透射电子显微镜ppt课件.pptx

透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）,阿贝（Ernst Abbe）最先提出，物体的成像分辨率受限于所用光波的波长，因此光学显微镜的成像极限约为几个微米。 蔡斯光学的两位科学家August Khler和Moritz von Rohr领导了紫外光显微镜的研发，这将显微镜的分辨率提高了2个数量级，但是所使用的石英光学组件极其昂贵。 因此，当时人们认为，由于上述限制条件，获取亚微米级图像信息几乎是不可能的。,1858年，德国的数学物理学家普吕克（Julius Plcker）最早认识到“阴极射线”可以被磁场偏转。,德国物理学家布劳恩（ Karl Ferdinand Braun ，发明家。因改进和发展了无线电技术，1909年与马可尼分享诺贝尔物理学奖）1897年，布劳恩利用“阴极射线”的偏转效应制造了第一台示波器（cathode ray oscilloscopes，CROs ）。,1891年， Riecke就指出阴极射线可以被这些磁场进行聚焦，从而进行简单的透镜设计。 1926年，Hans Busch进一步发展了Riecke的理论，在适当的假设之下，将透镜制造者方程（ Lensmakers equation ）应用于电子。,1928年，柏林技术大学从事高压电技术和电气设备研究的Adolf Matthias教授指派Max Knoll领导一个研究团队，进行CRO的改进工作。 该团队中有几个博士研究生，包括Ernst Ruska和Bono von Borries。他们在改进CROs的设计参数的同时，研发了一类电子光学组件，可以产生低放大倍数（几乎是1:1）的图像。1931年，该研究小组成功获得了置于阳极上的筛网的放大图像，他们使用了两个磁透镜以获取较高的放大倍数，这被认为是第一台电子显微镜。 同年，西门子公司科学部主任Reinhold Rudenberg建造了一台以静电透镜为基础的电子显微镜。,Ernst August Friedrich Ruska (1906 1988)，德国物理学家，1986年诺贝尔物理学奖获得者。,Sketch of first electron microscope, originally from Ruskas notebook in 1931, capable of only 16 times magnification,The first practical TEM, Originally installed at I. G Farben-Werke and now on display at the Deutsches Museum in Munich, Germany,早在1927年，德布罗意就提出了“波粒二像性”假说，指出电子具有波动性。但是，Ruska所在的研究小组直到1932年才了解到这一学说，他们立刻认识到既然电子的德布罗意波长要比光波长小许多数量级，理论上是可以用来产生原子级的图像的。 1932年4月，Ruska提议组建一台新的电子显微镜，并对插入显微镜之中的样品进行直接成像，而不是对简单的筛网或孔阑成像。该装置很快就成功获得了铝片的衍射图样和常规影像，但是却无法确认获得了超过光学显微镜的放大倍数。直到1933年9月，该研究小组设法在电子束破坏样品前，手疾眼快地获取到了棉花纤维的图像，才证明了这一点。,光学显微镜下的彩色棉纤维,伤口上的纱布，凝结了红血球的棉纤维,通过微波加热并以热液合成法制得的氧化锌微粒,弯曲测试后的钢铁表面,1 电子光学基础,1、光学显微镜的分辨率 分辨本领：物体上能分辨出来的两个点间的最小距离，光学显微镜的分辨本领为 其中为照明光源的波长。在可见光波长范围内，光学显微镜的分辨本领极限为200 nm。,2、电子波的波长 电子显微镜的照明光源是电子波。电子波的波长取决于电子的运动速度和质量 电子的运动速度v与加速电压U之间的关系为 由此得到,可见光波长范围：390 760 nm,3、电磁透镜,磁透镜一开始就是一组线圈，据说Ernst Ruska发现加一个铁套磁场更稳定，后来又发现铁套上开一个小孔，小孔上面加对称的两对小凸起，磁场能更强更均匀，聚焦能力更好。这个凸起的部分称为“极靴（polepiece）”，是为了造成局部的强磁场，因为退磁场的缘故，“磁荷”倾向于在大曲率的地方集中。,极靴的主要作用是“引导”磁场。比较理想的物镜需要磁场强，并且厚度薄，这两个要求很难兼顾。极靴用软磁材料做成，起到束缚磁力线的作用，但是如果没有开口，磁力线都在极靴内部，那就不能作为透镜使用。所以要开口。开口之后，磁力线在开口出泄漏出来，在电子束的通路上形成了一个很强的，并且长度很短的磁场，可以对电子束聚焦。至于那个凸起的样式，就跟深入的磁场设计有关了，可能还要兼顾样品以及光阑需要的空间。,中间的黄铜色金属是磷化青铜（PHOSPHORBRONZE），两边的不锈钢色金属是高Ni含量的不锈钢,变焦距变倍率会聚透镜,4、电磁透镜的基本特性,球差即球面像差，系由于球面透镜中心区域和边缘区域对电子的折射不符合预定规律造成的。远轴电子比近轴电子的折射程度更大，通过透镜成像时就不会会聚到一个焦点上，形成一个散焦斑。在远轴电子焦点和近轴电子焦点之间可以找到一个最小散焦圆斑。,像散是由透镜磁场的旋转非对称性引起的。极靴内孔不圆、上下极靴轴线错位、极靴材质不均匀以及局部污染都能使磁场产生椭圆度，使其在不同方向上的聚焦能力产生差别，从而使得成像物点通过透镜后不能聚焦成一点。,色差是由入射电子波的能量的非单一性造成的，能量大的电子在距透镜光心较远的地点聚焦，而能量低的电子在距透镜光心较近的地点聚焦，从而形成一定的焦距差。,物体点通过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上并不是得到一个点，而是得到一个中心最亮、周围带有明暗相间同心圆环的圆形光斑，称为艾里斑。,非相干叠加,两个光斑强度峰间的谷值比强度峰值低19%时，这个强度反差人眼刚有感觉，即这个反差值就是人眼能否感觉出存在两个斑点的临界值。,19%,若同时考虑衍射效应和球差，会发现改善其中一个因素时会使另一个因素变坏。关键是确定电磁透镜的最佳孔径半角0，使得衍射效应的艾里斑与球差的散焦斑尺寸大小相等，表明两者对透镜分辨本领的影响是一样的。,5、电磁透镜的景深和焦长 景深：电磁透镜的景深很大，这是小孔径成像的必然结果。 当透镜的焦距、像距一定时，应只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，并在透镜的像平面上获得理想的图像。由于样品总有一定的厚度，因此偏离理想物平面的物点都有失焦现象，但是只要失焦斑点尺寸不大于散焦斑，对透镜的像分辨本领就不会产生影响。,焦长：当透镜的物距和焦距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动也会引起失焦。我们把透镜焦平面允许的轴向偏差称为焦长，用DL表示。,既然电子显微镜的成像原理与光学显微镜极其相似，我们先偏离一下主题，用一种新的方式考察一下光学成像的原理，以便更好地理解电子显微镜的各种实验技术。,2 阿贝显微镜成像原理,Ernst Karl Abbe (1840 - 1905)，德国物理学家。1840年 1月23日生于爱森纳赫。他的父亲是纺纱工人，家境贫困,阿贝靠别人资助才得以上中学和大学，于1861年在耶拿大学获得博士学位。1863年在耶拿大学担任数学、物理学和天文学讲师，1876年任教授。1866年与C.蔡司合作研制光学仪器。这一合作有力地促进了德国光学工业的发展。阿贝后来还做了蔡司工厂的负责人。1905年1月14日在耶拿逝世。 以显微镜为中心，阿贝在光学仪器的光具组理论上，做出了两项重要贡献：一是几何光学的“正弦条件”,确定了可见光波段上显微镜分辨本领的极限，为迄今光学设计的基本依据之一；二是波动光学的显微镜二次衍射成像理论阿贝成像原理，把物面视为复合的衍射光栅，在相干光照明下，由物面二次衍射成像。A.B.波特1906年从实验证明了这理论。这理论在近年以激光为实验条件的光学变换理论中成为基础理论之一。 在光学元件和仪器方面，他在1867年制成测焦计，1869年制成阿贝折射计及快速测定玻璃色散的分光仪。1870年后，又制成数值孔径计、高度计和比长仪等；1879年与O.肖托合作，研制成可用于整个可见光区的复消色差镜头。阿贝对天文学有很大兴趣，在他从事光学仪器的研究和设计中也改进了不少天文观察仪器，如棱镜望远镜和立体测远计等。,处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠加。这是传统光学的一般方法。可以从另外一个角度分析这类问题。入射波场，遇到障碍物之后，波场中各种物理量重新分布。衍射障碍物将简单的入射场变换成了复杂的衍射场。所以可以从障碍物对波场的变换作用，来分析衍射。从更广义的角度，不仅仅是相干波场的障碍物，非相干系统中的一切使波场或者波面产生改变的因素，它们的作用都可以应用变换的方法处理。,一、夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分析,理论上，当光源和观察点均距物体无穷远时发生的衍射称为夫琅和费衍射。实际上，若光源和观察点均离主轴非常近（即满足“傍轴条件”），在与通光孔平面平行的某平面上也可以观察到夫琅和费衍射。1空间频率的概念 在空间上也可以定义周期和频率，空间周期d的倒数就是空间频率，即 f 称为空间频率。,2、衍射系统的屏函数,能使波前的复振幅发生改变的物，统称为衍射屏。 衍射屏将波的空间分为前场和后场两部分。前场为照明空间，后场为衍射空间。,波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为入射场、透射场（或反射场），接收屏上的复振幅为接收场。,入射场,透射或反射场,接收场,衍射屏的作用是使入射场转换为透射场（或反射场） 。用函数表示，就是透过率或反射率函数，统称屏函数。,衍射屏函数,屏函数的模。模为常数的衍射屏称为位相型的 ，如透镜、棱镜等。,屏函数的幅角即位相。幅角为常数的衍射屏称为振幅型的 ，如单缝、圆孔等。,3余弦光栅的傅立叶变换 平行光正入射，余弦光栅的屏函数为 若入射场为 则透射场为,衍射特征 三个衍射斑最重要的一点是：其1级衍射斑的角方位与余弦光栅的空间频率一一对应：,理想夫琅和费衍射系统起到空间频率分析器的作用.当单色光波入射到待分析的图象上时,通过夫琅和费衍射,一定空间频率的信息就被一定特定方向的平面衍射波输送出来. 这些衍射波在近场彼此交织在一起,到了远场它们彼此分开,从而达到分频的目的.常用远场分频装置是透镜，将不同方向的平面波汇聚到后焦面上不同的点上，形成一个个衍射斑，这些衍射斑和图象的空间频率一一对应。后焦面就是图象的傅立叶频谱面，称为傅立叶面，夫琅和费衍射斑称为谱斑。这就是现代光学对夫琅和费衍射的新认识。,二、阿贝成像原理,任何衍射物体均可看作是一系列光栅的线性组合，因此上述对余弦光栅的讨论结果可以推广至任何物体。对于衍射屏，可以用Fourier变换将其展开为Fourier级数（周期性函数）或Fourier积分（非周期性函数）。,以简单的平面波入射，透射波为,可以用屏函数表示衍射波（透射波）,阿贝对成像过程的理解 一、可以从几何光学的角度，即光线的折射来说明成像过程 二、也可以从Fraunhofer衍射的角度，即对波前的变换来说明成像的过程 以余弦光栅的成像说明阿贝成像原理,第一步，物光波（屏函数的平面波）经过透镜在其焦平面上汇聚成衍射斑，即点光源。第二步，焦平面上的衍射斑作为相干的点光源，发出的次波在像平面上相干叠加。,傍轴近似条件下，z x、y，对光程可作泰勒级数展开,阿贝成像原理：物是一系列不同空间频率的集合。入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在透镜焦面（频谱面）上形成一系列衍射光斑，各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加，形成像。在成像过程中，有两点需要注意：（1） 物的空间频率为f，而像的空间频率为f/V，或空间周期由d变为Vd，表示像的几何放大或缩小，不影响像的质量；（2） 像质的反衬度可以通过交流部分与直流部分的比值体现，对于物像，都有即像的反衬度没有下降。,阿贝成像原理的原意是为了提高显微镜（相干照明）分辨本领。 研究表明，物镜口径有限，丢失高频信息，因而像面上不能显示物的细节，像变模糊了；为使像场准确地反映物场，当尽量扩大物镜口径。,阿贝成像原理的真正价值在于为空间滤波 光学信息处理技术开辟了一条理论途径，启发人们从改变频谱入手以改变输出信息。,三、空间滤波,空间频率与波的衍射角相关，可以据此做成低通、高通或带通的滤波装置。,低通,高通,带通,物为一维矩形光栅，滤波器为一可调单狭缝,光栅结构,频谱及截取,像波函数,像光强函数,像,物为二维正交网格，滤波器为一可转动单缝（Abbe-Porter 实验）,一个实例：指纹打卡器,另一个实例：相衬显微镜,人眼对振幅的差别可以看出来，但对相位的差别是不能察觉的。 对于完全透明的标本，因为其各个部分对于光波的吸收基本一致，普通显微镜无法看到。但这并不是说光波在经过透明标本的不同部分时不受影响或受到的影响都一样。事实上，由于不同部分的折射率不同，虽然光通过后成像的振幅基本一致，但光波在通过时的光程是不一样的。 泽尼克提出相衬法，根据相衬原理制备了相衬显微镜（ phase contrast microscope）又叫相差显微镜。它把样品的相位信息通过一种特殊的滤波器，转化为输出像面上的光强分布，使相位型样品的折射率信息变为可见的强度分布。泽尼克发明的相衬法和相衬显微镜是光学空间滤波和信息处理技术应用实际方面的一项首创性工作。 相衬显微镜的主要特点是不需要对标本进行染色，这就避免了在染色过程中由于化学作用可能引起的标本内部结构的变化。有些染不上色的标本也可以用相衬显微镜来观察。各种显微镜都可以通过加附加装置来达到看相差的目的。,定时相衬显微镜的肺炎野生型菌株R6,优质水藻展现令其内部显现红色的天然色素虾青素。水藻每一个都是直径约为40微米的单细胞。由这种藻类细胞生成的虾青素被用于制作橙红色的颜色。美国华盛顿州伊萨夸市专业摄影师查尔斯克莱布斯(Charles Krebs)利用相衬显微镜技术，捕捉到取自室外池塘的水藻样本的照片。,泽尼克(Frizs Zernike, 1888-1966)1953年获诺贝尔物理奖,3 透射电镜的成像方式,透射电子显微镜由电子光学系统（筒镜系统）、电源和控制系统及真空系统组成。电镜的真空度一般应保持在10-5托，这需要机械泵和油扩散泵两级串联才能得到保证。目前的透射电镜增加一个离子泵以提高真空度，真空度可高达133.322108Pa或更高。,JEM-2100 透射电子显微镜整体外观图,JEM-2100 透射电子显微镜内部横截面图,JEM-2100 透射电子显微镜透镜和线圈布置图,高性能的电子显微镜一般采用五级透镜放大，即一级物镜、二级中间镜和二级投影镜（或三级中间镜、一级投影镜）。物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜，透射电子显微镜的分辨本领主要取决于物镜。中间镜的主要作用是利用其可变倍率控制电镜的总放大倍数，并利用其与物镜的相对位置变化获得电子显微图像或电子衍射花样。投影镜的作用是将中间镜的像进一步放大，并投射到显示屏上。,中间镜的物平面与物镜的像平面重合，则在显示屏上得到一幅放大像 成像操作中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，则在显示屏上得到一幅电子衍射花样 电子衍射操作,一、复型技术和质量厚度衬度成像原理,衬度：在显示屏或照相底片上，人眼能观察到的光强度或感光度的差别。电子显微镜图像的衬度取决于投射到显示屏或照相底片上不同区域的电子强度差别。对于非晶体样品，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多（或样品越厚）、样品原子核库仑电场越强（或样品原子序数越大或密度越大），被散射到物镜光阑外的电子就越多，而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低。,利用样品的质量、密度、厚度差别造成图像反差的测量方法称为质量厚度衬度成像法，简称“质厚衬度成像”。,电子束的穿透能力比较低，用透射电子显微镜分析的样品非常薄，一般5 500 nm之间，需要一些特殊的制样方法。 复型，就是样品表面形貌的复制。复型法是一种间接分析法，通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。 可制备复型材料特点：（1）必须是非晶态材料（防止发生晶体衍射）；（2）粒子尺寸必须很小，以提高分辨率，碳粒 2 nm，塑料 10 20 nm；（3）耐电子轰击。 真空蒸发可形成碳膜，浇铸蒸发可形成塑料膜，厚度均在100 nm左右。 目前，复型技术已部分被SEM等方法替代，但在断口观察等方面仍有独特优势。,一级塑料复型 一级碳复型 膜厚度随试样位置而异 碳膜厚度基本一致 不破坏样品 破坏样品（化学分离或电化学分离）,塑料 碳二级复型 先制备中间复型（塑料复型），然后在中间复型上进行第二次碳复型（带重金属Cr、Au投影，即斜面喷涂），再把中间复型溶去，最后得到的是第二次复型。 醋酸纤维素（AC纸）或火棉胶都可以作中间复型。 特点：不破坏原始样品，稳定性和导热导电性好，分辨率与一级塑料复型相当。,30CrMnSi不锈钢回火组织（a）和低碳钢冷脆断开（b）的复型图像回火组织中析出颗粒状碳化物，解离断开上的河流花样,冰冻蚀刻（freeze-etching）亦称冰冻断裂（freeze-fracture）。标本置于-100C的干冰或-196C的液氮中，进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开，升温后，冰在真空条件下迅即升华，暴露出断面结构，称为蚀刻（etching）。蚀刻后，向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂，再以90度角喷涂一层碳，加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜（replica）。复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。,萃取复型 在一级碳复型的同时，将粒子从基体上剥离下来，在分析形状、大小和分布的同时，对粒子的物相和晶体结构进行分析。 碳膜厚一点，基体腐蚀深一点。,钢的塑性断口的显微组织，黑粒子是萃取在复型上的MnS颗粒，可用选区电子衍射鉴定。,粉末样品制样方法： 关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，各自独立而不团聚。（1）胶粉混合法：粉末 + 火棉胶，玻片对研，成膜，入水脱膜，膜片被捞于铜网上。（2）支持膜分散粉末法：预制支持膜（火棉胶膜或碳膜）置于铜网上，粉末颗粒用超声波搅拌器分散为悬浮液，滴在支持膜上，静置干燥。,超细陶瓷粉末的透射电镜图像（a）Y2O3（b）Fe2O3,二、选区电子衍射,单晶衍射：整齐排列的斑点多晶衍射：同心圆环非晶态物质衍射：一个散漫的中心斑点,电子衍射的特点：1、电子波的波长短，衍射角很小，约102 rad。2、电子衍射采用薄晶样品。3、衍射花样能比较直观地反映晶面取向。4、电子衍射强度大（比X射线高约4个数量级），摄谱时间仅需几秒钟。,电子显微镜中的选区电子衍射,选区衍射所选的区域很小，因此能在晶粒十分细小的多晶体中选取单个晶粒进行分析，从而为研究材料单晶体结构提供有利条件。例如，选区光阑的直径是50 m，物镜放大倍数为50，则该光阑就可以套取样品上任何直径1 m的结构细节。,选区电子衍射的实例，其中图a是一个简单的明场像，图b、c和d是对图a中的不同区域进行选区电子衍射操作以后得到的结果。,ZrO2 CeO2陶瓷选区衍射结果（a）基体相与条状新相共同参与衍射的结果；（b）只有基体母相参与衍射的结果。,AuCu3有序相的超点阵花样,当晶体内部的原子或离子产生有规律的位移，或者不同种原子产生有序排列时，将引起电子衍射结果的变化，即可以使原本消光的斑点出现，这种额外的斑点称为超点阵斑点。无序相AuCu3：面心立方，晶面指数（hkl）有奇偶的晶面族会消光，如（100）、（010）、（001）等晶面衍射斑点不会出现。有序相AuCu3：面心立方，Au原子位于晶胞顶点，Cu原子位于晶胞面心，原来消光的晶面族出现衍射斑点。,(200),(020),(220),(000),(100),(110),CuAu3无序和有序的模型和对应的电子衍射花样。图a是CuAu3无序时的晶体结构模型图b是有序时的晶体结构模型图c是与无序对应的电子衍射花样图d则是与有序对应的超点阵电子衍射花样,三、晶体薄膜制备和衍射衬度成像分析,晶体薄膜样品的厚度大致均匀，且平均原子序数也没有差别，因此不可能利用质量厚度衬度来获得满意的图像反差。新的成像方法称为衍射衬度成像，简称“衍衬成像”。 以单相多晶体材料为例，假定薄膜内有A、B两个晶粒，它们之间的唯一差别在于晶体学位向不同。 若在入射电子束的照射下，B晶粒的某（hkl）晶面族恰好精确满足布拉格衍射条件，而其余晶面均与衍射条件存在较大偏差。此时，在B的选区衍射中（hkl）斑点最亮，即（hkl）晶面族的衍射束最强。,衍衬成像 明场像成像原理图,明场像 暗场像 中心暗场像,离轴光线成像，像差大,衍衬成像 中心暗场像成像原理图,薄膜样品的制备方法：1、切割薄片：0.5 mm厚度（1）金属样品（或导电样品） 电火花切割法（2）陶瓷样品（或不导电样品） 金刚石刃内圆切割机,2、预先减薄：（1）机械法 70 100 m 研磨（2）化学法 20 50 m 腐蚀 + 电解抛光 各种配方的化学减薄液和电解抛光液,3、最终减薄（1）金属（导电体） 双喷抛光法（2）陶瓷（非导电体） 离子轰击减薄,双喷式电解减薄装置示意图,离子减薄装置示意图,