電鏡的基本原理透射電鏡

1、電鏡的基本原理透射電鏡第1頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第二章 電鏡的基本原理和構(gòu)造 第一節(jié) 透射電鏡第2頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五一、電鏡的發(fā)展歷史第3頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五1932年魯斯卡發(fā)明創(chuàng)制了第一臺透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置(TEM)。相繼問世了掃描透射電子顯微鏡(STEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及上述產(chǎn)品與X射線分析系統(tǒng)(EDS、WDS)的結(jié)合，即各種不同類型分析型電子顯微鏡。1986年，賓尼格和羅雷爾先后研制成功掃描隧道電子顯微鏡(STM)和原子力電子顯微鏡(AFM)，使人類的視野得到進(jìn)一步的擴(kuò)

2、展。第4頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第5頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第6頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五 20世紀(jì)20年代，發(fā)現(xiàn)電子流具有波動的性質(zhì)，是一種電磁波，其波長比光波短10萬倍以上如果能夠制成一臺用電子束成像的電子顯微鏡，分辨本領(lǐng)便可大大提高自1932年德國Ruska和Knoll研制出第一臺電子顯微鏡，至今已60余年經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，今天的透射電子顯微鏡(TEM)不僅是一臺放大倍數(shù)可達(dá)100萬倍以上，可以直接分辨小到一兩個(gè)埃的單個(gè)原子的顯微鏡，并且還能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成分析，成為全面評價(jià)固體微

3、觀結(jié)構(gòu)的綜合性儀器二、透射電鏡(TEM)基本原理第7頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五1. 顯微鏡的分辨率第8頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第9頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第10頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五 光學(xué)顯微鏡的分辨率為光波波長的一半(約為2000)，眼睛的分辨率為0.2mm，因此光學(xué)顯微鏡最大放大倍數(shù)為1000倍, 超過這個(gè)數(shù)值并不能得到更多的信息，而僅僅是將一個(gè)模糊的斑點(diǎn)再放大而已多余的放大倍數(shù)稱為空放大。 顯微鏡分辨 率 /2 放大倍數(shù) 眼睛分辨率/顯微鏡分辨率根據(jù)以上公式，要提高分辨

4、率和放大倍數(shù)，必須降低照明光源的波長第11頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五 為了看清楚原子電鏡必須有優(yōu)于2.5 的原子尺寸的分辨率和50萬100萬倍的放大倍數(shù)，否則就不能在底片上記錄下原子的存在。目前200kV電鏡的技術(shù)水平已達(dá)到放大倍數(shù)100萬倍，點(diǎn)分辨率1.9 ，晶格分辨率1.4 目前最高水平儀器的品格分辨率可達(dá).基本可以在底片上記錄下原于的存在，清晰地反映原子在空間的排列第12頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五為什么電子顯微鏡有這么高的分辨率和放大倍數(shù)呢？電子波長h/mv h-普朗克常數(shù)m-電子的質(zhì)量v 取決于加速電壓mv2=2eU第13頁，共4

5、5頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第14頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五加速電壓與電子波波長的關(guān)系1 kv 0.388 A 2 kv 0.274 A 3 kv 0.274 A 10 kv 0.122 A 20 kv 0.0589 A 50 kv 0.0536 A 100 kv 0.037 A 200 kv 0.0251 A 500 kv 0.0142 A 思考？為什么比可見光波長更短的紫外線、X射線不能用作光源來制造高分辨顯微鏡？第15頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五2. 電子顯微鏡的構(gòu)造 電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、觀察和記錄

6、系統(tǒng) 組成照明系統(tǒng)是由電子槍和聚光鏡組成，成像系統(tǒng)由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。觀察和記錄系統(tǒng)包括觀察室、熒光屏和計(jì)算機(jī)等。照明系統(tǒng)電子槍 電子槍是由陰極、陽極和柵極組成一般用鎢絲作陰極，當(dāng)在陰極和陽極之間加上高壓再加上燈絲電流以后，即可從鎢絲發(fā)出電子束，通過陽極孔，照射到樣品上一般透射電鏡的加速電壓為50200kv。電壓越高，電子束對物質(zhì)的穿透能力越強(qiáng)，可以觀察較厚的樣品，并且電子束對物質(zhì)的輻照損傷越小。聚光鏡電鏡中用來使電子束聚焦的是電磁透鏡電鏡中的聚光鏡是用來聚攏電子束和調(diào)節(jié)電子束強(qiáng)度的一股采用雙聚光鏡系統(tǒng)，第一聚光鏡為短焦距強(qiáng)透鏡，它將電子束斑直徑縮小幾十倍，而第二聚光鏡采用長焦距透鏡，

7、將電子束斑成像到樣品上，從而使聚光鏡和樣品之間有足夠的工作距離，以便放置試樣和各種附件第16頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五成像系統(tǒng)物鏡(M0)用來獲得被檢物的一次放大像和衍射譜，它決定顯微鏡的分辨率，是電鏡的心臟中間鏡(Mi)是個(gè)可變倍率的弱透鏡，它的作用是把物鏡形成一次中間像或衍射譜射到投影鏡的物面上投影鏡(Mp)把中間鏡形成的二次像及衍射譜放大到熒光屏上，一般具有23個(gè)聚光鏡和46個(gè)物鏡加投影鏡。電鏡的總放大倍數(shù)等于成像系統(tǒng)各透鏡放大倍數(shù)的乘積即： M0MiMp第17頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第18頁，共45頁，2022年，5月20日，8

8、點(diǎn)8分，星期五 在電鏡中，物鏡產(chǎn)生的一次放大像還要經(jīng)過中間鏡和投影鏡的放大作用而在熒光屏上得到三次放大像中間鏡的物面與物鏡的像面相重，而投影鏡的物面又與中間鏡的像面相重這樣，中間鏡把物鏡產(chǎn)生的放大像投影到投影鏡的物面上，再由投影鏡把它投射到熒光屏上 物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)一般為100，中間鏡的放大倍數(shù)可調(diào)，為020。熒光屏、光學(xué)觀察放大鏡及照相機(jī)等組成觀察系統(tǒng)。第19頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五3.電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的比較 光學(xué)顯微鏡所用光源為可見光能在空氣中傳播而電子束是一種粒子流，當(dāng)它進(jìn)入物體后，和物質(zhì)內(nèi)的電子和原子發(fā)生作用而散射所以只能透過極薄的物體空氣對電

9、子起阻礙作用，因此，電鏡內(nèi)必須保持高真空，一般為10乇或更高 第20頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五4.電鏡構(gòu)造的兩個(gè)特點(diǎn)（1）磁透鏡第21頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五（2）高真空。 光學(xué)顯微鏡中的玻璃透鏡不能用于電鏡，因?yàn)樗鼈儧]有聚焦成像的能力，是“不透明”的。電流通過線圈時(shí)出現(xiàn)磁力線和南北極。 由于電子帶電，會與磁力線相互作用，而使電子束在線圈的下方聚焦。只要改變線圈的勵(lì)磁電流，就可以使電鏡的放大倍數(shù)連續(xù)變化。第22頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五分辨率5.電鏡三要素放大倍數(shù)襯度第23頁，共45頁，2022年，5月20日

10、，8點(diǎn)8分，星期五 大孔徑角的磁透鏡，100KV時(shí)，分辨率可達(dá)0.005nm。實(shí)際TEM只能達(dá)到0.10.2nm，這是由于透鏡的固有像差造成的。 提高加速電壓可以提高分辨率。已有300KV以上的商品高壓(或超高壓)電鏡，高壓不僅提高了分辨率，而且允許樣品有較大的厚度，推遲了樣品受電子束損傷的時(shí)間，因而對高分子的研究很有用。但高加速電壓意味著大的物鏡，500KV時(shí)物鏡直徑4550cm。 對高分子材料的研究所適合的加速電壓，最好在250KV左右。分辨率第24頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五 電鏡最大的放大倍數(shù)等于肉眼分辨率(約0.2mm)除以電鏡的分辨率0.2nm，因而在10

11、6數(shù)量級以上。 在分析TEM圖像時(shí)，亮和暗的差別(即襯度，又稱反差)到底與樣品的什么特性有關(guān)，這點(diǎn)對解釋圖像非常重要。 放大倍數(shù) 襯度 第25頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五1、樣品需置于直徑為23mm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100nm左右； 3、樣品應(yīng)是固體，不能含有水分及揮發(fā)物； 6. 透射電子顯微鏡的樣品處理對樣品的一般要求 第26頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五4、樣品應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在電子線照射下不至于損壞或發(fā)生變化； 5、樣品及其周圍應(yīng)非常清潔，以免污染而造成對像質(zhì)的影響。第2

12、7頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五樣品的一般制備方法 1、粉末樣品可將其分散在支持膜上進(jìn)行觀察。 2、直接制成厚度在100200nn之間的薄膜樣品，觀察其形貌及結(jié)晶性質(zhì)。一般有真空蒸發(fā)法、溶液凝固(結(jié)晶)法、離子轟擊減薄法、超薄切片法、金屬薄片制備法。 3、采用復(fù)型技術(shù)，即制作表面顯微組織浮雕的復(fù)形膜，然后放在透射電子顯微鏡中觀察。制作方法一般有四種，即塑料(火棉膠)膜 一級復(fù)型、碳膜一級復(fù)型、塑料碳膜二級復(fù)型、萃取復(fù)型。第28頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五表面起伏狀態(tài)所反映的微觀結(jié)構(gòu)問題；觀測顆粒的形狀、大小及粒度分布；觀測樣品個(gè)各部分電子射散能

13、力的差異；晶體結(jié)構(gòu)的鑒定及分析。7.透射電子顯微鏡的觀測內(nèi)容 第29頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五電子數(shù)目越多散射越厲害，透射電子就越少，從而 圖像就越暗樣品厚度、原子序數(shù)、密度對襯度也有影響，一般有下列關(guān)系： a樣品越厚，圖像越暗； b原于序數(shù)越大，圖像越暗； c密度越大，圖像越暗 其中，密度的影響最重要，因?yàn)楦叻肿拥慕M成中原于序數(shù)差別不大，所以樣品排列緊密程度的差別是其反差的主要來源。8. 成像的影響因素第30頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五9. 電子顯微鏡原理概述 一束電子射到試樣上，電子與物質(zhì)相互作用，當(dāng)電子的運(yùn)動方向被改變，稱為散射。散射

14、彈性散射非彈性散射電子只改變運(yùn)動方向而電子的能量不發(fā)生變化電子的運(yùn)動方向和能量都發(fā)生變化Technology for Microscopy Analysis-Electron Microscope 第31頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五第32頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五透射電子直接透射電子，以及彈性或非彈性散射的透射電子用于透射電鏡(TEM)的成像和衍射二次電子 如果入射電子撞擊樣品表面原子的外層電子，把它激發(fā)出來，就形成低能量的二次電子，在電場的作用下它可呈曲線運(yùn)動，翻越障礙進(jìn)入檢測器，使表面凹凸的各個(gè)部分都能清晰成像。 二次電子的強(qiáng)度主要與樣

15、品表面形貌有關(guān)。二次電子和背景散射電子共同用于掃描電鏡(SEM)的成像。 第33頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五特征X射線如果入射電子把樣品表面原子的內(nèi)層電子撞出，被激發(fā)的空穴由高能級電子填充時(shí)，能量以電磁輻射的形式放出，就產(chǎn)生特征X射線，可用于元素分析。俄歇(Auger)電子 如果入射電子把外層電子打進(jìn)內(nèi)層，原子被激發(fā)了為釋放能量而電離出次外層電子，叫俄歇電子。 主要用于輕元素和超輕元素(除H和He)的分析，稱為俄歇電子能譜儀第34頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五背景散射電子入射電子穿達(dá)到離核很近的地方被反射，沒有能量損失；反射角的大小取決于離核的

16、距離和原來的能量，實(shí)際上任何方向都有散射，即形成背景散射陰極熒光如果入射電子使試樣的原于內(nèi)電子發(fā)生電離，高能級的電子向低能級躍遷時(shí)發(fā)出的光波長較長(在可見光或紫外區(qū))，稱為陰極熒光，可用作光譜分析，但它通常非常微弱第35頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五10. 透射電鏡在材料表征中的應(yīng)用鉑/酞菁/碳納米管復(fù)合納米催化劑的構(gòu)建催化劑的制備：通過超聲處理將酞菁分子(Pc)修飾至碳納米管表面,隨后采用乙二醇還原法將鉑納米粒子固載到酞菁修飾的碳納米管表面,形成Pt/Pc/CNTs復(fù)合納米催化劑。酞菁的結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)：錢敏杰; 蔣湘芬; 王喜章; 蹇國強(qiáng); 胡征;無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.24 ，No.8，12781283第36頁，共45頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)8分，星期五碳納米管？碳納米管, 又名巴基管, 是一種具有特殊結(jié)果的一維量子材料, 其徑向尺寸為納米級, 軸向尺寸為微米量級, 管子兩端基本上都封口。碳納米管的壁層是由六邊形網(wǎng)格組成的圓柱面, 且C C 原子之間通過sp2 雜化構(gòu)成共價(jià)鍵, 因此碳納米管沿軸向有極高的拉伸強(qiáng)度。碳納米管直徑一般在幾納米到幾十納米之間, 長度為幾個(gè)至幾十微米。第37頁，共45頁，2022年，5月20日，