透射电镜的样品制备

　　透射电镜的样品制备是一项较复杂的技术，它对能否得到好的TEM像或衍射谱是至关重要的.投射电镜是利用样品对如射电子的散射能力的差异而形成衬度的，这要求制备出对电子束"透明"的样品，并要求保持高的分辨率和不失真.

　　电子束穿透固体样品的能力主要取决加速电压，样品的厚度以及物质的原子序数.一般来说，加速电压愈高，原子序数愈低，电子束可穿透的样品厚度就愈大.对于100～200KV的透射电镜，要求样品的厚度为50～100nm，做透射电镜高分辨率，样品厚度要求约15nm(越薄越好).

　　透射电镜样品可分为：粉末样品，薄膜样品，金属试样的表面复型.不同的样品有不同的制备手段，下面分别介绍各种样品的制备.

　　(1)粉末样品　　因为透射电镜样品的厚度一般要求在100nm以下，如果样品厚于100nm，则先要用研钵把样品的尺寸磨到100nm以下，然后将粉末样品溶解在无水乙醇中，用超声分散的方法将样品尽量分散，然后用支持网捞起即可.

　　(2)薄膜样品　　绝大多数的TEM样品是薄膜样品，薄膜样品可做静态观察，如金相组织;析出相形态;分布，结构及与基体取向关系，错位类型，分布，密度等;也可以做动态原位观察，如相变，形变，位错运动及其相互作用.制备薄膜样品分四个步骤：

　　a将样品切成薄片(厚度100～200微米)，对韧性材料(如金属)，用线锯将样品割成小于200微米的薄片;对脆性材料(如Si，GaAs，NaCl，MgO)可以刀将其解理或用金刚石圆盘锯将其切割，或用超薄切片法直接切割.

　　b切割成φ3mm的圆片　　用超声钻或puncher将φ3mm薄圆片从材料薄片上切下来.

　　c预减薄　　使用凹坑减薄仪可将薄圆片磨至10μm厚.用研磨机磨(或使用砂纸)，可磨至几十μm.

　　d终减薄　　对于导电的样品如金属，采用电解抛光减薄，这方法速度快，没有机械损伤，但可能改变样品表面的电子状态，使用的化学试剂可能对身体有害.

　　对非导电的样品如陶瓷，采用离子减薄，用离子轰击样品表面，使样品材料溅射出来，以达到减薄的目的.离子减薄要调整电压，角度，选用适合的参数，选得好，减薄速度快.离子减薄会产生热，使样品温度升至100～300度，故最好用液氮冷却样品.样品冷却对不耐高温的材料是非常重要的，否则材料会发生相变，样品冷却还可以减少污染和表面损伤.离子减薄是一种普适的减薄方法，可用于陶瓷，复合物，半导体，合金，界面样品，甚至纤维和粉末样品也可以离子减薄(把他们用树脂拌合后，装入φ3mm金属管，切片后，再离子减薄).也可以聚集离子术(FIB)对指定区域做离子减薄，但FIB很贵.

　　对于软的生物和高分子样品，可用超薄切片方法将样品切成小于100nm的薄膜.这种技术的特点是样品不会改变，缺点是会引进形变.

　　(3)金属试样的表面复型　　即把准备观察的试样的表面形貌(表面显微组织浮凸)用适宜的非晶薄膜复制下来，然后对这个复制膜(叫做复型)进行透射电镜观察与分析.复型适用于金相组织，断口形貌，形变条纹，磨损表面，第二相形态及分布，萃取和结构分析等.

　　制备复型的材料本身必须是"无结构"的，即要求复型材料在高倍成像时也不显示其本身的任何结构细节，这样就不致干扰被复制表面的形貌观察和分析.常用的复型材料有塑料，真空蒸发沉积炭膜(均为非晶态物质)　.

　　常用的复型有：a塑料一级复型，分辨率为10～20nm;b炭一级复型，分辨率2nm，c塑料-炭二级复型，分辨率10～20nm;d萃取复型，可以把要分析的粒子从基体中提取出来，这种分析时不会受到基体的干扰.

　　除萃取复型外，其余复型只不过是试样表面的一个复制品，只能提供有关表面形貌的信息，而不能提供内部组成相，晶体结构，微区化学成分等本质信息，因而用复型做电子显微分析有很大的局限性，目前，除萃取复型外，其他复型用的很少.

　　TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE

　　利用电子，一般是利用电子透镜聚焦的电子束，形成放大倍数很高的物体图像的设备。

　　电子显微镜(以下简称电镜)属电子光学仪器。由于电子的德布罗意波波长比光波短几个量级，所以电镜具有高分辨成像的能力。首先发明的是透射电镜，由M.诺尔和E.鲁斯卡于1932年发明并突破了光学显微镜分辨极限。透射电子显微镜是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2?m、光学显微镜下无法看清的结构，又称"亚显微结构"。透射电镜 (TEM)　样品必须制成电子能穿透的，厚度为100～2000埃的薄膜。成像方式与光学生物显微镜相似，只是以电子透镜代替玻璃透镜。放大后的电子像在荧光屏上显示出来.

　　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，主要的成相作用是散射作用。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，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，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。

　　组件

　　电子枪：发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。

　　聚光镜：将电子束聚集，可用已控制照明强度和孔径角。

　　样品室：放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热﹑冷却等设备。

　　物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。

　　中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流﹐可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。

　　透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。

　　此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。

　　透射电镜衬度(反差)的来源

　　TEM衬度的形成,物镜后焦面是起重要作用的部位。电子经样品散射后，相对光轴以同一角度进入物镜的电子在物镜后焦面上聚焦在一个点上。散射角越大，聚焦点离轴越远,如果样品是一个晶体,在后焦面上出现的是一幅衍射图样。与短晶面间距(或者说"高空间频率")对应的衍射束被聚焦在离轴远处。在后焦面上设有一个光阑。它截取那一部分电子不但对衬度，而且对分辨本领有直接的影响。如果光阑太小，把需要的高空间频率部分截去，那么和细微结构对应的高分辨信息就丢失了(见阿贝成像原理)。

　　样品上厚的部分或重元素多的部分对电子散射的几率大。透过这些部分的电子在后焦面上分布在轴外的多。用光阑截去部分散射电子会使"质量厚度"大的部位在像中显得暗。这种衬度可以人为地造成，如生物样品中用重元素染色，在材料表面的复形膜上从一个方向喷镀一层金属，造成阴阳面等。散射吸收(指被光阑挡住)衬度是最早被人们所认识和利用的衬度机制。就表面复型技术而言，它的分辨本领可达几十埃。至于晶体样品的衍衬像和高分辨的点阵像的衬度来源，见点阵像和电子衍衬像。

　　应用

　　透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。

　　由透射电镜的工作原理可知，供透射电镜分析的样品必须对电子束是透明的;此外，所制得的样品还必须可以真实反映所分析材料的某些特征，因此，样品制备在透射电子显微分析技术中占有相当重要的位置，也是一个涉及面很广的题目。　　大体上透射电镜样品可分为间接样品和直接样品。我们下面将对间接样品的制备作简单介绍。

　　间接样品“复型”可以分为五步来进行：

　　第一步，在拟分析的样品表面滴一滴丙酮，将醋酸纤维素薄膜即A.C.纸覆盖其上，适当按压形成不夹气泡的一级复型;

　　第二步，待上述一级复型干燥后，小心地将其剥离，并将复制面向上平整地固定在玻璃片上;

　　第三步，将固定好复型地玻璃片连同一白瓷片置于真空镀膜室中，以垂直方向喷涂碳，以制备由塑料和碳膜构成地“复合复型”。白色瓷片表面在喷碳过程中颜色的变化可以表示碳膜的厚度。

　　第四步，将复合复型上要分析的区域剪为略小于样品台钢网的小方块后，使碳膜面朝里，贴在事先熔在干净玻璃片上的低熔点石蜡层上，石蜡液层冷凝后即把复合膜块固定在玻璃片上。将该玻璃片放入丙酮液中，复合复型的A.C.纸在丙酮中将逐渐被溶解，同时适当加热以溶解石蜡。

　　最后，待AC纸和石蜡溶解干净后，碳膜(即二级复型)将漂浮在丙酮液中，将其转移至清洁的丙酮液中清洗后，再转移至盛蒸馏水的器皿中。此时，由于水的表面张力，碳膜会平展地漂浮在水面，用样品铜网将其捞起，干燥后即可置于电镜下观察。