电镜区别

偏光显微镜、扫描电镜和投射电镜的区别

(2010-03-22 10:46:01)

偏光显微镜：

偏光显微镜是光学显微镜的一种，光学显微镜可用于研究透明和不透明材料的形态结构。高分子材料结构研究的许多内容在光学显微镜的分辨尺寸内，如高分子的结晶形态、结晶过程和取向等；共混或者嵌段、接枝共聚物的相结构；复合材料的多相结构以及高分子液晶的织态结构等。偏光显微镜是在普通光学显微镜上分别在试样台上各加一片偏振片。偏振片只允许在某一特定方向上振动的光通过。偏光显微镜是一种适用于研究球晶结构以及取向度的非常有用的一起。高聚物在熔融和无定形时呈现光学各向同性，即各方向上折射率相同，完全不能通过检偏片，因而视野全暗。当高聚物存在晶态或取向时，光学性质随方向而异，产生双折射，视野明亮，可以观察到结构形态。也就是大家所熟悉的球晶的黑十字消光现象。在高聚物多相体系研究中，对于共混和共聚，如果其中有一相可以结晶，可用于偏光显微镜直接研究其多相体系的结构。实质的含义是各相同性的是不透明的，结晶的地方是透明的。

电子显微镜可以研究高分子晶体的形貌和结构，高分子多相、微观相分离结构、高分子材料的表面和界面、断口、粘合剂的粘结效果等。目前应用较为广泛的是透射电子显微镜和扫描电子显微镜。扫描电镜是近几年发展起来的一种电子仪器，使研究三维表面结构的有力工具，他比透射电镜优越，如分辨率高、发达倍数大等。

电子显微镜（以下简称电镜）属电子光学仪器。由于电子的德布罗意波波长比光波短几个量级，所以电镜具有高分辨成像的能力。首先发明的是透射电镜，由M.诺尔和E.鲁斯卡于1932年发明并突破了光学显微镜分辨极限。透射电子显微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0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2nm、光学显微镜下无法看清的结构，又称"亚显微结构"。透射电镜(TEM)样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000埃的薄膜。成像方式与光学生物显微镜相似，只是以电子透镜代替玻璃透镜。放大后的电子像在荧光屏上显示出来. 透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：

吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。

相位像：当样品薄至100nm以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。

透射电镜衬度（反差）的来源：

TEM衬度的形成,物镜后焦面是起重要作用的部位。电子经样品散射后，相对光轴以同一角度进入物镜的电子在物镜后焦面上聚焦在一个点上。散射角越大，聚焦点离轴越远,如果样品是一个晶体,在后焦面上出现的是一幅衍射图样。与短晶面间距（或者说"高空间频率"）对应的衍射束被聚焦在离轴远处。在后焦面上设有一个光阑。它截取那一部分电子不但对衬度，而且对分辨本领有直接的影响。如果光阑太小，把需要的高空间频率部分截去，那么和细微结构对应的高分辨信息就丢失了（见阿贝成像原理）。

样品上厚的部分或重元素多的部分对电子散射的几率大。透过这些部分的电子在后焦面上分布在轴外的多。用光阑截去部分散射电子会使"质量厚度"大的部位在像中显得暗。这种衬度可以人为地造成，如生物样品中用重元素染色，在材料表面的复形膜上从一个方向喷镀一层金属，造成阴阳面等。散射吸收(指被光阑挡住)衬度是最早被人们所认识和利用的衬度机制。就表面复型技术而言，它的分辨本领可达几十埃。至于晶体样品的衍衬像和高分辨的点阵像的衬度来源，见点阵像和电子衍衬像。

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50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。

扫描电子显微镜：

扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。

扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬

度，后者用于显示原子序数衬度。

表面形貌衬度观察

二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。

二次电子像的分辨率较高，一般约在3～6nm。其分辨率的高低主要取决于束斑直径，而实际上真正达到的分辨率与样品本身的性质、制备方法，以及电镜的操作条件如高匝、扫描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角等因素有关，在最理想的状态下，目前可达的最佳分辩率为lnm。

扫描电镜图像表面形貌衬度几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。在材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。

原子序数衬度观察

原子序数衬度是利用对样品表层微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号，如背散射电子、吸收电子等作为调制信号而形成的一种能反映微区化学成分差别的像衬度。实验证明，在实验条件相同的情况下，背散射电子信号的强度随原子序数增大而增大。在样品表层平均原子序数较大的区域，产生的背散射信号强度较高，背散射电子像中相应的区域显示较亮的衬度；而样品表层平均原子序数较小的区域则显示较暗的衬度。由此可见，背散射电子像中不同区域衬度的差别，实际上反映了样品相应不同区域平均原子序数的差异，据此可定性分析样品微区的化学成分分布。吸收电子像显示的原子序数衬度与背散射电子像相反，平均原子序数较大的区域图像衬度较暗，平均原子序数较小的区域显示较亮的图像衬度。原子序数衬度适合于研究钢与合金的共晶组织，以及各种界面附近的元素扩散。