第5章_透射电子显微镜技术TEM

电源系统
图32 300kv高分辨透射电镜
52
5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
由电子枪和聚光镜
共同组成，其作用 是提供高能量、小
直径的透射电子束
用以后续成像。
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5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
54
5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
电子枪有热发射和
场发射两种。所用 材料有钨和六硼化 镧两种。场发射电 子枪利用外加电场 实现针尖电子逸出 ，更易获得高质量 的聚集电子束。 图33 场发射电子枪示意图
57
5.4.1 透射电镜的结构组成
（3）观察记录系统
由电子成像系统形成
的电子图像通过荧光 屏或照相系统进行观
察记录。通过观察窗
口可直接观察荧光屏 上的图像。
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5.4.1 透射电镜的结构组成
（4）真空系统
避免空气分子与高速运动电子发生碰撞；
避免电子枪发生高压放电现象； 高真空有利于延长电子枪灯丝使用寿命；
根据德布罗意波粒二相性理论，电子波波长公式如下：

h eV 2em 0 V(1 ) 2 反射电子 2m 0c 12.25 V(1 0.9788 10 V)
6
(4)

(5)
其中， 为电子波波长， h 为普朗克常数， e 为电子电荷，
m0 为电子静止质量， V 为加速电压， c 为光速。
高能电子束的特点：
点击链接观看动画
高能量（40 kev); 直径小（5-10nm）。
反射电子 二次电子
/cl ass_clcsjs/EveDjPlay.asp?dj_id= 866
图22 高能电子束的产生过程
36
5.3.1 透射电子束的形成
Resolution 0.10nm 100 to 300 kV ×200～150,0000 Single crystal LaB6
Accelerating Voltage
Magnification Electron gun
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5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
HF-3300 300 kV FE TEM
反射电子
光源经透镜成像后
也只能得到明暗相 间的埃利斑。
图25 光的衍射和光学透镜的分辨本领
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5.3.3 透射电镜的分辨率
由于光是一种电磁
波，利用透镜成像
过程存在衍射现象 ，即便是理想的点
反射电子
光源经透镜成像后
也只能得到明暗相 间的埃利斑。
图25 光的衍射和光学透镜的分辨本领
40
5.3.3 透射电镜的分辨率
下钨丝可逸出自由电子。
图18 电子枪产生电子束过程
31
5.3.1 透射电子束的形成
然而，所产生的自由逸出
点击链接观看动画
电子难以满足透射成像需 要，需解决两个问题：如
反射电子 二次电子 何进一步提高能量；如何
.c n/class_clcsjs/EveDjPlay.asp ?dj_id=865
反射电子
电场加速基础上通过磁透 镜进一步使电子束聚焦。
二次电子
图20 磁透镜结构示意图
34
5.3.1 透射电子束的形成
（2）磁透镜聚焦
磁透镜是电镜成像的 重要元件，其实质是
反射电子 轴向对称的磁场。依 二次电子
据洛伦磁力作用改变 运动电子的运动轨迹
进而实现聚焦。
图21 磁透镜聚焦过程示意图
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5.3.1 透射电子束的形成
Resolution
Accelerating Voltage 0.10nm (lattice) 0.19nm (point) 300 kV
Magnification
Electron gun
×200～150,0000
Cold field emission electron source
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5.4.3 透射电镜的主要性能参数
由（1）和（2）得分辨率公式：
R 0 0.61 r0 (3) M n sin反射电子 2
上式表明：光学显微镜的分辨率与光波波长有关，波长越长，
分辨率越小。可见光波长在3900-7600埃之间，所以光学显微
镜的极限分辨率为2000埃（0.2 um)。
42
5.3.3 透射电镜的分辨率
成严重干扰。
污染区域
71
5.5.2 样品的制备方法
（1）支持膜法
将塑料、碳或 塑料/碳复
合型支持膜覆盖于金属铜 网表面，然后将颗粒状样
相邻两像点A’和B‘得以分辨的条件是：
R0 M r0 (1) 0.61 反射电子 R0 = M (2) n sin
其中，R0 为埃利斑半径，M 为放大倍率， r0 为相邻物点间距
， 为光波波长， n 为透镜物方介质折射率， 为透镜孔径 半角，属于透镜的结构参数。
41
5.3.3 透射电镜的分辨率
5.5.1 样品的基本要求
（3）具有足够强度 入射电子束（强）
样品须具备必要的抗电子
损伤能力，由于电子束能 量很强，软质样品如有机
物等易于造成局部区域损
伤，导致微区结构破坏。
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5.5.1 样品的基本要求
（4）样品应保持清洁 入射电子束（强）
避免含有污染成分，否则
在高放大倍率下，微小的 污染物也会对图像结果造
60
5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
/products/electron-microscopes-and-focused-ionbeam/transmission-electron-microscopes.
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5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
晶样品。
图29 散射衬度形成示意图
49
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
入射电子 反射电子 入射电子
（2）衍射衬度原理：
当入射电子通过厚度均
匀的结晶型样品，局部 区域由于晶面发生布拉
格衍射，导致该区域的
反射电子强，相应透射 电子信息弱，最终形成
透射电子信息弱 透射电子信息强
明暗差异。
图30 衍射衬度形成示意图
高放大倍率。
图27 透射电镜多级放大示意图
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5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
所谓衬度，是指图像各部
位明暗的区别程度。透射
电镜图像的衬度主要包括 散射衬度、衍射衬度。
图28 PP/TiO2-g-PS纳米复合 材料的TEM图
48
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
（1）散射衬度原理： 样品各部位厚度或元素 组成不同，导致入射电 子的散射程度不同，使 各部位透射电子密度不 同，最终造成明暗差异 。该衬度原理适用于非
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5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
CrNi/TiC位错形貌
有序介孔氧化硅
图31 透射电镜衬度实例
51
5.4 透射电镜的结构组成
5.4.1 透射电镜的结构组成
电子照明系统
电子光学系统
真空系统 观察记录系统
观察记录系统
基本结构组成： 电子照明系统 电子光学系统 观察记录系统 真空系统 电源系统
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5.3.3 透射电镜的分辨率
加速电压 /kV 20 30 50 100 电子波长/埃 0.0859 0.0698 0.0536 0.0370 根据（4）式可知： 电
子波波长与加速电压平
方根成反比，加速电压 越高，波长越短，分辨
率将越高。当加速电压
为100 kV，电子波波长 约为0.037埃， 根据半 波长理论，极限分辨率 可达0.20-0.30 nm。
在高温及电场的作用 下逸出自由电子，进 一步通过电场加速和
反射电子
磁透镜聚焦，使电子 二次电子
束获得高能量和小直 径，最终形成高能电
子束。
图23 利用电子枪形成高能电子束的过程
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5.3.2 透射电镜的成像过程
由电子枪发射的自
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由电子经电场加速 、两级磁透镜聚焦
反射电子
后穿透样品，形成 透射电子束，经三 级磁透镜放大后最
H7650 120kV Automatic TEM
Resolution Accelerating Voltage Magnification
0.20nm (lattice) 0.36nm (particle)
40 to 120 kV ×200～60,0000
Auto-stigmator +/- 2um at x20,000
其中，f为透镜的焦距，p为物距，q为像距，V为加速电压，
NI为透镜线包的安匝数，R为线包的半径，A为结构常数。
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5.3.4 透射电镜的放大倍率
依据（8）式可知： 磁透 镜的焦距f与励磁电流 I2 成反比，因此，当励磁电 流稍有改变即可使焦距大
幅度变化。透射电镜通过
调节物镜、中间镜及投影 镜的励磁电流，最终实现
避免样品表面被污染。
普通透射电镜需要真空度达1.33×（10-2～10-3）
Pa，高压透射电镜所需真空度要求更高。
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5.4.1 透射电镜的结构组成
（5）各类电源系统
电子枪所需的高压电源系统；
磁透镜励磁电流所需的电源； 真空系统工作所需的电源；
安全保护系统所需的电源；
其他各类操作电源；
1mm， 厚度须足够薄，通 样 品 太 厚 透射电子束（弱） 常100-200nm为宜。 过厚
的样品将导致电子束无法
穿透样品。
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5.5.1 样品的基本要求
挥发性物质 （2）避免含挥发性物质
样品内部必须充分去除挥