第七章电子显微镜法

（2）真空系统：
① 空气中，电子与气体粒子碰撞而散射，降低平均自由程
镜筒处于高 ② 电子枪的高压要处于高真空中，以免引起放电 真空的原因 ③ 高真空可延长灯丝寿命
④ 试样在高真空中可减少污染
普通TEM的真空度达到10-2~10-3 Pa，高性能的TEM要求达到10-5~10-7 Pa
（3）电器部分：
（2）放大率：指电子图像相对于试样的线性放大倍数
有效放大率：与仪器的分辨率相匹配 M =D/r
最高放大率 > 有效放大率
反映可能的分辨本领
低倍放大率：应与光学显微镜衔接（1000－2000倍）
更低倍率：50－100倍，用于普查试样，选择视场
例如：
D=0.1mm，r=0.3nm，则M=330000倍， 最高放大率在60~80万为合适
基本工作原理
在加速高压作用下将电子枪发射 的电子经过多级电磁透镜汇集成细小 的电子束。在末级透镜上方扫描线圈 的作用下，使电子束在试样表面做光 栅扫描。
入射电子与试样相互作用产生二 次电子、背散射电子、X射线等各种 信息（其二维强度分布随着试样表面 的特征而变）。这些信号被不同的接 收器接收，经放大后，调制荧光屏的 亮度，得到一个反应试样表面状况的 扫描图像。
由于各点的相位差情况不同，干涉后 形成合成波也不同，形成相位衬度。
b. 在进行高分辨观察时，为获得更 多的信息，可选用大孔径的物镜光阑， 或不用。
超薄样品和 高分辨像
相位衬度
质量-厚度衬度
➢ 制样方法
（1）粉末制样法 （2）超薄切片法 （3）复型法
TEM研究催化剂
催化剂物性的检测
➢物相鉴别 ➢粒子大小及其分布测定 ➢孔结构观察
扫描电镜形貌衬度原理
凸凹不平的样品表面所产生的二 次电子，用二次电子探测器很容易被 收集，所以二次电子图像无阴影效应， 二次电子易受样品电场和磁场影响。
二次电子像是表面形貌衬度像，它是利用 对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节 信号得到的一种像衬度。因为二次电子信号主 要来处样品表层5－10nm的深度范围，它的强 度与原子序数没有明确的关系，而对微区表面 相对于入射电子束的方向十分敏感，二次电子 像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。
2. 二次电子 （secondary electron） 二次电子------被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。
二次电子对试样表面状态非常敏感，能有效的显示试样表面的微观形貌。 由于它发自试样表面层，产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没多 大区别。所以二次电子的分辨率较高。扫描电子显微镜的分辨率通常就是 二次电子分辨率。
包括：电子枪的高压电源（需要高稳定性） 磁透镜激磁电流的电源（高稳定性） 各种操作、调整设备的电器 真空系统的电源 安全保护用电器
电磁透镜的像差
➢球差：由电磁透镜磁场中近轴区域和远轴区 域对电子束的折射不同引起物点通过透镜没 有会聚成一个像点，而是会聚在一定范围的 轴向距离上。
电磁透镜的像差
➢色差：有电子波能量非单一引起物点通过透 镜没有会聚成一个像点，而是会聚在一定范 围的轴向距离上。
1. 可以观察直径为10 ---- 30mm的大块样品，制作方法简单
2. 放大倍数变化范围大：15倍----20万倍
(TEM, 高达106倍,放大倍数变化范围较小）
3. 分辩率3—4 nm. （ TEM的分辨率约为2nm, 高分辨TEM 为0.1nm，
但TEM对样厚度要求十分苛刻，且观察区域小.)
4. 景深大,成像富有立体感:适用于粗糙表面和断口的分析观察
❖研究负载型催化剂
在催化剂制备过程中的应用
在催化剂失活、再生研究中的应用
设备名称 分析透射电镜
型
号 Tecnai G2 20 （FEI 公
司）
功能及用途
应用领域：用于金属材料、陶瓷材料、 复合材料及高分子生物材料的结构及 化学组成的微观可视性观察和分析
主要用途： 透射电镜样品形貌，相应选区电子衍 射观察 微衍射及相干电子衍射观察； 配合特征X射线能谱仪(EDS)进行成分 分析
ＴＥＭ与S E M简单对比
入射电子
反射电子
二次电子
扫描电镜
弹性散射电子
非弹性散射电子
直接透射电子
应用领域：扫描电镜（表面形貌与结构）,
透射电镜（内部结构）。
透射电镜
与光学显微镜的比较
1光源 电子束 波长 <0.037A 可见光 4000－7500A
2媒介 真空 10－4－10－8托 大气
电镜作电子衍射，衍射谱图是放大了的，因此其相机长度比电子衍射仪 大很多，而且可调。
2、TEM的衬度形成原理
电镜照片：明暗不同 这种电子图像上明暗（或黑白）的差异称为图像的衬度（或反差） 主要有：散射（质量-厚度）衬度、衍射衬度和相位衬度
（1）散射(质量－厚度）衬度：
非晶态
电子通过样品时，受到样品中元素的原子核和核外 电子的电场作用，使运动速度和方向发生变化，称为 电子的散射。
—— 是晶体样品形成衬度的主要原因
晶体样品
图3-10 布拉格定律及衍射形成示意图
2、TEM的衬度形成原理
（3）相位衬度：
相位衬度是由于电子波干涉产生 的，是超薄样品和高分辨像的衬度来 源，可观察原子像和分子像。
a. 超薄样品：入射电子波穿过极薄 的试样后，形成的散射波与透射波产 生相位差，经物镜会聚后，在像平面 发生干涉。
由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子较 容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的 结合能的能量后，可离开原子而变成自由电子。如果这种散射过程 发生在比较接近样品表层，那些能量大于材料逸出功的自由电子可 从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。
电子显微镜常用的信号：
电磁透镜
一般由三级电磁透镜组成，即第一聚光 镜、第二聚光镜和末级聚光镜(即物镜)。其 主要功能是依靠透镜的电磁场与运动电子 的相互作用将电子枪中交叉斑处形成的电 子源逐级会聚成为在样品上扫描的极细电 子束。
透射电镜的电子透镜是放大透镜，而扫 描电镜的电子透镜是缩小透镜，它的“物” 就是电子束交叉斑，打到样品上的入射电 子束斑就是交叉斑的“像”。
扫描电子显微镜的构造和原理
电子光学系统 信号收集和图象显示系统 电子枪 真空系统（10-3Pa）
电子光学系统 •电子枪
聚光镜
•聚光镜
物镜
•扫描线圈
•物镜：
将50 um的电子束斑会聚 成几个纳米
真空
•样品室
观察用阴极射线管
扫描 线圈
扫描 电路
拍摄用用阴极射线管
光电倍增管
探测器 二次电子
扫描电镜（SEM）成像的特点
电子显微镜
➢概况 ➢结构与参数 ➢成像原理 ➢制样方法 ➢应用举例
扫描电子显微镜SEM 透射电子显微镜TEM
透射电镜（TEM）
1、TEM的构造
主要包括：电子光学系统、真空系统和电器三部分。
（1）电子光学系统（镜筒）：
核心是磁透镜（短焦距、高放大率） 上端——电子枪部分； 中间——成像系统（样品室）； 下端——观察和照相部分 其中： •电子照明系统（电子枪和第一、二会聚镜）：
2、TEM的主要性能指标
（3）加速电压：指电子枪中阳极相对于灯丝的电压（决定电子束的能量）
V高，则穿透力强，可直接观察较厚的样品（一般V = 50~100 kV） 对于金属薄膜样品，V > 100 kV，最好 > 1000 kV（超高压电镜）（高分辩率）
（4）相机长度：是电镜作为电子衍射时的一个仪器常数
SEM的主要性能指标及影响因素
对于扫描电镜，限制和影响其分辨率的因 素较多。其中较主要的有下列三个因素： A. 入射电子束斑直径 通过减小电磁透镜的像差（主要是球差和像散）
和增大透镜缩小倍数， 可缩小入射电子束 斑直径， 从而提高扫描电镜分辨率。 B. 样品对电子的散射作用 样品上发射信息的最小范围， 实际上决定于 有效入射电子束斑的大小。 C. 信噪比
—— 提供亮度高、尺寸小的电子束 •透镜成像系统：包括物镜、中间镜、投影镜组成（三级成像系统） ❖ 物 镜：形成放大的一次电子图像，并对像进行聚焦（强磁透镜） ❖ 中间镜：通过调节其放大倍数来改变整个系统的M（弱磁透镜） ❖ 投影镜：将电子图像进一步放大并投射到荧光屏上（强磁透镜，高M） ❖ 总放大倍率：M=M0 . M1 . M2
景深的概念是这样描述的， 在景像平面上所获得的成清 晰像的空间深度称为成像空 间的景深
电子枪
热发射三极电子枪 钨灯丝电子枪 六硼化镧电子枪
工作时，利用灯丝电源对灯丝直接加热，当灯 丝达到工作温度(2000 K以上)时，发射出电子。
场发射电子枪
场发射电子枪是利用靠近曲 率半径很小的阴极尖端附近 的强电场使阴极尖端发射电 子。
由于试样上各部位散射能力不同所形成的衬度， 即称为散射衬度
——是非晶态形成衬度的主要原因
图3-9 散射衬度的形成
2、TEM的衬度形成原理
（2）衍射衬度：
运动的电子具有波粒二相性（具有一定波长）。 被加速的电子束与晶体物质作用，可发生衍射现象。 布拉格定律： 2d Sin θ=nλ 由电子衍射产生的衬度称为衍射衬度
扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或者透射电子显微镜不同，它是 以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试 样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微 观形貌放大像。
SEM的概述：
扫描电镜（SEM）是一种大型精密仪器，为微观世界的探测提供了一种新的 研究手段。目前已广泛应用于冶金矿产，生物医学，材料科学、物理和化学 等领域。
光学显微镜的图像景深很小，只能看清楚硅柱在某一高度附近的形貌，成 像质量差，但电子扫描显微镜的图像景深很大，多孔硅柱的不同高度都能 成清晰的像，且分辨率高，因此，可以得到完整的多孔硅的形貌像。
电子显微镜常用的信号：
2. 二次电子 （secondary electron） 二次电子------被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。 具体解释
技术指标
点分辨率：0.23 nm 线分辨率：0.14 nm 放大倍数：25X～1050000X
常用附件： EDAX 能谱仪
其他样品Βιβλιοθήκη Baidu电镜照片
碳棒
目 录：
SEM的概述 SEM的结构原理 SEM的性能参数 SEM的应用
SEM的概述：
扫描电子显微镜 ( Scanning Electron Microscope，简称SEM )是继透射 电镜（TEM）之后发展起来的一种电子显微镜，简称为扫描电镜。
第七章 电 镜
概况与发展史
➢ 显微镜是人类认识微观世界的重要工具。
➢ 第一种显微镜的发明是光学显微镜。光学显微镜使用可 见光做照明源，用玻璃透镜来聚焦光和放大图像。光学 分辨本领受光波长限制，极限分辨本领为200nm。小于 200nm物体的观测须使用小于光波长的照明源。
➢ 电子显微镜使用高能量的加速电子代替光做照明源，使 用电磁线圈代替玻璃透镜来聚焦成像。高速运动的粒子 与短波辐射相联系，例如在100kV电压下加速的电子， 相应的波长为0.0037nm，比可见光的波长小几十万倍。 现代电子显微镜的分辨本领已经达到原子大小的水平
电磁透镜的像差
➢像散：电磁透镜磁场轴不对称所产生的物点 通过透镜没有会聚成一个像点，而是会聚在 一定范围的轴向距离上。（消像散器）
2、TEM的主要性能指标
包括：分辨本领、放大器、加速电压、衍射相机长度以及自动化程度、 所具备的功能等
（1）分辨本领——分辨率，点分辨率和线分辨率（首要指标）
在电子图像上能分辨开的相邻两点在试样上的距离——点分辨率 在电子图像上能分辨出的最小晶面间距——线分辨率或晶格分辨率 近代高分辨率的TEM的点分辨率达0.3nm，线分辨率达0.144nm
在最近20多年的时间内，扫描电子显微镜发展迅速，又综合了X射线分光 谱仪、电子探针以及其它许多技术而发展成为分析型的扫描电子显微镜， 仪器结构不断改进，分析精度不断提高，应用的功能不断扩大，成为众多 研究领域不可缺少的工具。
SEM的独特优势(举例)：
图1. 多孔硅的两种图像比较 （a）光学显微镜图像 （b）扫描电子显微镜图像
电子显微镜常用的信号：
3. 特征X射线 （characteristic X-ray） 特征X射线------原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释 放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。
由于X射线光子反映样品中元素的组成情况，因此可于用来分析材料的 成分。
SEM的工作原理：
图1 扫描电镜的主体结构