透射电子显微镜

这是一篇关于透射电子显微镜的思维导图，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。

透射电子显微镜

• 定义
  • 是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。
• 工作特点
  • 动的微观粒子具有波粒二象性
  • 电子波的波长比可见光要短得多；
  • 具有比光学显微镜高得多的分辨能力；
  • 电子在电场中会受到电场力运动，以及运动的电子在磁场中会受到洛伦兹力的作用而发生偏转；
  • 静电透镜和磁透镜使电子束聚焦和成像。
• 工作原理
  • 工作原理图
  • 透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。 热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。 具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息
• 组成部分
  • 电子光学系统(镜筒)
    • 镜筒结构
      • • 自上而下依次为：电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和照相装置。
  • 电源系统
  • 真空系统
  • 操作控制系统
  • 样品室
    • 作用是安装各种形式的样品台，提供样品在观察过程中的各种运动
• 性能指标
  • 分辨本领（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 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
  • 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，通常指最高加速电压）
  • 放大倍数
    • 指电子图像相对于试样的线性放大倍数 电镜的低倍放大倍数需要与光学显微镜相衔接
• 透射电镜象衬形成原理
  • 定义
    • 电子图像上明暗（或黑白）的差异称为图像的衬度（或反差）
      • 主要取决于投射到荧光屏或感光底片上不同区域的电子强度的区别。
  • 种类
    • 散射（质量-厚度）衬度
      • 定义
        • 由于试样上各部位散射能力不同所形成的衬度
          • 是非晶态形成衬度的主要原因
    • 衍射衬度
      • 定义
        • 由电子衍射产生的衬度称为衍射衬度
      • 来源
        • 两个晶粒的取向差异使它们偏离布拉格衍射的程度不同而形成的衬度
        • 缺陷或应变场的存在，使晶体的局部产生畸变，从而使其布拉格条件改变而形成的衬度
        • 微区元素的富集或第二相粒子的存在，有可能使其晶面间距离发生改变，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括第二相由于结构因子的变化而显示衬度.
    • 相位衬度
      • 定义
        • 轻微散射电子与透射电子之间存在相位差，再加上透镜失焦和球差对相位差的影响，经物镜的会聚作用，在像平面上发生干涉。由于样品各点的散射波与透射波的相位差不同，在像平面上产生的干涉后的合成波也不同，这就形成了图象上的衬度
      • 特点
        • 是超薄样品和高分辨像的衬度来源
          • 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
  • 质厚衬度原理
    • 公式
      • • r:聚合物试样的密度， t :厚度，将 r t 称为质量厚度。
          • 当A、B两区不是由同一种物质组成时，由上式知，衬度不仅取决于样品的厚度差，还取决于样品的原子序数差
      • 同一材料
        • • 衬度G取决于质量厚度ρt
    • 基础
      • 透射电镜小孔径角成像
        • 达成方法
          • 在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑
        • 特点
          • 所有大于α的都被物镜光阑挡掉，不参与成像。
          • 定义散射角大于α的散射区为散射截面。凡落入散射截面以内的入射电子不参与成像，而只有落在散射截面以外的才参与成像。
      • 试样原子对入射电子的散射
• TEM样品制备
  • 要求
    • 需要很薄的样品（100-200nm）
  • 试样分类
    • 复型样品
    • 超显微颗粒样品
    • 材料薄膜样品
  • 制样设备
    • 真空镀膜仪，超声清洗仪，切片机，磨片机，电解双喷仪，离子薄化仪，超薄切片机
  • 制备方法
    • 支持膜法
      • 适用范围
        • 粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法
      • 膜要求
        • 支持膜要求很薄和均匀（<20nm），有较高的强度，“透明”
      • 材料条件
        • 本身没有结构，对电子束的吸收不大
        • 本身颗粒度要小，以提高样品分辨率
        • 本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂
      • 常见膜材料
        • 碳、火棉胶、聚醋酸甲基乙烯酯、氧化铝等。
      • 分散试样方法
        • 液相滴附法
          • 把高分子稀溶液、乳液或悬浮液吸少量放在支持膜上，干燥后观察
    • 投影法
      • 真空镀膜机把重金属以一定的角度沉积到试样表面上去，以提高衬度
    • 超薄切片法
      • 研究范围
        • 究大块聚合物样品的内部结构
      • 缺点
        • 切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲
          • 克服方式
            • 冷冻法
              • 将样品在液氮或液态空气中冷冻
            • 包埋法
              • 样品包埋在一种可以固化的介质中。选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削过程中使超微结构发生变形。
    • 复型法
      • 研究范围
        • 厚度大而无法切片的样品（如电子束不能透射或易受影响）
      • 方法
        • 表面轮廓复型，观察复型膜
      • 不足之处
        • 只能研究表面的形貌特征，不能研究其结构和成分分布。
      • 常用方法
        • 火棉胶一级复型（负复型）、碳膜一级复型（正复型，须重金属投影）、塑料膜-碳膜二级复型（负复型）
  • 材料处理
    • 染色
      • 用一种含重金属的试剂对试样中的某一相或某一组分进行选择性的化学处理，使其结合或吸附上重金属，从而导致其对电子的散射能力有明显的变化
    • 通过把重金属引入到试样表面或内部，使聚合物的多相体系或半晶聚合物的不同微区之间的质量差别加大
    • 刻蚀
      • 目的在于通过选择性的化学、物理作用，加大上述聚合物试样表面的起伏程度。
      • 研究范围
        • 高分子聚焦态结构（特别是结晶形态）和高分子多相复合体系结构形态。
      • 方法
        • 化学试剂蚀刻
          • 氧化剂
            • 是使试样表面某一类微区容易发生氧化降解作用，使反应生成的小分子物更容易被清洗掉，从而显露出聚合物体系的多相结构来。
          • 溶剂
            • 不同组分或不同相在溶解能力上的差异。
        • 离子蚀刻
          • 是利用半晶聚合物中晶区和非晶区或利用聚合物多相体系中不同相之间耐离子轰击的程度上的差异
• 应用
  • 研究高分子的结晶结构
  • 研究多组分多相高分子体系的微观形态结构
    • 嵌段共聚物
      • 按组分含量分
        • 棒状
        • 层状
        • 球形
    • 橡胶增韧塑料
    • 高分子乳液颗粒形态
  • 分散物的形貌分析
  • 观察复合材料中无机填料的分散情况
  • 光致发光效应分析
• 电子组件作用
  • 电子枪
    • 决定像的亮度、图像稳定性和穿透样品的能力。所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高
  • 聚光镜
    • 作用是将来自电子枪的电子束汇聚到被观察的样品上
  • 物镜
    • 物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领
  • 中间镜和投影镜
    • 其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。
      • 这样的过程称为三级放大成像。
        • 三级成像系统光路图