張保林，弋 楠，朱蓉英，梁松溢

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

透射電鏡與掃描電鏡分析

張保林，弋 楠，朱蓉英，梁松溢

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

文章簡(jiǎn)要介紹了透射電鏡和掃描電鏡兩種當(dāng)前主要的電子顯微分析方法的應(yīng)用，比較了它們的結(jié)構(gòu)和工作原理，討論了各自的應(yīng)用范圍以及發(fā)展方向，指出將兩者有機(jī)結(jié)合可以得到比較全面的材料分析結(jié)果。

透射電鏡；掃描電鏡；電子顯微分析方法

現(xiàn)如今，具有高分辨率的透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）和掃描電鏡（Search Engine Marketing，SEM）在材料分析研究中的應(yīng)用日趨廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中一種不可或缺的研究晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的綜合儀器。但是，目前對(duì)其綜合分析的文章比較少見(jiàn)，所以，筆者在本文中將這兩種重要的電子顯微方法進(jìn)行了綜合對(duì)比分析。

1 透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡，簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡，是以波長(zhǎng)很短的電子束作照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器，實(shí)物如圖1所示。透射電鏡同時(shí)具有兩大功能：物相分析和組織分析。物相分析是利用電子和晶體物質(zhì)作用可以發(fā)生衍射的特點(diǎn)，獲得物相的衍射花樣；而組織分析是利用電子波遵循阿貝成像原理，可以通過(guò)干涉成像的特點(diǎn)，獲得各種襯度圖像。

圖1 某型號(hào)透射電子顯微鏡實(shí)物

1.1 透射電鏡的基本構(gòu)造及工作原理

1.1.1 透射電鏡的基本構(gòu)造

透射電鏡主要由3個(gè)基本部分構(gòu)成：電子光學(xué)系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。透射電鏡基本構(gòu)造如圖2所示。

1.1.2 透射電鏡的工作原理

透射電鏡用聚焦電子束作為照明源，使用對(duì)電子束透明的薄膜試樣（101～103 nm），以透射電子為成像信號(hào)。

圖2 透射電鏡基本構(gòu)造

1.2 透射電鏡的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用方向

透射電鏡具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可以獲得高分辨率；（2）可以獲得高放大倍數(shù)；（3）可以獲得立體豐富的信息。透射電鏡雖然可以獲得以上優(yōu)點(diǎn)，但是由于其成像原理，因此其應(yīng)用也存在以下4方面的缺點(diǎn)：（1）其樣品的制備是具有破壞性的；（2）電子束轟擊樣品表面；（3）應(yīng)用需要真空條件；（4）采樣率低。

透射電鏡具有高分辨率、高性能優(yōu)勢(shì)，因此可以應(yīng)用于材料科學(xué)方面的成分和結(jié)構(gòu)分析，也可以應(yīng)用于生命科學(xué)方面進(jìn)行生化物質(zhì)定位，為科研和實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。應(yīng)用主要有以下幾點(diǎn)：（1）用于氣溶單顆粒的研究；（2）用于C／C復(fù)合材料的研究；（3）用于納米粉體的研究；（4）用于鐵材料的電疇觀(guān)察。另外，還是物理學(xué)和生物學(xué)相關(guān)的許多科學(xué)領(lǐng)域的重要分析方法之一，如癌癥研究、病毒學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)以及半導(dǎo)體研究等。

1.3 透射電鏡的樣品制備

在利用透射電鏡進(jìn)行研究分析時(shí)，主要制備金屬材料樣品，粉末樣品和陶瓷材料樣品。其中，陶瓷材料的樣品主要分為3類(lèi)，第一是顆粒試樣，主要用于其形態(tài)觀(guān)察、顆粒尺寸測(cè)定、成分分析等；第二是薄膜試樣，可以做相組織，形態(tài)分布，結(jié)構(gòu)分析，成分分析及位錯(cuò)觀(guān)察等；第三是塊狀試樣，用于觀(guān)察試樣表面形貌，斷口分析，成分分析等。在實(shí)際應(yīng)用中，透射電子顯微鏡的觀(guān)察主要以顆粒試樣和薄膜試樣為主。對(duì)于陶瓷纖維樣品可先通過(guò)包埋處理后，做超薄切片，放在有支持膜的銅網(wǎng)上，再用投射電鏡觀(guān)察分析。

1.4 透射電鏡的主要性能指標(biāo)

透射電鏡的主要性能指標(biāo)有：分辨率、放大倍數(shù)和加速電壓。其中，分辨率是透射電鏡的最主要性能指標(biāo)，分為點(diǎn)分辨率和線(xiàn)分辨率。放大倍數(shù)是指電子圖像對(duì)于所觀(guān)察試樣區(qū)的線(xiàn)性放大率。加速電壓則決定電子槍發(fā)射的電子波長(zhǎng)和能量。

2 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡不用電磁透鏡放大成像，而是以類(lèi)似電視攝影顯像的方式，利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像的，實(shí)物如圖3所示。掃描電鏡現(xiàn)在在數(shù)量和普及程度上均已超過(guò)了透射電鏡。

圖3 某型號(hào)掃描電子顯微鏡實(shí)物

2.1 掃描電鏡的基本構(gòu)造及工作原理

2.1.1 掃描電鏡的基本構(gòu)造

掃描電鏡主要由3個(gè)基本部分構(gòu)成：電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、信號(hào)收集和圖像顯示系統(tǒng)和真空控制系統(tǒng)。掃描電鏡基本構(gòu)造如圖4所示。

2.1.2 掃描電鏡的工作原理

掃描電鏡的工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說(shuō)與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級(jí)電子由探測(cè)體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來(lái)控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)。

圖4 掃描電鏡基本構(gòu)造

2.2 掃描電鏡的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用方向

掃描電鏡是一種高分辨率的電鏡，可以直接觀(guān)察樣品表面，圖像富有立體感，真實(shí)感。而且它除了能顯示一般試樣表面的形貌外，還能將試樣微區(qū)范圍內(nèi)的化學(xué)元素與光、電、磁等性質(zhì)的差異以二維圖像形式顯示出來(lái)，并可用照相方式拍攝圖像。另外，掃描電鏡分辨本領(lǐng)高，觀(guān)察試樣的景深大，可直接觀(guān)察試樣表面起伏較大的粗糙結(jié)構(gòu)。

掃描電子顯微鏡是一種有效的理化分析工具，通過(guò)它可進(jìn)行各種形式的圖像觀(guān)察、元素分析、晶體結(jié)構(gòu)分析，三維形貌的觀(guān)察和分析，可以觀(guān)察納米材料、進(jìn)口材料斷口的分析，直接觀(guān)察大試樣的原始表面，觀(guān)察厚試樣，觀(guān)察試樣的各個(gè)區(qū)域的細(xì)節(jié)。在觀(guān)察形貌的同時(shí)，進(jìn)行微區(qū)的成分分析，還可以觀(guān)察生物試樣，進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)察。

2.3 掃描電鏡的樣品制備

在利用掃描電鏡進(jìn)行研究分析時(shí)，主要制備塊狀試樣，粉末試樣和鍍膜（真空鍍膜、離子濺射鍍膜）。

2.4 掃描電鏡的主要性能指標(biāo)

掃描電鏡的主要性能指標(biāo)有：分辨率、放大倍數(shù)和景深。其中，分辨率是指清晰地分開(kāi)兩個(gè)物體之間距離的能力。掃描電鏡的放大倍數(shù)是指電子束在熒光屏上最大掃描距離和鏡筒中電子束在試樣上最大掃描距離的比值。景深是指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前后可移動(dòng)的距離。景深與放大倍數(shù)密切相關(guān)，放大倍數(shù)越大，景深越小。

3 結(jié)語(yǔ)

透射電子顯微鏡常用于觀(guān)察普通顯微鏡不能分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu)；掃描電子顯微鏡主要用于觀(guān)察固體表面的形貌。有時(shí)，將兩者有機(jī)結(jié)合可以得到比較全面的材料分析結(jié)果。

[1]王培銘.材料研究方法[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]李周.材料現(xiàn)代分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

Analysis of transmission electron microscope and scanning electron microscope

Zhang Baolin, Yi Nan, Zhu Rongying, Liang Songyi
（Material Engineering College of Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China）

This paper briefly introduced the main application of two kinds of current electron microscopy analysis methods of the transmission electron microscope and scanning electron microscopy, comparing their structures and working principles, discussing their application areas and development directions, pointing out that the combination of the two can get more comprehensive results of material analysis.

transmission electron microscope; scanning electron microscope; electron microscopic analysis method

項(xiàng)目名稱(chēng)：基于材料分析與檢測(cè)技術(shù)手段的課程考核改革與應(yīng)用—材料現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)；項(xiàng)目編號(hào)：14KCGG-001。

張保林（1980— ），男，青海貴德，碩士，講師；研究方向：焊接檢測(cè)教學(xué)。