六硼化镧透射显微镜

乌克兰打仗了，我这里也有点杞人忧天，要知道乌克兰的工业重要性和先进程度并不仅仅在军事领域，在精密仪器制造，特别是在我们熟悉的透射电子显微镜研发制造上，也是可圈可点的。您没有看错，乌克兰有自研的透射电镜TEM，它长的这个样子：一看上面的商标，这不是Zeiss的标志吗？您怎么说它是乌克兰的呀？故事的背景是：Zeiss电镜的并购历程之前有详细讲过，这里不再赘述。这台100kV的透射电镜研制生产于乌克兰，2005年底被Zeiss看中并完成收购，改标改软件重新喷漆，在2007年11月1号改名Centra100型号对外发布。这款透射别看只是100kV，技术上还是很有特色的：Zeiss同时还参与客户交付仪式，高调宣传这台透射：因为它填补了Zeiss没有100kV透射电镜的空白：为了留下历史印记，还给它起了一个别名叫“CRISP”，用以宣传他的高分辨率： 可惜好景不长，2008年Zeiss上层变动，新的领导觉得透射电镜不赚钱，赫然决定“自废武功”，将透射电镜这条任何电镜厂家和用户都公认的“皇冠”生产线砍掉！被砍得除了自己的Libra200和200FE，就是这台可怜的Centra100了-从被收购到发布后仅仅短短一年光景，便折戟沉沙。自此以后，这台乌克兰的骄傲便销声匿迹，再无踪迹。现今即使仔细Google搜索，也很难找到它的祖籍，出生年月和原始姓名了。2016年底，Centra100被Zeiss宣布停止服务（End of Support），所以它的剩余生命也就屈指可数了。至此乌克兰大战之日，回想起这台电镜的光辉岁月，岂不令人扼腕叹息。 上面提到的Libra200FE ，笔者维修过此型号在国内两台中的一台，令人印象深刻的是：除了严谨的绝缘油密封的电子枪，光大大小小的铅屏蔽板就有二百公斤重，桌面由超过四十层的板材压制而成，整体硬件给人以精工细致的观感。 透射电镜是公认的电子显微镜的鼻祖，电镜产品系列的标杆，业界皇冠上的钻石；它的地位是无可替代，是不可或缺的；它的存在与技术高低划分了一个电镜公司是一流的电镜公司，或是不入“电镜”流的。

3月7日，“中国电子显微镜学会第十一届常务理事会”召开同期，由中国电子显微镜学会主办的“球差校正透射电子显微镜新技术及应用研讨会”在陵水举办，研讨会邀请数位青年专家代表以报告和座谈讨论的形式分享各自在球差校正透射电镜技术及应用方面的新应用进展。同时，出席本次研讨会的还包括中国电子显微镜学会常务理事代表、电镜类科学仪器公司代表等，大家在讨论环节，针对应用进展、仪器技术需求、更好合作等话题进行了深层次的交流探讨。研讨会现场中国科学院院士、浙江大学教授张泽致辞张泽院士在致辞中表示，电子显微学是一门涉及物理、化学等，且与电镜相关仪器设备紧密关联起来的交叉学科，交叉学科的发展，无论技术研究、方法学研究，还是仪器技术开发等，大家都需要互相支持、互相欣赏。其次，从电镜等设备引进时间分布来看，大家有先后，建议大家互通有无，共同发展。同时强调，仪器设备技术对于原创性、变革性成果至关重要，仪器设备的自主发展是学科将来更好发展的必经之路。最后表示，青年学者们的工作情况代表着中国电子显微学界发展的进展，希望大家在本次交流中收获进步，在进步中相互支持、共谋发展。报告人：浙江大学教授 田鹤报告题目：电荷与自旋相关局域有序特性的探索研究电荷与自旋相关局域有序特性对于进一步发现关联材料等的新奇物性具有重要意义，田鹤在报告中分享了团队十余年来，利用原子尺度电子显微技术方法研究电荷与自旋相关局域有序特性的一些探索。围绕电荷成像的瓶颈与关键问题、自旋成像的瓶颈与关键问题、涡旋电子探针问题、散射理论与实验设置问题等依次展开讨论。实现了电荷、自旋局域有序特性的一些探测，包括原子层面的电荷、轨道、自旋耦合，电荷、轨道、自旋等多自由度调控等。最后，田鹤表示，电子显微学方法的研究虽然周期较长，但是是值得付出一生的事业，这也呼应了那句古语“工欲善其事必先利其器”。报告人：中国科学院大学教授 周武报告题目：功能材料的单原子尺度谱学研究在催化剂中起到关键作用的可能是一些单个金属原子的原子尺度结构特征，所以除了看到这些单个金属原子，还需要分析这些金属原子的种类、这些单个金属原子跟周围其它非金属原子发生怎样的配位相互作用等。报告中，周武主要分享了团队近年来关于功能材料单原子尺度谱学的研究进展。研究主要基于独特的单色仪球差校正透射电镜开展，该电镜是国际上能量分辨率和空间分辨率最高的30kV低压电镜之一。报告首先介绍了孤立单金属原子谱学分析首要解决的孤立单金属原子成像问题，通过仪器方法的突破案例等分享了如何保证成像的质量。接着，讲解了进一步谱学分析的相关进展。并分享了利用这些方法应用于单原子催化剂等实际样品中的一些案例和取得的系列成果，说明了球差显微镜的重大意义。报告人：清华大学副研究员 陈震报告题目：Electron psychography for ultrahigh resolution imaging of atomic structure and spin texture陈震长期致力于开发新型电子显微学技术，尝试突破现有球差透射电子显微镜成像技术的极限，进一步提高球差透射电子显微镜的空间分辨率。报告主要分享了利用psychography（叠层技术）方法对原子结构和磁结构高分辨成像的研究。研究主要基于四维扫描透射电子显微术(4D-STEM)。陈震首先介绍了psychography方法的一系列优势，分辨率方面，基于球差校正高分辨的基础，进一步把球差透射电子显微镜的空间分辨率提高2.5倍，至0.3埃以下。他进一步介绍了psychography方法在电磁场成像方面的发展情况，并介绍了团队在超高分辨率的磁结构成像的最新进展：揭示复杂氧化物中最邻近的氧原子的分布细节，且精确测出铁原子间距。叠层球差透射电子显微技术在工程材料等领域有着广泛的应用潜力。报告人：北京工业大学 李志鹏报告题目：透射电镜原位原子尺度多场耦合研究平台开发及应用李志鹏博士长期致力于发展原子分辨的材料力学性能原位实验装置。他介绍了他参与发展的世界最先进（领先）的“球差透射电子显微镜力-热-电学实验装置”，可以实现原子分辨的单一（力、热、电）或耦合外场（力-热-电）原位实验。该类实验在原子尺度阐明先进材料结构-性能相关性，为高性能新材料开发提供关键实验数据和重要理论支撑。李志鹏博士介绍了多种球差电子显微镜原位原子尺度力-热-电单/多场耦合实验室的研发及其在金属、合金、半导体等多种材料领域和研究方向中的应用。其参与发展的多项成果在百实创(北京)科技有限公司转化，并推出INSTEMS系列球差透射电镜原位原子分辨力热电集成实验室系统。在高校与企业优势互补下，李志鹏博士进一步介绍了最近拓展的系列国际前沿新技术，例如原子级漂移校正技术等，这些项技术预计在今年成熟并推广应用。另外李志鹏博士也介绍了百实创发展的多个先进球差电镜功能化实验室（实验装置），如球差电镜霍尔样实验台、球差电镜多样品载具、透射电镜通用标准双倾样品杆等。报告人：浙江大学教授 余倩报告题目：金属力学性能和位错调控结构金属材料的应用广泛而重要，但长久以来，金属材料强度和塑形不可兼得的问题一直难以解决，这往往是由位错等缺陷导致的。余倩在报告中从三个方面介绍了其团队如何调控位错，进而改变材料的力学性能，以追求更高强度的前提下，保证足够的塑性变形能力。第一部分为加入微量合金元素，使得位错结构发生改变，产生一些新的交互作用；第二部分则通过大量的合金元素来制造无序结构，即利用近年国际前沿的复杂合金体系（高熵合金）去调控位错行为；第三部分是利用界面调控，即使用一种更强的显微结构界面进行位错形核与运动行为调控。报告人：南京理工大学副教授 周浩报告题目：原子尺度镁合金界面偏析及其形成机理研究金属纳米材料的概念已经被提出很久，但当前工程应用依旧困难，主要是剧烈塑性变形技术提出至今已35年，尚未解决；另外受限纳米晶体界面，界面稳定性低。周浩报告中针对以上问题，团队从镁合金入手，分享了工程材料提高界面稳定性相关的研究进展。研究以溶质元素的界面偏析调控界面结构，提高界面稳定性为金属材料纳米化提供了新的思路，具体结论包括孪晶界面的周期性导致偏析结构呈现显著周期性，具体晶格结构受元素类型、界面能等因素影响；晶界偏析也呈现显著周期性结构，偏析结构与热处理工艺无明显关系；Ag等低温固溶度低、扩散速率快的元素易于形成位错偏析等。仪器技术及应用交流环节，除了电子显微学前沿应用，大家也针对疫情下售后零部件供货周期问题、进口高端透射电镜功能附件的维修周期、高端电镜后台软硬件开放权限、国内产业化、人才培养、国内期刊发展、操作人员变动频繁等相关问题进行了广泛探讨。同时，中小国产科学仪器企业呼吁国家、高校、研究所等相关部门给予国产科学仪器企业与国际大公司在付款方式等方面同等的公平待遇。会后留影

p　　透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, 简称TEM)，是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件(如荧光屏，胶片以及感光耦合组件)上显示出来的显微镜。/pp　strong　1 背景知识/strong/pp　　在光学显微镜下无法看清小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超细结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM分辨力可达0.2纳米。/pcenterp style="text-align:center"img alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/e4bcd2dc67574096b089e3a428a72210_th.jpeg" height="316" width="521"//p/centerp style="text-align: center "strong电子束与样品之间的相互作用图/strong/pp 来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]/pp　　透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。/pp　　strong2 TEM系统组件/strong/pp　　TEM系统由以下几部分组成：/pp　　电子枪：发射电子。由阴极，栅极和阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。/pp　　聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。/pp　　样品杆：装载需观察的样品。/pp　　物镜：聚焦成像，一次放大。/pp　　中间镜：二次放大，并控制成像模式(图像模式或者电子衍射模式)。/pp　　投影镜：三次放大。/pp　　荧光屏：将电子信号转化为可见光，供操作者观察。/pp　　CCD相机：电荷耦合元件，将光学影像转化为数字信号。/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/077c0e70dca94509a9990ee4bf72b7c8_th.jpeg" height="359" width="358"//centerp style="text-align: center "strong透射电镜基本构造示意图/strong/pp 来源：中科院科普文章/pp　　strong3 原 理/strong/pp　　透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛，而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/e9d4e63ae7de44bdb90ac7b937a15169_th.jpeg" height="333" width="422"//centerp style="text-align: center "strong电镜和光镜光路图及电镜物镜成像原理/strong/pp 来源：中科院科普文章/pp　　strong4 样品制备/strong/pp　　由于透射电子显微镜收集透射过样品的电子束的信息，因而样品必须要足够薄，使电子束透过。/pp　　试样分类：复型样品，超显微颗粒样品，材料薄膜样品等。/pp　　制样设备：真空镀膜仪，超声清洗仪，切片机，磨片机，电解双喷仪，离子薄化仪，超薄切片机等。/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/57ee42cd8391437292cd04cc7bd24694_th.jpeg" height="296" width="406"//centerp style="text-align: center "strong超细颗粒制备方法示意图/strong/pp 来源：公开资料/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/2ddf2c80dbe34a069bc51a3595a55160_th.jpeg" height="325" width="404"/br/strong材料薄膜制备过程示意图/strong/centerp　　来源：公开资料/pp　strong　5 图像类别/strong/pp　　strong(1)明暗场衬度图像/strong/pp　　明场成像(Bright field image):在物镜的背焦面上，让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度的方法。/pp　　暗场成像(Dark field image):将入射束方向倾斜2θ角度，使衍射束通过物镜光阑而把透射束挡掉得到图像衬度的方法。/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/c458ccf5fa5c4ffa9cb948e2d28b76b0.png" height="306" width="237"/br/strong明暗场光路示意图/strong/centercenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/701e2e4343ea4409b3afdd92e1717804.jpeg" height="318" width="294"/br/strong硅内部位错明暗场图/strong/centerp　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]/pp　　strong(2)高分辨TEM(HRTEM)图像/strong/pp　　HRTEM可以获得晶格条纹像(反映晶面间距信息) 结构像及单个原子像(反映晶体结构中原子或原子团配置情况)等分辨率更高的图像信息。但是要求样品厚度小于1纳米。/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/264c1d9b2f454ea9b8aa548033200a33.png" height="312" width="213"//centerp style="text-align: center "strongHRTEM光路示意图/strong/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/d53de1201a4e41948d4d095401c3dc3b.jpeg" height="234" width="321"/br/strong硅纳米线的HRTEM图像/strong/centerp　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]/pp　　strong(3)电子衍射图像/strong/pp　　选区衍射(Selected area diffraction, SAD): 微米级微小区域结构特征。/pp　　会聚束衍射(Convergent beam electron diffraction, CBED): 纳米级微小区域结构特征。/pp　　微束衍射(Microbeam electron diffraction, MED): 纳米级微小区域结构特征。 br//pp　　/pcenterp style="text-align:center"img alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/f6fc1e403ef74234af93d4f9979429cd.png" height="296" width="227"//ppstrong电子衍射光路示意图/strong/p/centerp　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/b0631c33d4b44f10bf9bdb0f908830c5.png" height="174" width="173"//centerp style="text-align: center "strong单晶氧化锌电子衍射图/strong/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/2ac3b6fb7b03421096ee3af0790b9acb.png" height="174" width="175"//centerp style="text-align: center "strongstrong无定形氮化硅电子衍射图/strong/strong/pcenterimg alt="" src="http://img.mp.itc.cn/upload/20170310/02f2f6c3980a4450a36bc7bbc36f10e5.png" height="174" width="170"/br/strong锆镍铜合金电子衍射图/strong/centerp　　来源：《Characterization Techniques of Nanomaterials》[书]/pp　　strong6 设备厂家/strong/pp　　世界上能生产透射电镜的厂家不多，主要是欧美日的大型电子公司，比如德国的蔡司(Zeiss),美国的FEI公司，日本的日立(Hitachi)等。/pp　　strong7 疑难解答/strong/pp　　strongTEM和SEM的区别：/strong/pp　　当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。扫描电镜收集二次电子和背散射电子的信息，透射电镜收集透射电子的信息。/pp　　SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法特定剖面呈现出来，从而转化为可观察的表面 TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常的薄，一般为10到100纳米内，甚至更薄。/pp　　strong简要说明多晶(纳米晶体)，单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理：/strong/pp　　单晶花样是一个零层二维倒易截面，其倒易点规则排列，具有明显对称性，且处于二维网格的格点上。/pp　　多晶面的衍射花样为各衍射圆锥与垂直入射束方向的荧光屏或者照相底片的相交线，为一系列同心圆环。每一族衍射晶面对应的倒易点分布集合而成一半径为1/d的倒易球面，与Ewald球的相贯线为圆环，因此样品各晶粒{hkl}晶面族晶面的衍射线轨迹形成以入射电子束为轴，2θ为半锥角的衍射圆锥，不同晶面族衍射圆锥2θ不同，但各衍射圆锥共顶、共轴。/pp　　非晶的衍射花样为一个圆斑。/pp　strong　什么是衍射衬度?它与质厚衬度有什么区别?/strong/pp　　晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度称为衍射衬度。质厚衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，适用于对复型膜试样电子图象做出解释。/pp　　strong8 参考书籍/strong/pp　　《电子衍射图在晶体学中的应用》 郭可信，叶恒强，吴玉琨著 /pp　　《电子衍射分析方法》 黄孝瑛著 /pp　　《透射电子显微学进展》 叶恒强，王元明主编 /pp　　《高空间分辨分析电子显微学》 朱静，叶恒强，王仁卉等编著 /pp　　《材料评价的分析电子显微方法》 (日)进藤大辅，及川哲夫合著，刘安生译。/pp　　来源：中国科学院科普文章《透射电子显微镜基本知识介绍》/p