透射电子显微镜

第二章透射电子显微镜 绪论 2 1透射电子显微镜的结构与成像原理 2 2主要部件的结构与工作原理 2 3透射电子显微镜分辨本领和放大倍数的测定 2 4透射电子显微镜样品制备方法 透射电子显微镜 TEM 是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器 同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器 特别是选区电子衍射技术的应用 使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来 再配以能谱或波谱进行微区成份分析 得到全面的信息 绪论 TEM简介 透射电子显微镜 简称透射电镜 TEM 可以以几种不同的形式出现 如 高分辨电镜 HRTEM 透射扫描电镜 STEM 分析型电镜 AEM 等等 入射电子束 照明束 也有两种主要形式 平行束 透射电镜成像及衍射会聚束 扫描透射电镜成像 微分析及微衍射 TEM的主要发展方向 1 高电压 增加电子穿透试样的能力 可观察较厚 较具代表性的试样 现场观察 in situobservalion 辐射损伤 减少波长散布像差 chromaticaberration 增加分辨率等 目前已有数部2 3MeV的TEM在使用中 左图为200keVTEM之外形图 2 高分辨率 最佳解像能力为点与点间0 18nm 线与线间0 14nm 美国於1983年成立国家电子显微镜中心 其中1000keV之原子分辨电子显微镜 atomicresolutionelectronmicroscope AREM 其点与点间之分辨率达0 17nm 可直接观察晶体中的原子 3 多功能分析装置 如附加电子能量分析仪 electronanalyzer EA 可监定微区域的化学组成 4 场发射电子光源 具高亮度及契合性 电子束可小至1nm 除适用於微区域成份分析外 更有潜力发展三度空间全像术 holography 透射电镜的结构我们这里先看一看一些电镜的外观图片 再就透射电镜的结构原理做一简单介绍 2 1透射电子显微镜的结构与成像原理 右图为透射电子显微镜光路原理图 光学显微镜和透射电镜光路图比较 工作原理成像原理与光学显微镜类似 它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束 透射电子显微镜则以电子为照明束 在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜 在电子显微镜中相应的为磁透镜 由于电子波长极短 同时与物质作用遵从布拉格 Bragg 方程 产生衍射现象 使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能 真空系统 透射电镜的构成 电子光学系统 电源与控制系统 照明系统 成像系统 观察记录系统 物镜光阑中间镜投影镜 透射电镜一般是由电子光学部分 电源与控制系统和真空系统和三大部分组成 一 电子光学部分整个电子光学部分完全置于镜筒之内 自上而下顺序排列着电子枪 聚光镜 样品室 物镜 中间镜 投影镜 观察室 荧光屏 照相机构等装置 根据这些装置的功能不同又可将电子光学部分分为照明系统 样品室 成像系统及图像观察和记录系统 照明系统 样品室 成像系统 观察和记录系统 透射电子显微镜 JEM 2010F 主体的断面图 1 电子枪 电子源 2 高压发生器和加速管照明电子透镜系统和偏转系统试样台和试样架 5 放大和成像电子透镜系统 6 观察室和照相室 一 照明系统照明系统由电子枪 聚光镜和相应的平移对中及倾斜调节装置组成 它的作用 是为成像系统提供一束亮度高 相干性好的照明光源 为满足暗场成像的需要照明电子束可在2 3度范围内倾斜 1 电子枪 1 阴极 又称灯丝 一般是由0 03 0 1毫米的钨丝作成V或Y形状 2 阳极 加速从阴极发射出的电子 为了安全 一般都是阳极接地 阴极带有负高压 3 控制极 会聚电子束 控制电子束电流大小 调节象的亮度 阴极 阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能 因此 人们习惯上把它们通称为 电子枪 自偏压回路可以起到稳流和限流的作用 电子枪交叉点处的电子束直径50 m 电子枪 电子枪的类型有热发射和场发射两种 大多用钨和六硼化镧材料 一般电子枪的发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理基本相同 即通过加热来使整个枪体来发射电子 电子枪的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种 前者比较便宜并对真空要求较低 后者发射效率要高很多 其电流强度大约比前者高一个量级 场发射电子枪及原理示意图 2 聚光镜 一般都采用双聚光镜系统 第一聚光镜是强激磁透镜 束斑缩小率为10 50倍左右 将电子枪第一交叉点束斑缩小为1 5 m 第二聚光镜是弱激磁透镜 适焦时放大倍数为2倍左右结果在样品平面上可获得2 10 m的照明电子束斑 阴极 接负高压 控制极 比阴极负100 1000伏 阳极 电子束 聚光镜 试样 照明系统示意图 二 样品室样品室中有样品杆 样品杯及样品台 其位于照明部分和物镜之间 它的主要作用是通过试样台承载试样 移动试样 三 成像系统由物镜 中间镜和投影镜构成 1 物镜物镜用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜 透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜 物镜是一个强激磁短焦距的透镜 f 1 3mm 它的放大倍数较高 一般为100 300倍 物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度 一船来说 极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小 物镜的分辨率就越高 物镜极靴的断面图 JEL20l0F 物镜四个特征参数 A焦距对于磁透镜而言 激磁越强 焦距越短 球差越小B球差系数CsC色差系数CcD聚焦的最小可变量 fA 物镜极靴 2 中间镜中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜 可在0 20倍范围调节 当放大倍数大于1时 用来进一步放大物镜像 当放大倍数小于1时 用来缩小物镜像 如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合 则在荧光屏上得到一幅放大像 这就是电子显微镜中的成像操作 如图8 4 b 所示 如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合 则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样 这就是透射电子显微镜中的电子衍射操作 如图8 4 a 所示 8 4透射电镜成像系统的两种基本操作 a 将衍射谱投影到荧光屏 b 将显微像投影到荧光屏 a 高放大率 b 衍射 c 低放大率 物 物镜 衍射谱 一次象 中间镜 二次象 投影镜 三次象 荧光屏 选区光阑 物镜关闭无光阑 中间镜 作物镜用 投影镜 第一实象 荧光屏 普查象 极低放大率象 3 投影镜投影镜的作用是把经中间镜放大 或缩小 的像 或电子衍射花样 进一步放大 并投影到荧光屏上 它和物镜一样 是一个短焦距的强磁透镜 投影镜的激磁电流是固定的 因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小 约10 5rad 因此它的景深和焦长都非常大 即使改变中间镜的放大倍数 使显微镜的总放大倍数有很大的变化 也不会影响图像的清晰度 在电子显微镜中 物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的三次放大像 三次放大图像的总放大倍率为 M总 M物M中M投 四 观察记录系统荧光屏和照相结构 该系统由荧光屏 照相机 数据显示等组成 在分析电镜中 还有探测器和电子能量分析等附件 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 电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志 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 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 2 电源与控制系统 为了保证真在整个通道中只与试样发生相互作用 而不与空气分子发生碰撞 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 一般真空度为10 4 10 7毫米汞柱 3 真空系统 作用 2 2主要部件的结构和工作原理1 样品平移与倾斜装置 样品台 电镜样品小而薄 通常用外径3mm的样品铜网支持 网孔或方或园 约0 075mm 如图所示 图8 7样品铜网放大像 a 方孔 b 圆孔 样品台的作用是承载样品 并使样品在物镜极靴孔内平移 倾斜 旋转 以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析 平移是样品台的基本动作 平移最大值 1mm 倾斜装置用的最普遍的是 侧插 式倾斜装置 如图所示 图8 8 侧插 式倾斜装置 双轴倾斜试样架倾斜部的结构和动作示意图 各种侧插试样架的外观 2 电子束倾斜与平移装置 新式电镜都带有电磁偏转器 使入射电子束平移和倾转 其原理见图 上 下两线圈联动的 利用电子束原位倾斜可以进行中心暗场成像操作 3 消像散器 用来消除或减小透镜磁场的非轴对称性 把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场的装置 消像散器分为两类 机械式 电磁式 机械式 电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体来吸引部分磁场 电磁式 通过电磁极间的吸引和排斥来校正磁场 如图8 10所示 两组四对电磁体排列在透镜磁场外围 每对电磁体同极相对安置 通过改变两组电磁体的励磁强度和磁场的方向实现校正磁场 4 光阑 1 聚光镜光阑 a 限制照明孔径角 b 装在第二聚光镜下方 2 物镜光阑 衬度光阑 a 安在物镜后焦面上 直径20 120 m b 用来呈暗场像 c 用无磁性的金属制造 具有自洁功能 3 选区光阑 场限光阑或视场光阑 a 安在物镜的像平面上 b 用无磁性金属材料制成的 直径在20 400 m 2 3透射电子显微镜分辨本领和放大倍数的测定 1 点分辨率的测定 将铂 铂 铱或铂 把等金属或合金 用真空蒸发的方法可以得到粒度为5 10A 间距为2 10A的粒子 将其均匀地分布在火棉胶 或碳 支持膜上 在高放大倍数下拍摄这些粒子的像 为了保证测定的可靠性 至少在同样条件下拍摄两张底片 然后经光学放大 5倍左右 从照片上找出粒子间最小间距 除以总放大倍数 即为相应电子显微镜的点分辨本领 2 晶格分辨率的测定 晶格分辨本领的测定 利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜作为标样 拍摄其晶格像 这种方法的优点是不需要知道仪器的放大倍数 因为事先可精确地知道样品晶面间距 根据仪器分辨本领的高低 选择晶面间距不同的样品作标样 图8 13晶格分辨宰测定金 220 200 晶格像 图8 141152条 mm衍射光栅复型放大像 a 5700倍 b 8750倍 3 放大倍率的标定 TEM样品可分为间接样品和直接样品 要求 1 供TEM分析的样品必须对电子束是透明的 通常样品观察区域的厚度以控制在约100 200nm为宜 2 所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征 因此 样品制备时不可影响这些特征 如已产生影响则必须知道影响的方式和程度 2 4透射电子显微镜制样方法 一 间接样品 复型 的制备 对复型材料的主要要求 复型材料本身必须是 无结构 或非晶态的 有足够的强度和刚度 良好的导电 导热和耐电子束轰击性能 复型材料的分子尺寸应尽量小 以利于提高复型的分辨率 更深入地揭示表面形貌的细节特征 常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜 复型的种类 按复型的制备方法 复型主要分为 一级复型二级复型萃取复型 半直接样品 碳一级复型是通过真空蒸发碳 在试样表面沉淀形成连续碳膜而制成的 如图所示 塑料 碳二级复型是无机非金属材料形貌与断口观察中最常用的一种制样方法 萃取复型萃取复型既复制了试样表面的形貌 同时又把第二相粒子粘附下来并基本上保持原来的分布状态 通过它不仅可观察基体的形貌 直接观察第二相的形态和分布状态 还可通过电子衍射来确定其物相 因此 革取复型兼有复型试样的薄膜试样的优点 在一般复型中 有时为了暴露第二相的形貌 需选用适当的侵蚀剂溶去部分基体 使第二相料子凸出 形成浮雕 但并不希望在复型过程中把材料本身的碎屑粘附下来 因为这些碎屑的密度和厚度比之碳膜要大得多 在图像中形成黑色斑块 影响形貌观察和图像质量 因此要适当控制侵蚀程度 在实际制作塑料一碳二级复型时 往往把第一 二次的塑料复型弃去不要 以清洁表面 而萃取复型则有意识的通过选择适当的侵蚀剂侵蚀试块表面 形成浮雕 用复型膜把需要观察的相 一般是指第二相 萃取下来 二 直接样品的制备 1 粉末样品制备粉末样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来 各自独立而不团聚 胶粉混合法 在干净玻璃片上滴火棉胶溶液 然后在玻璃片胶液上放少许粉末并搅匀 再将另一玻璃片压上 两玻璃片对研并突然抽开 稍候 膜干 用