透射電鏡和掃描電鏡在結(jié)構(gòu)、工作原理、樣品制備等方面的異同
1、結(jié)構(gòu)差異:
主要體現(xiàn)在樣品在電子束光路中的位置不同。透射電鏡的樣品在電子束中間,電子源在樣品上方發(fā)射電子,經(jīng)過(guò)聚光鏡,然后穿透樣品后,有后續(xù)的電磁透鏡繼續(xù)放大電子光束,最后投影在熒光屏幕上;掃描電鏡的樣品在電子束末端,電子源在樣品上方發(fā)射的電子束,經(jīng)過(guò)幾級(jí)電磁透鏡縮小,到達(dá)樣品。當(dāng)然后續(xù)的信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不同,但從基本物理原理上講沒什么實(shí)質(zhì)性差別。
相同之處:都是電真空設(shè)備,使用絕大部分部件原理相同,例如電子槍,磁透鏡,各種控制原理,消象散,合軸等等。
2、基本工作原理:
透射電鏡:電子束在穿過(guò)樣品時(shí),會(huì)和樣品中的原子發(fā)生散射,樣品上某一點(diǎn)同時(shí)穿過(guò)的電子方向是不同,這樣品上的這一點(diǎn)在物鏡1-2倍焦距之間,這些電子通過(guò)過(guò)物鏡放大后重新匯聚,形成該點(diǎn)一個(gè)放大的實(shí)像,這個(gè)和凸透鏡成像原理相同。這里邊有個(gè)反差形成機(jī)制理論比較深就不講,但可以這么想象,如果樣品內(nèi)部是均勻的物質(zhì),沒有晶界,沒有原子晶格結(jié)構(gòu),那么放大的圖像也不會(huì)有任何反差,事實(shí)上這種物質(zhì)不存在,所以才會(huì)有這種儀器存在的理由。經(jīng)過(guò)物鏡放大的像進(jìn)一步經(jīng)過(guò)幾級(jí)中間磁透鏡的放大(具體需要幾級(jí)基本上是由電子束亮度決定的,如果亮度無(wú)限大,最終由阿貝瑞利的光學(xué)儀器分辨率公式?jīng)Q定),最后投影在熒光屏上成像。由于透射電鏡物鏡焦距很短,也因此具有很小的像差系數(shù),所以透射電鏡具有非常高的空間分辨率,0.1-0.2nm,但景深比較小,對(duì)樣品表面形貌不敏感,主要觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
掃描電鏡:電子束到達(dá)樣品,激發(fā)樣品中的二次電子,二次電子被探測(cè)器接收,通過(guò)信號(hào)處理并調(diào)制顯示器上一個(gè)像素發(fā)光,由于電子束斑直徑是納米級(jí)別,而顯示器的像素是100微米以上,這個(gè)100微米以上像素所發(fā)出的光,就代表樣品上被電子束激發(fā)的區(qū)域所發(fā)出的光。實(shí)現(xiàn)樣品上這個(gè)物點(diǎn)的放大。如果讓電子束在樣品的一定區(qū)域做光柵掃描,并且從幾何排列上一一對(duì)應(yīng)調(diào)制顯示器的像素的亮度,便實(shí)現(xiàn)這個(gè)樣品區(qū)域的放大成像。具體圖像反差形成機(jī)制不講。由于掃描電鏡所觀察的樣品表面很粗糙,一般要求較大工作距離,這就要求掃描電鏡物鏡的焦距比較長(zhǎng),相應(yīng)的相差系數(shù)較大,造成最小束斑尺寸下的亮度限制,系統(tǒng)的空間分辨率一般比透射電鏡低得多1-3納米。但因?yàn)槲镧R焦距較長(zhǎng),圖像景深比透射電鏡高的多,主要用于樣品表面形貌的觀察,無(wú)法從表面揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu),除非破壞樣品,例如聚焦離子束電子束掃描電鏡FIB-SEM,可以層層觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
透射電鏡和掃描電鏡二者成像原理上根本不同。透射電鏡成像轟擊在熒光屏上的電子是那些穿過(guò)樣品的電子束中的電子,而掃描電鏡成像的二次電子信號(hào)脈沖只作為傳統(tǒng)CTR顯示器上調(diào)制CRT三極電子槍柵極的信號(hào)而已。透射電鏡我們可以說(shuō)是看到了電子光成像,而掃描電鏡根本無(wú)法用電子光路成像來(lái)想象。
3、樣品制備:
TEM:電子的穿透能力很弱,透射電鏡往往使用幾百千伏的高能量電子束,但依然需要把樣品磨制或者離子減薄或者超薄切片到微納米量級(jí)厚度,這是最基本要求。透射制樣是學(xué)問,制樣好壞很多情況要靠運(yùn)氣,北京大學(xué)物理學(xué)院電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室,制樣室都貼著制樣過(guò)程規(guī)范,結(jié)語(yǔ)是祝你好運(yùn)!
SEM: 幾乎不用制樣,直接觀察。大多數(shù)非導(dǎo)體需要制作導(dǎo)電膜,絕大多數(shù)幾分鐘的搞定, 含水的生物樣品需要固定脫水干燥,又要求不變形,比較麻煩,自然干燥還要曬幾天吧。
二者對(duì)樣品共同要求:固體,盡量干燥,盡量沒有油污染,外形尺寸符合樣品室大小要求。
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