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从原理到实践 如何拍出高质量TEM照片

究人员,最关心的问题之一就是材料性能与微观结构之间的关系。透射电子显微镜自上个世纪三十年代发明以来,就一直为材料的结构和成分表证提供强有力的支持。废话不多说,咱们直奔主题吧,相信点进来看这篇文章的各位都是有一定电镜基础的童鞋,但是为了更好的理解透射电镜的操作和拍摄技巧,咱们还是不妨先回顾一下电镜的基本知识。
1. 透射电镜成像基本原理

透射电子显微镜(TEM),是一种以高能电子束为照明源,通过电磁透镜将穿透样品的电子(即透射电子)聚焦成像的电子光学仪器。世界上的透射电镜有许许多多型号,但基本上都是由电子光学系统(又称镜筒)、真空系统和供电系统三大部分组成。其中镜筒是主体部分,其内部分电子光学系统自上而下又分别排列着照明系统(电子枪、聚光镜)、试样室、成像系统(物镜、中间镜、投影镜)和图像观察与纪录系统(荧光屏、照相机和数据显示器等),如图一所示。

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图一 透射电子显微镜的剖面结构

透射电镜工作时,电子枪会提供一束亮度高、相干性好以及束流稳定的照明源,通过聚光镜的控制可以实现从平行照明到大会聚角的照明条件。为满足中心暗场成像的需要,照明电子束可在2°至3°范围内倾斜。然后电子束会穿透试样室内的有一定厚度的样品,便产生衍射现象,除零级衍射束外,还有各级衍射束,经过透镜的聚焦作用,在其后焦面上形成衍射振幅的极大值,每一个振幅的极大值又可看作次级相干源,由它们发出次级波在像平面上相干成像。通过物镜、中间镜和投影镜的分级放大,最终投影到荧光屏上,通过观察窗,我们就能观察到荧光屏上呈现的电子显微像和电子衍射花样了。对于透射电镜,改变中间镜的电流,使中间镜的物平面从一次像平面移向物镜的后焦面,可得到衍射谱;反之,让中间镜的物平面从后焦面向下移到一次像平面,就可看到像,如图二所示。这就是为什么透射电镜既能看到衍射谱又能观察像的原因。

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图二 TEM中成像(a)和成衍射谱(b)的光路图

分辨率是透镜最重要的性能指标,也是拍摄高质量照片的关键因素。它是由透镜像差和衍射误差的综合影响所决定的。电磁透镜的像差分为两类,一类是因透镜磁场的几何缺陷产生的,叫做几何像差,它包括球面像差(球差)、像散等;另一类是由电子的波长或能量非单一性引起的色差。像散是由于透镜的磁场非旋转对称引起的一种缺陷,透镜极靴圆孔有点椭圆度或者极靴孔边缘的污染等都会引起透镜磁场的非旋转对称,对电子显微镜获得高分辨本领有严重影响,但它能通过消像散器有效地加以补偿矫正;照明电子束波长和透镜电流的波动所引起的色差已由供电系统的稳定性所解决;球差至今无法通过某种方法得到有效的补偿,以致球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素。

2. 样品的要求和制备

根据透射电镜的成像原理可知,电子束需要穿透试样才能成像,这就要求被观察的样品对于入射电子束是“透明的”。电子束对薄膜样品的穿透能力和加速电压有关。当电子束的加速电压为200kV时,就可以穿透厚度为500nm的铁膜,如果加速电压增至l000kV,则可以穿透厚度大致为1500nm的铁膜。从图像分析的角度来看,样品的厚度较大时,往往会使膜内不同深度层上的结构细节彼此重叠而互相干扰,得到的图像过于复杂,以至于难以进行分析。如果样品太薄则表面效应将起着十分重要的作用,以至于造成薄膜样品中相变和塑性变形的进行方式有别于大块样品。因此,需要根据不同研究目的,选用适当厚度的样品,对于一般的金属样品,适宜的厚度约为100-200nm。

经过前辈们多年的智慧与努力,已经有很多针对不同材料制备透射薄膜样品的方法。常见的有表面复型技术、支持膜铜网制备粉末试样、直接制备薄膜平面试样(真空蒸发、磁控溅射等)、块体材料制成薄膜试样(机械研磨+电解抛光、凹坑研磨、离子减薄等)和近些年发展起来的聚焦离子束(FIB)方法。具体的制备流程在我们之前的学术干货 | 送你一份超全SEM&STM&TEM测试攻略,拿走不谢中已经有非常详细的介绍,本文就不再赘述了。

好的样品是拍摄高质量透射照片的基本前提,所以这里还需要强调几点:

(a)薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同,在制备过程中,这些组织结构不发生变化。尤其是在机械研磨过程中,力应该小一些,并需要用抛光或离子减薄消除表面硬化层。

(b)薄膜样品应有一定强度和刚度,在夹持和操作过程中,在一定的机械力作用下不会引起变形或损坏。

(c)在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀,否则会使样品的透明度下降,引入干扰信息。

3. 基本操作及实例展示

世界上有不同型号和功能的透射电镜,但是基本的操作流程都是差不多的,如图三所示。

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图三 透射电镜拍摄操作基本流程

A.聚光镜对中:一般的透射电镜拍摄需要插入一级聚光镜光阑,刚插入时电子束可能不在荧光屏中心,如图四(a);这时需要先会聚电子束于一点,调节电子束平移至中心,再散开光斑,调节光阑旋钮使之仍在中心,反复几次后,电子束与荧光屏能同心收缩,如图四(b)。

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图四 (a)聚光镜光阑未对中的情况和(b)聚光镜光阑对中完成的情况

B.合轴:在电镜高压稳定之后,应该进行系统的合轴调整,一般情况下在alpha设为3时,平移电子束和电子枪位置,使spot size1~5的电子束都能会聚在荧光屏中心。

C.选取合适的衍射条件:很多人在拍摄晶体样品时,往往会忽略这一步,如图五中,在不同的衍射条件下,晶粒内部显现出来的微观结构会发生变化。根据晶带定律:hu+kv+lw=0,选取适当的低指数晶带轴[uvw],可以保证衍射束数目(hkl)足够多以及随后投影内势函数计算有足够的精度。由于透射电镜的衍射衬度和晶体取向也有关,所以在低指数晶带轴附近的“双光束条件”条件下拍摄,会让位错等缺陷更清晰的显现出来,以便进行统计和分析。

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图五 轧制纯铝不同取向的晶粒内部微观结构并不一样

D.调焦:调整样品高度,使图像尽量清晰明锐,可以根据薄膜样品边缘出现的菲涅尔条纹(Fresnel fringes)的状态来调节物镜焦距旋钮,如图六所示。在欠焦状态下,孔洞边缘的外侧会出现呈白色的菲涅尔条纹(黄色箭头处),正焦状态下边缘平滑无菲涅尔条纹,而在过焦状态下菲涅尔条纹会在边缘内侧(黄色箭头处)。菲涅尔条纹会随着欠焦或过焦程度的增大而变宽,因此往条纹变窄的方向调节就能达到正焦状态。另外,还可以通过样品上颗粒的衬度进行调节,正焦状态下的颗粒对比度最低,看起来最平滑。值得注意的一点是,为了得到质量更好的透射照片,往往会选择在正焦状态的基础上再欠焦一点点,以增强对比度,让图片看起来更清晰。

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图六 碳膜孔洞边缘在(a)欠焦(b)正焦(c)过焦状态下的拍摄图片

E.物镜消像散:一般物镜光阑尺寸和位置的微小变化会引起像散,如果观察的是磁性材料会干扰物镜磁场也需要消像散,对一般的材料来说,主要是在拍摄高分辨照片时才会对物镜像散有严格的要求。

低倍下,可以看出物镜像散会使菲涅尔条纹发生扭曲,一部分在边缘内测而另一部分在外侧,如图七所示是有物镜像散和无像散的对比。这时,可以先利用前面的方法将图像调节到欠焦或者过焦,然后调节物镜像散使菲涅尔条纹恢复均匀对称,即可消除像散。

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图七 非晶碳膜孔洞在(A)欠焦(B)过焦(C)正焦(D)有物镜像散的低倍透射照片

高分辨模式下(100K倍甚至更高倍数),则最好需要在非晶区域进行物镜像散的调节。如图八所示,是不同条件下的非晶碳膜高分辨照片。需要先调节物镜光阑的焦距,使图像尽量清晰,对比度合适,然后进行消像散,使图一片均匀,在正焦下看起来似乎什么都没有,但欠焦和过焦图像应该很清楚,且过焦与欠焦的图像只有衬度变化,麻点的形状应一致麻点,没有方向性。这样就表明调好了。也可以利用FFT(Fast Fourier Transformation)图像来辅助调节,当FFT 图像为椭圆时表明有像散,调节至FFT 图像为正圆,说明已调好。

一般来说,根据麻点对比度和FFT调节物镜像散需要在100K倍以上才会有效,所以建议现在低倍下根据菲涅尔条纹调节,然后逐步升高倍数,这样才能保证物镜像散不会越调越偏。万一真的不小心调得越来越偏,感觉自己越调越差回不去了,怎么办?别急,可以在调节物镜像散的模式下,点击NTRL(复位)按钮恢复到初始状态。

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图八 碳膜非晶区在(A)无像散无漂移(B)有像散(C)严重像散(D)无像散有一点漂移(E)无像散有更大的漂移(F)无像散无漂移情况下的高分辨照片和对应的FFT花样

一般来说,经过以上的逐步调节,就可以顺利的拍摄从低倍到高倍的各种透射照片了。剩下的就是调节拍照软件上的对比度和曝光时间,就能得到比较高质量的图像了。另外还有个小建议,就是在保存图片的时候最好存两种格式:拍照软件的专用格式和TIFF。选择软件专用格式是为了保存图片的所有完整信息,以备日后重新检查;TIFF相比较其他BMP、JPEG、PNG等格式而言,存储图像细微层次的信息更多,图像的质量也非常高,故而非常有利于原稿的复制。

4. 高分辨拍摄要点

高分辨电子显微像是让物镜后焦面的投射束河若干衍射通过物镜光阑,由于他们的相位相干而形成的相位衬度显微图像。由于参加成像的衍射束数量不同,得到不同名称的高分辨像。如图九中,固溶态Al-Si合金的二维晶格像,就是利用透射束加二维方向衍射束显示出来的。

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图九 固溶态Al-Si合金的二维晶格像

高分辨电子显微像的拍摄是一项十分细致费时的工作,需要注意很多问题,比如:

(A)对含有非晶结构的膜拍摄高分辨像,应注意图像中晶区和非晶区特别是界面处的细节;含有纳米晶和非晶区的纳米晶试样,拍摄高分辨像会更容易一些。当晶区和非晶区边界细节模糊时,说明加速电压和透射电流稳定性或者工作环境稳定性有问题。此外,非晶膜的傅里叶变换花样和衍射花样的质量,可以用来判断不稳定的波数范围。

(B)高分辨像的质量和拍摄时的聚焦漂移与试样漂移关系极大。聚焦漂移是指聚焦随着时间推移会向着欠焦或者过焦的一侧移动的现象,如图七中(D)(E)所示。

(C)试样漂移一般出现在试样刚刚插入试样台的瞬间,以及刚加液氮也会产生影响,因此要测定上述两种操作之后使试样达到稳定的时间。这个时间有时甚至长达2~3min。

(D)确认物镜球差系数。一般可以依据厂家提供的数据,正确操作,选定最佳聚焦量,从而达到最佳的分辨率水平。

小结:

以上就是拍摄透射电镜高质量照片的一些入门级的知识和技巧,虽然还不够全面深入,但还是希望能够对大家的电镜操作和图像拍摄有一点点启发,为各位的科研和学习带来一丝帮助。欢迎大家多多交流相互切磋,让我们的实验技能更进一步!

参考文献
[1] Carter C B, Williams D B. Transmission electron microscopy[M]. Springer-Verlag US, 2009.
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[4] Nakagawa, K., T. Kanadani, and L. Anthony, Microstructural changes at the initial stage of precipitation in an aluminum-silicon alloy. Materials Transactions, 2005. 46.

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