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文檔簡介
高分辨掃描透射電子顯微鏡原理及其應(yīng)用一、本文概述隨著納米科學技術(shù)的飛速發(fā)展,高分辨掃描透射電子顯微鏡(High-ResolutionScanningTransmissionElectronMicroscope,簡稱HR-STEM)作為一種重要的表征工具,其在材料科學、生物學、能源科學等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。本文旨在全面闡述高分辨掃描透射電子顯微鏡的基本原理、技術(shù)特點以及其在各領(lǐng)域中的實際應(yīng)用,為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員提供有益的參考和啟示。本文首先介紹了高分辨掃描透射電子顯微鏡的基本原理,包括電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、圖像處理和顯示系統(tǒng)等關(guān)鍵組成部分的工作原理及其相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,文章詳細分析了高分辨掃描透射電子顯微鏡在材料科學中的應(yīng)用,如納米材料的結(jié)構(gòu)表征、原子尺度的缺陷分析以及材料在極端條件下的性能研究等。本文還討論了HR-STEM在生物學領(lǐng)域中的獨特作用,如細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察、病毒和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析等。文章還展望了高分辨掃描透射電子顯微鏡在新能源材料、半導體器件等領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用前景。本文旨在通過系統(tǒng)闡述高分辨掃描透射電子顯微鏡的基本原理和應(yīng)用實例,為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員提供全面的知識體系和實用的技術(shù)指南,推動高分辨掃描透射電子顯微鏡在科學技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。二、HR-STEM的基本原理高分辨掃描透射電子顯微鏡(HR-STEM)是現(xiàn)代材料科學中的一項重要技術(shù),其基本原理基于電子與物質(zhì)相互作用的物理過程。在HR-STEM中,一束高能的電子被聚焦到納米尺度,然后穿透樣品。由于電子與樣品的原子發(fā)生相互作用,樣品的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分信息被編碼在透射電子的波函數(shù)中。當電子束穿過薄樣品時,電子與樣品原子發(fā)生散射,散射角的大小與樣品的原子序數(shù)、原子間距以及電子的能量有關(guān)。這些散射的電子波在穿過樣品后,通過物鏡進行聚焦和放大,形成樣品的透射電子顯微圖像。由于電子的德布羅意波長非常短,HR-STEM能夠提供原子尺度的分辨率,使得研究者能夠直接觀察材料的原子結(jié)構(gòu)和缺陷。HR-STEM還可以結(jié)合能量分散譜(EDS)或電子能量損失譜(EELS)等分析技術(shù),對樣品的化學成分進行定量和定性分析。通過測量透射電子的能量損失,可以獲取樣品中元素的種類和分布信息,為材料性能的優(yōu)化和設(shè)計提供重要依據(jù)。HR-STEM的基本原理是利用高能電子與樣品的相互作用,通過測量透射電子的波函數(shù)來獲取樣品的微觀結(jié)構(gòu)和化學成分信息。其高分辨率和化學成分分析能力使得HR-STEM成為材料科學研究中的重要工具。三、HR-STEM的關(guān)鍵技術(shù)高分辨掃描透射電子顯微鏡(HR-STEM)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括電子光學系統(tǒng)設(shè)計、高性能探測器技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù),以及樣品制備技術(shù)。首先是電子光學系統(tǒng)設(shè)計。HR-STEM的電子光學系統(tǒng)需要具備高亮度、高相干性、高穩(wěn)定性等特點。這要求電子槍能夠提供高亮度的電子束,同時要求透鏡系統(tǒng)具有高分辨率和高對比度。為了減小球差和色差對成像質(zhì)量的影響,還需要采用特殊設(shè)計的物鏡和校正器。其次是高性能探測器技術(shù)。HR-STEM的探測器需要具備高靈敏度、高分辨率、快速響應(yīng)和低噪聲等特點。目前,常用的探測器有閃爍體探測器、直接電子探測器等。這些探測器能夠?qū)⑼干溥^樣品的電子束轉(zhuǎn)換為可見光或電信號,從而實現(xiàn)對樣品的成像。圖像處理與分析技術(shù)也是HR-STEM的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于HR-STEM的圖像通常包含大量的信息,因此需要采用先進的圖像處理技術(shù)來提取有用的信息。例如,通過濾波、增強、分割等技術(shù),可以突出圖像中的特定結(jié)構(gòu)或特征。同時,還需要采用先進的圖像分析技術(shù),如傅里葉變換、小波變換等,對圖像進行定性和定量分析。最后是樣品制備技術(shù)。樣品制備是HR-STEM實驗中的重要環(huán)節(jié),它直接影響到成像質(zhì)量和實驗結(jié)果。樣品制備技術(shù)包括切片、研磨、拋光、離子減薄等步驟。在制備過程中,需要盡可能減小樣品的損傷和變形,同時保持樣品的結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)不變。HR-STEM的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了電子光學系統(tǒng)設(shè)計、高性能探測器技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù),以及樣品制備技術(shù)等多個方面。這些技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,將推動HR-STEM在材料科學、生物學、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓寬和深化。四、HR-STEM的應(yīng)用領(lǐng)域高分辨掃描透射電子顯微鏡(HR-STEM)在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其獨特的成像能力和高分辨特性使其成為現(xiàn)代科學研究的重要工具。在材料科學領(lǐng)域,HR-STEM為研究者提供了觀察納米尺度材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的能力。例如,在納米材料、半導體、超導材料、陶瓷、金屬和合金等領(lǐng)域,HR-STEM可以揭示材料的原子排列、缺陷結(jié)構(gòu)、界面和相變等關(guān)鍵信息,對于材料的性能優(yōu)化和設(shè)計至關(guān)重要。在生物醫(yī)學領(lǐng)域,HR-STEM為細胞生物學、病毒學和病理學等研究提供了強大的支持。研究者可以利用HR-STEM觀察生物樣本的超微結(jié)構(gòu),揭示細胞內(nèi)部的精細組織和生物分子的空間分布,對于理解生命過程和疾病機制有著重要意義。在能源科學領(lǐng)域,HR-STEM在電池、燃料電池、太陽能電池等能源轉(zhuǎn)換和存儲材料的研究中發(fā)揮著重要作用。通過HR-STEM,研究者可以直觀地觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài),理解材料在能源轉(zhuǎn)換和存儲過程中的性能變化和優(yōu)化方向。HR-STEM還在環(huán)境科學、地質(zhì)學、物理學、化學等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,HR-STEM將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨特的價值和作用。HR-STEM作為一種先進的電子顯微技術(shù),在多個領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。其高分辨能力和成像特性為研究者提供了深入觀察和理解材料、生物和能源等領(lǐng)域問題的有力工具,為科學研究和工業(yè)應(yīng)用帶來了巨大的便利和進步。五、HR-STEM的挑戰(zhàn)與展望隨著科學技術(shù)的日新月異,高分辨掃描透射電子顯微鏡(HR-STEM)已成為材料科學、生物學、納米技術(shù)等領(lǐng)域的重要分析工具。然而,盡管HR-STEM具有出色的分辨率和成像能力,它仍面臨著諸多挑戰(zhàn),并有待于進一步的技術(shù)突破和應(yīng)用拓展。挑戰(zhàn)一:樣品制備。對于許多材料而言,制備出適合HR-STEM觀察的薄且均勻的樣品是一個巨大的挑戰(zhàn)。特別是對于復雜的多層結(jié)構(gòu)或納米尺度材料,如何在不破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下進行樣品制備,是科研人員需要解決的關(guān)鍵問題。挑戰(zhàn)二:儀器穩(wěn)定性與可靠性。HR-STEM的高分辨率成像需要高精度的儀器控制和穩(wěn)定的操作環(huán)境。因此,提高儀器的穩(wěn)定性和可靠性,減少外界干擾和誤差,是確保高質(zhì)量成像的關(guān)鍵。挑戰(zhàn)三:數(shù)據(jù)處理與分析。隨著成像技術(shù)的發(fā)展,HR-STEM能夠獲取的數(shù)據(jù)量急劇增加。如何從海量數(shù)據(jù)中提取有用的信息,進行準確的分析和解釋,是當前和未來HR-STEM應(yīng)用中需要面對的重大挑戰(zhàn)。展望一:技術(shù)創(chuàng)新。隨著科學技術(shù)的進步,未來HR-STEM有望在成像質(zhì)量、分辨率、穩(wěn)定性等方面實現(xiàn)更大的突破。新型探測器的研發(fā)、更先進的圖像處理算法的應(yīng)用,都將推動HR-STEM技術(shù)的發(fā)展。展望二:跨學科合作。HR-STEM作為一種強大的分析工具,其應(yīng)用不僅僅局限于材料科學領(lǐng)域。通過與其他學科如生物學、物理學、化學等的交叉合作,可以進一步拓展HR-STEM的應(yīng)用范圍,推動跨學科研究的深入發(fā)展。展望三:工業(yè)應(yīng)用。隨著納米材料和納米技術(shù)的快速發(fā)展,HR-STEM在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣闊。通過HR-STEM對納米材料進行精確表征和性能分析,有望為工業(yè)生產(chǎn)提供更有力的技術(shù)支持。雖然HR-STEM目前仍面臨一些挑戰(zhàn),但隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,我們有理由相信,HR-STEM將在未來發(fā)揮更加重要的作用,為科學研究和工業(yè)生產(chǎn)帶來更大的便利和效益。參考資料:掃描透射電子顯微鏡(STEM)和電子能量損失譜(EELS)是現(xiàn)代材料科學和生物學中常用的高分辨率和高靈敏度分析工具。它們能夠提供樣品的詳細形態(tài)信息以及化學成分信息,對于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能,以及生物分子的結(jié)構(gòu)和功能具有至關(guān)重要的作用。掃描透射電子顯微鏡(STEM)的主要工作原理是利用電子槍發(fā)射出電子束打到樣品上,然后收集透射過來的電子并成像。這些透射電子攜帶著關(guān)于樣品的詳細形態(tài)和化學信息。STEM的分辨率遠高于傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡(TEM),因為它采用掃描方式而非傳統(tǒng)的逐行掃描方式。在STEM中,電子槍發(fā)射出的電子束打到非常薄的樣品上,然后通過一系列磁透鏡和電子透鏡收集透射電子并成像。通過改變這些透鏡的電流,可以在電腦屏幕上移動電子束,從而實現(xiàn)對樣品的掃描。掃描的精度非常高,通常可以到達幾個納米。電子能量損失譜(EELS)是一種測量入射電子在穿過物質(zhì)時損失的能量的技術(shù)。當高能量電子與物質(zhì)相互作用時,會損失一部分能量。這種能量的損失與物質(zhì)的性質(zhì),如化學成分、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。在EELS中,當電子槍發(fā)射出的電子束打到樣品上時,一部分電子會穿過樣品并被能量分析器收集。能量分析器能夠測量這些電子的能量分布,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進行進一步處理和解析。通過測量電子能量的分布,可以推斷出樣品的化學成分、晶體結(jié)構(gòu)等信息。掃描透射電子顯微鏡(STEM)和電子能量損失譜(EELS)在多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,包括材料科學、生物學、化學等。在材料科學中,STEM和EELS可以用來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)。例如,研究合金的相變,半導體材料的晶體結(jié)構(gòu),以及催化劑的活性位點等。通過這些技術(shù),科學家可以深入了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系,從而設(shè)計出性能更優(yōu)的材料。在生物學中,STEM和EELS可以用來研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能。例如,研究蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),DNA的序列和構(gòu)象變化,以及細胞器的分布和功能等。這些技術(shù)可以幫助科學家理解生物分子的行為以及它們在生命過程中的作用,從而為疾病的治療提供新的思路。在化學中,STEM和EELS可以用來研究物質(zhì)的化學反應(yīng)過程和產(chǎn)物。例如,研究催化劑的活性中心和反應(yīng)機理,研究有機分子的構(gòu)象和構(gòu)象變化等。這些技術(shù)可以幫助科學家理解化學反應(yīng)的機制,從而設(shè)計和優(yōu)化化學反應(yīng)路線。掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜是現(xiàn)代科學研究中不可或缺的分析工具。它們不僅可以提供樣品的詳細形態(tài)信息,還可以提供化學成分信息,從而幫助科學家深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì),以及生物分子的結(jié)構(gòu)和功能。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展,相信這兩項技術(shù)在未來的科學研究中的應(yīng)用將會更加廣泛和深入。透射電子顯微鏡是一種能夠觀察樣品內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)的高分辨率成像儀器。它利用電子槍發(fā)射出電子束打到樣品上,電子穿過樣品后被透鏡聚焦成像,再通過投影儀將像投影到屏幕上。與光學顯微鏡不同的是,透射電子顯微鏡使用的是電子束而非可見光,因此具有更高的分辨率和更大的放大倍數(shù)。首先來介紹一些與透射電子顯微鏡緊密相關(guān)的關(guān)鍵詞。第一個是“電子束”,它是透射電子顯微鏡成像的關(guān)鍵。電子束打到樣品上后,能夠穿過樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而反映樣品內(nèi)部的詳細情況。第二個關(guān)鍵詞是“透鏡”,它的作用是將電子束聚焦成圖像。透射電子顯微鏡中使用的透鏡通常是由電磁鐵和玻璃殼體組成的。第三個關(guān)鍵詞是“投影儀”,它的作用是將透鏡聚焦的圖像放大并投射到屏幕上。介紹了這些關(guān)鍵詞后,我們再來回顧一下透射電子顯微鏡的主題。透射電子顯微鏡主要用于研究樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成,它能夠在納米級別上觀察樣品的細節(jié)。在生物領(lǐng)域,透射電子顯微鏡常被用于研究病毒、細菌等微生物的結(jié)構(gòu);在材料科學領(lǐng)域,它則被用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。透射電子顯微鏡還廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學、物理學等領(lǐng)域。透射電子顯微鏡是一種高分辨率成像儀器,能夠觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。通過深入了解它的工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及與它相關(guān)的關(guān)鍵詞,我們可以更好地理解和應(yīng)用這項強大的技術(shù)。在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中,透射電子顯微鏡都發(fā)揮著不可或缺的作用,它讓我們可以更深入地探索這個神秘而美妙的世界。透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,簡稱TEM),可以看到在光學顯微鏡下無法看清的小于2um的細微結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。要想看清這些結(jié)構(gòu),就必須選擇波長更短的光源,以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡,電子束的波長要比可見光和紫外光短得多,并且電子束的波長與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比,也就是說電壓越高波長越短。TEM的分辨力可達2nm。電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣,所不同的是前者用電子束作光源,用電磁場作透鏡。另外,由于電子束的穿透力很弱,因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機(ultramicrotome)制作。電子顯微鏡的放大倍數(shù)最高可達近百萬倍、由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)5部分構(gòu)成,如果細分的話:主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統(tǒng),由置于真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、物鏡、衍射鏡、中間鏡、投影鏡、熒光屏和照相機。電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短(波粒二象性),而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制,因此電子顯微鏡的理論分辨率(約1納米)遠高于光學顯微鏡的分辨率(約200納米)。透射電子顯微鏡(Transmissionelectronmicroscope,縮寫TEM),簡稱透射電鏡,是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上,電子與樣品中的原子碰撞而改變方向,從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān),因此可以形成明暗不同的影像,影像將在放大、聚焦后在成像器件(如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件)上顯示出來。由于電子的德布羅意波長非常短,透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多,可以達到1~2nm,放大倍數(shù)為幾萬~百萬倍。因此,使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細結(jié)構(gòu),甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu),比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)小數(shù)萬倍。TEM在中和物理學和生物學相關(guān)的許多科學領(lǐng)域都是重要的分析方法,如癌癥研究、病毒學、材料科學、以及納米技術(shù)、半導體研究等等。在放大倍數(shù)較低的時候,TEM成像的對比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對電子的吸收不同而造成的。而當放大率倍數(shù)較高的時候,復雜的波動作用會造成成像的亮度的不同,因此需要專業(yè)知識來對所得到的像進行分析。通過使用TEM不同的模式,可以通過物質(zhì)的化學特性、晶體方向、電子結(jié)構(gòu)、樣品造成的電子相移以及通常的對電子吸收對樣品成像。第一臺TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研制,這個研究組于1933年研制了第一臺分辨率超過可見光的TEM,而第一臺商用TEM于1939年研制成功。大型透射電鏡(conventionalTEM)一般采用80-300kV電子束加速電壓,不同型號對應(yīng)不同的電子束加速電壓,其分辨率與電子束加速電壓相關(guān),可達2-1nm,高端機型可實現(xiàn)原子級分辨。低壓小型透射電鏡(Low-Voltageelectronmicroscope,LVEM)采用的電子束加速電壓(5kV)遠低于大型透射電鏡。較低的加速電壓會增強電子束與樣品的作用強度,從而使圖像襯度、對比度提升,尤其適合高分子、生物等樣品;同時,低壓透射電鏡對樣品的損壞較小。分辨率較大型電鏡低,1-2nm。由于采用低電壓,可以在一臺設(shè)備上整合透射電鏡、掃描電鏡與掃描透射電鏡冷凍電鏡(Cryo-microscopy)通常是在普通透射電鏡上加裝樣品冷凍設(shè)備,將樣品冷卻到液氮溫度(77K),用于觀測蛋白、生物切片等對溫度敏感的樣品。通過對樣品的冷凍,可以降低電子束對樣品的損傷,減小樣品的形變,從而得到更加真實的樣品形貌。恩斯特·阿貝最開始指出,對物體細節(jié)的分辨率受到用于成像的光波波長的限制,因此使用光學顯微鏡僅能對微米級的結(jié)構(gòu)進行放大觀察。通過使用由奧古斯特·柯勒和莫里茨·馮·羅爾研制的紫外光顯微鏡,可以將極限分辨率提升約一倍。然而,由于常用的玻璃會吸收紫外線,這種方法需要更昂貴的石英光學元件。當時人們認為由于光學波長的限制,無法得到亞微米分辨率的圖像。1858年,尤利烏斯·普呂克認識到可以通過使用磁場來使陰極射線彎曲。這個效應(yīng)早在1897年就由曾經(jīng)被費迪南德·布勞恩用來制造一種被稱為陰極射線示波器的測量設(shè)備,而實際上早在1891年,里克就認識到使用磁場可以使陰極射線聚焦。后來,漢斯·布斯在1926年發(fā)表了他的工作,證明了制鏡者方程在適當?shù)臈l件下可以用于電子射線。1928年,柏林科技大學的高電壓技術(shù)教授阿道夫·馬蒂亞斯讓馬克斯·克諾爾來領(lǐng)導一個研究小組來改進陰極射線示波器。這個研究小組由幾個博士生組成,這些博士生包括恩斯特·魯斯卡和博多·馮·博里斯。這組研究人員考慮了透鏡設(shè)計和示波器的列排列,試圖通過這種方式來找到更好的示波器設(shè)計方案,同時研制可以用于產(chǎn)生低放大倍數(shù)(接近1:1)的電子光學原件。1931年,這個研究組成功的產(chǎn)生了在陽極光圈上放置的網(wǎng)格的電子放大圖像。這個設(shè)備使用了兩個磁透鏡來達到更高的放大倍數(shù),因此被稱為第一臺電子顯微鏡。在同一年,西門子公司的研究室主任萊因霍爾德·盧登堡提出了電子顯微鏡的靜電透鏡的專利。1927年,徳布羅意發(fā)表的論文中揭示了電子這種本認為是帶有電荷的物質(zhì)粒子的波動特性。TEM研究組直到1932年才知道了這篇論文,隨后,他們迅速的意識到了電子波的波長比光波波長小了若干數(shù)量級,理論上允許人們觀察原子尺度的物質(zhì)。1932年四月,魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品,而不是觀察格點或者光圈的像。通過這個設(shè)備,人們成功的得到了鋁片的衍射圖像和正常圖像,然而,其超過了光學顯微鏡的分辨率的特點仍然沒有得到完全的證明。直到1933年,通過對棉纖維成像,才正式的證明了TEM的高分辨率。然而由于電子束會損害棉纖維,成像速度需要非常快。1936年,西門子公司繼續(xù)對電子顯微鏡進行研究,他們的研究目的使改進TEM的成像效果,尤其是對生物樣品的成像。此時,電子顯微鏡已經(jīng)由不同的研究組制造出來,如英國國家物理實驗室制造的EM1設(shè)備。1939年,第一臺商用的電子顯微鏡安裝在了I.GFarben-Werke的物理系。由于西門子公司建立的新實驗室在第二次世界大戰(zhàn)中的一次空襲中被摧毀,同時兩名研究人員喪生,電子顯微鏡的進一步研究工作被極大的阻礙。第二次世界大戰(zhàn)之后,魯斯卡在西門子公司繼續(xù)他的研究工作。在這里,他繼續(xù)研究電子顯微鏡,生產(chǎn)了第一臺能夠放大十萬倍的顯微鏡。這臺顯微鏡的基本設(shè)計仍然在今天的現(xiàn)代顯微鏡中使用。第一次關(guān)于電子顯微鏡的國際會議于1942年在代爾夫特舉行,參加者超過100人。隨后的會議包括1950年的巴黎會議和1954年的倫敦會議。隨著TEM的發(fā)展,相應(yīng)的掃描透射電子顯微鏡技術(shù)被重新研究,而在1970年芝加哥大學的阿爾伯特·克魯發(fā)明了場發(fā)射槍,同時添加了高質(zhì)量的物鏡從而發(fā)明了現(xiàn)代的掃描透射電子顯微鏡。這種設(shè)計可以通過環(huán)形暗場成像技術(shù)來對原子成像??唆敽退耐掳l(fā)明了冷場電子發(fā)射源,同時建造了一臺能夠?qū)鼙〉奶家r底之上的重原子進行觀察的掃描透射電子顯微鏡。理論上,光學顯微鏡所能達到的最大分辨率,d,受到照射在樣品上的光子波長λ以及光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑,NA,的限制:二十世紀早期,科學家發(fā)現(xiàn)理論上使用電子可以突破可見光光波波長的限制(波長大約400納米-700納米)。與其他物質(zhì)類似,電子具有波粒二象性,而他們的波動特性意味著一束電子具有與一束電磁輻射相似的性質(zhì)。電子波長可以通過徳布羅意公式使用電子的動能得出。由于在TEM中,電子的速度接近光速,需要對其進行相對論修正:其中,h表示普朗克常數(shù),m0表示電子的靜質(zhì)量,E是加速后電子的能量。電子顯微鏡中的電子通常通過電子熱發(fā)射過程從鎢燈絲上射出,或者采用場電子發(fā)射方式得到。隨后電子通過電勢差進行加速,并通過靜電場與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強度、相位、以及周期性的信息,這些信息將被用于成像。從上至下,TEM包含有一個可能由鎢絲制成也可能由六硼化鑭制成的電子發(fā)射源。對于鎢絲,燈絲的形狀可能是別針形也可能是小的釘形。而六硼化鑭使用了很小的一塊單晶。通過將電子槍與高達10萬伏-30萬伏的高電壓源相連,在電流足夠大的時候,電子槍將會通過熱電子發(fā)射或者場電子發(fā)射機制將電子發(fā)射入真空。該過程通常會使用柵極來加速電子產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生電子,TEM上邊的透鏡要求電子束形成需要的大小射在需要的位置,以和樣品發(fā)生作用。對電子束的控制主要通過兩種物理效應(yīng)來實現(xiàn)。運動的電子在磁場中將會根據(jù)右手定則受到洛倫茲力的作用,因此可以使用磁場來控制電子束。使用磁場可以形成不同聚焦能力的磁透鏡,透鏡的形狀根據(jù)磁通量的分布確定。另外,電場可以使電子偏斜固定的角度。通過對電子束進行連續(xù)兩次相反的偏斜操作,可以使電子束發(fā)生平移。這種作用在TEM中被用作電子束移動的方式,而在掃描電子顯微鏡中起到了非常重要的作用。通過這兩種效應(yīng)以及使用電子成像系統(tǒng),可以對電子束通路進行足夠的控制。與光學顯微鏡不同,對TEM的光學配置可以非常快,這是由于位于電子束通路上的透鏡可以通過快速的電子開關(guān)進行打開、改變和關(guān)閉。改變的速度僅僅受到透鏡的磁滯效應(yīng)的影響。一般來說,TEM包含有三級透鏡。這些透鏡包括聚焦透鏡、物鏡、和投影透鏡。聚焦透鏡用于將最初的電子束成型,物鏡用于將穿過樣品的電子束聚焦,使其穿過樣品(在掃描透射電子顯微鏡的掃描模式中,樣品上方也有物鏡,使得射入的電子束聚焦)。投影透鏡用于將電子束投射在熒光屏上或者其他顯示設(shè)備,比如膠片上面。TEM的放大倍數(shù)通過樣品于物鏡的像平面距離之比來確定。另外的四極子或者六極子透鏡用于補償電子束的不對稱失真,被稱為散光。需要注意的是,TEM的光學配置于實際實現(xiàn)有非常大的不同,制造商們會使用自定義的鏡頭配置,比如球面像差補償系統(tǒng)或者利用能量濾波來修正電子的色差。TEM的成像系統(tǒng)包括一個可能由顆粒極細(10-100微米)的硫化鋅制成熒光屏,可以向操作者提供直接的圖像。還可以使用基于膠片或者基于CCD的圖像記錄系統(tǒng)。通常這些設(shè)備可以由操作人員根據(jù)需要從電子束通路中移除或者插入通路中。透射電鏡的總體工作原理是:由電子槍發(fā)射出來的電子束,在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡,通過聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑,照射在樣品室內(nèi)的樣品上;透過樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息,樣品內(nèi)致密處透過的電子量少,稀疏處透過的電子量多;經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后,電子束進入下級的中間透鏡和第第2投影鏡進行綜合放大成像,最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上;熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像以供使用者觀察。本節(jié)將分別對各系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)和原理予以介紹。電子束穿過樣品時會攜帶有樣品的信息,TEM的成像設(shè)備使用這些信息來成像。投射透鏡將處于正確位置的電子波分布投射在觀察系統(tǒng)上。觀察到的圖像強度,I,在假定成像設(shè)備質(zhì)量很高的情況下,近似的與電子波函數(shù)的時間平均幅度成正比。若將從樣品射出的電子波函數(shù)表示為Ψ,則不同的成像方法試圖通過修改樣品射出的電子束的波函數(shù)來得到與樣品相關(guān)的信息。根據(jù)前面的等式,可以推出觀察到的圖像強度依賴于電子波的幅度,同時也依賴于電子波的相位。雖然在電子波幅度較低的時候相位的影響可以忽略不計,但是相位信息仍然非常重要。高分辨率的圖像要求樣品盡量的薄,電子束的能量盡量的高。因此可以認為電子不會被樣品吸收,樣品也就無法改變電子波的振幅。由于在這種情況下樣品僅僅對波的相位造成影響,這樣的樣品被稱作純相位物體。純相位物體對波相位的影響遠遠超過對波振幅的影響,因此需要復雜的分析來得到觀察到的圖像強度。例如,為了增加圖像的對比度,TEM需要稍稍離開聚焦位置一點。這是由于如果樣品不是一個相位物體,和TEM的對比度傳輸函數(shù)卷積以后將會降低圖像的對比度。TEM中的對比度信息與操作的模式關(guān)系很大。復雜的成像技術(shù)通過改變透鏡的強度或取消一個透鏡等等構(gòu)成了許多的操作模式。這些模式可以用于獲得研究人員所關(guān)注的特別信息。TEM最常見的操作模式是亮場成像模式。在這一模式中,經(jīng)典的對比度信息根據(jù)樣品對電子束的吸收所獲得。樣品中較厚的區(qū)域或者含有原子數(shù)較多的區(qū)域?qū)﹄娮游蛰^多,于是在圖像上顯得比較暗,而對電子吸收較小的區(qū)域看起來就比較亮,這也是亮場這一術(shù)語的來歷。圖像可以認為是樣品沿光軸方向上的二維投影,而且可以使用比爾定律來近似。對亮場模式的更復雜的分析需要考慮到電子波穿過樣品時的相位信息。由于電子束射入樣品時會發(fā)生布拉格散射,樣品的衍射對比度信息會由電子束攜帶出來。例如晶體樣品會將電子束散射至后焦平面上離散的點上。通過將光圈放置在后焦平面上,可以選擇合適的反射電子束以觀察到需要的布拉格散射的圖像。通常僅有非常少的樣品造成的電子衍射會投影在成像設(shè)備上。如果選擇的反射電子束不包括位于透鏡焦點的未散射電子束,那么在圖像上沒有樣品散射電子束的位置上,也就是沒有樣品的區(qū)域?qū)前档?。這樣的圖像被稱為暗場圖像?,F(xiàn)代的TEM經(jīng)常裝備有允許操作人員將樣品傾斜一定角度的夾具,以獲得特定的衍射條件,而光圈也放在樣品的上方以允許用戶選擇能夠以合適的角度進入樣品的電子束。這種成像方式可以用來研究晶體的晶格缺陷。通過認真的選擇樣品的方向,不僅能夠確定晶體缺陷的位置,也能確定缺陷的類型。如果樣品某一特定的晶平面僅比最強的衍射角小一點點,任何晶平面缺陷將會產(chǎn)生非常強的對比度變化。然而原子的位錯缺陷不會改變布拉格散射角,因此也就不會產(chǎn)生很強的對比度。通過使用采用電子能量損失光譜學這種先進技術(shù)的光譜儀,適當?shù)碾娮涌梢愿鶕?jù)他們的電壓被分離出來。這些設(shè)備允許選擇具有特定能量的電子,由于電子帶有的電荷相同,特定能量也就意味著特定的電壓。這樣,這些特定能量的電子可以與樣品發(fā)生特定的影響。例如,樣品中不同的元素可以導致射出樣品的電子能量不同。這種效應(yīng)通常會導致色散,然而這種效應(yīng)可以用來產(chǎn)生元素成分的信息圖像,根據(jù)原子的電子-電子作用。電子能量損失光譜儀通常在光譜模式和圖像模式上操作,這樣就可以隔離或者排除特定的散射電子束。由于在許多圖像中,非彈性散射電子束包含了許多操作者不關(guān)心的信息,從而降低了有用信息的可觀測性。這樣,電子能量損失光譜學技術(shù)可以通過排除不需要的電子束有效提高亮場觀測圖像與暗場觀測圖像的對比度。晶體結(jié)構(gòu)可以通過高分辨率透射電子顯微鏡來研究,這種技術(shù)也被稱為相襯顯微技術(shù)。當使用場發(fā)射電子源的時候,觀測圖像通過由電子與樣品相互作用導致的電子波相位的差別重構(gòu)得出。然而由于圖像還依賴于射在屏幕上的電子的數(shù)量,對相襯圖像的識別更加復雜。然而,這種成像方法的優(yōu)勢在于可以提供有關(guān)樣品的更多信息。如前所述,通過調(diào)整磁透鏡使得成像的光圈處于透鏡的后焦平面處而不是像平面上,就會產(chǎn)生衍射圖樣。對于單晶體樣品,衍射圖樣表現(xiàn)為一組排列規(guī)則的點,對于多晶或無定形固體將會產(chǎn)生一組圓環(huán)。對于單晶體,衍射圖樣與電子束照射在樣品的方向以及樣品的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常僅僅根據(jù)衍射圖樣上的點的位置與觀測圖像的對稱性就可以分析出晶體樣品的空間群信息以及樣品晶體方向與電子束通路的方向的相對關(guān)系。衍射圖樣的動態(tài)范圍通常非常大。對于晶體樣品,這個動態(tài)范圍通常超出了CCD所能記錄的最大范圍。因此TEM通常裝備有膠卷暗盒以記錄這些圖像。對衍射圖樣點對點的分析非常復雜,這是由于圖像與樣品的厚度和方向、物鏡的失焦、球面像差和色差等等因素都有非常密切的關(guān)系。盡管可以對格點圖像對比度進行定量的解釋,然而分析本質(zhì)上非常復雜,需要大量的計算機仿真來計算。衍射平面還有更加復雜的表現(xiàn),例如晶體格點的多次衍射造成的菊池線。在會聚電子束衍射技術(shù)中,會聚電子束在樣品表面形成一個極細的探針,從而產(chǎn)生了不平行的會聚波前,而匯聚電子束與樣品的作用可以提供樣品結(jié)構(gòu)以外的信息,例如樣品的厚度等等。照明系統(tǒng)包括電子槍和聚光鏡2個主要部件,它的功用主要在于向樣品及成像系統(tǒng)提供亮度足夠的光源,電子束流,對它的要求是輸出的電子束波長單一穩(wěn)定,亮度均勻一致,調(diào)整方便,像散小。由陰極(cathode)、陽極(anode)和柵極(grid)組成,圖4-14為它的剖面結(jié)構(gòu)示意圖和實物分解圖。(1)陰極陰極是產(chǎn)生自由電子的源頭,一般有直熱式和旁熱式2種,旁熱式陰極是將加熱體和陰極分離,各自保持獨立。在電鏡中通常由加熱燈絲(filament)兼做陰極稱為直熱式陰極,材料多用金屬鎢絲制成,其特點是成本低,但亮度低,壽命也較短。燈絲的直徑約為10~12mm,當幾安培的加熱電流流過時,即可開始發(fā)射出自由電子,不過燈絲周圍必須保持高度真空,否則就象漏氣燈泡一樣,加熱的燈絲會在傾刻間被氧化燒毀。燈絲的形狀最常采用的是發(fā)叉式,也有采用箭斧式或點狀式的(圖4-15),后2種燈絲發(fā)光亮度高,光束尖細集中,適用于高分辨率電鏡照片的拍攝,但使用壽命更短。陰極燈絲被安裝在高絕緣的陶瓷燈座上(圖4-16),既能絕緣、耐受幾千度的高在一定的界限內(nèi),燈絲發(fā)射出來的自由電子量與加熱電流強度成正比,但在超越這個界限后,電流繼續(xù)加大,只能降低燈絲的使用壽命,卻不能增大自由電子的發(fā)射量,我們把這個臨界點稱做燈絲飽和點,意即自由電子的發(fā)射量已達“滿額”,無以復加。正常使用常把燈絲的加熱電流調(diào)整設(shè)定在接近飽和而不到的位置上,稱做“欠飽和點”。這樣在保證能獲得較大的自由電子發(fā)射量的情況下,可以最大限度地延長燈絲的使用壽命。鎢制燈絲的正常使用壽命為40h左右,現(xiàn)代電鏡中有時使用新型材料六硼化鑭(LaB6)來制作燈絲,其價格較貴,但發(fā)光效率高、亮度大(能提高一個數(shù)量級),并且使用壽命遠較鎢制燈絲長得多,可以達到1000h,是一種很好的新型材料。(2)陽極為一中心有孔的金屬圓筒,處在陰極下方,當陽極上加有數(shù)十千伏或上百千伏的正高壓??加速電壓時,將對陰極受熱發(fā)射出來的自由電子產(chǎn)生強烈的引力作用,并使之從雜亂無章的狀態(tài)變?yōu)橛行虻亩ㄏ蜻\動,同時把自由電子加速到一定的運動速度(與加速電壓有關(guān),前面已經(jīng)討論過),形成一股束流射向陽極靶面。凡在軸心運動的電子束流,將穿過陽極中心的圓孔射出電子槍外,成為照射樣品的光源。(3)柵極位于陰、陽極之間,靠近燈絲頂端,為形似帽狀的金屬物,中心亦有一小孔供電子束通過。柵極上加有0~1000V的負電壓(對陰極而言),這個負電壓稱為柵偏壓VG,它的高低不同,可由使用者根據(jù)需要調(diào)整,柵極偏壓能使電子束產(chǎn)生向中心軸會聚的作用,同時對燈絲上自由電子的發(fā)射量也有一定的調(diào)控抑制作用。(4)工作原理圖4-17表明,在燈絲電源VF作用下,電流IF流過燈絲陰極,使之發(fā)熱達2500℃以上時,便可產(chǎn)生自由電子并逸出燈絲表面。加速電壓VA使陽極表面聚集了密集的正電荷,形成了一個強大的正電場,在這個正電場的作用下自由電子便飛出了電子槍外。調(diào)整VF可使燈絲工作在欠飽和點,電鏡使用過程中可根據(jù)對亮度的需要調(diào)節(jié)柵偏壓VG的大小來控制電子束流量的大小。電鏡中加速電壓VA也是可調(diào)的,VA增大時,電子束的波長λ縮短,有利于電鏡分辨力的提高。同時穿透能力增強,對樣品的熱損傷小,但此時會由于電子束與樣品碰撞,導致彈性散射電子的散射角隨之增大,成像反差會因此而有所下降,所以,在不追求高分辨率觀察應(yīng)用時,選擇較低的加速電壓反而可以獲得較大的成像反差,尤其對于自身反差對比較小的生物樣品,選用較低的加速電壓有時是有利的。還有一種新型的電子槍場發(fā)射式電子槍(見圖4-18),由1個陰極和2個陽極構(gòu)成,第1陽極上施加一稍低(相對第2陽極)的吸附電壓,用以將陰極上面的自由電子吸引出來,而第2陽極上面的極高電壓,將自由電子加速到很高的速度發(fā)射出電子束流。這需要超高電壓和超高真空為工作條件,它工作時要求真空度達到10-7Pa,熱損耗極小,使用壽命可達2000h;電子束斑的光點更為尖細,直徑可達到10nm以下,較鎢絲陰極(大于10nm)縮小了3個數(shù)量級;由于發(fā)光效率高,它發(fā)出光斑的亮度能達到10A/cm·s,較鎢絲陰極(106A/cm·s)也提高了3個數(shù)量級。場發(fā)射式電子槍因技術(shù)先進、造價昂貴,只應(yīng)用于高檔高分辨電鏡當中。聚光鏡處在電子槍的下方,一般由2~3級組成,從上至下依次稱為第第2聚光鏡(以C1和C2表示)。關(guān)于電磁透鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理已經(jīng)在上一節(jié)中介紹,電鏡中設(shè)置聚光鏡的用途是將電子槍發(fā)射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射范圍可調(diào)的光斑,投射在下面的樣品上。C1和C2的結(jié)構(gòu)相似,但極靴形狀和工作電流不同,所以形成的磁場強度和用也不相同。C1為強磁場透鏡,C2為弱磁場透鏡,各級聚光鏡組合在一起使用,可以調(diào)節(jié)照明束斑的直徑大小,從而改變了照明亮度的強弱,在電鏡操縱面板上一般都設(shè)有對應(yīng)的調(diào)節(jié)旋扭。CC2的工作原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流,來達到改變透鏡所形成的磁場強度的變化,磁場強度的變化(亦即折射率發(fā)生變化)能使電子束的會聚點上下移動,在樣品表面上電子束斑會聚得越小,能量越集中,亮度也越大;反之束斑發(fā)散,照射區(qū)域變大則亮度就減小。通過調(diào)整聚光鏡電流來改變照明亮度的方法,實際上是一個間接的調(diào)整方法,亮度的最大值受到電子束流量的限制。如想更大程度上改變照明亮度,只有通調(diào)整前面提到的電子槍中的柵極偏壓,才能從根本上改變電子束流的大小。在C2上通常裝配有活動光闌,用以改變光束照明的孔徑角,一方面可以限制投射在樣品表面的照明區(qū)域,使樣品上無需觀察的部分免受電子束的轟擊損傷;另一方面也能減少散射電子等不利信號帶來的影響。樣品室處在聚光鏡之下,內(nèi)有載放樣品的樣品臺。樣品臺必須能做水平面上、Y方向的移動,以選擇、移動觀察視野,相對應(yīng)地配備了2個操縱桿或者旋轉(zhuǎn)手輪,這是一個精密的調(diào)節(jié)機構(gòu),每一個操縱桿旋轉(zhuǎn)10圈時,樣品臺才能沿著某個方向移動3mm左右?,F(xiàn)代高檔電鏡可配有由計算機控制的馬達驅(qū)動的樣品臺,力求樣品在移動時精確,固定時穩(wěn)定;并能由計算機對樣品做出標簽式定位標記,以便使用者在需要做回顧性對照時依靠計算機定位查找,這是在手動選區(qū)操作中很難實現(xiàn)的。生物醫(yī)學樣品在做透射電鏡觀察時,基本上都是將原始樣品以環(huán)氧樹脂包埋,然后用非常精密的超薄切片機切成薄片,刀具為特制的玻璃刀或者是鉆石刀。切下的生物醫(yī)學樣品的厚度通常只有幾十個納米(nm),這在一般情況下用肉眼是不能直接看到的,必須讓切片飄浮在水面上,由操作熟練的技術(shù)人員借助特殊的照明光線,并以特殊的角度才能觀察到如此薄的切片。切好的薄片被撈放在銅網(wǎng)上,經(jīng)過染色和干燥后才能用于觀察.透射電鏡樣品的制作是一個漫長、復雜而又精密的過程,技術(shù)性非常強。但是我們前面介紹過,要想獲得優(yōu)良的電鏡影像,制做優(yōu)良的樣品標本乃是非常重要的第一步。盛放樣品的銅網(wǎng)根據(jù)需要可以是多種多樣的,直徑一般均為3mm,通常銅網(wǎng)上有多少個柵格,我們就把它稱作多少目。之所以選擇銅制作樣品網(wǎng),是由于它不會與電子束及電磁場發(fā)生作用,同理還可以選擇其他導磁率低的金屬材料(如鎳)制作樣品網(wǎng),樣品網(wǎng)屬于易耗品,銅網(wǎng)加工容易、成本低,故使用十分普及。透射電鏡常見的樣品臺有2種:①頂入式樣品臺,要求樣品室空間大,一次可放入多個(常見為6個)樣品網(wǎng),樣品網(wǎng)盛載杯呈環(huán)狀排列。使用時可以依靠機械手裝置進行依次交換。優(yōu)點是每觀察完多個樣品后,才在更換樣品時破壞一次樣品室的真空,比較方便、省時間;但所需空間太大,致使樣品距下面物鏡的距離較遠,不適于縮短物鏡焦距,會影響電鏡分辨力的提高。②側(cè)插式樣品臺,樣品臺制成桿狀,樣品網(wǎng)載放在前端,只能盛放1~2個銅網(wǎng)。樣品臺的體積小,所占空間也小,可以設(shè)置在物鏡內(nèi)部的上半端,有利于電鏡分辨率的提高。缺點是一次不能同時放入多個樣品網(wǎng),每次更換樣品必須破壞一次樣品室的真空,略嫌不便。在性能較高的透射式電鏡中,大多采用上述側(cè)插式樣品臺,為的是最大限度地提高電鏡的分辨能力。高檔次的電鏡可以配備多種式樣的側(cè)插式樣品臺,某些樣品臺通過金屬聯(lián)接能對樣品網(wǎng)加熱或者致冷,以適應(yīng)不同的用途。樣品是先盛載在銅網(wǎng)上,然后固定在樣品臺上的,樣品臺與樣品握持桿合為一體,是一個非常精巧的部件。樣品桿的中部有一個“O”形橡膠密封圈,膠圈表面涂有真空脂,以隔離樣品室與鏡體外部的真空(兩端的氣壓差極大,比值可達10~10)。樣品室的上下電子束通道各設(shè)了一個真空閥,用以在更換樣品時切斷電子束通道,只破壞樣品室內(nèi)的真空,而不影響整個鏡筒內(nèi)的真空,這樣在更換樣品后樣品室重又抽回真空時,可節(jié)省許多時間。當樣品室的真空度與鏡筒內(nèi)達到平衡時,再重新開啟與鏡筒相通的真空閥。處于樣品室下面,緊貼樣品臺,是電鏡中的第1個成像元件,在物鏡上產(chǎn)生哪怕是極微小的誤差,都會經(jīng)過多級高倍率放大而明顯地暴露出來,所以這是電鏡的一個最重要部件,決定了一臺電鏡的分辨本領(lǐng),可看作是電鏡的心臟。(1)特點物鏡是一塊強磁透鏡,焦距很短,對材料的質(zhì)地純度、加工精度、使用中污染的狀況等工作條件都要求極高。致力于提高一臺電鏡的分辨率指標的核心問題,便是對物鏡的性能設(shè)計和工藝制作的綜合考核。盡可能地使之焦距短、像差小,又希望其空間大,便于樣品操作,但這中間存在著不少相互矛盾的環(huán)節(jié)。(2)作用進行初步成像放大,改變物鏡的工作電流,可以起到調(diào)節(jié)焦距的作用。電鏡操作面板上粗、細調(diào)焦旋扭,即為改變物鏡工作電流之用。為滿足物鏡的前述要求,不僅要將樣品臺設(shè)計在物鏡內(nèi)部,以縮短物鏡焦距;還要配置良好的冷卻水管,以降低物鏡電流的熱飄移;還裝有提高成像反差的可調(diào)活動光闌,及其要達到高分辨率的消像散器。對于高性能的電子顯微鏡,都通過物鏡裝有以液氮為媒質(zhì)的防污染冷阱,給樣品降溫。中間鏡(intemediatelens)和投影鏡(projectionlens)在物鏡下方,依次設(shè)有中間鏡和第1投影鏡、第2投影鏡,以共同完成對物鏡成像的進一步放大任務(wù)。從結(jié)構(gòu)上看,它們都是相類似的電磁透鏡,但由于各自的位置和作用不盡相同,故其工作參數(shù)、勵磁電流和焦距的長短也不相同。電鏡總放大率:即為物鏡、中間鏡和投影鏡的各自放大率之積。當電鏡放大率在使用中需要變換時,就必須使它們的焦距長短相應(yīng)做出變化,通常是改變靠中間鏡和第1投影鏡線圈的勵磁工作電流來達到的。電鏡操縱面板上放大率變換鈕即為控制中間鏡和投影鏡的電流之用。對中間鏡和投影鏡這類放大成像透鏡的主要要求是:在盡可能縮短鏡筒高度的條件下,得到滿足高分辨率所需的最高放大率,以及為尋找合適視野所需的最低放大率;可以進行電子衍射像分析,做選區(qū)衍射和小角度衍射等特殊觀察;同樣也希望它們的像差、畸變和軸上像散都盡可能地小。透射電鏡的最終成像結(jié)果,顯現(xiàn)在觀察室內(nèi)的熒光屏上,觀察室處于投影鏡下,空間較大,開有1~3個鉛玻璃窗,可供操作者從外部觀察分析用。對鉛玻璃的要求是既有良好的透光特性,又能阻斷線散射和其他有害射線的逸出,還要能可靠地耐受極高的壓力差以隔離真空。由于電子束的成像波長太短,不能被人的眼睛直接觀察,電鏡中采用了涂有熒光物質(zhì)的熒光屏板把接收到的電子影像轉(zhuǎn)換成可見光的影像。觀察者需要在熒光屏上對電子顯微影像進行選區(qū)和聚焦等調(diào)整與觀察分析,這要求熒光屏的發(fā)光效率高,光譜和余輝適當,分辨力好。多采用能發(fā)黃綠色光的硫化鋅-鎘類熒光粉做為涂布材料,直徑約在15~20cm。熒光屏的中心部分為一直徑約10cm的圓形活動熒光屏板,平放時與外周熒屏吻合,可以進行大面積觀察。使用外部操縱手柄可將活動熒屏拉起,斜放在45°角位置,此時可用電鏡置配的雙目放大鏡,在觀察室外部通過玻璃窗來精確聚焦或細致分析影像結(jié)構(gòu);而活動熒光屏完全直立豎起時能讓電子影像通過,照射在下面的感光膠片上進行曝光。在觀察中電子束長時間轟擊生物醫(yī)學樣品標本,必會使樣品污染或損傷。所以對有診斷分析價值的區(qū)域,若想長久地觀察分析和反復使用電鏡成像結(jié)果,應(yīng)該盡快把它保留下來,將因為電子束轟擊生物醫(yī)學樣品造成的污染或損傷降低到最小。熒光屏上的粉質(zhì)顆粒的解像力還不夠高,尚不能充分反映出電鏡成像的分辨本領(lǐng)。將影像記錄存儲在膠片上照相,便解決了這些問題。照相室處在鏡筒的最下部,內(nèi)有送片盒(用于儲存未曝光底片)和接收盒(用于收存已曝光底片)及一套膠片傳輸機構(gòu)。電鏡生產(chǎn)的廠家、機型不同,片盒的儲片數(shù)目也不相同,一般在20~50片/盒左右,底片尺寸日本多采用5mm×118mm,美國常用5mm×6mm,而歐州則用90mm×120mm。每張底片都由特制的一個不銹鋼底片夾夾持,疊放在片盒內(nèi)。工作時由輸片機構(gòu)相繼有序地推放底片夾到熒光屏下方電子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控兩種方法,快門啟動裝置通常并聯(lián)在活動熒光屏板的扳手柄上。電子束流的大小可由探測器檢測,給操作者以曝光指示;或者應(yīng)用全自動曝光模式由計算機控制,按程序選擇曝光亮度和最佳曝光時間完成影像的拍攝記錄。現(xiàn)代電鏡都可以在底片上打印出每張照片拍攝時的工作參數(shù),如:加速電壓值、放大率、微米標尺、簡要文字說明、成像日期、底片序列號及操作者注解等備查的記錄參數(shù)。觀察室與照相室之間有真空隔離閥。以便在更換底片時,只打開照相室而不影響整個鏡筒的真空。電鏡的操作面板上的CRT顯示器主要用于電鏡總體工作狀態(tài)的顯示、操作鍵盤的輸入內(nèi)容顯示、計算機與操作者之間的人機對話交流提示以及電鏡維修調(diào)整過程中的程序提示、故障警示等。電鏡鏡筒內(nèi)的電子束通道對真空度要求很高,電鏡工作必須保持在10-3~10Pa以上的真空度(高性能的電鏡對真空度的要求更達10Pa以上),因為鏡筒中的殘留氣體分子如果與高速電子碰撞,就會產(chǎn)生電離放電和散射電子,從而引起電子束不穩(wěn)定,增加像差,污染樣品,并且殘留氣體將加速高熱燈絲的氧化,縮短燈絲壽命。獲得高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。機械泵因在其他場合使用非常廣泛而比較常見,它工作時是靠泵體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉輪刮片將空氣吸入、壓縮、排放到外界的。機械泵的抽氣速度每分鐘僅為160L左右,工作能力也只能達到1~01Pa,遠不能滿足電鏡鏡筒對真空度的要求,所以機械泵只做為真空系統(tǒng)的前級泵來使用。擴散泵的工作原理是用電爐將特種擴散泵油加熱至蒸汽狀態(tài),高溫油蒸汽膨漲向上升起,靠油蒸汽吸附電鏡鏡體內(nèi)的氣體,從噴嘴朝著擴散泵內(nèi)壁射出,在環(huán)繞擴散泵外壁的冷卻水的強制降溫下,油蒸汽冷卻成液體時析出氣體排至泵外,由機械泵抽走氣體,油蒸汽冷卻成液體后靠重力回落到加熱電爐上的油槽里循環(huán)使用。擴散泵的抽氣速度很快,約為每秒鐘570L左右,工作能力也較強,可達10~10Pa。但它只能在氣體分子較稀薄時使用,這是由于氧氣成分較多時易使高溫油蒸氣燃燒,所以擴散泵通常與機械泵串聯(lián)使用,在機械泵將鏡筒真空度抽到一定程度時,才啟動擴散泵。近年電鏡廠商在制作中為實現(xiàn)超高壓、超高分辨率,必須滿足超高真空度的要求,為此在電鏡的真空系統(tǒng)中又推出了離子泵和渦輪分子泵,把它們與前述的機械泵和油擴散泵聯(lián)用可以達到10Pa的超高真空度水平。像散(指軸上像散)的產(chǎn)生除了前面介紹的材質(zhì)、加工精度等原因以外,實際上在使用過程中,會因為各部件的疲勞損耗、真空油脂的擴散沉積、以及生物醫(yī)學樣品中的有機物在電子束照射下的熱蒸發(fā)污染等眾多因素逐漸積累,使得像散也在不斷變化。所以像散的消除在電鏡制造和應(yīng)用之中都成了必不可少的重要技術(shù)。早期電鏡中曾采用過機械式消像散器,利用手動機械裝置來調(diào)整電磁透鏡周圍的小磁鐵組成的消像散器,來改變透鏡磁場分布的缺陷。但由于調(diào)整的精確性和使用的方便性均難令人滿意,這種方式已被淘汰。消像散器由圍繞光軸對稱環(huán)狀均勻分布的8個小電磁線圈構(gòu)成,用以消除(或減小)電磁透鏡因材料、加工、污染等因素造成的像散。其中每4個互相垂直的線圈為1組,在任一直徑方向上的2個線圈產(chǎn)生的磁場方向相反,用2組控制電路來分別調(diào)節(jié)這2組線圈中的直流電流的大小和方向,即能產(chǎn)生1個強度和方向可變的合成磁場,以補償透鏡中所原有的不均勻磁場缺陷(圖中橢圓形實線),以達到消除或降低軸上像散的效果。一般電鏡在第2聚光鏡中和物鏡中各裝有2組消像器,稱為聚光鏡消像散器和物鏡消像散器。聚光鏡產(chǎn)生的像散可從電子束斑的橢圓度上看出,它會造成成像面上亮度不均勻和限制分辨率的提高。調(diào)整聚光鏡消像散器(鏡體操作面板上裝有對應(yīng)可調(diào)旋鈕),使橢圓形光斑恢復到最接近圓狀即可基本上消除聚光鏡中存在的像散。物鏡像散能在很大程度上影響成像質(zhì)量,消除起來也比較困難。通常使用放大鏡觀察樣品支持膜上小孔在欠焦時產(chǎn)生的費涅爾圓環(huán)的均勻度,或者使用專門的消像散特制標本來調(diào)整消除,這需要一定的經(jīng)驗和操作技巧。在一些高檔電鏡機型之中,開始出現(xiàn)了自動消像散和自動聚焦等新功能,為電鏡的使用和操作提供了極大的方便。最理想的電鏡工作狀態(tài),應(yīng)該是使電子槍、各級透鏡與熒光屏中心的軸線絕對重合。但這是很難達到的,它們的空間幾何位置多多少少會存在著一些偏差,輕者使電子束的運行發(fā)生偏離和傾斜,影響分辨力;稍微嚴重時會使電鏡無法成像甚至不能出光(電子束嚴重偏離中軸,不能射及熒光屏面)。為此電鏡采取的對應(yīng)彌補調(diào)整方法為機械合軸加電氣合軸的操作。機械合軸是整個合軸操作的先行步驟,通過逐級調(diào)節(jié)電子槍及各透鏡的定位螺絲,來形成共同的中心軸線。這種調(diào)節(jié)方法很難達到十分精細的程度,只能較為粗略地調(diào)整,然后再輔之以電氣合軸補償。電氣合軸是使用束取向調(diào)整器的作用來完成的,它能使照明系統(tǒng)產(chǎn)生的電子束做平行移動和傾斜移動,以對準成像系統(tǒng)的中心軸線。束取向調(diào)整器分槍(電子槍)平移、傾斜和束(電子束)平移、傾斜線圈兩部分。前者用以調(diào)整電子槍發(fā)射出電子束的水平位置和傾斜角度;后者用以對聚光鏡通道中電子束的調(diào)整。均為在照明光路中加裝的小型電磁線圈,改變線圈產(chǎn)生的磁場強度和方向,可以推動電子束做細微的移位動作。合軸的操作較為復雜,不過在合軸操作完成后,一般不需經(jīng)常調(diào)整。只是束平移調(diào)節(jié)作為一個經(jīng)常調(diào)動的旋鈕,放在電鏡的操作面板上,供操作者在改變某些工作狀態(tài)(如放大率變換)后,將偏移了的電子束亮斑中心拉回熒光屏的中心,此調(diào)節(jié)器旋鈕也稱為“亮度對中”鈕。如前所述,為限制電子束的散射,更有效地利用近軸光線,消除球差、提高成像質(zhì)量和反差,電鏡光學通道上多處加有光闌,以遮擋旁軸光線及散射光。光闌有固定光闌和活動光闌2種,固定光闌為管狀無磁金屬物,嵌入透鏡中心,操作者無法調(diào)整(如聚光鏡固定光闌)?;顒庸怅@是用長條狀無磁性金屬鉬薄片制成,上面縱向等距離排列有幾個大小不同的光闌孔,直徑從數(shù)十到數(shù)百個微米不等,以供選擇使用。活動光闌鉬片被安裝在調(diào)節(jié)手柄的前端,處于光路的中心,手柄端在鏡體的外部?;顒庸怅@手柄整體的中部,嵌有“O”形橡膠圈來隔離鏡體內(nèi)外部的真空??晒┱{(diào)節(jié)用的手柄上標有4號定位標記,號數(shù)越大,所選的就孔徑越小。光闌孔要求很圓而且光滑,并能在、Y方向上的平面里做幾何位置移動,使光闌孔精確地處于光路軸心。因此,活動光闌的調(diào)節(jié)手柄,應(yīng)能讓操作者在鏡體外部方便地選擇光闌孔徑,調(diào)整、移動活動光闌在光路上的空間幾何位置。電鏡上常設(shè)3個活動光闌供操作者變換選用:①聚光鏡C2光闌,孔徑約在20~200μm左右,用于改變照射孔徑角,避免大面積照射對樣品產(chǎn)生不必要的熱損傷。光闌孔的變換會影響光束斑點的大小和照明亮度;②物鏡光闌,能顯著改變成像反差??讖郊s在10~100μm左右,光闌孔越小,反差就越大,亮度和視場也越小(低倍觀察時才能看到視場的變化)。若選擇的物鏡光闌孔徑太小時,雖能提高影像反差,但會因電子線衍射增大而影響分辨能力,且易受到照射污染。如果真空油脂等非導電雜質(zhì)沉積在上面,就可能在電子束的轟擊下充放電,形成的小電場會干擾電子束成像,引起像散,所以物鏡光闌孔徑的選擇也應(yīng)適當;③中間鏡光闌,也稱選區(qū)衍射光闌,孔徑約在50~400μm左右,應(yīng)用于衍射成像等特殊的觀察之中。開循環(huán)水。由于新電鏡循環(huán)水不關(guān),這步可省。但要注意水溫是否正常。打開電源開關(guān)。IN/OUT。從來都是開著的,這步也可省。打開熒屏電源;檢查熒屏第一頁:確認①電壓是否在120KV。②確認樣品位置“specimenposition”為原點:<x,y,z>=0,0,0,如果不是原點,使用觀察窗左側(cè)“SPECCONTROLLER”控制面板上的N鍵復原(注意在沒有插入樣品桿時,嚴禁使用“N”鍵!,所以每次推出樣品桿之前應(yīng)該復位);③α-selector為2用鍵盤鍵入P3,使熒屏顯示第三頁,檢查P1-至P5的電流值,正常情況下:p1:25,p2:25,p3:29,p4,28,p5,100,觀察閥V1,V2和V4,V5B,V8,V13,V17和V21共8個閥處于打開狀態(tài)。察看右下方的真空面板,確定真空進入10-5Pa量程,理想的狀態(tài)的是指針居中,在灌入液氮的情況下應(yīng)該更低;如沒達到這個范圍,請聯(lián)系值班老師;燈絲處于關(guān)閉狀態(tài)(filament的開關(guān)ON沒亮)檢查聚光鏡光欄是否全打開,物鏡光欄是否全打開,如不是請打開全部光欄。檢查右側(cè)面板,觀察電鏡是否處于MAG1(此燈亮)打開左側(cè)門,將“l(fā)ens”開關(guān)打到ON的位置(請一定要非常小心,確認是lens開關(guān),不要開錯開關(guān)。即開燈絲,將開關(guān)稍向外拉再抬上即開。)。再次觀察熒屏,電壓是否在120KV,如果不是,嚴禁進行下面操作。將面板左側(cè)開關(guān)HT按下,升高壓,注意觀察左側(cè)面板上顯示的BeamCurrent值,一般120KV時,電流值應(yīng)該在60-62,如果偏離很多,請聯(lián)系值班老師;(按下HT。確定BEAMCURRENT穩(wěn)定,只需看一下表中數(shù)值是否穩(wěn)定即可。電流是電壓的一半加一或一半加二。)等BeamCurrent值穩(wěn)定在60-62至少5分鐘時間,用鍵盤開始升壓程序。如果電壓值不能穩(wěn)定,請聯(lián)系值班老師;用鍵盤鍵入P1,使銀屏顯示第一頁,然后鍵入RUN,銀屏將問“startHT”,鍵入120,然后按“enter”,銀屏會顯示“EndHT”,鍵入160,按“enter”鍵,銀屏會顯示“???”,鍵入10,電鏡隨之會自動開始升壓,此時按下右側(cè)HTwobbler。等這第一步升壓完成后,再按
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