透射電鏡

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由-{透射}-電子顯微鏡拍攝的葡萄球菌細(xì)胞, 放大倍數(shù) 50000x.

透射電子顯微鏡（英語(yǔ)：Transmission electron microscope，縮寫(xiě)TEM），簡(jiǎn)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，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來(lái)。

由于電子的德布羅意波長(zhǎng)非常短，-{透射}-電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達(dá)到0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬(wàn)～百萬(wàn)倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu)，比光學(xué)顯微鏡所能夠觀察到的最小的結(jié)構(gòu)小數(shù)萬(wàn)倍。TEM在中和物理學(xué)和生物學(xué)相關(guān)的許多科學(xué)領(lǐng)域都是重要的分析方法，如癌癥研究、病毒學(xué)、材料科學(xué)、以及納米技術(shù)、半導(dǎo)體研究等等。

在放大倍數(shù)較低的時(shí)候，TEM成像的對(duì)比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對(duì)電子的吸收不同而造成的。而當(dāng)放大率倍數(shù)較高的時(shí)候，復(fù)雜的波動(dòng)作用會(huì)造成成像的亮度的不同，因此需要專業(yè)知識(shí)來(lái)對(duì)所得到的像進(jìn)行分析。通過(guò)使用TEM不同的模式，可以通過(guò)物質(zhì)的化學(xué)特性、晶體方向、電子結(jié)構(gòu)、樣品造成的電子相移以及通常的對(duì)電子吸收對(duì)樣品成像。

第一臺(tái)TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研制，這個(gè)研究組于1933年研制了第一臺(tái)分辨率超過(guò)可見(jiàn)光的TEM，而第一臺(tái)商用TEM于1939年研制成功。

目錄

歷史

最開(kāi)始的研究

第一部實(shí)際工作的TEM，現(xiàn)在在德國(guó)慕尼黑的的遺址博物館展出。

恩斯特·阿貝最開(kāi)始指出，對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨率受到用于成像的光波波長(zhǎng)的限制，因此使用光學(xué)顯微鏡僅能對(duì)微米級(jí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大觀察。通過(guò)使用由奧古斯特·柯勒和莫里茨·馮·羅爾研制的紫外光顯微鏡，可以將極限分辨率提升約一倍[1]。然而，由于常用的玻璃會(huì)吸收紫外線，這種方法需要更昂貴的石英光學(xué)元件。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為由于光學(xué)波長(zhǎng)的限制，無(wú)法得到亞微米分辨率的圖像[2]。

1858年，尤利烏斯·普呂克認(rèn)識(shí)到可以通過(guò)使用磁場(chǎng)來(lái)使陰極射線彎曲[3]。這個(gè)效應(yīng)早在1897年就由曾經(jīng)被費(fèi)迪南德·布勞恩用來(lái)制造一種被稱為陰極射線示波器的測(cè)量設(shè)備[4]，而實(shí)際上早在1891年，里克就認(rèn)識(shí)到使用磁場(chǎng)可以使陰極射線聚焦。后來(lái)，漢斯·布斯在1926年發(fā)表了他的工作，證明了制鏡者方程在適當(dāng)?shù)臈l件下可以用于電子射線[5]。

1928年，柏林科技大學(xué)的高電壓技術(shù)教授阿道夫·馬蒂亞斯讓馬克斯·克諾爾來(lái)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組來(lái)改進(jìn)陰極射線示波器。這個(gè)研究小組由幾個(gè)博士生組成，這些博士生包括恩斯特·魯斯卡和博多·馮·博里斯。這組研究人員考慮了透鏡設(shè)計(jì)和示波器的列排列，試圖通過(guò)這種方式來(lái)找到更好的示波器設(shè)計(jì)方案，同時(shí)研制可以用于產(chǎn)生低放大倍數(shù)（接近1:1）的電子光學(xué)原件。1931年，這個(gè)研究組成功的產(chǎn)生了在陽(yáng)極光圈上放置的網(wǎng)格的電子放大圖像。這個(gè)設(shè)備使用了兩個(gè)磁透鏡來(lái)達(dá)到更高的放大倍數(shù)，因此被稱為第一臺(tái)電子顯微鏡。在同一年，西門(mén)子公司的研究室主任萊因霍爾德·盧登堡提出了電子顯微鏡的靜電透鏡的專利[2][6]。

分辨率改進(jìn)

1927年，徳布羅意發(fā)表的論文中揭示了電子這種本認(rèn)為是帶有電荷的物質(zhì)粒子的波動(dòng)特性[7]。TEM研究組直到1932年才知道了這篇論文，隨后，他們迅速的意識(shí)到了電子波的波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)小了若干數(shù)量級(jí)，理論上允許人們觀察原子尺度的物質(zhì)。1932年四月，魯斯卡建議建造一種新的電子顯微鏡以直接觀察插入顯微鏡的樣品，而不是觀察格點(diǎn)或者光圈的像。通過(guò)這個(gè)設(shè)備，人們成功的得到了鋁片的衍射圖像和正常圖像，然而，其超過(guò)了光學(xué)顯微鏡的分辨率的特點(diǎn)仍然沒(méi)有得到完全的證明。直到1933年，通過(guò)對(duì)棉纖維成像，才正式的證明了TEM的高分辨率。然而由于電子束會(huì)損害棉纖維，成像速度需要非?？臁?/p>

1936年，西門(mén)子公司繼續(xù)對(duì)電子顯微鏡進(jìn)行研究，他們的研究目的使改進(jìn)TEM的成像效果，尤其是對(duì)生物樣品的成像。此時(shí)，電子顯微鏡已經(jīng)由不同的研究組制造出來(lái)，如英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室制造的EM1設(shè)備[8]。1939年，第一臺(tái)商用的電子顯微鏡安裝在了I. G Farben-Werke的物理系。由于西門(mén)子公司建立的新實(shí)驗(yàn)室在第二次世界大戰(zhàn)中的一次空襲中被摧毀，同時(shí)兩名研究人員喪生，電子顯微鏡的進(jìn)一步研究工作被極大地阻礙[9]。

進(jìn)一步研究

第二次世界大戰(zhàn)之后，魯斯卡在西門(mén)子公司繼續(xù)他的研究工作。在這里，他繼續(xù)研究電子顯微鏡，生產(chǎn)了第一臺(tái)能夠放大十萬(wàn)倍的顯微鏡[9]。這臺(tái)顯微鏡的基本設(shè)計(jì)仍然在今天的現(xiàn)代顯微鏡中使用。第一次關(guān)于電子顯微鏡的國(guó)際會(huì)議于1942年在代爾夫特舉行，參加者超過(guò)100人[8]。隨后的會(huì)議包括1950年的巴黎會(huì)議和1954年的倫敦會(huì)議。

隨著TEM的發(fā)展，相應(yīng)的掃描透射電子顯微鏡技術(shù)被重新研究，而在1970年芝加哥大學(xué)的阿爾伯特·克魯發(fā)明了場(chǎng)發(fā)射槍[10]，同時(shí)添加了高質(zhì)量的物鏡從而發(fā)明了現(xiàn)代的掃描透射電子顯微鏡。這種設(shè)計(jì)可以通過(guò)環(huán)形暗場(chǎng)成像技術(shù)來(lái)對(duì)原子成像。克魯和他的同事發(fā)明了冷場(chǎng)電子發(fā)射源，同時(shí)建造了一臺(tái)能夠?qū)鼙〉奶家r底之上的重原子進(jìn)行觀察的掃描透射電子顯微鏡[11]。

背景知識(shí)

電子

理論上，光學(xué)顯微鏡所能達(dá)到的最大分辨率，d，受到照射在樣品上的光子波長(zhǎng)λ以及光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，NA，的限制：

d=\frac{\lambda}{2n \sin\alpha} \approx \frac{\lambda}{2\,\textrm{NA}}

二十世紀(jì)早期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)理論上使用電子可以突破可見(jiàn)光光波波長(zhǎng)的限制（波長(zhǎng)大約400納米-700納米）。與其他物質(zhì)類似，電子具有波粒二象性，而他們的波動(dòng)特性意味著一束電子具有與一束電磁輻射相似的性質(zhì)。電子波長(zhǎng)可以通過(guò)徳布羅意公式使用電子的動(dòng)能得出。由于在TEM中，電子的速度接近光速，需要對(duì)其進(jìn)行相對(duì)論修正[12] ：

\lambda_e \approx \frac{h}{\sqrt{2m_0E\left(1+\frac{E}{2m_0c^2}\right)}}

其中，h表示普朗克常數(shù)，m0表示電子的靜質(zhì)量，E是加速后電子的能量。電子顯微鏡中的電子通常通過(guò)電子熱發(fā)射過(guò)程從鎢燈絲上射出，或者采用場(chǎng)電子發(fā)射方式得到[13]。隨后電子通過(guò)電勢(shì)差進(jìn)行加速，并通過(guò)靜電場(chǎng)與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強(qiáng)度、相位、以及周期性的信息，這些信息將被用于成像。

電子源

基本的TEM光學(xué)元件布局圖。

從上至下，TEM包含有一個(gè)可能由鎢絲制成也可能由六硼化鑭制成的電子發(fā)射源[14]。對(duì)于鎢絲，燈絲的形狀可能是別針形也可能是小的釘形。而六硼化鑭使用了很小的一塊單晶。通過(guò)將電子槍與高達(dá)10萬(wàn)伏-30萬(wàn)伏的高電壓源相連，在電流足夠大的時(shí)候，電子槍將會(huì)通過(guò)熱電子發(fā)射或者場(chǎng)電子發(fā)射機(jī)制將電子發(fā)射入真空。該過(guò)程通常會(huì)使用柵極來(lái)加速電子產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生電子，TEM上邊的透鏡要求電子束形成需要的大小射在需要的位置，以和樣品發(fā)生作用[15]。

對(duì)電子束的控制主要通過(guò)兩種物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中將會(huì)根據(jù)右手定則受到洛倫茲力的作用，因此可以使用磁場(chǎng)來(lái)控制電子束。使用磁場(chǎng)可以形成不同聚焦能力的磁透鏡，透鏡的形狀根據(jù)磁通量的分布確定。另外，電場(chǎng)可以使電子偏斜固定的角度。通過(guò)對(duì)電子束進(jìn)行連續(xù)兩次相反的偏斜操作，可以使電子束發(fā)生平移。這種作用在TEM中被用作電子束移動(dòng)的方式，而在掃描電子顯微鏡中起到了非常重要的作用。通過(guò)這兩種效應(yīng)以及使用電子成像系統(tǒng)，可以對(duì)電子束通路進(jìn)行足夠的控制。與光學(xué)顯微鏡不同，對(duì)TEM的光學(xué)配置可以非常快，這是由于位于電子束通路上的透鏡可以通過(guò)快速的電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行打開(kāi)、改變和關(guān)閉。改變的速度僅僅受到透鏡的磁滯效應(yīng)的影響。

電子光學(xué)設(shè)備

TEM的透鏡可以對(duì)電子束進(jìn)行聚焦，聚焦的角度是一個(gè)可以變化的參數(shù)，這樣TEM就擁有了通過(guò)改變透鏡線圈、四極子、或者六極子的電流來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的能力。四極子透鏡是一種將電磁線圈垂直擺放在正方形的頂點(diǎn)的排列方式，從而使產(chǎn)生了聚焦用的磁場(chǎng)，而六極子配置通過(guò)使用六個(gè)線圈，提高了磁場(chǎng)的對(duì)稱性。

一般來(lái)說(shuō)，TEM包含有三級(jí)透鏡。這些透鏡包括聚焦透鏡、物鏡、和投影透鏡。聚焦透鏡用于將最初的電子束成型，物鏡用于將穿過(guò)樣品的電子束聚焦，使其穿過(guò)樣品（在掃描透射電子顯微鏡的掃描模式中，樣品上方也有物鏡，使得射入的電子束聚焦）。投影透鏡用于將電子束投射在熒光屏上或者其他顯示設(shè)備，比如膠片上面。TEM的放大倍數(shù)通過(guò)樣品于物鏡的像平面距離之比來(lái)確定[16]。另外的四極子或者六極子透鏡用于補(bǔ)償電子束的不對(duì)稱失真，被稱為散光。需要注意的是，TEM的光學(xué)配置于實(shí)際實(shí)現(xiàn)有非常大的不同，制造商們會(huì)使用自定義的鏡頭配置，比如球面像差補(bǔ)償系統(tǒng)[15] 或者利用能量濾波來(lái)修正電子的色差。

成像設(shè)備

TEM的成像系統(tǒng)包括一個(gè)可能由顆粒極細(xì)（10-100微米）的硫化鋅制成熒光屏，可以向操作者提供直接的圖像。此外，還可以使用基于膠片或者基于CCD的圖像記錄系統(tǒng)[17]。通常這些設(shè)備可以由操作人員根據(jù)需要從電子束通路中移除或者插入通路中。

組成結(jié)構(gòu)

TEM的電子源在頂端，透鏡系統(tǒng)（4、7、8）將電子束聚焦于樣品上，隨后將其投影在顯示屏（10）上?？刂齐娮邮脑O(shè)備位于右方（13和14）。

TEM包含有若干元件，其中有一個(gè)用于傳輸電子束的真空系統(tǒng)，用于產(chǎn)生電子束的電子發(fā)射源，一系列的電磁透鏡，以及靜電盤(pán)。后兩個(gè)器件允許操作者按照要求對(duì)電子束進(jìn)行操作。此外，還需要一個(gè)設(shè)備將樣品移入或移出電子束通路，以及在通路中移動(dòng)。成像設(shè)備隨后使用射出前述系統(tǒng)的的電子束成像。

真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)的作用有兩方面，一方面可以在陰極和地之間加以很高的電壓，而不會(huì)將空氣擊穿產(chǎn)生電弧，另一方面可以將電子和空氣原子的撞擊頻率減小到可以忽略的量級(jí)，這個(gè)效應(yīng)通常使用平均自由程來(lái)描述。標(biāo)準(zhǔn)的TEM需要將電子的通路抽成氣壓很低的真空，通常需要達(dá)到10?4帕[18]。由于TEM的元件如樣品夾具和膠卷盒需要經(jīng)常插入電子束通路，或者需要更換，因此系統(tǒng)需要能夠重新抽成真空。因此，TEM不能采用永久密封的方法來(lái)保持真空，而是需要裝備多個(gè)抽氣系統(tǒng)以及氣閘。

用于將TEM抽成達(dá)到需要的真空度的真空設(shè)備包含有若干級(jí)。首先，需要使用旋片泵或者隔膜泵將TEM抽成低真空，以允許渦輪分子泵或者擴(kuò)散泵將TEM抽至操作所需要的高度真空。為了讓低真空泵不必連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而渦輪分子泵連續(xù)的進(jìn)行操作，低壓泵的真空端需要與渦輪分子泵級(jí)聯(lián)[19]。TEM不同段可以使用門(mén)閥隔離，以允許在TEM的不同的區(qū)域達(dá)到不同的真空度，例如在高分辨率TEM或者場(chǎng)發(fā)射TEM的電子槍處，需要真空度達(dá)到 10?4 至 10?7 帕，甚至更高的真空。

高電壓TEM需要極高的真空度，通常要達(dá)到 10?7 至 10?9 帕以防止產(chǎn)生電弧，特別是在TEM的陰極處[20]。因此高壓TEM需要第三個(gè)真空系統(tǒng)，同時(shí)電子槍與主室使用門(mén)閥或者差動(dòng)泵隔離。差動(dòng)泵可以防止氣體分子擴(kuò)散入高真空電子槍區(qū)域的速度超過(guò)氣體抽出的速度。對(duì)于這種非常低的氣壓，需要使用離子泵或者吸氣材料。

如果TEM的真空度達(dá)不到所需要的量級(jí)，會(huì)引起若干的問(wèn)題，如進(jìn)入TEM的氣體會(huì)通過(guò)一種成為電子束致沉淀的過(guò)程沉淀于待觀察的樣品上，或者在更嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致陰極損傷[20]。由于樣品導(dǎo)致的真空問(wèn)題可以通過(guò)冷阱技術(shù)來(lái)吸收樣品附近升華的氣體。

樣品臺(tái)

[[File:Retino ME con sezioni.jpg|thumb|175px|right|TEM 樣品支撐網(wǎng)格，其上有一超薄切片。

TEM樣品臺(tái)的設(shè)計(jì)包括氣閘以允許將樣品夾具插入真空中而盡量不影響顯微鏡其它區(qū)域的氣壓。樣品夾具適合夾持標(biāo)準(zhǔn)大小的網(wǎng)格，而樣品則放置在網(wǎng)格之上，或者直接夾持能夠自我支撐的樣品。標(biāo)準(zhǔn)的TEM網(wǎng)格是一個(gè)直徑3.05mm的環(huán)形，其厚度和網(wǎng)格大小只有幾微米到100微米。樣品放置在內(nèi)部的網(wǎng)格區(qū)域，其直徑約2.5mm。通常的網(wǎng)格材料使用銅、鉬、金或者鉑制成。這個(gè)網(wǎng)格放置在與樣品臺(tái)配套的樣品夾具上。大多數(shù)的樣品臺(tái)和夾具的設(shè)計(jì)依賴于需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。除了3.05mm直徑的網(wǎng)格，2.3mm直徑的網(wǎng)格偶爾也在實(shí)際中使用。這些網(wǎng)格在材料科學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，這是因?yàn)榻?jīng)常需要將樣品傾斜很大的角度，而樣品材料經(jīng)常非常稀少。對(duì)電子透明的樣品的厚度約100納米，但是這個(gè)厚度與加速電子的電壓相關(guān)。

一旦插入TEM，經(jīng)常需要對(duì)樣品進(jìn)行操作以使電子束照射在感興趣的部分上，例如一個(gè)單晶粒在某個(gè)特殊的角度的衍射。為了達(dá)到這一目的，TEM的樣品臺(tái)需要能夠使樣品在XY平面平移，在Z方向調(diào)節(jié)高度，而且通常至少可以在某一方向上對(duì)樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此TEM的樣品臺(tái)必須對(duì)樣品提供四個(gè)運(yùn)動(dòng)的自由度。更現(xiàn)代的TEM可以為樣品提供了兩個(gè)方向正交的旋轉(zhuǎn)自由度，這種夾具設(shè)計(jì)稱為雙傾斜樣品夾具。某些頂端進(jìn)入或者稱為垂直插入的樣品臺(tái)設(shè)計(jì)在高分辨率TEM研究中曾經(jīng)很普遍，這種樣品臺(tái)僅有XY平面的平移能力。TEM樣品臺(tái)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則非常復(fù)雜，需要同時(shí)考慮到機(jī)械和電子光學(xué)的限制，因此有許多非常獨(dú)特的設(shè)計(jì)。

由于TEM的放大倍數(shù)很高，樣品臺(tái)必須高度穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生力學(xué)漂移。通常要求樣品臺(tái)的漂移速度僅有每分鐘幾納米，而移動(dòng)速度每分鐘幾微米，精度要求達(dá)到納米的量級(jí)[21]。早期的TEM設(shè)計(jì)通過(guò)一系列復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，允許操作者通過(guò)若干旋轉(zhuǎn)桿來(lái)精確的控制樣品臺(tái)的移動(dòng)?，F(xiàn)代的TEM樣品臺(tái)采用電子樣品臺(tái)的設(shè)計(jì)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)移動(dòng)平臺(tái)，使操作者可以利用計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備來(lái)移動(dòng)樣品臺(tái)，如操縱桿或軌跡球。

TEM的樣品臺(tái)主要有兩個(gè)設(shè)計(jì)，側(cè)入式和頂入式[17]。每種設(shè)計(jì)都需要配合相應(yīng)的夾具以允許樣品插入電子束通路的時(shí)候不會(huì)損害TEM的光學(xué)性質(zhì)或者讓氣體進(jìn)入TEM的真空區(qū)域。

一個(gè)單軸傾斜樣品夾具，它可以插入TEM的測(cè)角儀。傾斜這個(gè)夾具可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)整個(gè)測(cè)角儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通常使用的夾具是側(cè)入式的，樣品放置在一個(gè)較長(zhǎng)的金屬桿的尖端，金屬通常是黃銅或不銹鋼，沿著金屬桿是一些聚合物真空環(huán)，以保證在將樣品插入TEM的時(shí)候擁有足夠的真空氣密性。樣品臺(tái)需要配合金屬桿設(shè)計(jì)，而樣品根據(jù)TEM物鏡的設(shè)計(jì)或者放在物鏡之間或者放在物鏡附近。當(dāng)插入樣品臺(tái)的時(shí)候，側(cè)入式夾具的尖端伸入TEM的真空腔中，而其末端處在空氣中，真空環(huán)形成了氣閘。側(cè)入式的TEM夾具的插入過(guò)程包括將樣品旋轉(zhuǎn)以打開(kāi)一個(gè)微開(kāi)關(guān)，使得樣品在插入TEM之前就開(kāi)始對(duì)氣閘進(jìn)行抽真空操作。

第二個(gè)設(shè)計(jì)，頂入式夾具包括一個(gè)幾厘米長(zhǎng)的小盒，盒沿軸有一個(gè)鉆孔，樣品被放置在洞中，可能需要利用一個(gè)小的螺絲來(lái)將樣品固定在合適的位置。樣品盒將被插入氣閘中，其鉆孔與TEM光軸垂直。在密封后，將操作氣閘以將樣品盒推入正確的位置，這時(shí)鉆孔將與TEM的光軸一致，電子束將穿過(guò)樣品盒的鉆孔射入樣品。這種設(shè)計(jì)通常無(wú)法將樣品傾斜，因?yàn)橐坏﹥A斜，就會(huì)阻礙電子束的通路，或者與物鏡發(fā)生干擾[17]。

電子槍

文件:Electron-gun.svg
電子槍的截面圖，示意圖為電子發(fā)射的機(jī)制

電子槍由若干基本元件組成：燈絲，偏置電路，韋乃特陰極，還有陽(yáng)極。通過(guò)將燈絲和負(fù)電壓電源相連，電子可以通過(guò)電子槍泵往陽(yáng)極，并射入TEM的真空腔，從而完成整個(gè)回路。電子槍用于使電子以一定的發(fā)散角度射出設(shè)備，這個(gè)角度被稱為電子槍發(fā)散角，α。通過(guò)放置充有比燈絲更多負(fù)電荷的韋乃特陰極，呈發(fā)散狀射出燈絲的電子會(huì)在適當(dāng)?shù)牟僮飨卤晦D(zhuǎn)變?yōu)闀?huì)聚的形式，其最小大小為電子槍的截面直徑。

熱電子發(fā)射電流強(qiáng)度，J，與發(fā)射電子材料的功函數(shù)和玻爾茲曼分布有關(guān)，關(guān)系如下，其中 A 是常數(shù)，Φ 是功函數(shù)，而T是材料的溫度[17]：

J=AT^2 \exp\left(-\frac{\Phi}{kT}\right)

這個(gè)等式表明，為了達(dá)到足夠的電流強(qiáng)度，需要將燈絲小心加熱，而多余的熱量也不能將燈絲損壞，因此需要具有較高熔點(diǎn)的材料，如鎢，或者可以選擇其他功函數(shù)較低的材料，如六硼化鑭作為燈絲的材料[22]。此外，六硼化鑭和鎢熱電子源必須加熱以使電子可以發(fā)射出來(lái)，通?？梢允褂靡粋€(gè)小電阻片來(lái)達(dá)到這一目的。為了防止熱沖擊，經(jīng)常需要對(duì)電流進(jìn)行延遲，以阻止熱梯度對(duì)燈絲的損傷。對(duì)六硼化鑭材料，這個(gè)延遲通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒鐘，而對(duì)于鎢，這個(gè)延遲相對(duì)來(lái)說(shuō)非常短[來(lái)源請(qǐng)求]。

電子透鏡

TEM分裂極靴設(shè)計(jì)透鏡示意圖

電子透鏡對(duì)電子束的作用類似于光學(xué)透鏡對(duì)光線的作用，它可以將平行的電子束聚集在固定的焦點(diǎn)。透鏡可以使用靜電效應(yīng)，也可以使用磁效應(yīng)。TEM中使用的電子透鏡大多數(shù)都使用了電磁線圈以產(chǎn)生凸透鏡的作用。這些透鏡產(chǎn)生的場(chǎng)必須是徑向?qū)ΨQ的，否則，磁場(chǎng)透鏡將會(huì)產(chǎn)生散光等失真現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)使球面像差與色差惡化。電子透鏡使用鐵、鐵鈷合金或者鎳鈷合金、坡莫合金制成[23] 。選擇這些材料是由于它們擁有適當(dāng)?shù)牡拇盘匦裕绱?a href="/w/%E9%A5%B1%E5%92%8C" title="飽和">飽和、磁滯、磁導(dǎo)等等。

電磁透鏡的主要元件包括外殼、磁線圈、磁極、極靴以及外部控制電路組成。極靴必須制造得非常對(duì)稱，這樣可以提供形成透鏡磁場(chǎng)的合適的邊界條件。制造極靴的過(guò)程中的誤差會(huì)嚴(yán)重影響磁場(chǎng)的對(duì)稱性，從而導(dǎo)致透鏡在物平面重建像的失真。透鏡的空隙的大小、極靴的內(nèi)徑以及尖端的尺度，還有透鏡的整體設(shè)計(jì)經(jīng)常通過(guò)磁場(chǎng)有限元分析來(lái)完成，同時(shí)還需要考慮到設(shè)計(jì)的散熱和電氣限制[23]。

產(chǎn)生透鏡磁場(chǎng)的線圈位于透鏡的外殼之內(nèi)。這些線圈中的電流可以變化，然而經(jīng)常使用很高的電壓，因此需要很強(qiáng)的絕緣能力，以防止透鏡元件之間發(fā)生短路。散熱元件需要將由線圈電阻造成的發(fā)熱散出。線圈可能還需要使用水冷，亦即使用流動(dòng)的冷水將熱量帶走。

光圈孔徑

光圈是環(huán)形的金屬圓盤(pán)，距離光軸超過(guò)一定距離的電子將無(wú)法通過(guò)光圈。這個(gè)元件包含的小圓盤(pán)厚度足以阻止電子穿過(guò)，而中央的電子則可以從空洞穿過(guò)。允許中央的電子通過(guò)這一性質(zhì)在TEM中可以同時(shí)產(chǎn)生兩種效應(yīng)。首先，光圈使得電子束的強(qiáng)度減弱，對(duì)于某些對(duì)電子束強(qiáng)度敏感的樣品就需要使用光圈。其次，光圈可以去掉散射角過(guò)大的電子，從而可以削弱球面像差和色差，以及由于電子和樣品發(fā)生作用的衍射等等不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象[24]。

光圈可能是大小固定的，或者大小可變。他們可以插入電子束通路或者取出，或者在垂直于電子束通路的平面中移動(dòng)。光圈系統(tǒng)是一種允許操作人員選擇不同大小的光圈的機(jī)械設(shè)備，這樣操作人員可以在電子束強(qiáng)度與過(guò)濾效應(yīng)上做出取舍。光圈系統(tǒng)通常需要配合測(cè)微計(jì)來(lái)移動(dòng)光圈。

成像方式

電子束穿過(guò)樣品時(shí)會(huì)攜帶有樣品的信息，TEM的成像設(shè)備使用這些信息來(lái)成像。投射透鏡將處于正確位置的電子波分布投射在觀察系統(tǒng)上。觀察到的圖像強(qiáng)度，I，在假定成像設(shè)備質(zhì)量很高的情況下，近似的與電子波函數(shù)的時(shí)間平均幅度成正比。若將從樣品射出的電子波函數(shù)表示為Ψ[25]，則

I(x)= \frac{k}{t_1-t_0} \int^{t_1}_{t_0} \Psi\Psi^{\mathrm{*}} \, dt

不同的成像方法試圖通過(guò)修改樣品射出的電子束的波函數(shù)來(lái)得到與樣品相關(guān)的信息。根據(jù)前面的等式，可以推出觀察到的圖像強(qiáng)度依賴于電子波的幅度，同時(shí)也依賴于電子波的相位。雖然在電子波幅度較低的時(shí)候相位的影響可以忽略不計(jì)，但是相位信息仍然非常重要。高分辨率的圖像要求樣品盡量的薄，電子束的能量盡量的高。因此可以認(rèn)為電子不會(huì)被樣品吸收，樣品也就無(wú)法改變電子波的振幅。由于在這種情況下樣品僅僅對(duì)波的相位造成影響，這樣的樣品被稱作純相位物體。純相位物體對(duì)波相位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)波振幅的影響，因此需要復(fù)雜的分析來(lái)得到觀察到的圖像強(qiáng)度[25]。例如，為了增加圖像的對(duì)比度，TEM需要稍稍離開(kāi)聚焦位置一點(diǎn)。這是由于如果樣品不是一個(gè)相位物體，和TEM的對(duì)比度傳輸函數(shù)卷積以后將會(huì)降低圖像的對(duì)比度。

對(duì)比度信息

TEM中的對(duì)比度信息與操作的模式關(guān)系很大。復(fù)雜的成像技術(shù)通過(guò)改變透鏡的強(qiáng)度或取消一個(gè)透鏡等等構(gòu)成了許多的操作模式。這些模式可以用于獲得研究人員所關(guān)注的特別信息。

亮場(chǎng)

TEM最常見(jiàn)的操作模式是亮場(chǎng)成像模式。在這一模式中，經(jīng)典的對(duì)比度信息根據(jù)樣品對(duì)電子束的吸收所獲得。樣品中較厚的區(qū)域或者含有原子數(shù)較多的區(qū)域?qū)﹄娮游蛰^多，于是在圖像上顯得比較暗，而對(duì)電子吸收較小的區(qū)域看起來(lái)就比較亮，這也是亮場(chǎng)這一術(shù)語(yǔ)的來(lái)歷。圖像可以認(rèn)為是樣品沿光軸方向上的二維投影，而且可以使用比爾定律來(lái)近似[26]。對(duì)亮場(chǎng)模式的更復(fù)雜的分析需要考慮到電子波穿過(guò)樣品時(shí)的相位信息[25]。

衍射對(duì)比度

主條目：電子衍射
鋼鐵中原子尺度上晶格錯(cuò)位的TEM圖像。

由于電子束射入樣品時(shí)會(huì)發(fā)生布拉格散射，樣品的衍射對(duì)比度信息會(huì)由電子束攜帶出來(lái)。例如晶體樣品會(huì)將電子束散射至后焦平面上離散的點(diǎn)上。通過(guò)將光圈放置在后焦平面上，可以選擇合適的反射電子束以觀察到需要的布拉格散射的圖像。通常僅有非常少的樣品造成的電子衍射會(huì)投影在成像設(shè)備上。如果選擇的反射電子束不包括位于透鏡焦點(diǎn)的未散射電子束，那么在圖像上沒(méi)有樣品散射電子束的位置上，也就是沒(méi)有樣品的區(qū)域?qū)?huì)是暗的。這樣的圖像被稱為暗場(chǎng)圖像。

現(xiàn)代的TEM經(jīng)常裝備有允許操作人員將樣品傾斜一定角度的夾具，以獲得特定的衍射條件，而光圈也放在樣品的上方以允許用戶選擇能夠以合適的角度進(jìn)入樣品的電子束。

這種成像方式可以用來(lái)研究晶體的晶格缺陷。通過(guò)認(rèn)真的選擇樣品的方向，不僅能夠確定晶體缺陷的位置，也能確定缺陷的類型。如果樣品某一特定的晶平面僅比最強(qiáng)的衍射角小一點(diǎn)點(diǎn)，任何晶平面缺陷將會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的對(duì)比度變化。然而原子的位錯(cuò)缺陷不會(huì)改變布拉格散射角，因此也就不會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)比度[27]。

電子能量損失

通過(guò)使用采用電子能量損失光譜學(xué)這種先進(jìn)技術(shù)的光譜儀，適當(dāng)?shù)碾娮涌梢愿鶕?jù)他們的電壓被分離出來(lái)。這些設(shè)備允許選擇具有特定能量的電子，由于電子帶有的電荷相同，特定能量也就意味著特定的電壓。這樣，這些特定能量的電子可以與樣品發(fā)生特定的影響。例如，樣品中不同的元素可以導(dǎo)致射出樣品的電子能量不同。這種效應(yīng)通常會(huì)導(dǎo)致色散，然而這種效應(yīng)可以用來(lái)產(chǎn)生元素成分的信息圖像，根據(jù)原子的電子-電子作用[28]。

電子能量損失光譜儀通常在光譜模式和圖像模式上操作，這樣就可以隔離或者排除特定的散射電子束。由于在許多圖像中，非彈性散射電子束包含了許多操作者不關(guān)心的信息，從而降低了有用信息的可觀測(cè)性。這樣，電子能量損失光譜學(xué)技術(shù)可以通過(guò)排除不需要的電子束有效提高亮場(chǎng)觀測(cè)圖像與暗場(chǎng)觀測(cè)圖像的對(duì)比度。

相襯技術(shù)

晶體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡來(lái)研究，這種技術(shù)也被稱為相襯顯微技術(shù)。當(dāng)使用場(chǎng)發(fā)射電子源的時(shí)候，觀測(cè)圖像通過(guò)由電子與樣品相互作用導(dǎo)致的電子波相位的差別重構(gòu)得出[29]。然而由于圖像還依賴于射在屏幕上的電子的數(shù)量，對(duì)相襯圖像的識(shí)別更加復(fù)雜。然而，這種成像方法的優(yōu)勢(shì)在于可以提供有關(guān)樣品的更多信息。

衍射模式

面心立方奧氏體不銹鋼孿晶結(jié)晶衍射圖

如前所述，通過(guò)調(diào)整磁透鏡使得成像的光圈處于透鏡的后焦平面處而不是像平面上，就會(huì)產(chǎn)生衍射圖樣。對(duì)于單晶體樣品，衍射圖樣表現(xiàn)為一組排列規(guī)則的點(diǎn)，對(duì)于多晶或無(wú)定形固體將會(huì)產(chǎn)生一組圓環(huán)。對(duì)于單晶體，衍射圖樣與電子束照射在樣品的方向以及樣品的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常僅僅根據(jù)衍射圖樣上的點(diǎn)的位置與觀測(cè)圖像的對(duì)稱性就可以分析出晶體樣品的空間群信息以及樣品晶體方向與電子束通路的方向的相對(duì)關(guān)系。 衍射圖樣的動(dòng)態(tài)范圍通常非常大。對(duì)于晶體樣品，這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍通常超出了CCD所能記錄的最大范圍。因此TEM通常裝備有膠卷暗盒以記錄這些圖像。

硅晶體產(chǎn)生的會(huì)聚電子束菊池線

對(duì)衍射圖樣點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分析非常復(fù)雜，這是由于圖像與樣品的厚度和方向、物鏡的失焦、球面像差和色差等等因素都有非常密切的關(guān)系。盡管可以對(duì)格點(diǎn)圖像對(duì)比度進(jìn)行定量的解釋，然而分析本質(zhì)上非常復(fù)雜，需要大量的計(jì)算機(jī)仿真來(lái)計(jì)算[30]。

衍射平面還有更加復(fù)雜的表現(xiàn)，例如晶體格點(diǎn)的多次衍射造成的菊池線。在會(huì)聚電子束衍射技術(shù)中，會(huì)聚電子束在樣品表面形成一個(gè)極細(xì)的探針，從而產(chǎn)生了不平行的會(huì)聚波前，而匯聚電子束與樣品的作用可以提供樣品結(jié)構(gòu)以外的信息，例如樣品的厚度等等。

三維成像

樣品制備

改進(jìn)

掃描時(shí)間長(zhǎng)。

成像原理

透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

組件

此外還有二級(jí)真空泵來(lái)對(duì)樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。

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(huì)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(shí)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(duì)于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過(guò)的銅網(wǎng)上進(jìn)行觀察。

相關(guān)聯(lián)接

參考

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參考來(lái)源

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