第二十五章 透射电子显微镜分析

第25章 透射电子显微镜透射电子显微技术自20世纪30年代诞生以来，经过数十年的发展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学研究中物质微观结构观察、测试十分重要的手段。

电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学，电子显微镜把人眼睛的分辨能力从大约0.2 mm 拓展至亚原子量级（<0.1nm)，大大增强了人们观察世界的能力。

尤其是近20多年来，随着科学技术发展进入纳米科技时代，纳米材料研究的快速发展又赋予这一电子显微技术以极大的生命力，可以这样说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的研究；没有电子显微镜，开展现代科学技术研究是不可想象的。

目前，它的发展已与其他学科的发展息息相关，密切联系在一起。

25.1 基本原理透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的（图25-1），所不同的是光学显微镜以可见光做光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。

在光学显微镜中，将可见光聚焦成像的是玻璃透镜；在电子显微镜中，相应的电子聚焦功能是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的相互作用。

理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率d ，受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径N A 的限制：2sin 2A d n N λλα=≈ （25-1）在20世纪初，科学家就已发现理论上使用电子可以突破可见光的光波波长限制（波长范围400~700nm ）。

由于电子具有波粒二象性，而电子的波动特性则意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。

电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能推导出。

由于在TEM 中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正：e λ≈ （25-2）式中，h 表示普朗克常数；m 0表示电子的静质量；E 是加速电子的能量；c 为光速。

电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程或者采用场电子发射方式得到。

随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。

透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。

在真空系统中，由电子枪发射出的电子经加速后，通过磁透镜照射在样品上。

透过样品的电子被电子透镜放大成像。

成像原理是复杂的，可发生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多种效应，使得在相平面形成衬度（即明暗对比），从而显示出透射、衍射、高分辨等图像。

对于非晶样品而言，形成的是质厚衬度像，当入射电子透过此类样品时，成像效果与样品的厚度或密度有关，即电子碰到的原子数量越多，或样品的原子序数越大，均可使入射电子与原子核产生较强的排斥作用——电子散射，使面通过物镜光阑参与成像的电子强度降低，衬度像变淡。

另外，对于晶体样品而言，由于入射电子波长极短，与物质作用满足布拉格（Bragg ）方程，产生衍射现象，在衍射衬度模式中，像平面上图像的衬度来源于两个方面，一是质量、厚度因素，二是衍射因素；在晶体样品超薄的情况下（如10nm 左右），可使透射电子显微镜具有高分辨成像的功能，可用于材料结构的精细分析，此时获得的图像为相位衬度，它来自样品上不同区域透过去的电子（包括散射电子）的相位差异。

图25-1 光学显微镜与透射电子显微镜成像原理的比较25.2 透射电子显微镜的基本结构及工作原理透射电子显微镜的结构包括主机和辅助系统两大部分，主体部分（图25-2）包含电子源、照明系统、成像系统和观察记录系统等；辅助系统包含真空系统（机械泵、离子泵等），电路系统（变压器、调整控制），水冷系统等。

以下主要介绍主体部分。

25.2.1 电子枪透射电子显微镜中产生电子的装置叫电子枪，电子枪的研发与应用大致经历了三个阶段：钨灯丝、六硼化镧单晶和场发射电子枪，它们所产生电子束的质量越来越好，其亮度分别比普通钨灯丝亮几十倍和上万倍，而且单色性好，尤为适合于高级透射电子显微镜。

电子枪分为热阴极型和场发射型两类，热阴极电子枪的材料主要有钨丝和六硼化镧(LaB6)，而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射两个分支。

电子枪的功能是产生高速电子，以热阴级电子枪为例（图25-3、图25-4），它由处于负高压（或称加速电压）的阴极、栅极（电位比灯丝还要负几百到几千伏，数值可调）和处于0电位的阳极组成，加热灯丝发射电子束，并在阳极加电压使电子加速，经加速而具有高能量的电子从阳极板的孔中射出，电子束能量与加速电压有关，栅极则起到控制电子束形状的作用。

另外，如果在某些金属的表面施加强电场，金属表面可向外逸出电子，依照此原理可制成场发射电子枪，它没有栅极，但由阴极和两个阳极构成，第一个阳极主要使电子发射，第二个阳极使电子加速和会聚。

根据加速电压的数值，由电子枪发射出来的电子，在阳极加速电压（生物样品多采用80~100kV，金属、陶瓷等多采用120kV、200kV、300kV，超高压电镜则高达1000~3000kV）的作用下，经过聚光镜（2~3个电磁透镜）汇聚为电子束照射到样品上。

据此可以理解，由于电子的穿透能力很弱（比X射线弱得多），进行透射电子显微镜检测的样品必须很薄，其厚度与样品成分、加速电压等有关，一般范围在100nm左右（甚至更低）。

此外，整个主机系统必须保持在理想的真空状态，真空系统通常由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成，它的作用是抽出镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10~5托及以下，目前最好的真空度可以达到10-10托左右。

如果真空度不理想的话，可产生多种副作用，如电子与空气中气体分子之间的碰撞可引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，从而影响电子枪的寿命，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。

图25-2 透射电子显微镜基本构造（1电子枪；2加速管；3阳极室隔离阀；4第一聚光镜；5第二聚光镜；6聚光后处理装置；7聚光镜光阑；8测角台；9样品杆；10物镜；11选区光阑；12中间镜；13投影镜；14投影镜；15光学显微镜；16小荧光屏；17大荧光屏）图25-3 热阴级电子枪的基本构造图25-4 热阴级电子枪的灯丝25.2.2 照明系统电子枪发射出的电子束有一定的发散角，经后续调节后，可得到发散角很小的平行电子束。

可通过调节会聚镜的电流改变电子束的电流密度(亦称束流)。

在透射电子显微镜的观测过程中，需要亮度高、相干性好的照明电子束。

因此，电子枪发射出来的电子束还要用两个电磁透镜进一步会聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。

图25-5为照明系统光路图，一般都采用双聚光系统。

该系统的功能是为下一级成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光镜用于汇聚电子枪射出的电子束，以求最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径半角和束斑大小。

在图25-5中，第一聚光镜常采用短焦距强励磁透镜，它的作用是将从电子枪得到的光斑尽量缩小；第二聚光镜为长焦距弱透镜，它的功能是将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上，该透镜通常可对光源起到放大作用。

图25-5 照明系统光路图25.2.3 放大、成像系统成像系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光阑、衍射光阑、投射镜以及其他电子光学部件。

它的主要功能是，由于穿过样品的电子携带了样品本身的结构信息，将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大，最终以图像或衍射像的形式显示于荧光屏上。

样品室有一套机关设置，以保证样品经常更换时不破坏主机的真空。

实验操作时，样品可在X轴、Y轴二维方向移动，以便找到所要观察的位置。

图25-6为成像系统示意图，物镜是主机中最关键的部分，这是因为透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。

它的功能是将来自样品不同部位、传播方向相同和相位相同的弹性散射电子束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微像。

实际上，物镜的任务就是形成第一幅电子像或衍射像，完成物到像的转换并加以放大，要求像差尽可能小而又要有较高的放大倍数（100~20倍）。

顺便提及，目前新一代透射电子显微镜的特点是主要大幅度改善了球差矫正参数，但此类设备使用还不普及，在常见的透射电子显微镜中，物镜光阑可以挡掉大角度散射的非弹性电子，使色差和球差减少，在提高衬度的同时还可以得到样品的更多信息，在选择后焦面上的晶体样品衍射束成像后，可获得明、暗场像。

另外，作为弱激磁长焦距可变率透镜，中间镜可放大1~20倍，它的作用是控制透射电镜总的放大倍数，把上方物镜形成的一次中间像或衍射像投射到投影镜的物平面上，而投影镜则是一种短焦距强磁透镜，它可把经过中间镜形成的二次中间像或衍射像投影到荧光屏上，最终形成放大的电子像或衍射像。

（a）衍射模式（b）放大模式图25-6 成像系统光路图25.2.4 观察室和照相室（记录系统）在观察、记录系统中，为方便前期观察，高性能透射电子显微镜除了荧光屏外，还配有用于聚焦的小荧光屏和放大5~10倍的光学放大镜。

荧光屏的分辨率为50~70μm，因此在观察细微结构时要有足够高的放大率，以使荧光屏能分辨并为人眼所能见。

例如，如需要观察0.5nm的颗粒就需要10万倍的电子光学放大，再加10倍的光学放大即可。

25.3 透射电子显微镜在科学研究中的应用最后还将谈一谈利用透射电子显微镜在科学研究中所能解决的主要问题。

25.3.1 材料的常规观测及高分辨成像（a）（b）图25-7 纳米材料透射电子显微镜观察结果示例图25-7中两张图片为纳米材料透射电子显微镜的检测结果，从中可以看出，它们是平面投影图像，不同于富有立体感的扫描电子显微镜图像。

其中，图25-7（a）中的纳米粒子为球形（严格地说为准球形），颗粒尺寸大小较为均一，分散性很好；图25-7（b）中的纳米材料为棒形，颗粒尺寸大小较为均一，分散性较好。

纳米粒子的粒径分布统计是纳米材料研究中常遇到的问题，尽管现在已有多种分析测试纳米材料粒径分布的方法，如小角X射线散射等，但可信度最高的当属依托透射电子显微镜技术的统计方法。

（a）晶体结构（b）自组装结构图25-8 材料的高分辨透射电子显微镜观察结果示例图25-8为材料的高分辨透射电子显微镜观察结果，其中图25-8（a）是晶体材料的高分辨图像，从中可清楚地看见晶格条纹，并可得到晶面间距d值。

至于晶面归属的判断，给出处理方法是：先利用高分辨透射电子显微镜图像中的条纹线距离和多晶面时的相关取向，估算出该条纹线对应的晶面，然后再用相同样品的XRD检测结果进行矫正，对于大多数晶体物质而言，都有XRD检测出的标准数据，如d值等，可信度高。

图25-8（b）也给出了有序的条纹结构，但此时层间距和层的厚度均明显大于图25-8（a）中的结果，故图25-8（b）显示的已不是晶体结构，而是所谓的自组装结构，它是纳米材料研究中的热点问题。