第9-1章 透射电子显微镜
材料现代测试分析技术-TEM透射电镜
Why？
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分辨率
球差 色差
像差
像散 电磁透镜也和光学透镜一样，除了衍射 效应对分辨率的影响外，还有像差对分 辨率的影响。由于像差的存在，使得电 磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜 的像差包括球差、像散和色差。
球差
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球差是因为电磁透镜的中心区域磁场和边缘区 域磁场对入射电子束的折射能力不同而产生的。 离开透镜主轴较远的电子（远轴电子）比主轴 附近的电子（近轴电子）被折射程度大。
平行电子束形成（TEM-mode）
11
（A）C1会聚，C2欠焦，获得近似平行束； 11 （B）C1会聚，C2聚焦，C3调节获得平行束；
会聚电子束形成（STEM，EDS，NBD，CBD）
12
（A）C1会聚，C2聚焦，获得会聚束； （B）C1会聚，C3调节获得会聚束；
成像系统
13
对电镜： 电子束 聚光镜 物镜 中间镜 投影镜
∆E ∆rC = C c ⋅ α E
像差对分辨率的影响
42
由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在 像平面上均会扩展成散焦斑。 各散焦斑半径折算回物体后可得到由球差、像散 和色差所限定的分辨率。
0.61λ ∆r0 = N sin α
衍射效应造成的散焦斑
1 ∆rS =Csα 3 4
球差效应造成的散焦斑
f ≈K
(IN )2
Ur
式中K是常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（IN） 是电磁透镜的激磁安匝数。 改变激磁电流可以改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦 距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。
样品倾斜装置及样品台
21
透射电子显微镜
透射电子显微镜1.工作条件：1.1电力供应：220V（±10%），50Hz，单相；380V（±10%），50Hz，三相1.2工作温度：15︒C-25︒C1.3工作湿度：< 60%1.4仪器运行的持久性：连续使用1.5独立地线：≤100欧姆2.设备用途和功能：用于金属材料、无机非金属材料、生物材料、化工材料、高分子材料等材料的微观精细结构、形貌观察，衍射花样分析，成分分析，高分辨成像等。
3. 技术规格：3.1 六硼化镧透射电镜基本单元3.1.1 电子枪：六硼化镧型*3.1.2 分辨率点分辨率：≤0.23nm线分辨率：≤0.14nm3.1.3 加速电压最高加速电压: 200kV*3.1.4 稳定度加速电压稳定性：≤2 ppm/min物镜电流稳定性：≤1 ppm/min*3.1.5 放大倍数50×—1,500,000×*3.1.6 物镜球差系数：≤1.0mm色差系数：≤1.4mm最小聚焦步长：≤1.5nm3.1.7束斑尺寸TEM模式：≥20nmEDS/NBD/CBD模式：≤1.0nm3.1.8相机长度: 80~2000mm3.1.9 样品移动：X: ≤2mm ；Y: ≤2mm；Z：≤0.4mm3.1.10 最大倾斜角：≥+35°3.1.11 X射线能谱分析固体角：≥0.13sr*3.1.12 取出角：≥25°*3.1.13 计算机控制系统操作系统：Windows XP及以上，控制系统采用分级分块方式控制，即使计算机死机，高压系统、真空系统、操作面板系统仍能正常工作。
实验状态（电子光学状态）记忆功能：可多用户储存各自的实验状态并随时恢复样品位置记忆功能：具备计算机工作站：i3及以上处理器，内存4GB以上，硬盘500GB，专业的图形处理用显示卡，DVD刻录功能，所有声音、网络以及输出功能俱全，19寸及以上专业图形液晶显示器3.1.14 真空系统: 自动控制样品室真空度：好于2.7 ×10-5Pa3.1.15 透射电镜具备自动断电、断水保护功能，具备自动诊断功能*3.1.16 透射电镜具备自动烘烤功能3.1.17 扫描透射附件明场分辨率：≤1.0nm暗场分辨率：≤1.0nm可采集明场像、暗场像和HAADF像3.2 能谱仪(EDS)的技术规格3.2.1 功能：该附件是透射电镜的必要附件，用于材料微区的定性、定量成份分析*3.2.2探测器：电制冷*3.2.3 探测器面积：≥60mm23.2.4 分辨率：≤133eV（Mn K 线）3.2.5 分辨元素范围：5B -U923.2.6 峰背比：≥18,000:13.2.7系统工作站：i3-2100处理器，内存4GB以上，硬盘2×250GB，专业的图形处理用显示卡，所有声音、网络以及输出功能俱全，22寸液晶显示器3.2.8 软件：导航分析器，全中文软件操作界面及中文实时帮助系统，实时帮助系统，信息管理系统，实验报告系统等3.3 数字化CCD相机技术规格3.3.1 功能：该附件是透射电镜的必要附件，用于透射电镜形貌像和电子衍射花样的数字化图像的记录，具有数字化图像处理的功能*3.3.2像素尺寸≥9 μm x 9 μm3.3.4视野范围41 mm x 41 mm3.3.5分辨率2048 x 2048 Pixel*3.3.6耦合方式2：1光纤耦合3.3.7动态范围≥14位3.3.8曝光时间 1 ms - 100 s3.3.9双制冷系统芯片温度15度在室温25度时3.3.10安装位置底部同轴3.3.10抗光晕指数100x3.3.11操作界面可选中文、英文等语言3.4 冷却循环水(原装进口，匹配电镜)3.4.1冷却能力：5230 W (4500 kca l/h)3.4.2控温精度：0.1︒C/h3.4.3流量:7.5 L/min3.4.4水温:15-20℃3.4.5水压:0.2 to 0.3 M Pa3.5稳压电源（原装进口，可以匹配电镜）3.5.1 输出电压: 单相 200 V AC3.5.2 输入电压波动范围: ±10%3.5.3 频率: 50/60 Hz4. 离子减薄仪4.1 离子枪：潘宁式离子枪，装载微小磁铁，聚焦离子束设计，无耗件。
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的工具。
相对于光学显微镜，TEM可以提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在研究纳米尺度物体和物质的晶体结构等方面具有独特的优势。
下面将介绍TEM的原理以及工作过程。
TEM的主要组成部分包括电子源、电子光学系统、样品台以及探测器。
第一部分是电子源。
TEM使用的是热阴极电子源，通过加热材料产生的电子可以使它们跨越电子能障形成电子束。
电子束的形成需要经过一系列的加速器和准直透镜等装置，以确保电子束稳定的强度和方向。
第二部分是电子光学系统。
TEM的电子光学系统由一个或多个透镜组成，包括准直透镜、磁透镜和目标透镜。
准直透镜用于平行化电子束，磁透镜用于对电子束进行聚焦，目标透镜用于调整电子束的焦距。
这些透镜的组合可以将电子束聚焦到非常小的尺寸上，从而实现高分辨率的成像。
第三部分是样品台。
样品台是放置待观察样品的平台，可以通过控制样品的位置、倾斜角度等参数来调节观察角度和焦距。
第四部分是探测器。
探测器是接收和记录电子束穿过样品时所发生的相互作用的装置，常用的探测器包括像差探测器（Diffraction Contrast Detector）和投影光学探测器（Projection Optics Detector）。
像差探测器可以测量样品中的晶体缺陷和晶体结构，而投影光学探测器可以获得样品的原子分布图像。
TEM的工作过程如下：首先，样品被制成非常薄的切片，并被放置在样品台上。
然后，电子束由电子源发出，并通过光学系统的透镜进行聚焦。
接下来，聚焦的电子束穿过样品，并与样品中的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子-电子相互作用、电子-晶格相互作用和电子-原子核相互作用。
然后，电子束到达探测器，根据不同的探测器可以得到不同的信息。
像差探测器可以根据电子束的衍射来获得样品中的晶体结构信息，而投影光学探测器则可以获得样品的原子分布图像。
透射电子显微镜
透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投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、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、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。
由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。
因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。
TEM在中和物理学和生物学相关的许多科学领域都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒学、材料科学、以及纳米技术、半导体研究等等。
在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。
而当放大率倍数较高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度的不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。
通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体方向、电子结构、样品造成的电子相移以及通常的对电子吸收对样品成像。
第一台TEM由马克斯·克诺尔和恩斯特·鲁斯卡在1931年研制，这个研究组于1933年研制了第一台分辨率超过可见光的TEM，而第一台商用TEM于1939年研制成功。
第一部实际工作的TEM，现在在德国慕尼黑的的遗址博物馆展出。
恩斯特·阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察。
通过使用由奥古斯特·柯勒和莫里茨·冯·罗尔研制的紫外光显微镜，可以将极限分辨率提升约一倍[1]。
然而，由于常用的玻璃会吸收紫外线，这种方法需要更昂贵的石英光学元件。
透射电子显微镜及其应用
透射电子显微镜及其应用读书报告姓名：孙家宝学号：DG1022076电子科学与工程学院2021年3月31日目录第一章透射电子显微镜 (1)1.1 透射电子显微镜的结构 (1)1.1.1．电子光学部分 (1)1.1.2．真空系统 (3)1.1.3．供电控制系统 (4)1.2 透射电子显微镜主要的性能参数 (4)1.2.1 分辨率 (4)1.2.2 放大倍数 (4)1.2.3 加速电压 (5)1.3 透射电镜的成像原理 (5)1.3.1 透射电镜的成像方式 (5)1.3.2 衬度理论 (6)1.4 透射电镜的电子衍射花样 (6)1.4.1 电子衍射花样 (6)1.4.2电子衍射与X射线衍射相比的优点 (7)1.4.3电子衍射与X射线衍射相比的不足之处 (7)1.4.4选区电子衍射 (7)1.4.5常见的几种衍射图谱 (8)1.4.6单晶电子衍射花样的标定 (8)第二章透射电子显微镜分析样品制备 (10)2.1 透射电镜复型技术（间接样品） (10)2.1.1塑料——碳二级复型 (10)2.1.1萃取复型（半直接样品） (11)2.2 金属薄膜样品的制备 (11)1.2 电子显微镜中的电光学问题 (13)1.2.1 电子射线（束）的特性 (13)第一章 透射电子显微镜1.1 透射电子显微镜的结构透射电子显微镜（TEM ）是观察和分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。
TEM 用聚焦电子束作照明源，使用对电子束透明的薄膜试样，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构。
图 1.1（a ）（b ）是两种典型的透射电镜的实物照片。
透射电子显微镜的光路原理图如图1.2所示。
透射电镜一般是由电子光学部分、真空系统和供电系统三大部分组成。
1.1.1．电子光学部分(a) Philips CM12透射电镜(b) JEM-2010透射电镜 图1.1 透射电子显微镜图1.2透射电子显微镜的光路原理图图1.3透射电镜电子光学部分示意图整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、照相机构等装置。
现代材料分析测试方法-第九章透射电子显微镜
二级复型照片
二级复型照片
2.萃取复型
• 在需要对第二相粒子形状、大小 和分布进行分析的同时对第二相 粒子进行物相及晶体结构分析时。 常采用萃取复型的方法。
• 图7-4是萃取复型的示意图。 • 这种复型的方法和碳一级复型类
似，只是金相样品在腐蚀时应进 行深腐蚀，使第二相粒子容易从 基体上剥离。
• 此外，进行喷镀碳膜时，厚度应 稍厚，以便把第二相粒子包络起 来。
• 碳一级复型的特点是在电子束照射下不易 发生分解和破裂，分辨率可比塑料复型高 一个数量级，但制备碳一级复型时，样品 易遭到破坏。
二级复型 法
• 二级复型是目前应用最广的一种复型方• 法。
• 它是先制成中间复型（一次复型），然 后在中间复型上进行第二次碳复型，再 把中间复型溶去，最后得到的是第二次 复型。
第九章 透射电子显微镜 9.3 样品制备技术
透射电子显微镜样品制备
• 透射电子显微镜成像时，电子束是透过样 品成像。由于电子束的穿透能力比较低， 用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。 根据样品的原子序数大小不同，一般在 50～500nm之间。制备透射电子显微镜分析 样品的方法很多，这里介绍几种常用的制 样方法。
3.粉末样品制备
• 随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材 料发展很快，而粉末的颗粒尺寸大小、尺 寸分布及形态对最终制成材料的性能有显 著影响，因此，如何用透射电镜来观察超 细粉末的尺寸和形态便成了电子显微分析 的一的一项重要内容。
• 其关键工作是是粉末样品的制备，样品制 备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来， 各自独立而不团聚。
第二步骤是样品的预先减薄
• 预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。 • 机械减薄法是通过手工研磨来完成的，把切割好的薄片一
透射电子显微镜
透射电镜的结构及原理
透射电镜主要有电子光学系统(镜筒)、电源系统、真空 系统和操作控制系统等四部分。电源系统、真空系统和 操作系统都是辅助系统。
电源系统包括电子枪高压电源、透镜电源和控制线路
电源等。 真空系统用来维持镜筒(凡是电子运行的空间)的真空度 在10-4 Torr以上，以确保电子枪电极间绝缘，防止成像电
3) 喷雾法 凡用悬浮法在干燥过程中易产生凝
聚的粉粒试样，也可用特制的喷雾器
将悬浮液喷成极细的雾粒，粘附在支 持膜上。
b a
d
a-墨汁(1:10)；b-ZnO；c-白垩颗粒；d-聚苯乙烯塑料球6000× 支持膜法透射电镜图像
高分子材料的制样方法
(1) 金属载网和支持膜 在光学显微镜下研究各种对象时，试样是放置在玻璃载玻片 上．但在电镜下，由于电子束的穿透能力很弱，不能采用玻璃片 作为支持物，而是采用一种很簿的电子透明的薄膜附着在金属网 上作为支持膜． 常用的金属载网是直径为3 mm的铜网．其网孔的样式随制作 方法和所观察的试样不同而有差异．对超薄切片试样，多用每英 寸200目的载网，以保证70％以上的电子光束通过．对粉末样品 一般以网孔小为宜，可增加支持膜的牢固性。 支持膜应当易被 电子穿透，有足够的机械强度，耐电子束轰击，并具有化学稳定 性．由于任何材料制成的膜都或多或少会造成某种程度的电子散 射而降低试样的反差和结构分辨率，因此，支持膜不应太厚，一 般在200Å以下为宜．对较厚的试片，有时也可不用支持膜，将试 片直接故在金属载网上观察．
（a）稀土顺-1．4-聚丁二烯 及反-1，4-聚丁二烯结晶的 电子显微镜照片
（b）稀土顺-1．4-聚丁二烯 及反-1，2-聚丁二烯共混物 的电子显微镜照片
纳米球的微观结构
（4）电子染色技术
透射电子显微镜(TEM)
日本日立公司H－700 电子显微镜，配有双倾台 ，并带有7010扫描附件和 EDAX9100能谱。该仪器 不但适合于医学、化学、 微生物等方面的研究，由 于加速电压高，更适合于 金属材料、矿物及高分子 材料的观察与结构分析， 并能配合能谱进行微区成 份分析。 ● ● ● ● ● 分 辨 率：0.34nm 加速电压： 加速电压：75KV－200KV － 放大倍数： 万倍 放大倍数：25万倍 能 谱 仪：EDAX－9100 － 扫描附件： 扫描附件：S7010
TEM 形貌分析
透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合 纳米粉体材料的分析。 其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的 形貌，颗粒大小，分布，还可以获得特定区域 的元素组成及物相结构信息。 透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析， 但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能 但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能 透过了。对块体样品的分析，透射电镜一般需 要对样品进行减薄处理。
多晶花样的标定
1. 花样特征： 一组同心圆 花样特征： 一组同心圆
2.标定方法：比值法 2.标定方法： 标定方法 根据R1, 根据R1, R2 , R3 ….的比值来确定结构和标定花样 比值法主要适合立方晶系
3）显象部分
这部分由观察室和照相机构组成。 在分析电镜中，还有探测器和电子能量分析附件。 如下图所示。
电子束 扫描发生仪
显象管 和X-Y 记录仪
扫描线圈
数据 处理
能量选择光阑 入射光阑
放大器 探测器
电子能量 分析仪
图1-14 扫描电子衍射和电子能谱分析附件示意图
2 . 真空系统 为了保证在整个通道中只与试样发生相互作用，而 不与空气分子发生碰撞，因此，整个电子通道从电子 枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空 度为 毫米汞柱。
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ZrO2的作用：降低逸出功
Ionized air bombard and etch off zirconium oxide on the tip of emitter.
contents
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2. 聚光镜（1）
• 对放大倍数为几十万倍的高分辨电镜，要求照射到样品上的 电子束应很小。 • 聚光镜：就是对电子束进一 步聚焦作用。 • 以获得 一束强度高、直径小、 相干性好的电子束。 • 双聚光镜系统：组成 • 第一聚光镜及光阑（固定） • 第二聚光镜及光阑（可变） 如图。
照明系统双聚光镜光路系统
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2. 聚光镜（2）
1. 第一聚光镜（CL1）： 为强激磁、汇聚透镜，束斑缩小率为10～50倍左右，将电子 束斑缩小为1～5μm； • 当电子束斑位于CL1的两倍焦 距外（L1＞2f1）时，光斑将缩 小（10～50倍）。 • 此时，物距（L1）不变、可改 变焦距（f1）和像距（L2）来 满足成像条件。
不同外电场下表面势垒变化
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③ 场致发射电子枪
• 场发射电子枪基本结构： • 传统的由阴极、抽取电极和加速电极组成。 • 阴极：电子照明源的发射体； • 抽取电极：所施加的强电场作 用下引致电子发射； • 加速电极：对场致发射电子起 加速作用。 • 三电极综合效果：形成一个静 电透镜，并在加速电极下方的 S0 处形成一个虚光源G，其直 径为Ф10～20nm 间。
日本电子公司高分辨率的TEM JEM-2100
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日本电子公司透射电镜 • 我校新安装的TEM
●点分辨率：0.23nm
JEM-2100（HR）
●晶格分辨率：0.14nm
●加速電圧：80～200kV ●倍率：×50～1,500,000
7
JEM-2010透射电镜镜筒剖面图
1－高压电缆 2－电子枪 3－阳极 4－束流偏转线圈 7－聚光镜光阑 9－物镜光阑 11一物镜 12－选区光阑 16－高分辨衍射室 17－光学显微镜 10一物镜消像散线圈 13－第一中间镜 5－第一聚光镜 6－第二聚光镜 8一电磁偏转线圈
Life of Schottky Emitter
ZrO2
发射体
Emitter
ZrO2流向 发射体尖 端
ZrO2 ZrO2 move to tip
Байду номын сангаас
电离的空气分子
Ionized air
电离的空气分子 与“撞击”发射体
Ionized air hit emitter
ZrO2脱落
ZrO2 Sputtered
残余空气分子
12
1. 电子枪
• ① 普通钨灯丝热阴极三极电子枪（电子源）：由发夹形钨丝 阴极、栅极帽和阳极组成。
电子枪及自偏压回路
13
1. 电子枪（1）
• 电子枪作用：是发射稳定、高亮度、高速的电子束流。 a . 阴极（灯丝）：用Ф0.1~0.15mm钨丝制成V形。 • 在真空中，灯丝通电加热，针尖温 度可达2500～2700K，表面电子获 得大于逸出功能量，发射出热激发 电子。 • 发射区域：尖端很小的表面。 • 电子发射率：取决于阴极工作温度。
22
• 若阴极材料电子逸出功为Ф，当△W =Ф时，则场致发射所 要求电场强度E0：（e 和E0数值代入，并经单位换算后得）
E 0 0.695 10 9 2
• E0和Ф分别用V/m和eV表示。可见：
W
e3 E 0 4 0
（1）E0是同Ф平方值成正比。Ф值愈小，场致发射所需电场强 度E0愈小。因此，阴极材料电子逸出功愈小愈好；
CL1
CL2
( f L1 2 f , M 1)
照明系统双聚光镜光路系统
34
2. 聚光镜（4）
3. 双聚光镜优点： ① 可较大范围调节电子束斑大小、强度，以限制样品上被照 射的面积。 • 放大倍数愈大，要求照射 区域愈小。 • CL1保持一般不变，将电子 束斑缩小近一个数量级；
CL1
• 通过调整CL2激磁电流和光 阑孔径来实现。
CL1
CL2
1 1 1 f L1 L2
照明系统双聚光镜光路系统
33
2. 聚光镜（3）
2. 第二聚光镜（CL2） ： 因第一聚光镜焦距很小，无法在其下放置样品及其他附件， 故在其（CL1）下面还须加入第二聚光镜（CL2）。 • 第二聚光镜： • 弱激磁、会聚透镜，长焦距。 • 聚焦：对电子束进一步聚焦。 （L1＞2f1） • 放大：当束斑一次像位于第二 聚光镜的略小于两倍焦距（L1 ＜2f1）位置上，可得放大二次 束斑像（约2倍）。
4
透射电镜光路原理与光镜比较
照 明 系 统
透 射 电 子 显 微 镜
成 像 系 统
透 射 光 学 显 微 镜
图8-1 透射显微镜构造原理和光路
5
日本电子公司透射电镜
JEM-2100
●点分解能：0.19nm ●加速電圧：80～200kV ●倍率：×50～1,500,000
/
JEM-ARM1300
日本电子公司（JEOL) 的超高压電子顕微鏡。
●加速電压：400～1,300kV ●点分解能：0.10nm ●倍 率：×200～1,500,000
11
一、照明系统
• 照明系统： • 由电子枪、聚光镜和电子束 平移对中、倾斜调节装置 组成。 • 照明系统作用： • 提供一束亮度高、照明孔径 角小、平行度好、束流稳 定的照明源。 • 为满足明场和暗场成像需要， 电子束可在2o～3o范围内倾 斜。
14一第二中间镜
15－第三中间镜 19－荧光屏
18一观察窗
20、21－发、收片盒
22－照相室
8
原荷兰PHILIPS公司透射电镜
CM200-TEM 用于普通的材料研究
CM120-TEM 可用于生命科学领域
9
FEI公司TECNAI系列透射电镜
Tecnai F20
Tecnai F30
10
高電圧電子顕微鏡
电子枪的自偏压回路
17
1. 电子枪（5）
• 栅极作用： ② 聚焦电子束 电子枪由阴极、栅极、阳极组成 的一个三极静电透镜。 高速运动电子束在静电场作用下， 在在某处聚焦，即电子源。 电子源：直径约为50μm。
电子枪
18
② LaB6 热阴极电子枪
• ② LaB6 热阴极电子枪：，与传统的W阴极相比，其逸出功 较低，约比钨小一半；熔点2800K，比钨（3650K）低很多。 • 具有更高的发射特性：在1600～2300 K，LaB6发射能力比W 高4～5个数量级。同时，在高温下性能稳定，使用寿命长。
16
1. 电子枪（4）
• 栅极作用： ① 稳定电子束，可控制阴极发射电子有效区域，以稳定束流。
a. 当束流增加↑→ 偏压电阻压降↑，即栅极 电位比阴极更负→灯丝有效发射区域面 积 ↓ → 电子束流↓ 。 b. 当束流减少↓→ 偏压电阻压降↓ ，即栅极 与阴极电位接近，栅极排斥阴极发射电 子能力↓ →束流↑，以稳定束流。
传统的场致发射电子枪示意图
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• 理论分析表明：若施加阴极的电场强度为E0，则使表面位垒 的下降值△W 可用下式来表示：
W
• • • •
e3 E 0 4 0
式中：△W－表面势垒下降值，单位为N· m（牛顿米）； 电子电荷e ＝1.6×10-19C （库仑）； E 0 －施加在阴极的电场强度，单位为V/m（伏特/米）； 真空中的介电系数ε0 ＝8.85×10-12C2/N· 2。 m
（2）大多数阴极材料：Ф≈2eV～5eV 间，
可估算：E0＝109 ～1010V/m 数量级。
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• 若抽取电极与阴极间施加电压为V k ，阴极尖端曲率半径为R ， 则作用在阴极表面的外电场强度E0：
E 0 Vk / 5R
• 若Vk =5000V，且要求E0 =1010V/m，则应 把阴极顶端磨尖到R =10-4mm = 0.1μm。
19
③ 场致发射电子枪
• 场致发射原理： • 金属中自由电子克服其表面势垒而逸出所做的功，称电子逸 出功（材料物理常数）。 • 研究表明：当强外电场施加到金 属表面，会使其表面势垒降低， 并促使自由电子逸出表面的几率 增加。若势垒的降低值接近其电 子逸出功值（即表面势垒接近为 零），导致隧道效应，则在常温 下也会发射出电子，此现象称为 场致电子发射效应或冷发射。
27
• 2、电子枪结构的改进 • 为减小闪烁噪音而对虚光源位置的影响，近年来发展了一种 圆锥阳极型场致发射电子枪。虚光源：在加速电极上方。 • 优点：在低加速电压下，因闪烁噪声使抽取及加速电极电压 的波动，对虚光源不对中和散焦程度影响都很小。适合于低 能扫描电子显微术方面的工作。
28
• 3、采用全数字处理系统 • 为提高电子束流稳定性，近年来在电子光学的控制系统中发 展了一种可自动补偿的全数字处理系统。 • 特点：是利用储存功能（如无偏移误差的帧储存累加和高的 积分速率等）来进行补偿控制。因此，即使冷阴极的场致发 射电子枪，其闪烁噪声可以从原来的4%～ 6%降低到小于1% （在长达80min 的工作时间内）。
2.3
100 稳定 不需要 5×105 10-3 几个月
1.5
20 较稳定 不需要 5×106 10-5 约1年
0.6-0.8
100 稳定 不需要 5×108 10-7 3-4年
0.3-0.5
20-100 不稳定 需要 5×108 10-8 约 5年
电子枪费用(US$)
20
1,000
较贵
较贵
30
JSM-7000F
1
第八章 透射电子显微镜
2
第一节 透射电子显微镜的结构与成像原理
/tem/
3
透射电镜的结构与原理
• 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy 简称TEM） 是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的 一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。 • 透射电镜的结构：由电子光学系统、电源与控制系统及真空 系统三部分组成。 • 电子光学系统： （镜筒），是透射电镜的核心。 它由照明系统、成像系统和观察记录系统分为三部分。 • 透射电镜的光路原理：与透射光学显微镜十分相似。