材料学科透射电镜实验课程的体会

郭毅　蒋蓉　罗婷婷　刘小青　邓兆

摘 要 本文针对本校材料学科的特点，有针对性地制定了透射电镜实验教学的内容。在实验中，首先开设理论学习，加强了解，其次针对样品制备、透射电镜操作进行具体实践，最后针对典型图像数据进行分析。整个实验教学过程，不仅保证了仪器的正常运行，同时做到有的放矢，既使学生学习了如何使用透射电镜观察分析典型样品，又加强了理论知识的理解，为以后的科研打下了基础。

关键词 透射电镜 实验课程 材料学科 体会

透射电子显微镜（Transmission electron micro-scope，TEM）简称透射电镜，是利用高能电子束作为照明光源对材料的显微结构进行高倍放大成像的大型分析设备，目前已广泛应用在各科技领域，是探索研究微观世界的有力工具。借助于该设备，研究人员不仅可以表征材料的微观形貌，还可以直接观察到材料内部的组织状态和微观缺陷，借助于电子衍射功能还可以分析材料的晶体结构，因此，透射电镜已成为材料研究不可或缺的一种测试手段。

武汉理工大学材料学科作为学校的重点学科，不可或缺的就是对材料测试方法的学习。随着教学改革的不断深入以及越来越多的学生对透射电镜的需求，对本科生开设透射电镜实验课程势在必行。但在具体的教学工作中，存在一些棘手的问题，如不同学科所采用的制样方式以及观察重点都有所不同，而且由于透射电镜作为一种大型仪器设备，结构精密且操作步骤复杂，而实验课学生众多，贸然进行操作可能会出现操作不当，引起设备不能正常运行等。在这种背景下，如何在有限的教学中做到有的放矢，既让更多的学生得到实践的机会、学到更多的知识，又要确保仪器在使用过程中完好无损，就显得非常重要。我们单位由于测试样品种类比较广泛，但大多集中在无机非金属材料、金属材料等样品，需要涉及到低倍形貌的拍摄、高分辨电子显微观察和电子衍射的分析等方面。因此，我们针对材料学科特点，有针对性地开展教学内容，包含样品的制备、对透射电镜结构、原理和操作的了解以及图像分析的掌握。

1 理论教学

透射电镜结构比较精密，操作相对复杂，如果每年让许多学生都上机操作，且不能因失误操作导致损坏仪器，教学难度较大。因此，在实践教学之前，我们会首先要求学生预习实验指导书中的内容，对透射电镜有一个初步的了解。然后开设理论教学，向学生详细地介绍透射电子显微镜的原理、结构和应用、粉体和块体的制备等理论知识，在接触仪器之前提前讲解仪器的操作步骤、特点及注意事项，并展示一些透射电镜的图像特点，希望学生对透射电镜有进一步的认识，并且可以认识到透射电镜与扫描电镜、X射线衍射等其他测试方法之间的差别及联系。这样学生们在进入实验室前，已经对实验内容有了充分的了解，可以减少不必要的失误。

2 实验教学环节

2.1 仪器介绍及操作演示

带领学生进入仪器房间之后，我们首先对于前期教学中介绍的实验注意事项，重新针对实物强调一遍，加强印象。然后结合仪器本身，简单介绍一下仪器的结构和原理，使学生能够将理论图片与实物结合起来，加强理解。最后，我们将仪器的操作步骤向学生演示一遍，其间结合理论中所介绍的一些原理和结构特点进行讲解。

2.2 实践操作

实践操作是实验教学中最重要的环节，针对不同的学科，需要调整其相应的侧重点，并演示相应的典型样品。在这个环节中，我们分为三个部分来进行。

（1）样品的制备，包括铜网的选择、粉末样品的分散和制备、块体样品的切割、打磨、凹坑和减薄等。不同类型的样品，拍摄要求不同，所选择的铜网类型也不一样，一般情况下要求粉末样品分散均匀，浓度不宜过高，也不宜过低，而块体样品需要切割成直径3mm的圆片，打磨至100€%em厚，凹坑后再进行离子减薄。

（2）针对学科特点，选择既可以拍摄低倍形貌，也可以拍摄高分辨晶格相的样品放入电镜进行拍摄。首先指导学生打开电子枪阀门，出现光斑后，对光路进行合轴之后，寻找合适的样品区域，拍摄清晰的低倍形貌照片以及高分辨电子显微图像，仪器和样品条件允许的情况下，还可进行电子衍射花样的拍摄，同时在拍摄过程中穿插进行合轴的指导和样品的解析。由于透射电镜操作上的难度，学生很难在短时间内完全掌握仪器操作，而实验课时有限，因此，我们只要求学生对操作的整个过程进行初步的掌握即可，如需独立操作，可在后期参与专门的培训。

（3）针对图像数据的处理。我们针对性选取一些有特点的图像数据，指导学生学会采用Digitalmicrograph软件测量样品的尺寸、晶面间距，学会样品缺陷结构的观察以及电子衍射的简单标定等，并布置相应的图片作业，希望学生可以在课后熟练运用软件，并利用晶体的理论知识与实际数据结果相联系进行分析和理解。

3 结论

透射电镜的广泛应用，逐步对实验教学提出了更高的要求，但又受限于其本身大型精密仪器的特质，如何针对不同学校不同学科不同样品，有侧重点地开设教学课程，是个一直以来都在探索和改进的课题。本单位针对测试样品广泛但集中在无机材料的特点，有针对性地开设实验课程，不仅指导学生了解电镜操作，还将理论课程中关于材料内部结构的學习融入数据解析，既有助于提高实验教学的实用性，也增加了学生对理论知识的理解，对以后从事科研工作大有裨益。

参考文献

[1] 戎咏华.分析电子显微学导论[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 赵梅，李成栋，程俊梅，于广水，谭冠中.高分子学科透射电镜实验教学的体会[J].实验科学与技术，2015（13）：52-54.

[3] 李明芳，王晓岗，许新华，祝全敬.透射电子显微镜用于实验教学中的几个重要环节[J].实验室科学，2015（4）：49-52.

[4] 权茂华，孙建林，熊小涛，薛润东.电镜实验教学中“三层次"培训体系的建立[J].实验室研究与探索，2014（33）：171-174.

[5] 方勤方.透射电子显微镜实验课教学方法探讨[J].中国地质教育，2011（1）：75-77.