透射電鏡的樣品制備

　　透射電鏡的樣品制備是一項較復雜的技術，它對能否得到好的TEM像或衍射譜是至關重要的.投射電鏡是利用樣品對如射電子的散射能力的差異而形成襯度的，這要求制備出對電子束"透明"的樣品，并要求保持高的分辨率和不失真.

　　電子束穿透固體樣品的能力主要取決加速電壓，樣品的厚度以及物質的原子序數.一般來說，加速電壓愈高，原子序數愈低，電子束可穿透的樣品厚度就愈大.對于100～200KV的透射電鏡，要求樣品的厚度為50～100nm，做透射電鏡高分辨率，樣品厚度要求約15nm(越薄越好).

　　透射電鏡樣品可分為：粉末樣品，薄膜樣品，金屬試樣的表面復型.不同的樣品有不同的制備手段，下面分別介紹各種樣品的制備.

　　(1)粉末樣品　　因為透射電鏡樣品的厚度一般要求在100nm以下，如果樣品厚于100nm，則先要用研缽把樣品的尺寸磨到100nm以下，然后將粉末樣品溶解在無水乙醇中，用超聲分散的方法將樣品盡量分散，然后用支持網撈起即可.

　　(2)薄膜樣品　　絕大多數的TEM樣品是薄膜樣品，薄膜樣品可做靜態觀察，如金相組織;析出相形態;分布，結構及與基體取向關系，錯位類型，分布，密度等;也可以做動態原位觀察，如相變，形變，位錯運動及其相互作用.制備薄膜樣品分四個步驟：

　　a將樣品切成薄片(厚度100～200微米)，對韌性材料(如金屬)，用線鋸將樣品割成小于200微米的薄片;對脆性材料(如Si，GaAs，NaCl，MgO)可以刀將其解理或用金剛石圓盤鋸將其切割，或用超薄切片法直接切割.

　　b切割成φ3mm的圓片　　用超聲鉆或puncher將φ3mm薄圓片從材料薄片上切下來.

　　c預減薄　　使用凹坑減薄儀可將薄圓片磨至10μm厚.用研磨機磨(或使用砂紙)，可磨至幾十μm.

　　d終減薄　　對于導電的樣品如金屬，采用電解拋光減薄，這方法速度快，沒有機械損傷，但可能改變樣品表面的電子狀態，使用的化學試劑可能對身體有害.

　　對非導電的樣品如陶瓷，采用離子減薄，用離子轟擊樣品表面，使樣品材料濺射出來，以達到減薄的目的.離子減薄要調整電壓，角度，選用適合的參數，選得好，減薄速度快.離子減薄會產生熱，使樣品溫度升至100～300度，故最好用液氮冷卻樣品.樣品冷卻對不耐高溫的材料是非常重要的，否則材料會發生相變，樣品冷卻還可以減少污染和表面損傷.離子減薄是一種普適的減薄方法，可用于陶瓷，復合物，半導體，合金，界面樣品，甚至纖維和粉末樣品也可以離子減薄(把他們用樹脂拌合后，裝入φ3mm金屬管，切片后，再離子減薄).也可以聚集離子術(FIB)對指定區域做離子減薄，但FIB很貴.

　　對于軟的生物和高分子樣品，可用超薄切片方法將樣品切成小于100nm的薄膜.這種技術的特點是樣品不會改變，缺點是會引進形變.

　　(3)金屬試樣的表面復型　　即把準備觀察的試樣的表面形貌(表面顯微組織浮凸)用適宜的非晶薄膜復制下來，然后對這個復制膜(叫做復型)進行透射電鏡觀察與分析.復型適用于金相組織，斷口形貌，形變條紋，磨損表面，第二相形態及分布，萃取和結構分析等.

　　制備復型的材料本身必須是"無結構"的，即要求復型材料在高倍成像時也不顯示其本身的任何結構細節，這樣就不致干擾被復制表面的形貌觀察和分析.常用的復型材料有塑料，真空蒸發沉積炭膜(均為非晶態物質)　.

　　常用的復型有：a塑料一級復型，分辨率為10～20nm;b炭一級復型，分辨率2nm，c塑料-炭二級復型，分辨率10～20nm;d萃取復型，可以把要分析的粒子從基體中提取出來，這種分析時不會受到基體的干擾.

　　除萃取復型外，其余復型只不過是試樣表面的一個復制品，只能提供有關表面形貌的信息，而不能提供內部組成相，晶體結構，微區化學成分等本質信息，因而用復型做電子顯微分析有很大的局限性，目前，除萃取復型外，其他復型用的很少.

　　TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE

　　利用電子，一般是利用電子透鏡聚焦的電子束，形成放大倍數很高的物體圖像的設備。

　　電子顯微鏡(以下簡稱電鏡)屬電子光學儀器。由于電子的德布羅意波波長比光波短幾個量級，所以電鏡具有高分辨成像的能力。首先發明的是透射電鏡，由M.諾爾和E.魯斯卡于1932年發明并突破了光學顯微鏡分辨極限。透射電子顯微鏡是把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結構，即小于0.2?m、光學顯微鏡下無法看清的結構，又稱"亞顯微結構"。透射電鏡 (TEM)　樣品必須制成電子能穿透的，厚度為100～2000埃的薄膜。成像方式與光學生物顯微鏡相似，只是以電子透鏡代替玻璃透鏡。放大后的電子像在熒光屏上顯示出來.

　　透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

　　吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。

　　衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。

　　相位像：當樣品薄至100?以下時，電子可以傳過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

　　組件

　　電子槍：發射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。

　　聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強度和孔徑角。

　　樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉臺，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱﹑冷卻等設備。

　　物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質量的關鍵。

　　中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調節中間鏡的電流﹐可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。

　　透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。

　　此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。

　　透射電鏡襯度(反差)的來源

　　TEM襯度的形成,物鏡后焦面是起重要作用的部位。電子經樣品散射后，相對光軸以同一角度進入物鏡的電子在物鏡后焦面上聚焦在一個點上。散射角越大，聚焦點離軸越遠,如果樣品是一個晶體,在后焦面上出現的是一幅衍射圖樣。與短晶面間距(或者說"高空間頻率")對應的衍射束被聚焦在離軸遠處。在后焦面上設有一個光闌。它截取那一部分電子不但對襯度，而且對分辨本領有直接的影響。如果光闌太小，把需要的高空間頻率部分截去，那么和細微結構對應的高分辨信息就丟失了(見阿貝成像原理)。

　　樣品上厚的部分或重元素多的部分對電子散射的幾率大。透過這些部分的電子在后焦面上分布在軸外的多。用光闌截去部分散射電子會使"質量厚度"大的部位在像中顯得暗。這種襯度可以人為地造成，如生物樣品中用重元素染色，在材料表面的復形膜上從一個方向噴鍍一層金屬，造成陰陽面等。散射吸收(指被光闌擋住)襯度是最早被人們所認識和利用的襯度機制。就表面復型技術而言，它的分辨本領可達幾十埃。至于晶體樣品的衍襯像和高分辨的點陣像的襯度來源，見點陣像和電子衍襯像。

　　應用

　　透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上應用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛預處理過的銅網上進行觀察。

　　由透射電鏡的工作原理可知，供透射電鏡分析的樣品必須對電子束是透明的;此外，所制得的樣品還必須可以真實反映所分析材料的某些特征，因此，樣品制備在透射電子顯微分析技術中占有相當重要的位置，也是一個涉及面很廣的題目。　　大體上透射電鏡樣品可分為間接樣品和直接樣品。我們下面將對間接樣品的制備作簡單介紹。

　　間接樣品“復型”可以分為五步來進行：

　　第一步，在擬分析的樣品表面滴一滴丙酮，將醋酸纖維素薄膜即A.C.紙覆蓋其上，適當按壓形成不夾氣泡的一級復型;

　　第二步，待上述一級復型干燥后，小心地將其剝離，并將復制面向上平整地固定在玻璃片上;

　　第三步，將固定好復型地玻璃片連同一白瓷片置于真空鍍膜室中，以垂直方向噴涂碳，以制備由塑料和碳膜構成地“復合復型”。白色瓷片表面在噴碳過程中顏色的變化可以表示碳膜的厚度。

　　第四步，將復合復型上要分析的區域剪為略小于樣品臺鋼網的小方塊后，使碳膜面朝里，貼在事先熔在干凈玻璃片上的低熔點石蠟層上，石蠟液層冷凝后即把復合膜塊固定在玻璃片上。將該玻璃片放入丙酮液中，復合復型的A.C.紙在丙酮中將逐漸被溶解，同時適當加熱以溶解石蠟。

　　最后，待AC紙和石蠟溶解干凈后，碳膜(即二級復型)將漂浮在丙酮液中，將其轉移至清潔的丙酮液中清洗后，再轉移至盛蒸餾水的器皿中。此時，由于水的表面張力，碳膜會平展地漂浮在水面，用樣品銅網將其撈起，干燥后即可置于電鏡下觀察。