第四章透射电子显微术09.11.01

第四章 透射电镜4.1引言人的眼睛不能直接观察到比0.1毫米更小的物体或物质结构细节。借助于光学显微镜，可以看到象细菌、细胞那样小的物体。但是，由于光波的衍射效应，光学显微镜的分辨极限大约是光波的半波长，可见光的短波长约为0.4微米，所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2微米。为了观察更微小的物体，必须利用波长更短的光作为光源。1924年德布洛依提出了微观粒子具有二象性的假设后来这假设得到了实验证实。从此，人们认识到高速运动的粒子与短波辐射相联系，例如在100千伏电压下加速的电子，相应的德布洛依的波长为0.037埃(记做，110-8cm)，比可见光的波长几十万倍。此后，物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，研究成功了电子透镜。1932一1933年间，德国的Knoll和Ruska等在柏林制成了第一台电子显微镜。虽然这台电子显微镜的放大率只有12倍，但它表明，电子波可以用于显微镜，从而为显微镜的发展开辟了一个新的方向。1939年德国的西门子公司产生了分辨本领优于100的商品电子显微镜近半个世纪以来。十几个国家已经生产了上万台各种类型的电子显微镜。我国从1958年开始制造电子显微镜，现在已经能生产性能较好的透射电镜和扫描电镜。现代高性能的透射电于显微镜点分辨本领优于3，晶格分辨本领达到12，自动化程度相当高，而且具备多方面的综合分析功能。在自然科学的一些领域中，电子显微镜作为观察微观世界的“科学之眼”，已经成为一种不可缺少的仪器。在生物学、医学中，在金属、高分子、陶瓷，半导体等材料科学中，在矿物、地质等部门中，以及在物理、化学等学科中，电子显微分析都发挥着重要的作用。电子显微镜使人们进入了以“埃”为单位的世界。现代电子显微镜的分辨本领已经达到原子大小的水平，人们渴望直接看到原子的理想已经开始实现了。科学工作者已经用电镜直接看到某些特殊的大分子的结构，还看到了某些物质的原子像。电子显微术的进一步发展，今后有可能使我们对物质结构的认识有新的重大进展。42电子显微镜的电子光学基础 电子光学是电子显微镜的理论基础，它主要研究电子在电磁场中的运动规律。本节只讲述与电子显微镜有关的电子透镜的基本知识。421电子的波动性及电子波的波长根据德布洛依假设，运动微粒和一个平面单色波相联系。以速度为v、质量为m的微粒相联系的德布洛依波的波长为（4-1）其中h为普朗克常数。初速度为0的电子，受到电位差为V的电场的加速，根据能量守恒原理，电子获得的动能为（4-2）式中e为电子的荷电量。从上式得到（4-3） 将(43)式代人(41)式，得到（4-4）电子显微镜中所用的电压在几十千伏以上，必须考虑相对论效应。经相对论修正后，电子波长与加速电压之间的关系为（4-4、）式中m0为电子的静止质量，c为光速。表41列出了一些加速电压和电子波长的关系。表41 加速电压与电子波长透射电镜的加速电压一般在50100KV，电子波长在0.05360.0370 ，比可见光的波长小十几万倍，比结构分析中常用的x射线的波长也小12个数星级。运动电子具有波粒二象性。在电子显微术中，讨论电子在电、磁场中的运动轨迹，讨论试样对电子的散射等问题是从电子的粒子性来考虑，而讨论电子的衍射以及衍射成像问题时，是从电子的波动性出发的。43 透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称镜筒、是透射电子显微镜的核心、它的光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图41所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。图4-1 透射显微镜构造原理和光路图（a）透射电子显微镜；（b）透射光学显微镜一、照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在23范围内倾斜。(一)电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图4-2所示。图42 电子枪（a）自偏压回路；（b）电子枪内的等电位面图42为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上了一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。图42(b)中反映了阴极、栅极和阳极之间的等位面分布情况。因为栅极比阴极电位值更负，所以可以用栅极来控制阴极的发射电子有效区域。当阴极流向阳极的电子数量加大时，在偏压电阻两端的电位值增加，使栅极电位比阴极进一步变负，由此可以减小灯丝有效发射区域的面积，束流随之减小。若束流因某种原因而减小时，偏压电阻两端的电压随之下降，致使栅极和阴极之间的电位接近。此时，栅极排斥阴极发射电子的能力减小，束流又可望上升。因此，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。由于栅极的电位比阴极负，所以自阴极端点引出的等位面在空间呈弯曲状。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会会集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。 (二)聚光镜聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统，如图43所示。第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小率为1050倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为15m；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2-10m的照明电子束斑。图4-3 照明系统光路二、成像系统成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。(一)物镜物镜是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。因为物镜的任何缺陷都将被成像和系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨本领，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁、短焦距的物镜，像差小。 物镜是一个强激磁短焦距的透镜(f1mm)，它的放大倍数较高，一般为100300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度。一般来说，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。为了减小物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物镜光栅。物镜光栅不仅具有减小球差、像散和色差的作用，而且可以提高图像的衬度。此外，我们在以后的讨论中还可以看到，物镜光栅位于后焦面位置上时，可以方便地进行暗场及衍度成像操作。在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间的距离总是固定不变的(即物距L1不变)。因此改变物镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距(即f和L2)来满足成像条件。(二)中间镜中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在020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。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。如果物镜的放大倍数M0l00，投影镜的放大倍数MP100，中间镜放大倍数Mi=20时，总放大倍数M100 x20 x100200000倍。若Mi1，则总放大倍数为10000倍。如果Mi1/10，则总放大倍数仅为1000倍。 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4-4(a)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的电子衍射操作，如图4-4(b)所示。图4-4 成像系统光路（a）高倍放大 （b）电子衍射(三)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，因此它的景深和焦距都非常大。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。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内因此，在荧光屏上的图像依旧是清晰的。目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜(见图46)。图45 JE2010FF型透射电子显微镜外观图三、观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，在荧光屏下面放置一个可以自动换片的照相暗盒。照相时只要把荧光屏掀往一侧垂直竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，显然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的图像。通常采用在暗室操作情况下人眼较敏感的、发绿光的荧光物质来涂制荧光屏。这样有利于高放大倍数、低亮度图像的聚焦和观察。 电子感光片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，它是一种对红色不敏感。由于电子与乳胶相互作用比光子强得多，照相曝光时间很短，只需几秒钟。早期的电子显微镜用手动快门，构造简单，但曝光不均匀。新型电子显微镜均采用电磁快门，与荧光屏动作密切配合，动作迅速，曝光均匀；有的还装有自动曝光装置，根据荧光屏上图像的亮度，自动地确定曝光所需的时间。如果配上适当的电子线路，还可以实现拍片自动记数。电子显微镜工作时，整个电子通道都必须置于真空系统之内。新式的电子显微镜中电子枪、镜简和照相室之间都装有气阀，各部分都可单独地抽真空和单独放气，因此，在更换灯丝、消洗镜筒和更换底片时，可不破坏其它部分的真空状态(见图46)。图45给出JEM2010F型透射电子显微镜的外观图，图46给出其镜筒结构剖面图和真空系统配置图。图46（a）JEM2010F透射电镜筒剖面图 （b）真空系统配置4-4主要部件的结构与工作原理一、样品平移与倾斜装置(样品台)透射电子显微镜样品既小又薄。通常需用一种有许多网孔(如200目方孔或圆孔)，外径3mm的样品铜网来支持，如图47所示。样品台的作用是承载样品。并使样品能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。图4-7 样品铜网放大像（a）方孔 （b）圆孔对样品台的要求是非常严格的。首先必须使样品铜网牢固地夹持在样品座中并保持良好的热、电接触，减小因电子照射引起的热或电荷堆积而产生样品的损伤或图像漂移。平移是任何样品台最基本的动作，通常在两个相互垂直方向上样品平移最大值为1mm，以确保样品铜网上大部分区域都能观察到；样品移动机构要有足够的机械精度，无效行程应尽可能小。总而言之，在照相曝光期间样品图像的漂移量应小于相应情况下显微镜像的分辨率。在电镜下分析薄晶体样品的组织结构时。应对它进行三维立体的观察，即不仅要求样品能平移以选择视野，而且必须使样品相对于电子束照射方向作有目的的倾斜，以便从不同方位获得各种形貌和晶体学的信息。新式的电子显微镜常配备精度很高的样品倾斜装置。这里我们重点讨论晶体结构分析中用得最普遍的倾斜装置侧插式倾斜装置。所谓“侧插”就是样品杆从侧面进入物镜极靴中去的意思。倾斜装置由两个部分组成，见图48。主体部分是一个圆柱分度盘，它的水平轴线x-x和镜筒的中心线z垂直相交，水平轴就是样品台的倾斜轴，样品倾斜时，倾斜的度数可直接在分度盘上读出。主体以外部分是样品杆，它的前端可装载铜网夹持样品或直接装载直径为3mm的圆片状薄晶体样品。样品杆沿圆柱分度盘的中间孔插入镜筒，使圆片样品正好位于电子束的照射位置上。分度盘是由带刻度的两段圆柱体组成，其中一段圆柱I的个端面和镜筒固定，另一段圆柱可以绕倾斜轴线旋转。圆柱绕倾斜轴旋转时，样品杆也跟着转动。如果样品上的观察点正好和图中两轴线的交点0重合时，则样品倾斜时观察点不会移到视域外面去。为了使样品上所有点都能有机会和交点O重合，样品杆可以通过机械传动装置在圆柱刻度盘的中间孔内作适当的水平移动和上下调整。图4-8 侧插式样品倾斜装置有的样品杆本身还带有使样品倾斜或原位旋转的装置：这些样品杆和倾斜样品台组合在一起就是侧插式双倾样品台和单倾旋转样品台。目前双倾样品台是最常用的，它可以使样品沿x铀和y轴倾转60。在晶体结构分析中利用样品倾斜和旋转装置可以测定晶体的位向、相变时的惯匀面以及析出相的方位等。二、电子束倾斜与平移装置新式的电子显微镜都带有电磁偏转器利用电磁偏转器可以使入射电子束平移和倾斜。图49 电子束平移和倾斜的原理图(a)平移；(b) 倾斜图49为电子束平移和倾斜的原理图，图中上、下两个偏转线圈是联动的，如果上、下偏转线圈偏转的角度相等但方向相反，电子束会进行平移运动，见图89(a)。如果上偏转线圈使电子束顺时针偏转角，下偏转线圈使电子束逆时针偏转+角，则电子束相对于原来的方向倾斜角，而入射点的位置不变，见图89(b)。利用电子束原位倾斜可以进行所谓中心暗场成像操作。三、消像散器像散：因为电子透镜实际上不可能制作得完全对称，如机械加工不圆，极靴材料不均匀，使得透镜在不同子午面上的焦距有差别，即出现像散。图49所示“十”字形物体的一个臂成像于某平面，而另一臂成像于另一平面。如果透镜不是完全轴对称，水平平面内会聚力强，而垂直平面会聚力弱。一个“十”字形物体，水平线成像于离透镜较近处，垂直线成像于离透镜较远处。图4-9 像散示意图实际电镜中采用“消像散器”来消除物镜和第二聚光镜中的像散。消像散器是一个不对称的磁场，其不对称的程度及方向都可以调节。把消像散器的不对称性程度调到和透镜相同，而方向正好相反，这样消像散器和透镜的像散就互相抵消，也就是把透镜的像散消除掉了。消像散器可以是机械式的，也可以是电磁式的。机械式的是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它们来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场校正成接近旋转对称的磁场。电磁式的是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场的，见图410。图中两组四对电磁体排列在透镜磁场的外围。每对电磁体均采取同极相对的安置方式。通过改变这两组电磁体的激磁强度和磁场的方向，就可以把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场，起到了消除像散的作用。消像散器一股都安装在透镜的上、下极靴之间。图4-10 电磁式消像散器示意图四、光栅在透射电子显微镜中有三种主要光栅，它们是聚光镜光栅、物镜光栅和选区光栅。(一)聚光镜光栅聚光镜光栅的作用是限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，光栅常装在第二聚光镜的下方。光栅孔的直径为20400m。作一般分析观察时，聚光镜的光栅孔直径可用200300m，若作微束分析时，则应采用小孔径光栅。(二)物镜光栅物镜光栅又称为衬度光栅通常它被安放在物镜的后焦面上。常用物镜光栅孔的直径是20120m范围。电子束通过薄膜样品后会产生散射和衍射。散射角(或衍射角)较大的电子被光栅挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光栅孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光栅又叫做衬度光栅的原因。加入物镜光栅使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。物镜光栅的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑点(即副焦点)成像，这就是所谓暗场像。利用明暗场显微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。物镜光栅都用无磁性的金属(铂、钼等)制造由于小光栅孔很容易受到污染，高性能的电镜中常用抗污染光栅或称自洁光栅，它的结构如图411所示。图4-11 抗污染光栅这种光栅常做成四个一组，每个光栅孔的周围开有缝隙，使光栅孔受电子束照射后热量不易散出。由于光栅孔常处于高温状态，污染物就不易沉积上去。四个一组的光栅孔被安装在一个光栅杆的支架上，使用时，通过光栅杆的分挡机构按需要依次插入，使光栅孔中心位于电子束的轴线上(光栅中心和主焦点重合)。(三)选区光栅选区光栅又称场限光栅或视场光栅。为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光栅，使电子束只能通过光栅孔限定的微区。对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光栅孔在技术上还有一定的困难，加之小光栅孔极易污染，因此，选区光栅一般都放在物镜的像平面位置。 这样布置达到的效果与光栅放在样品平面处是完全一样的。但光栅孔的直径就可以做得比较大。如果物镜放大倍数是50倍，则一个直径等于50m的光栅就可以选择样品上直径为1m的区域。选区光栅同样是用无磁性金属材料制成的一般选区光栅孔的直径位于20400m范围之间，和物镜光栅一样它同样可制成大小不同的四孔一组的光栅片，由光栅支架分挡推入镜筒。44 透射电子显微镜分辨本领和放大倍数的测定点分辨本领的测定：将铂、铂铱或铂钯等金属或合金，用真空蒸发的方法可以得到粒度为510、间距为2-10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(如图412所示)。图4-12 点分辨本领的测定（真空蒸镀金颗粒）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(如图413所示)。测定透射电子显微镜晶格分辨本领常用的晶体如表41所列。 表4-1 测定晶格分辨本领常用晶体透射电子显微镜的放大倍数将随样品平面高度、加速电压、透镜电流而变化。为了保持仪器放大倍数的精度，必须定期进行标定最常用的方法是用衍射光栅复型作为标样，在一定条件(加速电压、透镜电流等)下，拍摄标样的放大像。然后从底片上测量光栅条纹像的平均间距，与实际光栅条纹间距之比即为仪器相应条件下的放大倍数(如图414所示)。这样进行标定的精度随底片上条纹数的减少而降低。如果对样品放大倍数的精度要求较高，可以在样品表面上放少量尺寸均匀、并精确已知球径的塑料小球作为内标准测定放大倍数。在高放大倍数如10万倍以上情况下可以采用前面用来测定晶格分辨本领的晶体样品来作标样，拍摄晶格条纹像，测量晶格像条纹间距，计算出条纹间距与实际晶面间距的比值即为相应条件下仪器的放大倍数。图4-13 晶格分辨率测定金（220），（200）晶格像图4-14 1152条/nm衍射光栅复型放大像（a）5700倍；（b）8750倍4-5 电子显微镜的使用 一台电子显微镜有许多参量可供使用者任意选择，参量选得合适，才能获得最佳效果。此外，在仪器使用前最好先检查一下是否有射线穿透到镜体外面商品仪器在设计时必须考虑到使用者的安全，尽管如此，使用者还是要多加注意，一般说，使用的加速电压越高，电子束电流越大，第一聚光镜光阑越大，电镜产生的x线越强。（1）加速电压的选择 在许多商品电子显微镜中。加速电压在40000100000v范围内可一档一档地调节。也有一些简易电子显微镜，其加速电压只有固定的一档，无法调节。加速电压对电镜的性能有以下影响：电压越高，电子穿透能力越强；对于某些生物样品，电压越高，图像反差越小；电压升高，电子枪亮度增加荧光屏亮度也增加；电压升高对提高分辨率有利。因此一般原则是：在特别要求高分辨率及样品比较厚时采用10kv的电压。样品比较薄，要求反差好些，或者该电镜x线泄漏量较大时，选用4000060000v电压比较合适。对一般生物样品来说，60000-80000v是最常用的加速电压。(2)聚光镜光阑和物镜光阑的选择 当样品比较厚，荧光屏上很暗时可选用较大的聚光镜光阑。对极薄的样品可选用小一点的聚光镜光阑。200-300m直径的光阑最为常用。物镜光阑是电子束通路上孔径最小的参量，一般电镜提供20-70m直径的可换物镜光阑，供操作者选用。物镜光阑小，图像反差好，但光阑很容易污染，使像散增加，影响分辨率，同时荧光屏上也较暗。物镜光阑大情况正好相反。(3)放大倍数的选择 现在的商品电镜放大倍数的范围十分宽。从几百倍到几十万倍。为了尽快找到感兴趣的部分，先在几百倍时粗看一下样品的全貌。在早期电镜中可以关掉物镜电流作这一观察，近代电镜中有专门的工作模式作这一观察。把样品中感兴趣的部位移到荧光屏的中心，进一步放大，考虑到电镜底片在放成照片时可以再光学放大210倍，要避免使用过高的放大倍数。选择放大倍数的两个原则： 感兴趣的区域充满整个照相底片。 感兴趣的细节特征十分容易测到。对特别有价值的画面可采用低倍拍全貌，高倍拍特写的办法，作全面的记录。建议一般病毒负染样品使用20000100000的放大倍数。超薄切片观察细胞一般采用3000-30000倍的放大倍数。对特别完整的样品，为了观察全貌，可采用3000倍以下的倍率，这时要注意图像有无畸变，尤其是一些早期生产的电镜，常有明显的畸变。畸变：畸变在低倍时经常发生。图像的中心部分和边缘部分放大倍数不同，如果离轴越远倍数越大则如图415(c)所示，叫枕形畸变。如离轴远倍数小，如图415(B)所示，叫桶形畸变。在磁透镜中，像点物点间的像转角如果也是随物点到轴的距离而改变，则图像发生扭曲,称扭曲畸变，如图415(D)所示。图4-15 畸变示意图目前电镜对消除畸变非常重视，因为在生物医学中经常使用3000倍以下的放大倍数。现在经常采用的方法是使弱透镜的桶形畸变和强透镜的枕形畸变互相抵消。用中间镜电流和投影镜电流反向的办法减少扭曲畸变。 (4)电子显微镜的类型 目前一般称呼的电镜实际上是指透射电镜而言，前面讲的原理及结构，也是指透射电镜。透射电镜是最常用、最典型、图像质量最好的电镜。随着科学技术的不断发展，相应地也出现了其他的几种专门电子显微镜，例如扫描电镜、高压电镜、分析电镜等。4-6样品的制备方法及电镜图象的分析透射电镜研究的样品尺度很小，而且必须对电子束是“透明”的。因此样品制备方法在透射电子显微术中起着非常重要的作用人们最初用电镜只能观察粉末样品和苍蝇翅膀之类的东西超薄切片技术的发展使得生物医学领域广泛应用了电镜表面复型方法的建立使得透射电镜可用于观察大块金属及其他材料的显微组织。这时，电子显微镜比普通光学显微镜提供了更多的结构细节，但是它并没增加新的信息。六十年代以来，出观了金属超薄样品制备技术。发展了薄晶的衍射电子显微术，它不仅能发挥电镜高分辨的特长，而且可以显示出材料结晶学方面的结构信息。还可以配合能谱做微区成分分析以及直接对材料进行动态研究等。总之，可以说透射电镜应用的深度和广度在一定程度上有赖于样品制备技术的发展。图象的理解，与样品的制备方法有直接关系，因此在这里也谈到图象的分析问题。4-6-1对样品的一般要求对于在透射电镜中研究的样品有以下要求：1透射电镜样品置于载样铜网上铜网的直径为23mm，所观察的试样最大尺度不超过1mm。电镜能观察的结构范围由若干微米到几埃。2样品必须薄到电子束可以穿透具体厚度视加速电压大小和样品材料而异，在l00kv加速电压下，一般样品的厚度不能超过一两千埃。3电镜镜筒中处于高真空状态，只能研究固体样品样品中若含有水分、易挥发物质及酸碱等腐蚀性物质，需事先加以处理。4样品需要有足够的强度和稳定性在电子轰击下不致损坏或变化，样品不荷电。 5样品要非常清洁切忌尘埃、棉花毛、金属屑等物沾污样品，以保证图象的质量和真实性。样品的主要制备方法列表如下：4-6-2粉末颗粒样品的制备及重金属投影1支持膜的制备粉末颗粒样品可以直接放在载样铜网的网格上，但为避免样品从网孔中落下，可以在铜网上制备一层支持膜。支持膜要有一定的强度，对电子的透明性能好，并且不显示自身的结构支持膜的种类很多常用的有火棉胶膜、碳膜、碳补强的火棉胶膜等。火棉胶支持膜的制备方法是将一滴火棉胶的醋酸异戊酯溶液(12)滴在蒸馏水表面上，在水面上形成厚度约200一300的薄膜，将膜捞在载样铜网上即可。这种支持膜透明性好，但在电子束轰击下易损坏。碳支持膜是在真空镀膜机中蒸发碳，形成约100厚的膜，最后设法捞在铜网上。碳膜的使用性能较好，但捞膜比较因难。碳补强的火棉胶支持膜是先将很薄的火棉胶支持膜捞在铜网上，然后在火棉胶膜上蒸发一层50一100厚的碳层。这种支持膜制作较方便，性能也比较好，目前使用得最多。以上几种膜在高分辨下观察时仍能显示自身的结构，为了进行高分辨工作，需要制备其他性能更好的支持膜。2样品的分散粉末样品在支持膜上必须有良好的分散性，同时又不过分稀疏，这是制备粉末样品的关健。具体的方法有悬浮液法、喷雾法、超声波振荡分散法等，可依需要选用。图416是碳酸盐的透射电镜照片。制样方法是将样品粉末放在水中分散，选择浓度合适的分散液滴在碳补强的火棉胶支持膜上，在电镜中观察并拍照。图4-16 碳酸盐粉末的透射电镜照片3重金属投影有些样品，尤其是由轻元素组成的有机物、高分子聚合物等样品对电子的散射能力差，在电子图象上形成的衬度很小不易分辨，可以采用重金属投影来提高衬度。投影工作在真空度膜机中进行选用某种重金属材料(如Ag、Cr、Ge、Au或Pt等)作为蒸发源，金属受热后成原子状态蒸发，以一定倾斜角投到样品表面(见图417)，由于样品表面凹凸不平，形成了与表面起伏状况有关的重金属投影层。由于重金属的散射能力强，投影层与未蒸金属部分形成明显的衬度，增加了立体感。图4-17 重金属投影图4-18是经重金属投影的氯化钠微晶颗粒。在颗粒的一侧，存在一个没有蒸上重金属的“影子”，增加了颗粒的立体感。在观察这种图象时，不要把颗粒的影子误认为是颗粒本身的一个“尾巴”。图4-18 NaCl微晶的透射电镜照片4-7 表面复型方法和图象分析大块物体不能直接放到电镜中观察，制备薄膜的方法又有许多局限性，为此常选用适当的材料，制成研究物体表面的复制品。用复制品在电镜中进行观察研究，这就是表面复型方法。这种方法一般（除萃取复型外）只能研究物体表面的形貌特征，不能研究样品内部的结构及成分分布。复型的制作方法很多，目前常用的有以下几种：4-7-1.火棉胶（或其他塑料）一级复型取一滴火棉胶醋酸异戊酯溶液，滴于清洁的欲研究试样表面上，干燥后，用特殊的方法将之剥下置于铜网上，这是一种一级复型法。图4-19是塑料一级复型方法制作过程的示意图。这种复型法复型膜的剥离比较困难。图4-19 塑料一级复型塑料复型膜的上表面基本是平的，与试样接触的那面形成与试样表面起伏相反的浮雕。例如在图419中，A点在试样表面的凹部，在复型膜上对应的A点是在凸起的部位，B点与B点则相反。由此可见，塑料一级复型是负复型(复型与试样表面的浮雕相反)。在电镜中观察的是复型膜，塑料一级复型样品的电镜图象直接反映复型膜中的厚度差，A点的图象较暗，B点的图象较亮。即在图象上看到暗的地方在试样上是凹的部位，而亮的地方是凸的部位。图420是碳网回火马氏体试样塑料一级复型的电镜照片，图中亮的斑点是突出于试样表面的颗粒。这种金相试样的基体比碳比物容易被浸蚀，经浸蚀以后，碳化物突起于试样表面，电镜图象上的颗粒就是回火马氏体中的碳化物颗粒图420碳网回火马氏体，塑料一级复型的电镜照片4-7-2碳膜一级复型用真空度膜机在试样表面蒸上厚度为300左右的碳膜，将碳膜被剥离下来即为碳膜一级复型，图421表示了碳膜一级复型的制做过程。碳膜复型的分辨率较高，但为了剥离复型膜，一般需要损坏原试样。图4-21 碳膜一级复型由于碳粒子有“迁移”特性、所得到的碳膜基本上是等厚度薄膜(如图421(a)所示)，试样表面有凹、有凸，但反映在复型膜的厚度差异上二者是没有区别的，所以这种复型在电镜中得到的图象只反映形貌特征的轮廓，而无法辨别凹凸的差异。图422是镍基高温合金碳膜一级复型的电镜照片，图中有试样中组织的清晰轮廓线，但不能分辨其凹凸关系。为了弥补这一不足，可在碳膜上进行重金属投影(图421(b)。图421(c)是有重金属投影的碳膜一级复型，这种复型可以反映出试样表面的凹凸关系。上述的碳膜一次复型是正复型因为复型膜的浮雕特征与试样是相同的。在电镜中现察时，为了正确理解图象需要首先判断投影的方向，然后观察“影子”的特征，沿着投影方向看过去，如果影子在外形轮廓线的前部，表示试样上该部位是凸起的，如果“影子”在轮廓线后部，表明该部位是凹的。当然，运用有关试样的专业知识并参考其他分析手段获得的结果，更有利于准确理解图象。图4-22 镍基高温合金的碳膜一级复型的电镜照片4-7-3塑料薄膜碳膜二级复型用醋酸纤维素膜(简称AC纸)或火棉胶等塑料制成第一次复型，然后在其与试样接触的表面再制做碳膜复型(蒸发碳层并用重金属投影)，制做过程如图423所示，在电镜中观察的是第二次复制物的碳膜（图4-23（d）所示，这种复型方法称二级复型法。一级复型物不直接用于电镜观察，因此可以做得比较厚，减少了剥离的困难，但其分辨率受塑料复型所限制，不如碳膜一级复型的分辨率高。这种复型法制作比较简便。碳膜在电子轰击下不易破坏，因此目前被广泛采用。图4-23 塑料膜碳膜二级复型（a）在试样表面做塑料复型 （b）对塑料复型用重金属投影（c）在塑料复型上做碳膜复型 （d）二级复型的碳膜1-试样 2-塑料膜 3-重金属投影层 4-碳膜应用各种复型方法所得到的电镜图象都是质量-厚度衬度。分析二级复型图象时，应该注意到二级复型的碳膜是在塑料负复型的基础上做成的，如图4-23所示的过程制作出来的二级复型的图象，具有负复型的特征，即图象的浮雕特征与试样相反。图4-24是聚四氟乙烯块材，在327恒温经5小时，冷冻断裂，断面二次复型的电镜照片。从图中看到了聚四氟乙烯伸直链的结晶形态，可以分析这种材料在不同处理条件下，形态结构与性能的关系。图4-24聚四氟乙烯断面二次复型的电镜照片4-7-4.萃取复型 当试样侵蚀得比较深，或者复型膜的粘着力比较大，在复型膜与试样分离时，试样表层的某些物质随同复型膜一起离开试样基体，得到粘附着试样物质的复型膜，这种复型叫萃取复型。萃取复型兼有间接试样和直接试样的特点试样的表面起伏特征被复印在复型膜上，而萃取下来的物质又是试样本身的组成部分，并且保留了在原试样中的相对位置。在电镜中不仅可以看到试样的表面形貌，还可以显示萃取物质的形态，并且可以对萃取物做电子衍射和成分分析。图426a是碳钢中珠光体组织萃取复型的电镜照片。从图中看到了珠光体组织的表面浮雕特征，图中黑的条状物是从试样上萃取下来的碳化物。图426(b)是该碳化物的选区电子衍射花样。 图4-26（a）碳钢中珠光体组织萃取复型的电镜照片（b）上图中碳化物的选区电子衍射花样 4-7-5 直接薄膜样品可以将欲研究的试样制成电子束能穿透的薄膜样品，直接在电镜中进行观察。薄膜的厚度与试样的材料及电镜的加速电压有关对于100kv的加速电压，电子束可以穿透的铝膜样品的厚度一般为几千埃而铀膜样品只有数百埃一般金属薄膜的厚度是1000一2000有机物或高分子材料的厚度在1um以内。直接薄膜样品的优点能直接观察样品内部的结构能对形貌、结晶学性质及微区成分进行综合分析；还可以对这类样品进行动态研究(如在加热、冷却、拉伸等作用过程中观察其变化)。制备薄膜样品的方法很多使用中应根据样品的性质和研究的要求，选用不同方法。下面列举几种常用的制膜方法：1真空蒸发法在真空蒸发设备中，将被研究材料蒸发后再凝结成薄膜，金属材料及有机物均可能采用此法。拍摄氯代酞氰铜的原子象所用的样品就是用这种方法制备的。2.溶液凝固（或结晶）法选用适当浓度的溶液滴在某平滑表面上，待溶液蒸发后溶质凝固成膜。图4-27是用这种办法得到的聚乙烯晶的电镜照片，从图中可以看到聚乙烯球晶中晶片的放射状结构。图4-27 聚乙烯/二甲苯浓溶液滴在碳膜上得到的聚乙烯球晶的电镜照片3.离子轰击减薄法用离子束将试样逐层剥离，最后得到适于透射电镜观察的薄膜。这种方法对金属及非金属材料都适用，尤其是对高聚物、陶瓷、矿物等不能运用电解抛光减薄法的试样，离子减薄法更显示了它的优越性。但是这种方法需要的设备比较复杂，制作一个样品所用的时间也相当长。4.超薄切片法欲研究试样经过预处理后，用环氧树脂（或有机玻璃等）包埋，然后将包埋块固定在超薄切片机上，用硬质玻璃刀（或金刚石刀）切成电子束可以穿透的薄片。一般情况下，切片的厚度小于500-600，将切片捞在载样铜网上，即可供在电镜中观察使用。超薄切片是等厚度样品，其在电镜中形成的衬度一般很小，因此需要采用“染色”的办法来增加衬度即将某种重金属原子选择性地引入试样的不同部位，利用重金属散射能力大的特点，提高了超薄切片样品图象的衬度。在生物、医学领域中，超薄切片技术在电子显微术中占有重要地位，研究高分子材料及催化剂等样品时，也经常采用超薄切片法。图4-28是聚乙烯超薄切片的电镜照片聚乙烯材料在127恒温结晶，电镜样品用氯磺酸和醋酸铀进行染色。从图中可以清晰地看到聚乙烯的片晶结构，可以从图上分别测出晶区及非晶区的宽度。图4-28 聚乙烯超薄切片样品的电镜照片5.金属薄膜样品的制备方法工程上所用的金属材料一般是大块的，为了用透射电镜研究这种材料，需要采用适当的方法，制成电子束能穿透的薄膜样品。在制作过程中必须保持材料本身的结构特征，尤其在制膜的最后阶段，应该尽量减少对材料结构的机械损伤及热损伤。制备金属薄膜的一般过程如下：从大块试样上切割厚度为0.5mm左右的薄块。用机械研磨或化学抛光等方法，将薄块减薄成为0.1mm左右的薄片。用电解抛光减薄法或者离子减薄法、制成厚度小于5000 的薄膜，这时薄膜的厚度不可能是均匀的。在电镜中可从样品上选择对电子束透明的区域进行观察。电解抛光的设备简单，操作方便，目前应用比较广泛。金属薄膜样品的电子显微图象是衍射图象，应该用衍射理论来解释图象。图4-29是18-8不锈钢薄膜样品的电子显微衍射象，从图中看到了该试样中的位错和堆垛层错的特征。4-29 18-8不锈钢中的位错和堆垛层错以上介绍的是透射电子显微束各种常用的制样方法。应该指出，电镜的图象与制样方法有密切关系，因此，分析电镜图象时，必需考虑样品的制做过程。下面观察一实例，图4-30中四张图都是不锈钢珠光体组织的电镜照片，采用四种不同的方法制样，（a）图是用塑料一级复型法；（b）图是二级复型法；（c）图是用萃取复型法；（d）是用金属薄膜法。可以看出四种方法得到的显微图象虽有共同点，但又各不相同。用复型法得到的图象是通过试样表面的浮雕反映了材料的组织结构特征萃取复型上有一部分是原试样本身的组成部分，而薄膜样品是直接观察分析试样材料。各种图象的成象原理也不相同（a）及（b）是质量-厚度衬度（c）图基本上也是质量-厚度衬度(d)图是衍射衬度。各图都表现出珠光体组织是大致平行排列的层片状渗碳体和铁素体两相相间的结构但在分析图象时，应考虑到各种制样方法的特点，比如珠光体组织中渗碳层片在（a）图中是亮的条带在(b)图中是凹的条带在（c）图中既有层片的复型，又有一部分渗碳体层片，在(d)因中渗碳体层片是暗的条带。(d)图是衍射图象，因此图中还可以看到铁素体中的位错条纹。这一点是各种复型图象所不及的。图 4-30 不锈钢中珠光体组织的各种电子显微图象（a）用塑料一级复型样品的电镜照片（b）用二级复型样品的电镜照片（c）用萃取复型样品的电镜照片（d）金属薄膜样品的电镜照片4-8应用介绍4-8-1应用综述透射电子显