透射電鏡 蔣坤

透射電鏡蔣坤第一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四1.透射電鏡的工作原理和特點

透射電鏡：是以波長極短的電子束作為照明源，用電子透鏡聚焦成

像的一種具有高分辨本領、高放大倍數(shù)的電子光學儀器。四部分：電子光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、

真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)第三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四透過樣品的電子束強度，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。透鏡電鏡和普通光學顯微鏡的光路是相似的，如下圖所示:第四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四表6-2光學顯微鏡與透射電鏡的比較

比較部分光學顯微鏡透射電鏡光源可見光(日光、電燈光)電子源(電子槍)照明控制玻璃聚光鏡電子聚光鏡樣本1mm厚的載玻片約10nm厚的薄膜放大成象系統(tǒng)玻璃透鏡電子透鏡介質空氣和玻璃高度真空像的觀察直接用眼利用熒光屏聚焦方法移動透鏡改變線圈電流或電壓分辨本領200nm0.2~0.3nm有效放大倍數(shù)103×106×物鏡孔徑角約700＜10景深較小較大焦長較短較長像的記錄照相底板照相底板第六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四圖為日立公司H800透射電子顯微鏡(鏡筒)第七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四高壓系統(tǒng)第八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四真空系統(tǒng)第九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四控制系統(tǒng)第十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四觀察和記錄系統(tǒng)第十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四汕頭大學醫(yī)學院有一臺透射電子顯微鏡。生產(chǎn)廠家為日本電子株式會社（JEOL)。電鏡型號：JEM-1400，最高分辨率：0.20nm，放大倍數(shù)：80萬。第十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四JEM-1400是一款擁有優(yōu)秀成像和分析能力一體的高性能,高對比度,操作簡便的120KV透射電子顯微鏡.加速電壓從40KV到120KV可調,適合生物,聚合物和材料科學應用。配備新的JENIE?軟件,JEM-1400提供完整的一套用戶指南,不僅可以幫助透射電子顯微鏡的初學者盡快熟悉電鏡,還可使有經(jīng)驗的用戶了解高級性能.Windows?操作界面以最新的Windows?為基礎,可以通過TCP/IP聯(lián)接和網(wǎng)絡瀏覽器實現(xiàn)遠程操作和通訊。JEM-1400還支持可選件:STEM數(shù)字成像/掃描電路,可在標準的操作界面上顯示STEM圖像(明/暗場).也可附加EDS實現(xiàn)元素分析。第十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

透射電鏡，通常采用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。

熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速穿過陽極孔，然后被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑照到樣品上。

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)厚度、平均原子序數(shù)、晶體結構或位向差別的多種信息。第十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四具有高能量的入射電子束與固體物質表面的原子核或核外電子發(fā)生作用，產(chǎn)生如圖所示的物理信號。透射電鏡檢測的都是透射電子第十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四2透射電鏡的結構及原理

透射電鏡主要有電子光學系統(tǒng)(鏡筒)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)等四部分。

電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作系統(tǒng)都是輔助系統(tǒng)。第十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

鏡筒

一般由電子槍、聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等電子透鏡、樣品室和熒光屏組成透射電鏡的電子光學系統(tǒng)。第十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四電子槍

電子槍是透射電鏡的電子源。因為電子槍決定了像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品能力，所以相應地要求其亮度、發(fā)射穩(wěn)定度和加速電壓都要高。

最常用的加速電壓為50~100kV，近來超高電壓電鏡的加速電壓已達數(shù)千kV。第十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

目前常用的電子槍是熱陰極三極電子槍，如圖所示。它由發(fā)夾形鎢絲陰極、陽極和位于陰、陽極之間且電位比陰極負數(shù)百伏的柵極組成。

這是一種靜電透鏡，它能使陰極發(fā)射的電子會聚，得到一個小于100μm的電子束斑。第二十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四電子槍第二十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(2)聚光鏡

聚光鏡大多是磁透鏡，其作用是將來自電子槍的電子束會聚到被觀察的樣品上，并通過它來控制照明強度、照明孔徑角和束斑大小。高性能透射電鏡都采用雙聚光鏡系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由第一聚光鏡(強激磁透鏡)和第二聚光鏡(弱激磁透鏡)組成。第二十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第二十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

第一聚光鏡的縮小倍數(shù)為10~50倍，它將有效光源強烈地縮小成1~5m的光斑像。

第二聚光鏡縮小倍數(shù)約為1/2倍。這樣，通過第二聚光鏡在試樣平面上形成直徑約為2-10m的光斑，顯著地提高了照明效果。第二十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四成像系統(tǒng)

物鏡、中間鏡和投影鏡現(xiàn)也都采用磁透鏡。它們和樣品室構成成像系統(tǒng)，作用是安置樣品、放大成像。第二十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四物鏡

物鏡是透射電鏡的核心，它獲得第一幅具有一定分辨本領的放大電子像。

這幅像的任何缺陷都將被其他透鏡進一步放大，所以透射電鏡的分辨本領就取決于物鏡的分辨本領。因此，要求物鏡有盡可能高的分辨本領、足夠高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。

磁透鏡最大放大倍數(shù)為200倍，最大分辨本領為0.1nm。第二十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四（2）照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的作用：

①提供光源，控制其穩(wěn)定度、照明強度和照明孔徑角；

②選擇照明方式(明場或暗場成像)。第二十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(3)中間鏡和投影鏡

中間鏡和投影鏡的構造和物鏡是一樣的，但它們的焦距比較長。其作用是將物鏡形成的一次像再進行放大，最后顯示到熒光屏上，從而得到高放大倍數(shù)的電子像。這樣的過程稱為三級放大成像。第二十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

物鏡和投影鏡屬于強透鏡，其放大倍數(shù)均為100倍左右，而中間鏡屬于弱透鏡，其放大倍數(shù)為0~20倍。三級成像的總放大倍數(shù)為：

MT=MOMIMP

其中MO、MI、MP分別是物鏡、中間鏡和投影的放大倍數(shù)。第二十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

磁透鏡可以通過改變電流來調節(jié)放大倍數(shù)。

一般通過將物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)MO、MP固定，而改變中間鏡放大倍數(shù)MI來改變總放大倍數(shù)MT。

應當指出，放大倍數(shù)越大，成像亮度越低。成像亮度與MT2成反比。因此，要根據(jù)具體要求選用成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。第三十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

通常將鏡筒分為照明、成像及圖像觀察和記錄三個系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡

成像系統(tǒng)：樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡

圖像觀察和記錄系統(tǒng)：熒光屏和照相裝置第三十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

樣品室位于照明系統(tǒng)和物鏡之間，其作用是安裝各種形式的樣品臺，提供樣品在觀察過程中的各種運動，如平移（選擇觀察區(qū)域）、傾斜(選擇合適的樣品位向)和旋轉等。

透射電鏡樣品非常薄，約為100～200nm，必須用銅網(wǎng)支撐著。常用的銅網(wǎng)直徑為3mm左右，孔徑約有數(shù)10μm，如圖所示。第三十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四（4）.圖像觀察和記錄系統(tǒng)

透射電鏡中電子所帶的信息轉換成人眼能感覺的可見光圖像，是通過熒光屏或照相底板來實現(xiàn)的。人們透過鉛玻璃窗可看到熒光屏上的像。第三十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四（5）像的襯度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)，人的眼睛也不能辨認。因此，高的分辨率，適宜的放大倍數(shù)和襯度是電鏡圖像的三大要素。襯度即圖像的對比度，它是由電子與固體物質相互作用時，發(fā)生散射造成的。主要包括：吸收襯度，衍射襯度和位相襯度。第三十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四1）

吸收襯度（質厚襯度，散射襯度）隨樣品原子序數(shù)增加（厚度增加），電子受到散射的機會增加。因此，樣品中任意兩個相鄰區(qū)域，由于組成元素不同（原子序數(shù)不同）或厚度不同，均會對電子產(chǎn)生不同程度的散射。當散射電子被物鏡光闌擋住不能成像時，則樣品中散射強的部分在像中較暗，而樣品中散射較弱的部分在像中顯得較亮，從而形成像的襯度，稱為吸收襯度（或稱質厚襯度）。第三十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

即襯度G取決于質量厚度ρt，這就是所謂質量厚度襯度(簡稱質厚襯度)的來源。實際上，在原子序數(shù)相同的情況下，G僅與厚度有關，即：第三十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第三十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四透射電鏡小孔徑角成像

為了確保透射電鏡的分辨本領，物鏡的孔徑半角必須很?。ㄇ虿睿床捎眯】讖浇浅上?。一般是在物鏡的背焦平面上放一稱為物鏡光闌的小孔徑的光闌來達到這個目的。由于物鏡放大倍數(shù)較大，其物平面接近焦點，若物鏡光闌的直徑為D，則物鏡孔徑半角α可用下式來表示：

α=D/2f小孔徑角成像意味著只允許樣品散射角小于α的散射電子通過物鏡光闌成像，所有大于α的都被物鏡光闌擋掉，不參與成像。第三十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第三十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四2）衍射襯度

在觀察結晶性試樣時，在結晶試樣斜線部分，引起布拉格反射，衍射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而形成的襯度稱為衍射襯度。這時，試樣中斜線部分的在像中是暗的，得到的像稱為明場像(透射電子成像）。移動光闌使衍射電子通過光闌成像，透射電子被光闌擋住，得到暗場像（衍射電子成像）。第四十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四3）位相襯度位相襯度是由于透射電子與衍射電子在離開試樣后發(fā)生干涉產(chǎn)生的襯度。透射電子行程L ，衍射電子的行程（L2+d2)1/2,當二者的光程差為λ的整數(shù)倍時產(chǎn)生干涉。第四十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四3.TEM的樣品制備方法:

支持膜法復型法

晶體薄膜法超薄切片法

高分子材料必要時還要:

染色刻蝕第四十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(1)支持膜法

粉末試樣和膠凝物質水化漿體多采用此法。一般做法是將試樣載在一層支持膜上或包在薄膜中，該薄膜再用銅網(wǎng)承載。第四十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

支持膜材料必須具備下列條件：

①本身沒有結構，對電子束的吸收不大；

②本身顆粒度要小，以提高樣品分辨率；

③本身有一定的力學強度和剛度，能忍受電子束的照射而不致畸變或破裂。

常用的支持膜材料有：火棉膠（硝化纖維素）、聚醋酸甲基乙烯酯、碳、氧化鋁，F(xiàn)ormvar（聚乙烯醇縮甲醛）等。第四十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

支持膜上的粉末試樣要求高度分散，可根據(jù)不同情況選用如下分散方法：

1)包藏法：將適量微粒試樣加入制造支持膜的有機溶液中，使之分散，再制成支持膜。

2)撒布法：干燥分散的微粒試樣可以直接撒在支持膜表面，然后用手輕輕叩擊或用超聲波儀進行處理，去掉多余的微粒，剩下的就分散在支持膜上。

3)懸浮法：以蒸餾水或有機劑作為懸浮劑，樣品制成懸浮液后滴在支持膜上，干后即成。不能使用對試樣或支持膜有溶解性的溶劑。第四十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

4)糊狀法

用少量的懸浮劑和分散劑與微粒試樣調成糊狀，涂在金屬網(wǎng)的支持膜上，然后浸入懸浮液中或用懸浮液沖洗，則殘留在支持膜上的試樣就達到均勻分散的目的。

對于在干燥、濕潤狀態(tài)易結團的微粒試樣、油脂物質內(nèi)的固體成分，可用此法。第四十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四5）噴霧法

凡用懸浮法在干燥過程中易產(chǎn)生凝聚的粉粒試樣，也可用特制的噴霧器將懸浮液噴成極細的霧粒，粘附在支持膜上。第四十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四粉末樣品膠粉混合法玻璃片火棉膠溶液……….粉末對研……….干燥后取下膜第四十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四支持膜法透射電鏡圖像6000×a-墨汁(1:10)b-ZnOc-白堊顆粒d-聚苯乙烯塑料球第四十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(2).復型法

復型是利用一種薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜)將固體試樣表面的浮雕復制下來的一種間接樣品。

只能作為試樣形貌的觀察和研究，而不能用來觀察試樣的內(nèi)部結構。

對于在電鏡中易起變化的樣品和難以制成電子束可以透過的薄膜的試樣多采用復型法。

復型材料和支撐膜材料完全相同。

在材料研究中，復型法常用以下三種：

1)塑料一級復型、2)碳一級復型

3)塑料-碳二級復型

第五十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四1)塑料一級復型

在經(jīng)過表面處理(如腐蝕)的試樣表面上滴幾滴醋酸甲脂溶液，然后滴一滴1％塑料丙酮溶液(常用火棉膠硝化纖維素)，刮平，干后將塑料膜剝離下來即成，薄膜厚度約70-100nm，必要時再進行投影。可以觀察到的樣品細節(jié)為20nm左右。第五十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四a-樣品及電子強度示意圖b-0.3%C鋼，600℃回火0.5h，6000×塑料一級復型第五十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四投影：

就是人為地在復型表面制造一層密度比較大的元素膜，造成厚度差（約數(shù)nm厚），以改善復型圖像的襯度、判斷凹凸情況和測定厚度差。

具體的做法是將已經(jīng)制成的復型放在真空鍍膜裝置的鐘罩里(真空度約10~5mmHg)，復型的表面向上，以傾斜的方向蒸發(fā)沉積重金屬膜，投影傾斜角為15~45°不等。第五十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

投影材料常用

Cr：Chromium（鉻）

Ge：Germanium（鍺）

Au：Gold（金）

Pt:Platinum（鉑）第五十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四a-投影b-噴碳投影和噴碳示意圖第五十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四2)碳一級復型

在真空鍍膜裝置中，將碳棒以垂直方向，向樣品表面蒸鍍10-20nm的碳膜(其厚度通過潔白瓷片變?yōu)闇\棕色來控制)；然后用針尖將碳膜劃成略小于電鏡銅網(wǎng)的小塊，最后將碳膜從試樣上分離開來，必要時投影。比塑料復型分辨率提高一個數(shù)量級。第五十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四a-樣品及電子強度示意圖b-k-3鎳基高溫合金，擴散層中σ相，7000×碳一級復型第五十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四3)塑料-碳二級復型

在用醋酸纖維膜（AC紙）制得的復型正面上再投影、鍍碳，然后溶去AC紙所得到的復型稱為塑料-碳二級復型，其具體制備參見下圖。第五十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第五十九頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四b-k-3鎳基高溫合金，擴散層中σ相，7000×塑料-碳二級復型a-樣品制備示意圖第六十頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

碳一級復型分辨本領最高，可達2nm(直接取決于復型本身的顆粒度)，但剝離較難；

塑料一級復型操作最簡單，但其分辨本領和像的反差均較低，且在電子束轟擊下易發(fā)生分解和燒蝕；

塑料-碳二級復型操作復雜一些，其分辨本領與塑料一級復型基本相同，但其剝離起來容易，不破壞原有試樣，尤其適應于斷口類試樣。第六十一頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

4）萃取復型

這是在上述三種復型的基礎上發(fā)展起來的唯一能提供試樣本身信息的復型。

它是利用一種薄膜（現(xiàn)多用碳薄膜），把經(jīng)過深浸蝕的試樣表面上的第二相粒子粘附下來。由于這些第二相粒子在復型膜上的分布仍保持不變，所以可以來觀察分析它們的形狀、大小、分布和所屬物相（后者利用電子衍射）。第六十二頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四第六十三頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四b-45鋼900℃水淬，600℃回火1h，6000×a-樣品制備示意圖第六十四頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(3)超薄切片法（Ultramicrotome）

高分子材料用超薄切片機可獲得50nm左右的薄樣品。如果要用透射電鏡研究大塊聚合物樣品的內(nèi)部結構，可采用此法制樣。

用此法制備聚合物試樣時的缺點是將切好的超薄小片從刀刃上取下時會發(fā)生變形或彎曲。為克服這一困難，可以先將樣品在液氮或液態(tài)空氣中冷凍；或將樣品包埋在一種可以固化的介質中。

選擇不同的配方來調節(jié)介質的硬度，使之與樣品的硬度相匹配。經(jīng)包埋后再切片，就不會在切削過程中使超微結構發(fā)生變形。第六十五頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四超薄切片：<99nm，半薄切片：<0.999μm

第六十六頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四

為研究高分子樹脂顆粒的形態(tài)及其分布，有時也可以采用先包埋、再行超薄切片的辦法制樣。下圖是分散聚四氟乙烯粉粒結構的透射電子顯微圖像。試樣是用聚甲基丙烯酸丁酯將聚四氟乙烯粉粒包埋后在常溫下經(jīng)超薄切片制得的。由照片可以清楚地看到在分散的聚四氟乙烯次級粒子內(nèi)部存大量的尺度為50-100nm的初級粒子和形狀不同的毛細孔道。該試樣未經(jīng)染色，圖像的襯度起因于各初級粒子被切后在切片中殘留的厚度差異。第六十七頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四分散聚四氟乙烯粉粒的超薄切片像第六十八頁，共七十七頁，編輯于2023年，星期四(4).染色和刻蝕

大多數(shù)聚合物由輕元素組成。在用質厚襯度成象時圖象的反差很弱，因此