电子显微镜技术

显微分析技术

摘要：透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜已经成为了分析纳米材料的重要手段之一。本文简要的介绍了透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜的发展以及应用。

引言

纳米科技是在20世纪80年代后才逐渐发展起来的前沿性、交叉性的新型科学领域，纳米材料的性能与其微观结构有着重要的关系，因此，纳米材料微观结构的表征对于认识纳米材料，推动纳米材料的应用有着深远的意义。

自16世纪出现了光学显微镜以后，把正常人眼睛仅能分辨约0.2mm 细节的能力，延伸到可以看细菌和微生物。20世纪30年代，科学家利用电子源制造出了扫描电子显微镜，其分辨率远远超出了光学显微镜。1932年M.Knoll和E.Ruska研制出了第一台透射电子显微镜实验装置(TEM)，1938年,Von.Ardence将扫描线圈加到透射电子显微镜上（TEM），制成了第一台扫描透射电子显微镜（STEM），放大倍数8000X，分辨率在500～1000 Å之间直到1952年，C.W.Qatley 和McMullan 在剑桥（Cambridge ）制成了第一台现代的SEM，分辨率达到500Å，很大程度的提高了人类认识微观世界的能力。但是，后来人们发现，当显微镜的放大率提高到1000-1500倍时，受光的衍射效应影响，图像将变得不再清晰。1982年国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·洛雷尔(Heimich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（简称STM）。它的出现使人类第一次能够实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为有关的物理、化学性质，为科学家提供了一种前所未有的直接观察单原子、单分子的手段，从而从根本上改变了人类对微观（纳米）世界的认识水平。STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，因此要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构 对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜掩盖了物质表面的细节为了克服

STM的不足之处，Binnig，Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间，于1986年推出了原子力显微镜（AFM）。AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力（原子力）来获得物质表面形貌的信息，因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM对样品观测得到的信息 且分辨率亦可达原子级水平。

现代电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。目前，人类的视野第一次深入到原子尺度，它不仅是显微科学技术的一次革命，在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域也都获得了广泛的应用，它标志着一个科技新纪元即纳米科技时代的开始，人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，在原子和分子水平，根据人们的意愿设计、修饰，加工，创造新的物质结构与特性成为可能。

1 透射电子显微镜的原理及应用

1.1透射电子显微镜的原理

透射电镜是利用电子与样品的相互作用获取样品信息的：从电子枪发出的高速电子束经聚光镜均匀照射到样品上，作为一种粒子，有的入射电子与样品发生碰撞，导致运动方向的改变，形成弹性散射电子；有的与样品发生非弹性碰撞。形成能量损失电子；有的被样品俘获，成吸收电子。作为一种波，电子束经过样品后还可发生干涉和衍射。总之，均匀的入射电子束与样品相互作用后将变得不均匀。这种不均匀依次经过物镜、中间镜和投影镜放大后在荧光屏上或胶片上就表现为图像对比度，它反映了样品的信息。早期人们只能通过荧光屏观察图像。通过胶片记录图像及进行学术交流。所以，透射电镜一般都配有大、小荧光屏（观察、精确对焦荧光屏），片夹式照相机用以观察和记录透射电镜图像：还有35mm照相机接口可用来选装35mm卷片式照相机以及底部法兰可用于选装其它透射电镜附件。近20来年更是出现了各种各样的电子式透射电镜成像设备。

透射电子显微镜是以波长极短的电子波作为照明，用电磁投射聚焦成像，具有高分辨能力和放大倍数的电子光学仪器。根据衍射理论，显微镜分辨极限是d=0.61；式中， 为光线的波长；d表示最小分辨率；n为透镜周围介质的折射率； 为通称数值孔径。由此可见，显微镜的分辨距离与波长成正比，与数值孔径成反比。当数值孔径一定时，波长越短，显微镜的分辨本领越强。根据德布罗意公式，电子的波长取决于它们的速度，而电子的速度和它们受到的加速电压有关。当加速电压为100KV时，可以得到 为 的电磁波。加速电压越高，得到的电子波长越短。表一给出了电子波长与加速电压的关系。

表一 电子波长和加速电压的关系

根据透射电镜的加速电压，分辨能力，放大倍率真空度等，透射电镜可分为四个等级。

表二 加速电压、分辨能力、放大倍率

表三 真空度

透射电镜的成像的决定因素是样品对入射电子的散射，包括弹性散射和非弹性散射。薄样品成像时，未经散射的电子构成背景，而像衬度则取决于样品的各个部位对电子的不同散射特性。采用不同的实验条件可以得到不同的衬度像。透射电镜不仅能显示赝品的显微组织形貌，而且可以利用电子衍射效应同时获得样品的晶体学信息。

1.2 透射电子显微镜的应用

1.2.1颗粒形貌的观测

颗粒的形状受颗粒制备工艺影响很大，它对颗粒群的许多性质有较大的影响，而且颗粒形貌的观测在颗粒测量中站很重要的位置。图一给出了用透射电镜拍出的不同制备工艺所生产出的氧化锌超微颗粒的形貌。从图一中可以看到虽然他们都是氧化锌，但是由于制备方法不同，形貌差别很大，A是一个六角棱柱形晶体，B是管状晶体，而C是一些空心球。由此可见，利用TEM可以方便的观测出纳米材料的形貌。

图一 不同方法合成的氧化锌形貌

A Crystal Growth & Design, Vol. 7, No. 1, 2007 B Chem. Mater. 2003, 15, 3294-3299 C Crystal Growth & Design, Vol. 8, No. 8, 2008

1.2.2颗粒粒度测量

现代材料的许多性能受颗粒粒度的影响。近期研究表明当颗粒尺寸小到一定程度时，一些材料会表现出一些奇特的物理性能。透射电子显微镜特别适合小尺度的颗粒粒度的测量。从图一中可以大致估算出颗粒的粒径大小。当然如果需要精确计算粒子的平均粒径，则需XRD，激光粒度仪或者其他仪器。

1.2.3颗粒物相分析

现代透射电子显微镜具有电子衍射功能当在电子显微镜上发现兴趣的目标时候，可以对一个很小的区域做选区电子衍射，可以得到颗粒物的晶格信息。图二A对应了是对应于图一A的氧化锌选择区域衍射图，可以观察到氧化锌的晶格参数。B和C都是三氧化钨的选择区域衍射图，B和C是由不同原料合成的

三氧化钨，从其选择 区域衍射可以看出，虽然都是三氧化钨，但是由于合成条件不同，其形成的晶体物相组成有很大的差异。

图二

A Crystal Growth & Design, Vol. 7, No. 1, 2007 B Crystal Growth & Design, Vol. 10, No. 2, 2010 C 同B

1.2.4颗粒元素的测定

利用透射电镜附加的EDS功能可以迅速对小颗粒的元素组成进行判别。图三A是为对氧化铟的电子能量损失图，B是氧化锌的电子能量损失图。测量时，将样品防过载带碳膜的铜网载体上，从能谱中扣除碳和铜的影响，给出颗粒组成元素质量和原子百分比。

图三

A Crystal Growth & Design, Vol. 7, No. 1, 2007 B 同A

1.2.5颗粒分散性的研究

通常情况下，粉体团聚是分体的固有特性，超微颗粒的团聚更加明显，因而需要采用一些工艺对颗粒进行表面处理和加一些分散剂使超微颗粒得到充分分散，图四给出氧化铜颗粒的分散性好坏，从电镜照片中可以直接观测出。

图四 Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2 (5), pp 1361–1368

1.2.6颗粒表面改性研究

透射电镜在研究超微颗粒表面改性方面得到了很广泛的应用。图五显示了一个核壳结构的纳米颗粒。

图五

Langmuir, Vol. 24, No. 14, 2008 Macromolecules, Vol. 42, No. 13, 2009 2扫描电子显微镜的原理和应用

2.1扫描电子显微镜的原理

SEM主要由电子光学系统(包括电子枪、镜筒、样品室)、电源、真空系统及信号检测、处理系统所组成。由电子枪发射的电子经静电场引出，沿镜筒加速，在镜筒中电磁透镜和光阑作用下，电子被聚焦成电子束并射向样品。镜筒底部的扫描线圈控制电子束在样品表面扫描，形成光栅，使样品表面各点顺序激发，产生各种物理信号，其强度随样品表面构造、成分而变化。信号探头收集相应的信

号，经视频放大、处理后，同步调制阴极射线管(CRT)中电子束电流强度，即可在CRT显示屏上显现出样品表面各点图像。

电子束与样品相互作用所产生的各种物理信号中，对SEM成像有影响的主要有：

(1)二次电子：二次电子是初始束电子作用于样品，在样品表面原子中激发出来的电子。它们能量很低(小于50eV)，只能从样品表面很浅的区域逸出，成像分辨率最好。其图像衬度主要取决样品表面形貌。样品表面凸起处原子相对于凹下处更容易被激发，逸出的二次电子数更多，因而凸起处成像明亮，凹下处黑暗。二次电子信号是SEM的主要成像信号。

(2)背散射电子(BSE)：与样品原子核发生弹性碰撞而散射出的初始电子束电子。这部分电子能量很高，从50eV直至电子束加速电压。由干背散射电子源区范围大，其成像分辨率不高。图像衬度主要取决于样品所含原子的原子序数，可提供有关样品成分的重要信息。

图六 传统扫描电镜的主体结构

扫描电子显微镜有如下七种分类方法：

（1）按照电子枪种类分：钨丝枪、六硼化镧、场发射电子枪；

（2）按照样品室的真空度分：高真空模式、低真空模式、环境模式；

（3）按照真空泵分：油扩散泵、分子泵；

（4）按照自动化程度分：自动、手动；

（5）按照操作方式分：旋钮操作、鼠标操作；

（6）按照电器控制系统分：模拟控制、数字控制；

（7）按照图像显示系统分：模拟显像、数字显像。

2.2扫描电子显微镜的发展

2.2.1 场发射扫描电镜

采用场发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪，这项技术从1968年就已开始应用，这项技术大大提高了二次电子像分辨率；近几年来，各厂家采用多级真空系统(机械泵+分子泵+离子泵)，提高了真空度，真空度可达10—7 Pa；同时，采用磁悬浮技术，噪音振动大为降低；灯丝寿命也有增加．场发射扫描电镜的特点是二次电子像分辨率高，可达到1 nm。如果采用低加速电压技术，在1V状态下背散射电子（BSE）成像良好，对于未喷涂非导电样品也可得到高倍像。所以，场发射扫描电镜将对半导体器件、精密陶瓷材料、氧化物材料等的发展起到很大的作用。

2.2.2环境扫描电镜（ESEM）

低真空扫描电镜样品室最高低真空压力为400Pa，现在有厂家使用专利技术，可使样品室的低真空压力达到2600 Pa，也就是样品室可容纳分子更多，在这种状态下，可配置水瓶向样品室输送水蒸气或输送混合气体，若跟高温或低温样品台联合使用则可模拟样品的周围环境，结合扫描电镜观察，可得到环境条件下试样的变化情况。ESEM的特点是：

（1）非导电材料不需喷镀导电膜，可直接观察，分析简便迅速，不破坏原始形貌；

（2）可保证样品在100％湿度下观察，即可进行分离油含水样品的观察，能够观察液体在样品表面的蒸发和凝结以及化学腐蚀行为；

（3）可进行样品热模拟及力学模拟的动态变化实验研究，也可以研究微注入液体与样品的相互作用等。因为这些过程中有大量气体释放，只能在环扫状态下进行观察．环境扫描电镜技术拓展了电子显微的研究领域。

2.3扫描电子显微镜的应用

2.3.1材料的组织形貌观察

材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌，都可以借助扫描电镜来判断和分析．反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便，但其分辨率、放大倍数和景深都比较低．而扫描电子显微镜的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析；扫描电子显微图像因真实、清晰，并富有立体感，在观察研究纳米材料方面获得了广泛地应用。从图七可以清晰的看出，A图中粒子具有哑铃形的性貌特征，而B图中则是一些小球。

图七

A Macromolecules 2006, 39, 5531-5539 B Macromolecules, Vol. 42, No. 13, 2009

2.3.2镀层表面形貌分析和深度检测

金属材料零件在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀，容易发生腐蚀现象．为保护金属材料，常常需要进行诸如磷化、达克罗等表面防腐处理．有时为利于机械加工，在工序之间也进行镀膜处理。由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响，所以常常被作为研究的技术指标。镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难 而扫描电镜却可以很容易完成。使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。

图八

高比重钨合金断口形貌 Bi系超导带材断口形貌

2.3.3微区化学成分分析

在样品的处理过程中，有时需要提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析。为此，相继出现了扫描电子显微镜—电子探针多种分析功能的组合型仪器．扫描电子显微镜如配有x射线能谱（EDS）和x射线波谱成分分析等电子探针附件，可分析样品微区的化学成分等信息。材料内部的夹杂物等，由于它们的体积细小，因此，无法采用常规的化学方法进行定位鉴定。扫描电镜可以提供重要的线索和数据。

3扫描探针显微镜

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

3.1描隧道显微镜的原理

扫描隧道显微镜（STM）是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体

表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为1nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠；如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流（称为隧道电流）。尽管STM的构型各不相同，但都包括有下述三个丰要部分；驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的机械系统（镜体），用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种作方式：恒流模式、恒高模式。

3.2 STM的应用

虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布，对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来，综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。

图九为G4-DNA 分子的单分子STP图，可以从图像中观察出DNA的周期性变化以及其螺旋结构。图十为多晶Ox−Au的STM图，可以观察到 Ox−Au的多晶结构。 STM图像反映的是样品表面的局限电子结构及空间变化，而与表面原了位置无直接关系，不能将观测到的表面高低起伏简单地归结为原子的排列结构。 图九J. Phys. Chem. B, Vol. 112, No. 31, 2008

图十ACS Nano, 2010, 4 (4), pp 2104–2108

STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面化学研究十分便利。例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面催化、电化学腐蚀等。

3.3 原子力显微镜的原理

AFM是在STM基础上发展起来的，是通过测量样品表面分子（原子）与AFM微悬臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面的形貌。AFM与STM的主要区别是以1个一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针，以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。其工作原理如图十一所示。将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种作用力恒定，带有针尖的微悬臂将对应于原子间的作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。

图十一 AFM工作原题图

AFM 图像是通过在样品扫描时测量微悬臂受力弯曲和程度得到的，检测微悬臂弯曲的方式有3种，即隧道电流法、电容检测法和光学检测法。目前探测悬臂微形变的常用方法是光学检测法。光学检测法可分成2种基本类型：干涉法和光束发射法。

3.4 AFM的应用

3.4.1 AFM对生物细胞的表面形态观察

AFM可以用来对细胞进行形态学观察，并进行图像的分析。通过观察细胞表面形态和三维结构，可以获得细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数等。例如，利用AFM可以对感染病毒后的细胞表面形态的改变、造骨细胞在加入底物（钴铬、钛、钛钒等）后细胞形态和细胞弹性的变化、GTP对胰腺外分泌细胞囊泡高度的影响进行研究。利用AFM还可以对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究，直接观察到自由基损伤，对红细胞膜分子形态学的影响。图十二是用原子力显微镜观察用W2-pVEC处理双层蛋白质分子的变化过程。

图十二Biochemistry, Vol. 45, No. 11,

2006

3.4.2 原子力显微镜对生物分子之间力谱曲线的观测

对生物分子表面的各种相互作用力进行测量，是AFM的一个十分重要的功能。这对于了解生物分子的结构和物理特性是非常有意义的。因为这种作用力决定两种分子的相互吸引或者排斥，接近或者离开，化学键的形成或者断裂，生物分子立体构像的维持或者改变等等。在分子间作用力的支配下，还同时支配着生物体内的各种生理现象、生化现象、药物药理现象，以及离子通道的开放或关闭，受体与配体的结合或去结合，酶功能的激活或抑制等等。因此，生物分子间作用力的研究，在某种意义上说，就是对生命体功能活动中最根本原理的研究。这也为人们理解生命原理，提供了一个新的研究手段和工具。图十三是对蛋白质的原子力显微镜图

图十三 J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 7526–7527

结论

透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜已经成为人们观测微观纳米粒子的重要手段。每一种电子显微镜都有其不可替代和不可避免之处要根

据不同的研究体系选择适当的电子显微镜。