透射電子顯微鏡分析基礎

透射電子顯微鏡分析基礎透射電子顯微鏡分析技術1、透射電鏡成像原理2、透射電鏡主要結構3、透射電鏡樣品制備透射電子顯微鏡的構造及原理

透射電子顯微鏡是利用電子的波動性來觀察固體材料內部的顯微結構的儀器。原理上基本模擬了光學顯微鏡的光路設計，可將其看成放大倍率高得多的成像儀器。一般光學顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊的可到數(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。透射電子顯微鏡配合一些分析型附件，如掃描透射觀察附件、X射線能譜儀、能量過濾器等，使其成為微觀形貌觀察、晶體結構分析、成分分析、元素價態(tài)分析和微量元素分布分析的綜合性儀器。H-7650透射電子顯微鏡JEM-2010透射電子顯微鏡透射電鏡成像原理埃利斑半徑與照明光源波長成正。理論上透射電鏡的分辨率可達到10-2?，而一般常用透射電鏡的分辨率只能到1.5?。透鏡的分辨本領兩個點光源在匯聚透鏡的像面上形成兩個埃利斑，當兩個埃利斑中心距離等于埃利斑半徑時，兩光點距離d稱為透鏡分辨本領。電子的波長與加速電壓由電子的波粒二相性，電子的波長為：加速電子的波長與加速電壓的關系：

提高加速電壓，縮短電子波長，可提高電鏡的分辨率，對試樣的穿透能力越大，這樣可放寬對試樣減薄的要求電磁透鏡的組成：1、產(chǎn)生徑向對稱磁場的線圈A；2、為了強化磁路的鐵殼磁軛B；3、模擬透鏡，控制磁力線分布的極靴C。電磁透鏡

從鐵殼磁路整體來看，極靴成為唯一的空隙部分，磁力線集中分布，磁場強度可達到103-104奧斯特，具有強烈的匯聚能力，起到透鏡作用。極靴的設計和制造至關重要，它決定了電鏡的成像質量。電磁透鏡的徑向對稱磁場能象光學透鏡一樣，使運動電子向軸心偏轉并聚焦。電鏡試樣經(jīng)電磁透鏡成像后，像相對試樣在水平面上偏轉了一個角度，這個偏轉角稱為磁轉角。電磁透鏡的光學性質

式中：V0—電子加速電壓；R

—透鏡半徑；NI—激磁線圈安匝數(shù)；A

—與透鏡結構有關的比例常數(shù)。電磁透鏡是一種焦距(或放大倍數(shù))可調的會聚透鏡。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場強度降低、焦距變長。其中μ、ν、f—分別是物距、像距與焦距

電磁透鏡都存在像差，它大大降低了透射電鏡的分辨率；主要像差有三類：

1、球差

2、色差

3、像散電磁透鏡的像差

高能電子的波長很短，如加速電壓為200kV時，電子的波長為0.025?，理論上這種電子顯微鏡的最小分辨距離是0.013?，可實際的最小分辨距離>1?。原因是電鏡和光學顯微鏡一樣，都存在像差。透射電鏡的像差

球差：電磁透鏡的近軸區(qū)域和遠軸區(qū)域對電子的聚焦能力不同而引起的像差；經(jīng)過電磁透鏡的電子束不是匯聚在一點，而是存在一個最小的散焦斑，從而嚴重影響了電子顯微鏡的分辨率。散焦斑的半徑：

Cs：球差系數(shù)，α：孔徑半角通?？讖桨虢侨≈禐椋?/p>

考慮球差的理論分辨本領：

K1=0.6-0.8

設計電鏡時應盡量減小球差Cs，并提高加速電壓以減小電子波長來提高分辨率。透射電鏡的像差

色差：不同波長的電子束通過電磁透鏡有不同的折射率，引起聚焦能力不同而使圖像模糊。色差的產(chǎn)生原因：

1、加速電壓的微小波動而導致電子速度的變化；

2、電磁透鏡的激磁電流的微小波動，導致透鏡聚焦能力的變化；由此導致的電磁透鏡最小散焦斑半徑：

Cc為色差系數(shù)上式中⊿U/U和⊿I/I分別代表電鏡的加速電壓和透鏡電流的穩(wěn)定度，Cc是色差系數(shù)。透射電鏡的像差

像散：電磁透鏡的周向磁場不對稱引起像散。周向磁場的不對稱導致透鏡在不同方向上對電子的聚焦能力不同，形成狹長的散焦斑，其最小的斑在原物面的折算半徑為：

是像散焦距差電磁透鏡的制造精度差以及極靴和光闌的污染都能導致像散，這些像散可以用電鏡中附帶的消像散器校正。目前，高端透射電鏡上配備有能量過濾器和球差校正器，可以降低這些像差，使分辨率可達到0.8?.電子束與樣品的相互作用

運動電子在原子庫倫場的作用下，運動方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為散射。彈性散射：電子運動方向改變而能量不變的散射，原子核的盧瑟福散射；非彈性散射：電子運動方向改變且損失能量的散射；一、原子核外電子對入射電子的散射，減少的能量用于激發(fā)核外電子；二、原子核對入射電子的非彈性散射，減少的能量產(chǎn)生軔致輻射。電子在試樣中的散射決定了電子在試樣中穿透深度，通常在幾十納米范圍，這要求透射電鏡樣品必須是薄試樣。電子束與樣品的相互作用

電子束與試樣相互作用能產(chǎn)生多種與彈性散射和非彈性散射相關的信息，與透射電鏡相關的是：一、透射電子：電子束中穿透試樣的電子，其中包括彈性散射電子和非彈性散射電子；

1、薄試樣：非彈性散射電子較少；

2、厚試樣：非彈性散射電子比重增加。二、X射線：電子束在透射樣品時，有部分電子使樣品中原子的核外電子激發(fā)，原子處于激發(fā)態(tài)，有部分原子在退激發(fā)過程中，以特征X射線釋放能量，這種特征X射線的散射能力弱于電子，而穿透能力強，可達幾微米。在透射電鏡中，探測這種特征X射線可分析樣品的微區(qū)成份。

透射電鏡由于入射電子透射試樣時，將與試樣內部原子發(fā)生相互作用，從而改變其能量及運動方向。不同結構有不同的相互作用。這樣，就可以根據(jù)透射電子圖象所獲得的信息來了解試樣內部的結構。由于試樣結構和相互作用的復雜性，因此所獲得的圖象也很復雜。如前所述電子束透過試樣所得到的透射電子束的強度及方向均發(fā)生了變化，由于試樣各部位的組織結構不同，因而透射到熒光屏上的各點強度是不均勻的，這種強度的不均勻分布現(xiàn)象就稱為襯度，所獲得的電子象稱為透射電子襯度象。透射電子像透射電子像襯度的形成機制有兩種：一、相位襯度：入射電子束穿透試樣后，形成透射電子束與衍射電子束，透射束與衍射束間產(chǎn)生相位差，經(jīng)物鏡的匯聚作用，導致透射束和衍射束在像平面上會發(fā)生相位相干干涉成像，從而可直接得到產(chǎn)生衍射的那些晶面的晶格象，或者一個個原子的晶體結構象。僅適于很薄的晶體試樣(≤30nm)。二、振幅襯度：振幅襯度是由于入射電子通過試樣時，與試樣內原子發(fā)生相互作用而發(fā)生振幅的變化，引起反差。振幅襯度主要有質厚襯度和衍射襯度兩種。透射電子像的襯度相位襯度：如果除透射束外，還同時讓一束或多束衍射束參與成像，就會由于各衍射電子束的相位相干作用而得到晶格（條紋）像或晶體結構（原子）像。晶格條紋像是晶體中原子面在二維的投影，結構像是晶體中原子或原子集團電勢場的二維投影。高分辨晶格成像過程，包含兩次傅里葉變換過程：

1、物鏡將物面波分解成各級衍射波，在物鏡后焦面上得到衍射譜；由正空間到倒易空間的轉換。

2、各級衍射波與透射波相互相干作用，重新組合，得到保留原有相位關系的像面波，在像平面處得到晶格條紋像。倒易空間到正空間的轉換。對于單晶樣品，必須在正衍射的情況下，才能得到晶格點陣像。質厚襯度原理質厚襯度：樣品不同區(qū)域對電子的散射能力不同而形成透射電子像的明暗差別。襯度主要取決于散射電子，當散射角大于物鏡的孔徑角α時，它不能參與成象，這種電子越多，其象越暗?；蛘哒f,散射本領大，透射電子少的部分所形成的象要暗些。反之則亮些。對于薄非晶樣品，只考慮散射的影響，當入射電子束n0穿過試樣后，透射的電子數(shù)為：

Ns—阿伏伽德羅常數(shù)；A—原子量；ρ—密度；σ—單原子散射截面，t為厚度。這表明透射電子束的強度與樣品的厚度及樣品組成的原子序數(shù)成反比。質厚襯度說明由于材料原子散射引起的電子強度衰減與試樣厚度有關，也與材料原子序數(shù)或材料密度有關。透射電子像襯度還與衍射襯度和相位襯度有關。

質厚襯度的基礎是原子對電子的散射和小孔徑角成像；原子序數(shù)高的原子對電子的散射幾率高，穿透樣品的透射電子束減少，質量襯度高；對于成分均勻樣品，電子在較厚區(qū)域的穿透幾率較小，厚度襯度較高；由于物鏡光闌的存在，散射角較大的電子束被光闌阻隔，不參與成像，從而透射電子像顯示出不同的質厚襯度。衍射襯度：晶體試樣各部分相對于入射電子的取向不同或屬于不同結構的晶體，滿足布拉格衍射條件的程度不同而形成的襯度，其基礎是電子衍射。在單晶或多晶試樣中，有滿足布拉格衍射條件的區(qū)域，也有不滿足布拉格衍射條件的區(qū)域；衍射束斑以透射束斑為中心，分布在透射束斑周圍，通過物鏡光闌，選擇不同大小的光闌孔，部分或所有的衍射電子束被物鏡光闌阻擋，就是選擇不同的衍射束和透射束共同成像，改變明場像的襯度；若只選擇透射電子束成像，則滿足布拉格衍射條件的區(qū)域襯度最高；衍射襯度對試樣的取向十分敏感，在某一取向下未能看到的結構細節(jié)，當改變試樣的傾斜角時，就有可能顯示出該結構細節(jié)的襯度。透射電鏡主要結構

透射電鏡由電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及附加儀器系統(tǒng)四部分組成。目前透射電鏡的三個主要指標是：

1、加速電壓；

2、分辨率；

3、放大倍率。電子光學系統(tǒng)的組成：

1．照明系統(tǒng)：包括電子槍和聚光鏡

2．成像放大系統(tǒng)：包括物鏡、中間鏡和投影鏡放大倍數(shù)等于：M總＝M物×M中×M投顯象記錄系統(tǒng)：包括熒光屏、膠片照相機和CCD相機；一、照明系統(tǒng)：1、電子槍；2、聚光鏡二、成像放大系統(tǒng)：1、物鏡；2、中間鏡；3、投影鏡；M總＝M物×M中×M投三、觀察記錄系統(tǒng)：膠片照相機、CCD相機電子光學系統(tǒng)一、照明系統(tǒng)

光源對于成像質量起重要作用，電鏡的光源要提供足夠數(shù)量的電子，發(fā)射的電子越多，圖像越亮。電子束的平行度、束斑直徑和電子運動速度的穩(wěn)定性都對成像質量產(chǎn)生重要影響。一、電子槍及柵極1、鎢燈絲電子槍；2、LaB6燈絲電子槍；3、場發(fā)射電子槍；電子槍與柵極間加載高電壓，使電子束加速。鎢燈絲LaB6燈絲陰極（接負高壓）柵極（比陰極負100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣電子槍示意圖場發(fā)射電子槍及原理示意圖二、雙聚光鏡系統(tǒng)第一級聚光鏡：短焦距的強磁透鏡，以縮小聚光鏡后焦面上的光斑；第二級聚光鏡：設置目的是減小照明孔徑角，以獲得近似于平行光軸的電子束，提高分辨率。為了限制照明孔徑角，在第二級聚光鏡下安裝了一個可動光欄，稱為聚光鏡光欄。同時還安裝有聚光鏡消像散器。第一級聚光鏡第二級聚光鏡聚光鏡光欄電子槍物鏡：透射電鏡成像的關鍵透鏡，因為物鏡的任何像差都在后續(xù)的中間鏡和投影鏡放大中被繼續(xù)放大。物鏡的作用：一、將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其物鏡像平面上，構成與試樣組織相對應的顯微像；二、將來自試樣中滿足布拉格衍射條件的區(qū)域衍射電子束會聚于其后焦面上，構成含有試樣晶體結構信息的衍射花樣。

要求物鏡激磁電流穩(wěn)定性高：⊿I/I≤10-6，改變物鏡激磁電流，可以聚焦電鏡物像；物鏡的極靴：決定透射電鏡的分辨能力，是透射電鏡的心臟；極靴內幾毫米空隙的磁場強度可達103~104奧斯特，一般由導磁率高、矯頑力小、化學性質穩(wěn)定、內部結構均勻的軟鐵材料制造。二、成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)中間鏡：主要用于改變放大倍率；用于選擇成像模式或衍射模式；一、當中間鏡物面在物鏡像面上，圖像進一步放大；二、當中間鏡散焦，物面取在物鏡后焦面上則將衍射譜放大；投影鏡：具有固定放大倍率，內孔徑較小，電子束進入投影鏡孔徑角很小。小孔徑角的兩個特點：一、景深大，在保持圖像清晰度前提下，試樣沿鏡軸移動范圍大；二、焦深長，在保持圖像清晰度前提下，像平面沿鏡軸可移動的范圍。長的焦深可以放寬觀察熒光屏與底片平面或CCD像機平面的嚴格位置的要求。一般高性能電鏡都設有兩個中間鏡，兩個投影鏡。三級放大成象和極低放大成象示意圖如下:真空系統(tǒng)主要由機械泵、油擴散泵及離子泵組成（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡

三次象（熒光屏）選區(qū)光欄物鏡光欄物鏡關閉無光闌

中間鏡（作物鏡用）投影鏡第一實象（熒光屏）極低倍放大象極低放大率象＜1000倍透射電鏡的工作模式明場像方式1、電子束平行于電鏡中軸，垂直照明，入射試樣；2、穿透樣品的透射經(jīng)過物鏡匯聚在后焦面，形成透射斑和衍射斑，電子束在物鏡后焦面形成衍射束，用物鏡光闌阻擋部分或全部衍射束，也就是選擇透射束或透射束加部分衍射束成像；3、將物鏡像面上的成像繼續(xù)放大，在熒光屏上得到明場像；明場像反映了材料內部的顯微結構和形貌特征。衍射譜工作方式1、平行光軸的電子束垂直入射晶體試樣；2、在衍射模式下，透射束和按布拉格公式描述的方向的衍射束，在物鏡后焦面形成透射束斑和若干衍射束斑，衍射斑以透射斑為中心，對稱分布在透射斑周圍，物鏡光闌必須移出光路；4、將物鏡后焦面的電子束斑繼續(xù)放大，在熒光屏上得到衍射譜。5、選區(qū)衍射：在明場像中，選擇合適孔徑的選區(qū)光闌孔，套準所選微區(qū)，轉入衍射譜方式，即可得到選區(qū)衍射譜。暗場像工作方式

在衍射譜工作方式下，得到一幅晶體試樣的衍射譜，插入物鏡光闌，選擇感興趣的衍射束作為成像光源，并將該衍射斑平移到熒光屏中心，再轉換到成像工作方式，得到與該衍射束信息相關的透射電鏡暗場像；在暗場像中，只有對所選衍射束有貢獻的區(qū)域是明亮的，其他區(qū)域都是暗的，因為這些區(qū)域與所選衍射束無關。透射電鏡光路合軸的操作要領

通過機械和電參數(shù)的調整，使得電子光學系統(tǒng)中的電子槍、各組透鏡以及熒光屏的中心，處在一個軸線上，這一過程稱為合軸。透射電鏡光路合軸的操作要領電子槍平移未合軸現(xiàn)象：選擇不同尺寸光斑時，光斑中心不在熒光屏中心。

1-3合軸

1、選小尺寸光斑，聚光鏡鈕集中光斑，光平移鈕移動光斑至熒光屏中心；

2、選大尺寸光斑，聚光鏡鈕集中光斑，槍平移鈕再移動光斑至熒光屏中心；反復進行上述兩步操作，至光斑不再偏離熒光屏中心為止。透射電鏡光路合軸的操作要領電子槍傾斜未合軸：1、聚光鏡鈕集中光斑，燈絲電流欠飽和，出現(xiàn)燈絲像，此時燈絲（卵形像）像不對稱；2、調槍傾斜鈕，使燈絲像對稱（卵形像）；3、恢復燈絲電流到飽和狀態(tài)，燈絲像消失。透射電鏡光路合軸的操作要領聚光鏡——消像散1、用聚光鏡鈕將光斑縮小，光斑顯示橢圓形，用聚光鏡消像散器將光斑調圓；2、反方向縮小光斑，用聚光鏡消像散器將光斑調圓為止；透射電鏡光路合軸的操作要領聚光鏡光欄不對中1、用聚光鏡鈕將光斑縮小，用光平移鈕將光斑調到熒光屏中心；2、用聚光鏡鈕將光斑擴大，調聚光鏡光欄位置，使光斑對中；反復操作至光斑變?yōu)橥膱A為止；透射電鏡光路合軸的操作要領光平移不對中1、旋轉聚光鏡鈕，光斑中心偏離熒光屏中心；2、調整光平移鈕，移動光斑到熒光屏中心。透射電鏡光路合軸的操作要領電流中心不對稱1、在正聚焦狀態(tài)下，將樣品特征點平移到中心；2、正旋或反旋聚焦鈕，特征點移開，用光傾斜鈕調整到中心，反復以上操作至特征點不動為止。透射電鏡光路合軸的操作要領電壓中心不對中1、開啟電壓中心調節(jié)鈕，像開始大小顫動；2、調整光傾斜鈕，使顫動中心移動到熒光屏中心；3、關閉電壓中心調節(jié)鈕，像停止顫動；透射電鏡光路合軸的操作要領

物鏡消像散：物鏡像散較嚴重時，球狀顆粒形貌拉長，且過焦和欠焦是拉長方向垂直。1、像散較大時，樣品的菲涅耳環(huán)寬度不均，形貌像變焦時拉長；2、調整物鏡消像散鈕，使菲涅耳環(huán)寬度均勻，或變焦時像點僅模糊而不拉長。透射電鏡樣品制備納米粉末樣品制備承載粉末樣品必須有易于電子束穿透的載膜，常用載膜由如下三種材料：

1、碳膜：導電、導熱，不溶于任何溶劑；

2、硝化纖維素（CelluloseNitrate），火棉膠：可溶于乙酸異戊脂，丙酮，乙酸異戊脂;3、聚乙烯醇縮甲醛（PolyyvinylFormal）：方華，F(xiàn)ormvar，可溶于二氯乙烯，氯仿，二氯乙烷;

將粉末與水、甘油、乙醇或丙酮等溶劑的一種，在超聲波振動下作成懸浮液，滴在銅網(wǎng)載膜上干燥待用。透射電鏡樣品制備超薄切片樣品1、適用于切制軟材料薄片，如塑料、橡膠、合成纖維、薄膜材料、軟金屬等；2、制備程序為浸透包埋、固化聚合、修塊、切片、撈膜；3、根據(jù)切片顏色可確定切片的厚度，根據(jù)樣品性質選擇是否對切片染色。暗灰(﹤400?)；灰色(400-500?)；銀色(500-700?)；金黃(700-900?)；紫色(﹥900?)；超薄切片：一、生物樣品：通常以鋨酸和戊二醛固定樣品，以環(huán)氧樹脂包埋，以熱膨脹或螺旋推進的方式推進樣品切片，切片厚度約50nm，切片采用重金屬鹽染色，以增大樣品