透射电镜基础知识
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
透射电镜基础知识
维修 价格/操作性
热电子发射
场发射
W
约5×105 50 μm
LaB6
热阴极FEG
ZrO/W(100) W(100)
冷阴极FEG
W(310)
约5×106 约5×108
约5×108
约5×108
10 μm
0.1~1 μm 10~100 nm 10~100 nm
2.3
1.5
0.6~0.8
0.6~0.8
0.3~0.5
电子显微学
电子显微学是一门探索电子与固态物质 结构相互作用的科学。
人眼睛的分辨率~0.2 mm，电镜的空间 分辨率~1 Å
JEOL JEM 2100F的点分辨率为2.3 Å
凝聚态物理、半导体电子技术、材料学、 纳米科学、化学、生物及地质
电子显微学在材料科学中的贡献
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。(衍衬像)
电镜象
纳米碳管结构模型
电学性能、铁电性能与微结构的关系
VB CB
A 铁电超晶格结构 （Pan X Q） B 半导体超晶格结构与电子能带调制(A. K.
Gutakovskii, 2000 Nobel Prize for Physics)
电子枪(Electron gun) 镜筒(sample stage)
中间镜和投影镜 Intermediate and
projector lens
荧光屏 phosphor screen
照明系统 illumination system
样品台区域 Stage area
成像系统 Imaging system
JEM-2100F不同成像模式的光路图
第一聚光镜
第二聚光镜 会聚小透镜
透射电镜的基本原理
透射电镜的基本原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种使用电子束而非光线进行成像的仪器。
它使用高能电子束将样品穿透，然后收集透射的电子，并通过电子透射图像来获得样品的高分辨率图像。
以下是透射电镜的基本原理。
1.电子源：透射电镜中的电子通常是通过热发射或场发射从钨丝或钨尖中提取出来的。
电子源通常位于电镜的顶部，并通过加热或外加电场使电子发射。
2.加速器和减速器：电子源中产生的电子通过一个加速器进行加速，以达到高能水平。
这样可以使电子具有足够的能量穿透样品。
在穿过样品后，电子被进一步减速，以改变电子束的相对能量。
3.样品：样品通常是非晶态或晶态材料，厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
样品先被制备成极薄切片，并被放置在透明的钢网上，并通过透射底座固定在电镜中。
4.磁透镜系统：磁透镜系统用于聚焦和定向电子束。
它可以通过控制磁铁中的磁场来控制电子束的聚焦和导向。
电镜通常包含一个物镜透镜和一个对焦透镜。
物镜透镜具有更大的聚焦能力，用于将电子束聚焦到样品上，而对焦透镜用于微调焦距。
5.透射：电子束穿过样品时会与样品中的原子和电子发生相互作用。
其中一个主要的相互作用是电子与样品中的原子核和电子发生库仑散射。
这些相互作用会使电子的能量损失，并改变电子的路径。
透射电子图像是根据这些散射事件的位置和能量损失来重建的。
6.探测器：透射电子通过样品后，会被收集并转换为可视图像。
光学系统使用透射电子图像来放大和重构样品。
最常用的探测器是闪烁屏幕和摄像机。
闪烁屏幕会发出光，而摄像机则将光转换为电信号，并将其转化为可视化的图像。
7.后处理：获得的透射电子图像可以通过计算机后处理进行增强和处理。
这些处理包括调整对比度，增强细节以及从二维图像中提取出三维信息。
透射电镜的原理允许它在纳米尺度下观察物质的结构和形貌。
与传统的光学显微镜相比，透射电镜具有更高的分辨率和更大的深度解析力。
透射电镜(TEM)讲义
05
TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
01
02
03
04
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。
04
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
01
02
03
6.透射电镜
实验目的
1. 听取电子显微镜的有关介绍，了解电子显微镜的基础知识。
2. 观察生物电镜样品，在电镜下识别、掌握细胞器的亚显微
结构。 3.了解超薄切片的制备及观察。实验内容透来自电镜的基本结构 透射电镜的成像原理
透射电镜的使用方法
超薄切片的制备与观察
一、透射电镜的基本结构
电子光学系统
8.超薄切片: 能否切出没有刀痕,没有震颤,厚薄均匀,平整无皱折的切片 是超薄切片中的中心环节,这取决于切片机的性能,切片刀的质量 包埋块的软硬以及操作者的经验与耐心. (1) 制备支持膜 (2) 包埋块的修整 (3) 刀的制作 (4) 切片 (5) 收集切片 9.切片的染色: 超薄切片的染色，目的是提高生物样品的反差.一般用重金属 盐（醋酸双氧铀和柠檬酸铅）进行染色. 10.透射电镜样品的观察: 为能独立分析电镜图像和照片的资料,应掌握以下要领: (1)正确使用放大率 (2)对组织和细胞的初步鉴定
五、超薄切片的制备与观察
1.取材: 快 准 轻 小 . 2.固定: 0-4℃,戊二醛－锇酸双重固定 (用缓冲液配制). 固定的目的在于使离体组织细胞尽量保持原有的形态结构. 3.漂洗: 用同系列缓冲液,避免残留固定液在其后固定或脱水中还原生成 组织内电子不透明沉淀物. 4.染色: 加强反差,醋酸双氧铀酒精溶液,30-60分钟. 5.脱水: 用脱水剂置换样品中的游离水, 常用酒精或丙酮. 6.浸透: 使包埋剂逐步浸入细胞内,取代脱水剂 ,环氧丙烷/包埋剂. 7.包埋: 纯包埋剂,将浸透好的样品块放在胶囊或模具中,注入包埋剂包埋, 经37℃过夜,45℃12小时,60℃48小时, 加温聚合,即成包埋块。 去胶囊,保存于干躁器中.
图4 光镜和透射电镜结构的比较
透射电镜的原理与演示ppt培训讲义
扫描电镜
光镜、透射电镜及扫描电镜的成像光路图解
四、扫描电镜的结构与成像原理
1. 扫描电镜的基本结构
扫描电镜
电子枪 电磁透镜 电子光学系统 扫描线圈 样品室 信号的收集处理及显示系统 真空系统 供电保护系统等
电子枪 (1~10KV)
显示系统(显象管)
电磁透镜 真空系统
扫描线圈
信号的收集处理系统 样品室
成像原理：
高压电子枪 高速电子束
电磁透镜
样品
电子束发生投射
荧光屏 电能转变成光能
浓淡不同的图像 图像各处浓淡的不同真实反映
了样品不同部位的物质结构
透射电镜照片演示
微管蛋白的免疫荧光照片
透 图像各处浓淡的不同真实反映了样品中不同部位的物质结构 射 电 镜 照 片 演 示
一个植物细胞的透射电镜照片
供电 保护 系统
电磁 透镜
电磁 透镜
电子枪灯丝
电子光学系统
Байду номын сангаас
扫描线圈的 束偏转器
显象管
样品 样品托
探测器 扫描电镜的结构简图
2. 扫描电镜的成像原理
电子枪
电子束 荧光点的亮度 扫描线圈
样品表面上相应点 所发出的次级电子数
电磁透镜 次级电子信号
样品表面
探测器
接 受、 转变成光子
放 大、
光电倍增管 转换成电压信号
以提高真空度
➢降低温度可防止电子的热漂移
样品室
样品放置室
冷阱
液氮罐 金属导杆
铜网 样品
物镜
成像与放大装置 中间镜I
中间镜II 投影镜
放大50倍 放大3倍 放大15倍 放大200倍
500,000倍
透射电镜
透射电镜的基本功能有：获取高分辨率、高放大
倍率的电子图像，可直接观察矿物的晶体形态、晶格象、 晶体缺陷、显微双晶和出溶作用等现象；进行电子衍射操 作（常用于选区电子衍射）可确定晶体的对称性，计算晶 胞参数，鉴定物相，测定晶体取向等；配以成分分析附件， 可以进行微区成分分析。
现代透射电镜大多包括：扫描透射电子显微系统、
像）。
位相衬度
位相衬度是由于透射 电子与衍射电子在离开试 样后发生干涉产生的衬度。 透射电子行程L，衍射 电子的行程（L2+d2)1/2， 当二者的光程差为λ 的整 数倍时产生干涉。
(3) 超薄切片法
高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄 样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内 部结构，可采用此法制样。 用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超 薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服 这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻； 或将样品包埋在一种可以固化的介质中。 选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样 品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削 过程中使超微结构发生变形。
动的全部路径上必须保持高度的真空，以防止电子与空气分 子相碰而改变电子运动方向，防止放电(电离空气分子现象) 和灯丝氧化等。因此，整个镜体，包括照相室，都密封在真 空系统中。一般要求其真空度不低于10-4毫米水银柱，真空 度则依据机械泵和扩散泵的工作来获得。通常在试样室和镜 筒主体间设有可动的隔离装置，以便在更换试样时，只需局 部破坏真空，这样，就可大大提高工作效率。
透射电镜与光学显微镜的原理对比
透射电镜的成像放大原 理与普通光学显微镜极为相 似。不同之处在于电子显微 镜用电子枪发射的电子束作 照明源，用电磁透镜取代玻 璃透镜进行聚焦、成像和放 大。由于电子束与可见光有 一系列本质上的差别，因此， 无论在仪器结构上，还是在 功能和性能方面都明显地不 同于光学显微镜。
透射电镜
透射电子显微镜锁定透射电镜一般指透射电子显微镜本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。
要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。
目前TEM的分辨力可达0.2nm。
中文名透射电子显微镜外文名Transmission Electron Microscope简称TEM发明人物E.Ruska1简介▪大型透射电镜▪低压透射电镜▪冷冻电镜2历史▪分辨率改进▪进一步研究3背景知识▪电子▪电子源▪电子光学设备▪成像设备4结构原理5成像方式▪对比度信息▪亮场▪衍射对比度▪电子能量损失▪相衬技术▪衍射模式6TEM成像原理7TEM系统组件8照明系统▪电子枪（electronic gun）▪聚光镜（condonser lens）9成像系统▪样品室（specimen room ）▪物镜（object lens）▪中间镜和投影镜10观察记录▪观察室▪照相室▪阴极射线管（CRT）显示器11真空系统▪机械泵（旋转泵）▪油扩散泵12调校系统▪消像散器▪束取向调整器及合轴▪光阑13操作步骤14样品制备15应用1简介电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。
这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。
电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。
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用于材料结构表征电子显微方法
晶体结构的表征
1.电子衍射 • 透射电子衍射; • 反射电子衍射; • 会聚束电子衍射; • 微束电子衍射。
2. 电子显微像 振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像； （对中暗场像，弱束暗场像） 高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。
Hubble Space Telescope
• “哈勃”号太 空望远镜是 目前被送入 轨道的口径 最大的望远 镜。它全长 12.8米，镜筒 直径4.27米， 重11吨。
Robert Hooke (1635-1703) 是早期最著名的 显微学者，观察了植物和动物的微小细节， 如植物的细胞。
1874年德国人阿贝从波动光学的观点提出了 阿贝成像原理。
后现代阶段：无球差色差，单色电子源 21 世纪，与之相适应的电子显微学正在兴起
微观结构《》材料性能
表征内容 • 物相鉴定 • 晶体结构与缺陷 • 晶体对称性 • 组成元素及分布 • 原子排列 • 电子状态 • 磁畴结构,电畴结构 • 界面结构
分析方法 • 电子衍射 • 高分辨像，衍射衬度像 • Z-衬度像，能量过滤像 • 电子全息 • 电子能量损失谱， X 射
电镜象
纳米碳管结构模型
电学性能、铁电性能与微结构的关系
VB CB
A 铁电超晶格结构 （Pan X Q） B 半导体超晶格结构与电子能带调制(A. K.
Gutakovskii, 2000 Nobel Prize for Physics)
50－60年代, 英国剑桥大学 P. B. Hirsch等 （后来在牛津大学工作）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。
现代阶段：相位衬度 高分辨电子显微学 综合信息 分析电子显微学
70-80年代，美国亚利桑那州立大学J. M. Cowley等发展了高分辨电子显微像的理论 与技术；在这一时期，同时结合HRTEM， CBED，EELS, EDS对纳米尺度的区域进 行研究的分析电子显微学也发展起来。
• 1924年，法国人de Broglie 发表物质的波粒二 象性学说 。
• 1926年，Schroedinger及Heisenberg等发展量 子力学，建立电子的波粒二象性的理论基础。
• 1927年，美国 Davisson和Germer完成电子衍 射实验，证实了电子的波动性。
• 1934年,Ruska在实验室制作第一部透射电镜。
用于材料结构表征电子显微方法
材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
磁畴结构的表征 •洛伦次电子显微方法； •电子全息。
JEM 2100F的功能 1.电子衍射 （选区电子衍射；纳米束电
子衍射；会聚束电子衍射）
2.衍衬像 3.高分辨像 4.X-射线能谱
位错(dislocation)与材料的性质
2. 准晶的发现扩展了晶体的范畴。(电子衍射) 1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义： “晶体是指任何给出基本上有明确衍射图的固 体，而非周期性晶体是指无周期性的晶体”。
3. 纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。 (高分辨像)
电子显微学的发展简史
望远镜和显微镜是人们认识自然的重要工具
1609年，望远镜在荷兰诞生。 望远镜只能将物体放大三倍， 仅在聚会中充当玩具而已。 但是伽利略看到了望远镜的 其它用途，并着手对其加以 改进。到1610年，他所制造 的高倍望远镜已可以用于战 争。左图是伽利略使用过的 望远镜。
JEOL的双球差透射电镜
JEM-2200FS OL-CL Cs
Sub-Å era 分辨率：1 Å 束斑： 1 Å
电子与材料的相互作用
二次电子 Auger电子
入射电子 背散射电子 X-射线
阴极荧光
吸收电子
弹性散射电子 非弹性 透射电子 散射电子
电子显微学技术的发展
初级阶段：质厚衬度 形貌观察
经典阶段：衍射衬度 缺陷研究
出射波在exit (x, y) 傅里叶变换 a(kx , k y )
样品出射波在像平面重构成像
象平面
exit (x, y) 傅里叶变换
a(kx , ky ) exit (Mx, My)
二次傅里叶变换
• 1897年，英国人J.J. Thomson发现电子。
• 1912年，von Laue发现X光衍射现象，提出了 Laue公式（透射）；后经Bragg父子进一步发 展，提出Bragg公式（反射），奠定了X光衍射 和利用电子衍射测定晶体结构的基本方法。
• 1938 年，第一部商售电子显微镜问世。
• 20世纪后半世纪，电子显微镜有了长足的发展， 先后研制出高分辨型和分析型透射电镜，加速 电压高于1MV的超高压电镜。
• 1990年, Rose提出用六极校正器校正透镜像差 得到无像差电子光学系统的方法。后来在飞利 浦CM200ST场发射枪200kV透射电镜上增加了 这种六极校正器，研制成世界上第一台像差校 正电子显微镜。分辨率优于1Å。
现代透射电子显微镜
分析型电子显微镜 高分辨电子显微镜 像差色差校正电子显微镜 扫描透射电子显微镜 超高压透射电子显微镜 能量过滤电子显微镜 场发射枪电子显微镜
超高压透射电镜 JEM-ARM1250
1.25 MeV
分辨率: 1.2 Å
FEI的Titan 80-300 STEM电镜
Sub-Å era 分辨率：1 Å 束斑： 1 Å
电子显微学
电子显微学是一门探索电子与固态物质 结构相互作用的科学。
人眼睛的分辨率~0.2 mm，电镜的空间 分辨率~1 Å
JEOL JEM 2100F的点分辨率为2.3 Å
凝聚态物理、半导体电子技术、材料学、 纳米科学、化学、生物及地质
电子显微学在材料科学中的贡献
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。(衍衬像)
• 金属的强度一般 低于其原子键所 赋予的理论强度。
• Taylor提出位错 理论进行解释。 g=0-44
g=3-33
• 赫什（Hirsch） 用电镜从实验上 证明了位错的存 在。
g=004
g=4-22
纳米材料的结构表征
Somu Iijima(饭岛)于1991年在电子显微镜下发现 纳米碳管，Nature，354 (1991) 56.