文章指导：文韬（研究员）

　　透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）是我们观察和分析微观世界的有力工具。20世纪30年代，伴随着量子力学的诞生，人们意识到可以利用具有极短波长的电子束成像，以得到极小的分辨率极限 (resolution limitation) 。1933年，西门子公司制造了人类历史上第一台商业化的TEM（Siemens

 图1. 左：第一款商业化的电子显微镜Siemens EM-1，现藏于德国慕尼黑的德意志博物馆；右：TEM的主要发明者Ernst Ruska ()。

　　但是，同大多数的显微镜一样，TEM得到的也都是平面图像。换言之，我们所看到的TEM照片都是三维结构在二维平面上的投影。这种情况下，样品结构在成像过程中的投影会发生重叠。一方面，重叠的图像可能会造成观察中“假象”（图2）；另一方面，观察维度的限制导致我们无法通过普通的TEM图像获取样品在厚度方向上（z方向）的信息。这种效应也被称为“投影极限 (projection

图2. 由于投影的关系，二维图像无法正确反映真实的三维结构，甚至会造成“假象”。

　　为了克服这一局限，研究者建立了一类方法，可以从二维的平面图像出发，以得到三维的立体图像。这种方法可以还原所观察对象的三维结构，因此称为“三维重构 (3D reconstruction)”。事实上，目前三维重构技术已经发展的比较成熟。例如，医院用于进行影像诊断学检查的CT就是一种利用X-射线作为光源的三维重构技术。

Theorem)”：三维物体沿电子束方向投影的傅立叶变换是该物体所对应的傅立叶空间中通过中心且垂直于投影方向的一个截面。基于这一理论，当我们有足够数量的、来自不同方向的投影时，就可以通过数学运算得到原始的三维结构。

配合，用于分析生物样品，如蛋白质、病毒等。由于很多生物分子的功能实际上是取决于自身的空间结构（如蛋白质的第四级结构），所以得到高分辨率的三维结构信息可以在很大程度上帮助我们了解其作用机理。电子晶体学主要针对具有二维结晶结构的生物样品，如膜蛋白分子等，通过结合电子衍射和明场照片得到三维结构。电子断层扫描是通过倾转样品，得到一系列不同角度的二维照片，进而得到其三维结构。前两种方法对样品有特殊的要求，第三种方法的适用性更广一些。

 图3. 三种透射电子显微镜三维重构的方法。

　　三维重构不仅可以得到样品的结构信息，通过与元素分析手段（如EDX等）相结合，还可以得到不同元素在三维空间中的分布信息。这在杂化材料的研究中具有重要的应用价值。

　　透射电子显微镜三维重构技术，很好地弥补了普通照片在成像维度上的不足；将冷冻电镜和元素分析等手段有机地集合在一起，极大地增强了电子显微学的研究手段，特别是为具有多尺度结构的软物质的研究提供了一种有力的工具。

（文/袁俊 指导/文韬  华南软物质科学与技术高等研究院） 

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1、第二章第二章 透射电子显微镜样品的制备方法透射电子显微镜样品的制备方法2.1 表面复型技术表面复型技术2.1.1 一级复型一级复型2.1.2 塑料碳二级复型塑料碳二级复型2.1.3 抽取复型抽取复型2.2 粉末样品和薄膜制备粉末样品和薄膜制备2.2.1 粉末样品粉末样品2.2.2 薄膜样品的制备薄膜样品的制备2.3大块晶体样品制成薄膜的技术大块晶体样品制成薄膜的技术2.3.1金属块体制成薄膜样品金属块体制成薄膜样品2.3.2无机非金属块体制成薄膜样品无机非金属块体制成薄膜样品2.3.3 高分子块体制成薄膜样品高分子块体制成薄膜样品2.3.4 聚焦离子束方法聚焦离子束方法第二章第二章 透射电子显

2、微镜样品的制备方法透射电子显微镜样品的制备方法 本章要点1.复型技术基本过时，但萃取复型对析出相的研究和二级复 型对无损大件断口上的研究仍具特点；2.截面样品能提供许多丰富和重要的信息，因此，对具有复 杂过程的截面样品制备方法的掌握就非常重要；3.块体样品，包括金属和无机非金属样品制成电子显微镜观 察的薄膜样品，双喷电解抛光技术和离子减薄技术是关键；4.对于层状结构的材料和脆性的半导体材料可采用解理法制备 薄膜样品；5.聚焦离子束是一种新型的制备薄膜样品的方法，它可实现对 样品特定微区进行TEM制样，尽管仪器昂贵，但逐步被用户 认可。2.1 表面复型技术表面复型技术 透射电子显微镜利用穿透样品

3、的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电于束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度就越大，如图2.1所示。对于透射电子显微镜常用的加速电压100 kV，如果样品是金属，其平均原子序数在Cr的原子序数附近，因此适宜的样品厚度约200 nm。 图2.1 可穿透厚度t与加速电压U的关系 2.1 表面复型技术表面复型技术 显然，要制备这样薄的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品，而金属样品，遇到的困难就是样品制备问题。20世纪40年代初期才出现了“复型”

4、技术，即把金相试样表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做“复型”）放到透射电子显微镜中去观察分析，这样才使透射电子显微镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。 2.1 表面复型技术表面复型技术 用于制备复型的材料本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们都是非晶体。根据复型所用的材料和制备方法，常见的复型有以下四种：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型和抽取复型（萃取复型），如图2.2所示。 2.1 表面复型技术表面复型技术

5、 图2.2 四种常见的复型(a) 塑料一级复型(b) 碳一级复型(c) 塑料-碳二级复型(d) 抽取复型2.1 表面复型技术表面复型技术 在应用复型技术研究材料表面形貌和显微组织时，为了得到好的复制效果，首先要注意制备好金相试样。金相试样表面必须仔细抛光，避免引起表层组织的变化。其次，要注意各种复型方法对样品表面浮雕的复制能力，碳一级复型分辨率最高，可达2 nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，约10 nm，所以只能复制大于这一尺寸的显微组织细节。塑料-碳二级复型的分辨率主要取决于第一级塑料复型，它的分辨率与塑料一级复型相当。另外，也应了解在透射电子显微镜下观察，对复型材料的要求。 2.1.1 一

6、级复型一级复型 一级复型方法有三种：塑料，碳和氧化物复型。氧化物复型主要用于铝和铝合金，在电解减薄金属方法成熟之后已很少应用。一、塑料一级复型 塑料一级复型是最简单的一种表面复型，是用预先配制好的塑料溶液在已浸蚀好的金相试样上直接浇铸而成的。 表2.1 常用的塑料一级复型材料及其浓度 商品名称化 学 名 称溶 剂浓度/Collodion低氮硝酸纤维素（火棉胶）醋酸戊酯0.54Formvar聚醋酸甲基乙烯酯二氧陆圜（二恶烷）或氯仿12Farlodion低氮硝酸纤维素醋酸戊酯0.542.1.1 一级复型一级复型 塑料一级复型的具体制备方法如下：用液滴管在金相试样表面放一滴塑料溶液，用清洁玻璃棒轻轻

7、地将其刮平，静置干燥后形成厚度约100 nm的塑料薄膜。其浮凸与金相试样表面正好相反，故这种复型又称负复型；在透明胶纸上放几块略小于样品铜网（3 mm）的纸片，再在其上放置样品铜网，这样仅使其边缘粘贴在胶纸上。把贴有样品铜网的胶纸平整地压贴在已干燥的塑料表面，利用胶纸的粘性把塑料一级复型从金相试样表面干剥下来，如图2.3所示；用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料薄膜划开，再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型取下，即可放到透射电子显微镜中去观察。2.1.1 一级复型一级复型 图2.3 塑料一级复型干剥方法1纸片；2样品铜网； 3透明胶纸；4塑料一级复型；5金相试样 图2.4 珠光体组

8、织的塑料一级复型电子像 2.1.1 一级复型一级复型 塑料一级复型制备成败的关键在于能否顺利地使复型从金相样品表面上剥离下来，为了防止塑料膜的破裂，必要时采用背膜增强。例如在Formvar复型膜干燥后，再在其上浇铸一层较厚的Collodion膜。当复合膜从金相试样表面剥离下来后，剪成略小于样品铜网的小方块，放在醋酸戊酯中把Collodion背膜溶解掉，最后用样品铜网把Formvar一级复型捞起后把它放在滤纸上，把水吸干即成。图2.4显示了用Formvar一级复型获得的珠光体组织的形貌。2.1.1 一级复型一级复型 二、碳一级复型 碳一级复型是对已制备好的金相试样表面直接蒸发沉积碳膜制成的，蒸发

9、碳膜的物质是光谱纯碳。具体制备方法如下： 在真空镀膜装置中，如图2.5(a)所示，以垂直的方向在已浸蚀好的金相试样表面上直接蒸发沉积一层厚度数十纳米的碳膜（简称喷碳）。 用针尖或小刀把喷过碳的金相试样表面划成略小于样品铜网的小方格，然后浸入适当的化学试剂中作第二次浸蚀或电解抛光，使碳膜与金相试样表面分离。 用样品铜网将碳复型捞起烘干即可放到透射电子显微镜中观察。2.1.1 一级复型一级复型 图2.5 碳一级复型制备及其图像衬度 2.1.1 一级复型一级复型 图2.6 K-3镍基高温合金中相的碳一级复型图像 2.1.2 塑料塑料-碳二级复型碳二级复型 塑料-碳二级复型是目前最常用的复型方法之一，

10、它兼有塑料一级复型和碳一级复型的某些优点。在材料研究领域内，它主要应用于金相组织和断口形貌的观察，尤其对断口样品，它比一级复型有更多的应用。 图2.7 塑料-碳二级复型的制备步骤 2.1.2 塑料塑料-碳二级复型碳二级复型 塑料-碳二级复型制备方法如下：在经过浸蚀的金相试样（或不需浸蚀的断口试样）表面上放一两滴丙酮（或醋酸甲酯），然后贴上一小块醋酸纤维薄膜（简称AC纸，厚度约3080 m），如图2.7(a)所示。揭下已经干燥的塑料复型（即第一级复型），剪去周围多余的部分，然后将复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上，如图2.7(b)所示。将固定好的塑料复型放在真空镀膜装置中，先以倾斜方向“投影”

11、重金属，再以垂直方向喷碳（即第二级复型），如图2.7(c)所示。2.1.2 塑料塑料-碳二级复型碳二级复型 把复合复型剪成略小于样品铜网的小方块，将生物切片石蜡（注意石蜡熔点42 左右为宜）溶化后滴在小玻璃片上，然后将小方块喷碳一面贴在烘热的小玻璃片上的石蜡上。待玻璃片冷却和石蜡凝固后，放到盛有丙酮或醋酸甲酯的有盖容器中，如图2.7(d)所示，将第一级复型慢慢溶解。 用铜网布制成的小勺把第二级复型转移到清洁的丙酮中洗涤（也可适当加热，保温15 min）；最后转移到蒸馏水中，依靠水的表面张力使第二级复型平展并漂浮在水面上，再用摄子夹住样品铜网把第二级复型捞起来如图2.7(e)，放到滤纸上，干燥后

透射电子显微镜测量晶面间距的方法 透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多，在分析材料晶体结构信息中有着巨大的 应有潜力。如何利用透射电子显微镜测量晶体的晶面间距呢，在这里，我简单叙述两种测量方 法，其中借用的一款软件是DigitalMicrograph 软件，它在分析透射电子显微照片时功能及其强 大。 测量晶面间距的方法一： 1.打开软件，出现如图所示窗口 2.打开一个透射数据（dm3 文件），点击 按钮，将光标移向要测晶格条纹的区域，在垂直于 要测的晶格条纹方向画条直线，如图所示 3.点击 按钮，数十个峰，得到数据，如图所示 得到晶面间距为0.284 nm 。 测量晶面间距的方法二： 1.打开软件和数据，如图所示 打开 ，在透射图中选择所测试的区域，点击Ctrl+Alt,选中完毕。如图 打开Process——Live——FFT ，如图 点击 后，点击经过中心位置的两个点，在Results 中会显示垂直于此方向上的晶格条纹。 如图所示 在计算晶面间距时，需要很好的耐心，欲速则不达，希望对大家有用。