结构原理及应用.pptx

透射电子显微镜透射电子显微镜 TEMTEM天津大学分析测试中心主要内容主要内容1 1 透射透射电镜电镜简介简介2 2 透射电镜主要结构透射电镜主要结构3 3 透射电镜电子图象形成原理透射电镜电子图象形成原理4 4 透射电镜样品制备透射电镜样品制备55 应用应用 透射电镜，即透射电子显微镜（透射电镜，即透射电子显微镜（Transmission Electron MicroscopeTransmission Electron Microscope，TEMTEM），是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜对透射电子聚焦），是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜对透射电子聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。目前世界上最成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到先进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,0.1nm,可用来直接观察原子像。可用来直接观察原子像。什么是透射电镜？什么是透射电镜？p通常人眼的分辨本领大概是0.2mm（即人眼可分辨的两点间最小距离 为0.2mm）p显微镜可分辨的两点间的最小距离，即为显微镜的分辨率为什么采用电子束做为光源为什么采用电子束做为光源?采用物镜的孔径角接近90度考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微镜系统，可得d约为200nm对于TEM在100kV加速电压下，波长0.0037nm，d约为0.002nm，目前电子显微镜达不到其理论极限分辨率，最小分辨率达到0.1nm光学显微镜与透射电镜的比较光学显微镜与透射电镜的比较 比较部分光学显微镜光学显微镜透射电镜透射电镜光源光源可见光可见光(日光、电灯光日光、电灯光)电子源电子源(电子枪电子枪)透镜透镜光学透镜光学透镜磁透镜磁透镜放大成象系统放大成象系统光学透镜系统光学透镜系统电子光学透镜系统电子光学透镜系统样品样品1mm1mm厚的载玻片厚的载玻片约约10nm10nm厚的薄膜厚的薄膜介质介质空气和玻璃空气和玻璃高度真空高度真空像的观察像的观察直接用眼直接用眼利用荧光屏利用荧光屏分辨本领分辨本领200nm200nm0.20.3nm0.20.3nm有效放大倍数有效放大倍数10103 310106 6聚焦方法聚焦方法移动透镜移动透镜改变线圈电流或电压改变线圈电流或电压TEMTEM的结构的结构组成组成TEM 电子光学系统 （主体）真空系统 （辅助）电源与控制系统 （辅助）透射电镜剖面图透射电镜剖面图透射电镜剖面图透射电镜剖面图 结构示意图结构示意图结构示意图结构示意图1 1、电子光学系统组成、电子光学系统组成电电 电子枪电子枪 子子 聚光镜聚光镜 光光 样品台样品台 样品装置部分样品装置部分学学 物镜物镜系系 中间镜中间镜 成像部分成像部分统统 投影镜投影镜 荧光屏荧光屏 底片盒底片盒照明部分观察记录部分A A、照明部分、照明部分n n电子枪：发射电子的场所，也是电镜的照明源。由阴极（灯电子枪：发射电子的场所，也是电镜的照明源。由阴极（灯丝）、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小丝）、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成电子束，电子束有一定发射角，经阳极电压加速后射孔形成电子束，电子束有一定发射角，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速加压的作用，形成很小的平行向聚光镜，起到对电子束加速加压的作用，形成很小的平行电子束。电子束。束流密度10A/cm2束斑大小4nm2.场发射源束流密度105A/cm2 束斑大小 1nm聚光镜：将电子枪所发出的电子束汇聚到样品平面上。并调节电子的孔径角、电子束的电流密度和照明光斑的大小，获得亮度高、近似平行、相干性好的照明束。1.钨灯丝热发射B B、样品、样品装置部分装置部分n n样品台的作用是承载样品台的作用是承载样品，并使样品能作样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察区域或位向进行观察分析。透射电镜的样分析。透射电镜的样品是放置在物镜的上品是放置在物镜的上下极靴之间，由于这下极靴之间，由于这里的空间很小，所以里的空间很小，所以透射电镜的样品也很透射电镜的样品也很小，通常是直径小，通常是直径3mm3mm的薄片。的薄片。C C、成像部分、成像部分n n物镜：为放大率很高的短距透镜，对样品成像和物镜：为放大率很高的短距透镜，对样品成像和放大。它是决定放大。它是决定TEMTEM分辨本领和成像质量的关键。分辨本领和成像质量的关键。因为它将样品中的微细结构成像、放大，物镜中因为它将样品中的微细结构成像、放大，物镜中的任何缺陷都将被成像系统中的其他透镜进一步的任何缺陷都将被成像系统中的其他透镜进一步放大。放大。n n中间镜：是一个可变倍率的弱透镜，可以对电子中间镜：是一个可变倍率的弱透镜，可以对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。择物体的像或电子衍射图来进行放大。n n投影镜：为高级强透镜，最后一级放大镜，用来投影镜：为高级强透镜，最后一级放大镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。放大中间像后在荧光屏上成像。D D、观察记录部分、观察记录部分n n荧光屏：在电子束照射下，电子图像反映在荧荧光屏：在电子束照射下，电子图像反映在荧光屏上，可呈现终像。研究者通过观察窗在荧光屏上，可呈现终像。研究者通过观察窗在荧光屏上进行像的观察、选择和聚焦。光屏上进行像的观察、选择和聚焦。310310倍。倍。n n照相底片：最常用的透射电镜的照相底片是片照相底片：最常用的透射电镜的照相底片是片状的胶片。胶片的一面有厚度约为状的胶片。胶片的一面有厚度约为25m25m的明胶的明胶层，明胶层含有均匀分散的层，明胶层含有均匀分散的10%10%的卤化银颗粒。的卤化银颗粒。照相底片在电子束的照射下能感光。照相底片在电子束的照射下能感光。n nCCDCCD相机：将荧光屏上成的电子图像转换后呈相机：将荧光屏上成的电子图像转换后呈现在计算机显示器上，同样可以进行实时观察现在计算机显示器上，同样可以进行实时观察和调节，并可以直接保存成电子版图片和调节，并可以直接保存成电子版图片 2 2、真空系统、真空系统 为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用，而为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用，而不与空气分子碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底不与空气分子碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内。板盒都必须置于真空系统之内。如果真空度不够，就会出现下列问题：如果真空度不够，就会出现下列问题：1 1）高压加不上去）高压加不上去 2 2）成象衬度变差）成象衬度变差 3 3）极间放电）极间放电 4 4）使钨丝迅速氧化，缩短电子枪寿命）使钨丝迅速氧化，缩短电子枪寿命 电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、真空测量仪和管道等部分组成。真空测量仪和管道等部分组成。3 3、电源与控制系统、电源与控制系统 透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重像加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重像差，从而使分辨本领下降。所以对供电系统的主要要求是产差，从而使分辨本领下降。所以对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的透镜中，生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。在所有的透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。物镜激磁电流的稳定度要求也最高。近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统。系统和数据处理的计算机系统。（a）高放大率）高放大率（b）衍射）衍射（c）低放大率）低放大率物物物镜物镜衍射谱衍射谱一次象一次象中间镜二次象二次象投影镜投影镜 三次象三次象（荧光屏）（荧光屏）选区光阑选区光阑透射电镜成像原理透射电镜成像原理n n 透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强度分布的记录，电子束透过试样所得到的透射电度分布的记录，电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。n n透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射。透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分为：可分为：质厚衬度质厚衬度：非晶样品衬度的主要来源衍射衬度衍射衬度：晶体样品衬度的主要来源振幅衬度振幅衬度振幅衬度振幅衬度相位衬度相位衬度：仅适于很薄的晶体试样(100)质厚衬度质厚衬度n n质厚衬度（又称吸收衬质厚衬度（又称吸收衬度）：由于试样的质量度）：由于试样的质量和厚度不同，各部分与和厚度不同，各部分与入射电子发生相互作用，入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形束的强度分布不同，形成反差，称为质厚衬度。成反差，称为质厚衬度。质厚衬度质厚衬度n n是非晶体样品衬度的主要来源，它所反映的，更多是物体表面特性和形貌特征。n n是样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的。n n来源于电子的非相干散射，Z越高，产生散射的比例越大；d增加，将发生更多的散射。质厚衬度质厚衬度n n不同微区Z和d的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子I有差别，形成像的衬度。n nZ较高、样品较厚区域在屏上显示为较暗区域。n n图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化。质厚衬度质厚衬度AB试样电磁透镜物镜光阑IAIBA(IA)B(IB)I0I0物镜光阑对质厚衬度的作用衍射衬度衍射衬度n n衍射衬度：衍射衬度主要是由于衍射衬度：衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格衍射条件的晶体试样满足布拉格衍射条件的程度差异以及结构振幅不同而形程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于晶体成电子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体试样是不结构物质，对于非晶体试样是不存在的。存在的。假设样品由颗粒假设样品由颗粒A A、B B组组成，强度成，强度I I0 0入射电子照射样品，入射电子照射样品，A A的的(hkl)(hkl)晶面组与入射束满足布拉格晶面组与入射束满足布拉格方程，产生衍射束方程，产生衍射束I Ihklhkl，忽略其它，忽略其它效应（吸收），其透射束为：效应（吸收），其透射束为：n n晶粒晶粒B B与入射束不满足布拉格方程，与入射束不满足布拉格方程，其衍射束其衍射束I=0 I=0，透射束，透射束 I IB B=I=I0 0衍射衬度衍射衬度n n是晶体样品衬度的主要来源。n n样品中各部分满足衍射条件的程度不同引起。衍射衬度成像就是利用电子衍射效应来产生晶体样品像衬度的方法。n n晶体样品的成像过程中，起决定作用的是晶体对电子的衍射，试样内各晶面取向不同，各处衍射束强度I差异形成衬度。（a)明场像(b)暗场像明场像暗场像衍衬像衍衬像n n根据衍射衬度原理形成的电子图根据衍射衬度原理形成的电子图像称为衍衬像。像称为衍衬像。n n晶体厚度均匀、无缺陷，（晶体厚度均匀、无缺陷，（hklhkl）满足布拉格条件，晶面组在各处满足布拉格条件，晶面组在各处满足条件的程度相同，无论明场满足条件的程度相同，无论明场像还是暗场像，均看不到衬度。像还是暗场像，均看不到衬度。n n存在存在缺陷，周围晶面发生畸变，缺陷，周围晶面发生畸变，这组晶面在样品的不同部位满足这组晶面在样品的不同部位满足布拉格条件程度不同，会产生衬布拉格条件程度不同，会产生衬度，得到衍衬像。度，得到衍衬像。n n衍衬成像技术可对晶体中的位错、衍衬成像技术可对晶体中的位错、层错、空位团等晶体缺陷进行直层错、空位团等晶体缺陷进行直接观察接观察。位错位错界面和孪晶界面和孪晶第二相粒子第二相粒子相位衬度相位衬度n n相位衬度：由穿透样品的电子波的相位不同而相位衬度：由穿透样品的电子波的相位不同而产生的电子显微像，它可揭示产生的电子显微像，它可揭示1nm1nm的样品细的样品细节，故又称高分辨像。节，故又称高分辨像。样品足够薄，使得其吸收作用可以忽略，则透射波与衍射波成为相干波，一定条件下发生干涉作用，某些地方始终加强，另一些地方始终减弱或完全消失，由此产生衬度。相位衬度n n若透射波和衍射波的强度分别为若透射波和衍射波的强度分别为I I1 1和和I I2 2，两波叠，两波叠加以后波的强度可用下式表示：加以后波的强度可用下式表示：表示两波之间的相位差，其大小与样品的厚度，晶体的内部结构，物镜的聚焦状态及球差有关；如果样品的厚度，物镜的聚焦状态是一定的，透射波衍射波叠加以后，其强度变化仅与晶体样品内部的结构有关。电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很薄的薄膜样品。薄的薄膜样品。电子束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压电子束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质的原子序数和样品物质的原子序数。加速电压越高，样品原子序。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透的样品厚度就越大。透射电数越低，电子束可以穿透的样品厚度就越大。透射电镜常用的镜常用的50100kV50100kV电子束来说，样品的厚度控制在电子束来说，样品的厚度控制在100200nm100200nm为宜。为宜。透射电镜样品制备方法透射电镜样品制备方法TEMTEM的样品制备方法的样品制备方法:支持膜法支持膜法 复型法复型法 薄膜法薄膜法1 1、支持膜法、支持膜法 主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及溶主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及溶主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及溶主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及溶液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在1m1m1m1m以下。以下。以下。以下。制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察外，制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察外，制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察外，制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察外，还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。一般做法是：将粉末分散于水或酒精中经超声波分散一般做法是：将粉末分散于水或酒精中经超声波分散一般做法是：将粉末分散于水或酒精中经超声波分散一般做法是：将粉末分散于水或酒精中经超声波分散后制成悬浮液，用滴管将悬浮液滴加到覆盖有支持膜的电镜后制成悬浮液，用滴管将悬浮液滴加到覆盖有支持膜的电镜后制成悬浮液，用滴管将悬浮液滴加到覆盖有支持膜的电镜后制成悬浮液，用滴管将悬浮液滴加到覆盖有支持膜的电镜铜网上，干燥后就可以进行观察。铜网上，干燥后就可以进行观察。铜网上，干燥后就可以进行观察。铜网上，干燥后就可以进行观察。2 2、复型法复型法 复型是复型是利用一种薄膜利用一种薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜如碳、塑料、氧化物薄膜)将固体试将固体试样表面的浮雕复制下来样表面的浮雕复制下来的一种的一种间接样品间接样品，只能作为试样，只能作为试样形貌形貌的观察和研究，而的观察和研究，而不能用来观察试样的内部结构不能用来观察试样的内部结构。对于在电镜中易起变化的样品和难以制成电子束可以透过对于在电镜中易起变化的样品和难以制成电子束可以透过的薄膜的试样多采用复型法。的薄膜的试样多采用复型法。在材料研究中，复型法常用以下三种：在材料研究中，复型法常用以下三种：(1)(1)碳一级复型碳一级复型 (2)(2)塑料塑料-碳二级复型碳二级复型 (3)(3)萃取复型萃取复型3 3、薄膜样品制备、薄膜样品制备 块状材料块状材料通过减薄的方法制成对电子束透明的通过减薄的方法制成对电子束透明的薄薄膜样品。膜样品。超薄切片：生物样品超薄切片：生物样品减薄的方法：减薄的方法：电解抛光减薄：金属材料电解抛光减薄：金属材料化学抛光减薄：化学试剂中可以减薄的材料，化学抛光减薄：化学试剂中可以减薄的材料，如半导体单晶体、氧化物等如半导体单晶体、氧化物等离子轰击减薄：无机非金属材料离子轰击减薄：无机非金属材料1 1、形貌像、形貌像分析固体颗粒的形状、大小、粒度分布等分析固体颗粒的形状、大小、粒度分布等。2 2、晶体的电子衍射、晶体的电子衍射点阵结构、点阵常数、取向点阵结构、点阵常数、取向、晶体缺陷、物相分析、晶体缺陷、物相分析3 3、成分及元素分布分析、成分及元素分布分析EELSEELSEELSEELS适于分析轻元素适于分析轻元素适于分析轻元素适于分析轻元素提供空态态密度、氧化态、提供空态态密度、氧化态、提供空态态密度、氧化态、提供空态态密度、氧化态、局域的相邻原子成分和局域的相邻原子成分和局域的相邻原子成分和局域的相邻原子成分和距离、能带结构信息、距离、能带结构信息、距离、能带结构信息、距离、能带结构信息、元素的价态信息等元素的价态信息等元素的价态信息等元素的价态信息等 EDSEDSEDSEDS适于分析重元素适于分析重元素适于分析重元素适于分析重元素作业要求作业要求n n透射电镜的构造，成像原理、样品制备以及应用透射电镜的构造，成像原理、样品制备以及应用