《聚合物近代仪器分析》 - 图文

透射电子显微术 TEM 【主要内容】 1基本概念

? 吸收电子：随着入射电子与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以

致最后被样品所吸收的电子叫吸收电子。 ? 透射电子：它是入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。 ? 二次电子：入射电子射到试样上使表面物质发生电离，被激发的电子离开试样表面而形成二次电子，又称为次级

电子；二次电子在电场的作用下呈曲线运动翻越障碍进入监测器，因而试样表面凹凸的各种信息都能清晰成像。其强度与试样表面的几何形状等有关，二次电子的能量比较低，一般小于50eV 。

? 背散射电子：入射电子与试样作用，产生弹性散射或非弹性散射后离开试样表面的电子；背散射电子基本上不受

电场的作用而呈直线运动进入监测器，其强度与试样表面形貌和元素组成有关。背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量E0 。 9 ? 特征X射线：原子的内层电子受到激发之后，外层电子填充到内层上，多余的能量以辐射形式放出，产生特征X

射线。各种元素都有自己的特征X射线，可用来进行微区成分分析。

? 俄歇电子：在入射电子束的作用下，试样中原子某一层电子被激发，其空位由高能级的电子来填充，使低能级的

另一个电子电离，这种由于从高能级跃迁而电离逸出试样表面的电子称为俄歇电子；每种元素都有自己的特征俄歇能谱，因此可以利用俄歇电子能谱进行轻元素分析。 ? 分辨率：能分清两个点的中心距离的最小尺寸。（光学显微镜中决定分辨率的是光的波长 ，象差不是主要原因；

电子显微镜中，波长已经不是决定性因素；而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差和衍射差是主要因素；） ? 散射（质厚）衬度:指穿过样品且散射角度小的那些电子即弹性散射电子所形成的衬度。(样品对电子束的散射随

样品的原子序数增加而增加；样品越厚，电子受到散射的机会越多。当散射电子被物镜光阑挡住不能参与成象时，样品中散射强的部分在像中显得较暗，而样品中散射较弱的部分在像中显得较亮，形成像的衬度) 。非晶样品衬度的主要来源

? 衍射衬度：主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。它仅属于

晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。晶体样品衬度的主要来源

3、 主要规律

1） 透射电镜分析原理：高能电子束穿透试样时发生散射、吸收、干涉和衍射，在像平面形成衬度，显示出图像。

谱图的表示方法：质厚衬度像、明场衍衬像、暗场衍衬像、晶格条纹像和分子像 提供的信息：晶体形貌、微孔尺寸分布、多项结构和晶格与缺陷等 2） 透射电镜的组成：

1、 照明系统：作用是提供光源（控制其稳定度、照明强度和照明孔径角）；选择照明方式（明场或暗场成像）。

（电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮度、图像稳定度和穿透样品的能力。）

2、 成像系统：物镜是将试样形成一次放大像和衍射谱。决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可能高的分

辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。放大倍数较高，一般为100～300倍。目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。中间镜是弱磁透镜，它的功能是把物镜形成的一次中间像或衍射谱投射到投影镜物面上，再由投射镜放大到终平面（荧光屏）。投影镜的功能是把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上，成为试样最终放大图像及衍射谱。

成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。（a）调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，此时背焦面上形成的衍射斑点就会被中间镜进一步放大，并经过投影镜投影到荧光屏上得到衍射花样。（b）由于物镜成像在中间镜以前，因此中间镜以物镜像为物，所成图像在投影镜前汇聚，投影镜以中间镜像为物进行投影。（衍射状态与成像状态的变换是通过改变中间镜的激磁电流实现的。先观察显微像，再转换到衍射花样。）

3、 观察记录系统：这部分的主要作用是提供获取信息，一般由荧光屏，照相机，数据显示等组成。

4、 真空系统：由机械泵，扩散泵，控制阀门和仪表组成，它的作用是：避免电子和气体分子相遇，防止干

扰；减小样品污染；延长灯丝寿命。

5、 操作控制系统：提供透镜组件线圈的电流电压；保证电流电压稳定，防止因电压波动引起色差，从而影

响分辨率；提供各种操作模式的选择和切换；提供系统的预警和自动保护装置。

3） 分辨率的计算：

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分辨本领：

4） 光学显微镜必须提供足够的放大倍数，把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相应的放大倍数叫

做有效放大倍数。M?re,M为显微镜放大倍数，re人眼分辨率，ro显微镜分辨本领。（光学显微镜200nm，投

r0射电子显微镜0.1nm，人眼0.2mm）

【补充内容】

? 样品质量厚度越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大，但达

一定值时保持定值。

? 透射电子显微镜样品制备：

a.对于TEM常用的50～200kV电子束，样品厚度控制在100～200nm，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行观察。

b.制样过程要防止污染和改变样品的性质， 如机械损伤或热损伤等； c.根据观察的目的和样品的性质，确定制样方法。 扫描电子显微术 SEM 【主要内容】 1、基本概念

? 背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的

区域差别。

? 二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。 ? X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。

? 透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描

电镜的扫描图像, 以揭示样品内部微观结构的形貌特征。

2、扫描电镜的分析原理：检测高能电子束与样品作用时产生的二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线等并放大成像。

谱图的表示方法：背散射像、二次电子像、吸收电流像、元素的线分布和面分布等。

提供的信息：断口形貌、表面显微结构、薄膜内部的显微结构、微区元素分析与定量元素分析等。 3、 扫描电镜的结构

1）电子光学系统

由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。

其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应

具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径 2） 信号收集及显示系统

检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成 3） 真空系统和电源系统

真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度。

电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

4、 二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度。因

为二次电子信号主要来处样品表层5－10nm的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。

5、 背散射电子是指入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近

于入射电子能量( E。)。背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学11 组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。

6、 背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位而形成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。

7、 背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。

1. 形貌衬度 用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率比二次电子低。因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背反射电子，而掩盖了许多有用的细节。

2. 成分衬度 ：背散射电子发射系数可表示为样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。