透射電子顯微鏡的發(fā)展趨勢(shì)

趙云龍

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （沈陽(yáng) 110161）

透射電鏡分辨率高，是當(dāng)今材料研究表征工具之一。因其能夠同時(shí)獲得樣品形貌、化學(xué)成分、晶體學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)等全方位信息，使其在材料研究領(lǐng)域的地位越來(lái)越穩(wěn)固。特別是在微觀顆粒材料、材料缺陷表證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中的應(yīng)用尤為重要。帶有各種分析功能的透射電子顯微鏡，更是受到材料學(xué)家的青睞。高角度環(huán)形暗場(chǎng)成像功能使透射電子顯微鏡應(yīng)用更加廣泛，不但可以對(duì)納米顆粒材料形貌觀測(cè)，粒度測(cè)量,成分分析,還可以進(jìn)行原子尺度的元素分布分析。其獲得的高分辨像（STEM）可以直接用于解釋，所以在微觀結(jié)構(gòu)確定方面較傳統(tǒng)的高分辨像（HRTEM）更具優(yōu)勢(shì)。

1 透射電鏡具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)相對(duì)于XRD衍射來(lái)說(shuō)，電子衍射的散射能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X射線的散射能力，這為微小晶體結(jié)構(gòu)的分析測(cè)試提供了有力的研究工具；

(2)透射電鏡可以同時(shí)獲得研究對(duì)象外形特征、原子排列信息、成分信息和晶體學(xué)結(jié)構(gòu)信息最有效方法；

(3)利用會(huì)聚束電子衍射，可以獲得樣品的三維衍射信息，便于分析物相的點(diǎn)群、空間群的對(duì)稱性；

(4)分辨率高。目前非球差矯正的HRTEM分辨率一般優(yōu)于0.2 nm；STEM模式下可達(dá)0.17 nm，且可以對(duì)原子序數(shù)大于13的原子直接成像；

(5)可以獲得缺陷區(qū)域或納米析出相原子排列的投影像；

(6)分析結(jié)果的數(shù)字化。采用新型CCD相機(jī)，其分辨率可達(dá)4008×2672，不但可以拍攝形貌像，也可以拍攝電子衍射；便于存儲(chǔ)和分析。

2 透射電鏡的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的興起，許多新技術(shù)漸漸應(yīng)用到了透射電鏡上，透射電鏡的發(fā)展方向呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

2.1 中等電壓超高分辨率電鏡

具有肖特基場(chǎng)發(fā)射槍具有亮度高（比鎢絲槍高三個(gè)量級(jí)）、交叉斑小（直徑為0.01～0.02 nm）、電子能量分散小及相干性好等優(yōu)點(diǎn)，正日益受到重視。對(duì)透射電鏡開(kāi)展微區(qū)衍射和微區(qū)分析十分有利，它的高相干性為電子顯微學(xué)開(kāi)展全息術(shù)提供了廣闊的前景。

提高分辨本領(lǐng)常見(jiàn)的方法是改進(jìn)儀器性能降低物鏡的球差、提高物鏡電流和高壓的穩(wěn)定度以減小色差。提高加速電壓，減小電子波長(zhǎng)等均是提高分辨本領(lǐng)的有效途徑。由于這些措施可能在超高壓電鏡中實(shí)施，因此，曾對(duì)超高壓電鏡寄以厚望。但是，因?yàn)榧夹g(shù)上難度大，尤其是建造費(fèi)用昂貴，使其進(jìn)展艱難。而且實(shí)際分辨本領(lǐng)的提高進(jìn)展緩慢。目前常采用折衷的辦法是在200～300 kV的中等電壓的電鏡上加裝單色器降低色差；加裝球差矯正器減小球差系數(shù)。知名公司FEI和日本電子，先后推出了加裝單色器和球差矯正器的電鏡Titan 80-300和ARM 200型電鏡。

2.2 分析型電鏡

2.2.1 成分分析

電子顯微鏡把人們的視野引入了千變?nèi)f化的微觀世界，使我們能在原子量級(jí)上來(lái)研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。透射模式使我們得到了物體的形貌、衍射模式可以分析物體的表面結(jié)構(gòu)。

與利用XRD方法進(jìn)行物相鑒定相比，透射電子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)在于，進(jìn)行物相鑒定時(shí)可以將物相的形貌信息、晶體學(xué)結(jié)構(gòu)信息、組成元素信息以及微觀結(jié)構(gòu)信息等聯(lián)系起來(lái)。這些操作只需要透射電鏡安裝了X射線能譜儀。

電子能量損失譜儀（electron energy loss spectrometer,EELS）是基于入射電子與樣品相互作用時(shí)，組成元素的原子內(nèi)殼層電子受到入射高能電子碰撞而激發(fā)產(chǎn)生電離。這時(shí)入射電子損失的一部分能量△E直接與試樣的化學(xué)成分、樣品厚度以及散射機(jī)制直接相關(guān)，因而可用于測(cè)量微區(qū)的元素組成，化學(xué)鍵以及電子結(jié)構(gòu)等。尤其適于產(chǎn)生非彈性散射幾率大的較輕元素，如：碳、氮、氧和硼等。另外，EELS分析結(jié)果不帶有假象，其定量分析結(jié)果不需要標(biāo)樣校正。

掃描透射電鏡（STEM）的成像原理是在掃描線圈的控制下，匯聚成納米級(jí)的電子束在樣品中逐行掃過(guò)。同時(shí)位于樣品下部的接收器同步接收透過(guò)樣品的彈性和非彈性散射電子用于成像。由于掃描透射模式的圖像是逐點(diǎn)、按時(shí)間順序排列的像素組成，所成的像能夠保證與掃描點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，因此，像可以直接用于解釋。對(duì)于原子序數(shù)大于Al的原子，STEM方式直接可以看到原子的排列，即超微區(qū)的成分分析。

2.2.2 三維成像

對(duì)于由晶體組成的大多數(shù)固體來(lái)說(shuō)，其在固體空間的取向、形狀、大小和分布直接影響到材料的性能。利用TEM方式常常獲得二維微觀信息，無(wú)法提供三維空間的相對(duì)分布和晶界特性的信息。然而對(duì)于常規(guī)材料，這妨礙了人類對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間關(guān)系的深刻理解。三維的X-射線雖能夠提供微區(qū)的信息，但其精度只能達(dá)到100nm。這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于材料學(xué)家的需求。

最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的劉志權(quán)研究員與國(guó)外學(xué)者合作開(kāi)發(fā)的新的三維透射電子顯微技術(shù)其空間分辨率已達(dá)到1納米，可以對(duì)納米晶體的取向、大小、形狀和三維空間的分布進(jìn)行精確描述。比三維X-射線衍射技術(shù)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

利用透射電子顯微鏡對(duì)納米材料進(jìn)行直接三維定量表征，這將是表征納米材料的理想方法，它可對(duì)組成納米材料的各個(gè)小晶體進(jìn)行精確描述。這些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確定量測(cè)定為理解和優(yōu)化納米材料的性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 使役條件下的原位透射電鏡

材料在使用環(huán)境下的力學(xué)行為、腐蝕行為等微觀結(jié)構(gòu)的變化，一直以來(lái)是材料學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于上述機(jī)理的認(rèn)識(shí)，能夠幫助人們更好地利用金屬材料。針對(duì)上述實(shí)用過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)的變化需要應(yīng)用實(shí)時(shí)觀察技術(shù)?；诖擞糜谠唬╥n-situ）觀察的樣品臺(tái)出現(xiàn)了。目前，商用的原位觀察樣品臺(tái)主要有：加熱臺(tái)、拉伸臺(tái)。針對(duì)拉伸條件下的腐蝕液體的樣品臺(tái)；以及多場(chǎng)耦合，力磁、電，光耦合的樣品臺(tái)還沒(méi)有商業(yè)化。

針對(duì)實(shí)際需求，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室SF1組研制出新的原位透射電鏡測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件單元在透射電鏡中的原位表征。

2.3.1 可加磁場(chǎng)的原位樣品桿

此設(shè)備在研制過(guò)程中技術(shù)難點(diǎn)是樣品桿精細(xì)加工，樣品杯傾轉(zhuǎn)、高真空密封等問(wèn)題，特別是雙傾樣品桿中“U”型磁組件和樣品杯的巧妙設(shè)計(jì)，解決了電子束在磁場(chǎng)中的橫向偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，此項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白；可以為平臺(tái)提供對(duì)材料在磁場(chǎng)作用下的原位觀察，為磁性材料的應(yīng)用研究提供依據(jù)。

2.3.2 可加光信號(hào)的原位樣品桿

此設(shè)備研制過(guò)程中成功地解決了樣品桿精細(xì)加工，樣品杯傾轉(zhuǎn)、高真空密封、激光走向控制等問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)第一家把激光引入透射電鏡進(jìn)行原位電子顯微學(xué)研究，此項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白；該平臺(tái)可以提供對(duì)材料在激光作用下的原位觀察，為材料的微觀結(jié)構(gòu)、光電性能研究提供依據(jù)。

2.3.3 多種使役條件下的原位樣品桿

獲得接近實(shí)用條件下原位觀察，比如獲取材料在諸如溫度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力等外場(chǎng)，以及各種介質(zhì)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化信息是TEM技術(shù)的一大發(fā)展方向。為此必須開(kāi)發(fā)出適于多場(chǎng)、多環(huán)境耦合的多功能透射電鏡樣品臺(tái)。由于透射電鏡本身極靴空間狹小，致使多功能樣品臺(tái)的開(kāi)發(fā)進(jìn)展十分緩慢。

2.4 電鏡控制系統(tǒng)發(fā)展方向

遠(yuǎn)程控制，簡(jiǎn)化真空操作步驟、樣品更換及驅(qū)動(dòng)、照相記錄、電鏡工作模式變換等復(fù)雜的工作均只需要一個(gè)啟動(dòng)命令就能自動(dòng)完成，尤其是引入電子計(jì)算機(jī)之后，使操作進(jìn)一步自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)在線圖像和譜線處理。還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，便于開(kāi)展國(guó)際交流與合作。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著針對(duì)透射電鏡成像基本原理以及附件的深入研究和不斷發(fā)展進(jìn)步，TEM在材料表征中的作用越來(lái)越重要，尤其在原位觀察條件下獲取材料微觀結(jié)構(gòu)表征方面是無(wú)法被超越的。

[1]葉恒強(qiáng),王元明.透射電子顯微學(xué)進(jìn)展[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[2]方克明，鄒興,蘇繼靈.納米材料的透射電鏡表征[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器 2003,(2).