透射电镜.ppt

现代仪器分析实验技术现代仪器分析实验技术2014.06.091.内容内容一、为什么需要电镜为什么需要电镜二、电镜的分类电镜的分类三、透射电镜的发展历史三、透射电镜的发展历史四、透射电镜的基本原理四、透射电镜的基本原理五、透射电镜能做什么五、透射电镜能做什么六、六、HT-7700HT-7700电镜的基本使用电镜的基本使用2.观察事物的需要观察事物的需要-电子显微镜电子显微镜放大和分辨率放大和分辨率3.分辨率的追求分辨率的追求分辨本领分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。1)1)人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨0.10.2mm0.10.2mm的细节的细节2)2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3)3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率或分辨率)的限制。的限制。4.光学透镜分辨本领光学透镜分辨本领d0的公式：的公式：式中：式中：是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔径半角，是透镜孔径半角，n 是物方介质折射率，是物方介质折射率，nsin或或NA称为数值孔径。称为数值孔径。5.在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜系在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜系统的统的NA值小于值小于1。D0 1/2 波长是透镜分辨率大小的决定因素波长是透镜分辨率大小的决定因素。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。若。若用波长最短的可见光用波长最短的可见光(=400nm)作照明源。作照明源。d0=200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限6.圆孔孔径为圆孔孔径为D L衍射屏衍射屏观察屏观察屏 1 f相相对对光光强曲线强曲线1.22(/D)sin 1I/I00艾里斑艾里斑(艾艾里里斑斑)刚可分辨刚可分辨不可分辨不可分辨中央为亮斑中央为亮斑,外围为一些同心亮外围为一些同心亮环环.光强主要在中央亮斑区光强主要在中央亮斑区(84%)艾里艾里(Airy)斑。斑。瑞利判据瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点对于两个等光强的非相干物点,如果其一个象斑如果其一个象斑的中心恰好落的中心恰好落在另一象斑在另一象斑的边缘的边缘(第一暗纹处第一暗纹处),),则此两物点被认为是刚刚可以分辨。两艾里斑中心距小于艾里则此两物点被认为是刚刚可以分辨。两艾里斑中心距小于艾里斑半径斑半径,两象点不能分辨。两象点不能分辨。7.随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源的一种新的照明源 电子束被发现了。电子束被发现了。1924年法国物理学家德年法国物理学家德.布罗意布罗意(De Broglie)提出一提出一个假设：运动的微观粒子个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等如电子、中子、离子等)与光与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波从波-粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数 h 对对于粒子动量的比值，即：于粒子动量的比值，即：=h/mv 对于电子来说，这里，对于电子来说，这里，m 是电子质量是电子质量kg，v 是是电子运动的速度电子运动的速度ms-1。8.初速度为零的自由电子从零电位达到电位为初速度为零的自由电子从零电位达到电位为U(单位为单位为 v)的电场时电子获得的能量是的电场时电子获得的能量是eU：1/2mv2=eU 当电子速度当电子速度v 远远小于光速远远小于光速C 时，电子质量时，电子质量m 近近似等于电子静止质量似等于电子静止质量m0，由上述两式整理得：，由上述两式整理得：9.将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位的单位为库仑，为库仑，h的单位为的单位为Js，我们将得到：，我们将得到：加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10-3nm8.596.985.363.702.511.420.687表表9-1不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长nm10.当加速电压为当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为的孔径半角的典型值仅为10-2-10-3rad。如果加速电。如果加速电压为压为100kV，孔径半角为，孔径半角为10-2rad，那么分辨本领为：，那么分辨本领为：d0=0.613.710-3/10-2=0.225 nm11.电镜的分类电镜的分类透射电子显微镜透射电子显微镜 电子束透过样品(透射电子)直接放大成像扫描电子显微镜扫描电子显微镜 电子束以扫描形式轰击在样品上，产生二次电子等信息，而后再将二次电子等信息收集起来放大成像。分析电子显微镜分析电子显微镜 将X射线和显微分析仪与扫描电镜或透射电镜相连，常见的是能谱仪和波谱仪12.透射电镜的发展透射电镜的发展First TEM(rudiment),1931 E.Ruska and M.Knoll从E.Ruska等发明电镜那时起，其基本光学原理始终没有改变等发明电镜那时起，其基本光学原理始终没有改变过。后过。后来主要是提高分辨本领和使用性能等。13.诺贝尔物理奖牌正面诺贝尔物理铜像14.1928年，柏林工科大学的克偌尔和茹斯卡奠定了电镜的理论基础。年，柏林工科大学的克偌尔和茹斯卡奠定了电镜的理论基础。1933年，茹斯卡制造的第一台电子光学装置，可放大年，茹斯卡制造的第一台电子光学装置，可放大12000倍。倍。1938年，茹斯卡制造的第一台透射电子显微镜，分辨率达年，茹斯卡制造的第一台透射电子显微镜，分辨率达100埃。埃。1939年，德国西门子公司按该样机生产了世界第一批商品电镜年，德国西门子公司按该样机生产了世界第一批商品电镜40台，台，并在战后运往其他国家，使人类的形态学研究跨入了超微结构新领域。并在战后运往其他国家，使人类的形态学研究跨入了超微结构新领域。1939年，茹斯卡通过电镜技术发现了烟草病毒，解决了年，茹斯卡通过电镜技术发现了烟草病毒，解决了30年前的悬案，年前的悬案，引起了世界震动，加速了电镜技术的发展。继而在植物中发现了彩虹引起了世界震动，加速了电镜技术的发展。继而在植物中发现了彩虹病毒、风轮病毒、家蚕病毒等；在人体中发现了流感病毒、天花病毒、病毒、风轮病毒、家蚕病毒等；在人体中发现了流感病毒、天花病毒、肝炎病毒、麻风杆菌等，同时也找出了一些污染源和毁灭性的瘟疫流肝炎病毒、麻风杆菌等，同时也找出了一些污染源和毁灭性的瘟疫流行渠道。行渠道。透射电镜发展历程透射电镜发展历程透射电镜发展历程透射电镜发展历程de de：15.1953年，日本发现了桑树维管束中的微生物。年，日本发现了桑树维管束中的微生物。80年代，电镜技术在自然学科的许多领域中年代，电镜技术在自然学科的许多领域中得到了广泛应用，并形成了一门交差型的新得到了广泛应用，并形成了一门交差型的新型学科。科学家利用电镜技术发现了多种病型学科。科学家利用电镜技术发现了多种病毒，污染水源中的微生物，有毒物质，纳米毒，污染水源中的微生物，有毒物质，纳米材料等，材料等，其中纳米材料使纳米技术崛起并迅其中纳米材料使纳米技术崛起并迅速发展。速发展。16.1982年，诺贝尔化学奖授予卓越的电镜应年，诺贝尔化学奖授予卓越的电镜应用者用者英国的分子生物学家克卢格英国的分子生物学家克卢格（A.Klug）1986年，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学年，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予电子显微镜的发明者奖授予电子显微镜的发明者德国科学德国科学家恩斯特家恩斯特.茹斯卡（茹斯卡（ErnstRuska，1906-1988）；授予扫描隧道显微镜的设计者）；授予扫描隧道显微镜的设计者德国物理学家宾尼希（德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-）。）。17.1958年，我国成功地研制了第一台透射电子年，我国成功地研制了第一台透射电子显微镜，分辨本领为显微镜，分辨本领为3nm，1979年分辨本领年分辨本领达到达到0.3nm。值得一提：值得一提：18.透射电镜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。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。四部分：四部分：电子光学系统、电源系统、真空系统、电子光学系统、电源系统、真空系统、操作控制系统（实验室观察）操作控制系统（实验室观察）透射电镜的工作原理和特点透射电镜的工作原理和特点19.透过样品的电子束透过样品的电子束强度，经过物镜聚焦放强度，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或其记录在电子感光板或胶卷上。透镜电镜和普胶卷上。透镜电镜和普通光学显微镜的光路是通光学显微镜的光路是相似的。相似的。透射电镜透射电镜 光学显微镜光学显微镜透射电镜的光学原理透射电镜的光学原理20.透射电镜的发展透射电镜的发展-分辨率的提高分辨率的提高分辨率约50nm分辨率：0.1nmJEOL JEM-2100F加速电压 200kV 150万放大倍数 点分辨率 0.19nm；线分辨率0.1nm；STEM分辨率为0.20nm;Hitachi HT-7700加速电压：40-120kv可调 分辨率：0.204nm21.透射电镜的透射电镜的基本功基本功能能Elem Weight%Atomic%C K66.9078.60O K14.5012.80CuL01.9000.40AlK00.5000.20SiK14.1007.10P K00.9000.40CaK01.2000.4022.如何准备样品如何准备样品粉末样品粉末样品1块体样品块体样品 2薄膜样品薄膜样品3高分子、生物样品高分子、生物样品 4透射电镜的样品分类透射电镜的样品分类23.透射电镜专用铜网透射电镜专用铜网支持膜支持膜超薄碳膜超薄碳膜 小于小于10nm的粒子的粒子微栅微栅 管状、棒状、纳米团聚物管状、棒状、纳米团聚物 普通碳膜普通碳膜 形貌观察形貌观察碳膜铜网：方华膜+碳膜；微栅：带微孔的有机膜+方华膜24.支持膜的分类支持膜的分类无孔碳支持膜系列无孔碳支持膜系列碳支持膜：碳支持膜：碳支持膜厚度10-20nm，具有抗热性和导电性，推荐选用230目载网纯碳支持膜：纯碳支持膜：当必须使用有机溶剂作为分散剂时选择，碳支持膜厚度20-40nm，适合观察10nm以上的样品，推荐选用400目载网薄纯碳支持膜：薄纯碳支持膜：当必须使用有机溶剂或高温下处理的特殊样品，碳支持膜厚度 7-10nm，适合分散性较好，带有机包覆层的核壳结构之类的 纳米材料样品，推荐选用400目载网超薄碳支持膜：超薄碳支持膜：碳膜厚度3-5nm，适合观察10nm以下，分散性较好的纳米材料，推荐选用230目载网有孔碳支持膜系列有孔碳支持膜系列微栅支持膜：微栅支持膜：能达到无背底观察的效果，推荐选用230目载网纯碳微栅支持膜、纯碳微栅支持膜、FIB微栅支持膜微栅支持膜 等等非碳材料支持膜非碳材料支持膜无碳方华膜、镀金、镀锗支持膜无碳方华膜、镀金、镀锗支持膜 等等25.粉末样品的制备粉末样品的制备a)直接观察：将粉末放入无水乙醇溶液中，采用超声波直接观察：将粉末放入无水乙醇溶液中，采用超声波震荡分散均匀后，滴在震荡分散均匀后，滴在铜网铜网上，干燥后直接进行透射上，干燥后直接进行透射观察（适合纳米级粉末分析）观察（适合纳米级粉末分析）b)树脂包埋切片：树脂包埋切片：注意事项注意事项：1、溶液浓度不要太大，一般溶液颜色略透 明即可（部分黑色物质，如石墨，颜 色可稍深）2、洗去样品中的表面活性剂，否则会因碳 污染影响观察3、选择合适的支持膜4、特殊分散剂请向仪器操作人员说明包埋剂要求：高强度、高温稳定性、与多种化学试剂不发生反应。常用包埋剂：G1，G2，610等。该种方法还可用于薄膜、涂层样品制备。26.透射电镜的具体操作和使用透射电镜的具体操作和使用教八教八-11027.参考书：参考书：1、材料评价的分析电子显微方法，近藤大辅、及川哲夫 合著，冶金 工业出版社2、电子显微分析，章晓中 编著，清华大学出版社3、材料微观结构的电子显微学分析，黄孝瑛 著，冶金工业出版社4、近代晶体学，张克从 著，科学出版社 28.