透射电镜的成像特点及应用
透射电镜的应用
透射电镜在材料分析上的应用1概述透射电子显微镜（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。
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。
2应用特点通过TEM中的荧光屏，我们可以直接几乎瞬时观察到样品的图像或衍射花样。
我们可以一边观察，一边改变样品的位置及方向，从而找到我们感兴趣的区域和方向。
在得到所需图像后，可以利用相机照相的方法把图像记录下来。
现在新一代TEM也有的装备了数字记录系统，可以将图像直接记录到计算机中去，这样可以大大提高工作效率。
3．应用3 TEM的主要功能对于材料科学的研究而言，TEM已经成为了一种不可或缺的研究工具，以至于在今天，已经很难想象没有TEM的帮助，我们如何深入开展材料科学的研究工作。
下面我简单地列举TEM在材料科学研究中的6个常见用途。
(a)利用质厚衬度(又称吸收衬度)像，对样品进行一般形貌观察；(b)利用电子衍射、微区电子衍射、会聚束电子衍射物等技术对样品进行物相分析，从而确定材料的物相、晶系，甚至空间群；(c)利用高分辨电子显微术可以直接“看”到晶体中原子或原子团在特定方向上的结构投影这一特点，确定晶体结构，大于100nm物体用低压、低分辨电镜即可观察。
透射电镜(TEM)讲义
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TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
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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。
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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。
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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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透射电镜的成像原理及应用
透射电镜的成像原理及应用1. 引言透射电镜是一种使用电子束来成像的仪器。
它的原理是利用电子束通过样品的透射来形成图像，并通过对电子束的探测和处理来获得样品的详细信息。
透射电镜在材料科学、生物学和物理学等领域中有广泛的应用。
2. 成像原理透射电镜的成像原理基于电子的波粒二象性，即电子既具备粒子特性又具备波动特性。
在透射电镜中，电子从电子枪中发射出来，经过加速和聚焦，形成一束射线。
这束射线通过样品后，与样品中原子和电子相互作用，发生散射和透射现象。
电子的散射会导致图像的模糊和失真，因此透射电镜通常使用薄样品来减小散射效应。
在样品的背面或透射电镜的显微镜中，放置有一个焦平面衍射器。
这个衍射器可以将透射电子的波动性转化为干涉和衍射现象，从而产生有关样品的结构信息。
这些信息通过探测器进行收集，然后通过图像处理算法生成成像结果。
3. 应用领域透射电镜在材料科学、生物学和物理学等领域有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：3.1 材料科学透射电镜在材料科学中的应用主要用于研究材料的微观结构和性能。
通过透射电镜，可以观察和分析材料中的晶体结构、晶界、缺陷和纳米结构等。
这些信息对于材料的设计、开发和性能优化非常重要。
3.2 生物学透射电镜在生物学中的应用主要用于研究生物样品的内部结构和功能。
通过透射电镜，可以观察和分析细胞器、蛋白质和核酸等生物分子的结构。
透射电镜还可以用于研究病原体、病毒和细菌等微生物的形态和生命周期。
3.3 物理学透射电镜在物理学领域中的应用涵盖了多个子领域。
在凝聚态物理学中，透射电镜可用于研究材料的电子结构、能带和费米面等特性。
在量子力学领域，透射电镜可用于研究电子的量子行为，如量子隧穿、波函数干涉和波粒二象性等。
3.4 其他领域透射电镜还在化学、地球科学和纳米技术等领域中有应用。
在化学中，透射电镜可用于研究化学反应的过程和产物。
在地球科学中，透射电镜可用于分析地质样品的矿物组成和结构。
透射电镜成像分析
萃取复型和粉末样品
• 萃取复型最常见的两种是： • 碳萃取复型 • 火棉胶-碳二次萃取复型
3.4.2 质厚衬度原理
质厚衬度的前提：
非晶体试样中原子对入射电子的散射 和电镜小孔径角成像（依靠衬度光阑）
试样各部分对电子束散射本领的不同， 经衬度光阑的作用后，在荧光屏上产生了 放大的强度不一的像。
3.4.2 质厚衬 度原理
光最终减薄
3.4.1 薄膜样品的制备
材料
溶液配方
备注
铁和钢 铁和钢
30%HNO3+15%HCl+10% 热溶液 HF+45%H2O
33%H3PO4+40%H2O2
60C
铁和钢 35%HNO3+65%H2O
热溶液
3.4.1 薄膜样品的制备
• 非金属薄膜样品的制备：
• 复型：将试样表面组织浮雕复制到一种
• 若以未发生强烈衍射的A晶粒亮度IA作为 图像的背景强度I，则B晶粒的像衬度为：
•
（I/I）=（IA-IB）/I0 Ihkl /I0
• 让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡
掉得到图像衬度的方法-明场像（BF）
3.4.3 衍衬成像原理
• 若将光阑孔套住hkl而把透射束 挡掉，就可以得到---暗场像 （DF）
• 当电子束穿过晶体薄膜时，严格满足布拉格 条件的晶面产生强衍射束，不严格满足布拉 格条件的晶面产生弱衍射束，不满足布拉格 条件的晶面不产生衍射束。
3.4.3 衍衬成像原理
• 假设薄膜只有两颗位向不同的
入射束I0
晶粒A和B
• 在入射电子束的照射下，B晶 样品 粒的某（hkl）晶面组恰好与入 物镜
B
•
IAI0 因为与B晶粒不同位向的A晶
《透射电镜成像分析》课件
人工智能与图像解析
总结词
透射电镜结合人工智能技术进行图像解析是 未来的发展趋势，能够提高图像解析的准确 性和效率，为科学研究提供更可靠的数据支 持。
详细描述
透射电镜获取的图像数据量庞大，人工解析 效率低下且容易出错。结合人工智能技术进 行图像解析可以提高准确性和效率，为科学 研究提供更可靠的数据支持。同时，人工智 能技术还可以用于图像识别、模式匹配等方 面，有助于科学家们更好地理解和分析透射 电镜的图像数据。
基于一系列连续的二维图像，通过图像配准和三维插值等技术， 重建出物体的三维结构。
投影与表面重建
通过透射电镜的投影数据，利用表面重建算法，得到物体的表面几 何形态。
立体视觉与深度恢复
利用双目或多目视觉原理，恢复出物体的深度信息，实现三维场景 的重建。
图像数据库与信息管理技术
图像数据存储
采用高效的数据存储方式，如分布式存储或云存储， 确保大量图像数据的可靠存储。
06
透射电镜的未来发展与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
高分辨成像技术
总结词
透射电镜的高分辨成像技术是未来发展的重要方向，能够揭示更细微的结构和分子排列，为科学研究提供更深入 的观察和分析。
详细描述
随着材料科学、生物学等领域的不断发展，对高分辨成像技术的需求越来越迫切。透射电镜的高分辨成像技术能 够捕捉到更细微的结构和分子排列，为科学家们提供更深入的观察和分析，有助于揭示物质内部的奥秘和规律。
数据索引与检索
建立图像数据的索引机制，提供快速的图像检索功能 ，便于用户快速查找所需数据。
数据安全与隐私保护
采用加密和安全传输等技术，确保图像数据的安全性 和隐私保护。
透射电镜技术及其应用
2．真空系统 真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀
门、真空测量仪奉及真空管道组成。它的 作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至 少要在10-4 pa以上。如果真空度低的话， 电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影 响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电 离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯 丝，污染样品。
透射电镜技术及其应用
(4)图像观察与记录系统 该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组 成．在分析电镜中，还有探测器和电子能 量分析等附件（见下页示意图）。
透射电镜技术及其应用
扫描发生仪
电子束
显象管 和X-Y 记录仪
扫描线圈
数据 处理
放大器
能量选择光阑
入射光阑
探测器
电子能量 分析仪
分析电镜图像观透射察电与镜技记术录及其系应统用 结构示意图
透射电镜技术及其应用
粉体TEM
透射电镜技术及其应用
薄膜样品的制备
薄膜制备的基本要求：
首先薄膜应对电子束"透明"，制得的薄膜应 当保持与大块样品相同的组织结构。
其次簿膜得到的图像应当便于分析，所以即 使在高压电子显微镜中也不宜采用太厚的样品， 减薄过程做到尽可能的均匀．薄膜g应具有适当的 强度和刚性 。
透射电镜技术及其应用
透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能够以原子 尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析 所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术 的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合 起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，得 到全面的信息。
透射电镜技术及其应用
1938年，德国工程师 Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界 上第一台透射电子显 微镜(TEM)。
透射电镜(TEM)
应用及特点
一：应用：透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物 体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更 薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得 很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。 对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。图为超薄切片的制备
显微镜原理对比图
应用举例
1.元素分布分析 利用微束技术对在光学显微镜下所选区域进行扫描分析，可 获得元素的分布图（线分布、面分布、深度分布和断层）， 来比较研究元素的区域（或相）分布特征。这类分析称为元 素分布分析。
合金元素在γ和γ’中的分布
应用举例
2.微观形貌观察
镍基高温合金蠕变后的位错形貌
应用举例
JEM2010－透射电子显微镜
原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
1.吸收像：当电子射到质量、密密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品 上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透 射电子显微镜都是基于这种原理 2.衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体 各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同， 从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 3.相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略， 成像来自于相位的变化。
TEM组件
电子枪：发射电子，由阴极、栅极、阳极
组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔 形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜， 起到对电子束加速、加压的作用。 聚光镜：将电子束聚集，可用于控制照明强 度和孔径角。 样品室：放置待观察的样品，并装有倾转 台，用以改变试样的角度，还有装配加热、 冷却等设备。 物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是 放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分 辨能力和成像质量的关键。 中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电 子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流， 可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。 透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间 像后在荧光屏上成像。 此外还有二级真空 泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影 像
透射电镜的基本功能
透射电镜的基本功能透射电镜是一种非常重要的电子显微镜，广泛应用于材料科学、生物学和化学等领域。
它可以通过控制电子束的路径和能量，产生高分辨率的影像，从而帮助我们研究物质的微观结构和性质。
本文将介绍透射电镜的基本功能，包括成像、衍射和能谱分析等方面。
一、透射电镜的成像功能透射电镜的主要功能是成像，它可以产生高分辨率的样品图像，从而帮助我们观察和研究样品的微观结构和形态。
透射电镜的成像原理是利用电子束与样品相互作用的效应，通过收集和处理电子束的散射和透射信号，生成图像。
透射电镜的成像原理可以用透射电子显微镜的简化模型来说明。
透射电子显微镜由电子枪、透射样品和投影屏三部分组成。
电子枪产生高能的电子束，经过准直器和聚焦器的调节，使电子束聚焦到样品表面。
样品对电子束的散射和透射会产生不同的信号，这些信号通过投影屏被收集和记录。
透射电镜的成像分为两种模式：直接成像和倒置成像。
在直接成像模式下，样品图像与样品本身的方向一致。
在倒置成像模式下，样品图像与样品本身的方向相反。
这是因为在透射电镜中，电子束与样品的相互作用是非常复杂的，包括电子的散射、透射和吸收等过程，从而导致图像的倒置。
透射电镜的成像分辨率取决于电子束的能量和样品的性质。
一般来说，电子束的能量越高，成像分辨率越高。
但是，高能电子束也会引起样品的损伤和辐射损伤，因此需要适当调节电子束的能量和强度。
此外，样品的结构和厚度也会影响成像分辨率，因为电子束在样品中的传播和散射会受到样品的影响。
二、透射电镜的衍射功能透射电镜的衍射功能是指利用电子束与样品相互作用的效应，产生衍射信号，从而研究样品的晶体结构和晶格参数。
透射电镜的衍射原理与X射线衍射类似，都是利用波粒二象性和布拉格定律来解释。
透射电镜的衍射模式包括电子衍射和选区电子衍射两种。
其中，电子衍射是指在整个样品上均匀照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定样品的晶体结构和晶格参数。
选区电子衍射是指在样品上选定一个小区域，只在该区域内照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定该区域的晶体结构和晶格参数。
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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。
它可以帮助我们了解地球内部物质的性质、成分和演化过程，研究和分析矿物的晶体结构和物理化学性质。
5. 材料性能研究：透射电镜可以用于研究材料的电子结构、电子行为和热力学
性质等。
它可以帮助我们理解材料的性能、优化材料制备和加工过程，并提供指导材料设计和改良的依据。
总之，透射电镜因其高分辨率、高放大倍率和原子级分辨率等特点，成为研究和观察微观结构的重要工具。
它在材料科学、生物学、纳米技术和地球科学等领域的应用广泛，对于科学研究和技术发展起着重要作用。