第九章 透射电子显微镜
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TEM(透射电子显微镜)
细胞结构解析
细胞膜结构
透射电镜图像可以清晰地展示细胞膜的精细结构，如细胞膜的厚度、 细胞器的分布等。
细胞器结构
透射电镜能够观察到细胞内的各种细胞器，如线粒体、内质网、高 尔基体等，有助于了解细胞器的形态和功能。
细胞骨架结构
透射电镜能够观察到细胞骨架的超微结构，如微管、微丝和中间纤维 等，有助于了解细胞骨架在细胞运动、分裂和分化中的作用。
TEM应用领域
01
02
03
04
生物学
研究细胞、组织和器官的超微 结构，如细胞器、细胞膜、染
色体等。
医学
用于诊断疾病，如癌症、传染 病等，以及药物研发和疫苗制
备过程中的结构分析。
地质学
观察岩石、矿物和矿物的微观 结构，研究地球科学中的各种
地质现象。
材料科学
研究金属、陶瓷、高分子等材 料的微观结构和性能，以及材
控制切片的厚度，通常在50~70纳米之间，以确 保电子束能够穿透并观察到样品的内部结构。
切片收集与处理
将切好的超薄切片收集到支持膜上，并进行染色、 染色脱水和空气干燥等处理。
染色
染色剂选择
选择适当的染色剂，如铅、铀或 铜盐，以增强样品的电子密度并
突出其结构特征。
染色时间与温度
控制染色时间和温度，以确保染色 剂与样品充分反应并达到最佳染色 效果。
清洁样品室
定期清洁样品室，保持清洁度 。
检查电子束系统
定期检查电子束系统，确保聚 焦和稳定性。
更新软件和驱动程序
及时更新TEM相关软件和驱动 程序，确保兼容性和稳定性。
定期校准
按照厂家建议，定期对TEM进 行校准，确保观察结果的准确
性。
06 TEM未来发展
《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
材料测试技术基础 材料现代研究方法 第九章 透射电镜的结构
电子波长
• 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动 根据德布罗意（ ）的观点， 的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。 的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这 一点上和可见光相似。 一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电 h 子运动的速度和质量， 子运动的速度和质量，即 λ= • mv （5-4） • 式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s； 式中， 为普郎克常数： ； 为电子质量； 为电子运动速度， m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速 电压U之间存在如下关系： 电压U之间存在如下关系： 1 2eU （5-5） • 即 mv 2 = eU v= 2 m • 式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 式中e为电子所带电荷， 。 • 将（5-5）式和（5-4）式整理得： 式和（ 式整理得： • h λ= • （5 - 6 ）
第九章 透射电镜的结构
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了 重要的工具。随着科学技术的发展， 重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微 镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分 析的需求。上世纪30年代后， 30年代后 析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发 明将分辨本领提高到纳米量级， 明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微 镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、 镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、 晶体结构、成分分析等于一体。 晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观 世界的能力从此有了长足的发展。 世界的能力从此有了长足的发展。
透镜分辨率
• 测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余 分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼 不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环 的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产 生的Airy斑半径R0的表达式为： 0.61λ R0 = M • （5-1） n sin α • 通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应 的两个物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透 镜分辨率（也称分辨本领）。由式5-1得： R0 0.61λ • 即 （5-2） ∆r0 = ∆r0 = n sin α M • 对于光学透镜，当n•sinα做到最大时（n≈1.5，α≈7075°），式（5-2）简化为： ∆r0 ≈ λ 2
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
透射电子显微镜(TEM)详解
TEM样品可分为间接样品和直接样品。
（一）间接样品的制备（表面复型）
透射电镜所用的试样既要薄又要小，这就大大限 制了它的应用领域，采用复型制样技术可以弥补 这一缺陷。复型是用能耐电子束辐照并对电子束 透明的材料对试样的表面进行复制，通过对这种 复制品的透射电镜观察，间接了解高聚物材料的 表面形貌。
蚀刻剂：高锰酸钾-浓 硫酸 将无定形部分腐蚀掉
八、透射电镜在聚合物研究中的应用
（一）结晶性聚合物的TEM照片
PE单晶及其电子衍射谱
Keller提出的PE折叠链模型
尼龙6 折叠链 片晶
单斜晶系 的PP单晶
2、树枝晶: 从较浓溶液（0.01~0.1%)结晶时，流动力 场存在，可形成树枝晶等。
PE的树枝状结晶
（3）染色：通常的聚合物由轻元素组成，在用厚 度衬度成像时图像的反差很弱，通过染色处理后 可改善。
所谓染色处理实质上就是用一种含重金属的试剂 对试样中的某一组分进行选择性化学处理，使其 结合上重金属，从而导致其对电子的散射能力增 强，以增强图像的衬度。
（a）OsO4染色，可染-C=C-双键、-OH基、-NH2基。 其染色反应是：
（二）直接样品的制备
1.粉末样品制备 粉末样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，
各自独立而不团聚。
胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻 璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上， 两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小 方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片 逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。
常见的聚合物制样技术
（1）超薄切片:超薄切片机将大试样切成50nm 左右的薄试样。
聚甲基丙烯酸丁酯将 聚四氟乙烯包埋后切 片，白色部分表示颗 粒形貌， 切片时，有颗粒的部 分掉了
（一）间接样品的制备（表面复型）
透射电镜所用的试样既要薄又要小，这就大大限 制了它的应用领域，采用复型制样技术可以弥补 这一缺陷。复型是用能耐电子束辐照并对电子束 透明的材料对试样的表面进行复制，通过对这种 复制品的透射电镜观察，间接了解高聚物材料的 表面形貌。
蚀刻剂：高锰酸钾-浓 硫酸 将无定形部分腐蚀掉
八、透射电镜在聚合物研究中的应用
（一）结晶性聚合物的TEM照片
PE单晶及其电子衍射谱
Keller提出的PE折叠链模型
尼龙6 折叠链 片晶
单斜晶系 的PP单晶
2、树枝晶: 从较浓溶液（0.01~0.1%)结晶时，流动力 场存在，可形成树枝晶等。
PE的树枝状结晶
（3）染色：通常的聚合物由轻元素组成，在用厚 度衬度成像时图像的反差很弱，通过染色处理后 可改善。
所谓染色处理实质上就是用一种含重金属的试剂 对试样中的某一组分进行选择性化学处理，使其 结合上重金属，从而导致其对电子的散射能力增 强，以增强图像的衬度。
（a）OsO4染色，可染-C=C-双键、-OH基、-NH2基。 其染色反应是：
（二）直接样品的制备
1.粉末样品制备 粉末样品制备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来，
各自独立而不团聚。
胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻 璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上， 两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小 方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片 逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。
常见的聚合物制样技术
（1）超薄切片:超薄切片机将大试样切成50nm 左右的薄试样。
聚甲基丙烯酸丁酯将 聚四氟乙烯包埋后切 片，白色部分表示颗 粒形貌， 切片时，有颗粒的部 分掉了
透射电子显微镜-TEM-医学课件
透射电子显微镜-TEM
Transmission electron microscope
1
内容
简介 结构原理 样品制备 透射电子显微像 选区电子衍射分析
2
TEM 简介
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的 证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年， 透射电镜实现了工厂化生产。 上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和 Howie等人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和 结构。 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M. Cowley提出相位衬度理 论的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。 饭岛获得原子尺度高分辨像（1970) 。 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用。
21
成像系统
照明系统
成像系统
观察记录系统
22
（1）物镜 物镜是将试样形成一次放大像和衍射谱。 决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可 能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽 可能小的像差。通常采用强激磁，短焦距 的物镜。 放大倍数较高，一般为100～300倍。 目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。
3
透射电子显微镜-TEM
TEM用聚焦电子束作照明源，使 用于对电子束透明的薄膜试样， 以透过试样的透射电子束或衍射 电子束所形成的图像来分析试样 内部的显微组织结构。
Transmission electron microscope
1
内容
简介 结构原理 样品制备 透射电子显微像 选区电子衍射分析
2
TEM 简介
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的 证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年， 透射电镜实现了工厂化生产。 上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和 Howie等人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和 结构。 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M. Cowley提出相位衬度理 论的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。 饭岛获得原子尺度高分辨像（1970) 。 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用。
21
成像系统
照明系统
成像系统
观察记录系统
22
（1）物镜 物镜是将试样形成一次放大像和衍射谱。 决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可 能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽 可能小的像差。通常采用强激磁，短焦距 的物镜。 放大倍数较高，一般为100～300倍。 目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。
3
透射电子显微镜-TEM
TEM用聚焦电子束作照明源，使 用于对电子束透明的薄膜试样， 以透过试样的透射电子束或衍射 电子束所形成的图像来分析试样 内部的显微组织结构。
第九章习题答案final
1、电子波有何特征？与可见光有何异同？答：电子波的波长较短，轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。
其波长取决于电子运动的速度和质量，电子波的波长要比可见光小5个数量级。
两者都是波，具有波粒二象性，波的大小、产生方式、聚焦方式等不同。
2、分析电磁透镜对波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。
答：原理：通电线圈产生一种轴对称不均匀分布的磁场，磁力线围绕导线呈环状。
磁力线上任一点的磁感应强度B可以分解成平行于透镜主轴的分量Bz和垂直于透镜主轴的分量Br。
速度为V的平行电子束进入透镜磁场时在A点处受到Br分量的作用，由右手法则，电子所受的切向力Ft的方向如下图；Ft使电子获得一个切向速度Vt，Vt与Bz分量叉乘，形成了另一个向透镜主轴靠近的径向力Fr，使电子向主轴偏转。
当电子穿过线圈到达B点位置时，Br的方向改变了180度，Ft随之反向，但是只是减小而不改变方向，因此，穿过线圈的电子任然趋向于主轴方向靠近。
结果电子作圆锥螺旋曲线近轴运动。
当一束平行与主轴的入射电子束通过投射电镜时将会聚焦在轴线上一点，这就是电磁透镜电子波的聚焦对原理。
电磁透镜的结构对电磁场有很大的影响。
上图为一种实际常用的带有铁壳以及极靴的电磁透镜示意图。
1）电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里，此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。
狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。
2）增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内，显著提高了其聚焦能力。
3、电磁透镜的像差是怎样产生的，如何来消除或减小像差？答：电磁透镜的像差可以分为两类：几何像差和色差。
几何像差是因为投射磁场几何形状上的缺陷造成的，色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。
几何像差主要指球差和像散。
球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律造成的，像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。
透射电子显微镜
随着TEM的发展，相应的扫描透射电子显微镜技术被重新研究，而在1970年芝加哥大学的阿尔伯特·克鲁发 明了场发射枪，同时添加了高质量的物镜从而发明了现代的扫描透射电子显微镜。这种设计可以通过环形暗场成 像技术来对原子成像。克鲁和他的同事发明了冷场电子发射源，同时建造了一台能够对很薄的碳衬底之上的重原 子进行观察的扫描透射电子显微镜。
其中，h表示普朗克常数，m0表示电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子显微镜中的电子通常通过电子 热发射过程从钨灯丝上射出，或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电 磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
基本的TEM光学元件布局图。从上至下，TEM包含有一个可能由钨丝制成也可能由六硼化镧制成的电子发射源。 对于钨丝，灯丝的形状可能是别针形也可能是小的钉形。而六硼化镧使用了很小的一块单晶。通过将电子枪与高 达10万伏-30万伏的高电压源相连，在电流足够大的时候，电子枪将会通过热电子发射或者场电子发射机制将电 子发射入真空。该过程通常会使用栅极来加速电子产生。一旦产生电子，TEM上边的透镜要求电子束形成需要的 大小射在需要的位置，以和样品发生作用。
电子能量损失光谱仪通常在光谱模式和图像模式上操作，这样就可以隔离或者排除特定的散射电子束。由于 在许多图像中，非弹性散射电子束包含了许多操作者不关心的信息，从而降低了有用信息的可观测性。这样，电 子能量损失光谱学技术可以通过排除不需要的电子束有效提高亮场观测图像与暗场观测图像的对比度。
晶体结构可以通过高分辨率透射电子显微镜来研究，这种技术也被称为相衬显微技术。当使用场发射电子源 的时候，观测图像通过由电子与样品相互作用导致的电子波相位的差别重构得出。然而由于图像还依赖于射在屏 幕上的电子的数量，对相衬图像的识别更加复杂。然而，这种成像方法的优势在于可以提供有关样品的更多信息。
其中，h表示普朗克常数，m0表示电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子显微镜中的电子通常通过电子 热发射过程从钨灯丝上射出，或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电 磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
基本的TEM光学元件布局图。从上至下，TEM包含有一个可能由钨丝制成也可能由六硼化镧制成的电子发射源。 对于钨丝，灯丝的形状可能是别针形也可能是小的钉形。而六硼化镧使用了很小的一块单晶。通过将电子枪与高 达10万伏-30万伏的高电压源相连，在电流足够大的时候，电子枪将会通过热电子发射或者场电子发射机制将电 子发射入真空。该过程通常会使用栅极来加速电子产生。一旦产生电子，TEM上边的透镜要求电子束形成需要的 大小射在需要的位置，以和样品发生作用。
电子能量损失光谱仪通常在光谱模式和图像模式上操作，这样就可以隔离或者排除特定的散射电子束。由于 在许多图像中，非弹性散射电子束包含了许多操作者不关心的信息，从而降低了有用信息的可观测性。这样，电 子能量损失光谱学技术可以通过排除不需要的电子束有效提高亮场观测图像与暗场观测图像的对比度。
晶体结构可以通过高分辨率透射电子显微镜来研究，这种技术也被称为相衬显微技术。当使用场发射电子源 的时候，观测图像通过由电子与样品相互作用导致的电子波相位的差别重构得出。然而由于图像还依赖于射在屏 幕上的电子的数量，对相衬图像的识别更加复杂。然而，这种成像方法的优势在于可以提供有关样品的更多信息。
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镜（点分辨率50nm, 比光学显微镜高4倍)， Ruska 为此获得了Nobel Prize（1986）。 1949年Heidenreich观察了用电解减薄的铝试样；
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8
近代TEM发展史上三个重要阶段
像衍理论(50－60年代)： 英国牛津大学材料系 P.B.Hirsch, M.J.Whelan；英国
3）获得立体丰富的信息。
三极管的沟道边界的高分辨环形探测实器用（文A档DF）图像及能量损失谱
13
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
5万倍
实用文档
14
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则微孔
孔径: 6.2 Å
实用文档
15
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则介孔
孔径: 7-8 nm
剑桥大学物理系 A.Howie （建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电
子衍射衬度理论） 高分辨像理论（70年代初）： 美国阿利桑那州立大学物理系J.M.Cowley，70年代发
展了高分辨电子显微像的理论与技术。 高空间分辨分析电子显微学（ 70年代末，80年代初）
采用高分辨分析电子显微镜（HREM，NED，EELS, EDS）对很小范围（～5Å）的区域进行电子显微研究 （像，晶体结构，电子结构，化学成分）
实用文档
30
光学透镜的焦距是固定的。电磁透镜的焦距是可以 通过调节电流大小来改变。
1924年de Broglie提出波粒二象性假说 1926 Busch指出“具有轴对称性的磁场对电子束
起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”。 1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid
进行了电子衍射实验。 1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电
光镜是强激磁透镜；第
二聚光镜是弱激磁透镜
实用文档
26
二、成像系统
1、物镜 2、中间镜 3、投影镜
实用文档
27
成像系统
（一）物镜 物镜作用：成像系统的第一级
放大透镜，形成第一幅高分辨 率电子显微图像和电子衍射花 样。 物镜特点：强激磁、短焦距 （1-3mm），高放大倍数，高分 辨率。
物镜决定透射电子显微镜分辨 本领
实用文档
9
各国代表人物
美国伯克莱加州大学G.Thomas将TEM第一 个用到材料研究上。
日本岗山大学H. Hashimoto日本电镜研究 的代表人。
中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、 朱静。
国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理 所）、沈阳金属所、清华大学。
实用文档
10
为什么要用TEM?
一、照明系统 灯丝
实用文档
22
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统 （一）电子枪
透射电镜常用75-200kV加速电压
热阴极三极电子枪：发夹形 钨丝阴极＋栅极帽＋阳极，
栅极作用：限制和稳定电子 束流
电子源：阴极和阳极之间电 子束会集成的交叉点
电子源直径显微镜的结构和成像机理
（一）电子枪
实用文档
24
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
（二）聚光镜
实用文档
25
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统（二）聚光镜
聚光镜：会聚电子枪射 出的电子束，以最小的 损失照射样品，调节照 明强度、孔径角和束斑 大小
双聚光镜系统：第一聚
1）可以实现微区物相分析。
GaP纳米线的形貌及其衍射花样
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11
为什么要用TEM?
0.61 r0 nsin
不同加速电压下电子束的波长
V(kV) 100
(Å) 0.0370
2）高的图像分辨率。 200
300
0.0251 0.0197
1000
0.0087
纳米金刚石的高分辨图像
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12
为什么要用TEM?
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16
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜的组成结构
通常透射电镜由电子
光学系统、电源与控
制系统、真空系统、
和循环冷却系统组成，
其中电子光学系统是
电镜的主要组成部分。
透射电镜的外观照片
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17
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜的组成结构 照明系统
电子光学系统 成像系统
观察记录系统
电源与控制系统
TEM
真空系统
循环冷却系统
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电 电子电子光枪学系统组成
子
聚光镜
光
样品台
样品装置
部分
照明部分
学
物镜
系
中间镜
部分
成像
统
投影镜
荧光屏
照相底片 观察记录部分
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19
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
电子光学系统组成结构
1.照明系统： 电子枪＋聚光镜
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28
物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它 的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前， 高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。
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29
（一）物镜
提高物镜分辨率的措施：
1. 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精 度。一般来说，极靴的内孔和上下极之间的距 离越小，物镜的分辨率越高。
2. 在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光 阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而 且可以提高图像的衬度。
2.成像系统： 物镜＋中间镜＋投影镜
3.观察记录系统： 荧光屏＋照相底片
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20
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统
照明系统主要组成： 电子枪+平移对中、倾 斜调节装置+聚光镜
照明系统的作用：提
供一束亮度高、照明
孔径角小、平行度好、
束流稳定的照明源。
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21
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
内容回顾：电子光学基础
光学显微镜的分辨率
极限（200nm)
原因？
受可见光波长限制
电子波
比可见光短十万倍
光学透镜、电磁透镜的成像原理
电磁透镜的像差与分辨本领
电磁透镜的景深和焦长
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1
第九章 透射电子显 微镜
透射电镜结构与工作原理
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2
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜 Transmission Electron Microscope, TEM
是以波长极短的电子束作为照明源、用电磁透镜聚焦成像的一
种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器，是观察分析材料
的形貌、组织和结构的有效工具。
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3
分析透射电子显微镜 JEM200CX
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4
分析透射电子显微镜JEM2010
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5
分析型透射电子显微镜
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6
超高压电 镜
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7
TEM发展简史
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8
近代TEM发展史上三个重要阶段
像衍理论(50－60年代)： 英国牛津大学材料系 P.B.Hirsch, M.J.Whelan；英国
3）获得立体丰富的信息。
三极管的沟道边界的高分辨环形探测实器用（文A档DF）图像及能量损失谱
13
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
5万倍
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14
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则微孔
孔径: 6.2 Å
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则介孔
孔径: 7-8 nm
剑桥大学物理系 A.Howie （建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电
子衍射衬度理论） 高分辨像理论（70年代初）： 美国阿利桑那州立大学物理系J.M.Cowley，70年代发
展了高分辨电子显微像的理论与技术。 高空间分辨分析电子显微学（ 70年代末，80年代初）
采用高分辨分析电子显微镜（HREM，NED，EELS, EDS）对很小范围（～5Å）的区域进行电子显微研究 （像，晶体结构，电子结构，化学成分）
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30
光学透镜的焦距是固定的。电磁透镜的焦距是可以 通过调节电流大小来改变。
1924年de Broglie提出波粒二象性假说 1926 Busch指出“具有轴对称性的磁场对电子束
起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”。 1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid
进行了电子衍射实验。 1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电
光镜是强激磁透镜；第
二聚光镜是弱激磁透镜
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二、成像系统
1、物镜 2、中间镜 3、投影镜
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成像系统
（一）物镜 物镜作用：成像系统的第一级
放大透镜，形成第一幅高分辨 率电子显微图像和电子衍射花 样。 物镜特点：强激磁、短焦距 （1-3mm），高放大倍数，高分 辨率。
物镜决定透射电子显微镜分辨 本领
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9
各国代表人物
美国伯克莱加州大学G.Thomas将TEM第一 个用到材料研究上。
日本岗山大学H. Hashimoto日本电镜研究 的代表人。
中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、 朱静。
国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理 所）、沈阳金属所、清华大学。
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为什么要用TEM?
一、照明系统 灯丝
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统 （一）电子枪
透射电镜常用75-200kV加速电压
热阴极三极电子枪：发夹形 钨丝阴极＋栅极帽＋阳极，
栅极作用：限制和稳定电子 束流
电子源：阴极和阳极之间电 子束会集成的交叉点
电子源直径显微镜的结构和成像机理
（一）电子枪
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
（二）聚光镜
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统（二）聚光镜
聚光镜：会聚电子枪射 出的电子束，以最小的 损失照射样品，调节照 明强度、孔径角和束斑 大小
双聚光镜系统：第一聚
1）可以实现微区物相分析。
GaP纳米线的形貌及其衍射花样
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为什么要用TEM?
0.61 r0 nsin
不同加速电压下电子束的波长
V(kV) 100
(Å) 0.0370
2）高的图像分辨率。 200
300
0.0251 0.0197
1000
0.0087
纳米金刚石的高分辨图像
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为什么要用TEM?
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16
§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜的组成结构
通常透射电镜由电子
光学系统、电源与控
制系统、真空系统、
和循环冷却系统组成，
其中电子光学系统是
电镜的主要组成部分。
透射电镜的外观照片
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜的组成结构 照明系统
电子光学系统 成像系统
观察记录系统
电源与控制系统
TEM
真空系统
循环冷却系统
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电 电子电子光枪学系统组成
子
聚光镜
光
样品台
样品装置
部分
照明部分
学
物镜
系
中间镜
部分
成像
统
投影镜
荧光屏
照相底片 观察记录部分
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
电子光学系统组成结构
1.照明系统： 电子枪＋聚光镜
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物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它 的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前， 高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。
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（一）物镜
提高物镜分辨率的措施：
1. 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精 度。一般来说，极靴的内孔和上下极之间的距 离越小，物镜的分辨率越高。
2. 在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光 阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而 且可以提高图像的衬度。
2.成像系统： 物镜＋中间镜＋投影镜
3.观察记录系统： 荧光屏＋照相底片
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统
照明系统主要组成： 电子枪+平移对中、倾 斜调节装置+聚光镜
照明系统的作用：提
供一束亮度高、照明
孔径角小、平行度好、
束流稳定的照明源。
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
内容回顾：电子光学基础
光学显微镜的分辨率
极限（200nm)
原因？
受可见光波长限制
电子波
比可见光短十万倍
光学透镜、电磁透镜的成像原理
电磁透镜的像差与分辨本领
电磁透镜的景深和焦长
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1
第九章 透射电子显 微镜
透射电镜结构与工作原理
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
透射电子显微镜 Transmission Electron Microscope, TEM
是以波长极短的电子束作为照明源、用电磁透镜聚焦成像的一
种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器，是观察分析材料
的形貌、组织和结构的有效工具。
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分析透射电子显微镜 JEM200CX
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分析透射电子显微镜JEM2010
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分析型透射电子显微镜
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超高压电 镜
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TEM发展简史