透射电镜
拉曼光谱和透射电镜
拉曼光谱和透射电镜
拉曼光谱和透射电镜是两种用于研究材料结构和性质的分析技术，它们分别通过不同的原理和方法提供有关样品的信息。
1.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：
原理：拉曼光谱是一种分析技术，基于分子或晶体中的分子振动引起的光子散射现象。
当激光光束通过样品时，其中的分子会散射光子，产生拉曼散射光。
通过分析拉曼散射光的频移，可以获得关于分子振动和结构的信息。
应用：拉曼光谱广泛用于材料科学、化学、生物学等领域，可以用于分析晶体结构、化学成分、分子构型等。
2.透射电镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）：
原理：透射电镜是一种高分辨率的显微镜，使用电子束而不是可见光。
样品被穿透的电子束通过样品后，通过透射电镜的透射系统形成高分辨率的图像。
TEM可以显示样品的内部结构，具有极高的分辨率，可以观察纳米级别的细节。
应用：透射电镜主要用于研究材料的微观结构，如晶体结构、纳米颗粒、生物细胞等。
它在纳米科技、材料科学、生物学等领域有广泛的应用。
这两种技术在研究材料时具有互补性。
拉曼光谱提供关于分子振动和结构的信息，而透射电镜则提供关于材料微观结构的高分辨率图像。
结合使用这两种技术，可以更全面地了解材料的性质和结构。
TEM(透射电子显微镜)
细胞结构解析
细胞膜结构
透射电镜图像可以清晰地展示细胞膜的精细结构，如细胞膜的厚度、 细胞器的分布等。
细胞器结构
透射电镜能够观察到细胞内的各种细胞器，如线粒体、内质网、高 尔基体等，有助于了解细胞器的形态和功能。
细胞骨架结构
透射电镜能够观察到细胞骨架的超微结构，如微管、微丝和中间纤维 等，有助于了解细胞骨架在细胞运动、分裂和分化中的作用。
TEM应用领域
01
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03
04
生物学
研究细胞、组织和器官的超微 结构，如细胞器、细胞膜、染
色体等。
医学
用于诊断疾病，如癌症、传染 病等，以及药物研发和疫苗制
备过程中的结构分析。
地质学
观察岩石、矿物和矿物的微观 结构，研究地球科学中的各种
地质现象。
材料科学
研究金属、陶瓷、高分子等材 料的微观结构和性能，以及材
控制切片的厚度，通常在50~70纳米之间，以确 保电子束能够穿透并观察到样品的内部结构。
切片收集与处理
将切好的超薄切片收集到支持膜上，并进行染色、 染色脱水和空气干燥等处理。
染色
染色剂选择
选择适当的染色剂，如铅、铀或 铜盐，以增强样品的电子密度并
突出其结构特征。
染色时间与温度
控制染色时间和温度，以确保染色 剂与样品充分反应并达到最佳染色 效果。
清洁样品室
定期清洁样品室，保持清洁度 。
检查电子束系统
定期检查电子束系统，确保聚 焦和稳定性。
更新软件和驱动程序
及时更新TEM相关软件和驱动 程序，确保兼容性和稳定性。
定期校准
按照厂家建议，定期对TEM进 行校准，确保观察结果的准确
性。
06 TEM未来发展
透射电镜的工作原理
透射电镜的工作原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察样品的微观结构的高分辨率显微镜。
与光学显微镜不同，透射电镜使用的是电子而不是可见光来照射样品，因此能够获得比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面，下面将详细介绍透射电镜的工作原理。
1. 电子的产生。
透射电镜使用的是电子束来照射样品，因此首先需要产生电子。
电子产生的常用方法是热发射和场发射。
热发射是利用热能使金属表面的电子逃逸而产生电子，而场发射则是利用电场使电子从金属表面逃逸。
在透射电镜中，通常使用的是热发射电子源，即利用钨丝或钨钢合金丝受热后发射电子。
2. 电子的聚焦。
产生的电子束需要经过一系列的聚焦系统，使其成为一个细小的束流，以便能够准确地照射到样品上。
透射电镜的聚焦系统通常包括电子透镜和磁透镜。
电子透镜利用电场来聚焦电子束，而磁透镜则利用磁场来聚焦电子束。
通过合理设计和调节，可以使电子束聚焦到非常小的尺寸，从而获得高分辨率的成像能力。
3. 电子的透射。
经过聚焦系统聚焦后的电子束将照射到样品上，这时的电子束被称为透射电子束。
透射电子束穿过样品时，会与样品中的原子和分子发生相互作用，产生散射和吸收。
透射电镜通过检测透射电子束的变化来获取样品的结构信息。
4. 成像。
透射电镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用后产生的信号来获取样品的结构信息。
透射电镜通常采用透射电子显微镜来观察样品。
透射电子显微镜通过探测透射电子束的强度和位置来获得样品的结构信息，然后将这些信息转换成图像显示出来。
5. 检测。
透射电镜的检测系统通常包括电子探测器和图像处理系统。
电子探测器用于探测透射电子束的强度和位置，然后将这些信息传输给图像处理系统。
图像处理系统将探测到的信息转换成图像，并进行增强和处理，最终显示在显示屏上供用户观察。
总结来说，透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面。
透射电镜的基本原理
透射电镜的基本原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种使用电子束而非光线进行成像的仪器。
它使用高能电子束将样品穿透，然后收集透射的电子，并通过电子透射图像来获得样品的高分辨率图像。
以下是透射电镜的基本原理。
1.电子源：透射电镜中的电子通常是通过热发射或场发射从钨丝或钨尖中提取出来的。
电子源通常位于电镜的顶部，并通过加热或外加电场使电子发射。
2.加速器和减速器：电子源中产生的电子通过一个加速器进行加速，以达到高能水平。
这样可以使电子具有足够的能量穿透样品。
在穿过样品后，电子被进一步减速，以改变电子束的相对能量。
3.样品：样品通常是非晶态或晶态材料，厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
样品先被制备成极薄切片，并被放置在透明的钢网上，并通过透射底座固定在电镜中。
4.磁透镜系统：磁透镜系统用于聚焦和定向电子束。
它可以通过控制磁铁中的磁场来控制电子束的聚焦和导向。
电镜通常包含一个物镜透镜和一个对焦透镜。
物镜透镜具有更大的聚焦能力，用于将电子束聚焦到样品上，而对焦透镜用于微调焦距。
5.透射：电子束穿过样品时会与样品中的原子和电子发生相互作用。
其中一个主要的相互作用是电子与样品中的原子核和电子发生库仑散射。
这些相互作用会使电子的能量损失，并改变电子的路径。
透射电子图像是根据这些散射事件的位置和能量损失来重建的。
6.探测器：透射电子通过样品后，会被收集并转换为可视图像。
光学系统使用透射电子图像来放大和重构样品。
最常用的探测器是闪烁屏幕和摄像机。
闪烁屏幕会发出光，而摄像机则将光转换为电信号，并将其转化为可视化的图像。
7.后处理：获得的透射电子图像可以通过计算机后处理进行增强和处理。
这些处理包括调整对比度，增强细节以及从二维图像中提取出三维信息。
透射电镜的原理允许它在纳米尺度下观察物质的结构和形貌。
与传统的光学显微镜相比，透射电镜具有更高的分辨率和更大的深度解析力。
透射电镜(TEM)原理详解
• 除了电磁波谱外, 在物质波中, 电子波不仅具有短波长, 而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为 照明光源, 由此形成电子显微镜。
图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)
高压系统
真空系统
操作控制系统
观察和记录系统
阴极透电射子电枪镜来, 获通得常工电采作子用原束热 理
作为照明源。 热阴极发射的电子, 在
阳极加速电压的作用下, 高速穿过阳极孔, 然后被 聚光镜会聚成具有一定直 径的束斑照到样品上。
具有一定能量的电子束 与样品发生作用, 产生反 映样品微区厚度、平均原
量决定于衬度
B
A
（像中各部分
的亮度差异）。
现在讨论的
这种差异是由
于相邻部位原
子对入射电子
散射能力不同, Aˊ
因而通过物镜
光阑参与成像
质厚衬度表达式 令N1为A区样品单位面积参与成像
的电子数，N2为B区样品单位面积参
与成像的电子数，则A.B两区的电子
衬G将度上GN式为1N展1N成2 级 1数，ex并p略N A去 二0M2级22及t2 其
• 正确分析透射电子像，需要了解图象衬度与以上这 些反映材料特征信息之间的关系。
• 透射电子像中，有三种衬度形成机制: • 质厚衬度 • 衍射衬度 • 相位衬度
透射经电典镜像理衬论形成认原为理(散一)射质是厚衬度
供入观察射形貌电结子构的在复型靶样物品和质非晶粒态物质样品的衬度是质厚衬度
1子转.原场。子中可核受采和力用核而散外发 射电生截子偏面对入射电子的散射
透射电镜(TEM)讲义
05
TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
01
02
03
04
准备样品
选择适当的样品，进行适当的 处理和固定，以确保观察效果 最佳。
调整仪器参数
根据观察需求，调整透射电镜 的加速电压、放大倍数等参数 ，以达到最佳观察效果。
操作步骤
按照仪器操作手册的步骤进行 操作，包括安装样品、调整焦 距、观察记录等。
技巧
定量分析方法
颗粒统计
对图像中颗粒的数量、大 小和分布进行统计，计算 颗粒的平均尺寸和粒度分 布。
电子衍射分析
利用电子衍射技术分析晶 体结构和相组成，确定晶 格常数和晶面间距。
能谱分析
通过能谱仪测定图像中各 点的元素组成和相对含量， 进行定性和定量分析。
04
TEM图像解析实例
晶体结构分析
利用高分辨的TEM图像，可以观察到晶体内部的原 子排列和晶体结构，如面心立方、体心立方或六方 密排结构等。
掌握操作技巧，如正确使用操 作杆、合理利用观察窗口等， 以提高观察效果和效率。
仪器维护与保养
定期清洁
定期对透射电镜进行清 洁，保持仪器内部和外
部的清洁度。
检查部件
更换消耗品
定期检查透射电镜的部 件，如电子枪、镜筒等，
确保其正常工作。
根据需要，及时更换透射 电镜的消耗品，如真空泵
油、电子枪灯丝等。
保养计划
在操作透射电镜时，应严格遵守操作规程， 确保仪器和人身安全。
THANK YOU
感谢聆听
80%
观察模式
根据观察目的选择不同的观察模 式，如明场、暗场、相位对比和 微分干涉等。
图像解析与解读
01
02
03
透射电镜的原理和应用
透射电镜的原理和应用透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束来对物质进行成像和分析的先进仪器。
相对于光学显微镜，透射电镜的分辨率更高，可以观察到更小尺寸的物体和更细微的细节。
下文将详细介绍透射电镜的原理和应用。
一、原理透射电镜的工作原理基于电子的波粒二象性。
当高速电子束穿过薄样品时，电子与样品原子发生散射或透射，这些散射和透射电子可以通过其中一种方式被聚焦后投射到屏幕上形成影像。
透射电镜的主要组成部分包括电子源、电子透镜系统、样品台、检测器和成像系统。
2.电子透镜系统：透射电镜中使用的电子透镜系统包括凸透镜、凹透镜和电磁透镜等，用于聚焦和控制电子束的路径。
3.样品台：样品台用于固定和支持待观察的样品。
在样品台上放置薄到几十纳米的切片样品，以便电子束能够透过。
4.检测器：透射电镜中常用的检测器包括透射电子探测器（TED）、散射电子探测器（SED）和能量散射光谱仪（EDS）等。
TED用于接收透射电子并产生明亮的影像，SED用于检测和分析散射电子的信息，EDS用于分析样品中的元素组成。
5.成像系统：透射电镜的成像系统包括投影屏幕、摄像机和电子显微图像处理设备。
通过调整电子透镜系统，可以将电子束上的信息转换成实时图像并显示在投影屏幕上。
二、应用透射电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有广泛的应用。
以下是透射电镜的几个主要应用。
1.结构表征：透射电镜可以用于观察材料的结构和形貌。
它能够提供高分辨率的图像，揭示物质的晶体结构、晶体缺陷、晶界和相界等微观结构信息。
2.成分分析：透射电镜结合能量散射光谱仪（EDS）可以分析样品中元素的组成。
EDS通过测量样品上散射电子的能量，确定样品中元素的成分和含量。
3.纳米材料研究：透射电镜可以研究和制备纳米尺寸的材料。
通过观察和测量纳米材料的形貌、尺寸和结构，可以了解纳米材料的特性和性能，并指导纳米材料的设计和合成。
透射电镜分析
透射电镜分析透射电镜是一种常用的材料表征技术，广泛应用于材料科学、生物医学和纳米技术领域。
透射电镜通过电子束的透射来观察样品的内部结构和成分。
本文将介绍透射电镜的原理、仪器结构、操作流程以及在材料科学领域的应用。
透射电镜利用高能电子束穿透样品，通过电子束与样品相互作用的方式，获取样品的内部信息。
与光学显微镜不同，透射电镜具有更高的空间分辨率，可以观察到更细小的结构细节。
同时，透射电镜具有较高的成分分辨率，可以确定材料的化学组成。
透射电镜主要由电子源、透镜系统、样品台和检测器组成。
电子源产生高能电子束，透镜系统对电子束进行聚焦和调节，样品台用于支撑样品并调节其位置，检测器用于接收透射电子并将其转化为图像信号。
在进行透射电镜观察时，首先需要制备适合的样品。
通常，样品要求薄至几个纳米至几十纳米的厚度，以保证电子束的穿透能力。
其次，样品需要通过切片技术制备成透明薄片或通过离子薄化技术获得适当厚度的样品。
制备好的样品被放置在透射电镜的样品台上，并进行位置调节以获得最佳的观察效果。
在透射电镜观察中，可以使用不同的探测模式来获取样品的信息。
例如，原子级分辨透射电镜（HRTEM）可以获得材料的晶体结构信息，高角度透射电子显微镜（HAADF-STEM）可以获得材料的成分信息。
透射电子衍射（TED）可以用于分析晶体的结晶方式和晶格参数。
透射电镜在材料科学领域有着广泛的应用。
首先，透射电镜可以用于研究材料的微观结构和相变行为。
例如，通过观察材料的晶体结构和缺陷，可以了解材料的力学性能和导电性能。
其次，透射电镜可以用于研究材料的纳米结构和纳米尺度现象。
由于透射电镜具有很高的分辨率，可以观察到纳米颗粒、纳米线和二维材料等纳米结构的形貌和性质。
此外，透射电镜还可以用于观察生物样品的超微结构，为生物学研究提供重要的信息。
总之，透射电镜是一种强大的材料表征技术，具有高分辨率和高成分分辨率的优势。
它在材料科学、生物医学和纳米技术等领域发挥着重要作用。
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• 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长， 而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为 照明光源，由此形成电子显微镜。
光学显微镜的分辨率
• 由于光波的波动性，使 得由透镜各部分折射到 像平面上的像点及其周 围区域的光波发生相互 干涉作用，产生衍射效 应。一个理想的物点， 经过透镜成像时，由于 衍射效应，在像平面上 形成的不再是一个像点， 而是一个具有一定尺寸 的中央亮斑和周围明暗 相间的圆环所构成的 Airy斑。如图5-1所示。
透射电镜的结构
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了 重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微 镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分 析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发 明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微 镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、 晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观 世界的能力从此有了长足的发展。
• 光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分 对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服而已。 所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1000-1500之间。
如何提高显微镜的分辨率
• 根据式（5-3），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低 照明光源的波长。
• 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地 吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。
•1939 - First EM built in North America by James Hillier and Albert Prebus at the University of Toronto
Dr. Prebus Dr. Ladd
Light vs Electron Microscope
电磁透镜
• 短线圈磁场中的电子 运动显示了电磁透镜 聚焦成像的基本原理。 实际电磁透镜中为了 增强磁感应强度，通 常将线圈置于一个由 软磁材料（纯铁或低 碳钢）制成的具有内 环形间隙的壳子里 （如图5-4）。
图 5-4 电磁透镜
电磁透镜
• 此时线圈的磁力线都集 中在壳内，磁感应强度 得以加强。狭缝的间隙 越小，磁场强度越强， 对电子的折射能力越大。 为了使线圈内的磁场强 度进一步增强，可以在 电磁线圈内加上一对磁 性材料的锥形环（如图 5-5所示），这一装置称 为极靴。增加极靴后的 磁线圈内的磁场强度可 以有效地集中在狭缝周 围几毫米的范围内。
M
（5-1）
• 通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应 的两个物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透 镜分辨率（也称分辨本领）。由式5-1得：
•
r0
R0 M
即
r0
0.61 n sin
（5-2）
• 对75于°光）学 ，透式镜（，5-当2）n•简si化nα为做：到最大r0 时 （2 n≈1.5，α≈70-
透镜分辨率
• 测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余 分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼 不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环 的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产
•
生的Airy斑半径R0的表达式为：
R0
0.61 n sin
• 1 mv2 eU 即 2
v 2eU （5-5） m
• 式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。
• 将（5-5）式和（5-4）式整理得：
• •
h
2emU
（5-6）
不同加速电压下的电子波波长
• 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm
20
0.00859 120
有效放大倍数
• 上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。 半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波 长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm。
• 一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最大 分辨率大约是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm让人眼能分 辨的放大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍 数。光学显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是 1000倍。
静电透镜
• 当电子在电场中运动，由 于电场力的作用，电子会 发生折射。我们将两个同 轴圆筒带上不同电荷（处 于不同电位），两个圆筒 之间形成一系列弧形等电 位面族，散射的电子在圆 筒内运动时受电场力作用 在等电位面处发生折射并 会聚于一点（图5-2）。 这样就构成了一个最简单 的静电透镜。透射电子显 微镜中的电子枪就是一个 静电透镜。
静电透镜原理图
电磁透镜
• 电子在磁场中运动，当电子运动 方向与磁感应强度方向不平行时， 将产生一个与运动方向垂直的力 （洛仑兹力）使电子运动方向发 生偏转。
• 图5-3是一个电磁线圈。当电子沿 线圈轴线运动时，电子运动方向 与磁感应强度方向一致，电子不 受力，以直线运动通过线圈；当 电子运动偏离轴线时，电子受磁 场力的作用，运动方向发生偏转， 最后会聚在轴线上的一点。电子 运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。
电子波长
• 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动
的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这
一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电
• •
子式运中动，的h为速普度郎和克质常量数，：即h=6.626mh×v10（-354-J4.）s；
m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速
电压U之间存在如下关系：
0.00334
40
0.00601 160
0.00285
60
ห้องสมุดไป่ตู้
0.00487 200
0.00251
80
0.00418 500
0.00142
100
0.00371 1000
0.00087
电磁透镜
• 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会 聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场 则可以让电子束折射，从而产生电子束的 会聚与发散，达到成像的目的。人们把用 静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把 电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之 “电磁透镜”。