。滴得太多，则粉末分散不开，不利于观察，同时粉末掉入电镜的几率大增，严重影响电镜的使用寿命；滴得太少，则对电镜观察不利，难以找到实验所要求粉末颗粒。

2,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，将影响电镜的真空电子显微镜讲义TEMXX1127块状样品制备方法

1,超薄切片法电子显微镜讲义TEMXX1127超薄切片的制作超薄切片是在超薄切片机中进行的。要切出比较理想的超薄切片要求：1.一台质量好的超薄切片机外，2.还要有渗透、包埋良好的包埋块，3.合适的染色技术和效果4.要有好的切片刀以及操作者的熟练技术等。电子显微镜讲义TEMXX1127超薄切片的原理超薄切片机是一种贵重的精密仪器，根据不同的进刀系统（热膨胀式和机械进刀式）分为两类超薄切片机：热膨胀式超薄切片机是利用金属杆热胀冷缩产生长度变化的原理来进刀进行切片的，原理如下图所示，样品在样品杆的带动下快速通过锋利的刀刃，并削下样品突出刀刃的部分。由于样品杆在电热丝的加热下稳定并极其缓慢地伸长，可以有控制地切下极薄（各个型号的切片机性能有所不同，一般能切出厚度为几纳米到上百纳米的切片）的切片。切片的厚度取决于加热电流的大小，电流越大，膨胀越迅速，切片就越厚。电子显微镜讲义TEMXX1127机械进刀式的超薄切片机是以微动螺旋和微动杠杆来提供微小进刀而切出切片的，它操作方便，而且可以切出较大面积的切片。电子显微镜讲义TEMXX11271.超薄切片机

A.切片机的分类：低温切片机和常温切片机。

B.适用范围：主要用于高分子、生物等样品的制作。电子显微镜讲义TEMXX1127C.超薄切片机使用方法：

a.常温切片机：将样品包埋或制成5mm直径的样条，使用切片机将样品切在水槽内，用微栅捞起即可，用于Tg高于60℃。

b.低温切片机：将弹性样品制成2～2.5mm的样条放入切片机中。待样品、刀、腔室均达到－100℃以下，即可制作样品。电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX1127我们的超薄切片机厂家：美国RMC公司型号：PowertomeXL基本技术参数：切片厚度：1-999nm

切削速度：0.1-49.9mm/sec

切削区域：0-15mm,控制精度0.05mm.电子显微镜讲义TEMXX1127切片之前的准备工作——包埋剂配制、样品渗透和包埋、样品固化。渗透和包埋的目的是使包埋剂逐步渗透入组织细胞内，以便与细胞外的包埋剂同时聚合，保证能切出质量优良的超薄切片。电子显微镜讲义TEMXX1127包埋液的基本要求：1.硬度适宜而且均一,有良好的切割性能，目前通用的包埋剂切割性能都很好。一般来说，Epon和非极性丙烯酸树脂的切割性能要比低粘度的环氧树脂（如Spurr等）以及极性丙烯酸树脂（如LowicrylK4M等）好；2.有足够的低粘度，以保证能自由地渗入样品；3.对样品的伤害不大，聚合前后体积变化不大，环氧树脂聚合前后体积变化不大（体积大约收缩2%），而丙烯酸树脂收缩相对大一些（体积收缩15-20%体积；4.能经受电子束轰击；5.透明度好，高倍电镜下不显示本身任何微细结构；6.毒性低，使用方便，但目前使用的包埋剂在聚合之前都有毒，操作时要注意。电子显微镜讲义TEMXX1127常用包埋剂及配方根据上述对包埋剂的要求，目前在电镜技术上使用的包埋剂种类颇多，主要：1.普遍使用的是环氧树脂，2.丙烯酸树脂(在免疫和细胞化学技术中会使用到)。电子显微镜讲义TEMXX1127电子显微镜讲义TEMXX1127环氧树脂（epoxyresin）环氧树脂是一类具有末端环氧基的甘油多聚酯。它的分子中有两种反应基团，即环氧基团（epoxidegroup）和氢氧基团（hydroxylgroup）。其末端基团易与含有活性氢原子的化合物如胺类（如DMP-30，DMAE，乙二胺等，又称催化剂或加速剂）反应，使单体首尾相连接形成长链聚合物。此外，在单体中的氢氧基团能与有机酸酐（如MNA，DDSA，九烷基琥珀酸酐，NSA等，又称硬化剂或固化剂）结合，使单体分子形成横桥。所以，环氧树脂以单体渗入细胞组织，而这种单体在一定的温度条件下，在硬化剂和加速剂作用下，就形成一个非常耐溶剂和耐化学腐蚀的交链稳定的三维空间聚合体。电子显微镜讲义TEMXX1127为了改善聚合体（包埋块）的切割性能，还会在环氧树脂包埋配方中加入增塑剂，以调节包埋块的韧性。环氧树脂包埋剂对细胞微细结构有较好的保存性能，聚合后体积缩小较少，而且在真空中能经受较长时间的轰击。但它的操作不太方便，反差较弱。环氧树脂的型号较多，常用Epon812，Spurr树脂（ERL-4206）等，电子显微镜讲义TEMXX1127Epon812包埋剂

Epon812是一种进口树脂，它是一种长链的脂肪族环氧化合物，是目前国际上普遍采用的一种优良包埋剂，粘度为150-210cP（在25℃）。该包埋剂的配制方法甚多，但一般都按1961年Luft提出的配方进行。其配方如下：

A液：Epon81262ml;DDSA100mlB液：Epon812100ml;MNA89mlDDSA是十二烷基琥珀酸酐（Dodecenylsuccinicanhydride）的简称。它是一种可得到软性包埋块的长链脂肪族分子。MNA是甲基内次甲基二甲酸酐（MethylNadicanhydride）的简称，又称六甲酸酐，它有两个链环，能获得较硬的包埋块。DMP-30是2，4，6-三（二甲基氨基甲基）苯酚（2，4，6-Tris（dimethylaminomethyl）phenol）的简称。它能加速固化过程。电子显微镜讲义TEMXX1127上述配方若改变A液和B液的比例则可调节聚合块硬度，A液多则软，B液多则硬。通常冬天使用A:B=2:8；夏天使用A:B=1:9，可视组织的硬度和气候不同选择其比例。配制时可先分别配制A液和B液，然后将A液和B液按一定比例混合后，再加入1-2%的加速剂，边加边搅拌，使其充分混合。Epon812的聚合温度为：37℃过夜，60℃24-36小时。在固化之前要使用适度的真空度以排除样品和溶液中的气体。为了方便操作，也有人将Epon812，DDSA，MNA三种成分按一定比例直接混合使用。电子显微镜讲义TEMXX1127根据南方地区的气候条件，可用下列配方：

Epon81251mlDDSA12mlMNA37mlDMP-301.8-2ml聚合条件&室温过夜，60℃8-12h电子显微镜讲义TEMXX1127Spon812是环氧树脂配方“EPON812”直接的替代品，是电子显微镜领域最广泛使用的埋封树脂。它既是埋封生物组织材料,又可埋封固体催化剂或其它塑料样品。Spon812树脂在固化状态下对四氧化锇具有相当的惰性，所以在生命科学和材料学应用中经常被用于四氧化锇的染色。目前市场能够买到的是SPON812套装。电子显微镜讲义TEMXX1127Spurr树脂（ERL-4206包埋剂）

这是1969年由Spurr推荐使用的包埋剂，所以也称Spurr树脂。它含有两个环氧基，是一种低粘度（25℃时，7-10cP）的环氧树脂。由于具有粘度低的特点，所以近年来一些实验室已开始使用它。其配方可按表{chap5Spurr}中各种成分的比例，即可获得不同性能的包埋块。其配方如下：

Spurr树脂包埋剂配方成分（g）标准硬度硬软快速聚合配方缓慢聚合配方VCD10.010.010.010.010.0DER-7366.04.07.06.06.0NSA26.026.026.026.026.0DMAE0.40.40.41.00.2聚合时间70℃（h）888316混合时间（天）3-43-43-427电子显微镜讲义TEMXX1127VCD是二氧化乙烯环己烯（vinylcyclohexenedioxide）的简称。它的分子小，粘度低，聚合块硬度大。DER-736是diglycidyletherofapolypropyleneglycol的简称。它属于脂肪族，分子小，有低粘度性质，可调节包埋块的硬度。NSA是nonenylsuccinicanhydride的简称。它是一种特殊的硬化剂，应避免暴露在潮湿的大气中，以防环氧或酐链的水解作用。DMAE是dimethylaminoethanol的简称。它是催化剂，增加催化剂的比例，可以缩短聚合的时间。电子显微镜讲义TEMXX1127Spurr树脂最终硬度可用DER-736的量来调节。配制时，先把前三种成分混合后，最后才加入DMAE，但从开始到混合完成，达到淡黄色状态需3-7天。此包埋剂在70℃，一般8小时即可完全聚合，用陈旧的包埋剂时，则聚合时间会减少。因Spurr树脂嗜氧，聚合时不要加盖。包埋剂最好是用新鲜配制，但为了方便，可预先配制好保存在低温和防潮的环境中。Spurr树脂与Epon812树脂相比粘度低，操作方便，但毒性比Epon812树脂大，所以操作时要更加小心，此外，Spurr树脂各成分间的分子量大小差异较大，在组织中的渗透速度不一，容易个别成分造成渗透不均，而导致局部聚合不完全，染色效果不佳。电子显微镜讲义TEMXX1127丙烯酸树脂（acrylicresin）

丙烯酸树脂无色透明的，由丙烯酸衍生物聚合而成。丙烯酸单体粘度低，可以在低温下渗透及聚合，因而能满足免疫和细胞化学技术低温操作的要求。其聚合方式有两种，热聚合和紫外线照射聚合。但它对脂类等成分的抽提比环氧树脂严重，为此它也需要在较低的温度下使用才可能减少抽提作用。此外，聚合前后丙烯酸树脂的体积变化较环氧树脂大（体积大约收缩10-20%），并且它在电子束的照射下稳定性比环氧树脂低，放热的聚合过程可引起组织细胞结构的损伤，致敏性也比环氧树脂强，使用时要小心防护。一般来说，除了免疫和细胞化学技术外，超微结构的研究并不推荐使用它。在电镜中使用较多的丙烯酸树脂有伦敦白胶（LRWhite）和Lowicryl系列的树脂。电子显微镜讲义TEMXX1127在电镜中使用较多的丙烯酸树脂有伦敦白胶（LRWhite）和Lowicryl系列的树脂。丙烯酸单体粘度低，可以在低温下渗透及聚合，因而能满足免疫和细胞化学技术低温操作的要求。其聚合方式有两种，热聚合和紫外线照射聚合。它对脂类等成分的抽提比环氧树脂严重，为此它也需要在较低的温度下使用才可能减少抽提作用。此外，聚合前后丙烯酸树脂的体积变化较环氧树脂大（体积大约收缩10-20%），并且它在电子束的照射下稳定性比环氧树脂低，放热的聚合过程可引起组织细胞结构的损伤，致敏性也比环氧树脂强，使用时要小心防护。一般来说，除了免疫和细胞化学技术外，超微结构的研究并不推荐使用它。电子显微镜讲义TEMXX1127伦敦白胶（LRWhite）

伦敦白胶含有7种不同的丙烯酸单体和2种增塑剂，引发剂是BPO（dibenzoylperoxide），加速剂为N，N-dimethylparatoluidine，但具体的配方和成分没有报道。它的粘度低，渗透能力强，可用于较大的组织块或致密的组织，由于它有一定的亲水性，方便水性染料进入，染色效果佳，使用非常方便，通常买回来的是已经混合好的试剂，但由于BPO已经加入，必须一直保存在4℃中，以防其自发聚合，即便这样，它的有效期仅为12个月。伦敦白胶可以微溶于水，因而可以采用部分脱水方案，但不能使用丙酮作为脱水剂。氧气会抑制聚合反应的进行，因而聚合时要在模块中注满包埋剂并盖紧盖子。此外，伦敦白胶不能在-15℃以下的温度使用。为了方便运输和储存，也有未加BPO的伦敦白胶（uncatalysedLRWhite）出售，这种试剂需要加入催化剂（9.9g催化剂/500gLRWhite）充分搅拌并室温放置24小时以上才能使用。充分混合的包埋剂同样保存在4℃中，一旦加入催化剂后，它的有效期便为12个月。电子显微镜讲义TEMXX1127Lowicryl系列包埋剂

Lowicryl系列包埋剂是专为低温（-20℃以下）包埋设计的包埋剂。它有两种类型：一种是极性树脂，K4M（最低渗透温度为-30℃，最低聚合温度为-50℃）和K11M（最低渗透温度为-60℃，最低聚合温度为-60℃）；另一种是非极性树脂，HM20（最低渗透温度为-50℃，最低聚合温度为-50℃）和HM23（最低渗透温度为-80℃，最