第二章 透射电子显微镜
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第二章 透射电子显微镜 (TEM)
常见的衍射花样有以下几种类型：
① 非晶物质的花样：由数个弥散的同心圆环组成，环位 置和强度与原子周围的环境有关。
② 多晶物质的花样： 明锐的同心圆环组成，环半径及其 强度与晶体的结构有确定的关系。
③ 单晶花样：是平行四边形排列的二维点阵，斑点位置、 强度和排列的对称性与晶体结构有明确的定量关系。
θ
Fig6 Intracrystalline organic matrix
b a
c
Fig7.TEM image of cross-section column crystal in prismatic layer a. intracystal electron diffract stigma b.amorphous electron diffraction ring of intergranuler boundary
Fig3 decalciication organic framework of nacreous layer.
b a
c
Fig5.a. Non-decalcification zone b. Transition zone(Sub-structure of organic net) c. All- decalcification zoneห้องสมุดไป่ตู้
后焦平面 (衍射图)
A A1 A0 A2
物平面
B
B1 B0 B2
物镜
物镜光栏
像平面
B’
A’
图2-10 质厚衬度像成像原理
❖ 2>. 衍射衬度
入射电子同晶体 样品作用时，发 生布拉格散射,电 子只改变运动方 向，而不损失能 量，这种弹性散 射其强度与入射 电子方向和晶体 之间的相对取向 密切相关。
电子显微镜第二章透射电子显微镜的主要结构与成像
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阴极 栅极 阳极 聚光镜
试样室 物镜 中间镜 投影镜 观察屏
照相机
计算机 7
照明系统
阴极（接负高压） 控制极（比阴极 负100~1000伏）
阳极 电子束
聚光镜
试样
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8
1.电子枪
阴极 栅极 帽
阳极i0Biblioteka AT2 expb T 完整版课件ppt
9
(a)自偏压回路 (b完)电整版子课件枪ppt 内的等电位面
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31
2. 放大倍数测定 透射电子显微镜的放大倍数随样品平面高度、加 速电压、透镜电流而变化。为了保持仪器放大倍 数的精度，必须定期进行标定。
最常用的方法是用衍射光栅复型作为标样，在一 定的条件（加速电压、透镜电流等）下，拍摄标 样的放大象。然后从底片上测量光栅条纹象的平 均间距，与实际光栅条纹间距之比即为仪器相应 条件下的放大倍数。这种方法适用于5万倍以下。
15
2. 物镜系统
物镜是用来形成第 一幅高分辨电子显微 图象或电子衍射花样 的透镜。物镜是电镜 最关键的部分，透射 电镜的分辨本领主要 取决于物镜。
完整版课件ppt
16
物镜光阑(Objective aperture )
完整版课件ppt
17
减小像差
α
样品
物镜 物镜光阑
物镜像平面
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32
也可在样品表面上放少量尺寸均匀，并精确 已知球径的塑料小球作为内标准测定放大倍 数。 在高放大倍数如10万倍以上的情况下，可以
采用用来测定晶格分辨本领的晶体样品作标 样，拍摄晶格条纹像，然后测量晶格像条纹 间距，与实际晶面间距的比值即为相应条件 下仪器的放大倍数。
阴极 栅极 阳极 聚光镜
试样室 物镜 中间镜 投影镜 观察屏
照相机
计算机 7
照明系统
阴极（接负高压） 控制极（比阴极 负100~1000伏）
阳极 电子束
聚光镜
试样
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8
1.电子枪
阴极 栅极 帽
阳极i0Biblioteka AT2 expb T 完整版课件ppt
9
(a)自偏压回路 (b完)电整版子课件枪ppt 内的等电位面
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2. 放大倍数测定 透射电子显微镜的放大倍数随样品平面高度、加 速电压、透镜电流而变化。为了保持仪器放大倍 数的精度，必须定期进行标定。
最常用的方法是用衍射光栅复型作为标样，在一 定的条件（加速电压、透镜电流等）下，拍摄标 样的放大象。然后从底片上测量光栅条纹象的平 均间距，与实际光栅条纹间距之比即为仪器相应 条件下的放大倍数。这种方法适用于5万倍以下。
15
2. 物镜系统
物镜是用来形成第 一幅高分辨电子显微 图象或电子衍射花样 的透镜。物镜是电镜 最关键的部分，透射 电镜的分辨本领主要 取决于物镜。
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16
物镜光阑(Objective aperture )
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17
减小像差
α
样品
物镜 物镜光阑
物镜像平面
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也可在样品表面上放少量尺寸均匀，并精确 已知球径的塑料小球作为内标准测定放大倍 数。 在高放大倍数如10万倍以上的情况下，可以
采用用来测定晶格分辨本领的晶体样品作标 样，拍摄晶格条纹像，然后测量晶格像条纹 间距，与实际晶面间距的比值即为相应条件 下仪器的放大倍数。
第二章透射电子显微镜1_11-9-14讲义
原子力显微镜(atomic force microscope)是以探针 针尖与待测物原子之间的范德华力作用为基础发展起来 的一种现代成像分析仪器。
目前AFM在扫描探针显微镜(scanning probe microscope)家族中灵敏度最高、分辨率最好并且应用 范围也最广，它对待测物要求低，既可以是导体也可以 是非导体，且实验可在真空、气体甚至在液体的环境中 也能正常进行。
10μm×10μm
AFM针尖对基质Au-Pa合金上的机械刻 蚀，书写了世界上最小的唐诗
原子操縱術 用35个氙原子排出“IBM”三个字母
1990年，IBM研究人員首度在金属镍表面用35 个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母 。
后來，又搬移近百顆铁原子形成中文“原子”二 字。此结果成为杂志及国际研讨会的封面图案。
♦ 1926年德国学者Busch指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜 的作用，有可能使电子束聚焦成像”，为电子显微镜的制作提供 了理论依据。
♦ 1931年，德国学者Knoll及Ruska获得了放大12-17倍的电子光学 系统中的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像。但 还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。
加速电压
代表产品
常规 100-200kV JEM-2010，H-8000，
TEM
CM200，TECNAI20
♦ Knoll在1960年10月17日写了一封信给Steenbeck，希望了 解当时的具体情况。Steenbeck 在11月8日的复信中承认了 他在参观后向Rüdenberg做了汇报，并说“Rüdenberg的申 请肯定是我访问你的结果，也肯定是从我的见闻中得到的 启迪”。
♦ 电子显微镜的发明开辟了直接观察原子的途径，早在几十 年前就应得诺贝尔奖，由于有上述瓜葛，直荣而又 仅存的Ruska。
目前AFM在扫描探针显微镜(scanning probe microscope)家族中灵敏度最高、分辨率最好并且应用 范围也最广，它对待测物要求低，既可以是导体也可以 是非导体，且实验可在真空、气体甚至在液体的环境中 也能正常进行。
10μm×10μm
AFM针尖对基质Au-Pa合金上的机械刻 蚀，书写了世界上最小的唐诗
原子操縱術 用35个氙原子排出“IBM”三个字母
1990年，IBM研究人員首度在金属镍表面用35 个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母 。
后來，又搬移近百顆铁原子形成中文“原子”二 字。此结果成为杂志及国际研讨会的封面图案。
♦ 1926年德国学者Busch指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜 的作用，有可能使电子束聚焦成像”，为电子显微镜的制作提供 了理论依据。
♦ 1931年，德国学者Knoll及Ruska获得了放大12-17倍的电子光学 系统中的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像。但 还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。
加速电压
代表产品
常规 100-200kV JEM-2010，H-8000，
TEM
CM200，TECNAI20
♦ Knoll在1960年10月17日写了一封信给Steenbeck，希望了 解当时的具体情况。Steenbeck 在11月8日的复信中承认了 他在参观后向Rüdenberg做了汇报，并说“Rüdenberg的申 请肯定是我访问你的结果，也肯定是从我的见闻中得到的 启迪”。
♦ 电子显微镜的发明开辟了直接观察原子的途径，早在几十 年前就应得诺贝尔奖，由于有上述瓜葛，直荣而又 仅存的Ruska。
武汉理工大学 材料测试方法 透射电镜-2结构和成像和制样
透射电子显微镜 --- 基本结构
场发射高分辨透射电子显微镜
型 号：JEM-2100F STEM/EDS 生产国别、公司： 日本电子，JEOL ，2006.6购置, 670万
主要技术指标： TEM 分 辨 力：0.23nm（点），0.102nm(晶格)
STEM分 辨 力：0.20nm（晶格） 最小束斑尺寸：0.5nm
俄歇电子仅在表面 1nm 层内产生，适 用于 表面分析。
5、透射电子（transmisive electrons, TE)
当试样厚度小于入射电子的穿透深度时， 入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透 射电子。如果试样很薄，只有 10 – 20 nm 的 厚度，透射电子的 主要组成部分 是 弹性散 射电子，成像比较清晰，电子衍射斑点也比较 明锐。
的薄膜或粉末，视其分析内容进行样品制备。
透射电子显微镜 --- 基本结构
TEM是一种大型电子光学仪器。通常包括：
● 电子光学系统 ● 真空系统 ● 电器
电子光学系统
一 、 透 射 电 镜 的 主 要 结 构
一
、
工作过程：
透
① 枪发出电子束
射 电
②经会聚透镜会聚
镜
③照射在试样上并穿
的
过试样
主
④经物镜成象
要 结
⑤再经中间镜和投影 镜放大
构
⑥电子显微象(在荧光
屏或照相底片上)
一
会聚镜：
、 透
短焦距强磁透镜，
射
一般单聚光镜型：
电
镜50Å
主
要
双聚光镜型：
结
构
束斑几个μm,
分辨率几个Å~10Å
一
、
透
射
《透射电子显微镜》课件
光阑
限制照明区域，减小成像的视场，提高成像的分辨率 。
光路调节器
调节光路中的光束方向和大小，确保光束正确投射到 样品上。
成像系统
Hale Waihona Puke 物镜将样品上的图像第一次放 大并投影到中间镜上。
中间镜
将物镜放大的图像进一步 放大并投影到投影镜上。
投影镜
将中间镜放大的图像最终 放大并投影到荧光屏或成
像设备上。
真空系统
谢谢您的聆听
THANKS
透射电子显微镜技术不断改进，分辨率和放大倍数得到显著提 高。
透射电子显微镜技术不断创新，出现了许多新型的透射电子显 微镜，如高分辨透射电子显微镜、冷冻透射电子显微镜等。
透射电子显微镜的应用领域
生物学
观察细胞、蛋白质、核酸等生物大分子的 结构和功能。
医学
研究病毒、细菌、癌症等疾病的发生、发 展和治疗。
真空泵
01
通过抽气作用维持透射电子显微镜内部的高真空状态。
真空阀门
02
控制真空泵的工作时间和进气流量，以保持透射电子显微镜内
部真空度的稳定。
真空检测器
03
监测透射电子显微镜内部的真空度，当真空度不足时提醒操作
人员进行处理。
03
透射电子显微镜的操作与维护
透射电子显微镜的操作步骤
打开电源
确保实验室电源稳定，打开透射电子显微镜 的电源开关。
记录
对透射电子显微镜的使用和维护情况进行 记录，方便日后追踪和管理。
04
透射电子显微镜的样品制备技术
金属样品的制备技术
电解抛光
通过电解抛光液对金属样品进行抛光 ，去除表面杂质和氧化层，使样品表 面光滑、平整。
离子减薄
限制照明区域，减小成像的视场，提高成像的分辨率 。
光路调节器
调节光路中的光束方向和大小，确保光束正确投射到 样品上。
成像系统
Hale Waihona Puke 物镜将样品上的图像第一次放 大并投影到中间镜上。
中间镜
将物镜放大的图像进一步 放大并投影到投影镜上。
投影镜
将中间镜放大的图像最终 放大并投影到荧光屏或成
像设备上。
真空系统
谢谢您的聆听
THANKS
透射电子显微镜技术不断改进，分辨率和放大倍数得到显著提 高。
透射电子显微镜技术不断创新，出现了许多新型的透射电子显 微镜，如高分辨透射电子显微镜、冷冻透射电子显微镜等。
透射电子显微镜的应用领域
生物学
观察细胞、蛋白质、核酸等生物大分子的 结构和功能。
医学
研究病毒、细菌、癌症等疾病的发生、发 展和治疗。
真空泵
01
通过抽气作用维持透射电子显微镜内部的高真空状态。
真空阀门
02
控制真空泵的工作时间和进气流量，以保持透射电子显微镜内
部真空度的稳定。
真空检测器
03
监测透射电子显微镜内部的真空度，当真空度不足时提醒操作
人员进行处理。
03
透射电子显微镜的操作与维护
透射电子显微镜的操作步骤
打开电源
确保实验室电源稳定，打开透射电子显微镜 的电源开关。
记录
对透射电子显微镜的使用和维护情况进行 记录，方便日后追踪和管理。
04
透射电子显微镜的样品制备技术
金属样品的制备技术
电解抛光
通过电解抛光液对金属样品进行抛光 ，去除表面杂质和氧化层，使样品表 面光滑、平整。
离子减薄
电镜的基本原理(1)透射电镜
a
14
a
15
物镜(M0)用来获得被检物的一次放大像和衍 射谱，它决定显微镜的分辨率，是电镜的心 脏用．是中 把间 物镜 镜形(M成i)是酌个一可次变中倍间率像的或弱衍透射镜谱，射它到的投作影 镜及的衍物 射面 谱上 放．大投到影荧镜光屏(M上p)，把一中般间具镜有形2成—的3二个次聚像光 镜和4—6个物镜加投影镜。
的透 构射 造电
镜
a
12
光学显微镜所用光源为可见光．能在空气中传
播．而电子束是一种粒子流，当它进入物体后，和 物质内的电子和原子发生作用而散射．所以只能透 过极薄的物体．空气对电子起阻碍作用，因此，电
镜内必须保持高真空，一般为10－５乇或更高．
a
13
电子显微镜的结构由照明系统、成像系统、观察和记
阴极荧光
如果入射电子使试样的原于内电子发生电离， 高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较 长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用 作光谱分析，但它通常非常微弱
a
6
二、电镜的发展历史
▼ 1932年鲁斯卡发明创制了第一台透射电子显微 镜实验装置(TEM)。
▼ 相继问世了扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描 电子显微镜(SEM)以及上述产品与X射线分析系 统(EDS、WDS)的结合，即各种不同类型分析型 电子显微镜。
录系统组成．照明系统是由电子枪和聚光镜组成，成像 系统由物镜、中间镜和投影镜组成。观察和记录系统包 括观察室、荧光屏和计算机等。
电子枪是由阴极、阳极和栅极组成．一般用钨丝作阴 极，当在阴极和阳极之间加上高压．再加上灯丝电流以后， 即可从钨丝发出电子束，通过阳极孔，照射到样品上．一 般透射电镜的加速电压为50～200kv。电压越高，电子束 对物质的穿透能力越强，可以观察较厚的样品，并且电子 束对物质的辐照损伤越小。电镜中用来使电子束聚焦的是 电磁透镜．电镜中的聚光镜是用来聚拢电子束和调节电子 束强度的．一股采用双聚光镜系统，第一聚光镜为短焦距 强透镜，它将电子束斑直径缩小儿十倍，而第二聚光镜采 用长焦距透镜，将电子束斑成像到样品上，从而使聚光镜 和样品之间有足够的工作距离，以便放置试样和各种附 件．
第二章第四节-2-透射电镜
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
离轴暗场像成像原理
中心暗场像成像原理
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法B
任课老师
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
第四节 透射电子显微分析(I I)
1
2 2
TEM工作原理 电子像衬度
二、电子像衬度
1.电子像衬度（Contrast）:样品两相邻部分的 电子束强度差 I -I Δ I
C
1 2
I2
I2
2.电子像衬度种类：
–振幅衬度：样品不同区域散射能力差异而形成 的电子像上振幅和强度的变化。包括质厚衬度 和衍射衬度两种。 –相位衬度：多束电子束相干成像，由于电子束 在样品出口表面上相位不一致而形成的衬度。 包括相干相位衬度和Z-衬度两种。
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
4 电子衍射花样的标定
4.1 推荐参考资料
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
4.2 电子衍射花样标定原则 二维倒易平面中的任意
透射电子显微镜的结构与功能
化学成分分析
01 通过能谱仪（EDS）等附件，对样品进行化学成 分分析。
02 可以检测样品中的元素组成、元素分布和含量。 03 对材料科学、生物学等领域的研究具有重要价值
。
动态过程观察
01
透射电子显微镜可以观察样品的动态过程，例如相变、化学 反应等。
02
通过拍摄连续的显微图像，观察样品在时间尺度上的变化。
中间镜
用于进一步放大实像或改 变成像性质。
投影镜
将最终的放大实像投射到 荧光屏或成像设备上。
真空系统
真空泵
维持透射电子显微镜内部的高真空环境，以减少电子束在空气中散射和吸收。
真空阀
压电源
为电子枪提供加速电压，使电子束具有足够的能量穿 过样品。
高成本
透射电子显微镜的制造成本较高，维 护和运行成本也相对较高。
06
CATALOGUE
透射电子显微镜的发展趋势与展望
高分辨技术
原子像分辨率
01
通过提高电子枪的亮度和像差矫正技术，实现原子级别的分辨
率，观察更细微的结构细节。
动态范围
02
提高成像系统的动态范围，以适应不同样品厚度的观察，更好
地展示样品的层次结构。
样品
样品是透射电子显微镜中的观察对象，通常为薄片或薄膜 。样品需要足够薄，以便让电子束穿透并观察到内部的细 节。
为了保证观察结果的准确性和可靠性，样品需要经过精心 制备和处理，如脱水、染色、切片等。同时，样品的稳定 性也至关重要，以确保在观察过程中不会发生形变或损坏 。
物镜
物镜是透射电子显微镜中的重要元件之一，它对电子束进行放大并传递给下级透 镜。物镜的放大倍数决定了显微镜的总放大倍数。
透射电子显微镜的 结构与功能
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residue gas can contaminate the specimen seriously.
真空的分类及单位
Rough vacuum ~1 _ 10-3 torr low vacuum ~ 10-3 _ 10-6 torr high vacuum (HV) ~ 10-6 _ 10-9 torr ultrahigh vacuum (UHV) ~ 10-9 _ 10-11 torr
1.物镜
物镜是用来形成第一幅高分辨电子显 微图象或电子衍射花样的透镜。电镜 的分辨率主要取决于物镜，必须尽可 能降低像差。 物镜通常为强励磁、短焦透镜（f = 1-3 mm，M=100—200×） 为进一步减小物镜球差，在物镜后焦 面上安放物镜光阑。 在新的电镜中，物镜皆由两部分组成， 分为上物镜和下物镜，试样置于上下 物镜之间，上物镜起强聚光作用，下 物镜起成象放大作用。
（b）低倍成像
（荧光屏）
（c）极低倍成像
21
成像/衍射模式选择
Objective lens
Intermediate lens
Projector lens Image on Screen
Objective lens
Intermediate lens
Projector lens
Diffraction pattern on screen
观察和记 录系统
荧光屏 照相机 计算机
4
电子光学系统
5
照明系统
➢ 组成：由电子枪、聚 光镜以及相应的平移、 倾转和对中等调节装 置组成。
➢ 作用：是提供一束亮 度高、束斑小、照明 孔径半角小、平行度 好、束流稳定的照明 源。
1.电子枪
• 热阴极电子枪 • 场发射电子枪
W filament
LaB6 crystal
In the parallel-beam mode usually no need to change C1. adjust the C2 lens to produce an underfocused image of the C1 crossover.
focus underfocus overfocus
recording
TEM
Vacuum
system
Power Supply and control system
2
电子光学系统
Illumination system
Imaging system
Image viewing and recording
3
电子光 学系统
照明 系统
成像放 大系统
电子枪
聚光镜 试样室 物镜 中间镜 投影镜
An FEG tip (fine W needle)
100 kV加速电压下不同电子枪的比较
Working temperature (K) Current density (A/m2)
Crossover Size (m) Brightness (A/m2sr)
Energy spread (eV) Emission Current Stability (%/hr) Vacuum (Pa) Lifetime (hr)
Price
W 2700 5104
50 109 3 <1
10-2 100 cheap
LaB6 1700 1061Leabharlann 510101.5 <1
FEG 300 1010
<0.01 1013
0.3 5
10-4 500 expensive
10-8 >1000 Very expensive
2.聚光镜
聚光镜是用来会聚电子枪射出的电子 束，以最小的损失照明样品，调节照 明强度、孔径半角和束斑大小。一般 都采用双聚光镜系统，如图。
观察和记录系统
❖观察和记录系统包括荧光屏和照 相装置。 ❖荧光屏涂有在暗室操作条件下， 人眼较敏感、发绿光的荧光物质， 有利于高放大倍数、低亮度图像的 聚集和观察。 ❖ 照相装置是一个装在荧光屏下面， 可以自动换片的照相暗盒。胶片是 一种对电子束曝光敏感、颗粒度很 小的溴化物乳胶底片，为红色盲片， 曝光时间很短，一般只需几秒钟。 ❖新型电镜均采用电磁快门，与荧 光屏联动。有的装有自动曝光装置。 现代电镜已开始装有电子数码照相 装置，即CCD相机。
物镜 中间镜 投影镜
成像放大系统
成像放大系统包括： •物镜 •中间镜 •投影镜 •物镜光阑 •选区衍射光阑
Specimen Objective lens Objective aperture SAD aperture Intermediate lens Projector lens
Screen
18
TEM常用真空泵
pump Mechanical (rotary) pump
Diffusion Pump (DP)
Turbomolecular Pump,
Ion Pump
vacuum ~10-3 torr
10-3~10-11 torr
From ambient pressure to UHV
feature Very reliable, relatively inexpensive, noisy and dirty Very reliable, vibration-free, need external water-cooling, contaminate the vacuum in the TEM Very quiet, almost vibration-free, no contamination
3.投影镜
投影镜将中间镜所成的显微图像 或衍射花样成像于荧光屏；
它是一个短焦距的强磁透镜；
投影镜的激磁电流是固定的；
成像电子束进入投影镜时孔径角 很小，因此它的景深和焦深都非常 大。
✓景深大，改变中间镜放大倍数， 使总倍数变化，也不影响图象清 晰度
✓焦深长，放宽对荧光屏和底片平 面严格位置要求。
Objective lens
试样架
支持网
D=3 mm
表面有支持膜
A variety of specimen support grids of different mesh size and shape
物镜极靴 剖面图
Specimen
Objective lens
Back Focal Plane Image Plane
19
2.中间镜
中间镜将物镜所成的一次显微 图像或衍射花样成像于投影镜的 物平面上；
弱励磁、长焦距、变倍率透镜， 放大倍数可调节0-20×；
Objective lens
Intermediate lens
Intermediate lens
Projector lens
Screen
4.物• 镜选光区阑光阑（ Diffraction lens holders）
物镜光阑又称为衬度光 阑，通常放在物镜的后焦面
由光上阑。架无和磁金光属阑制孔成（组pt成、mo
等)。常用物镜光阑孔的直 径是20～120μm范围。
第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小 率为10～50倍左右，将电子枪第一交 叉点束斑缩小为1～5μm；
第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放 大倍数为2倍左右。结果在样品平面上 可获得2～10μm的照明电子束斑。 （控制照明面积、会聚角)
双聚光镜照明系统光路图
focus underfocus overfocus
SI unit: pascal (Pa) non-SI unit: torr, bar 1 torr is ~ 133 Pa 1 Pa is 7.5 10-3 Torr
TEM对真空度的要求
10-7 torr for TEM 10-9 torr for UHV TEM 10-11 torr for gun region of FEG TEM
12
照明系统
Two different ways to use the illumination system
form a parallel beam (used for TEM imaging and diffraction)
form a convergent beam (used for STEM imaging, microanalysis, and microdiffraction)
其他部分
电源 计算机控制系统
TEM工作条件要求：
电源的稳定性 无机械振动 房间无电磁波干扰
试样室及样品的制备
试样室
试样室位于照明部分和物镜之间，主要作用是通过试样台承载试样，平移， 倾斜，旋转试样。必要时还可以安装加热、冷却样品装置。
试样架
heating holder cooling holder double-tilt holder single-tilt holder
Parallel Beam mode
Parallel illumination is essential to get the sharpest diffraction patterns as well as the best image contrast.
In the traditional TEM mode the first two condenser lenses (C1,C2) are adjusted to illuminate the specimen with a parallel beam of electrons typically several micrometers across.
第二章 透射电子显微镜
Transmission Electron Microscope (TEM)
1
第一节 透射电子显微镜的主要结构
真空的分类及单位
Rough vacuum ~1 _ 10-3 torr low vacuum ~ 10-3 _ 10-6 torr high vacuum (HV) ~ 10-6 _ 10-9 torr ultrahigh vacuum (UHV) ~ 10-9 _ 10-11 torr
1.物镜
物镜是用来形成第一幅高分辨电子显 微图象或电子衍射花样的透镜。电镜 的分辨率主要取决于物镜，必须尽可 能降低像差。 物镜通常为强励磁、短焦透镜（f = 1-3 mm，M=100—200×） 为进一步减小物镜球差，在物镜后焦 面上安放物镜光阑。 在新的电镜中，物镜皆由两部分组成， 分为上物镜和下物镜，试样置于上下 物镜之间，上物镜起强聚光作用，下 物镜起成象放大作用。
（b）低倍成像
（荧光屏）
（c）极低倍成像
21
成像/衍射模式选择
Objective lens
Intermediate lens
Projector lens Image on Screen
Objective lens
Intermediate lens
Projector lens
Diffraction pattern on screen
观察和记 录系统
荧光屏 照相机 计算机
4
电子光学系统
5
照明系统
➢ 组成：由电子枪、聚 光镜以及相应的平移、 倾转和对中等调节装 置组成。
➢ 作用：是提供一束亮 度高、束斑小、照明 孔径半角小、平行度 好、束流稳定的照明 源。
1.电子枪
• 热阴极电子枪 • 场发射电子枪
W filament
LaB6 crystal
In the parallel-beam mode usually no need to change C1. adjust the C2 lens to produce an underfocused image of the C1 crossover.
focus underfocus overfocus
recording
TEM
Vacuum
system
Power Supply and control system
2
电子光学系统
Illumination system
Imaging system
Image viewing and recording
3
电子光 学系统
照明 系统
成像放 大系统
电子枪
聚光镜 试样室 物镜 中间镜 投影镜
An FEG tip (fine W needle)
100 kV加速电压下不同电子枪的比较
Working temperature (K) Current density (A/m2)
Crossover Size (m) Brightness (A/m2sr)
Energy spread (eV) Emission Current Stability (%/hr) Vacuum (Pa) Lifetime (hr)
Price
W 2700 5104
50 109 3 <1
10-2 100 cheap
LaB6 1700 1061Leabharlann 510101.5 <1
FEG 300 1010
<0.01 1013
0.3 5
10-4 500 expensive
10-8 >1000 Very expensive
2.聚光镜
聚光镜是用来会聚电子枪射出的电子 束，以最小的损失照明样品，调节照 明强度、孔径半角和束斑大小。一般 都采用双聚光镜系统，如图。
观察和记录系统
❖观察和记录系统包括荧光屏和照 相装置。 ❖荧光屏涂有在暗室操作条件下， 人眼较敏感、发绿光的荧光物质， 有利于高放大倍数、低亮度图像的 聚集和观察。 ❖ 照相装置是一个装在荧光屏下面， 可以自动换片的照相暗盒。胶片是 一种对电子束曝光敏感、颗粒度很 小的溴化物乳胶底片，为红色盲片， 曝光时间很短，一般只需几秒钟。 ❖新型电镜均采用电磁快门，与荧 光屏联动。有的装有自动曝光装置。 现代电镜已开始装有电子数码照相 装置，即CCD相机。
物镜 中间镜 投影镜
成像放大系统
成像放大系统包括： •物镜 •中间镜 •投影镜 •物镜光阑 •选区衍射光阑
Specimen Objective lens Objective aperture SAD aperture Intermediate lens Projector lens
Screen
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TEM常用真空泵
pump Mechanical (rotary) pump
Diffusion Pump (DP)
Turbomolecular Pump,
Ion Pump
vacuum ~10-3 torr
10-3~10-11 torr
From ambient pressure to UHV
feature Very reliable, relatively inexpensive, noisy and dirty Very reliable, vibration-free, need external water-cooling, contaminate the vacuum in the TEM Very quiet, almost vibration-free, no contamination
3.投影镜
投影镜将中间镜所成的显微图像 或衍射花样成像于荧光屏；
它是一个短焦距的强磁透镜；
投影镜的激磁电流是固定的；
成像电子束进入投影镜时孔径角 很小，因此它的景深和焦深都非常 大。
✓景深大，改变中间镜放大倍数， 使总倍数变化，也不影响图象清 晰度
✓焦深长，放宽对荧光屏和底片平 面严格位置要求。
Objective lens
试样架
支持网
D=3 mm
表面有支持膜
A variety of specimen support grids of different mesh size and shape
物镜极靴 剖面图
Specimen
Objective lens
Back Focal Plane Image Plane
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2.中间镜
中间镜将物镜所成的一次显微 图像或衍射花样成像于投影镜的 物平面上；
弱励磁、长焦距、变倍率透镜， 放大倍数可调节0-20×；
Objective lens
Intermediate lens
Intermediate lens
Projector lens
Screen
4.物• 镜选光区阑光阑（ Diffraction lens holders）
物镜光阑又称为衬度光 阑，通常放在物镜的后焦面
由光上阑。架无和磁金光属阑制孔成（组pt成、mo
等)。常用物镜光阑孔的直 径是20～120μm范围。
第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小 率为10～50倍左右，将电子枪第一交 叉点束斑缩小为1～5μm；
第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放 大倍数为2倍左右。结果在样品平面上 可获得2～10μm的照明电子束斑。 （控制照明面积、会聚角)
双聚光镜照明系统光路图
focus underfocus overfocus
SI unit: pascal (Pa) non-SI unit: torr, bar 1 torr is ~ 133 Pa 1 Pa is 7.5 10-3 Torr
TEM对真空度的要求
10-7 torr for TEM 10-9 torr for UHV TEM 10-11 torr for gun region of FEG TEM
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照明系统
Two different ways to use the illumination system
form a parallel beam (used for TEM imaging and diffraction)
form a convergent beam (used for STEM imaging, microanalysis, and microdiffraction)
其他部分
电源 计算机控制系统
TEM工作条件要求：
电源的稳定性 无机械振动 房间无电磁波干扰
试样室及样品的制备
试样室
试样室位于照明部分和物镜之间，主要作用是通过试样台承载试样，平移， 倾斜，旋转试样。必要时还可以安装加热、冷却样品装置。
试样架
heating holder cooling holder double-tilt holder single-tilt holder
Parallel Beam mode
Parallel illumination is essential to get the sharpest diffraction patterns as well as the best image contrast.
In the traditional TEM mode the first two condenser lenses (C1,C2) are adjusted to illuminate the specimen with a parallel beam of electrons typically several micrometers across.
第二章 透射电子显微镜
Transmission Electron Microscope (TEM)
1
第一节 透射电子显微镜的主要结构