透射电子显微镜

荷兰FEI公司在2002年推出的Tecnai F20-twin 场发射枪透射电子显微镜比Philips CM200-FEG在信号 处理上更胜一筹，也是一种性能优异的产品。
二 透射电子显微镜的工作原理与构造
2.1 透射电镜和光学显微镜对比 2.2 透射电子显微镜的构造
2.1 透射电镜和光学显微镜对比
（2）中间镜是一个弱激磁、长焦距、可变放大倍数 的弱磁透镜，其放大倍数0～20倍。
（3）投影镜是一个短焦距、高放大倍数的强磁透镜， 其作用是把中间镜放大或缩小的像进一步放大， 并投射到荧光屏上。其景深和焦长都很大，改变 中间镜的放大倍数不影响图像清晰度。
三级成像系统成像光路示意图
从上图可知，物镜和中间镜、投影镜构成三 级成像系统，电子束通过样品后进入物镜，在其 像面上形成第一个电子像。物镜的像面是中间镜 的物面，中间镜将物镜的像放大，成像在中间镜 的物面上。同理，中间镜的像面是投影镜的物面， 投影镜将中间镜的像放大，成像在投影镜的像面， 即荧光屏上形成的最终成像。最终放大倍数是这 三个透镜的放大倍数的乘积，即：
（2）成像放大系统
成像放大系统由物镜、一两个中间镜和一两 个投射镜组成。
（1）物镜是电子显微镜中最关键的部分。其 作用是将来自不同点不同方向同相位的弹性散射 束会聚于后焦面上，构成含有试样结构信息的散 射花样货衍射花样；将来自同一点不同方向的弹 性散射束会聚于像平面上，构成与试样组织相应 的显微像。
Philips CM12 透射电子显微镜是20世纪80年 代荷兰飞利浦公司推出的产品，它的晶格分辨率 为2.04，点分辨率为3.4nm,由微机控制。能进行 衍射衬度分析、电子衍射、会聚电子束衍射、生 物样品的冷冻电子显微镜分析。
Philips CM200-FEG场发射枪透射电子显微镜 是20世纪90年代的产品，晶格分辨率为0.14nm,点 分辨率为0.24nm,加速电压约200kV，可以连续设 置加速电压。能在纳米尺度上进行微分析，具有 电子束亮度高，束斑尺寸小、相干性好等特点。
目前，世界上主流大型电子显微镜，分辨本 领为2～ 3Å，电压为100～500kV,放大倍数为50～ 1.2×106倍。下面几个图片为不同时期比较有代 表性的透射电子显微镜示意图。
H-700 透射电子显微镜 Philips CM12 透射电子显微镜
Philips CM200-FEG 场发射 Tecnai F20-twin 场发射
开的碳膜在丙酮或酒精 中清洗后便可置于铜网 上放入电镜观察，如右 图所示。化学分离时， 最常用的溶液时氢氟酸 双氧水溶液。碳膜剥离 后必须清洗，然后才能 进行观察分析。
碳一级复型示意图
2.塑料——碳二级复型
塑料——碳二级复型是无机非金属材料 形貌与断口观察中最常用的一种制样方法。 塑料——碳二级复型的制作过程分为以下 几个步骤：
物镜的任何缺陷都会被系统中其它部分放大，
所以透射电子显微镜的好坏，很到程度上 取决于 物镜的好坏。物镜的高分辨率·依靠低像差，一般 采用强激磁、短焦距（1.5～3nm）的物镜，此外 还借助于物镜光阑和消像器进一步降低球差、消 除像散，提高分辨能力。为了提高物镜的分辨能 力，减少物镜的球差和提高像的衬度，常在物镜 的极靴 进口表面分别放置一个物镜光栅（防止物 镜污染）和一个衬度光阑（提高衬度）。
枪透射电子显微镜
枪透射电子显微镜
透射电子显微镜的种类有很多，日立公 司H-700透射电子显微镜是20世纪70年代的产 品，其分辨率为0.34nm，加速电压为75～ 200kV，放大倍数是25万倍。它带有双倾台、 旋转台、S700扫描附件，EDAX9100能谱，适 用于医学、化学、微生物等方面的研究，更 适合于金属材料、矿物及高分子材料的观察 与结构分析，配合能谱进行微区成分分析。
塑料——碳二级复型制作过称
（1）在试样表面滴一滴丙酮，将A.C.纸（醋酸纤维 素薄膜）覆盖其上，适当按压形成不夹气泡的 一级复型，如图（a）所示。
（2）用灯光烘干一级复型后，小心将其剥离，并将 复制面向上平整固定在玻璃片上,如图（b）所 示。
（3）将固定好复型的玻璃片连同白瓷片置于真空镀 膜室中，先以倾斜方向“投影”重金属，再以 垂直方向喷碳，以制备由塑料和碳膜构成的 “复合复型”，如图（c）所示。碳膜厚度以白 色瓷片表面变为浅棕色为宜。
①高压电源；
②阴极灯丝加热电源；
供电 系统
③电磁透镜电流电源；
④真空系统电源；
⑤辅助电源（自动控制开关、指示灯、照
明等）。
电镜供电系统最大的特点就是高度稳定性， 在电路中采用可靠的稳压和稳流线路。
三 透射电子显微镜样品的制备
透射电子显微镜的出现极大地促进了材料科 学的发展，但是应用透射电子显微镜对材料的组 织、结构进行深入研究需要两个前提：
一是要制备出适合透射电子显微镜观察用的 试样。
二是建立相应的能够阐明各种电子像的衬度 理论。
制备符合电镜观测试样的制备方式有：复配 型、电解双喷、离子减薄等。
（一）复型样品的制备
复型即样品表面的复制，其复制出来的样品 是真实样品的表面形貌、组织结构细节的薄膜复 制品。
制备复型所用的材料应具备以下条件： （1）无结构非晶态材料。这样可以避免因晶 体衍射产生的衬度干扰复型表面形貌的分析。 （2）复型材料的离子尺寸必须很小。离子 越小分辨率就越高碳复型的分辨率可达2nm,塑料
目录
一、透射电子显微镜的发展 二、透射电子显微镜的工作原理与构造 三、透射电子显微镜样品的制备 四、透射电子显微镜在材料研究中的应用
一 透射电子显微镜的发展
1932～1933年，鲁卡斯（Ruska）等在研究高压 阴极射线示波管的基础上研制成了一台透射电子 显微镜（TME）。
1940年第一批商品电子显微镜问世，使用电子 显微镜进入使用阶段。
塑料复型膜制作简便，不破坏样品表面，
但是衬度差，容易被电子束烧蚀和分解， 且因粒子大于碳，其分辨率较低。在复型 前，样品表面必须充分清洗，否则会使复 型的图像失真。
2）碳一级复型
直接把表面清洁的金相样品放入真空镀膜装 置中，在垂直方向上在试样表面蒸镀一层厚度为 数十纳米的碳膜。蒸发沉积层的厚度可用放在金 相样品旁边的乳白瓷片的颜色变化来估计。在瓷 片上事先滴一滴油，喷碳时油滴部分的瓷片不沉 积，碳基本保持本色，其他部分随着碳膜变厚渐 渐变成浅棕色和深棕色。一般情况下，瓷片呈浅 棕色时，碳膜的厚度正好符合要求。把喷有碳膜 的样品用小刀划成对角线小于3mm的小方块，放 入配置好的分离液内进行电解或化学分离，电离 分解时，样品做阳极，不锈钢平板做阴极。分离
复型的分辨率只有10～20nm。 （3）复型材料应具备足够的强度和刚度，良好
的导热、导电和耐电子轰击的能力。
制备复型一般有三种方法：一级复型、二级复 型和萃取复型。
1.一级复型 1）塑料一级复型
塑料一级复型示意图
在已制备好的金相样品或断口
样品上滴几滴体积分数为1%的火棉 在已配置好的金相样品上滴几滴体 积分数为1%的火棉胶醋酸戊酯或 醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品 表面展平，多余的溶液用滤纸吸掉， 待溶剂蒸发后样品表面即留下一层 100nm左右的塑料薄膜。把这层 塑料薄膜小心地从样品表面上揭下 来，剪成对角线小于3mm的小方 块后，就可以放在直径为3mm的 专用铜网上，进行透射电子显微镜 分析 ,如左图。
(1)胶粉混合法：在干净玻璃上滴火棉胶溶液， 在胶液上放少许粉末并搅匀，再用另一块玻璃对 研后突然抽开，膜干后划成小方块，在水面上下 空插，膜片逐渐脱落，用铜网捞出待用。
(2)支持膜分散粉末法：将火棉胶或碳膜放在 铜网上，再将粉末均匀地分布在膜上送入电镜观 察。
超细陶瓷粉末的透射电镜照片如图所示。
超细陶瓷粉末的透射电镜照片
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（二）真空系统
为了保证入射电子束在整个孔道中只与试样 放生相互作用，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地板盒都必须置于 真空系统之内，一般真空度为1.33×10-2～ 1.33×10-5Pa。真空系统就是用来把镜筒内的空 气抽走，以达到电子显微镜安全工作的真空度。
（三）供电系统
聚光镜有第一聚光镜和第二聚光镜，第一聚 光镜是使电子束斑缩小，第二聚光镜使束斑放大， 以增大焦距，设置样品，如下图所示。
双聚光镜照明系统光路 图
C1通常保持不变，其作 用是将电子枪的交叉点成 一缩小的像，使其尺度缩 小一个数量级以上。
照明电子束的束斑尺寸 及相干性的调整是通过改 变C2的激磁电流和C2的光阑 孔径实现的。
TEM
电子光学系统（镜筒）
供电系统
真空系统
照明部分
成像放大部分
显像部分
电子枪：TEM电子 源
物镜、中间镜、投影 镜
荧光屏和照相装置
聚光镜
（1）电子光学系统
电子光学系统的组成：照明部分、成像放大 部分、显像部分。其中照明部分主要由电子枪、 聚光镜组成，其作用主要是提供一束高亮度、小 孔角、相干性好、束流稳定的照明源。
3．萃取复型
制作方法类似于碳一复型，是在使复型膜与 样品表面分离时，将样品表面欲分析的颗粒相抽 取下来并黏附在复型膜上。萃取复型既复制了试 样表面的形貌，同时又把第二相粒子黏附下来保 持原来的分布状态，如图所示。
萃取复型示意图
(二) 直接样品的制备
对于粉末样品，常见的制备方法有两种：胶 粉混合法、支持膜分散粉末法。
透射电镜和光学显微镜的光路是十分相似的：
透射电镜： 电子源
磁聚光 镜
磁物镜
磁透射 影镜
荧光屏 底片
光学显微镜：光源
聚光镜
物镜
投影镜
视屏底 片
透射显微镜 和光路显微 镜构造原理
b) 透射光学显 微镜
a) 透射电子显微镜
2.2 透射电子显微镜的构造
透射电子显微镜（TEM）是一种具有原子尺度 分辨能力，能同时提供物理分析和化学分析所需 全部功能的仪器。
对于金属样品，可采用直接制备法。具体步骤如 下：
（1）初减薄。初减薄用来制备厚度约为 100~200µm的薄片，其制作过程为：
① 延性金属采用电火花或线切割法，亦可轧薄 再退火。
② 脆性材料用刀片沿理解面解理。
③ 薄片不与解理面平行可用金刚锯。
（2）圆片切取。如果材料的塑性较好且 机械损伤的要求不严格，可采用特制的小 型冲床从薄片上直接取φ3mm的圆片。对于 脆性材料可以采用点火花切割、超声波钻 和研磨钻。
M最终=M物镜×M中×M投 一般情况下：M物=100倍 M中=0 ～20倍 M投=100倍
（3）像的观察和记录系统
投影镜下面是观察室，内有一个荧光屏，在 电子束的攻击下产生荧光。操作者通过镜筒上的 窗口便可观察到荧光屏上的电子图像。在观察窗 口前海装有一个光学放大镜，常用它对图像进行 聚焦。荧光屏下面放置感光底片或玻璃底板，将 荧光屏竖起即可曝光。
TEM以聚焦电子束为照明源，以透射电子为 成像信号。
透射电子显微镜主要是由电子光学系统、 真空系统和供电系统三大部分组成。
下面两个图分别为透射电子显微镜及其镜 体剖面示意图。
透射电子显微镜
透射电子显微镜镜体 剖面示意图
TEM的工作原理：
电子枪产生的电子束经1～2级聚光镜后照射 到试样上的某一带观察微小区域上，入射电子与 试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电 子能穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形 貌、组织、结构意义一一对应。透射出的电子经 过放大后透射到荧光屏上，于是荧光屏上就显示 出与试样形貌、组织、结构对应的图像。
（4）将要分析的区域剪成略小于样品铜网（φ 3mm） 的小方块，使碳膜面朝里，贴在事先熔在干净 玻璃片上的低熔点石蜡层上，石蜡层冷凝后即 把复合模块固定在玻璃片上。将该玻璃片放入 丙酮液中，复合型的A.C.纸（即一级复型）在 丙酮中将逐渐被溶解，同时适当加热以溶解石 蜡，如图（d）所示。
(5)待A.C.纸和石蜡溶解后，碳膜（即二级复型）将 飘在丙酮中，在铜网勺移至清洁的丙酮液中清 洗，再转至蒸馏水中。由于表面张力使碳膜舒 展漂起，捞出，干燥即可，如图（e）所示。
电子枪的电源为热电子源和场发射源，如下 图所示。
热电子枪和场发射源示意图
场发射电子枪及原理示意图
由于电子显微镜要求近百万倍的放大倍数， 这就要求电子束的强度高、直径小、相干性好。
由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用， 电子束穿过阳极小孔后，逐渐变粗，射到试样上 仍然过大。
聚光镜起会聚电子束，调节照明强度、孔径 角和束斑大小的作用。