透射電子顯微鏡的原理及制樣(在稠油中應用)

1、中 國 地 質(zhì) 大 學研究生課程論文封面 課程名稱 材料表征技術 教師姓名 * 研究生姓名 * 研究生學號 1* 研究生專業(yè) 化學工程與技術 所在院系 材化學院 類 別 碩士 日 期 2*年1月10日 評 語對課程論文的評語:平時成績：課程論文成績：總 成 績：評閱人簽名：注：1、無評閱人簽名成績無效；2、必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效；3、如有平時成績，必須在上面評分表中標出，并計算入總成績。材料表征技術報告透射電子顯微鏡的原理及制樣摘 要稠油中的微量金屬元素含量較高，通常高于常規(guī)原油。稠油中的微量金屬元素不僅會使下游加工生產(chǎn)中的催化劑中毒、使產(chǎn)品質(zhì)量下降。而且，稠油中的微量金屬元素

2、會對稠油水熱催化降粘產(chǎn)生一定的影響。為了實驗室對稠油催化降粘進行更深一步的研究（如：探索稠油中的金屬元素對催化降粘的影響，探索稠油中的金屬元素與催化劑的選擇之間的關系等），本文將對稠油中金屬元素的種類、賦存狀態(tài)、分離方法、鑒定方法進行簡單的介紹。關鍵詞：稠油；微量金屬元素；賦存狀態(tài)；分離；鑒定16目 錄第1章 引言2第2章 TEM基本原理12.1 TEM成像原理12.1.1 工作原理12.1.2 電磁透鏡聚焦原理12.1.3 TEM光路22.2 TEM分辨率32.2.1 瑞利判據(jù)32.2.2 TEM分辨率的影響因素32.3 襯度理論42.3.1 質(zhì)厚襯度42.3.2 衍射襯度42.3.3 相位

3、襯度42.4 TEM的圖像類型52.4.1 一維結(jié)構像52.4.2 二維晶格像52.4.3 單原子像（高分辨像）62.4.4 TEM圖像解析問題62.5 電子衍射72.5.1 電子衍射的優(yōu)缺點72.5.2 電子衍射花樣7第3章 TEM儀器組成與實驗方法93.1 儀器組成93.2 實驗方法93.2.1 TEM對樣品的要求93.2.2 TEM常見制樣方法103.2.3 常規(guī)制樣要求113.2.4 生物樣品的染色技術11第4章 TEM的評價及發(fā)展134.1 對TEM的評價134.1.1 TEM的優(yōu)點134.1.2 TEM的缺點與局限134.2 TEM的發(fā)展144.2.1 原位TEM144.2.2 3

4、D拓撲重構技術144.2.3 球差校正TEM14第1章 引言人們對微觀世界的探索有著漫長的歷史，光學顯微鏡出現(xiàn)以后，人們才看到了細胞和細菌。上世紀三十年代電子顯微鏡的問世，使人們有了更有利的工具來探求微觀世界的奧秘。電子與物質(zhì)相互作用會產(chǎn)生透射電子，彈性散射電子，能量損失電子，二次電子，背反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子，陰極發(fā)光和電動力等等。電子顯微鏡就是利用這些信息來對試樣進行形貌觀察、成分分析和結(jié)構測定的。電子顯微鏡有很多類型，主要有透射電子顯微鏡(簡稱透射電鏡，TEM)和掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡，SEM)兩大類。掃描透射電子顯微鏡(簡稱掃描透射電鏡，STEM)則兼有兩者的性能1

5、。本文主要介紹透射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡2，其名稱中包括以下三個關鍵詞：（1）顯微鏡：顯示微觀世界的儀器；（2）電子：以電子束做光源（區(qū)別于光學顯微鏡）；（3）透射：光線穿透樣品（獲得投影像，區(qū)別于SEM）。高分辨透射電子顯微鏡(TEM)是人類認識微觀世界的重要橋梁，1931年6月4日Knoll和Ruska首次報道研制成功第一臺透射電子顯微鏡(TEM)，Ruska也因此獲得了1986的諾貝爾物理學獎。幾年后德國、英國和加拿大等國開始研制透射電鏡。20世紀70年代具有高分辨率的透射電鏡和分析電鏡出現(xiàn)

6、后，它的分辨水平日臻細微，功能更趨多樣。經(jīng)過八十多年的發(fā)展，TEM技術在電子衍射學、圖像學(原子結(jié)構、磁電疇觀察)、譜學、電子全息術、高低溫/磁/電場原位加載技術等多個方面都獲得了長足的發(fā)展，已成為現(xiàn)代實驗室中一種不可或缺的研究晶體結(jié)構和化學組成的綜合儀器3-5。我國目前在電子顯微鏡的研制方面技術相對薄弱,能夠制造出的電子顯微鏡其穩(wěn)性定、可靠性、分辨率等方面與國外相比還有不小差距。尤其在透射電子顯微鏡制造方面,目前我國還沒有形成一條透射電子顯微鏡產(chǎn)業(yè)鏈。因此，對TEM的研究也受到了國家的高度重視1。目前，中科院物理所、中科院沈陽金屬所、北京電子顯微鏡中心（清華大學電子顯微鏡實驗室）在做TEM方

7、面處于國內(nèi)領先水平。第2章 TEM基本原理2.1 TEM成像原理2.1.1 工作原理透射電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，只不過光源由可見光變?yōu)榱穗娮邮?，透鏡由玻璃的光學透鏡變?yōu)榱穗姶磐哥R。透射電子顯微鏡與光學顯微鏡的比較如圖2.1所示。圖2.1 光學顯微鏡與TEM比較圖透射電鏡，通常采用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速穿過孔，然后被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑照在樣品上。具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生反應樣品微區(qū)厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構或位相差別的各種信息。透過樣品的電子束強度（取決于上述信息），經(jīng)過物鏡聚集放大在其像

8、平面上形成一幅反映這些信息的透鏡電子像，經(jīng)過中間鏡和投影鏡進一步放大，在熒光屏上得到三級放大的最終電子圖像，還可將其記錄在電子感光板或膠卷上。2.1.2 電磁透鏡聚焦原理電磁透鏡的作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，使原來直徑約為50mm的束斑聚焦成一個只有數(shù)nm的細小束斑。電磁透鏡的聚焦原理：通電的短線圈就是一個簡單的電磁透鏡，它能造成一種軸對稱不均勻分布的磁場。穿過線圈的電子在磁場的作用下將作圓錐螺旋近軸運動。而一束平行于主軸的入射電子通過電磁透鏡時將被聚焦在主軸的某一點。電磁透鏡只有會聚作用，即只有凸透鏡。電磁透鏡在成像時會產(chǎn)生像差，主要是色差以及球差。圖2.2為電磁透鏡的聚焦線路圖。圖2

9、.2 電磁透鏡的聚焦線路圖2.1.3 TEM光路TEM的光路與幻燈機的光路非常類似，他們的比較如圖2.3所示。TEM與SEM雖然都是屬于電子顯微鏡，但是兩者在光路上存在一定差別，其比較如圖2.4所示。圖2.3 幻燈機與TEM光路比較圖 (a) (b)圖2.4 SEM與TEM光路比較圖(a)SEM(b)TEM2.2 TEM分辨率分辨率是電鏡的主要性能指標。課程學習過程中，老師提到過對成分分析而言，它是指能進行成分分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。此處主要講的是對成像而言的分辨率。2.2.1 瑞利判據(jù)對于兩個等光強的非相干物點，如果一個像斑的中心恰好落在另一像斑的邊緣（第

10、一暗紋處），則此兩物點被認為是剛剛可以分辨。若兩艾里斑中心距小于艾里斑半徑，則兩像點不能分辨，如圖2.5所示。 （2-1）-兩物點間距；-光的波長；-透鏡與物體之間的介質(zhì)折射率；-入射孔徑角，即光線從物體進入透鏡的張角之半；sin-稱為數(shù)值孔徑，用N.A.(Numerical Aperture)表示。（a） （b）圖2.5 （a）可分辨與（b）不可分辨示意圖由公式（2-1）可得，對于特定的顯微鏡來說分辨率由入射光源的波長所決定?？梢姽獾牟ㄩL在39007600Å，而電子束的波長約為可見光的十萬分之一。光學玻璃透鏡分辨本領的極限值可達0.2m，最大放大倍率在2000倍左右。而透射電子顯微

11、鏡的放大倍率可達百萬倍，而且電磁透鏡的分辨本領比光學玻璃透鏡提高一千倍左右。當在100KV的加速電壓下，電子波波長為0.037Å，用這樣短波長的電子波做顯微鏡的照明源，根據(jù)公式（2-1）可知，顯微鏡的最小分辨率可達0.02Å左右。但是，由于TEM存在一定的缺陷，所以在不借助相差矯正設備的時候只可以達到1Å2Å的水平。2.2.2 TEM分辨率的影響因素加速電壓的高低能夠決定電子的波長，根據(jù)公式（2-1）我們可以發(fā)現(xiàn)波長將影響顯微鏡的分辨率。因此，加速電壓是TEM分辨率的重要影響因素。當加速電壓一定的時候，TEM的分辨率主要取決于衍射效應以及球差。球差是限制

12、電磁透鏡分辨本領最主要的因素。此外，還有色差、像散等也是限制TEM分辨率提高的影響因素。球差是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊沿區(qū)域?qū)﹄娮拥臅勰芰Σ煌斐傻摹＿h軸的電子通過透鏡是折射得比近軸電子要厲害的多，以致兩者不交在一點上，結(jié)果在像平面成了一個漫散圓斑。在加速電壓一定的情況下，盡量減小球差可以大幅提高TEM的分辨率。球差校正器的研究與應用是當前TEM發(fā)展的潮流！2.3 襯度理論電子束透過試樣后，透射電子束的強度及方向均發(fā)生了變化，由于試樣各部位的結(jié)構、組成等不同，因而投射到熒光屏上各點的強度也是不均勻的，這種強度的不均勻分布現(xiàn)象就稱為襯度，所獲得的電子像稱為透射電子襯度像。襯度形成的機制有兩

13、類：振幅襯度和相位襯度。其中振幅襯度又分為質(zhì)厚襯度和衍射襯度。2.3.1 質(zhì)厚襯度由于試樣各部分的質(zhì)量和厚度不同，與入射電子發(fā)生相互作用所產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，從而使得透射電子束的強度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)厚襯度。所有類型的樣品均存在質(zhì)厚襯度。對于常見樣品（無機、有機、生物等材料），質(zhì)厚襯度的影響最為明顯。質(zhì)厚襯度是TEM觀察所有樣品的基礎，沒有質(zhì)厚襯度，則基本上TEM圖像中就沒有對比度的存在，也就無法獲得有價值的信息。圖像中的明暗反映了不同區(qū)域的厚度或者質(zhì)量存在的差異。如果樣品組成均一，則圖像明暗反映了區(qū)域的厚薄；如果樣品組成不均一，那么暗區(qū)通常為原子序數(shù)較大的組分（但也不確定）。但

14、是，質(zhì)厚襯度的存在有時候會對感興趣組分的TEM觀察產(chǎn)生嚴重干擾，特別是對負載型催化劑金屬活性組分的觀察。2.3.2 衍射襯度由于晶體試樣滿足布拉格反射條件程度的差異以及結(jié)構振幅不同而形成電子圖像反差。它僅存在于晶體結(jié)構物質(zhì)，對于非晶體試樣是不存在的。2.3.3 相位襯度如果透射束與衍射束可以重新組合，從而保持它們的振幅和位相，則可直接得到產(chǎn)生衍射的那些晶面的晶格像，或者一個個原子的晶體結(jié)構像。相位襯度僅適于很薄的晶體試樣（100Å）。2.4 TEM的圖像類型2.4.1 一維結(jié)構像如果傾斜晶體，使電子束平行于某一晶面入射，就可以獲得一維衍射條件的花樣。使用這種衍射花樣，在最佳聚焦條件下

15、拍攝的高分辨率電子顯微像不同于晶格條紋像，含有晶體結(jié)構的信息。即將觀察像與模擬像對照，就可以獲得像的襯度與原子排列的對應關系?？芍苯訙y量晶面間距，觀察孿晶，晶粒間界，和長周期層狀晶體結(jié)構。圖2.6 Bi系超導氧化物的一維結(jié)構像2.4.2 二維晶格像如果電子束平行于某晶帶軸入射，就可以滿足二維衍射條件的衍射花樣。在透射波附近出現(xiàn)反映晶體單胞的衍射波。在衍射波和透射波干涉生成的二維像中，能觀察到顯示單胞的二維晶格像。該圖像雖然含有單胞尺度的信息，但不含原子尺度的信息，稱為晶格像。二維晶格像和實際晶體結(jié)構中原子或原子團的配置有很好的對應性，可直接觀察位錯和晶界結(jié)構。圖2.7 -碳化硅的二維晶格像2.

16、4.3 單原子像（高分辨像）在分辨率允許的范圍內(nèi)，盡可能多用衍射波成像，就可以使獲得的像中含有單胞內(nèi)原子排列的信息。一般結(jié)構像只有在比較薄的區(qū)域才能觀察到，但對于輕元素在較厚的區(qū)域也可以觀察到結(jié)構像?？梢灾苯佑^察到原子的位置排布。圖像的解釋往往需要借助嚴格的計算模擬，不是所有高倍的晶格條紋像都可與原子排列情況相吻合。圖2.8 氧化硅結(jié)構像 a: -氮化硅的結(jié)構像 c,e: -氮化硅的模擬像和原子排列2.4.4 TEM圖像解析問題TEM不同于光學顯微鏡，眼見不一定為真。因為，TEM所給的圖像只是一個2D圖像。要想解析一張TEM圖像要比得到一張圖更加困難。正如圖2.9所示，我們很難通過碳納米管2D

17、的TEM圖像判斷，這些負載材料是位于碳納米管的外表層還是內(nèi)表層。圖2.9 負載型碳納米管TEM圖像2.5 電子衍射TEM成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)兩種成像操作：一種是將物鏡的放大成像，即試樣形貌觀察；另一種是將物鏡背焦面的衍射花樣放大成像，即電子衍射分析。根據(jù)阿貝成像理論，在物鏡的后焦面上有衍射譜，可以通過減弱中間鏡電流來增大其物距，使其物平面與物鏡的后焦面相重合，這樣就可以把物鏡產(chǎn)生的衍射譜投到中間鏡的像平面上，得到一次放大的電子衍射譜，再經(jīng)過投影鏡的放大作用，最后在熒光屏上得到二次放大的電子衍射譜。TEM中的電子衍射，其衍射幾何與X射線的衍射完全相同，都遵循布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關系。衍射

18、方向可以由厄瓦爾德球（反射球）作圖求出。因此，許多問題可用與X射線衍射相類似的方法處理。2.5.1 電子衍射的優(yōu)缺點與X射線衍射相比較，電子衍射存在著以下的優(yōu)缺點：（1）使用電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構分析結(jié)合起來，特別適合微區(qū)的結(jié)構分析。（2）電子的波長短，單晶的電子衍射花樣婉如晶體倒易點陣的一個二維截面在底片上放大投影，從電子衍射花樣可直觀地辨認出一些晶體的結(jié)構以及取向關系，使得晶體結(jié)構的研究比X射線衍射的簡單。（3）物質(zhì)對電子散射主要是核散射，因此散射強，約為X射線一萬倍，曝光時間短。（4）電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強度分析變

19、得復雜，不能象X射線那樣通過測量衍射峰的強度來測定結(jié)構以及進行定量分析。（5）由于散射強度高導致電子透射能力有限，要求試樣必須很薄，這就使得試樣的制備工作較X射線復雜。（6）電子束衍射的角度小，測量晶體結(jié)構的精度方面也遠比XRD差。2.5.2 電子衍射花樣非晶質(zhì)樣品的電子衍射花樣是一些彌散的衍射環(huán)。多晶體的電子衍射花樣是一系列不同半徑的同心圓環(huán)。單晶體的電子衍射花樣是按一定周期重復排列的二維點陣。如圖2.10中所示。（a） （b） （c）圖2.10 電子衍射花樣圖（a）非晶質(zhì)樣品（b）單晶ZrO2（c）多晶MnO2第3章 TEM儀器組成與實驗方法3.1 儀器組成透射式電子顯微鏡的總體結(jié)構包括鏡

20、體和輔助系統(tǒng)兩大部分,鏡體部分包含:照明系統(tǒng)(電子槍,聚光鏡),成像系統(tǒng)(樣品室,物鏡,中間鏡1、2,投影鏡),觀察記錄系統(tǒng)(觀察室、照相室),調(diào)校系統(tǒng)(消像散器、束取向調(diào)整器、光闌)。輔助系統(tǒng)包含:真空系統(tǒng)(機械泵、擴散泵、真空閥、真空規(guī)),電路系統(tǒng)(電源變換、調(diào)整控制),水冷系統(tǒng)1。圖3.1為透射電鏡的鏡體外形結(jié)構示意圖。圖3.1 透射電子顯微鏡結(jié)構示意圖3.2 實驗方法3.2.1 TEM對樣品的要求1、粉末樣品基本要求（1）單顆粉末尺寸<1m，需要觀察高分辨圖像的以厚度在100nm以下為宜；（2）如果顆粒較大且不能磨碎，則必須無磁性，以不能被磁鐵吸起為好；（3）以無機成分為主，或者

21、是結(jié)構穩(wěn)定的有機物（如聚合物、生物大分子等）。不穩(wěn)定的有機物容易造成電鏡嚴重的污染，高壓跳掉等。（4）樣品中不能含有在真空中易揮發(fā)的成分（如油、高沸點的溶劑等）。2、塊狀樣品基本要求（1） 需要電解減薄或離子減薄，獲得幾十納米的薄區(qū)才能觀察；（2） 如晶粒尺寸小于1m，也可用破碎等機械方法制成粉末來觀察；（3） 必須無磁性；（4） 塊狀樣品制備復雜、耗時長、工序多、需要有經(jīng)驗的老師指導或制備；3.2.2 TEM常見制樣方法（1）粉末分散。這種方法適用于粉末材料。這種方法非常簡單，只要把材料在合適的溶劑里分散，然后轉(zhuǎn)移到帶有支撐膜的銅網(wǎng)上就可以了。脆性的塊體材料在研缽里粉碎后，也可以用這種方法制

22、樣。（2）離子減薄。把塊體材料研磨到很薄，然后放在離子減薄機內(nèi)用能量較高的離子束轟擊，直到穿孔?？椎倪吘墪幸恍┖鼙〉膮^(qū)域適合電鏡觀察。（3）電化學減薄。把材料研磨到比較薄，放在合適的電解液里，加上一定的電壓，過一段時間后，材料上就會有一部分被腐蝕掉，出現(xiàn)適合觀察的薄區(qū)。（4）超薄切片。把材料先用樹脂包埋，固化后用特制刀具切出很薄的碎片。把碎片漂浮在合適的液體表面，然后再轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上就可以了。（5）機械研磨。這通常是作為其它制樣方法的前期步驟，但是有時候也可以作為一種獨立的方法使用。比如使用拋光機把樣品磨成楔形，邊緣部位就會出現(xiàn)很薄的區(qū)域。（6）聚焦離子束刻蝕（FIB）。這是近年來新興的一種制

23、樣方法。在特殊的掃描電鏡里，用聚焦的鎵離子束對沿一定的路線對樣品轟擊，最后挖成一個薄片。這種方法最大的優(yōu)點是位置精確，對于需要在特定位置進行觀察的樣品尤其適用。（7）復形和萃取。這是比較古老的方法。復形就是復制形貌，有不同的操作方法，最終都是用碳膜把材料表面形態(tài)復制下來，然后噴鍍金屬增加襯度。萃取是把碳膜附著在材料表面，把材料腐蝕掉后，某些抗腐蝕的顆粒就粘附在膜上成為樣品。以下為常規(guī)粉末樣品的制備方法：根據(jù)需要選擇高質(zhì)量的普通碳膜、超薄碳膜或者微柵網(wǎng)（直徑均為3mm），這是關系到能否拍攝出高質(zhì)量高分辨電鏡照片的第一步；用鑷子小心取出碳膜，將膜面朝上（在燈光下觀察顯示有黑色光澤的面，即膜面），輕

24、輕平放在白色濾紙上；取適量的粉末和乙醇在瑪瑙研缽中研磨一段時間后（普通樣品最好能夠研磨至少10分鐘以上），密封于塑料管中超聲分散1030分鐘，用毛細滴管吸取少量粉末和乙醇的均勻混合液，滴23滴到碳膜上（本步驟需要特別注意乙醇懸浮液的濃度，一般情況下可以稍微濃一點，若太稀則會明顯影響觀察的效率，于統(tǒng)計學不利）。等10分鐘以上，以便乙醇揮發(fā)完畢，否則將樣品裝上樣品桿插入電鏡后將影響電鏡的真空。3.2.3 常規(guī)制樣要求(1) 樣品需置于直徑為3mm的銅制載網(wǎng)上，網(wǎng)上附有支持膜；(2) 樣品必須很薄，使電子束能夠穿透，一般厚度為100 nm 左右； (3) 粉末樣品或塊狀樣品事先都必須在瑪瑙研缽中充分

25、研磨后，放入乙醇中超聲分散30min以上，盡量保證樣品的厚度合適且分散均勻，減小納米顆粒之間的團聚。(4) 樣品一般應是固體，必須存在于水或其他溶劑中的特殊樣品無法直接應用常規(guī)TEM測試；(5) 樣品應有足夠的強度和穩(wěn)定性，在電子線照射下不至于損壞或發(fā)生變化；(6) 樣品及其周圍應非常清潔，以免污染而造成對圖像質(zhì)量的影響。(7) 較大顆粒的鐵磁性樣品不能進行TEM分析。3.2.4 生物樣品的染色技術常規(guī)TEM觀察條件下，未經(jīng)染色的生物樣品的襯度很差，特別是在高電壓和高放大倍數(shù)的觀察條件下。特別的，使用UHR極靴的也要比普通極靴的TEM襯度差。因此常需要對樣品染色處理6。正染色：利用重金屬鹽對樣

26、品浸染，使樣品中的細胞器或者大分子吸附不同數(shù)量的重金屬，增加各結(jié)構的電子密度，提高襯度。主要應用于細胞、組織一類生物材料的超薄切片染色觀察。正染色試劑為醋酸雙氧鈾，檸檬酸鉛。正染色時間一般為2030min。負染色：與前者相反，利用具有較高電子密度的重金屬鹽包圍樣品，以便在電子致密的灰色背景中反襯出低電子密度的白色樣品。染色過程中樣品與染劑并未發(fā)生作用。用于放置在支持膜上生物整體結(jié)構的染色，不被用于超薄切片染色。負染色試劑一般為醋酸雙氧鈾、磷鎢酸、甲酸鈾、鉬酸銨。負染色時間相對較短一般幾分鐘。第4章 TEM的評價及發(fā)展即便TEM有很多的優(yōu)點，為我們研究微觀世界提供了很多的便利，但是，其依然存在一

27、些缺點與局限。世界上很多研究者在針對這些缺點與局限進行著相關的研究，以使TEM不斷發(fā)展趨于完善。4.1 對TEM的評價4.1.1 TEM的優(yōu)點用TEM可以很好的觀察納米顆粒的形貌，尤其是尺寸在10nm以下的，如各類金屬顆粒、量子點的觀察等。并且，其具有極高分辨率，可方便地獲得材料的晶格條紋像乃至高分辨的原子像，結(jié)合選區(qū)電子衍射等手段可以對微區(qū)的晶體學特征、缺陷結(jié)構等進行詳細的研究。由于TEM具有很高的加速電壓，電子束能量較高，可以激發(fā)出很多信號，使得TEM可以配備多種其他分析手段以獲得樣品更全面的信息。如其可以結(jié)合EDS和EELS對樣品中的元素進行定量分析7, 8。并且，由于TEM的成像電子束

28、穿透樣品，因此在合適的制樣條件下可以有效反映出孔道結(jié)構、空心結(jié)構等的特點。4.1.2 TEM的缺點與局限常規(guī)TEM手段僅能獲得二維投影像，無法有效反映三維形貌及結(jié)構特征。很多時候僅憑二維圖像難以還原樣品的真實形貌特征。這是TEM區(qū)別于SEM的一個顯著特點。并且由于圖像中多種襯度可能同時存在，導致最后得到的投影圖像很可能出現(xiàn)誤導性的因素。這使得圖像解釋非常困難。TEM的制樣過程是一個破壞性制備過程。為了使電子束能夠穿過樣品，需要人為地把樣品減薄。而這實際上是個對材料的破壞過程，該過程有可能使樣品發(fā)生變化，以致最終看到的并非材料原先的性質(zhì)，而是制樣過程引入的假象。在TEM測試中使用電壓高達200k

29、V的高能電子束照射樣品，電子能量在105106eV量級，并且束流密度很高。實驗過程中大量高能量電子被持續(xù)地傾瀉到樣品上。雖然大部分電子會毫無遮擋地穿過樣品，其余的電子會和樣品里的原子發(fā)生碰撞，并且可能在碰撞時向原子傳遞能量。樣品吸收能量后可能出現(xiàn)多種變化，比如溫度升高，原子電離，原子移動等等。而這些變化又可能引發(fā)更多相關變化，比如相變，缺陷移動，結(jié)構崩塌，原子遷移甚至分解等等。TEM實驗是在真空環(huán)境中進行的，這與材料的真實應用環(huán)境存在差距。這種環(huán)境有可能會對材料的性質(zhì)或結(jié)構有影響，尤其是做表面研究的時候。TEM的內(nèi)部環(huán)境跟理想條件有差距，有時需要考慮這種差距的影響。TEM的另一個大缺點就是低采

30、樣率。由于TEM的觀察范圍很小，而且樣品很薄，實驗測試到的樣品區(qū)域只占整體材料的極小一部分。這個微小的區(qū)域未必能真實反映材料的性質(zhì)。因此，基于TEM實驗數(shù)據(jù)做結(jié)論的時候一定要慎重，必須仔細考慮所得實驗結(jié)果是否具有普遍意義。并且，由于球差等的存在使得TEM的分辨率一直達不到理想的狀態(tài)。4.2 TEM的發(fā)展4.2.1 原位TEM為了對反應過程中晶體的生長等過程進行觀察，原位TEM應運而生。原位TEM指的是一邊反應一邊進行TEM檢測。Christopher B. Murray9在表征納米晶生長和自組裝過程中取得突破，其利用原位TEM將此兩個過程完全動態(tài)實時的監(jiān)控下來了。Zheng Haimei等10

31、, 11在原位TEM方面也取得了長足的進步。4.2.2 3D拓撲重構技術常規(guī)TEM手段僅能獲得二維投影像，無法有效反映三維形貌及結(jié)構特征。很多時候僅憑二維圖像難以還原樣品的真實形貌特征。為了解決這個問題，3D拓撲重構技術應用的TEM分析上來，以構建樣品的三維圖像12, 13。4.2.3 球差校正TEM由前面第2章的介紹我們得知TEM的實際分辨率很難達到理想狀態(tài)，即約為入射電子波長的一般。這主要受到球差等的影響。為了提高TEM的分辨率球差矯正器得到研究，并且取得了可觀的成果14, 15。目前，日本學者15已經(jīng)將TEM的分辨率提到了0.67Å。除此之外，其還被應用到DNA的拍攝過程中，意

32、大利的學者16利用電子顯微鏡得到第一張DNA照片。第5章 總結(jié)校對報告當前使用的樣式是 化學通報當前文檔包含的題錄共19條有0條題錄存在必填字段內(nèi)容缺失的問題所有題錄的數(shù)據(jù)正常參考文獻 1 童超. 場發(fā)射槍透射電子顯微鏡主體鏡筒的設計分析D. 北京交通大學, 2011. 2 李斗星. 透射電子顯微學的新進展透射電子顯微鏡及相關部件的發(fā)展及應用J. 電子顯微學報. 2004(03): 269-277. 3 B W D, B C C. Transmission Electron Microscopy：A Textbook for Materials Science. M. New York: Sp

33、ringer Science & Business Media, 1996. 4 西門紀業(yè)，葛肇生. 電子顯微鏡的原理和設計M. 北京: 科學出版社, 1979. 5 邱棣華. 材料力學M. 北京: 高等教育出版社, 2004. 6 付洪蘭. 實用電子顯微鏡技術M. 北京: 高等教育出版社, 2004. 7 Quintana C, Marco S, Carrascosa J L. Evaluation of the analytical and imaging performances of a non-dedicated TEM equipped with a parallel electron energy loss spectrometer (PEELS) and image filter (IF)J. JOURNAL OF TRACE AND MICROPROBE TECHNIQUES. 1997, 15(2): 175-188. 8 Tsuno K. ELECTRON-OPTICAL ANALYSIS OF A HIGH-RESOLUTION ELECTRON-ENERGY LOS