透射電子顯微鏡實驗教學(xué)中常見非正常現(xiàn)象快速判斷與矯正方法研究

劉利娜 陶佳 杭義萍

摘 ?要 透射電子顯微鏡在高校的需求率不斷增加，因其操作復(fù)雜，使用過程中學(xué)生對一些非正常現(xiàn)象很難快速正確應(yīng)對。探討比如燈絲像簡易調(diào)節(jié)方法、電荷耦合器件圖像傳感器背景矯正判斷和樣品高度快速調(diào)焦的方法，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、減少操作失誤、拍出高質(zhì)量圖片很有幫助。同時減少學(xué)生眼睛的勞損，有益身心健康。

關(guān)鍵詞 透射電子顯微鏡;燈絲像;CCD;實驗教學(xué);透射電鏡及應(yīng)用

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）02-0119-03

1 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對微觀世界的研究不斷深入，透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）的應(yīng)用也越來越廣泛[1-5]。科研中對TEM的需求量也大幅增加[6-8]，培訓(xùn)學(xué)生熟練掌握TEM的操作，讓學(xué)生自行測試，勢在必行。華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院針對化學(xué)類專業(yè)碩士研究生開設(shè)了實驗課“透射電鏡及應(yīng)用”，學(xué)生在實踐操作環(huán)節(jié)需要自己動手進行下列操作：

1）樣品的制備，包括銅網(wǎng)的選擇、粉末樣品的分散和制備、塊體樣品的切割、打磨、凹坑和減薄等;

2）針對學(xué)科特點，選擇既可以拍攝低倍形貌，也可以拍攝高分辨晶格相的樣品，此時要尋找合適的樣品區(qū)域，拍攝清晰的低倍形貌照片以及高分辨電子顯微圖像;

3）針對圖像數(shù)據(jù)的處理，指導(dǎo)學(xué)生采用CCD軟件測量樣品的尺寸、晶面間距等，學(xué)會樣品缺陷結(jié)構(gòu)的觀察以及電子衍射的簡單標(biāo)定等，并利用晶體的理論知識與實際數(shù)據(jù)結(jié)果相聯(lián)系，進行分析和理解。

在實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于TEM操作步驟煩瑣，尤其是在出現(xiàn)一些非正常現(xiàn)象時，學(xué)生很難判斷問題所在，更無法快速做出相應(yīng)的矯正措施。另外，由于經(jīng)驗不足，每位學(xué)生的操作時間都比較長，導(dǎo)致在有限的教學(xué)時間里完成不了實驗，導(dǎo)致有部分學(xué)生操作時間太短，甚至沒機會上機操作。同時，在有限的教學(xué)時間里，學(xué)生也沒能很好地掌握透射電子顯微鏡正確的使用方法。因此，本文以JEM-2100透射電子顯微鏡為例，針對其在操作過程中出現(xiàn)的一些常見非正常現(xiàn)象，探討改革相應(yīng)的判斷方法，建立簡易的矯正方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，減少眼睛勞損，同時拍出高質(zhì)量的圖片。

2 教學(xué)中出現(xiàn)的非正常現(xiàn)象

學(xué)生初次學(xué)習(xí)透射電子顯微鏡，必然存在許多問題，舉三個比較典型的問題進行改進。

問題1 ?JEM-2100透射電子顯微鏡的光源是LaB6燈絲，隨著使用時間的延長，LaB6燈絲也在不斷消耗，燈絲形狀會發(fā)生變化。如圖1所示，其中a為LaB6正常的晶體形狀，光束由下部尖端發(fā)出;使用消耗后，正常燈絲形狀應(yīng)該為b形狀;但有時因消耗不均勻，LaB6晶體可能變成類似c形狀或其他不規(guī)則形狀，從而發(fā)射出來的光束方向發(fā)生偏移，即光斑的中心位置發(fā)生偏移，影響樣品圖片的清晰度，使得光斑亮度降低，導(dǎo)致分辨率降低，影響觀察，同時給眼睛帶來更大負擔(dān)。因此，需要通過調(diào)節(jié)燈絲像來矯正電子槍位置，正常的燈絲像如圖2所示。

問題2 ?作為透射電子顯微鏡的拍照軟件，照片的背景必須干凈，對樣品無影響，因此需要進行背景扣除。一般若背景不正常，會出現(xiàn)弧形條紋，如圖3中箭頭所示，而且樣品的清晰度也受到一定的影響。

問題3 ?在TEM樣品拍照中，聚焦是一個重要問題，即不能欠焦，如圖4所示，樣品形貌不真實;但也不能嚴重過

焦，如圖5所示，照片視覺效果很差，所以拍照需要達到正焦。

3 針對教學(xué)中出現(xiàn)的上述三個問題進行改進操作

改進燈絲像的調(diào)節(jié)方法 ?JEM-2100透射電子顯微鏡光源LaB6燈絲的原理是在高壓激發(fā)下發(fā)射電子，產(chǎn)生電子束，再經(jīng)各級光欄調(diào)節(jié)篩選出一束近乎平行的光束，與樣品相互作用，得出樣品的形貌及結(jié)構(gòu)特征。常規(guī)調(diào)節(jié)燈絲像方法[9]過程存在三點問題：

1）操作步驟較多;

2）在調(diào)節(jié)燈絲飽和度和偏壓過程中會使Beam Current值升高或降低，可能會導(dǎo)致高壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)掉高壓現(xiàn)象，再重新升高壓又很浪費時間;

3）調(diào)節(jié)燈絲像過程耗時較長，眼睛長時間觀察，損害眼睛。

為了解決以上問題，筆者經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)一種既簡單又快速的調(diào)節(jié)燈絲像的方法。改革后的方法就是電子槍的合軸，即觀察燈絲像的形狀，若燈絲像變形，出現(xiàn)各種不對稱的現(xiàn)象，甚至有的只有半邊燈絲像，如圖6所示，則說明燈絲偏離，需要重新合軸，進行燈絲像調(diào)節(jié)。

具體操作步驟：在放大倍數(shù)為四萬倍時，將光斑縮為最小;按F4鍵，調(diào)節(jié)多功能鈕X和Y，直至光斑最亮為止;若最小光斑中心有三角形內(nèi)斑，則調(diào)至正中心，也即為光斑最亮?xí)r，一般也是燈絲位置最佳狀態(tài)。

CCD背景矯正判斷 ?CCD作為透射電子顯微鏡的拍照軟件，照片的背景必須干凈，對樣品無影響。改進后的方法：在樣品空白處，TEM放大倍數(shù)為15～30 K之間的任意倍數(shù)，將光斑放大至滿屏;CCD條件選擇在所有放大倍數(shù)下做一次圖像采集，則背景恢復(fù)正常，條紋消失，如圖7中箭頭所指空白處所示。

樣品高度快速調(diào)焦 ?在TEM樣品拍照中，首要做常規(guī)合軸，其中一項為調(diào)節(jié)樣品高度。在低倍時，可將光斑縮為最小;如果出現(xiàn)多圈光暈，如圖8所示，則需調(diào)節(jié)樣品高度，使光暈消失，縮為一個光斑，則樣品高度基本合適。一般具體操作：按Z鍵，同時可根據(jù)需要點擊TEM軟件上Z右側(cè)的加速鍵，但調(diào)節(jié)速度仍然很慢，且在此時眼睛需一直觀察光斑，會對眼睛造成損傷。

筆者在教學(xué)中進行多次試驗驗證后，改進方法;在按亮控制軌跡球快速或慢速移動的粗調(diào)鍵時，可以更快速地調(diào)節(jié)樣品高度，如圖9所示，使光暈消失，更好地保護眼睛不受強光的長時間刺激。

4 結(jié)語

通過對透射電子顯微鏡實驗教學(xué)中常見非正常現(xiàn)象快速判斷與矯正方法的研究，并將改進后的方法應(yīng)用于教學(xué)中，收到很好的教學(xué)效果，也受到師生的一致好評。

1）使學(xué)生更好、更快速地掌握了如何判斷需要調(diào)節(jié)燈絲像和燈絲位置，怎樣使用快速簡單的調(diào)節(jié)方法，何時需要背景矯正和快速調(diào)節(jié)樣品高度，如何拍出高質(zhì)量的圖片，等等，增強了學(xué)生的信心，提高了學(xué)習(xí)操作的興趣。

2）提高了實驗課堂教學(xué)效率，縮短了教學(xué)時間。由于透射電子顯微鏡臺套數(shù)少，而學(xué)生人數(shù)比較多，在有限的教學(xué)時間里，每一個學(xué)生上機操作的時間增加了，得到更多的操作鍛煉。

3）因為是針對研究生開設(shè)的實驗，本教學(xué)的改進對后期研究生在科研中自行高效地使用透射電子顯微鏡帶來幫助，有利于科研的順利開展。

4）改進后的方法因為減少了時間，也同時降低了對操作人員眼睛的損害程度，保護了學(xué)生的身心健康。

當(dāng)然，隨著“透射電鏡及應(yīng)用”實驗的進行和深入，還會出現(xiàn)一些其他的問題，需要進一步探討和研究，以保證該實驗的教學(xué)對研究生期間的科研起到更好的幫助作用，為提高教學(xué)質(zhì)量做出應(yīng)有的貢獻。

參考文獻

[1]SUI M， WANG Y， CUI J， et al. In Situ TEM/HRTEM?Investigations on Deformation Mechanisms in Metals[J].Journal of Chinese Electron Microscopy Society，2010，29（3）：219-229.

[2]YANG S， SHAO L， LI J， et al. Application of Trans mission Electron Microscopy in individual Aerosol Particle Analysis[J].Journal of Liaoning Technical University，2005，24（4）：608-611.

[3]LIN Q， LI P， SONG Y， et al. Transmission Electron Microscope Identification of a Hexagonal Porous Arrangement in Ordered Mesoporous Carbon[J].New Carbon Materials，2012，27（3）：200-204.

[4]ZHANG X， ZHOU Y， WANG T， et al. Experimental Research on Atmospheric Fine Particulates Size Distribution and Morphology by TEM in Jinan Spring[J].En-vironmental Science and Management，2015，40（5）：44-46.

[5]LUO F， LIAO S， DANG D， et al. Tin and Silicon binary Oxide on the Carbon Support of a Pt Electroca-talyst with Enhanced Activity and Durability[J].ACS Catalysis，2015，5（4）：2242-2249.

[6]FANG Q. Practice Teaching of Transmission Electron Microscope[J].Chinese Geological Education，2011（1）：75-77.

[7]LI M， WANG X， XU X. Discussion on Several Impor-tant Links of Application of Transmission Electron Microscope Undergraduate Experiment Teaching[J].Laboratory Science，2015，18（4）：49-52.

[8]李霞章，王文昌，王昕，等.透射電子顯微鏡培訓(xùn)教學(xué)探索與實踐[J].廣州化工，2013，41（10）：212-213.

[9]進藤大輔，及川哲夫.材料評價的分析電子顯微方法[M].劉安生，譯.北京：冶金工業(yè)出版社，2001：42-43.