tem检测方法（TEM测试的重要知识）

透射电子显微镜Transmission Electron Microscope，简称TEM。TEM就是用波长很短的高能电子束击穿薄样品来获取样品中的各种信息。电子在通过试样时会与试样内原子产生碰撞而使原子的能量和移动方向发生变化。不同结构的试样中有不同的电子相互作用，它们通过物镜时，均在物镜的后焦面或像平面上形成一个类特殊像，从而获得试样的内部结构信息。

1931年，德国物理学家恩斯特・鲁斯卡(E.Ruska)与其导师研制出世界上第一台透射电子显微镜。1986年，E.Ruska与发明扫描隧道显微镜的葛·宾尼(G.Binnig)和海·罗雷尔(H.Rohrer)博士一起获得了诺贝尔物理学奖。

TEM的基本构造

1.电子光学系统：镜筒和样品室，包括照明、成像、观察、记录

2.真空系统：各种真空泵、真空显示系统

3.供电系统：各种电源、安全系统、控制系统

电子光学系统是其主要部件，决定电镜的分辨率；真空系统给电子光学系统带来了必要的高真空；供电系统保证了磁透镜线圈的电压，电流等参数的稳定性。

TEM像衬度原理

1.质厚衬度：

电子显微镜图像衬度是指人眼对荧光屏或摄像机所能观察到的光强度之差，依赖于投射到荧光屏或摄像机不同部位的电子强度。

对于非晶体样品来说，入射电子透过样品时碰到的原子数目越多（样品越厚或原子密度越大)，样品原子核库仑电场越强，被散射到物镜光阑外的电子就越多，因而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低。

因此，样品内部相邻区域的厚度或密度差异将导致成像电子强度，也就是质厚村度差异。

质厚衬度以非晶样品原子对入射电子散射及透镜小孔成像为依据，它是解释非晶样品电子显微图像衬度（形貌像）的理论依据。质厚村度主要是由散射电子多少来确定。

2.衍射衬度：

对薄晶体样品而言，在样品各区厚度/密度均一平均原子序数相差不大情况下，通过质厚衬度不一定能得到令人满意的影像反差，可通过衍射衬度得到影像。

衍射衬度的基础是薄晶体样品不同微区与入射电子束方位角不一致或其相互所属晶体结构不一样，从而对布拉格衍射条件满足程度也不一样，致使其衍射强度也不一样。

利用物镜光阑让透射束或某衍射束通过物镜后焦面在像平面上成像，其形成衬度称为衍射衬度。

3.相位衬度：

对薄晶体样品而言，若采用物镜光阑使透射束与1束或1束以上衍射束共同参与成像，则可因各衍射束相干相位的影响获得晶格条纹像及晶体结构（原子）像，前者是晶体中原子面的投影，后者是晶体中原子或原子团电势场的二维投影。成像用衍射束数目越大，所获得晶体结构的细节也就越大。

相位衬度像比衍射衬度像分辨率高，可提供<1.5nm细节，所以相位衬度像又称高分辨像（HRTEM）。HRTEM不仅可以提供样品研究对象的形貌像（在常规倍率上等效为明场像），更重要的是可以提供晶体结构信息。

4.原子序数衬度：

Z-衬度像又称原子分辨率原子序数衬度像（Z contrast image）也属于相位衬度像，但它是一种非相干相位散射成像，其分辨率高于相干相位成像的HRTEM。

Z-衬层像使用细聚焦高能电子束扫描样品表面，接收器为带孔环形探测器（STEM），不接受中心透射电子，仅接受高角卢瑟福散射电子，减少布拉格衍射对图像的贡献，图像亮度与样品原子序数平方成正比，称为高角环形暗场像，STEM-HIAADF。

STEM的显著特点是：

(1)具有<0.2nm直径的高亮度电子探针，通常由场发射电子枪提供。

(2)既具有透射电镜功能，又具有扫描电镜功能。

TEM样品的制备

1.粉末样品的制备

粉末样品制备主要是制备铜网支持膜，粉末在铜网支持膜中分布均匀。由于TEM的电子束需穿透样品，要用TEM专用镂空铜网来承载样品，对于细小的粉末或颗粒，铜网上一般预先粘附一层连续而且很薄（约20-~30nm）的有机支持膜（方华膜），为提高支持膜的牢固性和导电性，在方华膜上再喷涂一层很薄的碳颗粒（碳支持膜），将细小的粉末样品置于碳支持膜上，不漏出铜网孔，较早较国产火棉胶碳复合支持膜现已有各种商品化TEM专用铜网支持膜可直接购买使用。

TEM样品的制备

1.粉末样品的制备

粉末样品的制备包括铜网支持膜的制备和粉末均匀分布于铜网支持膜上的方法。由于TEM的电子束需穿透样品，要用TEM专用镂空铜网来承载样品，对于细小的粉末或颗粒，铜网上一般预先粘附一层连续而且很薄（约20-~30nm)的有机支持膜（方华膜)，为增强支持膜的牢固性和导电性，在方华膜上再喷镀一层很薄的碳颗粒（碳支持膜），小尺寸粉末样品置于碳支持膜表面且不遗漏铜网孔，较早自制火棉胶/碳复合支持膜已有多种商品化TEM专用铜网支持膜可以直接选购和使用。

2.薄膜样品的制备

主要指用真空溅射，磁控溅射，溶液凝固，静电纺丝，超薄切片等法制备出可以直接进行TEM观测的薄膜。

(1)如果可以直接在铜网上成膜，可直接以裸铜网或碳支持膜铜网作为基底沉积薄膜，如真空溅射、溶液凝固，静电纺丝。

(2)如果不能直接在铜网上成膜，可想办法让膜浮在表面，然后用铜网捞取待水分蒸发后再直接观察。如果超薄切片切出来的片，就可以直接浮在水面。还可以把薄膜溅射到无机盐（如KCI）基片上面，例如磁控溅射等，再把无机盐基片置于水中，无机盐溶解时，薄膜即浮在水面上用铜网捞起。

(3)总的要求：膜要薄（厚度<200nm),膜和铜网的结合要牢固。

3.金属及无机非金属块状样品制备

(1)金属块体制成薄膜样品：

将大块金属试样顺利制备成可以观察到的薄膜并进行最后电解抛光至关重要。

影响电解抛光质量的因素很多：电解液成分、浓度、抛光电压、电流、温度和样品成分等。

如果制备的原料是新材料，就必须通过试验来确定电解抛光时的最佳工艺条件，特别是抛光电压和电流，并可借助光学显微镜随时检查抛光表面

(2)无机非金属块体制成薄膜样品

20世纪60年代出现的离子减薄技术特别适用于无机非金属（例如，陶瓷，硅，高，储，氧化物，碳化物，硼化物，硅化物）块体材料的薄膜制备。非金属块体薄膜的制备与金属块体的制备相似。

4.金属及无机非金属多层膜截面样品制备

用于TEM观察的截面（(cross--sectional))样品制备是个难点，荐膜的截面样品制备更因难。对在金属和无机非金属材料上制备多层膜截面，可以采用专门的办法：

(1)采用切割技术从沉积有荐膜的基片上切割两个φ2mm,长约10mm的半圆柱，半圆柱的侧平面为薄膜面，薄膜表面用丙酮和无水乙醇超声波清洗除去污渍；

(2)将φ3mm外径和φ2mm内径不锈钢管（或纯铜管）切成10mm见方的小块，半圆柱试样的整个外侧面和不锈钢管内表面涂覆环氧树脂粘结胶，然后将两个半圆柱胶合为一个整圆柱插入不锈钢管中，以保证粘结面都有粘结胶。嵌入后的样品根据所使用环氧树脂固化的要求，在室温或加热条件下固化；

(3)采用薄片砂轮切割机将固化后的试样切割成厚度约为0.3mm的圆片；

(4)用粒度为10~30μm的金相砂纸将试样从两面研磨至约100μm厚。接着，同用环氧树脂在样品一侧粘上与直径φ1.5mm，厚30um左右的外径一致的特制Mo环，放置凝固。粘有Mo环的样品固化后，继续用金相砂纸将样品磨至50μm厚(不含Mo环的厚度)；

(5)用0.1μm金刚石研磨青在凹坑研磨仪上磨试样面，试样表面磨一个圆形凹坑，凹坑中心试样厚度最终达到20μm左右；

(6)最后采用离子减薄仪对磨有凹坑的样品进行离子束刻蚀减薄至50~500nm,用于TEM观察。

5.聚焦离子束（FIB）方法

FIB(focused ion beam)仪器与SEM相似，它用离子束取代SEM中的电子束来扫描样品，通常的加速电压为5~50kV。高能离子束轰击样品时，样品表面会散射出二次离子，通过探测器探测可形成高清晰、高分辨、大径深的扫描离子像（简称SIM），放大倍数可达10万倍。

利用离子束这一溅射效应，FIB能够在扫描离子像上准确刻蚀出样品的特定微区，其刻蚀深度根据FIB束流尺寸、刻蚀时间及其他参数来确定；进一步外加大电流可以迅速地切割试片，并掘出需要的孔或者剖面，从而达到在样品某一微区TEM制样目的

FIB最初用于半导体器件的线路修复，现在TEM制样上的应用引起广泛的兴趣。

使用FIB可实现TEM样品的快速制备。当前的做法有二。第一是传统的“刻槽法”(trench method),如图a。第二种方法是“取出法”(lift-out method),图b显示了在材料表面制备的TEM样品过程。

6.高分子块体样品制备

高分子块状样品可以采用超薄切片机获得<100nm厚度的薄膜试样，该方法也广泛应用于生物样品的制备。超薄切片机切试样是用玻璃刀还是钻石刀。

超薄切片机采用机械推进式工作原理，即切片刀与活动刀架台固定连接，刀架台前进进刀由高精度马达机械操控。将样品固定于专用的样品夹具中，切片过程中样品可进行一定的上下运动，当样品与切片刀接触后可根据既定的切片行程（即切片厚度）和切片速度进行连续的自动切片。

7.生物样品的制备

(1)由于TEM无法观察生物活体样品以及厚切片，对于动植物组织、

细胞必须进行固定、漂洗、脱水、渗透、包埋聚合、切片等一系列处理，手续繁多、操作复杂。为保证生物组织及细胞结构的完整保留，必须综合考虑固定剂、脱水剂的种类及浓度及固定、漂洗、脱水的时间及温度、包埋剂的种类等因素。

(2)包埋好后的动植物组织块需经超荐切片制得厚度为60-100nm的薄切片才能让电子束穿透。

(3)由于生物样品主要由低原子序数的C、H、O、N等元素组成，当电子束穿透样品时其散射电子能力较弱，导致直接观察的样品村度极差，在电镜下儿乎不能看清细胞结构。所以超荐切片的试样通常需经过重金属化合物的浸泡，使得试样中不同结构成分对重金属原子的吸附量不相同，从而加强了对电子的散射能力和改善了试样衬度。

8.聚合物溶液/胶束/囊泡等样品制备

一些聚合物溶液所形成的囊泡、纳米粒子、胶束、微胶囊、胶乳等由于自身电子散射能力较差，造成图像衬度、反差较弱，一般还要用磷钨酸进行“负染色”，才能增强反差，获得较好的图片。

TEM的重要附件（TEM-EDS）

EDS（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）能谱仪：能谱仪是一种聚焦电子束辐照样品表面激发特征能量和波长元素特征X射线，检测和分析特征X射线的能量和强度，从而定性和定量分析微区成分的仪器。多以电子光学和X射线光谱学原理为基础发展起来的一种高效分析仪器。

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