透射電子顯微鏡應(yīng)用

1、關(guān)于透射電子顯微鏡的應(yīng)用第一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月緒論 電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1 電子顯微鏡發(fā)展簡(jiǎn)史2 電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用3 其他顯微技術(shù)的發(fā)展第二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月制造者荷蘭眼鏡制造商Janssen英國(guó)科學(xué)家和發(fā)明家羅伯特.胡克荷蘭業(yè)余科學(xué)家列文.虎克德國(guó)物理學(xué)家Knoll和RuskaArdenne德國(guó)Siemens公司英國(guó)劍橋科學(xué)儀器有限公司中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器廠瑞士科學(xué)家Binnig、Rohrer、Gerber和Weible中國(guó)科學(xué)院白春禮年代159016651665193219381939196

2、51959197519811990顯微鏡發(fā)明了放大20-30倍的復(fù)式光學(xué)顯微鏡自制復(fù)式顯微鏡。觀察軟木薄片，第一次描述植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)利用小型高倍透鏡制成簡(jiǎn)單顯微鏡，放大倍數(shù)達(dá)300倍，觀察動(dòng)植物活細(xì)胞與原生動(dòng)物，第一次看到許多單細(xì)胞生物。研制成功第一臺(tái)透射電子顯微鏡研制成功第一臺(tái)掃描電子顯微鏡生產(chǎn)了第一臺(tái)商品用的透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡作為商品問(wèn)世研制成功第一臺(tái)透射電子顯微鏡研制成功第一臺(tái)掃描電子顯微鏡發(fā)明掃描隧道顯微鏡主持研制成功首臺(tái)原子力顯微鏡表1-1 顯微鏡發(fā)展簡(jiǎn)史 第三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表1-2 電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 年代193419461947194919

3、50195219561953195519561956195819591961195719631939193919621971197419771978研究者M(jìn)arotnWilliams和WyckoffClaudeLatta和HartmannPalade Palade和SiekevitzPorter和BlumMoranHall和HuxleyLuftGlauertWatsonMoranLuffSteereSabatini及同事Kauschehe和RuskaHorisbergerFeldherr和MarshalFaulk和TaylorRomano及同事Horisberger及同事Rpth及Benday

4、an電子顯微鏡技術(shù)發(fā)表了第一張生物組織茅膏菜屬植物葉切片的電子顯微圖將金屬投影用于增加電鏡圖象反差開(kāi)始使用鈾固定劑甲基丙烯酸酯被用作包埋介質(zhì)用玻璃刀進(jìn)行組織切片將緩沖液與鋨酸混合，作為組織固定液用電子顯微鏡分析細(xì)胞碎片介紹切片機(jī)和切片技術(shù)使用鉆石刀進(jìn)行超薄切片，并創(chuàng)立冷凍超薄切片術(shù)以磷鎢酸為負(fù)染色劑觀察了灌木病毒及煙草花葉病毒的超微結(jié)構(gòu)高錳酸鉀作為固定劑環(huán)氧樹(shù)脂作為包埋介質(zhì)介紹用重金屬鉛和鈾對(duì)組織切片進(jìn)行染色采用冷凍置換技術(shù)制備生物樣品介紹Epon包埋介質(zhì)開(kāi)始研究冷凍斷裂技術(shù)用戊二醛作預(yù)固定液保存細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及活性，進(jìn)行細(xì)胞化學(xué)方面研究對(duì)蛋白質(zhì)吸附于膠體金進(jìn)行探討將蛋白質(zhì)吸附于膠體金方法用于掃

5、描電子顯微鏡膠體金顆粒作為一種示蹤物用于電子顯微技術(shù)研究膠體金作為抗血清特異標(biāo)記物用于透射電子顯微鏡首次制備蛋白質(zhì)A-金復(fù)合物建立了制備免疫球蛋白-金顆?；痉椒ㄌ岢霭窈竺庖呓饦?biāo)記技術(shù)第四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Early days of electron microscopy第五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Microsocopy techniques developped第六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月掃描隧道顯微技術(shù)(STM)原子力顯微技術(shù)(AFM)激光掃描共焦顯微技術(shù)第七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月掃描隧道顯微技術(shù)(STM)原

6、子力顯微技術(shù)(AFM)激光掃描共焦顯微技術(shù)利用量子力學(xué)中隧道效應(yīng)產(chǎn)生隧道電流信號(hào)，獲得反映樣品表面原子形態(tài)結(jié)構(gòu)和原子排列圖象。具有原子尺度的高分辨率。可以觀察單原子層的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)圖象，并能在大氣、真空甚至液體環(huán)境中觀察自然狀態(tài)下的樣品表面結(jié)構(gòu)，因而在半導(dǎo)體、金屬、無(wú)機(jī)材料及生物學(xué)研究等方面有廣闊的應(yīng)用前景。第八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月掃描隧道顯微技術(shù)(STM)原子力顯微技術(shù)(AFM)激光掃描共焦顯微技術(shù)通過(guò)微懸臂上的針尖在樣品表面掃描，使針尖與凹凸不平的樣品表面的頂端原子相互摩擦產(chǎn)生原子力。在掃描過(guò)程中，微懸臂的上下起伏與等位面的樣品形貌相互對(duì)應(yīng)，所以可通過(guò)針尖與微懸臂之間的隧

7、道電流變化，得到樣品表面形貌信息。其分辨率可與透射電鏡相比擬。AFM不但能通過(guò)探測(cè)原子間作用力觀察絕緣體，還可在生物環(huán)境中直接觀察生物樣品表面結(jié)構(gòu)。第九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月掃描隧道顯微技術(shù)(STM)原子力顯微技術(shù)(AFM)激光掃描共焦顯微技術(shù)利用共焦光路及激光掃描，在觀察較厚樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或直接觀察細(xì)胞時(shí)，可使所選定的不同層面每一焦點(diǎn)面影象清晰，從而得到細(xì)胞不同切面上的一系列圖象，經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)快速分析處理，即可重組出樣品三維立體圖象，展現(xiàn)細(xì)胞瞬間變化的形態(tài)結(jié)構(gòu)。第十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 電子顯微鏡之父 E.Ruska 世界上第一臺(tái)電子顯微鏡第十一張，

8、PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 電子顯微鏡的基本原理 第一節(jié) 電子光學(xué)的基本知識(shí)第十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月分辨率: 能夠區(qū)分的相鄰兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離。用d表示。人眼的分辨率 正常人眼在明視距離（250mm）的分辨率是0.2mm。光學(xué)顯微鏡的分辨率和有效放大1. Airy圓盤 若有兩個(gè)點(diǎn)光源,其一光斑的中央極大值點(diǎn)恰與另一光斑的第一極小值點(diǎn)重合，則這兩個(gè)點(diǎn)光源正好是可以分辨的，故可以定義分辨率d為Airy圓盤的半徑。 第十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 為照明光的波長(zhǎng)；n為透鏡和樣品之間介質(zhì)的折射率，為入射孔徑角，即光線從樣品進(jìn)入透鏡的半張角。

9、nsin稱為數(shù)值孔徑，用NA表示。光學(xué)顯微鏡的NA值最大不超過(guò)1.5，因此d0.5。即分辨率約為光波波長(zhǎng)的一半。d0.61/nsin0.61/NA 可見(jiàn)光波長(zhǎng)為400700nm，人眼對(duì)綠光（500nm左右）比較敏感，故光學(xué)顯微鏡的分辨率約為250nm即2500 左右。2. 顯微鏡的有效放大倍數(shù):人眼的分辨率與顯微鏡的分辨率之比值，即M有d人d儀。3. 空放大:超過(guò)儀器有效放大倍數(shù)以外的放大第十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電子束 真空中相對(duì)集中而高速運(yùn)動(dòng)著的電子流。 一切微觀粒子都具有波粒二象性 一個(gè)動(dòng)量為P，能量為E的自由運(yùn)動(dòng)粒子，相當(dāng)于一個(gè)波長(zhǎng)為=h/p=h/mv，沿粒子運(yùn)動(dòng)

10、方向傳播的平面波。 電子槍發(fā)射的電子，由靜止?fàn)顟B(tài)被電壓V加速，以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能為1/2mv2，根據(jù)能量守恒定律有 E=eV=1/2mv2電子質(zhì)量m=9.11031kg，電子帶電量e=1.61019庫(kù)侖；普朗克常量h=6.61034焦耳秒?？赏频茫杭磁c所處電場(chǎng)電壓的平方根成反比.當(dāng) V= 50kV時(shí),可計(jì)算出0.055 =0.0055nm V=100kV時(shí),可計(jì)算出0.039 =0.0039nm第十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月分辨率0.1nm超高壓透射電鏡JEM-ARM1250第十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 1926年德國(guó)科學(xué)家布施指出帶電粒子在旋轉(zhuǎn)軸

11、對(duì)稱的電場(chǎng)或磁場(chǎng)中有聚焦作用。 高速運(yùn)動(dòng)的電子流，具有波動(dòng)性和可折射性電子顯微鏡的理論基礎(chǔ)。電子束在磁場(chǎng)或電場(chǎng)中的性質(zhì)電子束的穿透力 高真空 100nm(100kv以下的EM)電子束的激發(fā)熒光 熒光屏電子束的放射性 鉛防護(hù)第十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電子透鏡 包殼透鏡 電子透鏡靜電子透鏡 磁電子透鏡 恒磁透鏡 電磁透鏡 螺線管線圈 極靴透鏡 具有軸對(duì)稱彎曲磁場(chǎng)裝置構(gòu)成的電子透鏡第十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電子透鏡的理想成像： 理想成像是指物與像是一一對(duì)應(yīng)的，即物平面上任一點(diǎn)都可在像平面上找到與其相對(duì)應(yīng)的一點(diǎn)

12、，物與像是幾何相似的關(guān)系，他們之間的差異只是相差放大倍數(shù)M。 理想成像只有在滿足下列成像條件時(shí)才成立： (1)場(chǎng)分布是嚴(yán)格的軸對(duì)稱； (2)電子是旁軸電子, 即發(fā)射出的電子離軸很近（為微米數(shù)量級(jí)），電子束與軸的夾角很?。s103數(shù)量級(jí)）； (3)電子的速度相等。第二十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電磁透鏡的像差： 像差: 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)和理想光學(xué)系統(tǒng)成像的差別，像差的大小標(biāo)志光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，是影響電子顯微鏡提高分辨能力的重要因素。 像差球差畸變像散色差衍射差第二十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月像差球差畸變像散色差衍射差是由于透鏡邊緣與中央部分匯聚能力有差異造成, 當(dāng)磁

13、場(chǎng)會(huì)聚由同一物點(diǎn)發(fā)出的電子束時(shí)，大孔徑角的電子會(huì)聚的快一些（焦距短），而對(duì)小孔徑角的電子會(huì)聚的慢一些（焦距長(zhǎng)），于是在原來(lái)理想的像點(diǎn)附近形成了一個(gè)彌散的小球，所以這種像差稱為球差。在電鏡中采用光闌限制球差，使其成為一個(gè)圓斑，在焦點(diǎn)處為一最小彌散圓斑。球差只能減小不能消除. 要減少球差，只有縮小孔徑角，即用最小孔徑光闌。第二十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月像差球差畸變像散色差衍射差是由于透鏡邊緣部分比中心部分聚焦能力強(qiáng)，致使物上各點(diǎn)像的放大倍數(shù)，邊緣與中心部分的放大倍數(shù)不一樣,圖象清晰,圖形扭曲.畸變現(xiàn)象主要發(fā)生在較低倍的情況下第二十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月像差

14、球差畸變像散色差衍射差是由于材料性質(zhì)欠佳或加工精度不良致使場(chǎng)分布呈非軸對(duì)稱而造成的。對(duì)圖像的影響表現(xiàn)為使互相垂直的兩個(gè)電子束聚焦能力不同，放大倍率也不同，所以物點(diǎn)的像變成一橢圓形，可用消像散器予以補(bǔ)償矯正。另外光闌和極靴孔的污染也會(huì)引起像散，這可以采用清洗方法予以消除。第二十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月像差球差畸變像散色差衍射差色差也叫波長(zhǎng)差，是由于透鏡使不同速度電子聚焦和像轉(zhuǎn)角的能力不同而造成的。當(dāng)電鏡加速電壓的電壓或電流有波動(dòng)時(shí)，將引起電子束波長(zhǎng)的變化，這時(shí)將產(chǎn)生色差?？梢圆捎枚嗉?jí)穩(wěn)壓電源來(lái)去除色差.第二十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月像差球差畸變像散色差衍射

15、差是由小孔電子衍射效應(yīng)造成的像差，是限制分辨率的重要因素。第二十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 球差、衍射差是限制提高電鏡分辨率的主要因素，雖然可以采取措施減少上述各因素對(duì)分辨率的影響,但由于消除誤差要求的措施有時(shí)是矛盾的，所以實(shí)際上電鏡分辨率也是有限制的。 d= dC + dD = 0.4Cs 3 + 0.61 / 例如，為減少球差，光闌孔徑越小越好，但光闌孔越小，衍射圓斑越大，二者是矛盾的. 目前比較理想的電鏡分辨率為2.5 ，有效放大倍數(shù)為d人/d儀=0.2mm/2 =100萬(wàn)倍電子顯微鏡的實(shí)際分辨率第二十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖象的分辨率與加速電壓有

16、關(guān)，加速電壓越高，電子的波長(zhǎng)越短，圖象的分辨率越好圖象的襯度（反差）與加速電壓有關(guān)，加速電壓越高，電子的穿透性越大，圖象的襯度越差空間分辨率與電子槍有關(guān)，利用場(chǎng)發(fā)射槍高亮度的特點(diǎn)，可進(jìn)行高空間分辨率的觀察（微區(qū)成分、晶體結(jié)構(gòu)分析）同一個(gè)加速電壓下，場(chǎng)發(fā)射電鏡和六硼化鑭電鏡，圖像的分辨率也相同第二十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 電子與固體樣品的相互作用 電子入射固體樣品時(shí)，與樣品物質(zhì)原子及核外電子發(fā)生彈性散射或非彈性散射作用，并產(chǎn)生帶有樣品信息的各種訊號(hào)，入射電子在樣品中運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散情況，激發(fā)作用和能量傳遞過(guò)程如圖所示。 a一次電子擴(kuò)散的范圍和信息產(chǎn)生層次 b各種信息的應(yīng)用1

17、.入射電子束 2.樣品 3.鋨歇電子 4.二次電子 5.背散射電子 6.X射線 7.陰極發(fā)光 8.吸收電子 9.透射電子 10.大角度彈性散射電子 11.非彈性散射電子12.小角度彈性散射電子第二十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、透射電子（TE） 就原子之間的距離（1 ）和原子核及周圍電子的大小（105106 ）而言， 物質(zhì)本身實(shí)際是一個(gè)幾乎完全空的空間，如果樣品足夠薄（小于0.1m），那么入射電子就能夠通過(guò)樣品，將通過(guò)樣品的電子叫作透射電子。入射電子在通過(guò)樣品時(shí)，帶有樣品內(nèi)部不同的信息，轉(zhuǎn)換成圖像即透射電子像。 透射電子的能量是由加速電壓值決定的。常壓電鏡透射電子能量非常小，

18、僅能穿透幾毫米厚的空氣層或1m左右的水，不能通過(guò)較厚樣品。因此常壓透射電子像，只能用于觀察超薄切片（厚度500600 左右）或很小顆粒及薄膜樣品。高壓或超高壓電鏡可用于觀察厚樣品，但成本高，應(yīng)用還不普遍。二、二次電子（SE） 樣品物質(zhì)原子的核外電子受入射電子激發(fā)后，逸出樣品表面時(shí)，就稱為二次電子。二次電子可在距樣品表面500 深度內(nèi)產(chǎn)生，但由于樣品的吸收等作用，只是在距表面100 深度內(nèi)的二次電子才能逸出樣品表面，成為二次電子信號(hào)。二次電子是掃描電鏡觀察樣品表面形貌的主要信號(hào)，所攜帶的信息是通過(guò)顯像管顯示的。二次電子數(shù)量的多少?zèng)Q定顯像管的亮度和反差，二次電子數(shù)量越多，圖像質(zhì)量越好。第三十張，P

19、PT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、X射線（倫琴射線） 核外電子發(fā)生躍遷時(shí)，其剩余能量既可以俄歇電子形式釋放，又可以電磁波形式輻射出樣品。當(dāng)以輻射形式釋放時(shí)，其波長(zhǎng)在0.1100 范圍內(nèi)，這種電磁波位于紫外線和射線之間，是由德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的，所以也稱為倫琴射線。 分析表明有兩種X射線譜，一種是連續(xù)的，從某一短波開(kāi)始一直伸展到長(zhǎng)波方面：另一種是不連續(xù)的，它只有幾條特殊的譜線，是樣品物質(zhì)原子的內(nèi)層電子狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)所產(chǎn)生的輻射，也稱為“標(biāo)識(shí)X射線譜”。利用標(biāo)識(shí)X射線可以對(duì)樣品進(jìn)行定性或定量分析，用于分析的儀器主要有兩種，一種是波長(zhǎng)分散譜儀（WDX），另一種是能量分散譜儀（EDX）。三、俄歇電

20、子（AE） 俄歇電子的產(chǎn)生可用下例說(shuō)明，設(shè)K層電子被入射電子激發(fā)逸出樣品，L2層的某一電子躍遷補(bǔ)充被激發(fā)的K層電子的空位，則其能量差為EEL1EK。若此能量E傳遞給L2層的另外一個(gè)電子，并使其由于獲得能量E而逸出樣品，則此電子就稱為俄歇電子。每種元素的各能級(jí)間的俄歇電子的能量都是常數(shù)，如碳的KL2L2俄歇電子能量為273eV，因此可利用檢測(cè)俄歇電子進(jìn)行元素分析。第三十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、背散射電子（BE） 背散射電子是入射電子與樣品成分發(fā)生彈性碰撞之后，被反射回的電子，能量較高。背散射電子的產(chǎn)生及其數(shù)量與入射電子能量、樣品成分、入射角等有關(guān)，利用背散射電子訊號(hào)可以觀

21、察樣品表面形貌和成分差異的圖像，分辨能力低于二次電于像。六、吸收電流 入射電子與樣品作用后，有一部分電子能量消耗殆盡之后便被樣品吸收，成為吸收電子。收集并適當(dāng)處理吸收電子，使其顯像即吸收電流像。吸收電子的產(chǎn)量恰與二次電子或者散射電子相反，所以吸收電流像與二次電子像或背散射電子像是相反的，也是互補(bǔ)的，吸收電子像無(wú)陰影效果，反差柔和，適宜于觀察樣品形貌，組分差異及晶體取向等。七、陽(yáng)極熒光 某些物質(zhì)，如硫化鋅晶體、熒光粉等，受到電子轟擊后，會(huì)被激發(fā)出具有一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的熒光，收集、檢測(cè)熒光信號(hào)，放大、分析并顯示其圖像，可用來(lái)研究該物質(zhì)的發(fā)光區(qū)域、成分、含量、結(jié)構(gòu)等。第三十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作

22、于2022年6月第三十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二章 透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理第三十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 電子顯微鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，使物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)下成像的儀器。電子顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡第三十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月透射電子顯微鏡：簡(jiǎn)稱透射電鏡，是一種現(xiàn)代綜合性大型分析儀器，在現(xiàn)代科學(xué)、技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)工作中被廣泛地使用。它是一種電子束透過(guò)樣品而直接成像的電鏡。使用短波長(zhǎng)的入射電子束與樣品作用后產(chǎn)生的透射電子(主要是散射電子)為信號(hào)，通過(guò)電磁透鏡將其聚

23、焦成像，并經(jīng)過(guò)多級(jí)放大后，在熒光屏上顯示出反映結(jié)構(gòu)信息的電子圖像。透射電鏡的特點(diǎn)是分辨率高，已接近或達(dá)到儀器的理論極限分辨率(點(diǎn)分辨率0203nm，晶格分辨率0102 nm)；放大倍率高，變換范圍大，可從幾百倍到上百萬(wàn)倍；圖像為二維結(jié)構(gòu)平面圖像，可以觀察非常薄的樣品(樣品厚度為5070 nm左右)；樣品制備以超薄切片為主，操作比較復(fù)雜。透射電鏡適用于樣品內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)及樣品外形(狀)的觀察，也可進(jìn)行納米樣品粒徑大小的測(cè)定。第三十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TEM主要技術(shù)參數(shù)包括:a) 加速電壓。加速電壓的高低決定了電子束透樣品的能力。電壓越高，就能穿透更厚的樣品。b) 燈絲種類。

24、現(xiàn)在最常用的燈絲依然是LaB6,最近場(chǎng)發(fā)射槍電子顯微鏡開(kāi)始普及。c) 分辨率,又叫分辨本領(lǐng)。其中又分為點(diǎn)分辨、線分辨率、信息分辨率等多個(gè)參數(shù)。通常我們最關(guān)心的是點(diǎn)分辨率。d) 放大倍率。增加中間鏡的數(shù)量，我們幾乎可無(wú)限制地增加電子顯微鏡的放大倍率。但是，電子顯微鏡的分辨率是由其加速電壓、物鏡球差、色差數(shù)等參量所決定的，無(wú)限制地增加放大倍率只能我們得到一張模糊的圖像。同時(shí),圖像的亮度將隨倍率的提高而降低，這對(duì)實(shí)驗(yàn)工作不利。所以，現(xiàn)在TEM的最大放大倍率都只在一百萬(wàn)倍左右。第三十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月e) 樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)角。在研究晶體材料時(shí),我們經(jīng)需要傾轉(zhuǎn)樣品,以尋找合適的電子束

25、入射方向。轉(zhuǎn)角的大小取決于樣品臺(tái)和物鏡極靴種類。作為分析型透射電子顯微鏡，我們通常需要較大的傾角，在兩個(gè)方向上均大于30度。但是大角度傾轉(zhuǎn)需較大的物鏡極靴空間，而這樣做就要以降低分辨率為代價(jià)的。因此，必須根據(jù)自己工作的要求找到一個(gè)適合的平衡點(diǎn)，購(gòu)買適合自己工作需要的TEM。f) 其它附加設(shè)備。作為一個(gè)綜合性分析儀器，TEM除了可以進(jìn)行圖像觀測(cè)和進(jìn)行衍射分析外，還可以通過(guò)附加一些設(shè)備，以增強(qiáng)其功能。 第三十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月儀器名稱：透射電子顯微鏡生產(chǎn)廠家：荷蘭Philips公司儀器型號(hào)：Tecnai 12主要附件： Gatan 792 CCD性能指標(biāo)：最大放大倍數(shù)：6

26、5萬(wàn)倍點(diǎn)分辨率： 0.24nm線分辨率： 0.14nm最高加速電壓： 120KV第三十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TEM的結(jié)構(gòu)第四十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 TEM的鏡筒(Column)主要有三部分所構(gòu)成: (1)光源，即電子槍; (2)透鏡組，主要包括聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡; (3)觀察室及照相機(jī)第四十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 電子槍的作用在于產(chǎn)生足夠的電子,形成一定亮度以上的束斑,從而滿足觀察的需要。透射電子顯微鏡的電子槍主要有三種類型。 a)鎢絲槍; b)六硼化鑭(LaB6)槍; c)場(chǎng)發(fā)射槍。 鎢絲就是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫陌谉?/p>

27、燈的發(fā)光燈絲，價(jià)格極為低廉。但是鎢燈絲的壽命極短，連續(xù)使用時(shí)只有數(shù)十小時(shí)。而且鎢燈絲發(fā)出的電子束的單色性很差，亮度也很低。 LaB6燈絲的壽命大大長(zhǎng)于鎢燈絲，可達(dá)半年以上，甚至可以使用數(shù)年。LaB6燈絲的單色性和亮度也都大大地優(yōu)于鎢燈絲，是現(xiàn)在TEM中最為常用的燈絲。 近幾年來(lái),場(chǎng)發(fā)射槍TEM有了逐步普及的趨勢(shì)。場(chǎng)發(fā)射槍的燈絲壽命更可長(zhǎng)達(dá)一至兩年之久，其單色性及亮度均非鎢燈絲或LaB6燈絲所可比擬，因此是一種極好的電子光源。但是，場(chǎng)發(fā)射槍TEM的價(jià)格昂貴，成為普及的主要障礙。第四十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月陰極即燈絲，通常用直徑為0.10.12mm的鎢絲制成，呈點(diǎn)狀或發(fā)叉形（

28、也稱V形）。燈絲通電加熱到2227（2500K）以上時(shí)，燈絲尖端開(kāi)始發(fā)射熱電子，在陽(yáng)極電壓的作用下加速到極高的速度。除這種常用的熱發(fā)射鎢燈絲以外，現(xiàn)在還有六硼化鑭（LaB6）陰極和場(chǎng)發(fā)射鎢單晶陰極，它們的亮度和壽命要比普通燈絲提高很多。電子槍陰極柵極陽(yáng)極第四十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月也稱負(fù)偏壓柵極，是由一個(gè)中央有孔的圓金屬筒構(gòu)成，或稱為韋氏圓筒（Wehnelt），它處于相對(duì)于陰極100500V的電位，用以控制電子發(fā)射強(qiáng)度和電子束的形狀。電子槍陰極柵極陽(yáng)極-+Filament第四十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電子槍陰極柵極陽(yáng)極陽(yáng)極上加有幾十千伏或更高的正電位，

29、其作用是使電子加速。第四十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 透鏡組的作用在于將電子束會(huì)聚到樣品上，然后將從樣品上透射出來(lái)的電子束進(jìn)行多次放大、成像。透鏡組的作用完全與光學(xué)顯微鏡中的透鏡一樣?，F(xiàn)代TEM基本上都是使用磁透鏡，這樣，只要適當(dāng)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度,就可以得到不同的工作模式?，F(xiàn)在TEM最常見(jiàn)的工作模式有兩種，即成像模式和衍射模式。在成像模式下，我們可以得到樣品的形貌、結(jié)構(gòu)等信息，而在衍射模式下，我們可以對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。目前新一代TEM還都備有一些新的工作模式，如會(huì)聚束電子衍射模式和微區(qū)電子衍射模式。 通過(guò)TEM中的熒光屏,我們可以直接幾乎瞬時(shí)觀察到樣品的圖像或衍射花樣。我們可以

30、一邊觀察,一邊改變樣品的位置及方向,從而找到我們感興趣的區(qū)域和方向。在得到所需圖像后,可以利用相機(jī)照相的方法把圖像記錄下來(lái)?，F(xiàn)在新一代TEM也有的裝備了數(shù)字記錄系統(tǒng),可以將圖像直接記錄到計(jì)算機(jī)中去,這樣可以大大提高工作效率。第四十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月真空排氣部分（一）真空的必要性和真空單位 電鏡要求電子通道必須是真空，這個(gè)真空度的優(yōu)劣是決定電鏡能否正常工作的重要因素之一，真空一般是指“低于大氣壓的特定空間狀態(tài)”，理想的真空是沒(méi)有的。一個(gè)大氣壓即760mm汞柱，將1mm汞柱

31、定為真空度的單位，稱為“Torr”，翻譯成“乇”或“托”。（二）真空的獲得 真空是用真空泵來(lái)獲取的，真空泵能降低相連容器中的壓力，使容器中的分子密度降低。衡量真空泵的性能有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是由空間向外排氣的速度：另一個(gè)是空間內(nèi)達(dá)到的真空度。常用的真空泵有兩種，一種叫作旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵，另一種是油擴(kuò)散泵，電鏡中的真空是將兩種泵串接起來(lái)同時(shí)工作，共同完成的。第四十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵（RP）：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵也稱油旋轉(zhuǎn)泵，能獲得102103Torr的低真空度，它可以在大氣壓下使用。機(jī)械泵排氣速度較低（中型的150Lmin），真空度只能達(dá)到103Torr（1.3310lp

32、a）左右，所以只能用它獲得粗真空和為油擴(kuò)散泵提供背壓。2油擴(kuò)散泵（ODP）：油擴(kuò)散泵最高真空度可達(dá)106Torr以上。排氣速度可達(dá)280L秒。較好的電鏡通常用兩個(gè)油旋轉(zhuǎn)泵，一個(gè)固定抽貯氣筒和油擴(kuò)散泵的低真空，使擴(kuò)散泵一直保持良好的真空狀態(tài)；另一只泵動(dòng)閥門轉(zhuǎn)換，以抽各部分低真空。3.離子泵（IGP）真空度可達(dá)10-12Torr4.分子泵（TMP）真空度可達(dá)10-10Torr第五十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 從電子槍發(fā)射出的電子入射樣品時(shí)，與樣品物質(zhì)原子及核外電子發(fā)生彈性散射或非彈性

33、散射作用，產(chǎn)生很多帶有樣品信息的電信號(hào)，如透射電子、散射電子、二次電子等。與透射電鏡成像有關(guān)的信息透射電子非彈性散射電子小角度彈性散射電子透射電鏡的成像原理第五十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月透射電鏡的成像原理透射電鏡成像的實(shí)質(zhì)是用不帶有信息的電子射線，在通過(guò)樣品時(shí)和樣品發(fā)生作用，而當(dāng)電子射線在樣品另一方重新出現(xiàn)時(shí)，已帶有有關(guān)樣品的信息，然后進(jìn)行放大處理，使人們能夠看見(jiàn)并進(jìn)行解釋。人眼對(duì)光強(qiáng)度（振幅反差）和波長(zhǎng)（色反差）的變化是敏感的，它能直接解釋光學(xué)顯微鏡給出的信息，但對(duì)于電子顯微鏡來(lái)說(shuō)卻不能直接解釋。目前只能把電子所帶的信息轉(zhuǎn)變成光強(qiáng)度的振幅反差形成黑白圖像。把電子波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變成

34、顏色是不行的，因此電子顯微鏡照片都是單色的。第五十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 透射電鏡的像反差是由入射電子通過(guò)樣品時(shí)，發(fā)生的散射吸收差、衍射差和相位差來(lái)決定的。生物樣品的反差主要由物質(zhì)的質(zhì)量厚度決定。 振幅反差： 質(zhì)量厚度=樣品密度樣品厚度， 質(zhì)量厚度大，透過(guò)電子少，熒光屏形成暗區(qū)； 質(zhì)量厚度小，透過(guò)電子多，熒光屏形成亮區(qū)。 這就形成了明暗不同的振幅反差。這種反差是通過(guò)電子激發(fā)熒光粉形成可見(jiàn)光（光強(qiáng)不同）反映到人眼的。 第五十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月晶體樣品的成像與反差 晶體樣品的反差是由衍射效應(yīng)產(chǎn)生的，由

35、于入射電子同晶體樣品作用時(shí)，晶體的原子使電子作彈性散射，在某一定方向處形成一很強(qiáng)的衍射束，使直接透射部分的電子束強(qiáng)度分布起了變化。如果物鏡光闌把衍射束擋住，而只讓透射束通過(guò)成像，這時(shí)形成的反差就是衍射反差，像是明場(chǎng)像。晶體樣品中的強(qiáng)衍射區(qū)對(duì)應(yīng)于像上的亮區(qū)，而背景是暗的；如果晶面族產(chǎn)生的衍射束未被物鏡光闌擋住，其透射束被擋住，這時(shí)形成暗場(chǎng)像。所以在厚度均勻的多晶樣品中，在同一電子束照射下，不同的晶?？沙尸F(xiàn)亮暗不同的顆粒，這是由于它們相對(duì)于入射電子束的取向不同可造成明場(chǎng)和暗場(chǎng)像，如果稍改變樣品的傾斜程度即可改變陰暗場(chǎng)。在研究晶體樣品的缺陷時(shí)多用衍射反差。第五十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022

36、年6月 陰極燈絲加熱至2500K 發(fā)射熱的電子束 經(jīng)聚光鏡聚束 投射到樣品 物鏡進(jìn)行第一級(jí)放大 中間鏡第二級(jí)放大 投影鏡第三級(jí)放大 最終成像于熒光板上 照相 透射電子顯微鏡鏡筒部分的工作過(guò)程第五十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三章 透射電子顯微鏡的應(yīng)用第五十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電鏡兩大應(yīng)用領(lǐng)域：一、材料科學(xué): 高分辨率、高性能、成份和結(jié)構(gòu)分析 （物理、化學(xué)、化工、冶金、材料、半導(dǎo)體、地質(zhì)、礦產(chǎn)、 石油、紡織、輕工、考古、航天、外貿(mào)） 二、生命科學(xué): 中等分辨率、保真性、生化物質(zhì)定位 （生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、法醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、 水產(chǎn)、環(huán)保、食品）第

37、六十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(a)利用質(zhì)厚襯度(又稱吸收襯度)像,對(duì)樣品進(jìn)行一般形貌觀察; (b)利用電子衍射、微區(qū)電子衍射、會(huì)聚束電子衍射物等技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析,從而確定材料的物相、晶系,甚至空間群;(c)利用高分辨電子顯微術(shù)可以直接“看”到晶體中原子或原子團(tuán)在特定方向上的結(jié)構(gòu)投影這一特點(diǎn),確定晶體結(jié)構(gòu);(d)利用衍襯像和高分辨電子顯微像技術(shù),觀察晶體中存在的結(jié)構(gòu)缺陷,確定缺陷的種類、估算缺陷密度;(e)利用TEM所附加的能量色散X射線譜儀或電子能量損失譜儀對(duì)樣品的微區(qū)元素成分進(jìn)行分析;(f)利用帶有掃描附件和能量色散X射線譜儀的TEM,或者利用帶有圖像過(guò)濾器的TEM,

38、對(duì)樣品中的元素分布進(jìn)行分析,確定樣品中是否有成分偏析.第六十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月X射線能量色散譜儀（能譜EDS） 分析速度快，檢測(cè)1000ppm, Z5（無(wú)鈹窗） X射線波長(zhǎng)色散譜儀（波譜LDS） 分辨率高，檢測(cè)100ppm, Z1，分析速度慢 第六十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月能譜系統(tǒng)(EDS)特征X射線 (Characteristic X-ray)內(nèi)殼層電子被轟擊后跳到比費(fèi)米能高的能級(jí)上，出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子填入時(shí)，作為多余的能量放出的就是特征X射線 特征X射線具有元素的固有能量，根據(jù)它可以確定元素的種類，另外，根據(jù)譜的強(qiáng)度就可以確定其含量。

39、特征X射線有兩種展成譜的方法，即X射線能量色散譜方法(EDS)和X射線波長(zhǎng)色散譜方法(WDS)EDS的分辨率約為135eV，比EELS(能損譜系統(tǒng))和WDS低12個(gè)數(shù)量級(jí)，輕元素只能定性分析，但探測(cè)效率高，價(jià)格適中，約為US$60,000.-左右第六十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月能損譜系統(tǒng)(EELS)入射電子與樣品中原子的交互作用分為兩種，即彈性散射(Elastic Scattering)和非彈性散射(Inelastic Scattering)，將發(fā)生能量損失的電子譜展開(kāi)就是EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)，根據(jù)它的能量值和強(qiáng)度分布

40、就可以確定其元素，進(jìn)行成分和價(jià)態(tài)的分析能量分辨率可達(dá)0.75eV（場(chǎng)發(fā)射槍時(shí)）或1.5eV(六硼化鑭槍時(shí))與EDS系統(tǒng)相比較， EELS對(duì)輕元素的成分分析有明顯優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)行化學(xué)價(jià)態(tài)的分析；另外，如選擇能量損失譜的一部分來(lái)成像，可獲得能量過(guò)濾的像，價(jià)格貴，約US$200,000.-左右 對(duì)于LaB6型透射電鏡，原則上不推薦EELS系統(tǒng)第六十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月利用透射電鏡，我們可以獲得：高分辨的結(jié)構(gòu)像（形貌）微區(qū)的結(jié)構(gòu)信息（晶體衍射）微區(qū)的成分的信息（EDS分析和EELS分析）隨著材料科學(xué)研究的不斷深入（材料的表面、界面分析以及納米材料研究等），分析的尺度越來(lái)越小圖象的高

41、分辨率和成分、晶體結(jié)構(gòu)的高空間分辨率電鏡是材料科學(xué)所需要的！第六十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Au第六十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月CdS第六十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Fe2O3第六十八張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月PbS第六十九張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TEM的發(fā)展更高分辨率FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN信息分辨率 1.4 , 能量分辨率0.7eVFEI Tecnai G2 F20 S-TWIN+單色器和Cs矯正器分辨率達(dá)0.8能量分辨率0.25eVFEI新型300kV場(chǎng)發(fā)射Titan: 最高分

42、辨率達(dá)到0.7Cs 3 mAn image of an edge and twin boundary and nothing else!F30 U-TWIN第七十張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月金剛石中碳原子排列象第七十一張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Grain Boundary InvestigationHigh-Resolution Imaging of SrTiO3HREM and HR-STEM images from the same SrTiO3 bi-crystal boundary. SrTi第七十二張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Rotatio

43、n-free imaging1.2 kx8 kx150 kx600 kx第七十三張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2nmPoly-SiSiO2Si第七十四張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月TiO2 - SnSample courtesy: Mexican Petroleum Institute (IMP) / Molecular Engineering Department HAADF-STEM image of a different area showing 2-3 nm Sn aggregates on TiO2 needles coated with a carbone

44、ous layer. EDX analysis shows a higher than average Sn concentration for this area.20 nm200 nm第七十五張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四章 透射電鏡的制樣技術(shù)第七十六張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電鏡的制樣設(shè)備電鏡制樣是最重要的環(huán)節(jié)之一，應(yīng)該給足夠的重視試樣研磨器 623 (Disc Grinder)超聲波切片機(jī)601 (Ultrasonic Disc Cutter)挖坑機(jī)656 (Dimple Grinder) 離子減薄儀691（Precision Ion Polishing System）電解雙噴儀超薄切片儀真空噴鍍儀 JEE-420 (Vacuum Evaporator)第七十七張，PPT共八十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月材料樣品制樣技術(shù)一般的微米級(jí)以下的顆粒樣品一般是先制備成懸濁液，用超聲波進(jìn)行分散讓樣品在液體中處于非常均勻的狀態(tài)，然后用移液器滴一小滴在已做好膜的銅網(wǎng)上，自