第七章 透射电子显
合集下载
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。
第七章TEM透射电子显微镜PPT课件
由电子光学系统、电源与控制 系统及真空系统三部分组成。
电子光学系统通常称镜筒，是
TEM的核心，它的光路原理与
透射光学显微镜十分相似。其
分为三部分：照明系统、成像
系统和观察记录系统。
（a）
（b）
一、照明系统
（1）电子枪 电子枪是TEM的电子源。 常用的是热阴极三极电子枪，
由发夹形钨丝阴极、阳极和栅 极组成。
➢ 作用：提高像衬度；减小孔径角，从而减小像 差；进行暗场成像； ➢ 光阑孔径：20-120um。
选区光阑（Diffraction lens holders）
➢ 来限定微区，对该微区进行衍射分析； ➢ 光阑孔直径：20-400um。
TEM的型号
Philips CM12透射电镜
加速电压20、40、60、80、100 、 120KV LaB6或W灯丝 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm； 倾转角度α=±20度
具有很大的景深和焦长。
二、成像系统
样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间镜的物平面， 中间镜的像平面是投影镜的物平面，荧光屏在投影镜的像平 面上。 物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间镜的电流来调 节电镜总M。 M越大，成像亮度越低，成像亮度与M2成反比。 高性能TEM大都采用5级透镜放大，中间镜和投影镜有两级。 放大成像操作：中间镜的物平面和物镜的像平面重合，荧光 屏上得到放大像。 电子衍射操作：中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，得到 电子衍射花样。
二、成像系统
高倍放大
电子衍射
成像系统光路
三、观察记录系统
观察和记录装置包括荧光屏和照相机结构。 人眼无法观测电子，TEM中的电子信息通过荧光屏和
透射电子显微分析在材料科学分析技术中的应用PPT课件
12
第12页/共77页
1.2 TEM发展简史
• 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。
电子衍射实验1
•
1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革 末用电子束垂直投射到镍 单晶，做电子轰击锌板的 实验，随着镍的取向变化， 电子束的强度也在变化， 这种现象很像一束波绕过 障碍物时发生的衍射那样。 其强度分布可用德布罗意 关系和衍射理论给以解释。
镍单晶
45
第45页/共77页
物镜的球面像差一般通过在物 镜背焦面径向插入物镜光阑，物 镜的像散通常通过采用机械消像 散器、磁消像散器或静电消像散 器来减小。
46
第46页/共77页
47
第47页/共77页
(2)中间镜和投影镜 中间镜和投影镜的构造和物镜是
36
第36页/共77页
1. 照明系统 照明系统的作用： ① 提供光源，控制其稳定度、照明
强度和照明孔径角； ② 选择照明方式(明场或暗场成像)。
37
第37页/共77页
(1) 电子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为
电子枪决定了像的亮度、图像稳定度 和穿透样品能力，所以相应地要求其 亮度、发射稳定度和加速电压都要高。 最常用的加速电压为50~100kV，近来 超高电压电镜的加速电压已达数千kV。
6
第6页/共77页
1.2 TEM发展简史
TEM是量子力学研究的产品 黑体辐射：可以把金属看成近似的黑体，给它加热， 先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线，能量随温度 的升高而增加。问题的焦点是求出能量、温度与波长 之间的关系式。 瑞利和金斯－紫外灾变 ，维恩－红外灾变 普朗克：辐射的能量不是连续的，像机关枪里不断射 出的子弹。这一份一份就取名为“量子”。能量子相 加趋近于总能量。 能量子又与它的频率有关：
第12页/共77页
1.2 TEM发展简史
• 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。
电子衍射实验1
•
1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革 末用电子束垂直投射到镍 单晶，做电子轰击锌板的 实验，随着镍的取向变化， 电子束的强度也在变化， 这种现象很像一束波绕过 障碍物时发生的衍射那样。 其强度分布可用德布罗意 关系和衍射理论给以解释。
镍单晶
45
第45页/共77页
物镜的球面像差一般通过在物 镜背焦面径向插入物镜光阑，物 镜的像散通常通过采用机械消像 散器、磁消像散器或静电消像散 器来减小。
46
第46页/共77页
47
第47页/共77页
(2)中间镜和投影镜 中间镜和投影镜的构造和物镜是
36
第36页/共77页
1. 照明系统 照明系统的作用： ① 提供光源，控制其稳定度、照明
强度和照明孔径角； ② 选择照明方式(明场或暗场成像)。
37
第37页/共77页
(1) 电子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为
电子枪决定了像的亮度、图像稳定度 和穿透样品能力，所以相应地要求其 亮度、发射稳定度和加速电压都要高。 最常用的加速电压为50~100kV，近来 超高电压电镜的加速电压已达数千kV。
6
第6页/共77页
1.2 TEM发展简史
TEM是量子力学研究的产品 黑体辐射：可以把金属看成近似的黑体，给它加热， 先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线，能量随温度 的升高而增加。问题的焦点是求出能量、温度与波长 之间的关系式。 瑞利和金斯－紫外灾变 ，维恩－红外灾变 普朗克：辐射的能量不是连续的，像机关枪里不断射 出的子弹。这一份一份就取名为“量子”。能量子相 加趋近于总能量。 能量子又与它的频率有关：
电子行业透射电子显微学
电子行业透射电子显微学引言透射电子显微学是一种重要的技术，被广泛应用于电子行业。
它通过使用高能电子束和特殊的探测器，可以观察和研究材料的微观结构和化学成分。
透射电子显微学在电子行业中有着许多重要应用，如芯片制造、纳米材料研究等。
本文将介绍透射电子显微学的原理、应用和未来发展方向。
1. 透射电子显微学原理透射电子显微学的原理基于电子的波粒二象性和电子与物质相互作用的机制。
当高能电子束通过样品时，它们与样品中的原子和电子发生相互作用，产生散射和吸收现象。
通过测量透射电子的强度和能量分布，可以得到有关样品的信息。
透射电子显微学使用的主要设备是透射电子显微镜（TEM）。
TEM由电子枪、透镜系统、样品台和探测器等部分组成。
电子枪产生和加速电子束，透镜系统用于聚焦电子束，样品台用于固定样品并调整位置，探测器用于检测透射电子。
2. 透射电子显微学应用透射电子显微学在电子行业中有许多重要应用。
2.1 芯片制造芯片是电子产品中最核心的组成部分之一。
透射电子显微学可以提供关于芯片的微观结构和材料的详细信息。
通过观察芯片的晶体结构、材料缺陷等，可以优化芯片制造工艺，提高芯片性能和可靠性。
2.2 纳米材料研究纳米材料在电子行业中有着广泛应用，并具有独特的性质和潜在的应用价值。
透射电子显微学可以帮助研究人员观察和研究纳米材料的结构、形貌和化学成分。
这对于理解纳米材料的性质和优化纳米材料的合成方法具有重要意义。
2.3 薄膜分析薄膜是许多电子器件中常见的材料。
透射电子显微学可以帮助研究人员观察和分析薄膜的结构和性质。
通过了解薄膜的微观结构和成分分布，可以优化薄膜的制备工艺，改善薄膜的性能和可靠性。
3. 透射电子显微学的未来发展透射电子显微学在电子行业中具有重要的地位，但仍然存在一些挑战和发展机遇。
3.1 分辨率提高透射电子显微学的分辨率决定了它对材料微观结构的观察能力。
当前透射电子显微学的分辨率已经非常高，但对于某些纳米材料和探测条件下，仍然存在一定的局限性。
材料分析方法第七章透射电子显微图像
2、衍衬理论简介
• 衍衬理论要处理的问题：通过对入射电子波在晶 体样品内受到的散射过程作分析，计算在样品底 表面射出的透射束和衍射束的强度分布，这也就 相当于求出了衍衬图像的衬度分布。 • 衍衬理论的应用：借助衍衬理论，可以预示晶体 中某一特定结构细节的图像衬度特征；反过来， 又可以把实际观察到的衍衬图像与一定的结构特 征联系起来，加以分析、诠释和判断。
第七章 透射电子显微图像
• • • • • 内容提要： 第一节 透射电镜样品制备 第二节 质厚衬度原理 第三节 衍射衬度原理 第四节 相位衬度
第一节
透射电镜样品制备
• 透射电镜成像时，电子束是透过样品成像。 • 根据样品的原子序数大小不同，膜厚一般在50～ 200nm之间。
• 透射电镜样品按材料的形状通常可分为三类： • 薄膜样品：把块状材料加工成对电子束透明的薄膜状 样品。 • 粉末样品：用于粉末状材料的观察与分析。 • 复型样品：把欲观察的试样的表面形貌复制下来的试 样。
• 右图是离子减薄示意图。试样放 置于高真空样品室中，离子束 （通常是高纯氩）从两侧在3～ 5KV加速电压加速下以与试样表面 一定入射角（0°～30°）轰击正 在旋转的试样。 。
二、粉末样品的制备
• 用于粉末状材料的形貌观察、颗粒度测定以及结构分析等。
• 制样步骤： • ① 先制备对电子束透明的支持膜。因为粉末颗粒一般 都小于铜网小孔。 • ② 将支持膜放在铜网上， 再把经分散的样品粉末附 着在支持膜上送入电镜分 析。
一、薄膜样品的制备
• 薄膜样品的制备：把块状材料制备成直径小于等 于3mm的对电子束透明的薄片。 • 薄膜样品可用作静态观察，如金相组织、析出相 形态、分布、结构及与基体取向关系、位错类型、 分布、密度等。也可作动态原位观察。
透射电子显微镜 ppt课件
32
一.点分辨本领的测定
将铂、铂-铱或铂-钯等金属或合金，用真 空蒸发的方法获得粒度为5~10埃，间距为2~10 埃的粒子，将其均匀地分布在火棉胶（或碳） 支持膜上，在高放大倍数下拍摄这些粒子的像， 并经光学放大（5倍左右），从照片上找出粒 子间最小的间距，除以总放大倍数，即为相应 电子显微镜的点分辨本领。
荧光屏有较高的分辨率，因此可用光学放 大镜进一步放大。
ppt课件
21
二. 成像方式
TEM有两种基本成像模式： 衍射成像——晶体结构同位分析 显微成像——微观组织形貌观察
1. 显微成像
⑴ 高放大倍数成像：中间镜以物镜像为物，投影
镜又以中间镜像为物，成像于荧光屏，结果可
以获得几万至几十万放大倍数电子像。
使用静电透镜（用电场聚焦）需要高 压，给设备的设计和操作带来不便。
故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使 用；而聚光镜、物镜、中间镜和投影镜则 都采用电磁透镜（用磁场聚焦），可以通 过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力。
ppt课件
8
4、 TEM和光学透射显微镜的异同
相同点： （1）光学成像原理相同； （2）都能用于形貌分析。 不同点： （1）光源不同； （2）聚焦透镜不同； （3）TEM中有中间镜； （4）成像屏幕不同； （5） TEM镜筒中要保持高真空；
晶体样品通过物镜在后焦面上形成 衍射像，调节中间镜焦距，使其物平面 与物镜后焦面重合，可以最终在荧光屏 上形成二次放大的衍射图像。有意义的 衍射像必须明确它是来自样品那个区域 的衍射波，这就是选区衍射。
ppt课件
24
一.样品台
1. 功能：承载样品，并使样品能在物镜极靴孔 内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣 的样品区域或位向进行观察分析。
一.点分辨本领的测定
将铂、铂-铱或铂-钯等金属或合金，用真 空蒸发的方法获得粒度为5~10埃，间距为2~10 埃的粒子，将其均匀地分布在火棉胶（或碳） 支持膜上，在高放大倍数下拍摄这些粒子的像， 并经光学放大（5倍左右），从照片上找出粒 子间最小的间距，除以总放大倍数，即为相应 电子显微镜的点分辨本领。
荧光屏有较高的分辨率，因此可用光学放 大镜进一步放大。
ppt课件
21
二. 成像方式
TEM有两种基本成像模式： 衍射成像——晶体结构同位分析 显微成像——微观组织形貌观察
1. 显微成像
⑴ 高放大倍数成像：中间镜以物镜像为物，投影
镜又以中间镜像为物，成像于荧光屏，结果可
以获得几万至几十万放大倍数电子像。
使用静电透镜（用电场聚焦）需要高 压，给设备的设计和操作带来不便。
故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使 用；而聚光镜、物镜、中间镜和投影镜则 都采用电磁透镜（用磁场聚焦），可以通 过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力。
ppt课件
8
4、 TEM和光学透射显微镜的异同
相同点： （1）光学成像原理相同； （2）都能用于形貌分析。 不同点： （1）光源不同； （2）聚焦透镜不同； （3）TEM中有中间镜； （4）成像屏幕不同； （5） TEM镜筒中要保持高真空；
晶体样品通过物镜在后焦面上形成 衍射像，调节中间镜焦距，使其物平面 与物镜后焦面重合，可以最终在荧光屏 上形成二次放大的衍射图像。有意义的 衍射像必须明确它是来自样品那个区域 的衍射波，这就是选区衍射。
ppt课件
24
一.样品台
1. 功能：承载样品，并使样品能在物镜极靴孔 内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣 的样品区域或位向进行观察分析。
透射电子显微学
➢ 获得晶体结构的周期信息；
➢ 物相鉴定——合金晶体相的“DNA”识别； ➢ 从结构像可能推出相位信息 。
❖成分分析——微区原子组分
➢ X射线能谱分析（EDS）；
➢ 特征电子能量损失谱（EELS）；
➢ 元素分布像（Element Mapping）。
12
电子显微学的特点与可解决的问题
❖ 电子全息：
➢电子波全部信息（相位和振幅）； ➢微观电场、磁场分布； ➢微观应力场分布。
放大倍数 几十倍~1M
数倍~2000倍
聚焦方式 电磁控制、电子计算机控制
机械操作
衬度
质厚、衍射、相位、Z－衬度 吸收、反射衬度
19
透射电子显微镜的基本构造
Tecnai 场发射TEM
20
透射电镜的基本构造
❖ 基本构造
➢ 照明系统：电子枪和会聚镜（双聚光镜系 统）
➢ 成像系统：物镜、中间镜(2)、投影镜(2) ➢ 记录系统：底片照相系统、图像观察增强
的变化问题 ❖ 1956 J. Cowley, A. Moodie 多层法计算 ❖ ~1970 高分辨获得 (<4 Å ) Ti2Nb10O27 ❖ 1986 Nobel prize E.Ruska, G. Binning, H. Rohrer ❖ ~1980 场发射枪和场发射电镜 ❖ ~2000 消球差电镜问世（*****）
器、CCD记录系统
❖ 操作模式
➢ 成像模式：物镜×25、中间镜×8、投影镜 ×100，共计20,000倍
➢ 衍射模式
❖ 透境类型
➢ 静电透镜、电磁透镜
❖ 光栏
➢ 固定光栏、可变光栏 ➢ 聚光镜光栏、物镜光栏、衍射光栏
21
电 子 ×25
8. 第七章 透射电子显微分析-电子衍射
多晶电子衍射花样的标定
• 对于同一物相、同一衍射花样各圆环而言，（C2/a2）为常 数，故按式（8-7），有 R12：R22：…：Rn2=N1：N2：…：Nn （8-8） • 此即指各衍射圆环半径平方（由小到大）顺序比等于各圆环 对应衍射晶面N值顺序比。 • 立方晶系不同结构类型晶体系统消光规律不同，故产生衍射 各晶面的N值顺序比也各不相同[参见表6-1，表中之m即此 处之N（有关电子衍射分析的文献中习惯以N表示H2+K2+L2， 此处遵从习惯）]。 • 因此，由测量各衍射环R值获得R2顺序比，以之与N顺序比 对照，即可确定样品点阵结构类型并标出各衍射环相应指数。 • 因为N顺序比是整数比，因而R2顺序比也应整数化（取整）。
选区误差：
角度较正：像和谱所使用的中间镜电流不同， 旋转角不同。 物镜球差：引起选区与衍射不对应。 物镜聚焦：失焦会产生多余斑点或缺失斑点。 像机常数：内标法核实。 磁滞误差：规定操作。
7.2.3 常见的几种电子衍射谱
• 1.单晶电子衍射谱
二维倒易点阵投影
特征平行四边形
多晶电子衍射谱
多个晶粒无序 同心圆环
• • • • • • 而 sinθ＝λ／2d， 代入，则得 R=L/d 或 Rd = L （电子衍射基本公式） 或 R=Lg（g：倒易矢量） 将K=L 称为相机常数，则由： R=K/d，或d＝K/R，测量R可得到d。 相机常数K通常可以利用金膜衍射花样或者利用 已知晶体结构单晶体的衍射花样测定（具体见衍 射花样分析部分）。
b、花样分析
• 任务：在于确定花样 中斑点的指数及其晶带 轴方向[u v w]，并确定 样品的点阵类型和位向。 • 方法：有三种。指数 直接标定法、比值法(偿 试－校核法)、标准衍射 图法 • 选择靠近中心透射斑 且不在一条直线上的斑 点，测量它们的R，利用 R2比值的递增规律确定点 阵类型和这几个斑点所 属的晶面族指数(hkl)等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5）样品及其周围应非常清洁，以免污染而造成对像质的 影响。 目前，样品可以通过四种方法获得，一是支持膜法；
二是表面复型技术；三是样品减薄技术；四是超薄切片法。
1. 支持膜法
➢ 粉末试样多用此方法。 ➢ 将试样载在支持膜上，再用铜网承载。支持膜的作用
是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。
2020/3/25
2020/3/25
2. 表面复型技术
二级复型
——在塑料一级复型上再制作碳复型，就是一种二级复型。 在用醋酸纤维膜（一 般称为AC纸）制得 的复型正面上再投影、 镀碳，然后溶去AC 纸所得到的复型（如 右图所示）称为塑料 -碳二级复型。适于 粗糙表面和断口的复 型。
2020/3/25
2. 表面复型技术
❖ 相对于试样表面来讲，塑料一级复型是一种负复型， 即复型与试样表面的浮雕相反；
❖ 碳膜一级复型是一种正复型。分辨率高（2－5nm）， 电子束照射下不易分解和破裂，样品易遭到破坏。
塑料（火棉胶）一级复型
碳膜一级复型
2020/3/25
2. 表面复型技术
❖ 复型方法：在真空镀膜装置中，将碳捧以垂直方向向 样品表面蒸镀10-20nm的碳膜（如图左下图所示），把样 品放入配好的分离液中进行电解或化学分离，然后用针尖 将碳膜划成略小于电镜铜网的小块。
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
➢点分辨率和线分辨率的测量照片
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（2）放大倍数
透射电子显微镜中，物镜、中间镜，总的放大倍数 就是各个透镜倍率的乘积。
M = M0×Mi×Mp 式中：M0—物镜放大倍率，数值在100-300范围； Mi—中间镜放大倍率，数值在0-20范围；Mp—投 影镜放大倍率，数值在100-150范围，总的放大倍 率M在80-1000,000倍内连续变化。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
③ 控制栅极：
作用：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。 阴极、阳极和控制栅极决定着电子发射的数目及其动 能，因此， 人们习惯上把它们通称为“电子枪”。 电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮度、图像稳定 度和穿透样品的能力。
聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，
2020/3/25
§7.2 透射电子显微镜样品制备
对样品的一般要求：
1）样品必须很薄，使电子束能够穿透，一般厚度为100-200nm 左右；
2）样品需置于直径为2-3mm的铜制载网上，网上附有支持
2020/3/25
4）样品应有足够的强度和稳定性，在电子线照射下不至 于损坏或发生变化；
电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。 聚光镜就是为克服这种缺陷加入的。
作用：增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
多为磁透镜，调节其电流控制照明亮度、照明 孔径角和束斑大小。
高性能TEM采用双聚光 镜系统，提高照明效果。
2020/3/25
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（3）加速电压
➢ 电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电压， 它决定了电子枪发射的电子的波长和能量。
➢ 加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察 较厚的试样，同时有利于提高电镜的分辨率和减小电 子束对试样的辐射损伤。
➢ 目前普通透射电镜的最高加速电压一般为100kV和 200kV，通常所说的加速电压是指可达到的最高加速 电压。
➢ 样品台有顶插式和侧插式；一般高分辨型电镜采用 顶插式，分析型采用侧插式。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
3）成像系统
由物镜、中间镜和投影镜组成。作用是放大成像。
① 物镜：
➢ 成一次像 ➢ 电镜的最关键的部分，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。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
② 中间镜
➢ 成二次像。 ➢ 弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。
③ 投影镜
➢ 成三次像。 ➢ 短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧光
点之间最小距离。
光学显微镜的分辨率为：Δ r0
λ 2NA
λ 2 n s i n θ
1λ 2
光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长， 而可见光的波长有限(200nm-770nm) ，因此，光学显 微镜的分辨本领极限为200nm，不能再次提高。
2020/3/25
提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有 限的，唯有寻找比可见光波长更短的光源才能解决 这个问题。
1 mv 2 eU v 2eU
②
2
m
2020/3/25
2020/3/25
三、电磁透镜
2020/3/25
电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的 力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。电 磁透镜包括静电透镜和磁透镜两种：
静电透镜 ——利用静电场（电场强度不随时 间变化的电场）产生旋转对称（轴对称)的等电位 面簇的电极装置。
1924年，德布罗意（De Brolie)计算出电子波的波 长，发现其波长比可见光短十万倍。
1926年，布施(Busch)指出轴对称非均匀磁场能使 电子波聚焦。
1933年间，德国的鲁斯卡(Ruska) 等研制成功世界
上第一台电子显微镜。
2020/3/25
二、电子波的波长
2020/3/25
显然，v越大，λ越小，电子的运动速度与电 镜中阴阳极之间的加速电压（U伏特）有关。即：
Z,1mm;最大倾斜角，±70度
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（1）分辨率
分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜 显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标：
➢ 点分辨率—表示电镜所能分辨的两点之间的最小 距离；
➢ 线分辨率—表示电镜所能分辨的两条线之间的最 小距离，通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，又 称晶格分辨率。
② 散布法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩 下的就分散在支持膜上。
2020/3/25
2. 表面复型技术
——所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复 制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”） 放到透射电镜中去观察分析。 在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样采用 此方法。
复型膜必须满足以下特点：
样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间 镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物平 面，荧光屏在投影镜的像平面上。
物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间 镜的电流来调节电镜总M。
M越大，成像亮度越低，成像亮度与M2成反比
2020/3/25
2. 透射电镜的成像原理
三级放大成象示意图
电子衍射操作示意图
1）本身是“非晶体”的，在高倍（如十万倍）成像时，也 不显示其本身的任何结构细节。
2）对电子束足够透明（物质原子序数低）； 3）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；
2020/3/25
2. 表面复型技术
4）具有良好的导电性，耐电子束轰击； 5）是分子尺寸较小的物质---分辨率较高。
常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料 复型要好。 一级复型 ——一级复型是指在试样表面的一次直接复型。 ❖ 塑料（火棉胶）一级复型，样品上滴浓度为1%的火棉胶醋 酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平， 多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左 右的塑料薄膜。分辨率低（10－20nm），电子束照射下易 分解和破裂。
试样 照明部分示意图
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
电子枪通常采用发夹式热阴极三级电子枪，由阴 极、栅极和阳极构成。 ① 阴极：又称灯丝，一般是由0.03 ～0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。
阳 极
电子枪的结构 ② 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一
般都是阳极接地，阴极带有负高压。
屏上。 ➢ 具有很大的场深和焦深。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
4）图像观察与记录系统
由荧光屏、照相机和数据显示等组成。
（2）真空系统
为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用， 而不与空气分子碰撞，因此，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。
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、分子泵、 离子泵、换向阀门、真空测量仪和管道等部分组成。
1. 支持膜法
➢ 常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸 甲基乙烯酯等。
➢ 在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐 热性，称为加强膜。
➢ 支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情 况选用分散方法：
① 悬浮法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的 溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。
2020/3/25
磁透镜 ——产生旋转对称的非均匀磁场的磁 极装置。
① 短线圈磁透镜（最简单的磁透镜）
2020/3/25
2020/3/25
② 带铁壳和极靴的磁透镜
带有极鞋的磁透镜
2020/3/25
短线圈、带铁壳和极靴的磁透镜轴向磁场强度分布
2020/3/25
四、电磁透镜的像差
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
2）样品室
➢ 包括样品杆、样品杯及样品台； ➢ 样品台的作用是承载样品，并使样品能在物镜极鞋
孔内作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区 或位向进行观察分析。样品杆必须使样品铜网牢固 地夹持在样品台中并保持良好的热、电接触，减少 因电子照射引起的热或电荷堆积而产生样品的损伤 或图像漂移。
二是表面复型技术；三是样品减薄技术；四是超薄切片法。
1. 支持膜法
➢ 粉末试样多用此方法。 ➢ 将试样载在支持膜上，再用铜网承载。支持膜的作用
是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。
2020/3/25
2020/3/25
2. 表面复型技术
二级复型
——在塑料一级复型上再制作碳复型，就是一种二级复型。 在用醋酸纤维膜（一 般称为AC纸）制得 的复型正面上再投影、 镀碳，然后溶去AC 纸所得到的复型（如 右图所示）称为塑料 -碳二级复型。适于 粗糙表面和断口的复 型。
2020/3/25
2. 表面复型技术
❖ 相对于试样表面来讲，塑料一级复型是一种负复型， 即复型与试样表面的浮雕相反；
❖ 碳膜一级复型是一种正复型。分辨率高（2－5nm）， 电子束照射下不易分解和破裂，样品易遭到破坏。
塑料（火棉胶）一级复型
碳膜一级复型
2020/3/25
2. 表面复型技术
❖ 复型方法：在真空镀膜装置中，将碳捧以垂直方向向 样品表面蒸镀10-20nm的碳膜（如图左下图所示），把样 品放入配好的分离液中进行电解或化学分离，然后用针尖 将碳膜划成略小于电镜铜网的小块。
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
➢点分辨率和线分辨率的测量照片
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（2）放大倍数
透射电子显微镜中，物镜、中间镜，总的放大倍数 就是各个透镜倍率的乘积。
M = M0×Mi×Mp 式中：M0—物镜放大倍率，数值在100-300范围； Mi—中间镜放大倍率，数值在0-20范围；Mp—投 影镜放大倍率，数值在100-150范围，总的放大倍 率M在80-1000,000倍内连续变化。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
③ 控制栅极：
作用：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。 阴极、阳极和控制栅极决定着电子发射的数目及其动 能，因此， 人们习惯上把它们通称为“电子枪”。 电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮度、图像稳定 度和穿透样品的能力。
聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，
2020/3/25
§7.2 透射电子显微镜样品制备
对样品的一般要求：
1）样品必须很薄，使电子束能够穿透，一般厚度为100-200nm 左右；
2）样品需置于直径为2-3mm的铜制载网上，网上附有支持
2020/3/25
4）样品应有足够的强度和稳定性，在电子线照射下不至 于损坏或发生变化；
电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。 聚光镜就是为克服这种缺陷加入的。
作用：增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
多为磁透镜，调节其电流控制照明亮度、照明 孔径角和束斑大小。
高性能TEM采用双聚光 镜系统，提高照明效果。
2020/3/25
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（3）加速电压
➢ 电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电压， 它决定了电子枪发射的电子的波长和能量。
➢ 加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察 较厚的试样，同时有利于提高电镜的分辨率和减小电 子束对试样的辐射损伤。
➢ 目前普通透射电镜的最高加速电压一般为100kV和 200kV，通常所说的加速电压是指可达到的最高加速 电压。
➢ 样品台有顶插式和侧插式；一般高分辨型电镜采用 顶插式，分析型采用侧插式。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
3）成像系统
由物镜、中间镜和投影镜组成。作用是放大成像。
① 物镜：
➢ 成一次像 ➢ 电镜的最关键的部分，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。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
② 中间镜
➢ 成二次像。 ➢ 弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。
③ 投影镜
➢ 成三次像。 ➢ 短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧光
点之间最小距离。
光学显微镜的分辨率为：Δ r0
λ 2NA
λ 2 n s i n θ
1λ 2
光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长， 而可见光的波长有限(200nm-770nm) ，因此，光学显 微镜的分辨本领极限为200nm，不能再次提高。
2020/3/25
提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有 限的，唯有寻找比可见光波长更短的光源才能解决 这个问题。
1 mv 2 eU v 2eU
②
2
m
2020/3/25
2020/3/25
三、电磁透镜
2020/3/25
电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的 力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。电 磁透镜包括静电透镜和磁透镜两种：
静电透镜 ——利用静电场（电场强度不随时 间变化的电场）产生旋转对称（轴对称)的等电位 面簇的电极装置。
1924年，德布罗意（De Brolie)计算出电子波的波 长，发现其波长比可见光短十万倍。
1926年，布施(Busch)指出轴对称非均匀磁场能使 电子波聚焦。
1933年间，德国的鲁斯卡(Ruska) 等研制成功世界
上第一台电子显微镜。
2020/3/25
二、电子波的波长
2020/3/25
显然，v越大，λ越小，电子的运动速度与电 镜中阴阳极之间的加速电压（U伏特）有关。即：
Z,1mm;最大倾斜角，±70度
2020/3/25
3. 透射电镜的主要性能
（1）分辨率
分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜 显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标：
➢ 点分辨率—表示电镜所能分辨的两点之间的最小 距离；
➢ 线分辨率—表示电镜所能分辨的两条线之间的最 小距离，通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，又 称晶格分辨率。
② 散布法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩 下的就分散在支持膜上。
2020/3/25
2. 表面复型技术
——所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复 制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”） 放到透射电镜中去观察分析。 在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样采用 此方法。
复型膜必须满足以下特点：
样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间 镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物平 面，荧光屏在投影镜的像平面上。
物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间 镜的电流来调节电镜总M。
M越大，成像亮度越低，成像亮度与M2成反比
2020/3/25
2. 透射电镜的成像原理
三级放大成象示意图
电子衍射操作示意图
1）本身是“非晶体”的，在高倍（如十万倍）成像时，也 不显示其本身的任何结构细节。
2）对电子束足够透明（物质原子序数低）； 3）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；
2020/3/25
2. 表面复型技术
4）具有良好的导电性，耐电子束轰击； 5）是分子尺寸较小的物质---分辨率较高。
常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料 复型要好。 一级复型 ——一级复型是指在试样表面的一次直接复型。 ❖ 塑料（火棉胶）一级复型，样品上滴浓度为1%的火棉胶醋 酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液，溶液在样品表面展平， 多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左 右的塑料薄膜。分辨率低（10－20nm），电子束照射下易 分解和破裂。
试样 照明部分示意图
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
电子枪通常采用发夹式热阴极三级电子枪，由阴 极、栅极和阳极构成。 ① 阴极：又称灯丝，一般是由0.03 ～0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。
阳 极
电子枪的结构 ② 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一
般都是阳极接地，阴极带有负高压。
屏上。 ➢ 具有很大的场深和焦深。
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
4）图像观察与记录系统
由荧光屏、照相机和数据显示等组成。
（2）真空系统
为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用， 而不与空气分子碰撞，因此，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。
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、分子泵、 离子泵、换向阀门、真空测量仪和管道等部分组成。
1. 支持膜法
➢ 常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸 甲基乙烯酯等。
➢ 在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐 热性，称为加强膜。
➢ 支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情 况选用分散方法：
① 悬浮法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的 溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。
2020/3/25
磁透镜 ——产生旋转对称的非均匀磁场的磁 极装置。
① 短线圈磁透镜（最简单的磁透镜）
2020/3/25
2020/3/25
② 带铁壳和极靴的磁透镜
带有极鞋的磁透镜
2020/3/25
短线圈、带铁壳和极靴的磁透镜轴向磁场强度分布
2020/3/25
四、电磁透镜的像差
2020/3/25
1. 透射电子显微镜的结构
2）样品室
➢ 包括样品杆、样品杯及样品台； ➢ 样品台的作用是承载样品，并使样品能在物镜极鞋
孔内作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区 或位向进行观察分析。样品杆必须使样品铜网牢固 地夹持在样品台中并保持良好的热、电接触，减少 因电子照射引起的热或电荷堆积而产生样品的损伤 或图像漂移。