《高分子材料研究方法》課件第9章 1透射電子顯微鏡與掃描電子顯微鏡

第9章透射電子顯微鏡與掃描電子顯微鏡

透射電鏡是一種高分辨率、高放大倍數(shù)的顯微鏡，是材料科學研究的重要手段，能提供極微細材料的組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學成分等方面的信息。它在原理上基本模擬了光學顯微鏡的光路設計。一般光學顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。而透射電鏡的放大倍數(shù)在數(shù)千倍至一百萬倍之間，有些甚至可達數(shù)百萬倍或千萬倍。9.1透射電鏡主要結(jié)構(gòu)

光源中間像物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子槍聚光鏡試樣物鏡中間像投影鏡觀察屏照相底板照相底板光學顯微鏡和電鏡路圖比較JEM-2100(日本電子)技術(shù)指標:

1、點分辨率：0.19nm2、線分辨率：0.14nm3、加速電壓：80、100、120、160、200kv4、傾斜角：255、EDS：13

美國FEI公司TecnaiG2F30S-TWIN主要技術(shù)指標：

最高放大倍數(shù)：TEM100萬倍；

STEM230萬倍；

最高加速電壓：300kV

點分辨率：0.20nm；

線分辨率：0.102nm；

STEMHAADF分辨率：0.17nm

STEM----掃描透射電子顯微鏡是指透射電子顯微鏡中有掃描附件者，尤其是指采用場發(fā)射電子槍作成的掃描透射電子顯微鏡。掃描透射電子顯微分析是綜合了掃描和普通透射電子分析的原理和特點而出現(xiàn)的一種新型分析方式。

透射電鏡一般是電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)四大部件組成。9.1.1電子光學系統(tǒng)

由照明部分,成象放大部分,顯象部分構(gòu)成。

A照明部分（1）陰極：又稱燈絲，一般是由0.03-0.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。（2）陽極：加速從陰極發(fā)射出的電子。為了安全，一般都是陽極接地，陰極帶有負高壓。（3）控制極：會聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)象的亮度。陰極、陽極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動能，因此，人們習慣上把它們通稱為“電子槍”，如下圖所示。電子槍的類型有熱發(fā)射和場發(fā)射兩種。前者比較便宜并對真空要求較低，后者發(fā)射效率要高很多，其電流強度大約比前者高一個量級。

（4）聚光鏡：由于電子之間的斥力和陽極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過陽極小孔后，又逐漸變粗，射到試樣上仍然過大。聚光鏡就是為克服這種缺陷加入的，它有增強電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會聚起來的作用。

場發(fā)射電子槍及原理示意圖陰極（接負高壓）控制極（比陰極負100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣照明部分示意圖

這部分由試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。（1）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過試樣臺承載試樣，移動試樣。（2）物鏡：電鏡的最關鍵的部分，作用:(a)將來自試樣不同點、同方向、同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；(b)將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其象平面上，構(gòu)成與試樣組織相對應的顯微象。物鏡是用來形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡，放大倍數(shù)較高，一般為100-300倍。透射電子顯微鏡分辨本領的高低主要取決于物鏡。（3）中間鏡是一個弱勵磁的長焦距變倍透鏡，可在0-20倍范圍調(diào)節(jié)?？梢杂脕磉M一步放大物鏡的像，也可用來縮小物鏡的像。（4）投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮?。┑南瘢娮友苌浠樱┻M一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個短焦距的強磁透鏡。

B成象放大部分

成象和衍射示意圖如下。（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物鏡一次像中間鏡二次像投影鏡

三次像（熒光屏）選區(qū)光闌試樣9.1.2真空系統(tǒng)為了保證真在整個通道中只與試樣發(fā)生相互作用，而不與空氣分子發(fā)生碰撞，因此，整個電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，一般真空度為10-4~10-7

毫米汞柱。C顯象部分這部分由觀察室和照相機構(gòu)組成。在分析電鏡中，還有探測器和電子能量分析附件。

9.1.3供電系統(tǒng)透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個極為重要的標志。所以，對供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動操作程序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的計算機系統(tǒng)。

電子槍發(fā)出的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速地穿過陽極孔，然后被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑照到樣品上。這種具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生反映樣品微區(qū)的厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位向差別的多種信息。透過樣品的電子束強度，其取決于這些作用，經(jīng)過物鏡聚焦放大在其平面上形成一幅反映這些信息的透射電子像，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。9.2透射電鏡電子圖象形成原理

復型像：反映試樣表面狀態(tài)的像，襯度取決于復型試樣的原子序數(shù)和厚度；衍襯像：反映試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和完整性，起源于衍射光束；相襯像：由透射束和一束以上的衍射束相互干涉產(chǎn)生的像。（1）透射電鏡的像（2）像的襯度

襯度，即是像面上相鄰部份間的黑白對比度或顏色差。如果像不具有足夠的襯度，即使電鏡有極高的分辨率和放大倍數(shù)，人的眼睛也不能分辨。像的分辨率、放大倍數(shù)和襯度是電鏡的三大要素，一幅高質(zhì)量的圖像應具備這三方面的要求。每張電子顯微鏡照片都是用明暗不同而形成像的，當電子束通過薄樣品時，由于電子與樣品的相互作用，電子通過樣品后即發(fā)生電子散射、電子衍射和干涉等物理過程，用于透射電子顯微分析的樣品必須很薄，避免電子被樣品收。電子顯微鏡照片的反差即襯度按其產(chǎn)生的原理可分為三類：散射襯度、衍射襯度和應相襯度。（a）散射襯度又稱質(zhì)厚襯度（非晶樣品）

當一束電子通過樣品時，由于受樣品中元素的原子核和核外的電場作用，使入射電子運動的速度和方向都發(fā)生變化，這就是電子散射。如果樣品的厚度不同，或者元素組成不同，某一個微小區(qū)域較厚，或者原子密度大，那么電子在這一區(qū)域受到散射的概率大，被散射掉的電子多，散射的角度也較大，因此，通過樣品的電子數(shù)目較少。反之，通過樣品的電子數(shù)目較多?？偟纳⑸渎逝c樣品的厚度和密度的乘積成正比。入射電子在樣品上受到散射后，凡散射角大的，均不能通過物鏡光闌孔，即散射電子被光闌擋住不能參與成像，則樣品中散射強的部分在像中顯得較暗，而樣品中散射較弱的部分在像中顯得亮，由此形成像的襯度，稱為散射襯度，又稱質(zhì)厚襯度。（b）衍射襯度（晶體）

當入射電子束通過一個厚度均勻的薄樣品之后，由于晶體樣品中包括有不同方向的晶粒，或者存在有缺陷，入射電子束對一個晶粒的某一組晶面滿足布拉格衍射條件，電子將和晶面按一定角度發(fā)生衍射，這樣就使發(fā)生衍射的晶粒的透射電子較少。衍射的電子聚焦于物鏡后面的一點，被物鏡光闌擋住，只有透射電子通過光闌參與成像面形成襯度。（c）相位襯度

相位襯度是由于散射波和入射波在像平面上干涉而引起的襯度，是超薄樣品和高分辨像的襯度來源，可觀察到分子像和原子像。(3)透射電鏡的像差實際的電子透鏡在成像時，由于偏離理想成像條件而會造成電子透鏡的各種像差。像差的存在影響圖像的清晰度和真實性，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領。幾何像差：它是由于透鏡磁場幾何上的缺陷產(chǎn)生的像差，包括球面像差(球差)、像散和像畸變。色差：是由于成像電子波長(或能量)變化引起透鏡焦距變化而產(chǎn)生的一種像差。

如果從物面上一點向不同方向發(fā)出的電子都會聚到像平面上一點，像與物是幾何相似關系，它們之間只是一個放大倍數(shù)的比例關系，這是理想成像(高斯成像)。理想成像的條件是：場分布嚴格軸對稱；滿足旁軸條件，即物點離軸很近，電子射線與軸之間夾角很??；電子的初速度相等。在理想成像情況下，電鏡中的物鏡、中間鏡、投影鏡可以借用光學薄透鏡成像公式。

(4)電子透鏡的分辨本領和放大倍數(shù)在電子圖像上能分辨開的相鄰兩點在試樣上的距離稱為電鏡的分辨本領(或稱點分辨領域或點分辨率)。它表征電鏡觀察物質(zhì)微觀細節(jié)的能力，是標志電鏡水平的首要指標。放大倍數(shù)(放大率)等于肉眼分辨率(0.25mm)除以顯微鏡的分辨率。光學顯微鏡的分辨率約為光波波長的一半(2.5xl0-4mm)，最大放大倍數(shù)是1000．超過這個數(shù)值并不能得到更多的信息。電子的波長與加速電壓有關，200kv電鏡的放大倍數(shù)為106數(shù)量級，即分辨率比光學顯微鏡高103，點分辨率為0.19nm，晶格分辨率為0.14nm。9.3透射電鏡樣品制備

在光學顯微鏡下觀察樣品時，是把樣品放置在玻璃載片上。但是在電鏡下，電于束的穿透能力很弱，不能采用玻璃片支持樣品，是把試樣置于有支持膜的載網(wǎng)上。一般載網(wǎng)是直徑約3mm，厚度為25-50μm的多孔銅網(wǎng)。一般支持膜的厚度應小于20nm,以便透過盡可能多的入射電子:①塑料支持膜;②塑料-碳支持膜;③碳支持膜。

（1）粉末樣品制樣：超聲波振蕩形成懸浮液滴于帶有支持膜的載網(wǎng)上，待溶劑揮發(fā)干燥后測定。（2）液相成膜將可溶性的聚合物制成0．1％-0．5％的稀溶液，將此稀溶液直接滴于帶有支持膜的載網(wǎng)上，待溶劑揮發(fā)干燥后成膜。（3）超薄切片與直接薄膜樣品用超薄切片機可獲得50nm左右的薄試樣。（4）復型復型是用能耐電子束輻照并對電子束透明的材料對樣品的表面進行復制，通過對這種復制品的透射電鏡觀察，間接了解聚合物材料的表面形貌。（