电子显微技术全介绍

1、1,电子显微技术,2,第一章: 引言,电子显微镜（electron microscope）: 利用电子束对样品放大成像的显微镜,简称电镜. 肉眼分辨率: 0.1 mm 光学显微镜的放大倍率不过几千,其分辨率在理论上不能小于0.2微米,这是因为受光波波长的局限, 即可见光的波长不能小于4000埃。即光学显微镜分辨率: 0.4m = 0.2 m 为此，它促使人们去寻找更短波长的照明物质。,3,根据波动学说，运动着的电子可以看作是一种电子波。电子运动的速度越高，电子波的波长越短。例如受200千伏高压加速的电子，其波长仅为0.025埃。这表明电子是一种理想的新光源。 此外,20世纪2030年代,证实了

2、轴对称分布的电磁场具有能使电子束偏转、聚焦的作用，从而找到了相当于光学显微镜中的透镜电子透镜。这就是具有高分辨率的电子显微镜产生的基础。 电子显微镜分为透射电镜和扫描电镜两大类,1.1 电镜发展史,4,发展方向,70年代以来，电镜的发展主要在：不断提高分辨率，以求观察更精细的物质结构、微小的实体以至单个原子；研制超高压电镜和特殊环境的样品室，以研究物体在自然状态下的形貌及动态性质；研制能对样品进行综合分析（包括形态、结构和化学成分等）的设备。,5,高分辨电镜,高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高分辨像.这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的投影,因此又称为结构像。加速电压

3、为100kV或高于100kV的透射电镜(或扫描透射电镜),只要其分辨本领足够的高,在适当的条件下,就可以得到结构像或单原子像.从用100kV,500kV和1000kV电镜所观察到的原子排列很接近理论预言的情况,也和X射线,电子衍射分析结果相近.,6,超高压电镜,一般将加速电压大于500kV的SEM称为超高压电镜.现世界上已出现3000kV的超高压电镜.(1)可观察较厚的样品.提高加速电压,亦即提高了电子的穿透能力,可以在观察较厚样品时也能达到很高的分辨本领(超高压电镜的分辨本领目前已达到甚至超过了100kV电镜的水平).这使利用SEM观察无机非金属材料薄膜样品成为可能. (2) 可观察活样品或

4、含水样品.具体做法是用一个环境室代替普通样品台.前者是一个薄壁容器,一侧可通大气.超高压电镜的电子束能量大,所以能穿透环境室的两道薄壁和样品而成像.这样,人们可以随时观察该样品的水化情况.(3) 可提高暗场像的质量.超高压电镜中衍射束和光轴的夹角很小,当移动物镜光阑使衍射束通过以获得暗场像时,成像束的像差比在100kV的情况下要小得多,所以能改善暗场像的质量.,7,任何一种电镜加上能做元素分析的附件就称为分析电镜,如透射电镜或扫描透射电镜加X射线能谱仪或者能量损失谱仪,甚至有人将带有波谱仪或能谱仪的扫描电镜也称为分析电镜. 另外,在电镜的发展过程中,人们还致力于发展电镜的各种附件,仅样品台一项

5、就近十种,譬如有拉伸,高温,低温,压缩,弯曲,压痕以及切削等样品台.将这些样品台装在电镜中,就可以将材料表面结构的显微研究与在加载,变温条件下材料的宏观性能测试结合起来,为材料的强度与断裂的基本理论和应用研究展现出令人鼓舞的前景,分析电镜,8,低真空扫描电镜 (含环境扫描电镜),低真空扫描电镜包括环境扫描电镜(后者缩写为ESEM).低真空扫描电镜是指其样品室外于低真空状态下,气压可接近3kPa.它的成像原理基本上与普通扫描电镜一样,只不过普通扫描电镜样品上的电子由导电层引走;而低真空扫描电镜样品上的电子被样品室内的残余气体离子中和,因而即使样品不导电也不会出现充电现象.低真空扫描电镜的机械构造

6、除样品室的真空系统和光栏外,与普通扫描电镜基本上是一样的.所以它的工作原理除样品室内的电离平衡外,也和普通扫描电镜相差无几.低低真空扫描电镜既可在低真空下工作,也可在高真空下工作.带有场离子发射电子枪的环境扫描电镜在低真空下的分辨本领已达到普通扫描电镜高真空下操作时的水平.(1)可在气相或液相存在的环境中观察样品,避免干燥损伤和真空损伤(2)可连续观察材料反应动力学过程,1.2 电子与物质的相互作用,10,入射电子 = 背散射电子+ 二次电子 + 透 射电子 + 吸收的电子 1、背散射电子是入射电子 进入试样被表层原子散 射后又从原表面反射出 来的电子。包括弹性散 射（入射电子与样品原子 核的

7、碰撞，无能量损失，只改变 方向）和非弹性散射 （入射电子与样品原子核外电子 的碰撞，既有能量损失，又改变方向） 的电子。 入射电子的路径,11,2、 二次电子是入射电子在单电子激发（入射电子将固体中的电子击出原子系统，使原子电离）过程中被入射电子轰击出试样的电子。二次电子能量很小，一般小于50电子伏特。绝大部分来自价电子激发。 3、透射电子：对于薄试样（厚度小于0.1um), 入射电子可透过试样。透射电子包括弹性散射电子和非弹性散射电子。 4、吸收电子：有一部分入射电子进入试样后，经过多次非弹性散射，能量耗尽，被试样吸收，这些电子称为吸收电子。,12,特征X射线：入射电子激发原子的内层电子，使

8、原子处于激发态或者离子态，它有恢复到低能的基态的趋势。其中一种方式是外层电子跃迁到内层电子的电子空位，同时以X射线的形式释放能量。这种X射线称为。 不同物质产生的特征X射线的波长不同电子探针微区分析的基础。 特征X射线的产额随物质的原子序数的增加而增加，所以电子探针分析适合重元素而不适合轻元素分析。,13,俄歇电子：原子从激发态转变到基态释放能量的另一种方式是外层电子跃迁到内层电子的电子空位的同时，将多于的能量传给另一外层电子，使其脱离原子系统，这种电子称为俄歇电子。 能量：EKL2L3 = EK EL2 EL3 K壳层的电子空位被 L2壳层的电子填充，使 L3壳层的电子逸出试样成为俄歇电子。

9、 俄歇电子的产额随物质的原子序数的增加而减少，所以俄歇电子能谱特别适合轻元素分析。,14,阴极荧光：有些物质在高能电子束的轰击下会发出可见光，称为。 它是电子跃迁过程释放能量的一种形式，不过能量较小，波长在可见光的范围内。它是价电子跃迁释放出的， 所以能量小。 阴极荧光的波长不但与基体物质有关，还与杂质原子有关。 可用阴极荧光观察晶体内的缺陷。,15,电子与试样作用产生的信息,透射电子透射电子显微镜（TEM） 扫描透射显微镜（STEM） 电子衍射（电子衍射分析） 二次电子扫描电子显微镜（SEM） 特征X射线X射线能谱仪（EDS） X射线波谱仪（WDS） 低能电子衍射仪（LEED） 电子探针（E

10、P） 俄歇电子俄歇电子能谱仪（AES） 荧光（阴极发光）光谱分析,16,1.3 其它,各种电镜与光学显微镜参数比较表,17,荣誉,发明电镜的E. RUSKA, 与发明扫描透射电镜(STM)的 G. BINNING 和G.ROHRER共同获得了1986年诺贝尔物理奖. 生产厂家: 日本JEOL, 日立 荷兰飞利浦 欧洲LEO 美国AMRAY,18,2.1 TEM成像原理 当一束电子e（入射e）照射到并穿过试样 时，会发生散射作用： 弹性散射：入射e与m很大（与e的m相比）的原子核碰撞，几乎无能量损失，但明显改变方向。 非弹性碰撞：入射e与试样原子的核外e碰撞，因m相同，会发生能量重新分配，会改变

11、运动方向和运动速度。 两种散射中，以非弹性碰撞为主,第二章 透射电镜,19,成像原理,假如试样某个区域存在电子密度差，入射e在通过试样时，会对入射e产生不同的散射能力，打在荧光屏上就会显示出暗、亮程度不同的部分，由这些暗、亮程度不同的部分构成的像，称为电子成像。 暗亮程度不同（衬度）成像反差由试样某个区域存在电子密度差引起。,20,2.2 造成电子密度差的原因,试样的厚度不同：对组成完全均质的试样，试样中的某个区域若厚度变化大，可引起电子电子密度差。 聚集态：晶相的电子密度比非晶相的大。 试样的组成：原子序数大的元素比原子序数小的电子密度大。 只有足够大的电子密度差，才能使入射e产生足够大的散

12、射差别（或成像差别），才能在荧光屏上显示出以肉眼辨认的图像。,21,一般，在较低放大倍数时，由散射作用引起的反差（质量反差）起主要作用；在放大倍数高时，由于损失部分能量而造成运动速度减慢引起的相位的变化，进而引起的相位反差占主要。,22,增强电子密度差的方法(染色）,染色： 给特定的结构引入重原子而改变衬度（反差）的方法。 正染色：对感兴趣的区域染色，使之在电镜下成为黑色。 负染色：通常对乳液。即让颗粒以外的基底染色变黑。 染色剂：OsO4， RuO4 等。 OsO4染色剂：对含不饱和键的聚合物，可同时起到交联固化和染色的作用。非晶区对OsO4物理吸收多而增加了电子密度变黑，晶区则白一些。AB

13、S， SBS， HIPS， HIPVC等用OsO4染色。具体可用OsO4蒸汽或其水溶液与其反应，使其带上重金属原子。由于重金属原子的电子密度大，反应后，可使试样内部的电子密度差增大。,23,RuO4染色剂：可染色PP， PS， 聚酯，聚碳酸酯，聚苯醚，环氧树脂，聚丁二烯等许多饱和与不饱和的高分子。它倾向于对表面层染色，即与晶片的表面作用，而不像OsO4先与非晶区作用。 试样中所有组分化学结构都不含CC双键，可设法适用化学、物理方法，使有关组分产生CC双键结构或其它可与重金属化合物起反应的活性基团，再进行下一步处理。 对于半结晶聚合物，利用晶相与非晶相结构上的差异，通过用重金属盐溶液浸渍的方法。

14、非晶相结构较晶相的疏松，可让重金属离子渗入。,24,2.3 TEM的分辨本领,分辩本领0.61/nsin 电子束的波长 V加速电压，一般电镜用40200kV，0.0060.009nm； n介质的扩散系数； 入射电子束的孔径角。 约为波长的1/2，按理TEM可达到很高的分辨率。近年技术已能达到0.1nm水平。,25,电子透镜的缺陷和理论分辨距离 电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨 距离，对电镜分辨本领起作用的是球差、象散和色差。 1） 球 差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力 不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的 多，以致两者不交在一点

15、上，结果在象平面成了一个满散圆斑，半 径为 还原到物平面，则 为球差系数，最佳值是0.3 mm 。 为孔径角，透镜分辨本领随 增大而迅速变坏。,26,P,象,P,透镜,物,P,光轴,图2-1（a） 球差,27,2）象差 磁场不对称时，就出现象差。有的方向电子束的折射比别的 方向强，如图1-5（b）所示，在A平面运行的电子束聚焦在Pa点， 而在B平面运行的电子聚焦在Pb点，依次类推。 这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半 径为 还原到物平面 为象散引起的最大焦距差； 透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不 对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的 电

16、磁消象散器来校正。,28,平面B,PA,透镜平面,物,P,光轴,PB,fA,平面A,图2-1（b）象散,29,3）色差 电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜的焦距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为 是透镜的色差系数，大致等于其焦距， 是电子能量的变化率。 引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色散。,30,能量为E的 电子轨迹,象1,透镜,物,

17、P,光轴,图2-1（c） 色差,能量为E- E的 电子轨迹,象2,31,在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正，而其它象差，可以通过一些方法消除,PAY ATTENTION,32,4）理论分辨距离 光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射，而象差基本上 可以消除到忽略不计的程度，因此，分辨本领主要取决于衍射。 电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，球差和象差就 会很大，但可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领， 但不能过小。 显微镜的分辨极限是 电镜情况下， ， 因此 可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变坏，这就是说，光阑的最 佳尺寸应该是球差和衍

18、射两者所限定的值,33,相对应的最佳光阑直径 式中的f 为透镜的焦距。将 代入（1-15）可得 目前，通用的较精确的理论分辨公式和最佳孔径角公式为 将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜 提高了一千倍左右。,34,TEM三要素,分辨率：提高加速电压；增大孔径角，分 辨率提高。 放大倍数：等于肉眼分辨率（约0.2mm）除以电镜分辨率（约0.2 nm），因而在106以上。 衬度：又称反差。亮和暗的区别。由电子密度差决定。,35,2.4 电子透镜的场深和焦深 电子透镜分辨本领大，场深（景深）大，焦深长。 场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴 可移动的距离，或者说试

19、样超越物平面所允许的厚度。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离， 或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。 这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。 场深的关系可以从图1-6推导出来。在 的条件下，场深 如 埃， 弧度时， 大约是1400埃，这就是说， 厚度小于1400埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透 镜场深大，电子透镜广泛的应用在断口观察上。,36,2MX,R,L2,L1,Qi,2X,Q,Df,透镜,象平面,图2-4 场深示意图,37,图2-4是焦深的示意图。由图可以看出， 由于 ，

20、即 所以 这里的M是总放大倍数。可见，焦深是很大的。例如， ， 埃时， 米。当然，这一结果只有在 时 才是正确的，即便如此，所得的 也是很大的。因此，当用倾斜 观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时， 所拍照的象依然是清晰的。,38,屏,透镜,L1,L2,Df,2d最小 M,图2-4焦深示意图,39,2.5 电镜的主要结构 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为23 埃，电压为 100500kV，放大倍数501200000倍。由于材料研究强调综合 分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫 描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为 微观形貌观察、

21、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析 电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具 有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，有 附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取 短焦距，低分辨时采取长焦距。 我们这里先看一看一些电镜的外观图片，再就电镜共同的结 构原理和日趋普及的分析电镜的有关部分做一介绍。,40,日本日立公司H700 电子显微镜，配有双倾台 ，并带有7010扫描附件和 EDAX9100能谱。该仪器 不但适合于医学、化学、 微生物等方面的研究，由 于加速电压高，更适合于 金属材料、矿物及高分子 材料的

22、观察与结构分析， 并能配合能谱进行微区成 份分析。, 分 辨 率：0.34nm 加速电压：75KV200KV 放大倍数：25万倍 能 谱 仪：EDAX9100 扫描附件：S7010,41,42,43,44,组成：机械结构部分（镜筒）、供电系统、真空系统 供电系统：保证电镜所有用电部分的供电。包括 （1）高压电源 （2）阴极灯丝加热电源 （）电磁镜电流电源（）真空系统电源（）辅助电源（自动控制系统，指示灯，照明等）。要高度稳定。 真空系统：镜筒内必须保持高真空，防止电子束与空气分子碰撞，高压放电，灯丝氧化，试样污染等真空度要求： 帕，由机械泵（帕）和油扩散泵（帕）联合抽气达到。 镜筒：包括照明系

23、统，样品室和成像系统，观察和记录系统,透射电镜的组成,45,照明系统,样品室,成像系统,观察和 记录系统,灯丝（钨丝）,栅极,加速阳极,第一磁聚光镜,第二磁聚光镜,样品,物镜光阑,磁物镜,中间镜,第一磁投影镜,第二磁投影镜,荧光屏底片,照相机,透射电镜电子光学部分（镜筒）结构示意图,光路几何作图原则: 所有平行于主光轴的射线,经过透镜后都会聚于透镜的后焦点. 所有通过透镜中心的射线,都将保持原来的方向而不发生折射. 所有通过透镜前焦点的射线,经过透镜后都平行于主光轴.,镜筒结构,电子枪,聚光镜,46,光学显微镜和电镜光路图比较,请看下页,47,光源,中间象,物镜,试样,聚光镜,目镜,毛玻璃,电

24、子镜,聚光镜,试样,物镜,中间象,投影镜,观察屏,照相底板,照相底板,48,电镜一般是电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。 1 . 电子光学系统 从结构上看，和光学透镜非常类似。 1）照明部分 （1）阴极：又称灯丝，一般是由0.030.1毫米的钨丝作成V 或Y形状。 （2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是 阳极接地，阴极带有负高压。 （3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的 亮度。 阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，人们 习惯上把它们通称为“电子枪”。 （4）聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用， 电子束穿过阳极小孔后，又逐

25、渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光 镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发 散的电子会聚起来的作用。,49,阴极（接 负高压）,控制极（比阴极 负1001000伏）,阳极,电子束,聚光镜,试样,图2-5 照明部分示意图,50,2）成象放大部分 这部分有试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成。 （1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过 试样台承载试样，移动试样。 （2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点 同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构 信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性 散射束会聚于其象平面上，构成

26、与试样组织相对应的显微象。投射 电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。 物镜的最短焦距可达1毫米，放大倍数约为300倍，最佳分辨本 领可达1埃，目前，实际的分辨本领为2埃。 为了减小物镜的球差和提高象的衬度，在物镜极靴进口表面和 物镜后焦面上还各放一个光阑，物镜光阑（防止物镜污染）和衬度 光阑（提高衬度） 在分析电镜中，使用的皆为双物镜加辅助透镜，试样置于上下 物镜之间，上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作用，辅助透 镜是为了进一步改善场对称性而加入的。,51,电场对电子的作用与凸透镜对光线的作用一样。 静电透镜用来使电子枪中的阴极发射出的电子聚成很细的电子束，不是用来成像。,磁场对电子的

27、作用：短螺线圈产生非均匀磁场，具有透镜的特性。称为磁透镜。用来成像。 调节磁透镜线圈电流，可以改变磁场强度，焦距和放大倍数也随之改变。所以，放大倍数受透镜线圈的电流控制。,52,磁场沿磁透镜的轴向分布,磁透镜特点：产生强而集中的磁场,极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的间隔h内，h可以小到1mm左右,53,2.6 TEM的制样技术,样品要求 稳定、不挥发 很薄（？），3070nm 有足够大的电子密度差（？） 制样方法 超薄切片法：适用于硬度不很大的试样 直接切片法：样品尺寸足够大 包埋-切片法：样品尺寸太小或极小 浇铸成膜法：适用于可溶性高分子 悬浮分散法：适用于胶乳、微粒（粉体） 复型“投影”法：

28、适用于质地坚硬不易切片和溶液成 膜的样品，或想用TEM来观察试样表面形貌时。,54,( 1）超薄切片 通常以锇酸和戊二醛固定样品，以环氧树脂包埋，以热膨胀或螺旋推进的方式推进样品切片，切片厚度2050nm，切片采用重金属盐染色，以增大反差。 莱卡超薄切片机,55,(2）负染技术 负染就是用重金属盐（如磷钨酸、醋酸双氧铀）对铺展在载网上的样品进行染色；吸去染料，样品干燥后，样品凹陷处铺了一薄层重金属盐，而凸的出地方则没有染料沉积，从而出现负染效果分辨力可达1.5nm左右。 肌动蛋白纤维的负染电镜照片,56,(3）冰冻蚀刻 冰冻蚀刻（freeze-etching）亦称冰冻断裂（freeze-fra

29、cture）。标本置于-100C的干冰或-196C的液氮中，进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华，暴露出断面结构，称为蚀刻（etching）。蚀刻后，向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂，再以90度角喷涂一层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。,57,2.7 TEM的应用,58,金（001）取向的高分辨TEM照片。图中主要的正方型点阵的间距为0.204nm，而左上角部分的点阵间距只0.09nm。照片是用0.24nm点分辨率的Te

30、cnai F20 s-Twin 拍摄的。Bar1nm,电子显微学报，2004，23（4）：293297,59,甲酸镍与BMImBF4 250 反应2h生成的镍粉末,60,酶处理36h后遭破坏的角质层x3500,酶处理36h后表皮细胞核变空宋x3500,酶处理72h后原纤维横纹结构x3500,酶处理72h后原纤维端面x3500,酶作用下猪皮和基膜结构的变化,王英梅等. 陕西科技大学学报，2004，22（3）：3340,61,郑波，储昭琴. 电子显微学报，2004，23（4）：37,未改性的制备态的nmSiO2 （Bar50nm）,丙烯酰胺：丙烯酸丁酯2：1 改性的nmSiO2（Bar50nm）,

31、纳米SiO2的TEM照片,62,透射电镜的缺点,样品制作过程复杂，对样品要求高 样品厚度要低于100nm 由于其支持网为铜网，样品有一部份被遮住，不能实现样品所测区域的连续观察。 相对于扫描电镜景深浅，观测的区域小。,63,电子束具有波动性，因此可利用电镜进行电子衍射分析。透射束和衍射束。 用电镜对一个薄试样进行照相时，无论试样是晶体或非晶体，也无论是合成材料还是天然材料，如果它在荧光屏上成像，那么在物镜后焦面上就形成衍射谱。 非结晶试样的衍射谱：很少数的漫散射环 结晶试样的衍射谱：许多敏锐的衍射环或斑点。由衍射斑点的位置、排列、衍射斑点的大小、强度等可得到晶体结构的信息。,2.8 透射电镜中

32、的电子衍射,64,电子衍射与X射线衍射比较 电子衍射 X射线衍射,衍射的几何学： 物理本性： 原子序数与散 射强度的关系： 衍射强度： 衍射角： 穿透能力：,都遵循劳埃方程或布拉格方程 晶体内部静电场的 晶体电子密度分布 分布（？） （？） 与原子序数的4/3 与原子序数的平方 方成正比。 成正比。 比X射线衍射强（？） 比电子衍射弱（？）， 试样厚度 试样厚度1mm，曝光 曝光时间以秒、 时间以小时计。 分计。 比X射线衍射小得多 比电子衍射大 弱 强,65,扫描电镜的成像原理,和透射电镜大不相同,它不用什么透镜来进行放大成像,而是象闭路电视系统那样,逐点逐行扫描成像.由三极电子枪发射出来的

33、电子束,在加速电压作用下,经过2-3个电子透镜聚焦后,在样品表面按顺序逐行进行扫描,激发样品产生各种物理信号,如二次电子,背散射电子,吸收电子,X射线,俄歇电子等.这些物理信号的强度随样品表面特征而变.它们分别被相应的收集器接受,经放大器按顺序,成比例地放大后,送到显像管.供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源,此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描. 因此,样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的.,第三章 扫描电子显微镜3.1 SEM成像原理,66,SEM成像所利用的是二次电子信号。 二次电子: 指入射电子束从样品表

34、层(约10 nm) 激发出来的低能电子(50eV以下)。 在一定能量的入射e的作用下，二次电子产生（或发射系数）主要取决于： 试样本身； 同一试样时，试样的表面形貌； 入射电子的入射角度。 当入射电子与试样中接近表面部分相互作用时，激发出的二次电子的几率大得多。由于试样表面的不同部位（或点）上电子束的入射角度不同，而使不同部位（或点）具有不同的二次电子激发能力，导致接收荧光屏的对应位置出现不同的亮度，也即形成了图像的反差。,67,特点,(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm80mm50mm。 (二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。 (三) 样品可以在样品室中作三度空间

35、的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察 。(四) 景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。 (五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。 (六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。,68,SEM的分辨率,激发原子的外层电子发出的电子，它的能量小，约为050eV。 发射区为试样表面50100A的深度范围，这是电子束在试样中尚未扩展，所以发射二次电子的区

36、域和电子束入射时的 相当，所以二次电子像的分辨较高，约510nm。,69,SEM的分辨本领影响因素,（1) 入射电子束束斑直径 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限.热阴极电子枪的最小束斑直径6nm,场发射电子枪可使束斑直径小于3nm.,70,（2) 入射束在样品中的扩展效应 电子束打到样品上,会发生散射,扩散范围如同梨状或半球状.入射束能量越大,样品原子序数越小,则电子束作用体积越大。二次电子信号在5-10nm深处的逸出,吸收电子信号,一次X射线来自整个作用体积.这就是说,不同的物理信号来自不同的深度和广度. 入射束有效束斑直径随物理信号不同而异,分别等于或大于入射斑的尺寸.因此,用不

37、同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领.二次电子扫描象的分辨本领最高,约等于入射电子束直径,一般为6-10nm,背散射电子为50-200 nm,吸收电子和X射线为100-1000nm.影响分辨本领的因素还有信噪比,杂散电磁场和机械震动等.,71,一般来说，加速电压提高，电子束波长越短，理论上，只考虑电子束直径的大小 ，加速电压愈大，可得到愈小的聚焦电子束，因而提高分辨率，然而提高加速电压却 有一些不可忽视的缺点： A. 无法看到样品表面的微细结构。 B. 会出现不寻常的边缘效应。 C. 电荷累积的可能性增高。 D. 样品损伤的可能性增高。 因此适当的加速电压调整，才可获得最清晰的影像。,72

38、,3.2 结构组成,扫描电镜由六个系统组成(1) 电子光学系统(镜筒) (2) 扫描系统(3) 信号收集系统 (4) 图像显示和记录系统(5) 真空系统(6) 电源系统,1)电子光学系统(镜筒)由电子枪,聚光镜,物镜和样品室等部件组成.它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高,直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品,使样品产生各种物理信号. (2) 扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件,它由扫描发生器和扫描线圈组成.它的作用是:1) 使入射电子束在样品表面扫描,并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描;2) 改变入射束在样品表面的扫描振幅,从而改变扫描像的放大倍数.,73

39、,电子枪的改进和发展,钨丝 六硼化镧（LaB6）和场发射电子枪（高分辨）,（离子泵抽气）,74,场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍，同 时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都 采用场发射式电子枪，其分辨率可高达 1nm 以下。 场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式(cold field emission , FE)，热场发 射式(thermal field emission ,TF)，及萧基发射式(Schottky emission ,SE) 当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会

40、有可观数量的电 子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效 应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接穿隧通过此狭窄能障并离开 阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细而又具高电流密 度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍，或甚至千倍。,场发射电子枪（TEM和SEM）,75,场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴 极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一 组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静 电场，能对电子产生聚焦效果，所

41、以不再需要韦氏罩或栅极。第一(上)阳极主要是改 变场发射的拔出电压(extraction voltage)，以控制针尖场发射的电流强度，而第二 (下)阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。 要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子 或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发 射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格 极为高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否则较少采用场发射电子枪。 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能 量散布最小，故能改善在低电压操

42、作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场 发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在10-10 torr的真空度下操 作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing)，以去除 所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。,76,热场发式电子枪是在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表 面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较 差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷 式大35倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。 萧基发射式的操作温度为180

43、0K，它系在钨(100)单晶上镀ZrO覆盖层，ZrO将功函 数从纯钨的4.5eV降至2.8eV，而外加高电场更使电位障壁变窄变低，使得电子很容易 以热能的方式跳过能障(并非穿隧效应)，逃出针尖表面，所需真空度约10-810-9torr 。其发射电流稳定度佳，而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小，仅稍逊于 冷场发射式电子枪。其电子源直径比冷式大，所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一 点。 场发射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速电压15kV时，分辨率可达到1nm ，加速电压1kV时，分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放 大倍率可到200000倍，实际操作时

44、，大部份均在20000倍时影像便不清楚了，但如果 样品的表面形貌及导电度合适，最大倍率650000倍是可以达成的。,77,(3) 信号收集系统扫描电镜应用的物理信号可分为:1) 电子信号,包括二次电子,背散射电子,透射电子和吸收电子.吸收电子可直接用电流表测,其他电子信号用电子收集器;2) 特征X射线信号,用X射线谱仪检测;3) 可见光讯号(阴极荧光),用可见光收集器.常见的电子收集器是由闪烁体,光导管和光电倍增管组成的部件.其作用是将电子信号收集起来,然后成比例地转换成光信号,经放大后再转换成电信号输出(增益达106),这种信号就用来作为扫描像的调制信号. 收集二次电子时,为了提高收集有效立

45、体角,常在收集器前端栅网上加上+250V偏压,使离开样品的二次电子走弯曲轨道,到达收集器.这样就提高了收集效率,而且,即使是在十分粗糙的表面上,包括凹坑底部或突起外的背面部分,都能得到清晰的图像. 当收集背散射电子时,由于背散射电子能量比较高,离开样品后,受栅网上偏压的影响比较小,仍沿出射直线方向运动.收集器只能收集直接沿直线到达栅网上的那些电子.同时,为了挡住二次电子进入收集器,在栅网上加上-250V的偏压.现在一般用同一部收集器收集二次电子和背散射电子,这通过改变栅网上的偏压来实现.将收集器装在样品的下方,就可收集透射电子.,78,(4)图像显示和记录系统这一系统的作用是将信号收集器输出的

46、信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化,这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像,同时用照相方式记录下来,或用数字化形式存储于计算机中.(5)真空系统(6)电源系统扫描电镜的真空系统和电源系统的作用与透射电镜的相同.,79,3.3 SEM的制样技术,导电材料：直接观察，不需特别处理； 非导电材料：需要喷镀金属膜。因为 （1）构成此类材料如有机聚合物材料的化学元素的二次电子发射效率低，不利于成像； （2）即使有足够的二次电子发射能力，也因导电能力低，实验过程会积聚电荷，造成放电现象，不利于观察。 要求：薄、连续。 方法：普通真空镀膜：多用Ag、

47、Au或Au/Pd合金喷镀。 镀C/金复合膜：用于形貌复杂的表面。 离子喷镀：最常用。,80,生物样品? 一样品的初步处理 (一) 取材取材的基本要求和透射电镜样品制备相同，对扫描电镜来说，样品可以稍大些，面积可达8mm8mm，厚度可达5mm。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可固定在滤纸或卡片纸上，以充分暴露待观察的组织表面。,81,(二) 样品的清洗,用扫描电镜观察的部位常常是样品的表面，即组织的游离面。由于样品取自活体组织，其表面常有血液、组织液或粘液附着，这会遮盖样品的表面结构，影响观察。因此，在样品固定之前，要将这些附着物清洗干净。清洗的方法有以下几种：1用等渗的生理盐水或缓冲液清

48、洗；2用5%的苏打水清洗；3用超声震荡或酶消化的方法进行处理。例如清洗肠粘膜表面的粘液，可用下面的方法：清洗液配方：透明质酸酶 300 (g糜蛋白酶 10 mg生理盐水 100 ml清洗液的pH为5.56。清洗的方法是将样品浸泡在配好的清洗液中，边浸泡边震荡30分钟，最后用双蒸水洗3次。无论用哪种清洗方法，注意在清洗时不要损伤样品,82,(三) 固定 固定所用的试剂和透射电镜样品制备相同，常用戊二醛及锇酸双固定。由于样品体积较大，固定时间应适当延长。也可用快速冷冻固定。 (四) 脱水样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮脱水，然后进入中间液，一般用醋酸异戊酯作中间液。,83,扫描电镜观察样品要

49、求在高真空中进行。无论是水或脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影响真空度、污染样品，还会破坏样品的微细结构。因此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。干燥的方法有以下几种：,二样品的干燥,84,(一) 空气干燥法 空气干燥法又称自然干燥法，就是将经过脱水的样品，让其暴露在空气中使脱水剂逐渐挥发干燥。这种方法的最大优点是简便易行和节省时间；它的主要缺点是在干燥过程中，组织会由于脱水剂挥发时表面张力的作用而产生收缩变形。因此，该方法一般只适用于表面较为坚硬的样品。,85,(二) 临界点干燥法 临界点干燥法是利用物质在临界状态时，其表面张力等于零的特性，使样品的液体完全汽化，并以气体方式排掉

50、，来达到完全干燥的目的。这样就可以避免表面张力的影响，较好地保存样品的微细结构。此法操作较为方便，所用的时间也不算长，一般约23小时即可完成，所以是最为常用的干燥方法。但用此法，需要特殊仪器设备临界点干燥仪。,86,(三) 冷冻干燥法 冷冻干燥法是将经过冷冻的样品置于高真空中，通过升华除去样品中的水分或脱水剂的过程。冷冻干燥的基础是冰从样品中升华，即水分从固态直接转化为气态，不经过中间的液态，不存在气相和液相之间的表面张力对样品的作用，从而减轻在干燥过程中对样品的损伤。冷冻干燥法有两种，即含水样品直接冷冻干燥和样品脱水后冷冻干燥。 本方法不需要脱水，避免了有机溶剂对样品成分的抽提作用，不会使样

51、品收缩，也是较早使用的方法。但是，由于花费时间长，消耗液氮多，容易产生冰晶损伤，因此未被广泛应用。,87,冷冻干燥法,2样品脱水后冷冻干燥样品用乙醇或丙酮脱水后过渡到某些易挥发的有机溶剂中，然后连同这些溶剂一起冷冻并在真空中升华而达到干燥。和前一种方法比较，本方法的优点是不会产生冰晶损伤，且干燥时间短。不足之处是有机溶剂对样品成分有抽提作用，造成部分内含物丢失。 乙腈(acetonitrile)真空干燥法：这是一种利用乙腈在急速蒸发时会冷却固化的性质将样品干燥的方法。,88,三样品的导电处理 生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，导电性能也差。用扫描电镜观察时，当入射电子束打到样品上，会

52、在样品表面产生电荷的积累，形成充电和放电效应，影响对图象的观察和拍照记录。因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导电。常用的导电方法有以下几种： (一) 金属镀膜法金属镀膜法是采用特殊装置将电阻率小的金属，如金、铂、钯等蒸发后覆盖在样品表面的方法。样品镀以金属膜后，不仅可以防止充电、放电效应，还可以减少电子束对样品的损伤作用，增加二次电子的产生率，获得良好的图象。,89,1真空镀膜法,真空镀膜法是利用真空 膜仪进行的。其原理是在高真空状态下把所要喷镀的金属加热，当加热到熔点以上时，会蒸发成极细小的颗粒喷射到样品上，在样品表面形成一层金属膜，使样品导电。喷镀用的金属材料应选择熔点低、化学性能稳

53、定、在高温下和钨不起作用以及有高的二次电子产生率、膜本身没有结构。现在一般选用金或金和碳。为了获得细的颗粒，有用铂或用金钯、铂钯合金的。金属膜的厚度一般为10nm20nm。真空镀膜法所形成的膜，金属颗粒较粗，膜不够均匀，操作较复杂并且费时，目前已经较少使用。,90,2离子溅射镀膜法,在低真空(0.10.01乇)状态下，在阳极与阴极两个电极之间加上几百至上千伏的直流电压时，电极之间会产生辉光放电。在放电的过程中，气体分子被电离成带正电的阳离子和带负电的电子，并在电场的作用下，阳离子被加速跑向阴极，而电子被加速跑向阳极。如果阴极用金属作为电极(常称靶极)，那么在阳离子冲击其表面时，就会将其表面的金

54、属粒子打出，这种现象称为溅射。此时被溅射的金属粒子是中性，即不受电场的作用，而靠重力作用下落。如果将样品置于下面，被溅射的金属粒子就会落到样品表面，形成一层金属膜，用这种方法给样品表面镀膜，称为离子溅射镀膜法,91,和真空镀膜法比较，离子溅射镀膜法具有以下优点： (1)由于从阴极上飞溅出来的金属粒子的方向是不一致的，因而金属粒子能够进入到样品表面的缝隙和凹陷处，使样品表面均匀地镀上一层金属膜，对于表面凹凸不平的样品，也能形成很好的金属膜，且颗粒较细。 (2)受辐射热影响较小，对样品的损伤小。 (3)消耗金属少。 (4)所需真空度低，节省时间。,92,(二) 组织导电法用金属镀膜法使样品表面导电

55、，需要特殊的设备，操作比较复杂，同时对样品有一定程度的损伤。为了克服这些不足，有人采用组织导电法(又称导电染色法)，即利用某些金属 溶液对生物样品中的蛋白质?脂类和醣类等成分的结合作用，使样品表面离子化或产生导电性能好的金属盐类化合物，从而提高样品耐受电子束轰击的能力和导电率。此法的基本处理过程是将经过固定、清洗的样品，用特殊的试剂处理后即可观察。由于不经过金属镀膜，所以不仅能节省时间，而且可以提高分辨率，还具有坚韧组织，加强固定效果的作用。,93,图像损坏原因及解决办法,1、喷金效应。喷金时间决定了样品表面金属膜的厚度，一般控制在20nm左右，观察效果较好。 2、荷电效应：除了喷金外，调节图

56、像的参数有利于减少荷电效性。如降低电压、减小电子束的束斑电流、适当倾斜样品等 3、电子束损伤效应和边缘效应：降低电压、减小电子束的束斑电流，缩短电子束对样品的照射时间，在垂直方向上改变样品台的角度等都有效。 4、污染：环境尘埃多，操作不当，高分子样品的分解、发热、起泡等都可致样品污染。样品要制备得当，操作时电子束不能长时间照样品的某一部分，以免产生不明气体。,94,3.4 SEM的应用,95,廖凯荣等.高分子学报，2000，（3):335339,The longitudinal splipt surfaces of (a)PLLA-1 rod and (b)PLLA-3 rod,The fra

57、cture surface,SEM micrographs of the surfaces of(a)PLLA-1 rod and (b)PLLA-3 rod prepared by fibrillated compression molding,96,X 射 线 显 微 分 析,3.5,简称电子探针 。它是利用聚焦得很细的电子束（直径1um），在几十千伏的高电压下照射在试样表面上， 激发出物质的特征 X射线，由探测器接受， 通过X射线谱仪 测量它的波长或能量， 确定被分析区域所含元素。 可以分析从Be （z=4） 到U （z=92） 之间的元素， 分析精度万分之一到万分之五。 与SEM结构相

58、同， 多了一套测量 X射线波长或能量和强度的装置， 称为 X射线谱仪。,97,常规SEM使用：样品要干燥并且在上面喷金 如果样品潮湿、油腻、污秽，具有一定的耐真空力、不导电，怎么办？用 ESEM ESEM的优点：1、保存了SEM的全部优点 2、允许改变电镜样品室的压力、温度及气体成分 不要求样品室高真空 3、样品无需干燥，不导电也可观察 ESEM特点：可在气相或液相存在的环境中观察样品，避免干燥和真空损伤，并可连续观察材料反应的动力学过程。,3.6 环境扫描电镜 （ESEM）,98,ESEM关键技术：克服对样品室的高真空要求；需要一个在非真空环境中仍能起作用的二次电子探头 1、通过在镜筒与样品室之间加装多重限压狭缝以使两者之间出现压力差，从而在保证电子枪、镜筒内部高真空的同时，大幅度降低样品室内的真空度。（压强梯度） 2、设计一个在气体压强较高的环境中仍能正常工作的二次电子