透射電鏡（TEM）原理及應(yīng)用介紹 - 全文

? ? ? ? 人的眼睛只能分辨1/60度視角的物體，相當(dāng)于在明視距離下能分辨0.1mm的目標(biāo)。光學(xué)顯微鏡通過透鏡將視角擴大，提高了分辨極限，可達到2000A。。光學(xué)顯微鏡做為材料研究和檢驗的常用工具，發(fā)揮了重大作用。但是隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們對于顯微鏡分析技術(shù)的要求不斷提高，觀察的對象也越來越細。如要求分表幾十?；蚋〕叽绲姆肿踊蛟印Ｒ话愎鈱W(xué)顯微鏡，通過擴大視角可提高的放大倍數(shù)不是無止境的。阿貝（Abbe）證明了顯微鏡的分辨極限取決于光源波長的大小。在一定波長條件下，超越了這個極限度，在繼續(xù)放大將是徒勞的，得到的像是模糊不清的

　　TEM簡介

　　透射電子顯微鏡（英語：Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2微米、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。

　　一、 透射電鏡的工作原理及構(gòu)造

　　1、工作原理：

　　?成像原理與光學(xué)顯微鏡類似

　　?不同點：光學(xué)顯微鏡用可見光作照明束，透射電子顯微鏡用電子為照明束；

　　光學(xué)顯微鏡中聚焦成像用玻璃透鏡，TEM中為磁透鏡。

　　?電子波長極短，且與物質(zhì)作用遵從布拉格方程（λ=2dsinθ），產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，∴TEM具有高分辨率且有結(jié)構(gòu)分析功能。

　　2、構(gòu)造：

　　TEM由電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)。電子光學(xué)系統(tǒng)是主要部分。

　　電子光學(xué)系統(tǒng)→電子照明系統(tǒng)、試樣室、成像放大系統(tǒng)、觀察與記錄系統(tǒng)。

　　?電子照明系統(tǒng)→電子槍、會聚鏡系統(tǒng)（為成像提供亮度高、相干性好的照明光源）

　　?電子槍：由陰極、柵極、陽極組成，陰極發(fā)射電子形成高速電子流。有的六硼化鑭LaB6、場發(fā)射電子槍，其各種性能優(yōu)于鎢絲三級電子槍。

　　?聚光鏡：會聚電子束、控制照明孔徑角、電流密度、光斑尺寸。高性能電鏡采用雙聚光鏡，第一聚光鏡為短焦距強激磁透鏡，使照明束直徑降為0.2~0.75μm；第二聚光鏡為長焦距磁透鏡，放大倍數(shù)一般是2倍，∴照在式樣上的束徑增為0.4~1.5μm左右。第二次透鏡下的聚光鏡光闌用來限制和改變照明孔徑角。

　　?樣品室→樣品桿、樣品杯、樣品臺。

　　?樣品放在直徑3mm、厚50~100μm的載網(wǎng)上，再放入樣品杯中，最后放在樣品臺上。

　　?樣品臺的作用為承載樣品、使樣品能在物鏡極靴口內(nèi)平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)以選擇感興趣的樣品區(qū)域進行觀察。樣品臺有頂插式和側(cè)插式，頂入式不能傾斜、平衡性好；側(cè)入式可傾斜、平衡性差。

　　?成像放大系統(tǒng)→物鏡、中間鏡、投影鏡。

　　?物鏡：物鏡的分辨本領(lǐng)決定了TEM的分辨本領(lǐng)，∴物鏡采用強激磁、短焦距透鏡減少像差、借助孔徑不同的物鏡光闌和消像散器和冷阱降低球差，改變襯度消除像散，防止污染以獲得最佳分辨本領(lǐng)。一般放大倍數(shù)為100~300倍，高質(zhì)量分辨率可達0.1nm。物鏡后的選區(qū)光闌作用為減小物鏡的球差、像散、色差，提高圖像襯度。

　　?中間鏡：操作過程中主要利用中間鏡的可變倍率調(diào)節(jié)TEM放大倍數(shù)。不會影響清晰度。中間鏡是弱激磁長焦距變倍透鏡，可在0~20倍范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。（M》1，放大；M《1，縮?。?/p>

　　??熒光屏得到顯微放大相的條件：中間鏡平面=物鏡像平面

　　熒光屏得到衍射斑的條件：中間鏡物平面=物鏡后焦平面

　　?圖像觀察與記錄系統(tǒng)→熒光屏、照相機、數(shù)據(jù)顯示。

　　二、 TEM成像原理

　　透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

　　吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理TEM透射電鏡。

　　衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。

　　相位像：當(dāng)樣品薄至100A以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

　　1、TEM成像作用分為兩個過程：

　　?平行電子束遭到物的散射作用而成為各級衍射譜，即由物變換到散射作用；

　　?各級衍射譜經(jīng)干涉重新在像平面上會聚成諸像點，即由衍射又變換到物（像是放大了的物）

　　2、三次放大圖像總放大倍率：

　　M總=M物·M中·M投

　　TEM應(yīng)用

　　透射電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)上應(yīng)用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質(zhì)量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過的銅網(wǎng)上進行觀察。