电镜使用方法

2.2电子衍射和成像
2.2.1电子物质相互作用
当电子经过一个原子时会因相互作用而发生偏转,这种作用叫库伦作用。
弹性散射和非弹性散射发生在任何样品中，前者是电子经过原子核的静电场时发生的轨道偏转，这个过程中会发生动量转换，后者是电子和原子的电子相互作用而损失部分能量传递给电子。
入射点子与薄样品作用会产生各种类粒子，所有这些电子信号均可被用来成像、得到衍射斑点或提供谱的信息。如图2-6。
2.1.1电子枪
电子枪也就是电子源，是用热灯丝或者从场发射灯丝发射出来的，用来产生图像或衍射斑点的电子束器件。
灯丝具有一定的尺寸大小，发射电子的区域非常小，另外在灯丝的不同区域均可以激发出点子。电子发射可以是由钨或LaB6被加热到发射电子所需要的逸出功，或者是灯丝在强电场下通过隧道效应拉出来。
如图2-2电子从灯丝中射出，电子束在电子枪和聚光灯之间的电场中得以加速。
2 衍射衬度
衍射衬度是晶体样品成像的主要衬度。电子穿透晶体样品后，因为透射和衍射的电子强度比例不同，因此用透射电子束或衍射电子束来成像时像的衬度不同，由此得到像的衬度叫做衍射衬度。
晶体样品的衍射衬度主要是用物镜后焦面上的物镜光阑来控制的。
如图2-12（a）物镜光阑于电子显微镜光轴中心时，只有透射电子束通过物镜光阑并在物镜像平面上成像，得到的即是上面所说的明场像。
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
对样品要求特别严格。如：试样表面要干净并平滑
现代电子显微镜
高能电子入射到固体样品上时，会和其中的原子核及电子发生强烈的相互作用。如受原子核库仑力作用，导致卢瑟福弹性散射。
如果样品为晶体，由于质点排列的规律性散射波在某些方向形成衍射波。最终形成衍射图和电子显微像。
现代的一些表征手段
质厚衬度同时存在，样品中满足布拉格条件的区域在明场像中将呈现较暗的衬度
（b）当只允许一衍射束通过物镜光阑而遮挡住透射电子束，我们将得到所谓的暗场像。样品中满足布拉格条件的区域在暗场像中呈现较亮的衬度。可以将物镜光阑偏离光轴中心选取某一衍射束成像，但偏光轴成像容易引起像差。
（c）将入射电子束偏移一布拉格角而使衍射电子沿光轴传播通过物镜光阑成暗场像，这样做可以减小像差。
工作原理：利用会聚的电子束在样品上扫描来完成的。在扫描模式下，场发射电子源发射出电子，通过在样品前磁透镜以及光阑把电子束会聚成原子尺度的束斑。电子束斑聚焦在试样表面后，通过线圈控制逐点扫描样品的一个区域。在每扫描一点的同时，样品下面的探测器同步接收被散射的电子。对应于每个扫描位置的探测器接收到的信号转换成电流强度显示在荧光屏或计算机显示器上。样品上的每一点与所产生的像点一一对应。从探测器中间孔洞通过的电子可以利用明场探测器形成一般高分辨的 明场像。环形探测器接受的电子形成暗场像。电子探测器的直径决定扫描透射电子显微镜的空间分辨率。如图2-18。
目前常见的电子分析方法有：透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜；扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜；分析电子显微镜等。
2.1透射电子显微镜简介
透射电子显微镜是由电子源与照明系统，成像系统和记录系统所组成。如图2-1。大致如下，电子从灯丝被发射出来，经过灯丝和阳极间的电势加速。利用会聚透镜和光阑把发射出来的电子会聚形成相应大小的电子束，用来照射样品。与样品相互作用后透射的电子被聚焦在物镜的后焦面上并进入第一、第二极中间镜。投影镜形成最后的放大图像或者衍射斑点并投影呈现在荧光屏上。
3Ewald 反射球
以1/λ为圆心作球球,此球面称Ewald反射球。如图2-8。球面上任意倒易格点G都符合衍射条件而产生衍射，球心指向格子点的方向即为衍射方向。
当晶体对入射电子束有一定的取向时，有一定数量的倒易格子点落在球面上，产生相应数目的衍射点。当改变晶体取向时将有另一些倒易格子点落在反射球面上，（在电子显微镜上通常是通过旋转或倾斜样品而改变其取向的）。因为电子衍射斑点只是倒格子中的一部分，因此需要得到不同方向的电子衍射图。
普通的 STEM 的操作模式有明场、暗场像及高角暗场像，STEM 的明场和暗场像通源自文库用来观察催化剂粒子在载体上的分布。如图2-20。
2.1.2物镜
在透射电子显微镜中，通常置固体试样于物镜的物平面上。物镜的作用是把这些电子会
聚在其后焦面上形成衍射斑点，并在其像平面上形成样品的像。如图2-4。
平行电子束和样品相互作用后被样品散射。对于晶体样品，这种散射以布拉格衍射束的形式向前传播并由物镜聚焦，在其焦距为f的后焦面内形成一透射衍射花样。对于理想物镜所有这些衍射束均能达到像距为v的像平面干涉成像。如果物镜的物距为u，则物镜的成像公式可表达为：
2.2.2 电子衍射
1 电子衍射基础
如果电子波和晶体样品相互作用，弹性散射电子是相干性的，可形成衍射斑点[9]。衍射斑点的信号来源于样品中所有原子的相互作用，依赖于材料的原子结构。电子衍射束只能在入射电子束与晶体之间满足下述布拉格(Bragg)条件时才能够被观察到。完整的晶体衍射斑点是非常清晰、规则的；非晶材料衍射将呈现弥散环状，环的直径和原子平均作用距离相关
(a)中钨或LaB6灯丝被用来作为三叉极系统的阴极，高压电缆连接着阴极和高压箱，阳极则是中间有孔的接地圆盘，电子从灯丝射出经阳极和阴极之间的栅极Wehnelt环，通过改变Wehnelt环的偏压值，可以改变电子束斑的分布。
(b)场发射电子枪的结构不同于热灯丝电子枪，场发射电子枪中电子枪也作为阴极，但同时使用两个阳极，第一阳极具有上千伏的正偏压，即抽出电压，它在灯丝尖部产生一巨大电场，通过隧道效应把电子拉出灯丝。脱出的电子通过第二阳极的静电场被加速。两个阳极的合并电场作用就像静电透镜一样控制电子束的位置和大小。
物镜成像的反大倍数为M=v/u。
只要把物镜后焦面上的衍射花样或其像平面的样品像投影到荧光屏上，就能得到样品的衍射图和像。对应于透射电子显微镜的两种基本操作模式过下中间镜和投影镜而完成。如图2-5。若放一光阑在物镜后焦面上，只有通过物镜光阑的电子才能对成像有贡献。图像的衬度和质量是由光栅决定的，也可以降低物镜的像差。
透射电子显微镜是提供催化反应在纳米尺寸信息的技术。揭示并正确诠释原子核内层电子间相互作用所提供信息的综合学科
传统的一些表征手段：
表征手段
特点和功能
透射电子显微镜
提供催化反应在纳米尺寸信息的技术。揭示并正确诠释原子核内层电子间相互作用所提供信息的综合学科
X射线衍射，X射线光电谱等
提供百万到亿万个纳米粒子微结构与表面成分的平均值。
F =f{1+exp(−πi(h +k +l))}.
当满足 h + k + l 为偶数的晶面，如 (110), (200), (211), (220)，才能产生衍射斑点
h + k + l 为奇数时，F = 0。在这种情况下，(h, k, l)晶面不能给出衍射斑点。
2.2.3 透射电子显微镜成像
透射电子显微镜最普通的应用就是观察固体试样的显微像乃至高分辨像。在一张电子显微图像中不同区域或者细节的强度亮暗差异则称为像的衬度。电子显微像的衬度分为振幅衬度和相位衬度，在透射电子显微镜中的明场或暗场像中会观察到振幅衬度；在样品很薄时，高分辨电子显微像的衬度是由电子波相位变化而产生的，即相位衬度。电子显微照片中有时同时会包括这两种衬度，但总是有一种衬度占主导地位。
2.1.2 照明系统
照明系统的主要作用是根据需要把电子枪产生的电子束调为平行或会聚电子束，并改变电子束斑的大小,它通常包括第一、第二聚光镜，现代的扫描透射电子显微镜上还会有第三会聚镜来调整电子束。
电子枪发出的电子源作为第一聚光镜的物，形成缩小的像通过改变第二聚光镜的焦距可把这一像成为照射样品的平行或会聚电子束。电子束的会聚角和强度是由第二聚光镜及其光阑控制的。第二聚光镜光阑调节照射样品的电子束强度。如图2-3
振幅衬度可分为质厚衬度和衍射衬度。
1 质厚衬度
于样品密度或者厚度不同而引起的像的衬度变化称为质厚衬度。用电子显微镜研究玻璃、聚合物等非晶样品或生物样品时，质厚衬度是唯一的衬度。但是无论是晶体还是非晶样品，如果在物镜的后焦面上插入物镜光阑，限制一部分电子不参加成像密度或厚度发生变化都会改变其对电子的散射能力，所以质厚衬度是透射电子显微成像普遍存在的衬度。物镜光阑质厚衬度像的清晰度，光阑于电子显微镜光轴中心时，只有透射电子束能够成像，所得到的像被称为明场像。
2 电子衍射方向
在解释理解晶体对电子波散射形成衍射时，用布拉格方程来描述衍射形成的几何条件。不管晶体结构因子大小如何，只有当晶体取向和入射电子束满足Bragg方程时，电子束才可能产生衍射。
当波长为λ的电子波入射到任一点阵平面时，在这一点阵面上各个点阵点的散射波相干加强的条件为电子波的入射角与反射角相等，入射线，反射线和晶体法线均在同一平面上,如图2-7
2.3扫描透射电子显微镜（STEM）
现代的透射电子显微镜中可以通过改变第一、第二聚光镜的激发强度把电子束调成很小的束斑会聚在样品一点或一非常小的区域。利用电子显微镜附带的扫描控制配件可以通过绕圈控制电子束逐点扫描样品的一长方区域。在扫描每一点的同时，放在样品下面的各种探测器同步接收被散射的电子。把每个扫描位置的电子强度转化为光信号就可以在计算机屏幕上得到扫描放大显微像。具有这一功能的透射电子显微镜也被称为扫描透射电子显微镜（STEM）。
2.1.4中间镜和投影镜
物镜在电镜中的放大倍数非常低，在透射电子显微镜中用中间镜和投影镜来进一步放大图像它们在一起称为成像系统。物镜后面可紧接二到三个中间镜。
电子显微镜的操作模式是通过改变中间镜物距μ而改变的。为了得到衍射斑点，中间镜的物平面为物镜的后焦面，这时衍射斑点将被投影镜投影到荧光屏上，如图2-5（a）；如果需要观察试样的图像，则需要把物镜的像平面作为中间镜的物平面，这样在荧光屏上即可得到试样的投影像，如图2-5（b）。
第2 章 透射电子显微镜
催化作用是发生在催化剂表面上的原子或分子的相互作用。为了理解其本质，必须弄清楚催化剂的微观结构：形貌、相组成、化学组成、表面结构、负载催化粒子的大小，分布等和催化性能的关系。因化学处理及热处理引起的变化都会对催化剂的性能有影响。所以在设计发展高选择性、高活性、长寿命的催化剂，必须对其做出纳米级乃至原子尺度的表征。
2.1.5记录系统
早期图像或衍射斑点是利用曝光方式在底片上记录下来的。今天电子显微镜中的图像记录系统已被数字图像记录系统取代。对数字图像很容易进行加工，提高衬度，提高图像质量，降低噪声等。而且最最重要的是数字图像允许我们非常容易的对其进行傅立叶变换，在傅立叶空间中进行相分析，测量晶格参数。除了一般的电视摄像头外，现在更通用的数字化相机一般为电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相机。
1)透射电子或者为偏转电子；2）弹性散射电子，如大角非相干弹性散射电子及相干弹性散射电子（衍射电子）；3）非弹性散射电子。
还有三种在入射电子反方向散射或发射的电子：1）二次电子，这是被入射高能电子从样品中击出的电子；2）俄歇电子，是与入射电子相互作用处于激发态的原子退激发时产生的；3）和入射电子能量接近的背散射电子。另外退激发的原子将发射连续或者特征X射线以及可见光、荧光等。这些光子信号可以被收集来做样品成份的定性或定量分析，确定样品元素的分布。
表征手段
特点和功能
高分辨电子显微镜
研究催化剂能够得到其形貌、微结构、相组成、化学组成、等多方面信息
高空间分辨分析电子显微镜
原子级或亚纳米级电子能量损失谱（EELS）
研究氧化态、价键、原子配位状况等
扫描透射电子显微镜（STEM）
研究催化剂单催化活性位或单原子的分布
以上综合技术
在亚纳米尺度研究催化剂的显微结构与电子结构，加深对催化剂结构与其催化剂性能的理解，为催化化学的发展和新型催化材料的研制提供重要的实验与理论依据。
在利用电子衍射斑点表征催化剂材料时，通常需要解决两类问题：第一类是标明或验证催化剂材料中的相，其化学成分是已知的；第二类在不知其化学成份时，确定催化剂的微结构和相。
4衍射斑点分析
分析电子衍射花样，有两点非常重要。
第一，并不是所有的晶面都都能激发电子衍射的。只有那些能够导致电子波加强相干的晶面才能产生衍射斑点。