透射电镜-电子显微技术

1,第六章,电子显微技术,2,6.1 引言 - 电子光学基础6.1.1 分辨本领 分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。 1) 人的眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节2) 光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3) 用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。,3,光学透镜分辨本领d0的公式： 式中：是照明束波长，是透镜孔径半角，n 是物方介质折射率，nsin或NA称为数值孔径。,4,在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜系统的NA值小于1。 D0 1/2 波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。若用波长最短的可见光(=400nm)作照明源。 d0=200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限 有效放大倍数1000。,5,圆孔孔径为D,L,衍射屏,观察屏,1,(艾里斑),中央为亮斑,外围为一些同心亮环.光强主要在中央亮斑区(84%)艾里(Airy)斑。,瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点,如果其一个象斑的中心恰好落在另一象斑的边缘(第一暗纹处),则此两物点被认为是刚刚可以分辨。两艾里斑中心距小于艾里斑半径,两象点不能分辨。,6,随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源 电子束被发现了。 1924年法国物理学家德.布罗意(De Broglie)提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数 h 对于粒子动量的比值，即： =h/mv 对于电子来说，这里， m 是电子质量kg， v 是电子运动的速度ms-1。,7,初速度为零的自由电子从零电位达到电位为U ( 单位为 v )的电场时电子获得的能量是eU： 1/2mv2 = eU 当电子速度v 远远小于光速C 时，电子质量m 近似等于电子静止质量m0，由上述两式整理得：,8,将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位为库仑， h的单位为Js，我们将得到： nm,表6-1不同加速电压下的电子波长,9,当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为10-2-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角为10-2rad，那么分辨本领为： d0 = 0.613.710-3/10-2 = 0.225 nm,10,电磁透镜的聚焦原理: 通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点。 下图为一种实际常用的带有铁壳以及极靴的电磁透镜示意图。,11,12,电磁透镜,13,左手定则是确定通电导体在磁场中受力方向的定则。内容是：伸开左手，使大拇指跟其余4个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的4指指向电流的方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中受力的方向。电子由A-B点的过程分析，到达P 时，速度分量z在磁场分量Hr的作用下，产生向内的力，在该力的作用下，产生速度，该方向电子的运动在磁场强度的Hz的作用下，产生指向A-B轴的力。,左手定则说的是磁场对电流作用力，或者是磁场对运动电荷的作用力。,14,在磁透镜的右半部分Hr和Vr改变了方向，这时Hr和Vz， Hz和Vr的作用产生一个使切向速度减小到零的作用力，所以电子离开磁透镜后，又回到纸面运动，但减小绕轴旋转速度的力，并不改变其方向。因此，聚焦力的方向也不改变，电子始终折向对称轴，仅在离透镜中心较远时，因为磁场强度减小，电子折向对称轴的弯曲程度逐渐减小。电子离开透镜后，又重新进行直线运动，与对称轴交于B点，B点即为A点的像。,15,a-物距，b-像距，f-焦距,电磁透镜成像公式,16,控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差。 像差分为几何像差和色差两类。 几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。 色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。,17,透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响; 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。,18,像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个满散圆斑。 球差的大小，可以用球差散射圆斑半径Rs和纵向球差Zs两个参量来衡量。前者是指在傍轴电子束形成的像平面(也称高斯像平面)上的散射圆斑的半径。后者是指傍轴电子束形成的像点和远轴电子束形成的像点间的纵向偏离距离。,19,Zs,P,20,21,轴线上的物点，也不可避免地要产生球差。 计算表明，在球差范围内距高斯像平面3/4Zs处的散射圆斑的半径最小，只有Rs/4。习惯上称它为最小截面圆。 考察球差对分辨本领的影响。如果计算分辨本领所在的平面为高斯平面，就把Rs定为两个大小相同的球差散射圆斑能被分辩的最小中心距。这时在试样上相应的两个物点间距为： rs=Rs/M=Cs3式中，Cs为电磁透镜的球差系数，为电磁透镜的孔径半角。,22,如果计算分辨本领的平面为最小截面圆所在平面，则 rs=1/4 Cs3 从以上两式可以得知rs或rs与球差系数Cs成正比，与孔径半角的立方成正比。也就是说球差系数越大，由球差决定的分辨本领越差，随着的增大，分辨本领也急剧地下降。,23,当加速电压为 100 kV 及轴上磁场最大值H0=1.6106A/m时，根据不同的假设求得的透射电镜理论分辨本领约为0.2-0.3nm，目前实际透射电子显微镜的点分辨率已接近于这个理论值。 二十世纪三十年代以来，一系列电子显微分析仪器相继出现并不断完善，这些仪器包括透射电子显微镜(简称透射电镜)，扫描电子显微镜(简称扫描电镜)和电子探针X射线显微镜分析仪(简称电子探针仪)等。利用这些仪器可以探测如形貌、成分和结构等材料微观尺度的各种信息。,24,像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。 如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个能产生矫正磁场的装置称为消像散器。,25,色差：是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成。,色差,26,rs=1/4 Cs3,r0=0.61/nsin,由衍射效应和球差决定的分辨率,27,景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深。当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，它们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。,电磁透镜的景深和焦长,28,焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。 当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。,29,电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh（瑞利）公式： r0=0.61/n.sinr0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，表示透镜分辨本领的大小；：波长; n：介质的相对折射系数；:透镜的孔径半角,30,只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。像差对分辨本领的影响： 由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑，散焦斑的半径也就影响了透镜的分辨本领。,31,当加速电压为 100 kV 及轴上磁场最大值H0=1.6106A/m时，根据不同的假设求得的透射电镜理论分辨本领约为0.2-0.3nm，目前实际透射电子显微镜的点分辨率已接近于这个理论值。 二十世纪三十年代以来，一系列电子显微分析仪器相继出现并不断完善，这些仪器包括透射电子显微镜(简称透射电镜)，扫描电子显微镜(简称扫描电镜)和电子探针X射线显微镜分析仪(简称电子探针仪)等。利用这些仪器可以探测如形貌、成分和结构等材料微观尺度的各种信息。,32,6.2 透射电镜6.2.1透射电镜的工作原理和特点 透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜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。四部分：电子光学系统、电源系统、 真空系统、操作控制系统,33,透过样品的电子束强度，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。 透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如下图所示。,34,透镜电镜成像图,35,表6-2光学显微镜与透射电镜的比较,36,透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。 热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。 具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。,37,特征X射线,38,背散射电子 (b) 它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子，前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。,39,二次电子(S) 它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子。 在样品上方装一个电子检测器来检测不同能量的电子，结果如图所示。二次电子的能量比较低，一般小于50eV；背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量 E0。,40,电子能谱,41,吸收电子(a) 被吸收电子是随着与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。,42,透射电子(t) 它是入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。 图是电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系。,43,由图知，样品质量厚度越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大，但达一定值时保持定值。,电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系,44,6.2.2 透射电镜的结构及原理 透射电镜主要有电子光学系统(镜筒)、电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。 电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。,45,镜 筒 一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等电子透镜、样品室和荧光屏组成透射电镜的电子光学系统。,46,图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒),47,通常将镜筒分为照明、成像及图像观察和记录三个系统。照明系统：电子枪、聚光镜成像系统：样品室、物镜、中间镜和投影镜图像观察和记录系统：荧光屏和照相装置,48,基于对机械稳定性的考虑，透射电镜的镜筒一般是直立积木式结构（自上而下）： 电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和照相装置。,49,1. 照明系统 照明系统的作用： 提供光源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角； 选择照明方式(明场或暗场成像)。,50,(1) 电子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。 最常用的加速电压为50100kV，近来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。,51,电子枪,目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，如图所示。它由发夹形钨丝阴极、阳极和位于阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。得到一个小于100m的电子束斑。,52,(2) 聚光镜 聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。,53,第一聚光镜 的缩小倍数为1050倍，它将有效光源强烈地缩小成15 m的光斑像。 第二聚光镜 缩小倍数约为1/2倍。这样，通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约为2-10 m的光斑，显著地提高了照明效果。,54,2. 成像系统 物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和样品室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。,55,56,（1）样品室 位于照明系统和物镜之间，其作用是安装各种形式的样品台，提供样品在观察过程中的各种运动，如平移（选择观察区域）、倾斜(选择合适的样品位向)和旋转等。 透射电镜样品非常薄，约为100200nm，必须用铜网支撑着。常用的铜网直径为3mm左右，孔径约有数10m，如图所示。,57,(2) 物镜 物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。 这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。,58,物镜的球面像差一般通过在物镜背焦面径向插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。,59,(3)中间镜和投影镜 中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较长。其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。,60,物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为020倍。三级成像的总放大倍数为： MT = MO MI MP 其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影的放大倍数。,61,磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。 一般通过将物镜和投影镜的放大倍数 MO、MP固定，而改变中间镜放大倍数 MI 来改变总放大倍数 MT。 应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与 MT2 成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。,62,3. 图像观察和记录系统 透射电镜中电子所带的信息转换成人眼能感觉的可见光图像，是通过荧光屏或照相底板来实现的。人们透过铅玻璃窗可看到荧光屏上的像。,63,观察和记录系统,64,电子枪高压电源、透镜电源和控制线路电源等。,电源系统,65,高压系统,66,维持镜筒(凡是电子运行的空间)的真空度在10-4 Torr以上，以确保电子枪电极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。,真空系统,1托（Torr）=133.322帕（Pa） 1毫米汞柱（mmHg）=133.322帕（Pa）,67,真空系统,68,控制系统,69,6.2.3像的衬度,如果像不具有足够的衬度，即使电镜有极高的分辨率和放大倍数，人的眼睛也不能辨认。因此，高的分辨率，适宜的放大倍数和衬度是电镜图像的三大要素。衬度即图像的对比度，它是由电子与固体物质相互作用时，发生散射造成的。主要包括：吸收衬度，衍射衬度和位相衬度。,70,1）吸收衬度（质厚衬度，散射衬度）,随样品原子序数增加（厚度增加），电子受到散射的机会增加。因此，样品中任意两个相邻区域，由于组成元素不同（原子序数不同）或厚度不同，均会对电子产生不同程度的散射。当散射电子被物镜光阑挡住不能成像时，则样品中散射强的部分在像中较暗，而样品中散射较弱的部分在像中显得较亮，从而形成像的衬度，称为吸收衬度（或称质厚衬度）。,71,即衬度G取决于质量厚度t，这就是所谓质量厚度衬度(简称质厚衬度)的来源。实际上，在原子序数相同的情况下，G仅与厚度有关，即：,72,73,透射电镜小孔径角成像 为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小（球差），即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。由于物镜放大倍数较大，其物平面接近焦点，若物镜光阑的直径为 D ，则物镜孔径半角可用下式来表示： = D/2f,小孔径角成像意味着只允许样品散射角小于的散射电子通过物镜光阑成像，所有大于的都被物镜光阑挡掉，不参与成像。,74,75,利用质厚衬度制备 TEM样品方法 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。 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。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。透射电镜常用的50100kV电子束来说，样品的厚度控制在100200nm为宜。,76,TEM的样品制备方法: 支持膜法 复型法 超薄切片法 对于高分子材料必要时还要: 染色 刻蚀,77,支持膜法 粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。,78,支持膜材料必须具备下列条件： 本身没有结构，对电子束的吸收不大； 本身颗粒度要小，以提高样品分辨率； 本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂。 常用的支持膜材料有：火棉胶（硝化纤维素）、聚醋酸甲基乙烯酯、碳、氧化铝，Formvar（聚乙烯醇缩甲醛）等。,79,支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情况选用如下分散方法： 1) 包藏法：将适量微粒试样加入制造支持膜的有机溶液中，使之分散，再制成支持膜。2) 撒布法：干燥分散的微粒试样可以直接撒在支持膜表面，然后用手轻轻叩击或用超声波仪进行处理，去掉多余的微粒，剩下的就分散在支持膜上。3) 悬浮法：以蒸馏水或有机剂作为悬浮剂，样品制成悬浮液后滴在支持膜上，干后即成。不能使用对试样或支持膜有溶解性的溶剂。,80,4) 糊状法 用少量的悬浮剂和分散剂与微粒试样调成糊状，涂在金属网的支持膜上，然后浸入悬浮液中或用悬浮液冲洗，则残留在支持膜上的试样就达到均匀分散的目的。 用凡士林作微粒分散剂，用苯萘溶去凡士林，也可得到良好的效果。对于在干燥、湿润状态易结团的微粒试样、油脂物质内的固体成分，可用此法。,81,5）喷雾法 凡用悬浮法在干燥过程中易产生凝聚的粉粒试样，也可用特制的喷雾器将悬浮液喷成极细的雾粒，粘附在支持膜上。,82,粉末样品,胶粉混合法,玻璃片,火棉胶溶液,粉末,对研,干燥后取下膜,83,支持膜法透射电镜图像 6000 ,a-墨汁(1:10),b-ZnO,c-白垩颗粒,d-聚苯乙烯塑料球,84,2. 复型法 复型是利用一种薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜)将固体试样表面的浮雕复制下来的一种间接样品。 只能作为试样形貌的观察和研究，而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的薄膜的试样多采用复型法。 复型材料和支撑膜材料完全相同。 在材料研究中，复型法常用以下三种： (1) 塑料一级复型、(2) 碳一级复型 (3) 塑料-碳二级复型,85,(1) 塑料一级复型 在经过表面处理(如腐蚀)的试样表面上滴几滴醋酸甲脂溶液，然后滴一滴1塑料丙酮溶液(常用火棉胶硝化纤维素)，刮平，干后将塑料膜剥离下来即成，薄膜厚度约70-100nm，必要时再进行投影。可以观察到的样品细节为20nm左右。,86,塑料一级复型,87,投影： 就是人为地在复型表面制造一层密度比较大的元素膜，造成厚度差（约数nm厚），以改善复型图像的衬度、判断凹凸情况和测定厚度差。 具体的做法是将已经制成的复型放在真空镀膜装置的钟罩里 (真空度约105mmHg)，复型的表面向上，以倾斜的方向蒸发沉积重金属膜，投影倾斜角为 1545不等。,88,投影材料常用 Cr： Chromium （铬） Ge： Germanium （锗）Au： Gold （金） Pt: Platinum （铂）,89,投影和喷碳示意图,90,2) 碳一级复型 在真空镀膜装置中，将碳棒以垂直方向，向样品表面蒸镀10-20nm的碳膜(其厚度通过洁白瓷片变为浅棕色来控制)；然后用针尖将碳膜划成略小于电镜铜网的小块，最后将碳膜从试样上分离开来，必要时投影。比塑料复型分辨率提高一个数量级。,91,碳一级复型,92,3) 塑料-碳二级复型 在用醋酸纤维膜（AC纸）制得的复型正面上再投影、镀碳，然后溶去AC纸所得到的复型称为塑料-碳二级复型，其具体制备参见下图。,93,94,b- k-3镍基高温合金，扩散层中相，7000,塑料-碳二级复型,a-样品制备示意图,95,碳一级复型分辨本领最高，可达2nm(直接取决于复型本身的颗粒度)，但剥离较难； 塑料一级复型操作最简单，但其分辨本领和像的反差均较低，且在电子束轰击下易发生分解和烧蚀； 塑料-碳二级复型操作复杂一些，其分辨本领与塑料一级复型基本相同，但其剥离起来容易，不破坏原有试样，尤其适应于断口类试样。,96,4）萃取复型 这是在上述三种复型的基础上发展起来的唯一能提供试样本身信息的复型。 它是利用一种薄膜（现多用碳薄膜），把经过深浸蚀的试样表面上的第二相粒子粘附下来。由于这些第二相粒子在复型膜上的分布仍保持不变，所以可以来观察分析它们的形状、大小、分布和所属物相（后者利用电子衍射）。,97,98,b-45钢900水淬，600 回火1h，6000,a-样品制备示意图,99,超薄切片法 （Ultramicrotome） 高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内部结构，可采用此法制样。 用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻；或将样品包埋在一种可以固化的介质中。 选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削过程中使超微结构发生变形。,100,超薄切片：99nm ，半薄切片：0.999m,101,为研究高分子树脂颗粒的形态及其分布，有时也可以采用先包埋、再行超薄切片的办法制样。下图是分散聚四氟乙烯粉粒结构的透射电子显微图像。试样是用聚甲基丙烯酸丁酯将聚四氟乙烯粉粒包埋后在常温下经超薄切片制得的。由照片可以清楚地看到在分散的聚四氟乙烯次级粒子内部存大量的尺度为50-100nm的初级粒子和形状不同的毛细孔道。该试样未经染色，图像的衬度起因于各初级粒子被切后在切片中残留的厚度差异。,102,分散聚四氟乙烯粉粒的超薄切片像,103,超薄切片步骤：制玻璃刀，包埋（材料甲基丙烯酸正丁酯，环氧树脂），修块边长0.5mm，切片100nm以下，对聚合物采用冷冻切片。,104,3. 染色和刻蚀 大多数聚合物由轻元素组成。在用质厚衬度成象时图象的反差很弱，因此，由超薄切片得到的试样还不能直接用来进行透射电镜的观察，还需要通过染色或蚀刻来改善衬度。,105,染色 用一种含重金属的试剂对试样中的某一相或某一组分进行选择性的化学处理，使其结合或吸附上重金属，从而导致其对电子的散射能力有明显的变化。高分子材料多采用四氧化锷和四氧化镣染色。例如，高抗冲尼龙共混物微观相分离结构的透射电镜观察。蚀刻： 目的在于通过选择性的化学、物理作用，加大上述聚合物试样表面的起伏程度。,106,PA/SBS,107,染色：四氧化锇与双键，羟基，氨基反应，稳定性好。四氧化钌稳定性较差。,熏蒸1小时左右,108,常用的蚀刻方法有化学试剂蚀刻和离子蚀刻。用作蚀刻的化学试剂有氧化剂和溶剂两类。所用的氧化剂有发烟硝酸和高锰酸盐试剂等。它们的蚀刻作用是使试样表面某一类微区容易发生氧化降解作用，使反应生成的小分子物更容易被清洗掉，从而显露出聚合物体系的多相结构来。 PE/PA共混体系，可采用甲酸将PA刻蚀掉，形成衬度。,109,离子蚀刻 是利用半晶聚合物中晶区和非晶区或利用聚合物多相体系中不同相之间耐离子轰击的程度上的差异。 具体做法是在低真空系统中通过辉光放电产生的气体离子轰击样品表面，使其中一类微区被蚀刻掉的程度远远大于另一类微区，从而造成凹凸起伏的表面结构。,110,蚀刻较厚和较大的样品时，这种样品不能直接放入透射电镜中观察。因此常采用上述复型技术来进一步制样。但在对蚀刻试样的图象进行解释时，务必格外小心，这是因为试样很容易在蚀刻时或随后的处理阶段发生变形。所以根据这种电子显微像推测得到的蚀刻前的试样结构，应该用其它研究技术加以旁证。,111,空白样的SEM照片 刻蚀10分钟表面形貌照片,将交联PVC放入沸腾的四氢呋喃中刻蚀510min.，使用SEM观测其形貌。,112,应用例,1、无机粉体，纳米粒子2、高分子共混材料,113,114,PP/EPDM共混材料,115,116,生物磁铁矿晶体的完好晶形 （TEM照片）,117,沙尘暴的矿物颗粒,118,海盐气溶胶颗粒；匈牙利上空大陆大气层中收集到的煤灰/硫化物混合颗粒的TEM,119,煤灰/硫化物混合颗粒的TEM图象,120,Sol-gel法合成羟磷灰石, 可分辨出毛发状、长柱状的晶体轮廓, 但晶面发育不明显 (TEM),121,Somu Iijima(饭岛)于1991年在电子显微镜下发现纳米碳管，Nature，354 (1991) 56.,122,Bi系超导氧化物的堆积缺陷层调整Stacking faultLayer modulation,123,2）衍射衬度,在观察结晶性试样时，在结晶试样斜线部分，引起布拉格反射，衍射电子聚焦于物镜后面的一点，被物镜光阑挡住，只有透射电子通过光阑参与成像而形成的衬度称为衍射衬度。这时，试样中发生衍射的部分在像中是暗的，得到的像称为明场像(透射电子成像）。移动光阑使衍射电子通过光阑成像，透射电子被光阑挡住，得到暗场像（衍射电子成像）。,124,125,中心暗场成像 在暗场成像条件下，由于成像电子束偏离了透射电镜的光轴而造成较大的像差并在成像时难以聚焦，成像质量较差。在透射电镜中，为了获得高质量的暗场像，人们总是采取所谓的“中心暗场成像” ，即将入射电子束反向倾斜一个相应的散射角度，而使散射电子沿光轴传播。对晶体样品，如明场成像时(HKL)晶面组恰与入射方向交成精确的布拉格角，而其余晶面组均与衍射条件存在较大偏差，此时除直射束外只有一个强的衍射束，即构成所谓的“双光束条件”。在此条件下，通过束倾斜，使入射束沿原先的(HKL)衍射束方向入射，即将中心斑点移至(HKL)衍射斑点的位置此时，(HKL)晶面组将偏离布拉格条件，而（HKL)晶面组与入射束交成精确的布拉格角，