非常有用的固体物理实验方法课第4章_透射电子显微镜

1、第4章透射电子显微镜同学们好！今天我们学习的内容是第4章透射电子显微镜，（transmission electron microscopy）简称 TEM。下图就是我们今天要介绍的仪器。 那么透射电子显微镜在什么情况下产生的？又有什么功能和作用呢？下面我们就简单介绍一下它的历史背景和其功能和作用。在光学显微镜下有的细微结构也无法看清，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska等发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长

2、越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.10.2nm，放大倍数为几万百万倍，适于观察超微结构。透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50100nm。所以用透射电子显微镜观察时的

3、样品需要处理得很薄。那么我们总结以上内容可以给透射电子显微镜下一个简单的定义：用透过样品的电子束使其成像的电子显微镜。在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。 那么本章主要分为5个部分组成。4.1 电子光学基础4.2 电子与固体物质的相互作用4.3 透射电子显微镜4.4 电子衍射4.5 透射电子显微分析样品制备下面我们就来讲第一节，4.1 电子光学基础。本节内容有三部分组成4.1.1 电子波与电磁透镜4.1.2 电磁透镜的分辨率4.1.3 电磁透镜的景深和焦长那么我们再回顾一下以前所学

4、的内容。由于光的衍射，使得由物平面内的点s1、s2在象平面形成圆斑（Airy斑）。若s1、s2靠的太近，过分重叠，图像就模糊不清。1. 光学显微镜的分辨率 最小分辨距离计算公式： 最小分辨距离波长透镜周围的折射率透镜对物点张角的一半，称为数值孔径，用 N.A 表示。2. 电子波的波长特性比可见光波长更短的有：1）紫外线 会被物体强烈的吸收；2）X 射线 无法使其会聚 ；3）电子波 根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波 h Plank 常数 ， m 电子速度显然，U 越大，越小，电子的速度与其加速电压有关。即 所以 ，其中则埃 即若被150伏的电压加速的电子，波长为

5、1 埃。若加速电压很高，就应进行相对论修正。 若电子速度较低，则其质量和静止质量相近，即m m0则 若加速电压很高，使电子具有极高速度，则经过相对论修正，有加速电压/kV电子波波长/nm加速电压/ kV电子波波长/nm加速电压/ kV电子波波长/nm10.0338200.008591000.0037020.0274300.006982000.0025130.0224400.006015000.0014240.0194500.0053610000.0008750.0713600.00487100.0122800.00418讨论：1. 提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率。2. 加速电压越高

6、，对试样的穿透能力越大，可放宽对样品的减薄要求。3. 如用更厚样品，更接近样品实际情况。4. 电子波长与可见光相比，相差量级。3. 电磁透镜能使电子束聚焦的装置称为电磁透镜。电磁透镜分为静电透镜和磁透镜，磁透镜又分为恒磁透镜和电磁透镜。电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散。由静电场制成的透镜 静电透镜。由磁场制成的透镜 磁透镜。磁透镜和静电透镜相比有如下的优点：静电透镜1. 需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；2. 静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；3. 象差较大。磁透镜1. 改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率；2. 无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到

7、100伏；3. 象差小。1）磁透镜使电子会聚的原理电子在磁场中要受到磁场作用力：即2）电磁透镜的结构 电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种轴对称的分布磁场。带有软磁铁壳的磁透镜 导线外围的磁力线都在铁壳中通过，由于在铁壳内侧开一环状狭缝，从而可以减小磁场的广延度，使大量磁力线集中在狭缝附近的狭小区域，增强磁场强度。其磁场的等磁位面的形状类似于光学透镜的形状。 带有极靴的磁透镜 为了进一步缩小磁场的轴向宽度，在环状间隙两边加上一对顶端呈圆锥状的极靴，其目的就是将电磁线圈的磁场在轴向的广延度降低，可达到3mm范围。3）电磁透镜的光学性质 电磁透镜物距、像距和焦距三者间的关系与光学玻璃透镜相

8、似，满足放大倍数，u - 物距；v - 像距；f - 焦距电磁透镜的焦距 与透镜结构有关的比例常数；透镜半径； 电子加速电压。 电磁透镜具有磁转角, 因为电子束在电子透镜磁场中的运动是圆锥螺旋近轴运动。4.1.2 电磁透镜的分辨率已知光学衍射确定的分辩率为: 但实际电镜的分辨率远远达不到上述指标，因为电磁透镜存在着像差。像差分为几何像差和色差，几何像差又分为象散和球差。1. 球差（球面像差）电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为的漫散圆斑。2. 像散像散由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。这种非旋转对称磁场会使它在

9、不同方向上的聚焦能力出现差别,结果使成像物点P通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，形成一个最小散焦斑，这个最小散焦斑半径的大小可以表示成: 最小散焦斑在原物平面的折算半径值可表示成: 其中是由于象散而引起的焦距差。透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各向磁导率差异引起（由制造精度引起）。像散可通过引入一个强度和方向都可以调节的矫正电磁消像散器来矫正。 3. 色差色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。最小的散焦斑。同样将折算到物平面上，得到半径为的圆斑。色差由下式来确定:，色差系数；电子束能量变化率，取决

10、于加速电压的稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度。引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量变化。已知衍射效应对分辨率的影响: 很小通常 像差对分辨的影响， 球差: 像散:用消像散器 色差:稳定电源4.1.3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深是指当成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。 一般 =rad 焦长焦长是指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。当物点位于处时，电子通过透镜在处会聚。让像平面位

11、于处，此时像平面上是一像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上逐渐由像点变成一个散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于（折算到物平面上的尺寸不大于），像平面上将是一幅清晰的像。此时像平面沿轴线前后可移动的距离为:由图中几何关系得: 4.2 电子与固体物质的相互作用电子束与物质相互作用，可以产生背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子、透射电子、白色X射线、特征X射线、X荧光等。1. 背散射电子（back scattering electrons, BE）电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90，重新从试样表面逸出，称为背散射电子。特点: 1）能量高，大于50eV； 2

12、）分辨率较低； 3）产生与Z有关，与形貌有关。2. 二次电子（secondary electrons, SE）入射电子在试样内产生二次电子,所产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。特点: 1）能量低，为23eV。2）仅在试样表面 层内产生。3）对试样表面状态敏感，显示表面微区的形貌有效。 4）分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。 5）与形貌密切相关，图象的景深大、立体感强，常用于观察形貌。3. 吸收电子（absorption electrons, AE）入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被

13、试样吸收，这种电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。4. 俄歇电子（Auger electrons, AuE）如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子仅在表面1nm层内产生，适用于表面分析。5. 透射电子（transmisive electrons, TE) 当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。如果试样很薄，只有1020nm的厚度，透射电子的主要组成部

14、分是弹性散射电子，成像比较清晰，电子衍射斑点也比较明锐。6. 阴极荧光阴极荧光是指某些材料（半导体、磷光体和一些绝缘体）在高能电子束照射下发射出的可见光（或红外、紫外光）， 也叫阴极发光现象。7. X射线X射线（包括特征X射线、连续辐射和X光荧光）信号产生的深度和广度范围较大。荧光X射线是特征X射线及连续辐射激发的次级特征辐射。X射线在固体中具有强的穿透能力，无论是特征X射线还是连续辐射都能在试样内达到较大的范围。4.3 透射电子显微镜4.3.1 透射电子显微镜的结构与成像原理 4.3.2 主要部件的结构与工作原理 4.3.3 透射电镜的主要性能参数及测定 4.3.1 透射电子显微镜的结构与成

15、像原理下图是透射电镜的外观照片。通常透射电镜由电子光学系统、真空系统、供电控制系统组成，其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。 电子光学系统照明系统 （1）组成:由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。（1）作用:提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在范围内倾斜。电子枪电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并会聚成交叉点。 目前电子显微镜使用的电子源有两类: 热电子源加热时产生电子，W丝， 场发射源在强电场作用下产生电子，场发射电镜 热阴极电子源电子枪的结构如图所示，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存

16、在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间会聚为尺寸为的交叉点，通常为几十。 栅极的作用：限制和稳定电流。 从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步会聚成近似平行的照明束，这个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。聚光镜聚光镜的作用是会聚电子枪发射出的电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般采用双聚光镜系统。 （1）为了调整束斑大小，在聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可获得几的电子束斑；（2）为了减小像散，在下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的；（3）电子枪还可以倾斜，以实现中心磁场成像。成像系统由物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜（1、2）和

17、投影镜组成 1. 物镜 （1）用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。（2）物镜通常为强励磁、短焦透镜（f = 13mm）,放大倍数100300倍，目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm。 （3）物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度，极靴间距越小，分辨率就越高。（4） 为进一步减小物镜球差，在物镜后焦面上安放物镜光阑。2. 物镜光阑 装在物镜背焦面，直径，无磁金属制成（Pt、Mo等)作用:（1）提高像衬度（2）减小孔径角，从而减小像差（3）进行暗场成像3. 选区光阑装在物镜像平面上，直径。作用:对样品进行微区衍射分析。 4

18、. 投影镜 短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜孔径角很小。 小孔径角有两个特点：景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图象清晰度；焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。 注意:目前，一般电镜装有附加投影镜，用以自动校正磁转角。 成像系统的两个基本操作： （1）衍射操作模式 （2）成像操作模式 5. 中间镜 中间镜是一个弱励磁、长焦距、变倍率透镜，放大倍数可调节020倍 作用:（1）控制电镜总放大倍数（2）成像/衍射模式选择观察记录系统观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿光的荧光物质，有利于高

19、放大倍数、低亮度图像的聚集和观察。照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的照相暗盒。胶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，为红色盲片，曝光时间很短，一般只需几秒钟。 新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。 现代电镜已开始装有电子数码照相装置。真空系统 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，一般真空度为毫米汞柱（约为帕斯卡）。供电控制系统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

20、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。4.3.2 主要部件的结构与工作原理样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。透射电镜的样品是放置在物镜的上下极靴之间，由于这里的空间很小，所以透射电镜的样品也很小，通常是直径3mm的薄片。消像散器消像散器可以是机械式的，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

21、斥来校正椭圆形磁场的。 光阑在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，它们的作用主要是挡掉发散的电子，保证电子束的相干性和照射区域。其中三种主要的可动光阑是第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。光阑都用无磁性的金属（铂、钼等）制造。 第二聚光镜光阑四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上，使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入，使光阑孔中心位于电子束的轴线上（光阑中心和主焦点重合）。聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。光阑孔的直径为作一般分析观察时，聚光镜的光阑孔径可用，若作微束分析时，则应采用小孔径光阑。 物镜光阑物镜光阑又称为衬度光阑，

22、通常它被放在物镜的后焦面上。常用物镜光阑孔的直径是范围。电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角(或衍射角)较大的电子被光阑挡住，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。光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原因。加入物镜光阑使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。物镜光阑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。选区光阑选区光阑又称场限光阑或视场光阑。为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光阑，使电子束

23、只能通过光阑限定的微区。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。制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是50倍，则一个直径等于的光阑就可以选择样品上直径为的区域。选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑孔的直径位于范围之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。总结1. 电磁透镜的分辨率受两个因素控制：衍射效应和像差（主要是球差）。孔径半角对两个

24、因素的影响作用相反。2. 电镜的像差为:球差、像散、色差。其中球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著；像散可以消除；色差的影响是电压波动和样品厚度不均导致。3. 正是由于很小，电子显微镜的景深和焦长都很大。4. 透射电子显微镜主要组成部分是照明系统、成像系统和观察记录系统。5. 成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可以实现两种成像操作:一种是将物镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。6. 样品台是透射电子显微镜的重要附件之一，它可以实现样品的平移、倾斜和转动操作从而便于样品的观察分析；高温台、低温台和拉伸台等可以

25、进一步扩大透射电子显微镜的功能。7. 光阑在透射电子显微镜的光路中是用来限制电子束的发散角。8. 三个可动光阑:第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑的位置和作用是各不相同的。4.3.3 透射电镜的主要性能参数及测定 主要性能参数分辨率；放大倍数；加速电压 1. 分辨率及其测定 点分辨率 透射电镜刚能分清的两个独立颗粒的间隙或中心距离。测定方法：Pt或贵金属蒸发法。 如图所示。 将Pt或贵金属真空加热蒸发到支持膜（火棉胶、碳膜）上，可得到粒径0.51nm、间距0.21nm的粒子。高倍下拍摄粒子像，再光学放大5倍，从照片上找粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应的点分辨率。 晶格分辨率 当电子束射

26、入样品后，通过样品的透射束和衍射束间存在位相差。由于透射和衍射束间的位相不同，它们间通过动力学干涉在相平面上形成能反映晶面间距大小和晶面方向的条纹像，即晶格条纹像。晶格分辨率与点分辨率是不同的，点分辨率就是实际分辨率，晶格分辨率的晶格条纹像是因位相差引起的干涉条纹，实际是晶面间距的比例图像。 测定方法：利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜做标样，拍摄晶格像。测定晶格分辨率常用的晶体见下表。根据仪器分辨率的高低选择晶面间距不同的样品做标样。 晶体衍射晶面晶面间距铜酞青铂酞青氯铂酸钾金钯(001)(001)(001)(100)(200)(220)(111)(200)(400)12.611.944.1

27、36.992.041.442.241.940.972. 放大倍数透射电镜的放大倍数随样品平面高度、加速电压、透镜电流而变化。TEM在使用过程中，各元件的电磁参数会发生少量变化，从而影响放大倍数的精度。因此，必须定期标定。标定方法:用衍射光栅复型为标样，在一定条件下（加速电压、透镜电流），拍摄标样的放大像，然后从底片上测量光栅条纹像间距，并与实际光栅条纹间距相比即为该条件下的放大倍数。例如，衍射光栅2000条/mm，条纹间距0.0005mm。利用光栅复型上喷镀碳微粒法。碳微粒间距较光栅微粒间距小，用光栅间距标定碳粒间距，就可以扩大标定范围，适用于5000-50000倍的情况。 晶格条纹像法：利用

28、测定晶格分辨率的样品为标样，拍摄条纹像，测量条纹像间距，再计算条纹像间距与实际晶面间距的比值，即为放大倍数。适用于高倍，如10万倍以上的情况。 4.4 电子衍射电子衍射-历史1927年，C.J.戴维孙和L.H.革末在观察镍单晶表面对能量为100电子伏的电子束进行散射时,发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，G.P.汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时,也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了L.V.德布罗意提出的电子具有波动性的设想，构成了量子力学的实验基础。 电子衍射-装置最简单的电子衍射装置。从阴极K发出的电子被加速后经过阳极A

29、的光阑孔和透镜L到达试样S上，被试样衍射后在荧光屏或照相底板P上形成电子衍射图样。由于物质（包括空气）对电子的吸收很强，故上述各部分均置于真空中。电子的加速电压一般为数万伏至十万伏左右，称高能电子衍射。为了研究表面结构，电子加速电压也可低达数千甚至数十伏，这种装置称低能电子衍射装置。 电子衍射-应用电子衍射和X射线衍射一样，可以用来作物相鉴定、测定晶体取向和原子位置。由于电子衍射强度远强于X射线，电子又极易为物体所吸收，因而电子衍射适合于研究薄膜、大块物体的表面以及小颗粒的单晶。此外，在研究由原子序数相差悬殊的原子构成的晶体时，电子衍射较X射线衍射更优越些。会聚束电子衍射的特点是可以用来测定晶体的空间群（见晶体的对称性）。电子衍射作用远比X射线与物质的交互作用强烈，因而在金属和合金的微观分析中特别适用于对含少量原子的样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。4.5 透射电子显微镜样品制备要想得到好的TEM结果，首