材料现代研究方法：透射电子显微镜工作原理及构造
电子行业第七章透射电子显微镜
电子行业第七章透射电子显微镜1. 引言透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种利用电子束通过物质样品来观察和分析样品内部结构的高分辨率显微镜。
它在电子行业中具有重要的应用价值。
本文将介绍透射电子显微镜的原理、组成部分、工作原理以及在电子行业中的应用。
2. 原理透射电子显微镜的工作原理主要基于电子的波粒二象性，即电子既具有波动性又具有粒子性。
透射电子显微镜通过将电子射入样品，并测量透过样品的电子束的强度和相位的变化，从而获得具有高分辨率的样品图像。
3. 组成部分透射电子显微镜主要由以下几个组成部分构成：3.1. 电子源透射电子显微镜通常使用热阴极电子枪作为电子源。
热阴极电子枪通过加热钨丝，使其发射出带有高能电子的电子束。
3.2. 透镜系统透射电子显微镜的透镜系统主要包括凸透镜和凹透镜。
这些透镜可以通过调节电磁场来聚焦或散射电子束，从而控制电子束的路径和聚焦度。
3.3. 样品台样品台是透射电子显微镜用来固定和支撑样品的平台。
样品通常是非导电材料，需要使用特殊的处理方法，例如金属镀膜，以增强电子的透射性。
3.4. 探测器透射电子显微镜的探测器用于测量透过样品的电子束的强度和相位的变化。
常用的探测器包括闪烁屏、像差补偿系统和光电倍增管。
4. 工作原理透射电子显微镜的工作原理可以分为以下几个步骤：1.电子源产生高能电子束。
2.电子束通过透镜系统进行聚焦和聚差。
3.电子束通过样品，并透过样品的部分电子被散射、吸收或透射。
4.探测器测量透过样品的电子束的强度和相位的变化。
5.根据探测器的测量结果，生成和显示样品的图像。
5. 应用透射电子显微镜在电子行业中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：5.1. 材料科学透射电子显微镜可以用于研究材料的晶体结构、晶格缺陷、纳米颗粒等。
它可以提供高分辨率的图像和成分分析结果，帮助研究人员了解材料的性质和行为。
5.2. 生物学透射电子显微镜可以用于观察生物样品的超微结构，例如细胞器、细胞核、细胞膜等。
材料现代测试分析技术-TEM透射电镜
Why？
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分辨率
球差 色差
像差
像散 电磁透镜也和光学透镜一样，除了衍射 效应对分辨率的影响外，还有像差对分 辨率的影响。由于像差的存在，使得电 磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜 的像差包括球差、像散和色差。
球差
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球差是因为电磁透镜的中心区域磁场和边缘区 域磁场对入射电子束的折射能力不同而产生的。 离开透镜主轴较远的电子（远轴电子）比主轴 附近的电子（近轴电子）被折射程度大。
平行电子束形成（TEM-mode）
11
（A）C1会聚，C2欠焦，获得近似平行束； 11 （B）C1会聚，C2聚焦，C3调节获得平行束；
会聚电子束形成（STEM，EDS，NBD，CBD）
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（A）C1会聚，C2聚焦，获得会聚束； （B）C1会聚，C3调节获得会聚束；
成像系统
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对电镜： 电子束 聚光镜 物镜 中间镜 投影镜
∆E ∆rC = C c ⋅ α E
像差对分辨率的影响
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由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在 像平面上均会扩展成散焦斑。 各散焦斑半径折算回物体后可得到由球差、像散 和色差所限定的分辨率。
0.61λ ∆r0 = N sin α
衍射效应造成的散焦斑
1 ∆rS =Csα 3 4
球差效应造成的散焦斑
f ≈K
(IN )2
Ur
式中K是常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（IN） 是电磁透镜的激磁安匝数。 改变激磁电流可以改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦 距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。
样品倾斜装置及样品台
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透射电子显微镜步骤
透射电子显微镜步骤透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种非常重要的科学仪器，用于观察微观尺度下的物质结构。
与光学显微镜相比，透射电子显微镜使用的是电子束而不是光束，通过透射电子的原理来观察样本的巨细无遗的内部结构。
本文将介绍透射电子显微镜的工作原理和具体操作步骤。
一、透射电子显微镜的工作原理透射电子显微镜主要由电子源、电子光学系统（包括透镜和减速电势），样品台、显微镜筒和检测器等组成。
其工作原理基于透射电子的性质，通过像差补偿技术来获得清晰的图像。
首先，电子枪产生高能电子束，通过电子光学系统进行加速和聚焦。
然后，电子束通过样品台，与样品进行相互作用。
在样品内部，电子束受到不同区域的散射和吸收，产生干涉和衍射现象。
最后，通过检测器来记录电子束通过样品后的信号，形成图像。
二、透射电子显微镜的操作步骤1. 样品制备在使用透射电子显微镜之前，首先需要制备样品。
样品制备的过程包括选择合适的样品材料、切割样品成薄片或小块、样品抛光以去除表面粗糙度，并最终制备成适合透射电子显微镜观察的样本。
2. 样品放置将制备好的样品放置在透射电子显微镜的样品台上。
为保持样品的稳定性，通常会采用样品夹具或胶水等固定样品。
3. 外层真空打开透射电子显微镜的真空系统，将内部气体抽取，创造一个接近真空的环境。
这样可以防止电子束与空气中的分子发生散射。
4. 对准样品通过调整透射电子显微镜的调节杆，使电子束对准样品。
这个过程需要耐心和细致的调整，以确保电子束准确地通过样品。
5. 选择合适的倍数和放大率根据需要观察的样品特性，选择合适的倍数和放大率。
透射电子显微镜通常具有多个倍数和放大率可以选择，以满足不同的观察需求。
6. 调整对焦和亮度通过调整透射电子显微镜的对焦调节手轮，使得样品图像清晰可见。
同时，可以通过调节透射电子显微镜的亮度调节手轮，使图像亮度适宜。
7. 记录图像通过透射电子显微镜的检测器记录图像。
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。
材料现代研究方法：透射电子显微镜工作原理及构造
图9-7 透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏
三、选区电子衍射
图8 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图
选区衍射操作步骤
②柱体近似，即在计算样品下表面衍射波强度时，假设将样品分割 为贯穿上下表面的一个个小柱体(直径约2nm)，而且相邻柱体中的 电子波互不干扰。
的厚度以控制在约100~200nm为宜。 （2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些
特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知 道影响的方式和程度。
一、间接样品(复型)的制备
对复型材料的主要要求： ①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； ②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。 ③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入
质厚衬度原理
由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生 相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄， 吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要 取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜 的孔径角α时,它不能参与成像而相应地变暗.这种 电子越多,其像越暗.或者说,散射本领大,透射电子 少的部分所形成的像要暗些,反之则亮些。
成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形 式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为 磁转角。物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
（3）电磁透镜的分辨本领
r0
A3
/
4C
1/ s
4
（3）
式中：A——常数；——照明电子束波长；Cs——透镜球差系数。 r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。
透射电子显微镜原理及结构课件
观察与记录系统
荧光屏
将投影镜输出的像投影在荧光屏 上，便于观察。
摄像机
将荧光屏上的图像拍摄下来，记录 并传输至计算机进行后续处理。
图像处理软件
对摄像机拍摄的图像进行数字化处 理，如调整亮度、对比度、色彩平 衡等，以便更好地观察和分析样品 结构。
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透射电子显微镜的操作 与维护
透射电镜的操作步骤
衍射是指波遇到障碍物或孔洞时，会沿着障碍物边缘弯曲传播的现象。 在透射电子显微镜中，电子波的衍射使得电子能够散射并形成明暗相间 的斑点或条纹。
电子的干涉与衍射
当电子通过透镜系统时，会受到电场和磁场的作用，从而改 变它们的波函数。透镜系统的设计使得电子在到达样品时具 有相同的相位，从而形成干涉现象。干涉使得电子在样品上 散射并重新聚焦，形成明暗相间的图像。
放置样品
将需要观察的样品放置在电镜 的样品台上，确保样品稳定不 动。
调节亮度与对比度
根据观察的需要，适当调节电 镜的亮度与对比度旋钮，使图 像更加清晰。
打开电源
首先打开透射电镜的电源开关， 确保电源正常。
调整焦距
通过调节焦距旋钮，使电镜的 物镜逐渐接近样品，直到清晰 看到样品的图像。
观察与记录
观察并记录样品的图像，可以 通过电镜的摄像系统或记录仪 进行记录。
衍射是指电子在遇到样品时，会沿着样品的晶格结构散射。 散射的角度取决于样品的晶格常数和电子的波长。通过测量 衍射斑点的位置和强度，可以获得样品的晶体结构和相信息 。
透射电镜成像原理
透射电镜的成像原理是将电子束通过 样品，然后使用透镜系统将散射的电 子聚焦并成像在荧光屏幕上。由于电 子的波长比可见光的波长要短得多， 因此透射电镜能够获得比光学显微镜 更高的分辨率。
透射电子显微镜的工作原理
透射电子显微镜的工作原理
透射电子显微镜是一种利用电子束来观察样品内部结构的仪器。
它的工作原理基于电子的波粒二象性和探测电子与样品的相互作用。
1. 电子源：透射电子显微镜的关键部件是电子源，通常使用热阴极电子枪作为电子源。
热阴极通过加热产生的电子被电场加速形成电子束。
2. 电子加速：电子束通过一系列电场透镜和加速电场，以加速电子的速度。
通常，加速电压可达到数十至数百千伏，使电子的动能足够高，以达到穿透样品的要求。
3. 样品制备：为了观察样品的内部结构，需要将样品制备成非晶质薄片，通常使用切片机或离心切片法将样品切割成纳米至微米厚度的薄片。
然后，将薄片置于透射电子显微镜的样品台上。
4. 电子束透射：加速的电子束通过样品时，会与样品内的原子发生相互作用。
其中，部分电子会被散射，部分会被吸收。
透射电子会穿过样品并保持其原有的信息。
5. 透射电子检测：透射电子进入具有电磁透镜功能的物镜透镜，物镜透镜根据透射电子的波动性将其聚焦。
透射电子经过物镜透镜后进入投影平面，通过透射电子探测器的探测，最终形成透射电子显微图像。
6. 图像处理与观察：通过对透射电子显微图像进行图像增强，噪声滤波等处理，可以进一步恢复样品的细节信息。
最后，通过观察透射电子显微图像，可以获得关于样品内部结构和原子排列的信息。
总之，透射电子显微镜利用电子的波粒二象性以及电子与样品的相互作用，通过探测透射电子形成样品内部结构的显微图像。
这种显微镜技术在材料科学、纳米科学等领域有着重要的应用价值。
电子行业透射电子显微镜
电子行业透射电子显微镜简介电子行业透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种高分辨率的显微镜，用于观察物质的内部结构和组成。
它通过透射电子束来观察样本的细节，能够达到亚纳米的分辨率。
在电子行业中，TEM被广泛应用于材料科学、半导体制造、纳米技术等领域。
原理与工作方式透射电子显微镜的工作原理是利用电子的波粒二象性，通过透射模式观察样本的细节。
其工作方式包括以下几个主要步骤：1.电子源：TEM使用一个电子枪产生高能电子束。
电子源一般采用热阴极或场发射电子枪，产生的电子束具有高能量和小的发散角。
2.电子透射：电子束通过样本，与样本中的原子和分子相互作用。
其中一部分电子经过样本透射出来，形成投射电子。
3.透射电子图像形成：投射电子进入透射电子显微镜的柏居里圆柱镜（beumcurie cone）或干涉器中，进行聚焦。
透射电子经过投射体系后，聚焦在聚焦屏或电子探测器上。
在此过程中，透射电子的相位和强度会受到样本的影响，在屏幕或探测器上形成透射电子图像。
4.透射电子图像处理与分析：透射电子图像可以通过数字化方式保存并进行后续处理与分析。
常用的处理方法包括增强对比度、去噪等。
透射电子图像的分析可以得到样本的晶格结构、元素分布、晶体缺陷等信息。
TEM在电子行业中的应用透射电子显微镜在电子行业中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 材料科学与纳米技术材料科学与纳米技术是TEM的主要应用领域之一。
通过透射电子显微镜的高分辨率，可以观察到材料的微观结构和纳米级别的特征。
例如，可以观察到纳米颗粒的形状、尺寸和分布，研究纳米材料的性质和制备方法。
此外，TEM还可以用于观察金属材料的晶格结构、晶体缺陷和界面结构等。
2. 半导体制造在半导体制造中，TEM被广泛应用于芯片结构的表征和研究。
透射电子显微镜可以用于观察芯片的晶体结构、晶格缺陷、界面透明度等，对芯片制造过程中的问题进行分析和解决。
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复型的种类
Hale Waihona Puke 按复型的制备方法，复型主要分为：
一级复型
二级复型
萃取复型（半直接样品）
萃取复型
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
离子减薄除了可用于各种块状材料薄膜的减薄外，还可以 用于纤维和粉末材料的减薄，但需要事先将纤维和粉末镶 嵌在环氧树脂中制成薄片。
图16 双喷电解抛光装置原理图
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。 支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔， 因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶膜和碳 膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。
可在荧光屏上得到衍射花样。 若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。 透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜 。
图9-7 透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏
三、选区电子衍射
图8 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图
选区衍射操作步骤
最终减薄到<2000埃的“薄膜”
图15 离子减薄装置原理示意图
离子减薄包括了用高能离子或中性原子轰击薄片试样，使 试样中原子或分子被溅出试样表面，直到试样有足够大的、 对电子束“透明”的薄区。
入射离子束与试样表面的夹角（入射角）是一个重要的控 制参量，在其他参量不变的条件下，它决定了等离子体穿 透的深度和试样薄化速率。离子入射角越小，试样薄区面 积越大，但相应减薄时间增加。通常采用两个阶段减薄。 在开始阶段，采用较高的入射角（大于10°），快速减薄； 在第二阶段，即接近穿孔时，采用较低的入射角（小于 10°），以增加薄区面积。
（1）使选区光阑以下的透镜系统聚焦 （2）使物镜精确聚焦 （3）获得衍射谱
由单晶试样衍射得到的衍射谱是对称于中心斑点的规则排列的斑点。 由多晶得到的衍射花样则是以中心斑点为中心的衍射环。
第二节 样品制备
TEM样品可分为间接样品和直接样品。
要求： （1）供TEM分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域
透射电子显微镜光路原理图
二、构造
TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。
1. 电磁透镜
能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens）
电子透镜
静电透镜 磁透镜
恒磁透镜 电磁透镜
（1）电磁透镜的结构
电磁透镜结构示意图
电磁透镜工作原理
透射电子显微镜实际使用的是具有轴对称非均匀 磁场的短磁透镜。短磁透镜通常是由圆柱壳子、 短线圈和极靴组件三个部分组成。圆柱壳子由软 磁材料做成，内有环形间隙。短线圈由铜做成， 装在软磁壳子里。极靴组件由具有同轴圆孔的上 下极靴和连接筒组成，装在软磁壳内环形间隙两 端。当铜线圈通电时，在极靴圆孔内产生一个一 个非均匀的轴对称磁场。
2. 晶体薄膜样品的制备
一般程序： (1)取样：用砂轮片、金属丝锯或电火花切割等方法从大块试样上切 取厚度为0.5mm左右的“薄块“。 (2)预先减薄：用机械研磨、化学抛光或电解抛光等方法将“薄块” 试样预先减薄至0.1mm左右的“薄片” (3)最终减薄：一般来说，机械研磨的损伤层较大，因此最终减薄时 不用机械方法，而用某些特殊的电解抛光或离子轰击等技术将“薄片”
的厚度以控制在约100~200nm为宜。 （2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些
特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知 道影响的方式和程度。
一、间接样品(复型)的制备
对复型材料的主要要求： ①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； ②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。 ③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入
第一节 透射电子显微镜工作原理及构造
一、工作原理 成像原理与光学显微镜类似。 它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微
镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透 镜，在电子显微镜中聚焦成像的为磁透镜。 由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg）方程，产 生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结 构分析的功能。
成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形 式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为 磁转角。物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
（3）电磁透镜的分辨本领
r0
A3
/
4C
1/ s
4
（3）
式中：A——常数；——照明电子束波长；Cs——透镜球差系数。 r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。
（2）电磁透镜的光学性质
11 1 uv f
式中：u、v与f——物距、像距与焦距。
f A RV0 (NI )2
（1） （2）
式中：V0——电子加速电压；R——透镜半径；NI——激磁线圈安匝 数；A——与透镜结构有关的比例常数。
电磁透镜是一种焦距(或放大倍数)可调的会聚透镜。减小激磁电流，可使 电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f1变为f2 ） 。
2. 照明系统
作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。
组成：电子枪和聚光镜
钨丝
热电子源
电子源
场发射源
LaB6
图5 热电子枪示意图 灯丝和阳极间加高压，栅极偏压起会聚电子束的作用，
使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉
图6 双聚光镜照明系统光路图
3. 成像系统
由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。 成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。 通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，