高分子材料測試電子顯微法

高分子材料測試電子顯微法目錄5.1電鏡的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀5.2電鏡的分類與特點5.3掃描電鏡的基本原理5.4掃描電鏡的結構與性能5.5掃描電鏡實驗技術5.6掃描電鏡的基本應用5.7透射電鏡的基本原理5.8透射電鏡的結構與性能5.9透射電鏡實驗技術5.10透射電鏡的基本應用

005.1電鏡的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀5.1.1電鏡的發(fā)展歷程17世紀前，人們用肉眼觀察認識客觀世界，分辨能力0.2mm；17世紀初，發(fā)明光學顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了生物細胞，分辨能力有限，約200nm，大約只有可見光波長的一半；20世紀30年代，發(fā)展電子顯微鏡，由于電子束波長比可見光短得多，分辨能力很強，分辨極限是半波長。在電子顯微鏡下可以直接觀察到分子，甚至原子的世界，這個分辨能力比人眼高出了近100萬倍，比最好的光學顯微鏡也高出了1000倍。

01（1）電子的發(fā)現(xiàn)1897年5.1.2電鏡的發(fā)展歷史約瑟夫·湯姆遜（1859-1940）英國物理學家025.1.2電鏡的發(fā)展歷史（2）波粒二相性理論的提出1924年

路易?

德布羅意（1892-1989）法國物理學家法國物理學家德布羅意指出：一切接近于光速運動的粒子均具有波的性質。人們由此聯(lián)想是否可利用波長更短的電子波代替可見光成像？03（3）磁透鏡聚焦理論的提出1926年德國學者H.Busch提出了運動電子在磁場中的運動理論。他指出：具有軸對稱的磁場對電子束具有聚焦作用。這為電子顯微鏡的發(fā)明提供了重要的理論依據。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史電子束在磁場中聚焦示意圖

04（4）第一個電子圖像的獲得1931年圖5由魯斯卡拍攝的放大12倍銅網電子圖像德國學者Knoll和Ruska首次獲得了放大12倍銅網的電子圖像。證明可用電子束和磁透鏡進行成像。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史05（5）第一臺透射電鏡的誕生1931-1934年德國學者魯斯卡（E.Ruska)德國學者魯斯卡等研制成功世界上第一臺透射電子顯微鏡，至1934年其分辨率達到了500埃。魯斯卡因為在電鏡光學基礎研究及以上貢獻獲得了1986年諾貝爾物理獎。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史06（6）第一臺商品透射電鏡的問世1939年西門子公司于1939年研制成功世界上第一臺商品透射電鏡，分辨率優(yōu)于100埃；1954年進一步研制成功ElmiskopI型透射電鏡，分辨率優(yōu)于10埃。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史

德國西門子公司總部07（7）現(xiàn)代透射電鏡的發(fā)展水平

目前世界上生產透射電鏡的廠家主要有：日本電子、日立和美國菲利普公司。所產的透射電鏡可粗略分為：常規(guī)透射電鏡：加速電壓100-200kV;

中壓透射電鏡：加速電壓300-400kV；高壓透射電鏡：加速電壓1000kV。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史08（8）現(xiàn)代透射電鏡的發(fā)展水平隨著20世紀90年代納米科技的發(fā)展，有力推動了透射電鏡的進一步發(fā)展，目前透射電鏡晶格分辨率最高達0.1nm，放大倍率150萬倍。

圖6加速電壓可達2000kv的超高壓透射電鏡5.1.2電鏡的發(fā)展歷史09（9）掃描電鏡的發(fā)展歷程在透射電鏡的基礎上,1935年德國學者諾爾首次提出了掃描電鏡的概念，1952年劍橋大學Oatley等制作了第一臺掃描電鏡。5.1.2電鏡的發(fā)展歷史OatleyandMcMullan

10（10）掃描電鏡的發(fā)展歷程

1965年劍橋大學推出第一臺商品掃描電鏡。目前其發(fā)展方向是場發(fā)射型高分辨掃描電鏡和環(huán)境掃描電鏡。

圖7場發(fā)射掃描電鏡（左）和環(huán)境掃描電鏡（右）5.1.2電鏡的發(fā)展歷史11（11）掃描電鏡的發(fā)展歷程

目前掃描電鏡的最高分辨率可達1-2nm，最好的高分辨環(huán)境掃描電鏡可在氣壓為4000Pa下仍保持2nm的高分辨率水平。

圖8掃描電鏡下的花粉圖片5.1.2電鏡的發(fā)展歷史125.2電鏡的分類與特點5.2.1電子束與樣品的相互作用

圖9電子束與樣品間的相互作用高能電子束與固體物質間的相互作用是一個很復雜的過程，所產生的各類電子信息是電子顯微鏡進行成像的重要依據。13入射電子束反射電子二次電子彈性散射電子非彈性散射電子直接透射電子吸收電子圖10高能電子束與固體樣品間的相互作用當電子束與樣品相互作用時，99%以上的入射電子能量轉化為熱能，余下1%能量用于產生各類電子信息5.2.1電子束與樣品的相互作用14（1）反射電子

與試樣表面原子碰撞發(fā)生彈性或非彈性散射后從樣品表面反射回來的那部分入射電子，其能量近似等于入射電子。5.2.1電子束與樣品的相互作用15入射電子束反射電子二次電子彈性散射電子非彈性散射電子直接透射電子吸收電子（2）二次電子

從距樣品表面10nm左右深度范圍激發(fā)產生的核外層電子，與樣品表面形貌及物理、化學性質有密切關系。5.2.1電子束與樣品的相互作用16入射電子束反射電子二次電子彈性散射電子非彈性散射電子直接透射電子吸收電子（3）透射電子

透過樣品的所有入射電子，分為直接透射電子、彈性散射電子和非彈性散射電子三類。其能量近似等于入射電子。5.2.1電子束與樣品的相互作用17入射電子束反射電子二次電子彈性散射電子非彈性散射電子直接透射電子吸收電子5.2.2電鏡的基本類型

根據成像過程所采用的電子信息不同，可將電子顯微鏡分為透射電鏡和掃描電鏡兩類，具有不同的特點和應用范圍。透射電鏡掃描電鏡18直接透射電子彈性散射電子非彈性散射電子

圖14透射電鏡成像電子信息（1）透射電鏡利用透射電子通過磁透鏡原理成像的電鏡技術，簡稱為透射電鏡。TransmittanceElectronMicroscopy,TEM。5.2.2電鏡的基本類型19（1）透射電鏡TEM

透射電鏡圖片類似于投影圖，立體感較掃描電鏡圖差，對于樣品厚度有嚴格要求，主要用于樣品內部結構的分析。圖15H1N1病毒經染色后的TEM圖5.2.2電鏡的基本類型20（2）掃描電鏡SEM

通過反射電子或二次電子對樣品表面進行分析的電鏡技術，簡稱為掃描電鏡ScanningElectron

Microscopy,SEM。

反射電子二次電子

圖16掃描電鏡成像電子信息5.2.2電鏡的基本類型21（2）掃描電鏡SEM

與透射電鏡相比，掃描電鏡圖片具有更佳的立體感，主要應用于樣品表面形貌、組成及結構的分析。

圖17人體血紅細胞的SEM圖片5.2.2電鏡的基本類型225.3掃描電鏡的基本原理反射電子二次電子5.3.1掃描電子束的形成獲得高能量、小直徑的掃描電子束是進行掃描成像的前提。電子槍是產生掃描電子束的重要元件，在高溫下鎢絲可逸出自由電子。23然而，所產生的自由逸出電子難以滿足掃描成像需要，需解決兩個問題：如何進一步提高能量？如何減小電子束的直徑？圖19電子槍電場加速原理（1）電場加速

為提高逸出電子的運動能量，在電子槍出口施加正向電場，利用電場作用原理使電子加速至較高的能量。反射電子二次電子陰極陽極5.3.1掃描電子束的形成24反射電子二次電子（2）磁透鏡聚焦根據軸對稱磁場對運動電子具有聚焦作用這一原理，在電場加速的基礎上通過磁透鏡進一步使電子束聚焦。

圖20磁透鏡結構示意圖5.3.1掃描電子束的形成25反射電子二次電子（2）磁透鏡聚焦磁透鏡是電鏡成像的重要元件，其實質是軸向對稱的磁場。依據洛倫磁力作用改變運動電子的運動軌跡進而實現(xiàn)聚焦。

圖21磁透鏡聚焦過程示意圖5.3.1掃描電子束的形成26反射電子二次電子5.3.2掃描成像的一般過程探測器光電放大系統(tǒng)掃描控制電路電子槍磁透鏡物鏡熒光屏試樣圖23掃描電鏡成像過程示意圖27電子槍樣品檢測器掃描線圈熒光屏二次電子圖24掃描電鏡結構示意及成像過程掃描成像過程：電子槍在高溫下產生自由電子，經電場加速磁透鏡聚焦形成掃描電子束，通過在樣品表面掃描激發(fā)產生電子信息，經傳遞放大最終經顯像管原理成像。5.3.2掃描成像的一般過程285.3.3成像電子信息的傳遞與放大

柵網

聚焦環(huán)

光導管

光電倍增管

視頻放大

圖25二次電子信息的傳遞與放大二次電子的傳遞與放大：掃描電子信息主要有二次電子與反射電子兩類，兩者分別采用不同的接收系統(tǒng)。其中，二次電子采用閃爍體-光導-光電倍增管系統(tǒng)進行接收、傳遞與放大。二次電子29

柵網

聚焦環(huán)

光導管

光電倍增管

視頻放大

圖26反射電子信息的傳遞與放大反射電子信息的傳遞與放大：反射電子的能量較二次電子高，運動軌跡為直線，通常在收集器上施加負偏壓使二次電子信息被排斥，只接收高能量的反射電子信息。反射電子5.3.3成像電子信息的傳遞與放大30掃描系統(tǒng)成像系統(tǒng)共同的掃描控制系統(tǒng)樣品熒光屏接收傳遞系統(tǒng)

圖30同步掃描示意圖（靜態(tài)）5.3.4同步掃描原理31同步掃描原理：由電子槍發(fā)射的高能電子束經磁透鏡聚焦形成掃描電子束，通過掃描線圈的磁場控制使掃描電子束在樣品表面按一定規(guī)律進行點掃描或光柵掃描，所產生的電子信息經傳遞放大轉變成顯像管內的成像電子束。由于掃描電子束和顯像管內的成像電子束受控于同一掃描控制電路，利用磁透鏡原理使兩者在時間和空間上做到一一對應，從而實現(xiàn)同步掃描與成像過程。5.3.4同步掃描原理325.3.5掃描襯度原理(a)表面形貌襯度(b)原子序數襯度圖31掃描電鏡圖（a）二次電子像（b）背散射電子像掃描電鏡襯度：掃描電鏡圖片上不同像點間的明暗對比程度稱為襯度。掃描電鏡的襯度來源有表面形貌襯度和原子序數襯度兩類。33（1）表面形貌襯度：當入射角固定，由于實際樣品表面呈凹凸不平狀，導致不同部位的實際入射角不同，使所產生的二次電子信息強度各異，最終使像點的明暗度不同。實際樣品平面樣品掃描圖像5.3.5掃描襯度原理34（1）表面形貌襯度：樣品不同部位所產生的二次電子產率與其表面凹凸不平的幾何狀況有密切的關系，利用該原理通過二次電子成像可獲得逼真的表面形貌圖，該原理稱為表面形貌襯度。

圖33掃描電鏡圖片實例5.3.5掃描襯度原理35（2）原子序數襯度：反射電子也稱背散射電子，其強弱與樣品表面的原子序數密切相關，一般原子序數越大，產率越高，反之越小。入射電子束背散射電子入射電子束入射電子束背散射電子5.3.5掃描襯度原理36（2）原子序數襯度：對于含有不同組份的樣品表面而言，通過拋光消除表面形貌襯度，利用不同原子序數產生背散射電子產率不同這一原理獲得背散射掃描圖像，可分析樣品的表面組成。圖34背散射掃描電鏡圖像實例5.3.5掃描襯度原理375.4掃描電鏡的結構與性能二次電子5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成電子槍會聚透鏡物鏡光欄物鏡試樣探測器掃描線圈掃描電路視頻放大器偏轉線圈

圖39掃描電鏡的結構示意圖掃描電鏡的儀器由以下四部分組成：電子光學系統(tǒng)；電子信息接收系統(tǒng)；成像顯示系統(tǒng)；電源及真空系統(tǒng)。38二次電子

圖40掃描電鏡電子光學系統(tǒng)（1）電子光學系統(tǒng)亦稱為鏡筒；由電子槍、磁透鏡、光闌、掃描控制電路、樣品室等組成。其作用是產生符合成像要求的掃描電子束并控制其在樣品表面進行掃描。5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成39二次電子圖41電子槍示意圖（1）電子光學系統(tǒng)電子槍產生發(fā)射電子，經加速后獲得高能電子束。場發(fā)射電子槍可獲得高能量、小直徑電子束，此外還有發(fā)叉式鎢絲熱陰極電子槍、六硼化鑭電子槍等。5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成40二次電子圖42掃描電鏡的樣品室（1）電子光學系統(tǒng)掃描電鏡的樣品室空間較大，可放置體積較大的塊狀樣品，樣品臺可沿著三維方向移動或旋轉，此外樣品室內還安裝有各類檢測元件。5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成41二次電子圖43掃描電鏡電磁透鏡組（1）電子光學系統(tǒng)電磁透鏡的作用是將電子槍的束斑直徑縮小，一般由三個磁透鏡組成。其中兩個為強磁透鏡，用于束斑直徑縮小，另一為弱磁透鏡，用以對樣品表面進行保護。5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成42二次電子

柵網

聚焦環(huán)

光導管

光電倍增管

視頻放大

圖44電子信息接收傳遞系統(tǒng)（2）電子信息接收系統(tǒng)各類電子信息分別由柵網過濾、聚焦環(huán)聚焦、光導管轉換、光電倍增和視頻轉換等環(huán)節(jié)進行傳遞與放大。5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成43二次電子（3）電源與真空系統(tǒng)

由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應的安全保護電路等元件組成，提供儀器所需的電源以及電子光學系統(tǒng)正常工作和避免樣品污染所需的高真空環(huán)境。

圖47掃描電鏡儀器實例5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成44二次電子（4）掃描成像系統(tǒng)

所產生的二次電子、背散射電子等電子信號經檢測系統(tǒng)傳遞、放大后以輸出電流形式傳遞給顯像管進行成像。

圖48掃描電鏡結構示意圖5.4.1掃描電鏡的儀器結構與組成45二次電子5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數（1）分辨率

分辨率是掃描電鏡的重要性能指標，對于樣品表面而言，分辨率是指能進行分析的最小區(qū)域尺度，對于掃描電鏡圖像而言，則是指相鄰像點能分辨的最小距離。46二次電子（1）分辨率掃描電鏡的分辨率取決于掃描電子束直徑，一般電子束直徑越小，分辨率越高。目前掃描電鏡分辨率水平：二次電子像5-10nm，背散射電子像50-200nm。5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數47（2）放大倍率當入射電子束在樣品表面作光柵式掃描時，假設電子束在樣品表面掃描幅度為As，熒光屏上陰極射線同步掃描幅度為Ae，則放大倍率定義為M=Ae/As

。A

sA

e試樣表面熒光屏5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數48（2）放大倍率由于掃描電鏡熒光屏尺寸固定，通過改變掃描幅度As，即可調節(jié)放大倍率M，一般掃描電鏡的放大倍率調節(jié)范圍：幾十倍至上百萬倍。圖50掃描電鏡圖片實例（a）低倍率；（b）高倍率。5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數49（3）景深所謂景深，是指對高低不平樣品不同部位同時進行聚焦的能力，可用左圖中的Ds表示，β為電子束孔徑角，取決于末級磁透鏡的光闌直徑與工作距離。圖51掃描電鏡景深示意圖5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數50（3）景深

掃描電鏡β角較小，因此景深很大，比光學顯微鏡大100-500倍，比透射電鏡大10倍。因此非常適合于分析樣品的表面形貌。

圖52掃描電鏡圖片實例5.4.2掃描電鏡的儀器性能參數515.5掃描電鏡實驗技術反射電子二次電子5.5.1掃描電鏡樣品的基本要求（1）樣品的尺寸要合適

要求試樣尺寸大小符合掃描電鏡專用樣品座的尺寸，一般樣品座直徑為：3-5mm或30-50mm，此外，對樣品的高度也有要求，一般為：5-10mm。52反射電子二次電子（2）充分去除揮發(fā)性成份要求試樣必須充分干燥，避免含有水份或揮發(fā)性溶劑等，由于樣品置于高真空環(huán)境內，少量水份或揮發(fā)性溶劑會由于揮發(fā)對電子光學系統(tǒng)的工作造成影響。5.5.1掃描電鏡樣品的基本要求53反射電子二次電子（3）足夠的抗電子損傷能力

要求樣品具有足夠的抗電子損傷能力，即在高真空環(huán)境及高能量電子束的作用下，能保持原有結構形貌的完整性。這主要針對于生物或有機材料而言。5.5.1掃描電鏡樣品的基本要求54反射電子二次電子（4）確保樣品表面足夠清潔

要求樣品表面須足夠清潔，少量污染物的存在，在高倍率下很容易在圖像中造成假象和錯覺。要求在不破壞樣品原有結構形貌的前提下進行適當清洗然后烘干。5.5.1掃描電鏡樣品的基本要求555.5.2掃描電鏡樣品的類型反射電子二次電子

（1）塊狀樣品：如脆斷后的塑料樣條；（2）薄膜樣品：如聚合物電解質膜等；（3）纖維樣品：如玻纖、針狀納米粒子；（4）粉末樣品：納米粉末、乳膠粒子等；56二次電子5.5.3掃描電鏡樣品的預處理（1）導電性樣品對于導電性樣品（如金屬粉末），若其尺寸合適，分析前可不需進行預處理，直接通過導電膠將其固定于樣品臺表面即可。

導電樣品導電膠載物臺

57二次電子（2）非導電性樣品

對于絕緣或導電性能較差的樣品，由于掃描過程樣品表面會積累靜電荷，將干擾電子束及電子信息的正常運動，從而使圖像質量下降，因而分析前需對樣品表面進行噴金處理。5.5.3掃描電鏡樣品的預處理

非導電樣品導電層導電膠載物臺

58二次電子（2）非導電性樣品

所謂“噴金”，是指通過真空噴鍍等方法在樣品表面覆蓋一層導電性材料，以提高樣品的導電性能。通常采用二次電子發(fā)射系數較高的金、銀、碳等。

圖53掃描電鏡樣品噴金儀5.5.3掃描電鏡樣品的預處理595.6掃描電鏡的應用領域反射電子二次電子5.6.1無機納米材料的微觀形貌分析

例1：ZnSe納米棒

圖54ZnSe納米棒的掃描電鏡圖60反射電子二次電子例2：鈷立方納米骨架

圖55鈷立方納米骨架的場發(fā)射掃描電鏡圖5.6.1無機納米材料的微觀形貌分析

61反射電子二次電子例3：花狀納米銀

圖56花狀納米銀的場發(fā)射掃描電鏡圖5.6.1無機納米材料的微觀形貌分析

62二次電子例4：Cu2O納米立方體（“谷?！埃?/p>

圖57Cu2O納米立方體掃描電鏡圖反射電子5.6.1無機納米材料的微觀形貌分析

63二次電子例5：ZnO中空納米球

圖58ZnO中空納米球的掃描電鏡圖5.6.1無機納米材料的微觀形貌分析

64例1：Fe3O4/PPy復合微球圖60Fe3O4/PPy復合微球的掃描電鏡圖5.6.2有機/無機雜化材料65例2：聚乙烯包覆碳納米管圖61聚乙烯包覆碳納米管的掃描電鏡圖5.6.2有機/無機雜化材料665.6.3聚合物納米復合材料例1：Polyetherimide/BaTiO3納米復合材料

圖62PEI/BaTiO3

納米復合材料的掃描電鏡圖67例2：聚丙烯腈/綠坡縷石納米復合材料

圖63綠坡縷石及其納米復合材料的掃描電鏡圖5.6.3聚合物納米復合材料68例3：PET–SiO2納米復合材料

圖64PET-SiO2

的掃描電鏡圖5.6.3聚合物納米復合材料695.6.4仿生材料例1：壁虎腳部仿生材料

圖65壁虎及其腳掌的掃描電鏡圖70例1：壁虎腳部仿生材料

圖66其他動物腳掌的掃描電鏡圖5.6.4仿生材料71例1：壁虎腳部仿生材料

圖67壁虎腳掌仿生材料的掃描電鏡圖5.6.4仿生材料725.6.5材料表面形態(tài)

圖70各類材料的表面形貌（掃描電鏡圖）735.6.6材料斷口形貌

圖71各類材料的斷口形貌（掃描電鏡圖）745.6.7材料磨損表面分析

圖72材料磨損表面形貌（掃描電鏡圖）755.7透射電鏡的基本原理反射電子二次電子獲得高能量、小直徑的透射電子束是進行成像的前提。電子槍是產生高能電子束的重要元件，在高溫下鎢絲可逸出自由電子。5.7.1透射電子束的形成76然而，所產生的自由逸出電子難以滿足透射成像需要，需解決兩個問題：如何進一步提高能量；如何減小電子束的直徑？

圖19電子槍電場加速原理（1）電場加速為提高逸出電子運動能量，在電子槍出口施加正向電場，利用電場作用原理使電子加速至較高能量。反射電子二次電子陰極陽極5.7.1透射電子束的形成77反射電子二次電子（2）磁透鏡聚焦根據軸對稱磁場對運動電子具有聚焦作用原理，在電場加速基礎上通過磁透鏡進一步使電子束聚焦。

圖20磁透鏡結構示意圖5.7.1透射電子束的形成78反射電子二次電子（2）磁透鏡聚焦磁透鏡是電鏡成像的重要元件，其實質是軸向對稱的磁場。依據洛倫磁力作用改變運動電子的運動軌跡進而實現(xiàn)聚焦。

圖21磁透鏡聚焦過程示意圖5.7.1透射電子束的形成79反射電子二次電子圖23利用電子槍形成高能電子束的過程5.7.1透射電子束的形成在高溫及電場的作用下逸出自由電子，進一步通過電場加速和磁透鏡聚焦，使電子束獲得高能量和小直徑，最終形成高能電子束。80二次電子

圖24透射電鏡的成像過程示意圖由電子槍發(fā)射的自由電子經電場加速、兩級磁透鏡聚焦后穿透樣品，形成透射電子束，經三級磁透鏡放大后最終在熒光屏上形成電子圖像。5.7.2透射電鏡的成像過程81反射電子5.7.3透射電鏡的分辨率

圖25光的衍射和光學透鏡的分辨本領由于光是一種電磁波，利用透鏡成像過程存在衍射現(xiàn)象，即便是理想的點光源經透鏡成像后也只能得到明暗相間的埃利斑。82反射電子5.7.3透射電鏡的分辨率

圖25光的衍射和光學透鏡的分辨本領由于光是一種電磁波，利用透鏡成像過程存在衍射現(xiàn)象，即便是理想的點光源經透鏡成像后也只能得到明暗相間的埃利斑。83反射電子5.7.3透射電鏡的分辨率相鄰兩像點A’和B‘得以分辨的條件是：其中，為埃利斑半徑，為放大倍率，為相鄰物點間距，為光波波長，為透鏡物方介質折射率，為透鏡孔徑半角，屬于透鏡的結構參數。84反射電子5.7.3透射電鏡的分辨率由（1）和（2）得分辨率公式：上式表明：光學顯微鏡的分辨率與光波波長有關，波長越長，分辨率越小?？梢姽獠ㄩL在3900-7600埃之間，所以光學顯微鏡的極限分辨率為2000埃（0.2um)。85反射電子5.7.3透射電鏡的分辨率根據德布羅意波粒二相性理論，電子波波長公式如下：其中，為電子波波長，為普朗克常數，為電子電荷，為電子靜止質量，為加速電壓，為光速。865.7.3透射電鏡的分辨率加速電壓/kV電子波長/埃200.0859300.0698500.05361000.03702000.02515000.014210000.0069根據（4）式可知：電子波波長與加速電壓平方根成反比，加速電壓越高，波長越短，分辨率將越高。當加速電壓為100kV，電子波波長約為0.037埃，根據半波長理論，極限分辨率可達0.20-0.30nm。875.7.4透射電鏡的放大倍率圖27透射電鏡多級放大示意圖放大倍率=肉眼分辨率/電鏡分辨率885.7.5透射電鏡圖像的襯度原理圖28PP/TiO2-g-PS納米復合材料的TEM圖所謂襯度，是指圖像各部位明暗的區(qū)別程度。透射電鏡圖像的襯度主要包括散射襯度、衍射襯度。895.7.5透射電鏡圖像的襯度原理

圖29散射襯度形成示意圖（1）散射襯度原理：樣品各部位厚度或元素組成不同，導致入射電子的散射程度不同，使各部位透射電子密度不同，最終造成明暗差異。該襯度原理適用于非晶樣品。905.7.5透射電鏡圖像的襯度原理反射電子

透射電子信息強

入射電子

透射電子信息弱

入射電子

圖30衍射襯度形成示意圖（2）衍射襯度原理：當入射電子通過厚度均勻的結晶型樣品，局部區(qū)域由于晶面發(fā)生布拉格衍射，導致該區(qū)域的反射電子強，相應透射電子信息弱，最終形成明暗差異。915.7.5透射電鏡圖像的襯度原理

圖31透射電鏡襯度實例

CrNi/TiC位錯形貌有序介孔氧化硅

925.8透射電鏡的結構組成5.8.1透射電鏡的結構組成

圖32300kv高分辨透射電鏡

基本結構組成：電子照明系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)電源系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)

電子照明系統(tǒng)

電子光學系統(tǒng)

真空系統(tǒng)

電源系統(tǒng)

觀察記錄系統(tǒng)

935.8.1透射電鏡的結構組成（1）電子照明系統(tǒng)由電子槍和聚光鏡共同組成，其作用是提供高能量、小直徑的透射電子束用以后續(xù)成像。945.8.1透射電鏡的結構組成（1）電子照明系統(tǒng)電子槍有熱發(fā)射和場發(fā)射兩種。所用材料有鎢和六硼化鑭兩種。場發(fā)射電子槍利用外加電場實現(xiàn)針尖電子逸出，更易獲得高質量的聚集電子束。

圖33場發(fā)射電子槍示意圖

955.8.1透射電鏡的結構組成（2）電子光學系統(tǒng)該部分由試樣室、物鏡、中間鏡和投影鏡組成。高性能透射電鏡一般設有兩個中間鏡和兩個投影鏡。965.8.1透射電鏡的結構組成（2）電子光學系統(tǒng)物鏡、中間鏡、投影鏡均屬于磁透鏡，通過三者共同放大作用，可獲得很高的總放大倍率。975.8.1透射電鏡的結構組成（3）觀察記錄系統(tǒng)由電子成像系統(tǒng)形成的電子圖像通過熒光屏或照相系統(tǒng)進行觀察記錄。通過觀察窗口可直接觀察熒光屏上的圖像。985.8.1透射電鏡的結構組成（4）真空系統(tǒng)

避免空氣分子與高速運動電子發(fā)生碰撞；避免電子槍發(fā)生高壓放電現(xiàn)象；高真空有利于延長電子槍燈絲使用壽命；避免樣品表面被污染。普通透射電鏡需要真空度達1.33×（10-2～10-3）Pa，高壓透射電鏡所需真空度要求更高。995.8.1透射電鏡的結構組成（5）各類電源系統(tǒng)

電子槍所需的高壓電源系統(tǒng)；磁透鏡勵磁電流所需的電源；真空系統(tǒng)工作所需的電源；安全保護系統(tǒng)所需的電源；其他各類操作電源；1005.8.2透射電鏡的主要性能參數

加速電壓：表征電鏡的最大電子加速能力；分辨率：表征電鏡能分辨的最小區(qū)域尺寸；放大倍率：表征電鏡的圖像放大能力；電子槍：熱發(fā)射或場發(fā)射；其他指標：如球差校正能力等；1015.9透射電鏡樣品制備技術5.9.1樣品的基本要求

入射電子束（強）

透射電子束（弱）

樣品太厚

（1）樣品厚度須合適樣品橫向尺寸一般不超過1mm，厚度須足夠薄，通常100-200nm為宜。過厚的樣品將導致電子束無法穿透樣品。1025.9.1樣品的基本要求

（2）避免含揮發(fā)性物質樣品內部必須充分去除揮發(fā)性物質如溶劑，否則在高真空環(huán)境下由于快速揮發(fā)將導致樣品開裂，對圖像結果造成干擾。揮發(fā)性物質1035.9.1樣品的基本要求

（3）具有足夠強度樣品須具備必要的抗電子損傷能力，由于電子束能量很強，軟質樣品如有機物等易于造成局部區(qū)域損傷，導致微區(qū)結構破壞。入射電子束（強）

1045.9.1樣品的基本要求

（4）樣品應保持清潔避免含有污染成分，否則在高放大倍率下，微小的污染物也會對圖像結果造成嚴重干擾。入射電子束（強）

污染區(qū)域1055.9.2樣品的制備方法

（1）支持膜法將塑料、碳或塑料/碳復合型支持膜覆蓋于金屬銅網表面，然后將顆粒狀樣品沉積于支持膜表面用于透射電鏡觀察。1065.9.2樣品的制備方法

（1）支持膜法所采用的塑料支持膜常用火棉膠制備；碳支持膜則通過在真空鍍膜機內蒸發(fā)碳而獲得；通過塑料與碳復合可以提高支持膜的柔韌性能。1075.9.2樣品的制備方法

（1）支持膜法支持膜法特別適合于粉體類樣品，通常首先將粉體通過超聲均勻分散于特定溶劑中，然后懸滴于銅網支持膜表面，經溶劑揮發(fā)后直接用于電鏡分析。1085.9.2樣品的制備方法

（1）支持膜法此外，該方法也適合于懸浮液型樣品，典型如聚合物乳液、漿料等，可直接通過懸滴、溶劑揮發(fā)后用于透射電鏡分析。1095.9.2樣品的制備方法

（2）超薄切片法該方法適合于硬質的塊狀樣品如金屬、無機物、工程塑料等；首先通過超薄切片儀切得超薄樣片，然后利用銅網支持用于透射電鏡觀察。1105.9.2樣品的制備方法

（2）超薄切片法對于軟質塊狀樣品如通用塑料、橡膠等，由于切片過程薄片很容易發(fā)生卷曲同時易受剪切損傷，通常首先對于樣品進行冷凍然后低溫下進行脆性切片。1115.9.2樣品的制備方法

（2）超薄切片法對于軟質塊狀樣品或顆粒較大的粉末樣品，也可通過聚合物包埋法制樣。首先將樣品混合于聚合物預聚樹脂如環(huán)氧預聚物中然后經固化變硬后進行超薄切片，所得樣品最終支持于銅網表面用于分析。1125.9.2樣品的制備方法

（3）重金屬“染色”法超薄切片由于是等厚度樣品，其在電鏡中形成的襯度一般很小，因此需將某種重金屬原子選擇性引入樣品不同部位，利用重金屬散射能力大的特點，提高樣品圖像的襯度。1135.9.2樣品的制備方法

（3）重金屬“染色”法

常用的重金屬有鋨、鎢、銀、鋁等鹽類，由于聚合物樣品一般只含輕元素，襯度總體較低，可根據聚合物類型選擇不同的“染色”方法。例如：含雙鍵的橡膠可采用四氧化鋨或溴進行“染色”：114

5.10透射電鏡在材料研究中的應用

5.10.1納米粒子的形貌分析

圖33海綿狀CeO2納米棒的TEM圖：(a)普通TEM；(b)高倍TEM；(c)高倍TEM