透射电子显微镜的特点
扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)
二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
扫描电子显微镜（SEM）
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扫描电镜的优点：有较高的放大倍数，20-200000倍之间连续可调；有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；试样制备简单，目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析（即SEM-EDS），因此它是当今十分重要的科学研究仪器之一。
扫描电子显微镜（SEM）工作原理
透射电子显微镜（TEM）：
透射电子显微镜可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。
扫描电子显微镜下，细胞（粉色、蓝色）上培养出来的新冠病毒（黄色）
学习感悟：生命科学的发展离不开技术，显微镜的发明推动了生命科学的发展。要观察病毒就需要特殊的显微镜。
扫描电子显微镜（SEM）：
扫描电子显微镜是1965年发明的主要用于细胞生物学研究电子显微镜，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子。
透射电镜的成像特点及应用
透射电镜的成像特点及应用透射电镜是一种能够通过物质内部的电子束传输信息的仪器。
它利用电磁透镜来聚焦电子束，将其投射到待观察样品上，然后通过收集样品透射的电子来形成图像。
透射电镜的成像特点及其应用如下：1. 高分辨率：透射电镜的分辨率通常可以达到亚埃（10-4毫米）甚至更高水平。
与光学显微镜相比，透射电镜可以显示出更细小的细节，使得我们能够观察到更微观的组织结构和物质的粒子。
2. 高放大倍率：由于透射电镜的高分辨率，它能够实现非常高的放大倍率，通常可以达到100万倍以上。
这使得我们能够更深入地研究和观察样品的微观结构和形态。
3. 内部结构观察：透射电镜可以穿透物质的表面，观察并分析样品内部的结构。
这种能力对于研究材料科学、生物学和纳米技术等领域非常重要，因为只有透过表面，我们才能真正观察到物质的内部组织和结构。
4. 原子级分辨率：透射电镜能够提供原子级甚至亚原子级的分辨率，使得我们能够观察到原子之间的相互作用、晶格缺陷以及纳米材料等微观结构。
这对于研究物质性质、材料物理和材料化学具有重要意义。
5. 惰性观察：透射电镜可以在真空或惰性气体环境中工作，从而避免了电子束与空气中的气体分子发生相互作用，保持样品的原始性质。
这对于观察和研究空气中不稳定的物质或易受氧化的物质非常重要。
透射电镜的应用范围非常广泛，以下是一些典型的应用领域：1. 材料科学：透射电镜可以观察和研究材料的晶体结构、相互作用和缺陷等特性。
它在材料科学领域的应用包括纳米材料研究、金属合金的结构分析、材料的电子结构分析等。
2. 生物学：透射电镜在生物学研究中广泛用于观察和分析生物细胞、组织和病毒等的结构和形态。
它可以帮助我们研究细胞的超微结构、蛋白质的空间结构、细胞分裂过程等。
3. 纳米技术：透射电镜对于纳米技术的研究和应用至关重要。
它可以观察和研究纳米材料的结构、性质和相互作用，从而帮助我们设计和制造具有特殊性能的纳米材料和纳米器件。
4. 矿物学和地球科学：透射电镜在矿物学和地球科学中有着广泛的应用。
透射电子显微镜--原理
• • • • Brightness Lifetime Pressure (vacuum) = related to the price Maintenance
Zhengmin Li
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各种电子枪的比较
Brightness (Candela)
Life time 40hr >2000Hr >7000Hr
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物镜极靴
（OL Polepiece）
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真空系统
电子显微镜镜筒必须具有很高的真空度,这是因 为:若电子枪中存在气体,会产生气体电离和放 电,炽热的阴极灯丝受到氧化或腐蚀而烧断;高 速电子受到气体分子的随机散射而降低成像衬 度以及污染样品。一般电子显微镜镜筒的真空 要求在10-4~10-6 Torr。真空系统就是用来把镜 筒中的气体抽掉,它由二级真空泵组成,前级为 机械泵,将镜筒预抽至10-3 Torr,第二级为油扩散 泵,将镜筒抽空至10-4~10-6 Torr的真空度后,电镜 才可以开始工作。
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德国EM-902
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日本电子株式会社 (JEOL) JEM-1230
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Philips EM400T
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Philips TECNAI-20
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TEM 的基本工作原理
电子枪产生的电子束经1~2级聚 光镜会聚后均匀照射到试样上的 某一待观察微小区域上,入射电 子与试样物质相互作用,由于试 样很薄,绝大部分电子穿透试样, 其强度分布与所观察试样区的形 貌、组织、结构一一对应。 在观察图形的荧光屏上,透射出 试样的放大投影像,荧光屏把电 子强度分布转变为人眼可见的光 强分布,于是在荧光屏上显出与 试样形貌、组织、结构相对应的 图像。
透射电子显微镜的应用
透射电子显微镜的应用透射电子显微镜具有分辨率高、可与其他技术联用的优点，在材料学、物理、化学和生物学等领域有着广泛地应用。
1、材料的微观结构对材料的力学、光学、电学等物理化学性质起着决定性作用。
透射电镜作为材料表征的重要手段，不仅可以用衍射模式来研究晶体的结构，还可以在成像模式下得到实空间的高分辨像，即对材料中的原子进行直接成像，直接观察材料的微观结构。
电子显微技术对于新材料的发现也起到了巨大的推动作用，D.Shechtman借助透射电镜发现了准晶，重新定义了晶体，丰富了材料学、晶体学、凝聚态物理学的内涵，D.Shechtman也因此获得了2011年诺贝尔化学奖。
2、在物理学领域电子全息术能够同时提供电子波的振幅和相位信息，从而使这种先进的显微分析方法在磁场和电场分布等与相位密切相关的研究上得到广泛应用。
目前，电子全息已经应用在测量半导体多层薄膜结构器件的电场分布、磁性材料内部的磁畴分布等方面。
中国科学院物理研究所的张喆和朱涛等利用高分辨电子显微术和电子全息方法研究了Co基磁性隧道结退火热处理前后的微观结构和相应势垒层结构的变化，研究结果表明，退火处理可以明显地改善势垒层和顶电极、底电极之间的界面质量，改进势垒本身的结构。
3、在化学领域原位透射电镜因其超高的空间分辨率为原位观察气相、液相化学反应提供了一种重要的方法。
利用原位透射电子显微镜进一步理解化学反应的机理和纳米材料的转变过程，以期望从化学反应的本质理解、调控和设计材料的合成。
目前，原位电子显微技术已在材料合成、化学催化、能源应用和生命科学领域发挥着重要作用。
透射电镜可以在极高的放大倍数下直接观察纳米颗粒的形貌和结构，是纳米材料常用的表征手段之一。
天津大学的杜希文和美国Brookhaven国家实验室的HoulinL.xin等用原位透射电镜观察了CoNi双金属纳米粒子在氧化过程中形貌的变化，充分混合的Co、Ni 合金粒子经过氧化后，Co和Ni发生了空间上的部分分离，并在理论上对该现象进行了解释。
光学显微镜、SEM、TEM的比较
光学显微镜、TEM、SEM成像原理比较（一）、透射电子显微镜1、基本原理在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（submicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。
要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。
目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜（图2-12）与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。
这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。
电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。
表2-2不同光源的波长名称可见光紫外光X射线α射线电子束0.1Kv10Kv波长（nm）390~76013~3900.05~130.005~10.1230.0122扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）于20世纪60年代问世，用来观察标本的表面结构。
其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。
图像为立体形象，反映了标本的表面结构。
为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
TEM电子透射电镜
TEM电子透射电镜TEM的优点有以下几个:1(信息采集范围小。
这是TEM最大的一个优点。
TEM的实验区域可以极其微小，可以直接在极微小区域内取得数据。
现在最先进的TEM已经可以对小于0.1纳米的区域进行拍照和分析。
在各种科学仪器中，只有扫描探针显微镜能达到这样的分析尺度。
但是二者不能相互替代，扫描探针显微镜研究范围只局限于表面，TEM 得到的信息来自样品的三维结构。
但是这种微小的分析尺度有时候也会带来局限性，下面会谈到。
2(工作模式多样。
透射电子显微镜(Transmission electron microscope，TEM)不仅仅具有通常显微镜的放大作用。
它还可以作为一台电子衍射仪提供样品的结构信息。
配合各种信号探测器，它又能对样品做化学成分或者磁、电性能的分析。
并且这些功能之间的转换非常方便，甚至可以同时进行。
TEM的缺点主要在以下几个方面:1(破坏性样品制备。
TEM需要很薄的样品使电子束能够穿过。
对于大多数材料，要求在微米以下。
这显然远远低于通常块体材料的厚度，所以需要认为地把样品减薄。
这实际上是个对材料的破坏过程。
这个过程有可能使样品发生变化，以致最终看到的并非材料原先的性质，而是制样过程引入的假象。
2(电子束轰击。
TEM中使用高能电子束照射样品，电子能量在105,106eV量级，并且束流密度很高。
换句话说就是在实验过程中大量高能量电子被持续地倾泻到样品上。
大部分电子会毫无遮挡地穿过样品，其余的电子会和样品里的原子发生碰撞，并且可能在碰撞时向原子传递能量。
样品吸收能量后可能出现多种变化，比如温度升高，原子电离，原子移动，等等。
而这些变化又可能引发更多相关变化，比如相变，缺陷移动，结构崩塌，原子迁移，等等。
某些情况下，研究人员会有意识地利用轰击作用研究材料的变化情况，但是多数情况下这种作用是不利的。
3(真空环境。
TEM实验需要在真空环境里进行，至少目前还是这样。
这种环境可能会对材料的性质或结构有影响，尤其是做表面研究的时候。
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
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透射电子显微镜的特点
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种高分辨率电子显微镜，在物理、化学、生物等领域都有广泛的应用。
透射电子显微镜利用电子的波动特性，利用电子束通过样品，在透射过程中记录样品的电子衍射和散射模式，得到高分辨率的样品图像。
其特点包括：
1. 高分辨率
透射电子显微镜可实现很高的空间分辨率，通常达到亚纳米级别。
这是由于电
子波长比光波短，使得电子束可以穿透样品并记录样品内部结构信息。
因此，需要精密的光学和机械系统来保证样品的正确对准和定位，以及记录每个样品点的细节。
2. 高对比度
透射电子显微镜能够提供高对比度的显微图像。
这是由于电子束与样品相互作
用时所引起的散射和吸收现象。
正常的显微镜样品会因光线的穿透和散射使其显示模糊，而透射电子显微镜中的电子束经过样品后能够记录下有效的专门信息，使得样品结构更加突出且对比度更高。
3. 高灵敏性
透射电子显微镜具有极高的灵敏性，可以检测到样品中非常小的差异，如晶体
缺陷、异形和缩影。
这是由于电子束可以穿透材料，记录材料的微观结构和性质，使得其较其他类型的显微镜对于一些难以察看的样品有更好的观测效果。
4. 多样化的应用
透射电子显微镜可以应用于多种不同的研究领域，如材料科学、纳米技术、生
物学、化学和地学等。
例如，透射电子显微镜可以用于分析材料的晶体结构和组成、比较化学反应和动力学的过程、研究生物分子的结构和功能等等。
总的来说，透射电子显微镜具有高分辨率、高对比度、高灵敏性和多样化的应
用特性，可以为科学研究、工业生产和人类健康等领域提供高质量的数据和知识价值。