透射电子显微镜(TEM)
电子显微镜-TEM
目录
一、电子显微镜简介
二、基础知识 三、透射电镜原理和结构 四、透射电镜的成像原理
一、电子显微镜简介
电子显微镜是利用电子束对样品放大成像的一种显微镜，包括扫
描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透射电镜 (Transmission Electron Microscopy，TEM）两大类型，其分辨率 最高达到0.01nm，放大倍率 高达1500 000倍，借助这种 显微镜我们能直接观察到物 质的超微结构。
二、基础知识
基础知识
三、透射电镜原理和结构
3.1 透射电镜的基本原理
透射电子显微镜（Transmission electron microscope，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。 具有一定能量的电子束与样 品发生作用，产生反映样品 微区厚度、平均原子序数、 晶体结构或位向差别的多种 信息。
将上式展成级数，并略去二级及其以后的各项，得：
02 2t 2 01 1t1 G NA M M 2 1
将 t 称为质量厚度。
透射电镜的成像原理
4.2.3.质厚衬度表达式
对于大多数复型来说，因其是用同一种材料做的，上式可写为
N A 0 t2 t1 G M
1、把畸变晶体看成是局部倒易点阵矢量、或局部晶面 间距发生变化：g g g
2、把畸变晶体看成是完整晶体的晶胞位置矢量发生变
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
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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
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的工具。
相对于光学显微镜，TEM可以提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在研究纳米尺度物体和物质的晶体结构等方面具有独特的优势。
下面将介绍TEM的原理以及工作过程。
TEM的主要组成部分包括电子源、电子光学系统、样品台以及探测器。
第一部分是电子源。
TEM使用的是热阴极电子源，通过加热材料产生的电子可以使它们跨越电子能障形成电子束。
电子束的形成需要经过一系列的加速器和准直透镜等装置，以确保电子束稳定的强度和方向。
第二部分是电子光学系统。
TEM的电子光学系统由一个或多个透镜组成，包括准直透镜、磁透镜和目标透镜。
准直透镜用于平行化电子束，磁透镜用于对电子束进行聚焦，目标透镜用于调整电子束的焦距。
这些透镜的组合可以将电子束聚焦到非常小的尺寸上，从而实现高分辨率的成像。
第三部分是样品台。
样品台是放置待观察样品的平台，可以通过控制样品的位置、倾斜角度等参数来调节观察角度和焦距。
第四部分是探测器。
探测器是接收和记录电子束穿过样品时所发生的相互作用的装置，常用的探测器包括像差探测器（Diffraction Contrast Detector）和投影光学探测器（Projection Optics Detector）。
像差探测器可以测量样品中的晶体缺陷和晶体结构，而投影光学探测器可以获得样品的原子分布图像。
TEM的工作过程如下：首先，样品被制成非常薄的切片，并被放置在样品台上。
然后，电子束由电子源发出，并通过光学系统的透镜进行聚焦。
接下来，聚焦的电子束穿过样品，并与样品中的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子-电子相互作用、电子-晶格相互作用和电子-原子核相互作用。
然后，电子束到达探测器，根据不同的探测器可以得到不同的信息。
像差探测器可以根据电子束的衍射来获得样品中的晶体结构信息，而投影光学探测器则可以获得样品的原子分布图像。
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。
THANK YOU
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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TEM透射电子显微镜的成像原理
TEM透射电子显微镜的成像原理TEM（Transmission Electron Microscopy）是一种高分辨率的显微镜技术，主要用于研究材料的微观结构和组织。
TEM利用电子束而非光束，可以实现比光学显微镜更高的分辨率，能够观察到纳米级别的细节。
其成像原理可以分为电子光学原理和电子-物质相互作用原理两个方面。
首先，电子光学原理是TEM成像的基础。
TEM的光学系统由一个电子源、一系列透镜、标本和一个像屏组成。
电子源通常采用热阴极的方式，通过加热金属丝使其发射电子。
这些电子经过一系列透镜的聚焦作用，形成一个细束，并进入样品。
对于TEM而言，最重要的透镜是电磁透镜，通常是通过一对线圈产生的。
电磁透镜中的电磁场可以对电子束进行聚焦和对准，以便在样品上形成清晰的像。
透镜的设计和设置可以调整其聚焦能力和调制电子束的波前。
透射电子显微镜通常具有两个凸透镜，分别称为物镜和目镜。
物镜透镜在样品和像屏之间，起到聚焦电子束和收集被样品散射的电子的作用。
目镜透镜位于像屏和观察者之间，用于观察和放大图像。
其次，电子-物质相互作用原理也是TEM成像的重要部分。
透射电子在穿过样品时会与样品中原子的电子发生相互作用，这种相互作用会导致电子的散射和吸收。
根据散射和吸收的强弱，我们可以获得关于样品内部结构和组织的信息。
散射现象包括弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指电子与原子的表面电子或晶格电子发生碰撞而改变方向，但能量基本保持不变。
非弹性散射是指电子在与样品中的原子碰撞时损失或获得能量。
这些散射电子通过透镜被聚焦到像屏上，呈现出所观察到的图像。
通过分析散射电子的强度和角度，我们可以推断出样品中的晶体结构、物质的化学成分和其它细节。
吸收现象是指电子在穿过样品时被材料中的原子吸收。
这种吸收现象通常被用来确定材料的厚度和密度。
因此，TEM利用电子束与样品相互作用的方式，可以获得关于样品结构和组织的信息。
通过聚焦和收集散射电子，形成清晰的图像，进而研究材料的微观特性。
tem工作原理
tem工作原理
TEM（透射电子显微镜）工作原理是利用电子束穿透物质样
本并通过透射方式形成样本的显微图像。
TEM是一种高分辨
率的显微镜，可用于观察和研究非常细小的物质结构。
TEM的基本构造包括电子源、透镜系统和探测器。
首先，电
子源产生高能电子束。
然后，电子束通过一系列透镜系统，包括电子透镜和物镜透镜，来聚焦电子束并使其通过样本。
透过样本后，电子束进入投射透镜，再通过聚焦透镜，最后进入探测器。
在通过样本的过程中，一部分电子束会被样本中的原子核、电子等相互作用而散射出去，另一部分电子束则会透过样本并与探测器相互作用。
探测器收集到的透射电子信号会转化为电信号，并通过电子学系统进行放大和处理。
最终，这些电信号被转化为图像，并通过显示器或拍摄设备进行观察和记录。
TEM的工作原理基于电子的波粒二象性，在透明薄样品的情
况下，电子束的穿透性可以用来解析样本内部的微观结构。
TEM在分辨率方面具有很高的优势，可以观察到纳米级别的
细小结构和特征。
同时，TEM还可以通过调整电子束的能量，实现不同样本性质的观测，如原子分辨率、晶体结构、元素分析等。
总而言之，TEM的工作原理是通过电子束穿透样本，利用透
射方式形成样本的显微图像。
这种技术在材料科学、生物科学和纳米科技等领域具有重要的应用价值。
TEM(透射电子显微镜)
观察记录部分
荧光屏：在电子束照射下，电子图像反映在荧 光屏上，可呈现终像。研究者通过观察窗在荧 光屏上进行像的观察、选择和聚焦。除了荧光 屏外，还配有用于单独聚焦的小荧光屏，在主 观察窗外有5~10倍的双目镜光学显微镜，以对 图像精确聚焦和观察，可以把终像放大3~10 倍。 照相底片：最常用的透射电镜的照相底片是片 状的胶片。胶片的一面有厚度约为25μm的明胶 层，明胶层含有均匀分散的10%的卤化银颗 粒。照相底片在电子束的照射下能感光。它对 电子的感光特性基本上与可见光的感光特性一 样（只是灵敏度和噪声不同）。
( 1 0 . 978 10 V ) ( nm ) V
1 2Βιβλιοθήκη 1 6 2TEM发展概述
1926年德国科学家Garbor 和Busch发现用铁壳封闭 的铜线圈对电子流能折射 聚焦，既可作为电子束的 透镜。 1932年德国科学家Ruska和 Knoll在前面两个发现的基 础上研制出第一台TEM
成像部分
物镜：为放大率很高的短距透镜，对样品成像 和放大。它是决定TEM分辨本领和成像质量的 关键。因为它将样品中的微细结构成像、放 大，物镜中的任何缺陷都将被成像系统中的其 他透镜进一步放大。
中间镜：是一个可变倍率的弱透镜，可以对电 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。 投影镜：为高级强透镜，最后一级放大镜，用 来放大中间像后在荧光屏上成像。
电子光学系统组成
电 子 光 学 系 统 电子枪 聚光镜 样品台 物镜 中间镜 投影镜 荧光屏 成像部分 观察记录部分 样品装置部分 照明部分
照明部分
电子枪：发射电子的场所， 也是电镜的照明源。由阴极 （灯丝）、栅极、阳极组 成。阴极管发射的电子通过 栅极上的小孔形成电子束， 电子束有一定发射角，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，形成很小的平行电子 束。
TEM电子显微镜工作原理详解
TEM电子显微镜工作原理详解TEM电子显微镜是一种高分辨率的分析仪器，能够在纳米尺度下观察材料的微观结构和成分，对于研究材料的性质和特性具有重要意义。
本文将详细介绍TEM电子显微镜的工作原理，包括透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜。
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）工作原理：透射电子显微镜主要由电子光源、透镜和探测器组成。
首先，电子光源发射高能电子束，这些电子从阴极发射出来，经过加速器获得较高的能量。
然后，电子束通过一系列的电磁透镜进行聚焦，使电子束变得更加细致和密集。
接着，电子束通过物质样本，部分电子被样本吸收或散射，形成透射电子。
这些透射电子被接收器捕获和放大成像，形成TEM图像。
透射电子显微镜的工作原理是基于电子的波粒二象性。
电子是一种粒子同时也是一种波动，其波动性质使得它具备非常短的波长，远远小于可见光的波长。
这使得TEM能够观察到比传统光学显微镜更小的尺度。
另外，透射电子显微镜在工作中还需要考虑电子束的束流强度、对样本的破坏性和控制样本与探测器之间的距离等因素。
TEM电子显微镜通过透射电子成像方式观察样本，因此对样本的制备要求非常高。
样品需要制备成非常薄的切片，通常厚度在几十纳米到几百纳米之间，以保证电子可以穿透。
对于一些无法制备成切片的样品，可以利用离子切割或焦离子技术获得透明的样品。
此外，在观察样本时需要避免污染和氧化等现象。
扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope，STEM）工作原理：扫描透射电子显微镜是透射电子显微镜的一种变种，它在透射成像的基础上加入了扫描功能。
STEM可以实现高分辨率的成像，同时也可以进行能谱分析和电子衍射。
STEM电子显微镜工作原理类似于透射电子显微镜，但需要注意的是，STEM使用的电子束并不需要通过所有的样本区域。
电子束只需通过样本中的一个小区域，然后扫描整个样本，因此样本制备要求和透射电子显微镜相比较低。
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2. 放大倍数的测定
已知球径的塑料小球作标样 定向单晶薄膜作标样
（2）聚光镜 作用：将有效光源会聚到样品上 控制照明孔径角、照明亮度、束斑大小 保证照射到样品上的电子束强度高、直径小、 相干性好 双聚光镜：强磁透镜，使光斑缩小 弱磁透镜，将有效光源会聚到样品上 聚光镜光阑： 位置：在双聚光镜系统中，光阑常装在第二聚光镜的
下方。光阑孔的直径为20-400m。作一般分析观察时， 聚光镜的光阑孔直径可用200-300 m。
（3）投影镜
作用：将经中间镜放大（或缩小）的像 （或电子衍射花样）进一步放大，并投影 到荧光屏上 短焦距的强磁透镜 目前，高性能的透射电镜都采用5级透镜放 大，即中间镜和投影镜有两级
（4）成像原理
平行电子束与样品相互作用产生衍射束 经透镜聚焦后形成各级衍射谱 各级衍射谱发出的波相互干涉重新在像 平面上形成反映样品特点的像
第五章
透射电子显微镜（TEM）
TEM：波长极短电子束
电磁透镜聚焦 高分辨率 高放大倍数 透射电镜与光学显微镜比较 TEM结构：电子光学系统、真空系统、 供电系统
一、电子光学系统 1.照明系统 作用：提供亮度高、照明孔径角小、束流稳定 的照明源 组成：电子枪、聚光镜、平移对中及倾斜调节 装置 （1）电子枪 热阴极三级电子枪 阴极：发射热电子；阳极；加速阴极发射出来 的电子；栅极：汇聚电子束和稳定电子束流 注：热电子发射源、场发射源
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子 枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压 稳流部分。
Tecani G2 型透射电子显微镜
JEM2010F型透射电子显微镜
三、TEM分辨本领和放大倍数的测定 1.分辨率的测定
点分辨率
拍摄铂、铂－铱等粒子像
粒子间最小距离/总放大倍数
晶格分辨本领 拍摄定向单晶薄膜晶格像 衍射光栅复型作标样
4.观察和记录系统
照相观察和记录装置包括荧光屏和照明机构， 在荧光屏下面放置一个可以自动换片的照相暗盒。 照相时只要把荧光屏掀往一例垂直竖起，电子束 即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦 长很大．显然荧光屏和底片之间有数厘米的间距， 但仍能得到清晰的图像。
二、真空系统和供电系统
为了保证电子电子束在整个，整个电子通道从电子枪至照相 底板盒都必须置于真空系统之内。
作用：限制照明孔径角。
（3）平移对中倾斜调节 垂直照明：适于明场
电子束轴线与成像系统合轴
倾斜照明：适于暗场
电子束轴线与成像系统成一定角度
2.样品室
样品铜网 侧插式倾斜装置 移动-选择视场 倾斜-晶体结构分析 双倾样品台
阴极（接 负高压） 栅极（比阴极 负100~1000伏） 阳极 电子束
聚光镜
试样
3.成像系统 物镜、中间镜、投影镜三级成像 作用：反映样品内部特征的透射电子转变为可 见光图像或电子衍射谱并投射到荧光屏或照 相底板上 （1）物镜 高放大倍率、短焦距的强磁透镜 作用：形成第一幅高分辨率的电子像或电子 衍射谱 透射电镜的分辨率很大程度上取决于物镜
分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度 物镜光阑（衬度光阑）：
套取衍射束的斑点成像
选区光阑（视场光阑、场限光阑）： 位置：放像平面上
作用：挡掉大角度散射电子，提高衬度； 作选区衍射 一般选区光阑孔的直径位于20—400m。
（2）中间镜 可变倍率的弱磁透镜 作用：①将物镜形成的一次电子像或衍射谱进行
放大，投射到投影镜物平面，形成第二幅电子像 或衍射谱 ②调节总放大倍数
位置：物镜的后焦面上
作用：*限制孔径角大小，提高衬度和分辨率；
常用物镜光阑孔的直径是20-120 m范围。电子束通过薄 膜样品后会产生散射和衍射散射角(或衍射角)较大的电子被光 阑挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成 具有一定衬度的图像。 使物镜孔径角减小，减小像差，提高分辨率
*形成暗场像