第5篇19电镜(透射电镜和扫描电镜).ppt

电镜 透射电镜和扫描电镜 在聚合物研究中的应用 光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了重要的工具 随着科学技术的发展 光学显微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分析的需求 上世纪30年代后 电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级 同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察 晶体结构 成分分析等于一体 人类认识微观世界的能力从此有了长足的发展 前言 1933年Ruska第一台TEM 1986NobelPrize 1939年第一台商品透射电子显微镜 TEM 高压 TEM W LaB6阴极 加速电压200KV 300KV 400KV 高分辨型 TEM 晶格分辨率0 14nm 超高压 TEM 加速电压3000kV晶格分辨率0 05nm 分析型 TEM 晶格分辨率0 204nm配EDS EELS 拉伸 加热 冷冻 倾斜台 电子与物质的作用 散射 弹性散射 非弹性散射 入射电子 二次电子 背散射电子 俄歇电子 试样 吸收电子 特征X射线 荧光 感应电导 透射电子 TEM 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源 用电磁透镜来聚焦成像 因此有很高的放大倍数 106倍 高分辨率 0 1nm 透射电镜 TEM 电子光学系统 核心 电源与控制系统真空系统 照明系统成像系统观察与记录系统 透射电镜 透射电镜的构造及成象 电子枪发射电子束经聚光镜聚焦照射样品电子束穿过样品经物镜放大成像在物镜的背焦面上形成衍射花样在物镜的像平面上形成显微图像图像被中间镜和投影镜逐步放大在荧光屏或感光底片上成像 物镜 M0 用来获得被检物的一次放大像和衍射谱 它决定显微镜的分辨率 是电镜的心脏 中间镜 Mi 是个可变倍率的弱透镜 它的作用是把物镜形成一次中间像或衍射谱射到投影镜的物面上 投影镜 Mp 把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上 一般具有2 3个聚光镜和4 6个物镜加投影镜 电镜的总放大倍数等于成像系统各透镜放大倍数的乘积 即 M 0 Mi Mp 成像方式 TEM有两种基本成像模式 衍射成像 晶体结构同位分析显微成像 微观组织形貌观察 1 显微成像高放大倍数成像 中间镜以物镜像为物 投影镜又以中间镜像为物 成像于荧光屏 结果可以获得几万至几十万放大倍数电子像 2 衍射成像 晶体样品通过物镜在后焦面上形成衍射像 调节中间镜焦距 使其物平面与物镜后焦面重合 可以最终在荧光屏上形成二次放大的衍射图像 有意义的衍射像必须明确它是来自样品那个区域的衍射波 这就是选区衍射 镜筒内为什么保持高真空状态 防止高速电子受空气分子碰撞而改变运动轨迹 避免因空气分子电离而引起放电而破坏了电子枪电极间的绝缘 避免阴极氧化及样品污染 为什么使用电磁透镜使用静电透镜 用电场聚焦 需要高压 给设备的设计和操作带来不便 故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使用 而聚光镜 物镜 中间镜和投影镜则都采用电磁透镜 用磁场聚焦 可以通过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力 而且光学显微镜的玻璃透镜没有聚焦成像的能力 不能用于电子显微镜 TEM和光学透射显微镜的异同 相同点 1 光学成像原理相同 2 都能用于形貌分析 不同点 1 光源不同 2 聚焦透镜不同 3 TEM中有中间镜 4 TEM镜筒中要保持高真空 5 放大倍数及分辨率不同 6 景深焦长不同 JEM 3010高分辨透射电镜 分辨率 点分辨率 电镜能够分辨的两点间最小距离 0 23 0 25nm线分辨率 电镜能够分辨的两线间最小距离 0 104 0 14nm电子枪所发射的电子束的波长越短 分辨率越高 加速电压越高 波长越短 因此提高加速电压可提高分辨率 加速电压 一般指透射电镜能够达到的最高加速电压 普通透射电镜最高可达100 200kV 现已有300kV以上的商品高压 超高压 电镜 加速电压高 电子束对样品的穿透能力强 可以观察较厚的样品 同时有利于电镜的分辨率 放大倍数 几十到几十万 106 倍 连续可调 透射电镜的主要性能指标 透射电镜的主要性能指标 衬度指透射电镜图像中亮和暗的差别 类似于黑白照片的反差 衬度是一幅图像能否被清晰观察的前提 高分子电镜图像的衬度主要是吸收衬度 取决于样品各处参与成像的电子数目的差别 电子数越多 散射越厉害 透射电子越少 图像就越暗 还与下面因素有关 a样品越厚 图像越暗b原子序数越大 图像越暗c密度越大 图像越暗其中 密度的影响最重要 因为高分子的组成中原子序数差别不大 所以样品排列紧密程度的差别是其反差的注意来源 扫描电镜 SEM 最大特点是焦深大 图像富有立体感 特别适合于表面形貌的研究 放大倍数范围广 从十几倍到2万倍 几乎覆盖了光学显微镜和TEM的范围 制样简单 样品的电子损伤小 所以SEM成为高分子材料常用的重要剖析手段 扫描电镜 SEM 入射电子 二次电子 背散射电子 俄歇电子 试样 吸收电子 特征X射线 荧光 感应电导 透射电子 SEM 1942年Zworykin Hiller Suyder第一台SEM1965年商品扫描电子显微镜 SEM 普通扫描电镜 W阴极 分辨率3nm可配备EDS WDS 拉伸 加热 冷冻台 背散射电子探头 场发射电子枪扫描电镜分辨率0 4nm 环境扫描电镜可变真空度1Pa 300Pa 低压扫描电镜1 100eV低能扫描电镜 SEM 扫描电子显微镜的结构和工作原理 由电子枪发射出来的电子束 在加速电压作用下 经过二至三个聚光镜汇聚 再经物镜聚集成一个细的电子束聚焦在样品表面 在聚光镜与物镜之间装有扫描线圈 在它的作用下使电子束在样品表面扫描 引起二次电子 背散射电子发射 这些信号被探测器接收 经放大后送到显像管的栅极上 调制显像管的亮度 由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应 也就是说 电子束打到样品上一点时 在显像管荧光屏上就出现一个亮点 扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法 把样品表面不同的特征 按顺序 成比例地转换为视频传号 完成一帧图像 从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像 扫描电镜与透射电镜的主要区别 1 扫描电镜电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜 而没有透射电镜里起成像放大作用的物镜 中间镜和投影镜 这些电磁透镜所起的作用在扫描电镜中是用信号接受处理显示系统来完成的 2 扫描电镜的成像过程与透射电镜的成像原理是完全不同的 透射电镜是利用电磁透镜成像 并一次成像 扫描电镜的成像不需要成像透镜 它类似于电视显像过程 其图像按一定时间空间顺序逐点形成 并在镜体外显像管上显示 扫描电子显微镜的主要性能 分辨率分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标 对微区成分分析而言 它是指能分析的最小区域 对成像而言 它是指能分辨两点之间的最小距离 这两者主要取决于入射电子束直径 电子束直径愈小 分辨率愈高 但分辨率并不直接等于电子束直径 因为入射电子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射束的直径 放大倍数放大倍数与屏幕分辨率有关 放大倍数 屏幕分辨率 电子束直径衬度主要是指表面形貌衬度 表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸 表面地理 决定的 焦深焦深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围 这个范围用一段距离来表示 焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦 SEM电镜样品的制样技术 制样简单 对于导电性材料 可用导电胶粘贴在铜或铝的样品座上 但大多数聚合物样品为绝缘体 因此需在观察前于真空中喷镀金属膜 以增强图像的立体感 对于高分子样品可用较低的加速电压 1 5kV 并尽可能在低频观察 以减少电荷积累 对于可溶性高分子材料 在样品量很少时 TEM电镜样品的制样技术 对于不能溶解的块状材料时 电镜在聚合物研究中的应用 观察聚合物的聚集态结构 研究聚合物的多相共混体系 在聚合物纳米复合材料研究中的应用 尼龙6甘油 聚乙烯全氯乙烯 从稀溶液中缓慢结晶 单晶 晶态结构 单晶 电镜在聚合物结晶模型确定中的一个重要贡献 纤维晶 发现于天然聚合物中合成聚合物经高倍拉伸亦可得到 伸直链晶 高压下生成 Prime1969 聚乙烯5000atm 串晶 溶液在搅拌下结晶 球晶 i PS 球晶 i PS 全同聚苯乙烯球晶的电子显微镜照片 球晶的偏光显微镜照片 观察非晶聚合物的形态 电镜在聚合物研究中的应用 观察聚合物的聚集态结构 研究聚合物的多相共混体系 在聚合物纳米复合材料研究中的应用 研究聚合物的多相共混体系 研究聚合物共混体系中的相行为与分散 研究聚合物共混体系中的断裂机理 研究聚合物共混体系中的相行为与分散 SEMimagesforPHBV PBATblends a 100 0 b 95 5 c 90 10 and d 80 20 100 0 95 5 a b 1 m 研究聚合物共混体系中的相行为与分散 SEMimagesforPHBV PBATblends a 100 0 b 95 5 c 90 10 and d 80 20 c d 4 m 90 10 3 m 80 20 SEMimagesoffracturesurfacesofPLLA PESblends Fracturebehaviorfrombrittle 易碎的 toductile 易延展的 15 143 5 PLLA 60 40 PES 碳纳米管 碳纳米管是一种具有特殊结构 径向尺寸为纳米量级 轴向尺寸为微米量级 两端基本上都封口 的一维量子材料 它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管 层与层之间保持固定的距离 约为0 34nm 直径一般为2 2Onm 纳米尺寸的微结构超高的力学性能特殊的电学性质热稳定性 Single wallnanotubes lef