透射电子显微镜的应用-cailiao

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,透射电子显微镜在材料学中的应用,扬州大学测试中心,陈义芳,2008,年,5,月,绪论 电子显微镜技术发展简史,1,电子显微镜发展简史,2,电子显微镜技术的发展与应用,3,其他显微技术的发展,制造者,荷兰眼镜制造商,Janssen,英国科学家和发明家罗伯特,.,胡克,荷兰业余科学家列文,.,虎克,德国物理学家,Knoll,和,Ruska,Ardenne,德国,Siemens,公司,英国剑桥科学仪器有限公司,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,中国科学院北京科学仪器厂,瑞士科学家,Binnig,、,Rohrer,、,Gerber,和,Weible,中国科学院白春礼,年代,1590,1665,1665,1932,1938,1939,1965,1959,1975,1981,1990,显微镜,发明了放大,20-30,倍的复式光学显微镜,自制复式显微镜。观察软木薄片，第一次描述植物细胞结构,利用小型高倍透镜制成简单显微镜，放大倍数达,300,倍，观察动植物活细胞与原生动物，第一次看到许多单细胞生物。,研制成功第一台透射电子显微镜,研制成功第一台扫描电子显微镜,生产了第一台商品用的透射电子显微镜,扫描电子显微镜作为商品问世,研制成功第一台透射电子显微镜,研制成功第一台扫描电子显微镜,发明扫描隧道显微镜,主持研制成功首台原子力显微镜,表,1-1,显微镜发展简史,表,1-2,电子显微镜技术发展简史,年代,1934,1946,1947,1949,1950,1952,1956,1953,1955,1956,1956,1958,1959,1961,1957,1963,1939,1939,1962,1971,1974,1977,1978,研究者,Marotn,Williams和Wyckoff,Claude,Latta,和,Hartmann,Palade,Palade,和,Siekevitz,Porter和Blum,Moran,Hall和Huxley,Luft,Glauert,Watson,Moran,Luff,Steere,Sabatini,及同事,Kauschehe,和,Ruska,Horisberger,Feldherr,和,Marshal,Faulk和Taylor,Romano,及同事,Horisberger,及同事,Rpth,及,Bendayan,电子显微镜技术,发表了第一张生物组织茅膏菜属植物叶切片的电子显微图,将金属投影用于增加电镜图象反差,开始使用铀固定剂,甲基丙烯酸酯被用作包埋介质,用玻璃刀进行组织切片,将缓冲液与锇酸混合，作为组织固定液,用电子显微镜分析细胞碎片,介绍切片机和切片技术,使用钻石刀进行超薄切片，并创立冷冻超薄切片术,以磷钨酸为负染色剂观察了灌木病毒及烟草花叶病毒的超微结构,高锰酸钾作为固定剂,环氧树脂作为包埋介质,介绍用重金属铅和铀对组织切片进行染色,采用冷冻置换技术制备生物样品,介绍,Epon,包埋介质,开始研究冷冻断裂技术,用戊二醛作预固定液保存细胞超微结构及活性，进行细胞化学方面研究,对蛋白质吸附于胶体金进行探讨,将蛋白质吸附于胶体金方法用于扫描电子显微镜,胶体金颗粒作为一种示踪物用于电子显微技术研究,胶体金作为抗血清特异标记物用于透射电子显微镜,首次制备蛋白质,A-,金复合物,建立了制备免疫球蛋白,-,金颗粒基本方法,提出包埋后免疫金标记技术,Early days of electron microscopy,Microsocopy,techniques,developped,扫描隧道显微技术,(,STM),原子力显微技术,(,AFM),激光扫描共焦显微技术,扫描隧道显微技术,(,STM),原子力显微技术,(,AFM),激光扫描共焦显微技术,利用量子力学中隧道效应产生隧道电流信号，获得反映样品表面原子形态结构和原子排列图象。,具有原子尺度的高分辨率。,可以观察单原子层的实时结构图象，并能在大气、真空甚至液体环境中观察自然状态下的样品表面结构，因而在半导体、金属、无机材料及生物学研究等方面有广阔的应用前景。,扫描隧道显微技术,(,STM),原子力显微技术,(,AFM),激光扫描共焦显微技术,通过微悬臂上的针尖在样品表面扫描，使针尖与凹凸不平的样品表面的顶端原子相互摩擦产生原子力。在扫描过程中，微悬臂的上下起伏与等位面的样品形貌相互对应，所以可通过针尖与微悬臂之间的隧道电流变化，得到样品表面形貌信息。,其分辨率可与透射电镜相比拟。,AFM,不但能通过探测原子间作用力观察绝缘体，还可在生物环境中直接观察生物样品表面结构。,扫描隧道显微技术,(,STM),原子力显微技术,(,AFM),激光扫描共焦显微技术,利用共焦光路及激光扫描，在观察较厚样品的内部结构或直接观察细胞时，可使所选定的不同层面每一焦点面影象清晰，从而得到细胞不同切面上的一系列图象，经计算机系统快速分析处理，即可重组出样品三维立体图象，展现细胞瞬间变化的形态结构。,电子显微镜之父,E.Ruska,世界上第一台电子显微镜,第一章 电子显微镜的基本原理,第一节 电子光学的基本知识,分辨率,:,能够区分的相邻两个物点间的最小距离。用,d,表示。,人眼的分辨率,正常人眼在明视距离（,250mm,）,的分辨率是,0.2mm,。,光学显微镜的分辨率和有效放大,1. Airy,圆盘,若有两个点光源,其一光斑的中央极大值点恰与另一光斑的第一极小值点重合，则这两个点光源正好是可以分辨的，故可以定义分辨率,d,为,Airy,圆盘的半径。,为照明光的波长；,n,为透镜和样品之间介质的折射率，,为入射孔径角，即光线从样品进入透镜的半张角。,nsin,称为数值孔径，用,NA,表示。光学显微镜的,NA,值最大不超过,1.5,，因此,d0.5,。,即分辨率约为光波波长的一半。,d0.61/nsin0.61/NA,可见光波长为,400,700nm,，,人眼对绿光（,500nm,左右）比较敏感，故光学显微镜的分辨率约为,250nm,即,2500 ,左右。,2.,显微镜的有效放大倍数,:,人眼的分辨率与显微镜的分辨率之比值，即,M,有,d,人,d,仪。,3.,空放大,:,超过仪器有效放大倍数以外的放大,电子束,真空中相对集中而高速运动着的电子流。,一切微观粒子都具有波粒二象性,一个动量为,P,，,能量为,E,的自由运动粒子，相当于一个波长为,=h/p=h,/,mv,，,沿粒子运动方向传播的平面波。,电子枪发射的电子，由静止状态被电压,V,加速，以速度,v,运动时所具有的动能为,1/2mv,2,，,根据能量守恒定律有,E=,eV,=1/2mv,2,电子质量,m=9.110,31,kg,，,电子带电量,e=1.610,19,库仑；普朗克常量,h=6.610,34,焦耳,秒。,可推得：,即,与所处电场电压的平方根成反比,.,当,V= 50kV,时,可计算出,0.055 =0.0055nm,V=100kV,时,可计算出,0.039 =0.0039nm,分辨率,0.1,nm,超高压透射电镜,JEM-ARM1250,1926,年德国科学家布施指出带电粒子在旋转轴对称的电场或磁场中有聚焦作用。,高速运动的电子流，具有波动性和可折射性,电子显微镜的理论基础。,电子束在磁场或电场中的性质,电子束的穿透力 高真空,100,nm(100kv,以下的,EM),电子束的激发荧光 荧光屏,电子束的放射性 铅防护,电子透镜,包壳透镜,电子透镜,静电子透镜,磁电子透镜,恒磁透镜,电磁透镜,螺线管线圈,极靴透镜,具有轴对称弯曲磁场装置构成的电子透镜,电子透镜的理想成像：,理想成像是指物与像是一一对应的，即物平面上任一点都可在像平面上找到与其相对应的一点，物与像是几何相似的关系，他们之间的差异只是相差放大倍数,M,。,理想成像只有在满足下列成像条件时才成立：,(1),场分布是严格的轴对称；,(2),电子是旁轴电子,即发射出的电子离轴很近（为微米数量级），电子束与轴的夹角很小（约,10,3,数量级）；,(3),电子的速度相等。,电磁透镜的像差：,像差,:,实际光学系统和理想光学系统成像的差别，像差的大小标志光学系统成像质量，是影响电子显微镜提高分辨能力的重要因素。,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,是由于透镜边缘与中央部分汇聚能力有差异造成,当磁场会聚由同一物点发出的电子束时，大孔径角的电子会聚的快一些（焦距短），而对小孔径角的电子会聚的慢一些（焦距长），于是在原来理想的像点附近形成了一个弥散的小球，所以这种像差称为球差。在电镜中采用光阑限制球差，使其成为一个圆斑，在焦点处为一最小弥散圆斑。球差只能减小不能消除,.,要减少球差，只有缩小孔径角，即用最小孔径光阑。,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,是由于透镜边缘部分比中心部分聚焦能力强，致使物上各点像的放大倍数，边缘与中心部分的放大倍数不一样,图象清晰,图形扭曲,.,畸变现象主要发生在较低倍的情况下,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,是由于材料性质欠佳或加工精度不良致使场分布呈非轴对称而造成的。对图像的影响表现为使互相垂直的两个电子束聚焦能力不同，放大倍率也不同，所以物点的像变成一椭圆形，可用消像散器予以补偿矫正。另外光阑和极靴孔的污染也会引起像散，这可以采用清洗方法予以消除。,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,色差也叫波长差，是由于透镜使不同速度电子聚焦和像转角的能力不同而造成的。当电镜加速电压的电压或电流有波动时，将引起电子束波长的变化，这时将产生色差。可以采用多级稳压电源来去除色差,.,像差,球差,畸变,像散,色差,衍射差,是由小孔电子衍射效应造成的像差，是限制分辨率的重要因素。,球差、衍射差是限制提高电镜分辨率的主要因素，虽然可以采取措施减少上述各因素对分辨率的影响,但由于消除误差要求的措施有时是矛盾的，所以实际上电镜分辨率也是有限制的。,d=,d,C,+,d,D,= 0.4C,s,3,+ 0.61,/,例如，为减少球差，光阑孔径越小越好，但光阑孔越小，衍射圆斑越大，二者是矛盾的,.,目前比较理想的电镜分辨率为,2.5 ,，,有效放大倍数为,d,人,/d,仪,=0.2mm/2 =100,万倍,电子显微镜的实际分辨率,图象的分辨率与加速电压有关，加速电压越高，电子的波长越短，图象的分辨率越好,图象的衬度（反差）与加速电压有关，加速电压越高，电子的穿透性越大，图象的衬度越差,空间分辨率与电子枪有关，,利用场发射枪高亮度的特点，可进行高空间分辨率的观察（微区成分、晶体结构分析）,同一个加速电压下，场发射电镜和六硼化镧电镜，图像的分辨率也相同,第二节 电子与固体样品的相互作用,电子入射固体样品时，与样品物质原子及核外电子发生弹性散射或非弹性散射作用，并产生带有样品信息的各种讯号，入射电子在样品中运动、扩散情况，激发作用和能量传递过程如图所示。,a,一次电子扩散的范围和信息产生层次,b,各种信息的应用,1.,入射电子束,2.,样品,3.,锇歇电子,4.,二次电子,5.,背散射电子,6.X,射线,7.,阴极发光,8.,吸收电子,9.,透射电子,10.,大角度弹性散射电子,11.,非弹性散射电子,12.,小角度弹性散射电子,一、透射电子（,TE,）,就原子之间的距离（,1 ,）,和原子核及周围电子的大小（,10,5,10,6,）,而言， 物质本身实际是一个几乎完全空的空间，如果样品足够薄（小于,0.1m,），,那么入射电子就能够通过样品，将通过样品的电子叫作透射电子。入射电子在通过样品时，带有样品内部不同的信息，转换成图像即透射电子像。,透射电子的能量是由加速电压值决定的。常压电镜透射电子能量非常小，仅能穿透几毫米厚的空气层或,1m,左右的水，不能通过较厚样品。因此常压透射电子像，只能用于观察超薄切片（厚度,500,600 ,左右）或很小颗粒及薄膜样品。高压或超高压电镜可用于观察厚样品，但成本高，应用还不普遍。,二、二次电子（,SE,）,样品物质原子的核外电子受入射电子激发后，逸出样品表面时，就称为二次电子。二次电子可在距样品表面,500 ,深度内产生，但由于样品的吸收等作用，只是在距表面,100 ,深度内的二次电子才能逸出样品表面，成为二次电子信号。二次电子是扫描电镜观察样品表面形貌的主要信号，所携带的信息是通过显像管显示的。二次电子数量的多少决定显像管的亮度和反差，二次电子数量越多，图像质量越好。,四、,X,射线（伦琴射线）,核外电子发生跃迁时，其剩余能量既可以俄歇电子形式释放，又可以电磁波形式辐射出样品。当以辐射形式释放时，其波长在,0.1,100 ,范围内，这种电磁波位于紫外线,和,射线之间，是由德国物理学家伦琴发现的，所以也称为伦琴射线。,分析表明有两种,X,射线谱，一种是连续的，从某一短波开始一直伸展到长波方面：另一种是不连续的，它只有几条特殊的谱线，是样品物质原子的内层电子状态转变时所产生的辐射，也称为“标识,X,射线谱”。利用标识,X,射线可以对样品进行定性或定量分析，用于分析的仪器主要有两种，一种是波长分散谱仪（,WDX,），,另一种是能量分散谱仪（,EDX,）。,三、俄歇电子（,AE,）,俄歇电子的产生可用下例说明，设,K,层电子被入射电子激发逸出样品,，,L2,层的某一电子跃迁补充被激发的,K,层电子的空位，则其能量差为,E,EL1,EK,。,若此能量,E,传递给,L2,层的另外一个电子，并使其由于获得能量,E,而逸出样品，则此电子就称为俄歇电子。每种元素的各能级间的俄歇电子的能量都是常数，如碳的,KL2L2,俄歇电子能量为,273eV,，,因此可利用检测俄歇电子进行元素分析。,五、背散射电子（,BE,）,背散射电子是入射电子与样品成分发生弹性碰撞之后，被反射回的电子，能量较高。背散射电子的产生及其数量与入射电子能量、样品成分、入射角等有关，利用背散射电子讯号可以观察样品表面形貌和成分差异的图像，分辨能力低于二次电于像。,六、吸收电流,入射电子与样品作用后，有一部分电子能量消耗殆尽之后便被样品吸收，成为吸收电子。收集并适当处理吸收电子，使其显像即吸收电流像。吸收电子的产量恰与二次电子或者散射电子相反，所以吸收电流像与二次电子像或背散射电子像是相反的，也是互补的，吸收电子像无阴影效果，反差柔和，适宜于观察样品形貌，组分差异及晶体取向等。,七、阳极荧光,某些物质，如硫化锌晶体、荧光粉等，受到电子轰击后，会被激发出具有一定波长和强度的荧光，收集、检测荧光信号，放大、分析并显示其图像，可用来研究该物质的发光区域、成分、含量、结构等。,第二章 透射电子显微镜的结构和工作原理,电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。,电子显微镜,透射电子显微镜,扫描电子显微镜,透射电子显微镜：简称透射电镜，是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。它是一种电子束透过样品而直接成像的电镜。使用短波长的入射电子束与样品作用后产生的透射电子,(,主要是散射电子,),为信号，通过电磁透镜将其聚焦成像，并经过多级放大后，在荧光屏上显示出反映结构信息的电子图像。,透射电镜的特点是分辨率高，已接近或达到仪器的理论极限分辨率,(,点分辨率,0,2,0,3nm,，晶格分辨率,0,1,0,2 nm),；放大倍率高，变换范围大，可从几百倍到上百万倍；图像为二维结构平面图像，可以观察非常薄的样品,(,样品厚度为,5070 nm,左右,),；样品制备以超薄切片为主，操作比较复杂。透射电镜适用于样品内部显微结构及样品外形,(,状,),的观察，也可进行纳米样品粒径大小的测定。,TEM,主要技术参数包括,:,a),加速电压。加速电压的高低决定了电子束透样品的能力。电压越高，就能穿透更厚的样品。,b),灯丝种类。现在最常用的灯丝依然是,LaB6,最近场发射枪电子显微镜开始普及。,c),分辨率,又叫分辨本领。其中又分为点分辨、线分辨率、信息分辨率等多个参数。通常我们最关心的是点分辨率。,d),放大倍率。增加中间镜的数量，我们几乎可无限制地增加电子显微镜的放大倍率。但是，电子显微镜的分辨率是由其加速电压、物镜球差、色差数等参量所决定的，无限制地增加放大倍率只能我们得到一张模糊的图像。同时,图像的亮度将随倍率的提高而降低，这对实验工作不利。所以，现在,TEM,的最大放大倍率都只在一百万倍左右。,e),样品台倾转角。在研究晶体材料时,我们经需要倾转样品,以寻找合适的电子束入射方向。转角的大小取决于样品台和物镜极靴种类。作为分析型透射电子显微镜，我们通常需要较大的倾角，在两个方向上均大于,30,度。但是大角度倾转需较大的物镜极靴空间，而这样做就要以降低分辨率为代价的。因此，必须根据自己工作的要求找到一个适合的平衡点，购买适合自己工作需要的,TEM,。,f),其它附加设备。作为一个综合性分析仪器，,TEM,除了可以进行图像观测和进行衍射分析外，还可以通过附加一些设备，以增强其功能。,仪器名称：透射电子显微镜,生产厂家：荷兰,Philips,公司,仪器型号：,Tecnai,12,主要附件：,Gatan,792 CCD,性能指标：,最大放大倍数：,65,万倍,点分辨率：,0.24,nm,线分辨率：,0.14,nm,最高加速电压：,120,KV,TEM,的结构,TEM,的镜筒,(Column),主要有三部分所构成,:,(1),光源，即电子枪,;,(2),透镜组，主要包括聚光镜、物镜、中间镜和投影镜,;,(3),观察室及照相机,电子枪的作用在于产生足够的电子,形成一定亮度以上的束斑,从而满足观察的需要。透射电子显微镜的电子枪主要有三种类型。,a),钨丝枪,;,b),六硼化镧,(LaB6),枪,;,c),场发射枪。,钨丝就是我们日常生活中使用的白炽灯的发光灯丝，价格极为低廉。但是钨灯丝的寿命极短，连续使用时只有数十小时。而且钨灯丝发出的电子束的单色性很差，亮度也很低。,LaB6,灯丝的寿命大大长于钨灯丝，可达半年以上，甚至可以使用数年。,LaB6,灯丝的单色性和亮度也都大大地优于钨灯丝，是现在,TEM,中最为常用的灯丝。,近几年来,场发射枪,TEM,有了逐步普及的趋势。场发射枪的灯丝寿命更可长达一至两年之久，其单色性及亮度均非钨灯丝或,LaB6,灯丝所可比拟，因此是一种极好的电子光源。但是，场发射枪,TEM,的价格昂贵，成为普及的主要障碍。,阴极即灯丝，通常用直径为,0.1,0.12,mm,的钨丝制成，呈点状或发叉形（也称,V,形）。灯丝通电加热到,2227,（,2500,K,）,以上时，灯丝尖端开始发射热电子，在阳极电压的作用下加速到极高的速度。除这种常用的热发射钨灯丝以外，现在还有六硼化镧（,LaB,6,）,阴极和场发射钨单晶阴极，它们的亮度和寿命要比普通灯丝提高很多。,电子枪,阴极,栅极,阳极,也称负偏压栅极，是由一个中央有孔的圆金属筒构成，或称为韦氏圆筒（,Wehnelt,），,它处于相对于阴极,100,500,V,的电位，用以控制电子发射强度和电子束的形状。,电子枪,阴极,栅极,阳极,-,+,Filamen,t,电子枪,阴极,栅极,阳极,阳极上加有几十千伏或更高的正电位，其作用是使电子加速。,透镜组的作用在于将电子束会聚到样品上，然后将从样品上透射出来的电子束进行多次放大、成像。透镜组的作用完全与光学显微镜中的透镜一样。现代,TEM,基本上都是使用磁透镜，这样，只要适当调整磁场强度,就可以得到不同的工作模式。现在,TEM,最常见的工作模式有两种，即成像模式和衍射模式。在成像模式下，我们可以得到样品的形貌、结构等信息，而在衍射模式下，我们可以对样品进行物相分析。目前新一代,TEM,还都备有一些新的工作模式，如会聚束电子衍射模式和微区电子衍射模式。,通过,TEM,中的荧光屏,我们可以直接几乎瞬时观察到样品的图像或衍射花样。我们可以一边观察,一边改变样品的位置及方向,从而找到我们感兴趣的区域和方向。在得到所需图像后,可以利用相机照相的方法把图像记录下来。现在新一代,TEM,也有的装备了数字记录系统,可以将图像直接记录到计算机中去,这样可以大大提高工作效率。,真空排气部分,（一）真空的必要性和真空单位,电镜要求电子通道必须是真空，这个真空度的优劣是决定电镜能否正常工作的重要因素之一，真空一般是指“低于大气压的特定空间状态”，理想的真空是没有的。一个大气压即,760mm,汞柱，将,1mm,汞柱定为真空度的单位，称为“,Torr,”,，,翻译成“乇”或“托”。,（,二）真空的获得,真空是用真空泵来获取的，真空泵能降低相连容器中的压力，使容器中的分子密度降低。衡量真空泵的性能有两个指标，一个是由空间向外排气的速度：另一个是空间内达到的真空度。常用的真空泵有两种，一种叫作旋转式机械泵，另一种是油扩散泵，电镜中的真空是将两种泵串接起来同时工作，共同完成的。,1,旋转式机械泵（,RP,）：,旋转式机械泵也称油旋转泵，能获得,10,2,10,3,Torr,的低真空度，它可以在大气压下使用。机械泵排气速度较低（中型的,150,L,min,），,真空度只能达到,10,3,Torr,（,1.33,10,l,pa,）,左右，所以只能用它获得粗真空和为油扩散泵提供背压。,2,油扩散泵（,ODP,）：,油扩散泵最高真空度可达,10,6,Torr,以上。排气速度可达,280,L,秒。较好的电镜通常用两个油旋转泵，一个固定抽贮气筒和油扩散泵的低真空，使扩散泵一直保持良好的真空状态；另一只泵动阀门转换，以抽各部分低真空。,3.,离子泵（,IGP,）,真空度可达,10,-12,Torr,4.,分子泵（,TMP,）,真空度可达,10,-10,Torr,从电子枪发射出的电子入射样品时，与样品物质原子及核外电子发生弹性散射或非弹性散射作用，产生很多带有样品信息的电信号，如透射电子、散射电子、二次电子等。,与透射电镜成像有关的信息,透射电子,非弹性散射电子,小角度弹性散射电子,透射电镜的成像原理,透射电镜的成像原理,透射电镜成像的实质是用不带有信息的电子射线，在通过样品时和样品发生作用，而当电子射线在样品另一方重新出现时，已带有有关样品的信息，然后进行放大处理，使人们能够看见并进行解释。,人眼对光强度（振幅反差）和波长（色反差）的变化是敏感的，它能直接解释光学显微镜给出的信息，但对于电子显微镜来说却不能直接解释。目前只能把电子所带的信息转变成光强度的振幅反差形成黑白图像。把电子波长转变成颜色是不行的，因此电子显微镜照片都是单色的。,透射电镜的像反差是由入射电子通过样品时，发生的散射吸收差、衍射差和相位差来决定的。,生物样品的反差主要由物质的质量厚度决定。,振幅反差：,质量厚度,=,样品密度,样品厚度，,质量厚度大，透过电子少，荧光屏形成暗区；,质量厚度小，透过电子多，荧光屏形成亮区。,这就形成了明暗不同的振幅反差。这种反差是通过电子激发荧光粉形成可见光（光强不同）反映到人眼的。,晶体样品的成像与反差,晶体样品的反差是由衍射效应产生的，由于入射电子同晶体样品作用时，晶体的原子使电子作弹性散射，在某一定方向处形成一很强的衍射束，使直接透射部分的电子束强度分布起了变化。如果物镜光阑把衍射束挡住，而只让透射束通过成像，这时形成的反差就是衍射反差，像是明场像。晶体样品中的强衍射区对应于像上的亮区，而背景是暗的；如果晶面族产生的衍射束未被物镜光阑挡住，其透射束被挡住，这时形成暗场像。所以在厚度均匀的多晶样品中，在同一电子束照射下，不同的晶粒可呈现亮暗不同的颗粒，这是由于它们相对于入射电子束的取向不同可造成明场和暗场像，如果稍改变样品的倾斜程度即可改变阴暗场。在研究晶体样品的缺陷时多用衍射反差。,阴极灯丝加热至,2500K,发射热的电子束 经聚光镜聚束 投射到样品 物镜进行第一级放大 中间镜第二级放大 投影镜第三级放大 最终成像于荧光板上 照相,透射电子显微镜镜筒部分的工作过程,第三章 透射电子显微镜的应用,电镜两大应用领域：,一、材料科学,:,高分辨率、高性能、成份和结构分析,（物理、化学、化工、冶金、材料、半导体、地质、矿产、,石油、纺织、轻工、考古、航天、外贸,）,二、生命科学,:,中等分辨率、保真性、生化物质定位,（生物学、医学、药学、法医学、农业、林业、畜牧业、,水产、环保、食品,）,(a),利用质厚衬度,(,又称吸收衬度,),像,对样品进行一般形貌观察,; (,b),利用电子衍射、微区电子衍射、会聚束电子衍射物等技术对样品进行物相分析,从而确定材料的物相、晶系,甚至空间群,;,(,c),利用高分辨电子显微术可以直接“看”到晶体中原子或原子团在特定方向上的结构投影这一特点,确定晶体结构,;,(,d),利用衍衬像和高分辨电子显微像技术,观察晶体中存在的结构缺陷,确定缺陷的种类、估算缺陷密度,;,(,e),利用,TEM,所附加的能量色散,X,射线谱仪或电子能量损失谱仪对样品的微区元素成分进行分析,;,(,f),利用带有扫描附件和能量色散,X,射线谱仪的,TEM,或者利用带有图像过滤器的,TEM,对样品中的元素分布进行分析,确定样品中是否有成分偏析,.,X,射线能量色散谱仪（能谱,EDS,）,分析速度快，检测,1000ppm, Z5,（,无铍窗）,X,射线波长色散谱仪（波谱,LDS,）,分辨率高，检测,100ppm, Z1,，,分析速度慢,能谱系统,(,EDS),特征,X,射线,(,Characteristic X-ray),内壳层电子被轰击后跳到比费米能高的能级上，出现的空位被外壳层轨道的电子填入时，作为多余的能量放出的就是特征,X,射线,特征,X,射线具有元素的固有能量，根据它可以确定元素的种类，另外，根据谱的强度就可以确定其含量。,特征,X,射线有两种展成谱的方法，即,X,射线能量色散谱方法,(,EDS),和,X,射线波长色散谱方法,(,WDS),EDS,的分辨率约为,135,eV,，,比,EELS(,能损谱系统,),和,WDS,低,1,2,个数量级，轻元素只能定性分析，,但探测效率高，价格适中，,约为,US$60,000.-,左右,能损谱系统,(,EELS),入射电子与样品中原子的交互作用分为两种，即弹性散射,(,Elastic Scattering),和非弹性散射,(,Inelastic Scattering),，,将发生能量损失的电子谱展开就是,EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy),，,根据它的能量值和强度分布就可以确定其元素，进行成分和价态的分析,能量分辨率可达,0.75,eV,（,场发射枪时）或,1.5,eV,(,六硼化镧枪时,),与,EDS,系统相比较，,EELS,对轻元素的成分分析有明显优势，可进行化学价态的分析；另外，如选择能量损失谱的一部分来成像，可获得能量过滤的像，价格贵，约,US$200,000.-,左右,对于LaB6型透射电镜，原则上不推荐EELS系统,利用透射电镜，我们可以获得：,高分辨的结构像（形貌）,微区的结构信息（晶体衍射）,微区的成分的信息（,EDS分析和EELS分析）,随着材料科学研究的不断深入（材料的表面、界面分析以及纳米材料研究等），分析的尺度越来越小,图象的高分辨率和,成分、晶体结构的高空间分辨率,电镜是材料科学所需要的,！,Au,CdS,Fe2O3,PbS,TEM,的发展,更高分辨率,FEI,Tecnai,G,2,F20 S-TWIN,信息分辨率,1.4 ,能量分辨率,0.7eV,FEI,Tecnai,G,2,F20 S-TWIN+,单色器和,Cs,矫正器,分辨率达,0.8,能量分辨率,0.25eV,FEI,新型,300kV,场发射,Titan:,最高分辨率达到,0.7,Cs 3,m,An image of an edge and twin boundary and nothing else!,F30 U-TWIN,金刚石中碳原子排列象,Grain Boundary Investigation,High-Resolution Imaging of SrTiO,3,HREM and HR-STEM images from the same SrTiO,3,bi-crystal boundary.,Sr,Ti,Rotation-free imaging,1.2,kx,8,kx,150,kx,600,kx,2nm,Poly-,Si,SiO,2,Si,TiO,2,-,Sn,Sample courtesy: Mexican Petroleum Institute (IMP) / Molecular Engineering Department,HAADF-STEM image of a different area showing 2-3 nm,Sn,aggregates on TiO,2,needles coated with a,carboneous,layer. EDX analysis shows a higher than average,Sn,concentration for this area.,20,nm,200,nm,第四章 透射电镜的制样技术,电镜的制样设备,电镜制样是最重要的环节之一，应该给足够的重视,试样研磨器,623 (,Disc Grinder),超声波切片机,601 (,Ultrasonic Disc Cutter),挖坑机,656 (,Dimple Grinder),离子减薄仪,691,（,Precision Ion Polishing System,）,电解双喷仪,超薄切片仪,真空喷镀仪,JEE-420 (Vacuum Evaporator),材料样品制样技术,一般的微米级以下的颗粒样品一般是先制备成悬浊液，用超声波进行分散让样品在液体中处于非常均匀的状态，然后用移液器滴一小滴在已做好膜的铜网上，自然干燥后，供电镜观察。如果悬浊液的颗粒浓度较高，也可以先滴一滴溶液在玻片上，然后将铜网反扣在样品滴上,1,2,分钟。然后放在台灯下烤干，即可上电镜观察。,悬浊液样品,样品切割,样品粗磨减薄,3,mm,直径样品制备,精确减薄,(80-120,um),挖坑减薄,(10-20,um),离子减薄或电解双喷,精确离子减薄,透射电镜观察,环氧树脂包埋,切片,样品精确切割设备,样品精确切割设备，例如，冷冻超薄切片仪,超声波切片仪,离子减薄仪,/,电解双喷仪,精确离子减薄仪,固体样品的减薄制备,Specimen preparation,500 m,Disk Cutting,70-100 m,Disk Grinding,5 m,Dimple Grinding,Ion Milling,Ion beam,Ion beam,1.,2.,3.,4.,general steps,Specimen preparation,Disc Grinder,Produces high quality parallel-sided thin samples while reducing the chance or sample damage,Goniometer,disc mount is used for precision XTEM specimens,70-100 m,mechanical grinding,Specimen preparation,Larger thin area with thick rims,Fragile samples easier to handle,Reduces ion milling times,Locating the region of interest to be thinned,Larger thin area in the center surrounded by thick rim helps in handling the fragile specimens,Direct preparation of TEM specimens,Not to scale,5 m,Dimple grinding,Specimen preparation,Comparison of over-dimpled (left) and correctly-dimpled (right) commercial Al,alloy,合金,.,The over-dimpled image shows,dislocations,断层,which are absent in the correctly-dimpled image.,Specimen preparation,Comparison of over-dimpled (left) and correctly-dimpled (right) commercial Al alloy containing Si particles. The over-dimpled image shows dislocations which are absent in the correctly-dimpled image.,谢 谢！,