|
| |
| 透射电子显微镜概述 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2013-09-02 22:27:14 浏览次数： |
|
| |
（中国粉体技术网/三水）在电子光学微观分析仪器中，透射电镜历史久，发展快，应用范围也最广泛。早在20世纪30年代末期，透射电镜就已初步定型生产，并已达到分辨率优于2nm的水平。到40年代末，透射电镜的主体已基本定型。由电子枪和两个聚光镜组成照明系统，产生一束聚焦很细、亮度高、发散度小的电子束；由物镜、中间镜和投影镜三个透镜组成三级放大的成像系统；给出分辨率优于1nm放大几十万倍的电子像。透射电镜的发展带动了电子光学仪器和技术的发展。
透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）是使电子束穿透所观察的样品，并将透射电子用电磁透镜会聚成像，以观察样品内部结构信息的仪器，简称透射电镜。透射电镜是现代显微技术中分辨率最高，放大倍数最大的一种仪器。它具有以下特点：①分辨率高，可达0.1nm，能在原子和分子尺度上直接观察材料的结构；②适合于微区、微相的分析，其最小分析区域可达纳米尺度；③能方便地研究材料内部的相组成和相分布，以及晶体中的位错、层错、晶界等缺陷，是研究材料微观结构的有力手段；④配备各种附件，透射电镜兼具分析微相、观察图像、鉴定结构、测定成分等多种功能。
一、透射电子显微镜的结构与工作原理
TEM的结构包括照明系统、成像系统、观察、记录成像。图1是电子光学系统的组成部分示意图。
图1 透射电子显微镜主体的剖面图 
图2 透射电镜的光路构造
透射电镜的主要性能指标是分辨率、放大倍数和加速电压。
1．分辨率：在电子图像上能分辨出对应物上的最近两点间的距离称为透射电镜的点分辨率。透射电镜的线分辨率是指观察晶面间距时最小可分辨的晶面间距。分辨率反映了透射电镜观察微小显微结构的能力，它是标志电镜水平的首要指标。例如日立H8100透射电子显微镜的点分辨率为0.233nm，线分辨率为0.144nm。
2．放大倍数：指图像相对于试样的线性尺寸的放大倍数，一般在50-1,000,000倍范围。将仪器的最小可分辨距离放大到肉眼可分辨所需的放大倍数称为有效放大倍数。透射电镜的放大倍数等于物镜（OBJ）、中间镜(I1、I2)和投影镜(P1、P2)的各自放大倍数的乘积，即：透射电子显微镜的放大倍数 。
3．加速电压：指电子枪中阳极相对灯丝的电压，它决定了电子束的能量，一般为50-1000kV。加速电压越高，电子束的能量越大，电子的穿透能力越强，可观察较厚的试样；加速电压越高，电子束的波长越短，电镜的分辨率越高。
二、透射电子显微镜样品的制备方法
透射电子显微镜成像时，电子束是透过样品成像。由于电子束的穿透能力比较低，用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。根据样品的原子序数大小不同，样品厚度一般在50nm-500nm之间。制备透射电子显微镜分析样品的方法很多，这里介绍常用的制样方法。
1、粉末样品制备
随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材料发展很快，而粉末的颗粒尺寸大小、尺寸分布及形态对最终制成材料的性能有显著影响，因此，如何用透射电镜来观察超细粉末的尺寸和形态便成为电子显微镜分析的一项重要内容。粉末样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散。
需用透射电镜分析的粉末颗粒一般都小于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶和碳膜，先将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。粉末或颗粒样品制备的关键在于能否使其均匀分散到支持膜上。通常采用超声波搅拌器，把要观察的粉末或颗粒样品加水或溶剂搅拌为悬浊液，然后，用滴管把悬浊液滴在粘附有支持膜的样品铜网上，静置干燥后供电镜观察。为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷涂一层薄碳膜，使粉末夹在两层膜中间。
2、大块材料样品制备
大块材料需要制成薄膜样品。从大块试样上制备薄膜样品通常须经过以下步骤：
①从大块试样上切割薄片；
②将薄片样品进行研磨减薄；
③将研磨减薄的样品进一步地最终减薄。
从大块材料上切取薄片的方法因材料不同而异。对于金属材料可以用电火花切割方式（又称线切割）切下0.3mm-0.5mm的薄片；对于无机非金属材料可以用金刚石切刀切割约0.5mm的薄片。上述切割过程必须保持在冷却条件下进行，例如，金属线切割过程中始终用泵泵取冷却液沿钼丝流下，保持切割面冷却。
无论是切割下的金属薄膜片还是无机非金属薄片都需要进一步研磨减薄。为了便于手工握持或机械夹持，可以将切割的薄片粘接在稍大的物体上，粘接样品薄片的胶水可以是502胶或热熔胶等胶黏剂。粘接好的薄片在水砂纸上研磨，一边研磨一边用水冷却，确保磨面不会因为摩擦而过高升温；另一方面，研磨过程中要反复调换研磨面，使薄片两面的摩擦磨损均匀，以免应力不均引起试样翘曲变形。当薄片被研磨到50µm左右，再从薄片上取出一些直径3mm圆片样品进行最终减薄。
50µm左右的厚度对电子束来说仍然过厚，难以透过，必须进行最终减薄。最终减薄方法有两种，即双喷减薄和离子减薄。效率最高、最简便的方法是双喷减薄抛光法。图3为一台双喷减薄仪电解减薄方法的示意图。将研磨减薄后的直径为3mm的圆片夹持在试样架中，试样架与阳极相联。减薄时，直径为3mm圆片的中心部位两侧各有一个电解液喷嘴，从喷嘴喷出的液柱与阴极相接，这样作为阳极的样品被腐蚀抛光。电解液通过耐酸泵进行循环。在两个喷嘴的轴线上还装有光导纤维，其中一个光导纤维和光源相接，另一个则和光敏元件相连。如果样品在抛光腐蚀减薄中，中心出现小孔，光照射到光敏元件上，输出的电信号就可以将抛光腐蚀线路的电源切断。用这样的方法制成的薄膜样品，中心穿孔附近有一个较大的锲形薄区，可以被电子束穿透。直径为3mm的圆片周边是一个厚度较大的刚性支架，可以保证样品在夹持搬运过程中不会损坏。因为透射电子显微镜样品的直径也是3mm，因此，用双喷抛光装置制备好的样品可以直接装入电镜，进行分析观察，观察区域就是穿孔附近的薄区。
图3 双喷电解减薄方法示意图
离子减薄是物理方法减薄，它采用离子束剥去试样表层材料，最终使试样减薄到电子束可以通过的厚度。图4是离子减薄装置示意图。试样放置于高真空样品室中，氩离子束从两侧在3kV-5kV加速电压加速下轰击试样表面，样品表面相对离子束成0º-30º角的夹角。离子减薄方法可以适用于矿物、陶瓷、半导体及多相合金不能减薄的场合。离子减薄的效率低，一般4µm/h左右。但是离子减薄的质量高、薄区大。
图4 离子减薄装置示意图
三、透射电子显微镜的基本用途
应用透射电子显微镜可以分析固体颗粒的形貌、大小和粒度分布；研究由表面起伏现象表现的微观结构；研究晶体的结构等。
1、分析固体颗粒的形状、大小和粒度分布等。凡是粒度在透射电镜观察范围（几埃到几微米）内的粉末颗粒试样，均可用透射电镜对其颗粒形状、大小和粒度分布进行观察。例如在电镜下对氯化钠样品进行观察，可以看到氯化钠的立方体晶粒。因电镜照片有确定的放大倍数，可以计算出所观察试样中晶粒的大小，可计算出颗粒大小的分布。
2、研究由表面起伏现象表现的微观结构。材料的某些微观结构特征能由表面起伏现象表现出来，或者通过某种腐蚀的办法（化学腐蚀、离子蚀刻等），将材料内部的结构特点转化为表面起伏的差异，然后用复型的制样方法，在透射电镜中显示试样表面的浮雕特征。将组织结构与加工工艺联系起来，可以研究材料性质、工艺条件与性能的关系。这类观察类似于在金相显微镜下观察试样，在金属学中用于金相分析和断口分析，由于电镜的分辨本领比光学显微镜高得多，故可以显示出更多的结构细节。例如用电镜照片可观察陶瓷的晶界区附近的平滑区（经热腐蚀后），不同晶粒内有不同形态的热蚀坑，表明晶粒的不同取向；不同的晶界平滑区宽度表明其能量相异或晶界影响区的不同。又如从高硅氧微孔玻璃的显微结构中，可以辨认出孔结构的大小和形貌。
3、研究试样中对电子散射能力有差异的各部分的微观结构。由于试样本身各部分的厚度、原子序数等不同，可形成对电子散射能力的差异，有些试样可以通过重金属染色的办法来增加这种差异。这类材料可制成电子束能穿透的薄膜试样，在透射电镜中观察分析。
4、研究金属薄膜及其他晶态结构薄膜中各种对电子衍射敏感的结构问题。这类薄膜试样可以在透射电镜中进行电子衍射分析，研究晶体缺陷（位错、层错、空位等），分析杂质和研究相变等问题。在金属、矿物、陶瓷材料的研究中经常遇到这类问题，现在也开始将这种方法应用于高分子及其他材料的研究中。
5、电子衍射分析。电子衍射有广泛的用途。应用电子衍射方法可以确定晶体的点阵结构，测定点阵常数，分析晶体取向和研究与结构缺陷有关的各种问题，电子衍射与X射线能谱配合可进行物相分析。选区电子衍射与形貌图像相结合，为微晶的研究提供了特别有利的手段。
6、利用透射电镜解决一些疑难问题。例如某高岭土样品，化学成分分析结果Fe、Mn、Ti等元素含量都不高，X射线和红外光谱分析也未检测出Fe、Mn、Ti等成分，但高岭土的白度值不高，通过透射电镜发现样品里存在微小的金红石矿物颗粒，为高岭土的利用提供了新的依据。又例如，在用透射电镜研究黄铁绢英岩中的绢云母时，意外发现了微小的石膏颗粒，通过工作，得出了该地区存在两期成矿的新认识。 |
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
