10.透射电子显微镜应用分析
透射电子显微镜的特点
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。
透射电子显微镜在材料科学中的应用研究
透射电子显微镜在材料科学中的应用研究透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种非常强大且重要的工具，在材料科学中发挥着重要的作用。
本文将着重探讨TEM的应用研究，以展示其在材料科学领域中的重要意义和潜力。
首先，TEM可以提供高分辨率的图像，由于其采用了电子束替代了传统光学显微镜中的光线束，因此具有比传统光学显微镜更高的分辨率。
这使得TEM能够在原子尺寸的范围内观察和研究材料的微观结构和组成。
通过TEM，可以看到材料中的晶体缺陷、晶界、原子排列以及纳米颗粒的形态和分布等信息，从而为研究者提供更全面的材料性能分析。
其次，TEM还可以用于分析材料的化学成分。
通过透射电子显微镜的能谱分析功能，可以检测材料的元素组成和分布情况。
这对于研究材料中的微量元素、杂质或特定材料结构是非常关键的。
比如，在材料科学中研究合金材料时，通过使用TEM可以准确分析不同元素的分布、堆垛结构以及可能存在的相变现象，从而为合金材料的优化设计和开发提供了有力的支持。
另外，TEM还可以进行纳米材料的研究。
随着纳米科技的快速发展，各种纳米材料的制备和应用也受到了广泛关注。
通过TEM可以实时观察和研究纳米材料的形貌、大小、形态演变等特性。
举个例子，纳米颗粒在不同条件下的自组装过程可以通过TEM实时观察，从而为理解纳米材料的自组装机制和控制纳米结构提供了重要线索。
此外，TEM还可以用于研究材料的力学性能。
通过使用纳米压痕技术，可以将纳米尺度下材料的力学性能直接导入TEM，从而实时观察材料在纳米尺度下的力学行为。
这种研究方法可以为我们提供关于材料变形、断裂、塑性等方面的深入洞察。
综上所述，透射电子显微镜在材料科学中的应用研究具有重要意义。
TEM不仅能够提供高分辨率的图像，观察和研究材料的微观结构和组成，还能对材料的化学成分进行定量分析。
此外，TEM还可以用于纳米材料和力学性能的研究，为我们深入理解材料特性和设计材料性能提供了有力工具。
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。
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析一、透射电子显微镜技术概述透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束穿透样品的高分辨率显微镜技术。
与传统的光学显微镜相比，透射电子显微镜能够提供纳米级别的分辨率，这使得它在生物大分子结构解析领域具有独特的优势。
本文将探讨透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用，分析其原理、技术特点以及在生物科学领域的重要作用。
1.1 透射电子显微镜的基本原理透射电子显微镜的工作原理基于电子光学原理，电子束通过电磁透镜聚焦，穿透样品后，由检测器接收并转换成图像。
由于电子波长远小于可见光，因此TEM能够达到比光学显微镜更高的分辨率。
1.2 透射电子显微镜的技术特点透射电子显微镜具有以下技术特点：- 高分辨率：能够达到原子级别的分辨率，适合观察生物大分子的精细结构。
- 多模式成像：除了传统的透射成像外，还可以进行扫描透射成像（STEM）和电子衍射等。
- 样品制备要求：需要将生物样品制备成极薄的切片，以确保电子束的有效穿透。
- 环境控制：需要在高真空环境下操作，以避免电子束与空气分子的相互作用。
1.3 透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用非常广泛，包括蛋白质、核酸、病毒等生物大分子的形态学研究和结构分析。
二、生物大分子结构解析的技术和方法生物大分子结构解析是一个复杂的过程，涉及多种技术和方法。
透射电子显微镜技术在这一过程中扮演着重要角色，但也需要与其他技术相结合，以获得更全面和准确的结构信息。
2.1 样品制备技术生物大分子的样品制备是结构解析的第一步，也是关键步骤之一。
透射电子显微镜要求样品必须足够薄，通常需要使用超微切割、冷冻断裂或聚焦离子束等技术来制备样品。
2.2 高分辨率成像技术高分辨率成像是获取生物大分子结构信息的基础。
透射电子显微镜通过优化电子束的聚焦、样品的放置和成像条件，可以获得高质量的图像。
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。
透射电镜的结构原理及应用
透射电镜的结构原理及应用1. 介绍透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种基于电子束传输与样品交互作用的高分辨率显微镜。
透射电镜通过在样品上透射的电子束来形成图像，因此可以观察到原子尺度的细节。
本文将介绍透射电镜的结构原理以及其应用领域。
2. 结构原理透射电子显微镜的基本结构由以下几个主要组件组成：2.1 电子源透射电子显微镜使用高速电子束来照射样品。
电子源通常采用热阴极电子枪，通过加热阴极发射高能电子。
电子源生成的电子束必须具有高度的单色性和准直性。
2.2 准直系统准直系统用于控制电子束的方向和准直度，确保电子束可以尽可能准直地照射到样品上。
准直系统通常包括准直光阑和采购透镜。
2.3 束流衰减系统束流衰减系统用于控制电子束的强度，以适应不同的样品特性和实验需求。
束流衰减系统包括限制光阑、透镜和衰减器等组件。
2.4 对焦系统对焦系统用于控制电子束的焦距，以确保电子束能够聚焦在样品表面或其内部的特定区域。
对焦系统包括透镜和聚焦光阑。
2.5 样品台和检测系统样品台是放置样品的平台，通常具有三维移动的能力，以便于调整样品的位置和观察区域。
检测系统用于检测透射电子束与样品交互后的信号，并将其转化为图像。
3. 应用领域透射电子显微镜在各个科学领域中具有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 材料科学透射电子显微镜可以观察和分析材料的微观结构、晶格缺陷、晶体取向等特征。
它被广泛应用于纳米材料、催化剂、半导体器件等领域。
3.2 生物学透射电子显微镜在生物学研究中发挥着重要作用，可以观察和研究生物细胞、组织和病毒等微观结构。
它被用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
3.3 纳米技术透射电子显微镜对于纳米技术的研究和开发非常关键。
它能够观察和控制纳米材料和纳米结构，有助于纳米器件的设计和制造。
3.4 地球科学透射电子显微镜在地质和地球科学中也具有重要的应用价值。
透射电子显微镜系统用途
透射电子显微镜系统用途透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，简称TEM）是现代科学研究中一种重要的工具。
透射电子显微镜利用电子束与材料之间的相互作用过程，可以对材料的微观结构进行研究，具有非常高的空间分辨率和分析能力。
透射电子显微镜系统多用于材料科学、生物学、物理学等领域的研究，在以下几个方面有着广泛的应用。
首先，在材料科学领域，透射电子显微镜可用于研究材料的晶体结构。
材料的微观结构对材料的性能和行为有着重要影响，透射电子显微镜可以通过电子衍射技术获得材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶面取向、位错等。
通过观察材料不同晶面之间的相对位置、原子分布的均匀性以及位错和缺陷的分布情况，可以揭示材料的晶体缺陷机制、相变行为等，为材料设计和优化提供重要的理论依据和指导。
其次，在生物学领域，透射电子显微镜可以用于研究生物样品的细胞结构和超微结构。
由于电子波长比光波短得多，透射电子显微镜可以在非常高的分辨率下观察细胞器、细胞膜、核糖体等细胞结构的细节。
透射电子显微镜还可以通过结合能谱分析技术，对生物样品进行元素分析，获得样品中各元素的分布情况，并进一步研究其与生物活性之间的关联。
此外，透射电子显微镜还可以用于研究纳米材料的结构和性质。
现代纳米材料的研究是材料科学领域的热点之一，透射电子显微镜可以对纳米材料进行直接的成像，并通过纳米尺度的电子衍射获得其晶体结构、晶界、界面等信息。
通过透射电子显微镜对纳米材料进行分析，可以了解纳米尺度下材料的小尺寸效应、表面形貌和晶体结构的变化规律等，为纳米材料的制备和应用提供重要的科学依据。
最后，透射电子显微镜还可以用于研究材料的化学成分和原子分布。
透射电子显微镜可以结合能谱技术，对材料的元素组成进行定量分析。
通过对材料中不同位置的元素分布进行测量和对比分析，可以提供有关材料的化学成分、元素偏析、晶体生长机制等信息。
透射电子显微镜在材料的化学分析领域具有很高的分析能力和探测灵敏度，为材料的研究和开发提供了重要的技术支持。
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本节授课内容 1 透射电镜样品制备 2 透射电子显微像 3 选区电子衍射分析
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1. 透射电子显微镜样品制备
TEM应用的深度和广度一定程度上取决于试样 制备技术。
能否充分发挥电镜的作用，样品的制备是关键， 必须根据不同仪器的要求和试样的特征选择适 当的制备方法。
电子束穿透固体样品的能力，主要取决于电压 V和样品物质的原子序数Z。一般V越高， Z越 低，电子束可以穿透的样品厚度越大。
❖ 是晶体样品衬度的主要来源。 ❖ 样品中各部分满足衍射条件的程度不同引起。衍射
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c.双喷电解减薄法
1.此法是通过电解液对金属样品的腐蚀，达到 减薄目的 。 2.减薄步骤： a.用化学减薄机或机械研磨，制成薄片， 并冲 成3mm直径的圆片，抛光； b.将样品放入减薄仪，接通电源； c.样品穿孔后，光导控制系统会自动切断电源， 并发出警报。此时应关闭电源，马上冲洗样品， 减小腐蚀和污染。
衬度提高，亮度降低。 ❖支持膜法和萃取复型，质厚衬度图像较直观。
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2.1 质厚衬度
I0
I0
试样
A
B
电磁透镜
物镜光阑
IB
IA
B'(IB)
A'(IA)
物镜光阑对质厚衬度的作用
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2.2 衍射衬度
❖ 衍射衬度：衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉 格衍射条件的程度差异以及结构振幅不同而形成电 子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体 试样是不存在的。
相位衬度 ：仅适于很薄的晶体试样(≈100Å)
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2.1 质厚衬度
❖ 质厚衬度（又称吸收衬度）：由于试样的质量和厚 度不同，各部分与入射电子发生相互作用，产生的 吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分 布不同，形成反差，称为质厚衬度。
❖ 是非晶体样品衬度的主要来源，它所反映的，更多 是物体表面特性和形貌特征。
制样步骤：
a.将样品捣碎； b.将粉末投入液体，用超声波振动成悬浮液，液体 可以是水，甘油，酒精等，根据试样粉末性质而定； c.观察时，将悬浮液滴于附有支持膜的铜网上，待 液体挥发后即可观察。
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b.化学减薄法
1.利用化学溶液对物质的溶解作用达到减薄样品的目的。 2.采用硝酸，盐酸，氢氟酸等强酸作为化学减薄液，减薄
透射电子显微镜
--应用分析
河南理工大学 陈泽华
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上节内容回顾
1. 结构原理
电子光学系统；真空系统 ；操作控制系统
2.为何采用电子束而不用自然光？
✓显微镜的分辨率；自然光与电子束的波长 ✓有效放大倍数
由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透射电子显微 镜的放大倍率远大于普通光学显微镜；一般来说，光 学显微镜的最大放大倍率在2000倍左右，而透射电 子显微镜的放大倍率可达百万倍。
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c.双喷电解减薄法
双喷电解减薄法
缺点： 只适用于金属导体，对于不导电的样品无 能为力。
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d.离子减薄法
1.用高能量的氩离子流轰击样品，使其表面原子 不断剥离，达到减薄的目的。
2.主要用于非金属块状样品，如陶瓷，矿物材料 等。
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d.离子减薄法制样步骤
理，防止电荷积累。
优点：易于控制，可以提供大面积的薄区。 缺点：速度慢，减薄一个样品需十几个小时到 几十个小时。
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e. 复型法
a.对物体表面特征进行复制的一种制样方法。 b.目的在于将物体表面的凹凸起伏转换为复型材
料的厚度差异，然后在电镜下观察，设法使这种 差异转换为透射电子显微像的衬度高低。 c.表面显微组织浮雕的复型膜，只能进行形貌观 察和研究，不能研究试样的成分分布和内部结构。 d.同一试块，方法不同，得到复型像和像的强度 分布差别很大，应根据选用的方法正确解释图像。
a.粉末法 b.化学减薄法 c.双喷电解减薄法 d.离子减薄法 e.复型法
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a. 粉末法
1.主要用于原始状态成粉末状的样品，如炭黑，黏土及 溶液中沉淀的微细颗粒，其粒径一般在1μm以下。
2.制样过程中基本不破坏样品，除对样品结构进行观察 外，还可对其形状，聚集状态及粒度分布进行研究。
a. 将样品手工或机械打磨到30~50μm。 b. 用环氧树脂将铜网粘在样品上，用镊子将大
于铜网四周的样品切掉。 c. 将样品放减薄器中减薄，减薄时工作电压为
5kV，电流为0.1mA，样品倾角为15° d. 样品穿孔后，孔洞周围的厚度可满足电镜对
样品的观察需要。 e. 非金属导电性差，观察前对样品进行喷碳处
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1.1制样要求：
a.对于TEM常用的50～200kV电子束，样品厚度控 制在100～200nm，样品经铜网承载，装入样品台， 放入样品室进行观察。 b.制样过程要防止污染和改变样品的性质， 如机械损 伤或热损伤等； c.根据观察的目的和样品的性质，确定制样方法。
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1.2 制样方法
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2. 透射电子显微像
❖ 透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强度分 布的记录，由于电子与物质相互作用，透射强度 会不均匀分布，这种现象称为衬度，所得的像称 为衬度像。
❖ 透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射。 可分为：
振幅衬度
质厚衬度 ：非晶样品衬度的主要来源 衍射衬度 ：晶体样品衬度的主要来源
❖ 是样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的。 ❖ 来源于电子的非相干散射，Z越高，产生散射的比
例越大；d增加，将发生更多的散射。
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2.1 质厚衬度
❖质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的影响。 ❖选择大孔径（较多散射电子参与成像），图
像亮度增加，散射与非散射区域间衬度降低。 ❖选择低电压（较多电子散射到光阑孔径外），
速度相当快。
制样步骤： a.将样品切片，边缘涂以耐酸漆，防止边缘因溶解 较快而使薄片面积变小； b.薄片洗涤，去除油污，洗涤液可为酒精，丙酮等； c.将样品悬浮在化学减薄液中减薄； d.检查样品厚度，旋转样品角度，进行多次减薄直 至达到理想厚度，清洗。
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b.化学减薄法
化学减薄法的缺点： 1.减薄液与样品反应，会发热甚至冒烟； 2.减薄速度难以控制； 3.不适于溶解度相差较大的混合物样品。