透射电镜的使用

透射电镜的使用
一、实验目的
(1) 了解透射电镜的基本结构和工作原理；
(2) 学习透射电镜的样品制备方法；
(3) 学习透射电镜的操作；
(4) 掌握透射电镜图像的分析
二、透射电镜的基本结构和工作原理
透射电镜主要作用是研究微米级到纳米级尺度上物质的微观形貌、晶体结构、成分分析，探索围观上比均匀性与物质性能的关系。

I ）固体表面形貌观察；
II ）颗粒大小、形状、粒度分析；
III）固体显微结构分析（形态、成分、物相）；
IV ）原子排列、晶体缺陷分析。

2.1 概述
在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大倍数和分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平，不可能再有所新的突破。

后来，人们终于发现：是显微镜所使用的光源限制了光学显微镜的放大倍数和分辨率的进一步发展。

因为，可见光的波长在390纳米到760纳米之间，而显微镜的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波长的大小，所以光学显微镜的理论极限分辨本领也就在200纳米左右。

2.2 透射电镜的发展史
1931年，第一台透射电镜在德国柏林诞生；
1934年，电镜的分辨率可达50nm；
1939年，西门子公司投放第一台商品电镜，分辨率优于10nm；
60s、70s，提高分辨率，东京大学拍出第一张高分辨的原子像照片；
80s，提高高压水平，100kv→200kv；
90s，计算机技术，提高自动化程度，CCD成像，远程同步观察等。

目前世界主流的大型电镜，分辨本领为2~3 埃，电压为100～500kV，放大倍数50~1200,000倍。

由于材料研究强调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。

高分辨透射电子显微镜提高透射电子显微镜分辨率的关键在于物镜制造和上下极靴之间的间隙，舍弃各种分析附件可以使透射电子显微镜的分辨率进一步提高。

但是近年来随着电子显微镜制造技术的提高，高分辨透射电子显微镜也在增加各种分析附件，完善其分析功能。

目前生产透射电镜的公司有：
日本电子JEOL： JEM 2010（F），2100F； JEM 3010，3000F
日本日立HITACHI：H-9000（F）
美国 FEI：Tecnai F 30 ，Tecnai F 20
2.3 透射电镜的工作原理
透射电镜是以波长极短的电子束作为照明光源，用电磁透镜聚焦成像，使用对电子透明的薄膜样品，以透射电子为成像信号的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。

透射电镜的工作原理：在高真空条件下，发射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，经过1～2级聚光镜汇聚成很细的电子束后均匀照射到样品上待观察的微区，因为电子束穿透能力有限，所以要求样品做得很薄，观察区域的厚度在200nm左右。

由于样品很薄大部分电子可以穿透样品，其强度分布与所观察样品区域的形貌、组织和结构相对应。

透射出的电子再经物镜、中间镜和投影镜放大后投射在观察图像的荧光屏上，荧光
屏将电子的强度分布转变为人眼可见的光强分布，最终在荧光屏上显示出与样品形貌、组织和结构相对应的图像。

2.4 透射电镜的基本结构
主要功能：JEM-2010属于高分辨型透射电镜，可以进行高分辨图像观察，位错组态分析；第二相、析出相结构、形态、分布分析；晶体位向关系测定等。

CCD相机可以实现透射电子图像的数字化。

能谱仪及能量损失谱仪可以获得材料微区的成分信息。

透射电镜的结构
1）光学成像系统：
照明系统：电子枪、聚光镜；
成像放大系统：物镜、中间镜、投影镜；
图像观察：荧光屏、照相盒；
样品台
2）真空系统：机械泵，扩散泵，离子泵
3）电气系统：机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道4）附件系统：
能谱仪( EDS ) Energy Dispersive X-ray spectrocopy
CCD (Charge coupled device)
能损仪（PEELS/GIF）
高角环形暗场像（HAADF）High-Angle Annular Dark-Field
dry pump station
制样设备
计算机技术和微电子技术的应用使透射电子显微镜的控制变得简单，自动化程度大大提高，整机性能提高。

在透射电子显微镜的观察与记录系统中增加摄像系统，使分析观察更加方便，而且能连续记录。

近几年慢扫描CCD相机越来越多地取代传统的观察与记录系统，将透射电子信号（图象）传送到计算机显示器上，不仅方便观察记录，而且与网络结合使远程观察记录成为可能
TEM的最主要特点是
它既可以进行形貌分析又可以做电子衍射分析，在同一台仪器上把这两种方法结合起来可使组织结构分析的实验过程大为简化。

若减小中间镜的电流，在维持像距不变的条件下使焦距和物距变长，这样就可把中间镜的物平面移至物镜的背焦面上，此时，在荧光屏上即显示出一幅反映试样晶体结构的衍射花样。

2.5 电子衍射的基本原理
电子衍射的原理和X射线相似，是以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件。

但是，由于电子波有其本身的特性，电子衍射和X射线衍射比较时，具有下列不同的地方：
首先是电子波的波长比X射线短得多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约为10-2rad。

而X
射线产生衍射时，其衍射角最大可接近π/2。

其次，在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易点和厄瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。

第三，因为电子波的波长短，采用厄瓦尔德图解时，反射球的半径很大，在衍射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。

这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。

最后，原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出四个数量级），故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时仅需数秒钟。

上图为18Cr2Ni4WA钢经900℃油淬后在透射电镜下摄取的选区电子衍射花样。

该钢淬火后的显微组织是板条马氏体和在板条间分布的薄膜状残余奥氏体，得到的衍射花样中有两套斑点，一套是马氏体斑点，另一套是奥氏体斑点。

1.马氏体斑点标定（验证）：图3a是一套衍射斑点
⑴测定R1、R2、R3，其长度分别为10.2mm,10.2mm和14.4mm。

量得R1与R2之间的夹角为90O, R1与R3之间的夹角为45O。

⑵用查表法，以R2/R1及R1和R2之间的夹角θ查表，即可得出晶带轴为[001]。

相对于R1的晶面是(h1k1l1),其指数为（110），与R2相对应的晶面(h2k2l2)，其指数为（-110）。

⑶已知有效相机常数λL＝2.05mm·nm，可求得：
d110 = d-110 = 2.05/10.2 = 0.201nm
这和铁素体相应的面间距0.202nm相近。

另一面间距
d3 = λL/R3 = 2.05/14.4 =0.142nm
此数值和铁素体d200 = 0.143nm相近，由110和-110两个斑点的指数标出R3对应的指数应是020，而铁素体中（110）面和（020）面的夹角正好是45O。

实测值和理论值之间相互吻合，从而验证了此套斑点来自基体马氏体的[001]晶带轴。

应该指出的是，α-Fe、铁素体、和马氏体点阵常数是有差别的，但其差别在10-10～10-11mm数量级，电子衍射的精度不高，因而不能加以区别。

2.残余奥氏体电子衍射花样的标定（验证）图3 b)为另一套衍射斑点，
量得R1＝10.2mm, R2 =10.2mm, R3 =16.8mm。

R1和R2之间的夹角为70°，R1和R3之间的夹角为35°。

根据R2/R1和θ1≈70O查表得膜面方向应为[011]。

与R1和R2对应的斑点指数分别为11-1和-11-1。

用矢量加法求得相当于R3的斑点应为022。

用衍射基本公式对晶面间距进行校核
d11-1=d-11-1 = 2.05/10.0 = 0.205nm
此数值和奥氏体{111}面间距的理论值0.207nm相近
d02-2 = 2.05/16.8 = 0.122nm
此数值和奥氏体{220}面间距的理论值0.126nm相近。

根据夹角公式计算（11-1）和（02-2）面夹角应是35.26O，和实测值35O相近，由此证明了这套斑点来自钢中的奥氏体相。

三、实验仪器
高分辨透射电镜（JEM-2100F）
块状样品粗切机
超声波切片机
研磨盘
凹坑仪
离子减薄仪
超声分散仪
微栅
待测样品
（1）微栅
透射电子显微镜使用的铜网一般直径为3毫米，上面铳有许多微米大小的孔，在铜网上覆盖了一层很薄的火棉胶膜并在上面蒸镀了碳层以增加其膜的强度，被分析样品就承载在这种支撑膜上。

如果在连续的火棉胶膜上再制出一些通透的孔，我们把这种支撑膜叫作“微筛”。

高分辨分析时一般使用微筛来承载样品。

四、样品制备方法
3.1 制样要求
1）直径为3 mm；
2）样品需要足够薄,HRTEM要求更高（一般形貌约100nm厚；高分辨像1～10nm 厚）；
3）尺寸越小越好，尤其适用于纳米材料的分析；
4）导电、稳定（电荷会在非导电样品上面积聚大量电荷，会干扰TEM的磁场和电子束，并对样品造成损伤）5）非磁性样品（防止磁性材料对磁透镜污染，特别是物镜）
6）无水分，不易挥发（如水、挥发性物质、有机物，在高能电子轰击下会发热气化，遇冷又凝结，污染镜筒，特别是物镜）
对于粉末样品一般要求粒度应小于300纳米，粒度较大时，会只能看到颗粒的轮廓，不能分析颗粒表面上的细节。

纤维类样品得直径应最好小于200纳米。

不论是纤维，粉末或高分子纳米球的样品都要在适当的溶液中做良好的分散，然后滴在或捞到铜网上的支撑膜上。

对于特殊样品需要做特殊的制备，列如：切片，染色，离子减薄或复型处理。

3.2 制样方法
化学减薄法（所有样品）
电解双喷法（导电材料）
复型法（金属和非金属）
超薄切片法（生物材料、高分子膜材料）
CIB聚集高电子束法（可定向切割）
粉碎研磨法（粉末样品）
机械减薄法
离子减薄法（块状的金属、半导体、陶瓷、玻璃、多层膜等）超声波分散法（粉末样品）
染色法
3.3 制样设备
慢速锯
超声波圆片切割机
加热台、研磨盘
656型凹坑仪
离子减薄仪
E6500型真空喷涂仪
超声波分散仪
离子减薄仪的工作原理：
在电场作用下氩气被电离成Ar+离子，带着一定能量的氩离子从阳极飞向阴极，通过阴极孔，打在接地的样品表面，使样品表面溅射，这就是氩离子轰击的基本原理。

3.4 制样过程
1）块状样品
用低速锯将块状样品粗切割成片状，厚度最好在1mm以下；
用超声波圆片切割机将片状样品切割成直径为3mm的圆片；
用加热台、研磨盘研磨减薄圆片，直至厚度小于70um；
用656型凹坑仪将薄圆片机械磨削成凹坑状，厚度降至20um，但不能穿孔；
用离子减薄仪将凹坑薄圆片减薄，直至圆片中间穿孔，获得满足电镜观察要求的薄片；
2）粉末样品
用超声波分散仪将粉末分散。

五、测试
1. 缓慢加高压到200 kV （Nomal ），在冷阱中加入液氮；
2. 将样品微栅置于样品架上，送入电镜；
3. 开启CCD 计算机控制系统，确认冷却水开启和CCD 电致冷温度<-25℃；
4. 打开电子枪BEAM 阀；
5. 调整电子枪及照明系统合轴；
6. 选择样品适当区域，进行TEM 图像观察，并利用CCD 拍观察到的TEM 图像，保存分析结果；
7. 关闭电子枪BEAM 阀；
8. 将电镜高压降到160 kV （Stand By ），加热冷阱（ACD heat ）。

六、图像分析
⎪
⎩⎪⎨⎧⎩⎨
⎧电子衍射图像
形貌图像
高分辨图像
电子显微图像成像TEM
先看高分辨图像，再看形貌图像
对电镜照片的分析，应先从各种资料中尽可能地对被分析样品有所了解，估计可能出现的结果，再与电镜照片进行比对，做出正确的解释。

对于金属氧化物可能具有一些典型的构成形状，如球形，条形，支形或核形等等，可以根据这些形状来判断金属氧化物的种类和生长情况。

电镜一般都带有“能谱”附件，对于不好判断的晶粒形状，可以使用X 光能谱对所分析的样品做分区元素分析，然后再做出其正确的判断。

使用电镜的电子衍射功能可以判断样品的结晶状态：单晶为排列完好的点阵；多晶为一组序列直径的同心环；
非晶为一对称的球形。

注意事项：
放大倍数不是越大越好。

要搞清你做电镜分析的目的。

不是什么样品都能达到分辨率的指标。

要获得高质量的电镜照片，样品制备是一个重要的因素。

好的设备，加上适当的样品处理和精心的操作才能得到高水平的电镜分析结果。

Au的高分辨电镜。