透射电子显微分析

11.1.2　透射电子显微分析

1933年，德国物理学家卢什卡(Ruska)等研制成第一台透射电子显微镜。1939年，德国西门子公司生产了分辨本领优于10 nm的电子显微镜。现代高性能的透射电子显微镜点分辨本领可达到0.1 nm，放大倍数可达80～100万倍以上，并具备了多方面的综合分析能力。透射电子显微镜在微观世界的研究应用，将人们带入了原子、分子、物质微结构的世界。

透射电子显微镜是以短波长电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。主要由电子光学系统(镜体)、真空系统和电子器件系统组成。

透射电子显微镜的工作原理是一单色、单向、均匀而高速的微电子束，用薄试样相互作用时，束中的部分电子激发出与试样相关的二次电子、背散射电子、特征X射线和俄歇电子等信息。穿过试样的电子束，被散射偏离原有方向的叫散射电子束，未被散射的叫透射电子束。这两类电子束皆可用于成像。能获得衬度完全相反的两种像——取透射电子束经过物镜聚焦的像叫明场像;取散射电子束经过物镜聚焦的像叫暗场像。再经过中间镜和投影镜的多级放大，最终将欲观测的图像呈现在荧光屏上。如图11.1所示。

图11.1　由透射电子显微镜拍摄的葡萄状球菌的病毒细胞，放大倍数50000×

这种电镜适用于晶体结构和缺陷的直接成像，即能观测原子或原子团的排列，又能确定其所处的空间位置。另一类配有X射线能谱仪、电子能量损失谱仪、俄歇电子谱仪和扫描附件等的分析型电镜，可用于小至直径4nm范围内的晶体形态、成分和结构的分析;地质学中微细矿物，如黏土矿物的形态观察与鉴定;微细矿物的显微双晶、出溶、相变和位错研究等。

透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况:

吸收像:当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成像作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像:电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。

相位像:当样品薄至100以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。