1、一、 實驗名稱透射電子顯微鏡用于無機納米材料的檢測。二、 實驗目的1. 認知透射電子顯微鏡的基本原理，了解有關儀器的主要結構；2. 學習利用此項電子顯微技術觀察、分析物質結構的方法，主要包括：常規成像、高分辨成像、電子衍射和能譜分析等；3. 重點幫助學生掌握納米材料等的微觀形貌和結構測試結果的判讀，主要包括：材料的尺寸、大小均勻性、分散性、幾何形狀，以及材料的晶體結構和生長取向等。三、 實驗原理透射電子顯微技術自20世紀30年代誕生以來，經過數十年的發展，現已成為材料、化學化工、物理、生物等領域科學研究中物質微觀結構觀察、測試十分重要的手段，尤其是近20多年來，納米材料研究的快速發展又賦予這一

2、電子顯微技術以極大的生命力，可以這樣說，沒有透射電子顯微鏡，就無法開展納米材料的研究。透射電子顯微鏡在成像原理上與光學顯微鏡是類似的，所不同的是光學顯微鏡以可見光做光源，而透射電子顯微鏡則以高速運動的電子束為“光源”。在光學顯微鏡中，將可見光聚焦成像的是玻璃透鏡；在電子顯微鏡中，相應的電子聚焦功能是電磁透鏡，它利用了帶電粒子與磁場間的相互作用。在真空系統中，由電子槍發射出的電子經加速后，通過磁透鏡照射在樣品上。透過樣品的電子被電子透鏡放大成像。成像原理是復雜的，可發生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多種效應，使得在相平面形成襯度（即明暗對比），從而顯示出透射、衍射、高分辨等圖像。對于非晶樣品而言

3、，形成的是質厚忖度像，當入射電子透過此類樣品時，成像效果與樣品的厚度或密度有關，即電子碰到的原子數量越多，或樣品的原子序數越大，均可使入射電子與原子核產生較強的排斥作用電子散射，使面通過物鏡光闌參與成像的電子強度降低，忖度像變淡。另外，對于晶體樣品而言，由于入射電子波長極短，與物質作用滿足布拉格（Bragg）方程，產生衍射現象，在衍射襯度模式中，像平面上圖象的襯度來源于兩個方面，一是質量、厚度因素，二是衍射因素；在晶體樣品超薄的情況下（如10nm左右），可使透射電子顯微鏡具有高分辨成像的功能，可用于材料結構的精細分析，此時獲得的圖像為相位襯度，它來自樣品上不同區域透過去的電子（包括散射電子）的

4、相位差異。圖1光學顯微鏡與透射電子顯微鏡成像原理的比較透射電子顯微鏡的結構包括主機和輔助系統兩大部分,主體部分（圖2）包含電子源、照明系統、成像系統和觀察記錄系統等；輔助系統包含真空系統（機械泵、離子泵等），電路系統（變壓器、調整控制），水冷系統等。以下主要介紹主體部分。透射電子顯微鏡中產生電子的裝置叫電子槍，電子槍的研發與應用大致經歷了三個階段：鎢燈絲、六硼化鑭單晶和場發射電子槍，它們所產生電子束的質量越來越好，其亮度分別比普通鎢燈絲亮幾十倍和上萬倍，而且單色性好，尤為適合于高級透射電子顯微鏡。電子槍分為熱陰極型和場發射型兩類，熱陰極電子槍的材料主要有鎢絲和六硼化鑭(LaB6)，而場發射電子

5、槍又可以分為熱場發射、冷場發射兩個分支。電子槍的功能是產生高速電子，以熱陰級電子槍為例（圖3），它由處于負高壓（或稱加速電壓）的陰極、柵極（電位比燈絲還要負幾百到幾千伏，數值可調）和處于0電位的陽極組成，加熱燈絲發射電子束，并在陽極加電壓使電子加速，經加速而具有高能量的電子從陽極板的孔中射出，電子束能量與加速電壓有關，柵極則起到控制電子束形狀的作用。另外，如果在某些金屬的表面施加強電場，金屬表面可向外逸出電子，依照此原理可制成場發射電子槍，它沒有柵極，但由陰極和兩個陽極構成，第一個陽極主要使電子發射，第二個陽極使電子加速和會聚。根據加速電壓的數值，由電子槍發射出來的電子，在陽極加速電壓（生物樣

6、品多采用80100kV，金屬、陶瓷等多采用120kV、200kV、300kV，超高壓電鏡則高達10003000kV）的作用下，經過聚光鏡（23個電磁透鏡）匯聚為電子束照射到樣品上。據此可以理解，由于電子的穿透能力很弱（比X射線弱得多），進行透射電子顯微鏡檢測的樣品必須很薄，其厚度與樣品成分、加速電壓等有關，一般范圍在100nm左右（甚至更低）。此外，整個主機系統必須保持在理想的真空狀態，真空系統通常由機械泵、油擴散泵、離子泵、真空測量儀表及真空管道組成，它的作用是抽出鏡筒內氣體，使鏡筒真空度至少要在105托及以下，目前最好的真空度可以達到10-10托左右。如果真空度不理想的話，可產生多種副作用

7、，如電子與空氣中氣體分子之間的碰撞可引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電，從而影響電子槍的壽命，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。圖2 透射電子顯微鏡基本構造（1電子槍；2加速管；3陽極室隔離閥；4第一聚光鏡；5第二聚光鏡；6聚光后處理裝置；7聚光鏡光闌；8測角臺；9樣品桿；10物鏡；11選區光闌；12中間鏡；13投影鏡；14投影鏡；15光學顯微鏡；16小熒光屏；17大熒光屏）圖3 熱陰級電子槍的基本構造圖4 熱陰級電子槍的燈絲（換成自拍的）圖5 照明系統光路圖電子槍發射出的電子束有一定的發散角，經后續調節后，可得到發散角很小的平行電子束。可通過調節會聚鏡的電流改變電

8、子束的電流密度(亦稱束流)。在透射電子顯微鏡的觀測過程中，需要亮度高、相干性好的照明電子束。因此，電子槍發射出來的電子束還要用兩個電磁透鏡進一步會聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。圖5為照明系統光路圖，一般都采用雙聚光系統。該系統的功能是為下一級成像系統提供一個亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光鏡用于匯聚電子槍射出的電子束，以求最小的損失照明樣品，調節照明強度、孔徑半角和束斑大小。在圖5中，第一聚光鏡常采用短焦距強勵磁透鏡，它的作用是將從電子槍得到的光斑盡量縮小；第二聚光鏡為長焦距弱透鏡，它的功能是將第一聚光鏡得到的光源會聚到試樣上，該透鏡通常可對光源起到放大作用。圖6 成像系統光路圖

9、（a）衍射模式（b）放大模式成像系統包括樣品室、物鏡、中間鏡、反差光闌、衍射光闌、投射鏡以及其他電子光學部件。它的主要功能是，由于穿過樣品的電子攜帶了樣品本身的結構信息，將穿過試樣的電子束在透鏡后成像或成衍射花樣，并經過物鏡、中間鏡和投影鏡接力放大，最終以圖像或衍射像的形式顯示于熒光屏上。樣品室有一套機關設置，以保證樣品經常更換時不破壞主機的真空。實驗操作時，樣品可在X軸、Y軸二維方向移動，以便找到所要觀察的位置。圖6為成像系統示意圖，物鏡是主機中最關鍵的部分，這是因為透射電子顯微鏡分辨本領的高低主要取決于物鏡。它的功能是將來自樣品不同部位、傳播方向相同和相位相同的彈性散射電子束會聚于其后焦面

10、上，構成含有試樣結構信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其像平面上，構成與試樣組織相對應的顯微像。實際上，物鏡的任務就是形成第一幅電子像或衍射像，完成物到像的轉換并加以放大，要求像差盡可能小而又要有較高的放大倍數（100200倍）。順便提及，目前新一代透射電子顯微鏡的特點是主要大幅度改善了球差矯正參數，但此類設備使用還不普及，在常見的透射電子顯微鏡中，物鏡光闌可以擋掉大角度散射的非彈性電子，使色差和球差減少，在提高襯度的同時還可以得到樣品的更多信息，在選擇后焦面上的晶體樣品衍射束成像后，可獲得明、暗場像。另外，作為弱激磁長焦距可變率透鏡，中間鏡可放大120倍，

11、它的作用是控制透射電鏡總的放大倍數，把上方物鏡形成的一次中間像或衍射像投射到投影鏡的物平面上，而投影鏡則是一種短焦距強磁透鏡，它可把經過中間鏡形成的二次中間像或衍射像投影到熒光屏上，最終形成放大的電子像或衍射像。在觀察、記錄系統中，為方便前期觀察，高性能透射電子顯微鏡除了熒光屏外，還配有用于聚焦的小熒光屏和放大510倍的光學放大鏡。熒光屏的分辨率為5070m，因此在觀察細微結構時要有足夠高的放大率，以使熒光屏能分辨并為人眼所能見。例如，如需要觀察0.5nm的顆粒就需要10萬倍的電子光學放大，再加10倍的光學放大即可。本部分最后還將談一談利用透射電子顯微鏡在科學研究中所能解決的主要問題。 （a）

12、 （b）圖7納米材料透射電子顯微鏡觀察結果示例 圖7中兩張圖片為納米材料透射電子顯微鏡的檢測結果，從中可以看出，它們是平面投影圖像，不同于富有立體感的掃描電子顯微鏡圖像。其中，圖7（a）中的納米粒子為球形（嚴格地說為準球形），顆粒尺寸大小較為均一，分散性很好；圖7（b）中的納米材料為棒形，顆粒尺寸大小較為均一，分散性較好。納米粒子的粒徑分布統計是納米材料研究中常遇到的問題，盡管現在已有多種分析測試納米材料粒徑分布的方法，如小角X射線散射等，但可信度最高的當屬依托透射電子顯微鏡技術的統計方法。（a） （b）圖8材料的高分辨透射電子顯微鏡觀察結果示例（a）晶體結構（b）自組裝結構 圖8為材料的高分

13、辨透射電子顯微鏡觀察結果，其中圖8（a）是晶體材料的高分辨圖像，從中可清楚地看見晶格條紋，并可得到晶面間距d值。至于晶面歸屬的判斷，出處理方法是，先利用高分辨透射電子顯微鏡圖像中的條紋線距離和多晶面時的相關取向，估算出該條紋線對應的晶面，然后再用相同樣品的XRD檢測結果進行矯正，對于大多數晶體物質而言，都有XRD檢測出的標準數據，如d值等，可信度高。圖8（b）也給出了有序的條紋結構，但此時層間距和層的厚度均明顯大于圖8（a）中的結果，故圖8（b）顯示的已不是晶體結構，而是所謂的自組裝結構，它是納米材料研究中的熱點問題。再來了解電子衍射問題，在透射電子顯微鏡中，來自聚光鏡的電子束打到樣品上，與樣

14、品發生相互作用，當樣品薄到一定程度時，電子就可以透過樣品。可將透過去的電子分成兩類，一類是繼續按照原來方向運動的電子，能量幾乎沒有改變，稱之為直進電子；另一類是運動方向偏離原來方向的電子，稱之為散射電子。就散射電子而言，如果電子的能量有比較大的改變，我們稱之為非彈性散射電子；有的電子能量幾乎沒有改變，可稱之為彈性散射電子。所有這些電子通過物鏡后在物鏡的后焦面上會形成一種特殊的圖像，稱之為夫瑯禾費衍射花樣。圖？對常見電子衍射花樣進行了歸納：如果被電子束照射的樣品區域是一塊單晶，則花樣的特點是中中央亮斑加周圍其它離散分布、強弱不等的衍射斑，斑點呈規律性分布；如果被電子束照射的樣品區域包括許多單晶，

15、則衍射花樣的特點是中央亮斑加周圍半徑不等的一圈圈同心圓亮環；如果被電子束照射的樣品區域是非晶，則衍射花樣的特點是中央亮斑加從中央到外圍越來越暗的彌散光暈。至于為什么會形成這些花樣的原因，可從樣品對入射電子的散射來解釋：對于晶體樣品，由于原子、離子、分子等基本質點排列的周期性，不同質點同一方向上的散射波之間存在固定的相位差，在一些方向上相位差為2的整數倍，根據波的疊加理論，在這些方向上的散射波會發生加強干涉，稱之為衍射。如圖9（a）所示，在相同方向上的衍射波在物鏡后焦面上形成一個亮斑，可稱之為衍射斑，顯然，直進的電子形成處于中央位置的透射斑，而整個后焦面的圖像稱之為電子衍射花樣，至于哪些方向上會

16、出現衍射波？這可由布拉格公式決定。由于電子衍射花樣與晶體的結構之間存在對應關系，可根據所記錄下的衍射花樣，對晶體結構（單晶）進行分析，即對圖9（a）中主要衍射斑點進行衍射指標的標注，完成這項工作需要較多的知識積累，常用的方法有：查書，通過比對一些專著中列出的標準數據，標出結果；嚴格推理，這是最為嚴謹的推斷方法，尤其適合未知晶體結構的測定，此方法的使用是建立在對晶體衍射學系統學習基礎之上的（圖10）；其他簡易的標注方法。對于多晶樣品，構成多晶的每一個單晶形成自己的衍射花樣，由于每一個單晶的取向不同，每個單晶上相同指數的衍射波出現在以入射電子方向為中心線的圓錐上，它們通過物鏡后形成衍射環（圖9（b

17、）。利用這些衍射環的有關數據，也可以對多晶樣品進行結構分析，基本公式為： Rd=L =K 其中R為衍射斑或衍射環與透射斑（電子衍射圖案圓心）之間的距離，d為晶面間距，L為電子衍射的相機長度，為入射電子束的波長。由于L和一般都為固定值，兩者的乘積K為常數，稱為相機常數。當樣品為非晶時，從不同原子上散射出的同一方向上的電子波之間沒有固定的相位差，且隨著散射角的增大，散射的電子數量少，能量損失大，它們通過物鏡后，直進的電子形成中央亮斑。散射的電子形成周圍的光暈。越往外，光暈越來越弱（圖9（c）。總之，在操作透射電子顯微鏡時，只要把它的工作方式切換到衍射模式，則可以在熒光屏上觀察到在物鏡后焦面上形成的

18、衍射花樣，也可以用底片或CCD相機拍攝下來。利用上述樣品的X射線衍射性能，加上電子衍射花樣，可以對材料中的精細結構進行深入研究，包括晶界、位錯、層錯、孿晶、相界、反相疇界、析出相、取向關系等。 (a) (b) (c)圖9材料電子衍射觀察結果(a)單晶結構(b)多晶結構(c)非晶結構 圖10（a）電子衍射圖像形成的原理示意圖（b）晶帶正空間與倒空間對應關系圖四、 實驗儀器、設備名稱及其主要性能參數圖11 JEM-2100型透射電子顯微鏡目前國內外使用的透射電子顯微鏡主要來自歐洲和日本廠商，圖？為日本電子（JOEL）JEM-2100型透射電子顯微鏡，主要性能參數如下：（1）電子槍： La

19、B6（六硼化鑭）；（2）點分辨率：0.21 nm；線分辨率：0.19 nm（3）加速電壓： 80, 100, 120, 160, 200 kV（主要使用電壓為200 kV）；（4）束斑尺寸：0.5-25 nm；（5）放大倍數（高倍）：2000-1,500,000；放大倍數（低倍）：50-6,000；（6）傾斜角：±30º。五、 實驗輔助設備、儀器、裝置圖12透射電子顯微鏡工作系統模式圖透射電子顯微鏡的輔助設備分為3個部分：1 主機運行支撐部分；2數據記錄和測試附加功能；3樣品預處理。圖12中標有中文的部分為前兩個部分，輔助系統除了前面

20、已經介紹的真空系統（機械泵、離子泵等），電路系統（變壓器、調整控制）外，透射電子顯微鏡中的多個部位還需要冷卻水循環系統。另外，傳統的測試結果（圖像）記錄裝置為照相機，使用這一技術時對曝光和相片沖洗均有一定要求，操作較為繁瑣，近些年來，基于電光電轉換技術的CCD(Charge Coupled Device)數碼專用相機已得到越來越普及的應用，大大提高了測試效率。透射電子顯微鏡中常配有元素分析儀器，如EDS（ 亦稱EDX，energy dispersive spectroscopy of X-rays）和WDS(亦稱WDX，wave dispersive spectroscopy of X-ray

21、s)，這些相似于掃描電子顯微鏡中的元素分析裝置。透射電子顯微鏡中還可配有名為能量損失譜EELS（Electron energy loss spectroscopy）的元素分析儀器，它通過分析以非彈性散射作用透過樣品的電子能量變化，從而判定樣品的成分，它還可給出元素的電子層狀態等信息。對于一般透射電子顯微鏡，EDS的能量分辨率較低，約為150eV, 但EDS可以得到較大能量范圍（020 keV）的特征X射線譜；EELS的能量分辨率較高，約為1eV, 電子能量損失范圍在02 keV 。掃描透射電子顯微鏡STEM（Scanning transmission electron microscope）是

22、指在透射電子顯微鏡中配有的掃描附件，它綜合了掃描和普通透射電子分析的原理和功能，尤其適用于采用場發射電子槍作電子源的透射電子顯微鏡。 透射電子顯微鏡的制樣（樣品預處理）是相關測試中的一個重要環節，對于常見的粉末樣品，選擇合適的分散劑將樣品超聲分散制成膠體或懸濁液后，滴加至專用銅網（見圖13）上，銅網附有擔載膜，晾干后待測。圖13 常用銅網的樣式但是，對于非超細粉末樣品，如較大塊狀高分子、陶瓷和金屬等材料，由于它們的高厚度，是無法直接進行檢測的。因此，必須進行試樣的超薄化預處理，主要方法包括切片、離子減薄等，圖14為一款常用離子減薄設備，它的工作原理是：利用氬離子束將試樣“削”薄（圖15（c），

23、之前還需將原始試樣進行切割、研磨（圖15（a）、凹坑(圖15（b）等處理。圖14 ？型離子減薄儀圖15離子減薄的前期處理：（a），（b）；基本原理：（c）六、 實驗步驟1. 樣品制備：（1）將納米金屬氧化物粉末（如TiO2）0.01g加入到5 mL乙醇中，搖勻并置于超聲清洗器中，超聲處理510 min，形成具有較好分散性的膠體或懸濁液；（2） 用移液器吸取一滴上述液體樣品滴加到涂覆有碳支持膜的銅網上，晾干備用。2. 樣品電鏡觀察： 整個操作過程由多個步驟組成，分別在計算機的操作界面上和手動面板上完成。（1）先檢查儀表和計算機屏幕顯示的真空情況，要求主機鏡筒內壓小于2×10-5Pa。（

24、2）啟動高壓HT按鈕，加高壓：120180kV，時間為10min，等待3min后，再進行180200kV的升壓過程，時間為10min。（3） 升壓過程中，可將銅網小心裝上樣品桿（如圖16所示），插入樣品桿前檢查主機工作參數顯示屏上的相關參數條件，插入樣品桿預抽真空，等待綠燈亮后10min，完全插入樣品桿，再過2min后加燈絲電流。圖16 樣品桿的主要結構（4） 試樣觀察分析：小心移動試樣臺，觀察分析試樣；選擇合適的放大倍數、樣品坐標和光亮度；聚焦、CCD拍照；保存照片。（5） 電子衍射的觀察，可選擇選區衍射模式，即使用選區光闌。（6） 試樣觀察完畢后，將放大倍數設定在40k，束流聚焦在熒光屏中

25、心，關掉燈絲電流，復位試樣臺坐標軸(X, Y, Z)至“0”，然后小心拉出樣品桿。務必注意：每次更換樣品時，切記進行“歸零操作”。（7）實驗完畢后，先退下高壓至120kV(200120kV，時間控制為5min)，然后關掉高壓。（8）如實填寫實驗記錄。（9）離開實驗室前，搞好衛生，檢查空調和除濕機的運轉情況。七、 實驗數據處理將CCD相機獲取的照片（.DM3格式）轉化為.JPG或.TIFF格式，用光盤導出。利用照片上標出的比例尺等信息分析納米金屬氧化物的形貌、粒徑和分散性；分析高分辨圖像中晶面間距的歸屬；分析電子衍射結果。寫出實驗報告。八、 實驗注意事項 由于透射電子顯微鏡屬于高電壓、高真空大型

26、精密儀器，學生在使用前須經嚴格的培訓或老師的現場指導，注意事項如下：（1）勿擅自操縱、修理儀器。（2）不僅要預習實驗內容，還要注重理論知識的學習和補充。（3）實驗開始時，一定要先確認真空系統狀態以及真空度。（4）樣品桿有多種類型，常見的有單傾、雙傾（更適合做高分辨取向性觀察）等。將銅網固定至樣品桿上時，固定螺絲不可擰得過緊，為防止銅網脫落，可用右手握住樣品桿，左手輕拍右手數次。（5）將樣品桿裝入主機時一定要小心，注意動作的協調性和連貫性，以免損壞樣品、樣品桿、樣品臺或導致體系真空度降低（漏氣）。（6）開機升高壓時，要注意暗電流的變化： 在計算機的操作界面上，點擊HT按鈕，暗電流(亦稱束電流)最

27、終升至61uA左右； 設定高壓為120kV； 升壓120kV160kV，暗電流最終升至83uA左右； 升壓160kV180kV，暗電流最終升至93uA左右； 升壓180kV200kV ，暗電流最終升至105uA左右。（7） 發射電子束(出亮)插入樣品桿，等離子泵的真空度回到原來的水平后，可有FILAMENT  READY的提示，此時點擊燈絲加熱按鈕，等電子束發射穩定后，可在熒光屏上形成綠色光斑，使用LOW MAG模式對樣品進行初步觀察，隨后進一步放大觀察。（8）CCD相機的使用及維護：用標準樣品（一般為納米金）進行比例尺標定；CCD相機不僅能方便拍照，它附帶的多種軟件功能還可進行所得圖像分析，尤其適用于高分辨、電子衍射等測試結果的分析；為使其中的光學器件避免受到損傷，使用CCD相機觀察樣品時強度要選擇適中，觀測后及時關閉面板，實驗室盡量保持暗室條件。九、實驗報告及要求1本實驗課前應預習實驗講義和教材，掌握實驗原理