透射電子顯微鏡模擬器研制

岳峻逸, 姜威宇, 譚成文, 蘇鐵健 , 于曉東

(1. 北京理工大學 材料學院,北京 100081； 2. 北京理工大學 信息與電子學院,北京 100081)

透射電子顯微鏡模擬器研制

岳峻逸1, 姜威宇2, 譚成文1, 蘇鐵健1, 于曉東1

(1. 北京理工大學 材料學院,北京 100081； 2. 北京理工大學 信息與電子學院,北京 100081)

以可見的激光光源代替不可見的電子光源,以玻璃透鏡代替電磁透鏡控制光路,以光柵樣品代替薄膜晶體樣品,設計透射電子顯微鏡模擬器(TEMS)并制作樣機。對樣機功能進行測試表明:TEMS不但能很好地模擬TEM的圖像模式和衍射模式,且可操作性強、模擬過程中的光路具有可視化特點。在實踐教學中應用TEMS能提升學生對TEM的認知效果。

透射電子顯微鏡模擬器; 結構設計；樣機測試

透射電子顯微鏡模擬器(transmission electron microscopy teaching simulator, TEMS)是用來模擬透射電子顯微鏡(TEM)功能、幫助初學者在操作實踐訓練中理解TEM的理論并形成技能的實驗設備。TEM常被物理、化學和材料甚至生物等學科的研究者在科學研究過程中用來表征在納米尺度上的微觀組織結構,德國科學家E.Ruska因發明TEM在1986年獲得諾貝爾物理學獎[1-2],全世界的理工科大學相關專業也會因其重要而開設透射電子顯微分析課程,甚至有些專業將其作為主干課程開設[3]。又因其原理涉及量子力學、傅里葉光學等抽象的現代物理理論,初學者如果沒有經過大量的實踐訓練,是很難深入理解TEM的理論和形成操作技能的。然而,TEM屬于精密設備,價格昂貴、臺套數少、易損壞、維護成本高,初學者能夠直接操作TEM的機會有限[4-6],因此該課程教學效果不佳成為普遍現象。要增強學生對TEM的原理理解和掌握操作技能,開發價格與維護成本較低、能實現TEM的功能、工作過程光路可視、操作簡便的TEMS代替TEM，以滿足初學者學習和實踐訓練需求就具有現實意義。本文擬用SolidWorks軟件進行TEMS結構設計并制作樣機,對樣機進行功能測試。

1 工作原理

TEMS模擬TEM圖像模式(image mode)下明場像、暗場像、高分辨像的工作光路圖以及衍射模式(diffraction mode)的光路圖見圖1。與TEM的原理[7-8]不同點在于:TEMS以可見的激光代替不可見的電子束，以傅里葉光學透鏡代替電磁透鏡(electromagnetic lens)，以一維光柵樣品代替薄膜晶體樣品，通入煙氣利用丁達爾效應顯示光路[9]實現光路可見。

圖1 TEMS不同工作模式下的光路原理圖

2 4大系統的設計與實現

TEMS由光學系統、機械輔助系統、控制系統和顯示系統4大部分組成。

2.1 光學系統設計

TEMS的光學系統的主要部件與TEM相應部件的對照關系見表1。

表1 TEMS與TEM光學系統的主要部件

TEMS的激光光源采用520 nm 的綠色激光,代替TEM的電子束,符合人眼的敏感性和友好性要求。值得注意的是,要避免因衍射束發散而導致衍射花樣模糊,要求激光光源產生的光束單色性好、衍射束沿著同一個方向射出[11]。

TEMS的光柵樣品,是由一維光柵組成的無色透明PMMA塑料元件。一維光柵見圖2(a),為一組等寬、平行、等距的狹縫,其光柵衍射花樣為共線分布的若干等距光斑,能夠模擬平行晶面的布拉格衍射花樣[12],花樣較為簡單又符合實踐教學要求。由于真實晶體樣品在不同區域的晶面間距不同,就需要制作由不同的一維光柵組成的光柵樣品,圖2(b)是在PMMA塑料的3個不同區域分別刻制100線/mm、150線/mm、200線/mm 3種規格的光柵樣品的示意圖。

圖2 一維光柵和光柵樣品示意圖

TEMS采用傅里葉光學透鏡作為物鏡,其焦距、直徑分別為130 mm、80 mm,起著將經過光柵后產生的衍射束與透射束會聚與一次放大的作用,會聚作用獲得物鏡焦平面的衍射花樣,一次放大作用獲得物鏡像平面的圖像。TEM通過電磁透鏡對電子束實現匯聚與一次放大。

TEMS有孔徑可調的光闌I和光闌II,大小、結構相同,通過旋轉光闌外框上的金屬柄,帶動內部弧形葉片的開閉,可以連續調整中心開孔的大小。光闌I位于物鏡焦平面,模擬TEM的物鏡光闌；光闌II位于物鏡像平面,模擬TEM的選區光闌。圖像模式下,移動光闌I,以選擇性地通過透射束或衍射束；衍射模式下,移動光闌II,以選擇性地通過不同區域的衍射光束。

TEMS的中間鏡組,由兩塊相同的傅里葉光學透鏡共光軸配置,間距可調節。調整間距,中間鏡組將不同的平面投影到成像光屏上,并進行二次放大。圖像模式時,將物鏡像平面上的圖像投影到光屏上；衍射模式時,將物鏡焦平面上的衍射花樣投影到光屏上。相對于TEM而言,TEMS的中間鏡組較為簡單,能夠實現同樣的功能。

2.2 機械輔助系統設計

TEMS的機械輔助系統由抽排氣風機、插入式樣品架、光闌I、II支架、中間鏡組支架等部件構成,使光學系統的部件實現運動以及抽風、換氣。

抽排氣風機固定在TEMS的頂部,用于快速使工作過程中通入的煙氣均勻分布,或排空模擬器內的煙氣。

插入式樣品架(見圖3),用于承載光柵樣品,包括樣品桿與邊框。邊框固定在模擬器圓柱外廓上,邊框上突起部分為供樣品桿插入的插槽。樣品桿可由邊框上的插槽插入或拔出,其方形的托架部分用于承托光柵樣品。

圖3 插入式樣品架圖

光闌支架(見圖4),包括光闌I支架和光闌II支架,結構相同,分別用于搭載光闌I和光闌II。相互垂直安裝的步進電機/絲杠導軌能帶動光闌在平面內自由移動,為了增強穩定性,還對稱布置了導向桿；舵機能連續調節光闌中心開孔大小。

圖4 光闌支架圖

中間鏡組支架見圖5，由底座和兩具相同的直線滑臺導軌構成,用于搭載中間鏡組。中間鏡組的2塊傅里葉光學透鏡分別安裝在2個滑塊上,并保證主光軸共線,2塊透鏡可以獨立移動。

圖5 中間鏡組支架設計圖

2.3 控制系統設計

TEMS的控制系統由旋鈕電位器、控制板、AT單片機、電機驅動器、限位傳感器和報警器等部件構成。AT單片機組和報警器焊在控制板上,限位傳感器固定在機械輔助系統的相應機械結構處。控制系統組成如圖6所示,使用者通過旋鈕電位器輸入信號,經控制板傳遞,由AT單片機進行處理,并向驅動器輸入指令,以驅動機械輔助系統的步進電機和舵機；機械輔助系統中安裝的限位傳感器向控制系統反饋信號,確保控制的準確性；控制系統還可以控制顯示系統的工業攝像機,對成像光屏進行實時拍攝。

圖6 控制系統的組成

2.4 顯示系統設計

TEMS的顯示系統主要包括成像光屏和工業攝像機,能直觀地輸出結果。中間鏡組將物鏡焦平面上衍射花樣或者像平面上圖像選擇性地投影到黑色成像光屏上,可以直接經由TEMS底座的開口對光屏上的圖案進行觀察。工業攝像機會對成像光屏進行實時拍攝,采集光屏上的圖像,可由計算機進行讀取與處理。TEM的顯示系統采用與單反照相機類似的設計。

2.5 TEMS的實現

TEMS的渲染效果見圖7。其外殼采用封閉式設計,包括頂蓋、圓筒機身、控制箱以及底座。機身被插入式樣品架、光闌I支架以及光闌II支架分為4段,自下而上搭積而成；激光光源、插入式樣品架、物鏡、光闌I支架、光闌II支架5個部件通過一根貫穿模擬器上下的中空桿定位與固定,連接各電機的屏蔽線可以隱藏其內部；抽排氣風機、中間鏡組支架、成像光屏和工業攝像機等部件被固定在外殼上；控制系統的單片機、電路板、驅動器等元件收納于控制箱中。

圖7 TEMS渲染圖

TEMS樣機見圖8。為了簡化設計難度、增強零部件的通用性以降低制造及售后維護成本,樣機部件或外購或自行設計加工。

圖8 TEMS樣機圖

3 功能測試結果與評價

3.1 圖像模式功能測試結果

3.1.1. 明場像

當中間鏡組以物鏡像平面為其物平面,并且在物鏡焦平面上插入光闌I(模擬透射電鏡的物鏡光闌),光闌中心孔選擇透射束的焦點(透射斑點,即衍射花樣的中央亮斑),則透射束通過,衍射束被光闌阻擋。透射束在物鏡像平面成像的圖案經過中間鏡組投影到成像光屏上,得到如圖9的明場像。

圖9 明場像

3.1.2 暗場像

當中間鏡組以物鏡像平面為其物平面,并且在物鏡焦平面上插入光闌I,若光闌孔選擇任意一個衍射束的焦點(衍射斑點,即衍射花樣中中央亮斑之外的其他斑點),則衍射束通過,透射束將被光闌阻擋。衍射束在物鏡像平面成像的圖案經過中間鏡組投影到成像光屏上,得到圖10的暗場像,圖中(a)、(b)和(c)分別為選取不同的衍射斑點時所成的暗場像。

圖10 暗場像

3.1.3 高分辨像

當中間鏡組以物鏡像平面為其物平面,并且在物鏡焦平面上插入光闌I,選擇多個斑點(中央斑點和一個或多個衍射斑點)，則衍射束和透射束均會通過,衍射束和透射束在物鏡像平面成像的圖案經過中間鏡組投影到成像光屏上,再經過高分辨率工業攝像機的拍攝和放大,則可以看到一維光柵的狹縫。圖11(a)、(b)、(c)分別為選中不同斑點獲得的高分辨像,說明光柵樣品中不同區域狹縫取向不同。

圖11 高分辨像

3.2 衍射模式功能測試結果

當中間鏡組以物鏡后焦面為其物平面,將觀察到衍射花樣,這樣的操作模式稱為衍射模式。衍射模式時,如果在物鏡的像平面上插入光闌II(模擬透射電鏡的選區光闌),移動該光闌讓光闌孔選擇樣品圖像的某個區域,則只有該區域的透射束和衍射束能夠通過光闌II,再經過中間鏡組投影到成像光屏,光屏上所觀察到的衍射花樣反映樣品中該區域微觀結構的空間對稱性。圖12(a)為不插入光闌II時的衍射花樣,(b)、(c)和(d)為插入光闌II并選擇不同區域的衍射花樣。

圖12 衍射模式

3.3 評價

(1) 測試結果表明,TEMS能夠模擬TEM的圖像模式和衍射模式。此外,當TEMS中間鏡組的物平面介于物鏡焦平面和像平面之間時,投影到成像光屏上的是圖像模式和衍射模式的復合,即若干縮小的明場像(或暗場像)按照衍射斑點的排列方式排布；改變中間鏡組物平面的位置,即由物鏡焦平面向像平面移動,則光屏上各衍射斑點逐漸放大,并逐漸重合,最終成為明場像(或暗場像)。同樣地,中間鏡組物平面的位置由物鏡像平面向焦平面移動時,則出現相反變化。這個過程呈現了圖像模式與衍射模式的轉換,有助于使用者理解圖像模式和衍射模式的關系。

(2) TEMS采用封閉設計,利用無色透明的亞克力板作為機身外殼材料,充入氣溶膠(煙氣),利用激光在氣溶膠中的丁達爾效應,可清晰地展示各種工作狀態下的光路,有助于使用者理解TEM圖像模式和衍射模式的原理。

(3) TEMS采用一維光柵制成的光柵樣品作為觀察的樣品,制作容易；一維光柵的光柵衍射花樣與平行晶面布拉格衍射花樣一致,模擬簡單立方晶體效果較好,可以達到實踐教學要求。

4 結語

本文提出的TEMS設計思路與方案可行,需要外購的元器件購置方便,自行設計的部件易于加工。對樣機的功能測試表明,其能夠有效模擬TEM的重要功能。目前該模擬器在一定范圍內進行了推廣應用。實踐表明,初學者通過操作該模擬器能較快地掌握TEM的原理和使用方法,很大程度上提升了透射電子顯微分析課程的教學效果。

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[12] 敬輝, 達尊, 吉祥. 物理光學教程[M]. 北京理工大學出版社, 2005.

Development of transmission electron microscope simulator

Yue Junyi1, Jiang Weiyu2, Tan Chengwen1, Su Tiejian1, Yu Xiaodong1

(1. School of Materials Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

A transmission electron microscope simulator (TEMS) is designed and a prototype is developed by substituting the visible laser source for the invisible electron light source, the glass lens for the electromagnetic lens to control the light path and the grating sample for the thin film crystal sample. The function of the prototype is tested, and it is shown that TEMS can not only simulate the image mode and the diffraction mode of TEM, but also be operated easily. The optical path in the simulation process has visual characteristics. Applying TEMS in the practical teaching can improve students’ cognitive knowledge of TEM.

transmission electron microscope simulator; structure design; prototype test

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.022

2017-02-23

北京理工大學大學生創新項目

岳峻逸(1995—),男,四川射洪,本科生,材料科學與工程專業E-mail：yuejunyi1995@163.com

譚成文(1977—),男(滿族),遼寧黑山,博士,教授,主要從事金屬材料、材料表征與分析相關研究.E-mail：tanchengwen@bit.edu.cn

TB43;G484

A

1002-4956(2017)08-0088-06