第九章 透射电镜1

透射电镜原理概述
高能电子束（50-200keV）穿透样品， 高能电子束（50-200keV）穿透样品，根 keV 据样品不同位置的电子透过强度不同 电子透过强度不同或 据样品不同位置的电子透过强度不同或 电子透过晶体样品的衍射方向不同， 电子透过晶体样品的衍射方向不同，经 过后面的电磁透镜的放大成像。 电磁透镜的放大成像 过后面的电磁透镜的放大成像。 透射电镜在加速电压U=100keV下 透射电镜在加速电压U=100keV下，电子 U=100keV 的波长为3.7pm。 3.7pm 的波长为3.7pm。 要求测试的样品厚度极薄（几十纳米）， 要求测试的样品厚度极薄（几十纳米）， 以便使电子束透过样品。 以便使电子束透过样品。
德布罗意假设运动的微观粒子与光类似。 德布罗意假设运动的微观粒子与光类似。
h λ= mv
λ=
1 mv 2 = eU 2
h h 1.226 ≈ = 2emU 2em0U U
20 30 50 100 200 500 1000 加速电压/kV 加速电压 电子波长/10 电子波长 -3nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687
当加速电压为100kV时，电子束的波长约 时 当加速电压为 为可见光波长的十万分之一。 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。 作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。
但随之出现的新问题是：光学显微镜中起放大作用 的一般透镜显然不能会聚电子束
3.电磁透镜－ 3.电磁透镜－替代光学凸透镜的装置 电磁透镜
用磁场使电子束聚焦成像的装置。 用磁场使电子束聚焦成像的装置。 激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦 电磁透镜是一种变焦距的凸透镜。 距。电磁透镜是一种变焦距的凸透镜。 电磁透镜成像时，物距 像距L 电磁透镜成像时，物距L1、像距 2和焦 三者之间满足如下关系： 距f三者之间满足如下关系： 三者之间满足如下关系
光学显微镜与透射电镜的比较
比较部分 光源 照明控制 样本 放大成像系统 介质 聚焦方法 分辨本领 有效放大倍数 物镜孔径角 景深 焦长 像的观察 像的记录 光学显微镜 可见光(日光、电灯光 可见光 日光、电灯光) 日光 玻璃聚光镜 1mm厚的载玻片 厚的载玻片 玻璃透镜 空气和玻璃 移动透镜 200nm 103× 约700 较小 较短 直接用眼 照相底板 透射电镜 电子源(电子枪 电子源 电子枪) 电子枪 电子聚光镜 约10nm厚的薄膜 厚的薄膜 电子透镜 高度真空 改变线圈电流或电压 0.2~0.3nm 106× ＜ 10 较大 较长 利用荧光屏 照相底板
4.电磁透镜分辨本领的影响因素 4.电磁透镜分辨本领的影响因素 与光学显微镜相类，像点圆斑的半径影响分辩率
0.61λ Rd = M n ⋅ sin α
rd = Rd / M
（1）衍射效应： ）衍射效应：
埃利圆斑半径公式
分辨率： 分辨率：
α：孔径半角 ：
）、球差 （2）、球差 ）、
球差是由于电磁透 镜的中心区域和边缘区 域对电子的折射能力不 同而造成的。 同而造成的。 原来的物点是一个几何 点，由于球差的影响现 在变成了漫散射圆斑 圆斑. 在变成了漫散射圆斑.
透射电镜的成像原理与 光学显微镜非常相似。 光学显微镜非常相似。 透射电子显微镜是以波 长很短的电子束 电子束做照明 长很短的电子束做照明 电磁透镜聚焦成 源，用电磁透镜聚焦成 像的一种具有高分辨本 领，高放大倍数的电子 光学仪器。 光学仪器。
一、透射电镜原理概述 1.光学显微镜与分辨 1.光学显微镜与分辨 光学成像 率
rd = Rd / M
0.61λ 0.61λ rd = = n ⋅ sin α N.A
分辨本领主要取决于照明束波长λ, 分辨本领主要取决于照明束波长λ,光的波长限制 λ, 了显微镜的分辨本领
光的波长限制了显微镜的分辨本领，那么，能不 能改变显微镜的成像媒介，采用波长更短的成像 媒介呢？ 1924 年，法国物理学家德布罗意发表了运动粒子 具有波动性的理论。进一步实验发现电子束具有 波动的性质，而且波长极短。 电子波长还与其能量具有确定关系，即能量越大， 波长越短。 于是，科学家们在此基础上提出了大胆的设想： 用电子束代替光束制造显微镜。 。
注意,这个赞词中回避了“发明”电子显微镜这个字眼,这不是一时马 虎,而是深思熟虑的结果。因为西门子公司的M.Rüdenberg 已在1931 年5 月28 日向德、法、美等国的专利局提出用磁透镜或静电透镜制 造电子显微镜的专利申请(这是第一次出现电子显微镜这个名词) 从专利优先角度来看,Rüdenberg 应是电镜的发明人。
透射电镜的分辨率高达0.2nm－0.3nm左右，电子显微镜的发明开辟了 直接观察原子的途径,为微观领域的研究开辟了途径与证明。 纳米科学： 饭岛在ASU 曾从事过碳黑石墨化的电镜观察,发表过一些论文。当 Kroto 等获诺贝尔物理奖的C60 球烯分子论文于1985 年发表后,饭岛 在1987 年写了一篇题为“C60 团簇曾被观察过!”的论文,说他在六年 前(1980 年) 在J . Crystal Growth 发表的论文中的图5a 就显示球 状的同心(0001)石墨层,形状如洋葱,最内层的直径为0.8 - 1 纳米, 与Kroto等的C60 球烯分子相当。 这篇论文没有引起多大反响,因为看见事物并不等于认识事物。 但是,另一方面饭岛在几年后(1991) 在Nature 上发表的纳米碳管的 论文却在全世界范围内引起了很大的关注,他不但在电镜中观察到直 径为1 纳米的管子,并给出合理解释。在这之后,Nature 连续发表了 饭岛的六篇有关纳米碳管的论文。 单根纳米碳管可以用来做纳米电子器件的电极,其重要意义是显而易 见的。如无高分辨电镜,纳米碳管即使存在,也不会被人发现。无论从 学术还是从应用角度来看,这可能是高分辨电镜的一桩最有意义的研 究成果!
电磁透镜的分辨本领
由球差和衍射效应的线性叠加来决定。 由球差和衍射效应的线性叠加来决定。
λ r0 = rS + rd = C Sα + 0.61 α
3
可以发现孔径半角α对衍射效应的分辨率和球 可以发现孔径半角 对衍射效应的分辨率和球 差造成的分辨率的影响是相反的。 差造成的分辨率的影响是相反的。 一般情况下，球差效应大于衍射效应。所以， 一般情况下，球差效应大于衍射效应。所以， 为提高分辨率， 为提高分辨率，透射电镜为小孔径成像 则可获得最佳孔径半角为 最佳孔径半角为： 让rS=rd，则可获得最佳孔径半角为：
电子束： 电子束：德布罗意假设运动的微观粒子与光类似 利用电子束作为照明源，分辨率如何呢？ 。利用电子束作为照明源，分辨率如何呢？
0.61λ 0.61λ rd = = n ⋅ sin α N.A
为什么电子透镜具有如此高的放大倍数呢？ 为什么电子透镜具有如此高的放大倍数呢？
2.电子束的波长与其理论分辨率： 电子束的波长与其理论分辨率：
电子显微镜的发明开辟了直接观察原子的途径,早在几十 年前就应得诺贝尔奖,由于有上述瓜葛,直到五十年后,所 有其它有争议的人都已过世,才颁发给理应得此殊荣而又 硕果仅存在的Ruska。Ruska 得奖后两年也就逝世了,幸亏 他长寿,不然也就与诺贝尔奖失之交臂了。 但是,Ruska 一直不以电镜发明人自居, 而只是说自己是 “Urheber”(引路人) 。在他获得诺贝尔奖后做的诺贝尔 演讲的标题是“电子显微镜的发展与电子显微学”[4]报 告中未用“发明”这个词, 也没提到Rüdenberg。 尽管如此, 虽然老Rüdenberg 过世,他的两个儿子在美国 还是不断宣传他们父亲在电子物理方面的造诣及远见 [8 ] 。一再说,在他父亲提出电子显微镜这个概念之 前,Knoll 及Ruska 一直是在讲阴极射线示波器(如文献1 的题目) 。德国AEG公司的Brüche等也不服气,认为电镜的 诞生不是Ruska 一个人的功劳。 理论与实践相结合的重要性。
凸透镜的聚焦作用导致光学成像。
光学显微镜的分辨率
艾丽斑半径R 大小相同的艾丽斑能被分辩的（ 艾丽斑半径Rd：大小相同的艾丽斑能被分辩的（像 点光）最小中心距（与人眼分辩能力有关）。 点光）最小中心距（与人眼分辩能力有关）。 0.61λ Rd = M n ⋅ sin α 借助显微镜成像，可分辨的最小的物点之间的距离 借助显微镜成像，可分辨的最小的物点之间的距离 为分辨率： 为分辨率：rd
1 1 1 = + f L1 L2
Rüdenberg 是一位著名的电子物理学家,除了在西门子公 司任科技部总工程师,还兼任柏林高工电机系教授。无论 在学识、经验和远见方面都很强。 1931年5月28日，他的提出了电子显微镜的专利申请。 据Rüdenberg 及他儿子说,193Leabharlann Baidu 年他的另一个儿子得了小 儿麻痹症,这是由一种过滤性病毒引起的,受到分辨率的限 制,光学显微镜对此无能为力。Rüdenberg 为此曾想到用X 射线或电子束制造分辨率更高的显微镜[8] 。但是,他从 来没有发表过这方面的论文,在电镜界也不知名。 他从来没做过磁透镜成像工作, 全凭理论推测得出。 他从来没做过磁透镜成像工作, 全凭理论推测得出。
战后,Steenbeck 在前苏联工作直到1956 年7 月才回到东 德。那时,Knoll 也从美国回到西德,他仍念念不忘 Steenbeck 曾在Rüdenberg 申请专利前去他的实验室参观 一事,因此在1960 年10 月17 日写了一封信给Steenbeck , 希望了解当时的具体情况。Steenbeck 在11 月8 日的复 信中承认了他在参观后向Rüdenberg 做了汇报,并说 “Rüdenberg 的(专利:译者加) 申请肯定是我访问你的结 果,也肯定是从我的见闻中得到的启迪”[5 ]
对于Rüdenberg 的电镜专利申请,Ruska 及Knoll 是有看法的。因为在1931 年5 月里,Rüdenberg 的助手M. Steenbeck曾去Knoll 的实验室参观,了 解到Ruska 的实验结果,并且看到了Knoll 将在6 月4 日做的有关Ruska 工作的学术报告手稿,题目 是“阴极射线示波器的设计及新结构的原理”,在 他们的第一篇论文中也没提到电子显微镜。就在 Knoll 的6 月4 日学术报告的前几天,Rüdenberg 代表西门子公司在5月28 日向德、法、美等国的 专利局提出了电子显微镜的专利申请。因此Knoll 和Ruska 产生一些怀疑也是可以理解的。
瑞典诺贝尔奖委员会把1986 年物理奖的一半颁发给E. Ruska 时的赞词是:“为了他在电子光学基础研究方面的 贡献和设计出第一台电子显微镜”。上半句是指Ruska 在Knoll 指导下,从1928 年起他在柏林高压电机系高工 实验室做的副博士论文工作中,从事阴极射线的聚焦研究。 他先用一个磁透镜聚焦得出金属网的13 倍放大像,后来 用双透镜得出1714 倍的放大像[1 ,2 ] ,在实验室中实 现了电子显微成像。
透射电子显微术（TEM） 第九章 透射电子显微术（TEM）
第一节、 第一节、透射电镜成像原理概述 第二节、TEM的结构与成像机制 第二节、TEM的结构与成像机制 第三节、透射电镜聚合物制样技术 第三节、 第四节、TEM在聚合物研究中的应用 第四节、TEM在聚合物研究中的应用
第一节、 第一节、透射电镜原理概述
定义两个大小相同的球差圆斑的最小可分辨 中心距（圆斑半径）为RS，用rS表示其所决 中心距（圆斑半径） 定的分辨率。 定的分辨率。
RS 3 rS = = C sα M
CS：球差系数 α：孔径半角 ：
球差是影响电磁透镜分辨率的主要因素， 球差是影响电磁透镜分辨率的主要因素，它 还不能象光学透镜那样通过凸透镜、 还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜 的组合设计来补偿或矫正。 的组合设计来补偿或矫正。
透射电镜几十年来的发展,已由放大倍率仅几万倍 提高到几百万倍,从只能观察形貌一种功能的显微 镜发展成为能得出纳米尺度的形貌、成分、晶体 结构信息的全能仪器。无疑它将在新世纪的纳米 材料及纳米技术中发挥重要作用。 为了更好地发挥这种多功能电镜的功效,不仅要有 敏锐的观察能力,还要有深厚的理论基础,才能透 过现象洞察本质。