第12章 高分辨透射电子显微术

高分辨透射电镜的原理
高分辨透射电镜（High-ResolutionEmissionTomography,HRET）是一种高分辨率的显微成像技术，它以高分辨的电子探针（ElectronProbe）作为主要成像工具。

它可获得原子分辨率的三维图像。

与其他显微成像技术相比，HRET具有下列优点：
1.获得的图像比电子探针观察到的高一个数量级；
2.对样品无破坏性；
3.图像质量高，分辨率可达0.1纳米；
4.可获得样品表面精细结构和信息；
5.可观察样品表面或内部细微结构，且不受样品厚度限制；
6.扫描速度快，每秒可扫描数百张图片。

高分辨透射电镜的工作原理是：电子探针在透射电镜中通过电子束轰击样品时，被激发的电子或离子被偏转到样品表面的不同部位，并在这些部位产生新的电子或离子。

这些被偏转的电子或离子分别向各自相反的方向运动。

偏转后，原来被激发到样品表面的电子或离子又回到原来的位置。

这样，就可以通过扫描电镜记录下来。

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高分辨率电子显微镜的原理与应用高分辨率电子显微镜，简称高分电镜，是一种基于电子束扫描显微镜的高分辨率显微技术。

与光学显微镜相比，高分电镜具有更高的分辨率和更强的深度，可以观察到更小的物质结构和更细微的细节。

本文将介绍高分电镜的原理、分类以及应用。

一、高分电镜的原理高分电镜的原理是基于电子的物理性质。

电子是一种带负电的基本粒子，其波长比光的波长小得多。

当电子射向物体时，会发生散射和反射现象，这种现象可以被用来获取物质结构的信息。

由于电子波长的小特性，高分电镜相比光学显微镜有更高的分辨率，可以观测到更小的细节。

高分电镜基于的物理原理包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜等，这里介绍一种常见的透射电子显微镜原理。

透射电子显微镜的工作原理是通过调节电子束的能量和散射角度，电子束穿透样品表面进入内部，被样品中的原子、分子等物质结构散射和吸收，通过诸如透射、散射、激光等方式记录电子图像的强度分布信息。

在这个过程中，光学透镜被用来聚焦电子束和样品。

通过收集样品上所有位置的透射电子（也就是电子散射后穿过样品的电子），原子和分子之间的空间结构和材料组成，可以得到高分辨率的图像。

二、高分电镜的分类高分电镜按照用途和功能可以分为以下类型：1. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是将电子束直接发射到样品之内，检测被样品反射或者透射的电子，得到样品的图像。

TEM 的分辨率大概在 1 埃左右，可以观测到原子尺寸的细节，然而，由于透射电子束在穿过样品时会受到吸收、散射和偏转等因素的影响，因此，解析度还受到分辨差限制。

2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是利用电子束在样品表面形成的二次电子图像获取样品的表面特征。

SEM 适用于材料学、纳米科技和生物学等领域的表面和深度分析，具有较大的深度和高分辨率。

3. 原位电子显微镜（IEM）原位电子显微镜，是一种可以通过对反应的实时电子显微镜成像来定量直接观察化学反应发生过程的技术。

3.10.12透射电子显微术电子具有波粒二象性．透射电子显微镜正是利用了电子的波动性，以高能电子作为传递结构信息的载体，进行组织结构分析的重要设备．高能电子的波长很短，如100keV的电子的波长为0.0037nm，因而透射电镜的分辨本领很高，如JEOL JEM-200FEF(UHR)的点分辨率达0.19nm，点阵条纹分辨率达0.102nm．X射线衍射和中子衍射给出直径大于0.1mm范围内样品平均结构的信息，而透射电镜中的电子衍射可以给出直径为纳米量级范围内的局部结构信息．利用透射电子显微镜还可以很容易地对样品的同一微观区域进行组织观察与晶体结构分析，这对于研究诸如结构相变、析出相的形态、分布与晶体结构都是十分有利的．现代的透射电子显微镜上还可以配备拉伸样品台、加热样品台和冷冻样品台，从而可以对样品进行拉伸、升温和降温情况下的原位观测．也可以配备电子能量损失谱仪和X射线能谱仪，从而可以对样品的同一微区综合进行组织形貌的观察、晶体结构的分析和化学成分的分析．透射电子显微镜中的成象技术基于电子衍射现象，因此电子衍射理论是解释电子显微象的基础．3.10.12.1透射电子显微镜的基本结构与工作模式透射电子显微镜基本上由三部分构成：电子光学系统、真空系统和电器系统．真空系统用于保证镜筒处于高真空状态．电器系统提供稳定的高压，为各级磁透镜提供稳定的励磁电流．与光学显微镜类似，透射电子显微镜的电子光学系统由电子枪（产生高能电子束）、聚光镜、物镜、中间镜、投影镜和记录系统组成．在物镜的后焦面上有一光阑，称为物镜光阑．在物镜的象平面上也有一光阑，称为选区光阑．电磁透镜是焦距可调的会聚透镜．图1. 物镜成象光路图如图一所示，在物镜的后焦面上放置有物镜光阑，在物镜的象平面上放置有选区光阑．根据Abbe 成象原理，当一束平行的电子束照射到样品上，透射束和各衍射束分别会聚在物镜的后焦面上，形成透射斑和衍射斑，构成第一幅衍射图．这些透射斑和衍射斑作为新的次波波源发出球面子波，这些球面子波相互干涉，在物镜的象平面上得到样品的第一幅显微图象．如果使中间镜的物平面与物镜的后焦面重合，在荧光屏上就得到放大了的电子衍射图．如果使中间镜的物平面与物镜的象平面重合，在荧光屏上就得到样品的象．如果移动物镜光阑只让透射束通过，所成的象称为明场象．明场象的强度分布对应于样品出射面上透射束强度随位置变化的情况．如果仅让一支衍射束通过物镜光阑，所成的象称为暗场象．通常为了减小象差，提高暗场象的质量，可倾动电子束，使用于成象的衍射斑移至物镜的光轴上，所成暗场象称为中心暗场象．暗场象的强度分布对应于样品出射面上该衍射束强度随位置变化的情况．为了得到特定区域的衍射图，可在成象模式下移动位于物镜象平面上的选区光阑至该区域，使得只有光阑孔对应区域产生的衍射束可以穿过选区光阑，然后转换到衍射模式，所得衍射图即为选定区域的衍射图，称为选区电子衍射图．由于物镜球差及物镜的过聚焦或欠聚焦，选区光阑选择的区域与实际上对衍射图有贡献的区域不完全对应，尤以高指数衍射为甚．因此，选区直径小于1μm 的意义不大．对于多相样品，可以用明场象观察各相的形貌与分布，用选区电子衍射图对各相的结构进行鉴定，并研究各相间的取向关系．若第二相很小，且呈弥散分布，例如含有析出相的情况，选区电子衍射图由两套斑点组成．用其中的一个衍射斑点成暗场象，可以判定哪一套衍射斑点属于析出相，哪一套衍射斑点属于基体．3.10.12.2 运动学衍射理论原子对X 射线的散射来源于原子核外的电子云与X 射线的相互作用，原子对中子的散射是由于原子核与中子的相互作用，而原子对电子的散射是核外电子云与原子核两方面与入射电子相互作用的结果，即入射电子与原子的静电势相互作用的结果．因此，电子与原子的相互作用是最强的．也正因为电子的衍射束很强，衍射束之间的相互作用不能忽略，衍射束强度的计算与电子显微图象的解释往往需要运用动力学衍射理论．另外，由于物质对电子的散射能力很强，故电子束对样品的穿透能力很弱，用于透射电镜观察的样品必须很薄，一般厚度为100nm 左右．晶体产生的衍射谱是晶体中许多原子各自产生的散射波相互干涉的结果．由于晶体中原子呈周期性分布，相邻原子产生的散射波间有确定的位相关系，当位相相同时得到干涉极大，即得到衍射束．图2如图2所示，设有一束波矢为k 0的平行电子束入射到样品上，产生的散射波的波矢为k ，在弹性散射情况下，|k 0|=|k |=1/λ，λ为入射电子的波长．处于位置矢量为r 的A 点的散射元产生的散射波，相对于位于原点O 的散射元产生的散射波的位相差为2π(k -k 0)·r ．如果每个散射元产生的散射波都很弱，散射波在晶体内部行进过程中遭受到的再次散射可以略去不计，则总的散射波振幅可以看作是各散射元产生的散射波振幅的简单相加，这种近似称为运动学近似．散射元产生的散射波的振幅比例于入射电子束的振幅，散射元的静电势V (r )与散射元的体积d r ．若略去比例常数，并设入射电子束的振幅等于1，则运动学近似成立时总的散射波振幅可以写作r r u r rr k k r u o d i V d i V }2exp{)(})(2exp{)()(••π−=−π−=ψ∫∫ (1)式中，衍射矢量u =k -k o ．(1)式表明，运动学近似的条件满足时，散射波的振幅比例于散射体势函数的Fourier 变换．设第j 个原子位于r j 处，晶体的势函数可以写成∑−=j j j VV )()(r r r ， (2)V j (r -r j )表示第j 个原子在r 处产生的静电势．将（２）式代入（１）式，得)2exp()()2exp()2exp()()2exp()()(j jj j jj jj j i f d i i V d i V r u u r r u r u r rr u r r u ••••π−=π−π−=π−−=ψ∑∑∫∫∑ (3)式中，f j (u )表示第j 个原子的势函数V j (r )的Fourier 变换，为第j 个原子的散射振幅，称为第j 个原子的原子散射因子．如果将原子的位置矢量r j 写为该原子在晶胞中的位置矢量r ’j 与晶胞的原点的位置矢量r L 的和，r j =r ’j +r L ，则上式成为∑∑∑∑−δ=π−=π−⎟⎠⎞⎜⎝⎛π−=ψ•••gLL L L k k k F i F i i f )()()2exp()()2exp()'2exp()()(g u g r u u r u r u u u (4)式中，g 为晶体的倒易点阵矢量，衍射矢量u =k -k o ，求和遍及所有r L 和g 矢量．（４）式说明，当衍射波矢k 与入射波矢k o 的差k -k o 等于某倒易点阵矢量时，在k 方向上得到衍射束，衍射束的振幅比例于结构因子，即晶胞的散射束振幅F (g )．将此关系用图解的方式表示，就得到Ewald 反射球作图法．如图３所示，O *为倒易点阵原点，在入射束方向上取一点O ，使OO *=1/λ，以O 为圆心，以1/λ为半径，作一球面，称为Ewald 反射球．若某倒易阵点G （对应于倒易点阵矢量g ）恰好落在反射球上，则在OG 方向上，即衍射波矢k 方向上得到衍射束．过O 点作O *G 的中垂线，该线与k o 的夹角即为入射电子束与晶面的夹角，由简单的几何关系可得d g /1sin )/1(2==θλλ=θsin 2d ． (5)(5)式即为衍射必须满足的Bragg 定律，式中d 为产生衍射的晶面族的晶面间距．图3．反射球作图法．由于高能电子的波长很短，如100keV 电子的波长为0.0037nm ，晶体的晶面间距为0.1nm 量级，由(5)式知，角θ小于1°．在计算样品出射面上某点衍射束的强度时，只需要考虑过此点的沿电子束传播方向的细小的柱体中的晶体对衍射束的贡献，称为柱体近似．衍射束在样品中行进的过程中遭受到多次再反射的现象也会把电子束约束在很窄的柱体内．另外，电子衍射的能量高度集中于前进方向。