高分辨透射电子显微术.
透射电子显微镜的特点
透射电子显微镜的特点透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种高分辨率电子显微镜，在物理、化学、生物等领域都有广泛的应用。
透射电子显微镜利用电子的波动特性，利用电子束通过样品，在透射过程中记录样品的电子衍射和散射模式，得到高分辨率的样品图像。
其特点包括：1. 高分辨率透射电子显微镜可实现很高的空间分辨率，通常达到亚纳米级别。
这是由于电子波长比光波短，使得电子束可以穿透样品并记录样品内部结构信息。
因此，需要精密的光学和机械系统来保证样品的正确对准和定位，以及记录每个样品点的细节。
2. 高对比度透射电子显微镜能够提供高对比度的显微图像。
这是由于电子束与样品相互作用时所引起的散射和吸收现象。
正常的显微镜样品会因光线的穿透和散射使其显示模糊，而透射电子显微镜中的电子束经过样品后能够记录下有效的专门信息，使得样品结构更加突出且对比度更高。
3. 高灵敏性透射电子显微镜具有极高的灵敏性，可以检测到样品中非常小的差异，如晶体缺陷、异形和缩影。
这是由于电子束可以穿透材料，记录材料的微观结构和性质，使得其较其他类型的显微镜对于一些难以察看的样品有更好的观测效果。
4. 多样化的应用透射电子显微镜可以应用于多种不同的研究领域，如材料科学、纳米技术、生物学、化学和地学等。
例如，透射电子显微镜可以用于分析材料的晶体结构和组成、比较化学反应和动力学的过程、研究生物分子的结构和功能等等。
总的来说，透射电子显微镜具有高分辨率、高对比度、高灵敏性和多样化的应用特性，可以为科学研究、工业生产和人类健康等领域提供高质量的数据和知识价值。
高分辨透射电子显微分析技术
(a)反映了晶体中 重原子或轻原子 列沿电子束方向 的势分布；（b） 是电子显微像上 强度的分 布，可 知 ( x, y) 具有比1小得多的 值。 由于重原子列具 有较大的势（(a) 中心峰高），像 强度弱（负峰）。 可见（a）（b） 反映了由试样中 轻重原子的差异 所带来的像上衬 度的差异。
左上插图是结构原子 位置模型示意图。照 片上相应于重原子Tl 和Ba的位置出现大黑 点，而环绕它们的周 围则呈现亮的衬度。 插图中从最上一个Ba 原子到最下一个Ba原 子之间的4个Cu原子 和3个Ca原子和它们 的周围通道也呈亮衬 度。
Tl 系超导氧化物的高分辨电子显微像 TlBa2Ca3Cu4O11粉碎法制备,400kV电 子显微镜,沿[010]入射
7高分辨电子显微学
主要内容
7.1引言 7.2高分辨电子显微成像原理 7.3高分辨电子显微观察和拍摄图形的程序 7.4高分辨电子显微方法的实践和应用
7.1引言
概念：高分辨电子显微术是运用相位衬度成像 的一种直接观测晶体结构和缺陷的技术。 历史：1956年门特用分辨率为0.8nm的透射电 子显微镜直接观察到酞箐铜晶体的相位衬度像 这是高分辨电子显微学的萌芽；在20世纪70年 代，解释高分辨像成像理论和分析技术的研究 取得了重要进展；实验技术的进一步完善,以 及以J.M.Cowley的多片层计算分析方法为标志 的理论进展,宣布了高分辨电子显微学的成熟.
像模拟方法：此法先假设一种原子排列模型， 然后根据电子波成像的物理过程进行模拟计算， 以获得模拟的高分辨像。如果模拟像与实验像 相匹配，便得到了正确的原子排列结构像。
7.2高分辨电子显微成像原理
下面介绍几个基本概念 衬度传递函数T(H)：是一个反映透射电子显微 像成像过程中物镜所起作用的函数，它是一个 与物镜球差、色差、离焦量和入射电子束发散 度有关的函数。一般来说，它是一个随着空间 频率的变化在+1与-1间来回震荡的函数。 相位体（phase object):电子波与物体作用后 如果只改变波的相位而波振幅不变，这种物体 成为相位体，反之称振幅体。
高分辨透射电镜的原理
高分辨透射电镜的原理
高分辨透射电镜（High-ResolutionEmissionTomography,HRET）是一种高分辨率的显微成像技术，它以高分辨的电子探针（ElectronProbe）作为主要成像工具。
它可获得原子分辨率的三维图像。
与其他显微成像技术相比，HRET具有下列优点：
1.获得的图像比电子探针观察到的高一个数量级；
2.对样品无破坏性；
3.图像质量高，分辨率可达0.1纳米；
4.可获得样品表面精细结构和信息；
5.可观察样品表面或内部细微结构，且不受样品厚度限制；
6.扫描速度快，每秒可扫描数百张图片。
高分辨透射电镜的工作原理是：电子探针在透射电镜中通过电子束轰击样品时，被激发的电子或离子被偏转到样品表面的不同部位，并在这些部位产生新的电子或离子。
这些被偏转的电子或离子分别向各自相反的方向运动。
偏转后，原来被激发到样品表面的电子或离子又回到原来的位置。
这样，就可以通过扫描电镜记录下来。
—— 1 —1 —。
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。
高分辨扫描透射电子显微镜原理及其应用_贾志宏
Abstract Scanning transmission electron microscopy (STEM) is currently one of the most widely used methods for microscopic imaging, due to its advantages of improved resolution, high compositional sensitivity, and directly interpretable images. High-resolution STEM can directly obtain atomic resolution Z-contrast images, and also analyze the atomic and electronic structure of materials on a sub- angstrom scale in combination with X- ray energy- dispersive spectrometry (EDS) and electron energy loss spectrometry (EELS). The fundamental concept and applications of STEM are briefly introduced, and the principle, characteristics and applications of high angle annular dark field and annular bright field imaging are described. The characteristics and applications of EDS and EELS are also briefly described.
中南大学-透射电镜-高分辨显微术
对主要由轻元素组成的薄晶体，展开上式，略 去高次项，可得:
（7）
按照弱相位体近似，试样下表面处的透射电子波与试样沿 电子束方向的晶体电势投影分布成线性关系。如果在以后的成 像过程中，物镜是一个理想无像差透镜，则它可以将A（x，y） 还原成真实反映晶体结构的像面波。然而实际情况不是这样， 物镜存在像差.这就要考虑像差对A(x,y)的调制。下面讨论这种调 制和其它因素对成像过程的影响。
A(x)可以分解为一系列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)---
逆过程，一些列频率函数G1(υ)G2(υ)G3(υ)G4(υ)—可以合成 出原函数A(x)
推而广之，两个函数只要他们的自变量之间存在某种可以 表述的函数关系，例如倒空间和正空间之间的关系，都可 写成：
• ②物镜的成像过程 • 具体到电镜上的成像过程，可用下图 示意表示。物镜对试样下表面的物面波 A(x，y)进行富里叶变换，得到后焦面上 的衍射波函数（衍射谱）G（h，k），记 作：
Si4N4与SiC晶界的高 分辨TEM像在电子束 具有良好相干性条件 下拍摄的晶界高分辨 结构像。 箭头所指区域为孪 晶.A为晶界
1 原理概述
高分辨电子显徽术是一种基于相位衬度成像机制的成像技术。 （1）透射函数 相位相同的入射电子束受晶体势场的调制，在试样下表面各点， 形成了携带结构信息的振幅和相位均不同的电子波场。在加速电压 E下，运动电子的波长，由下式表示:
引入附加相位位移的最常用方法是利用物镜的球 差和散焦
左图是球差产生相位位移示意图。 从靠近物镜前焦面A点，与光轴成 倾角离开试样下表面的电子束， 经物镜作用后本应交物镜后焦面 于C点，但由于物镜球差的缘故， 使其偏离原路径角，交后焦面于D 点。C、D两点相距为dR。这样， 由于路径的改变，出现了光程差
电子显微技术的新进展
电子显微技术的新进展电子显微技术一直是科学研究领域中不可或缺的工具。
它们能够扩大我们的视野，让我们看见微观世界中更为复杂、微小的结构，进而深入了解各种物质和现象。
随着科学技术的发展，电子显微技术也在不断地演进，开发出了一些全新的技术，可以突破现有的瓶颈、解决若干难题。
一、单分子成像单分子成像是一种新的显微技术，它可以在分子级别直接观察分子的结构、结构变化和相互作用。
通过这种技术，研究者可以更加深入地研究分子之间的交互和生化反应，可以更好地了解生命科学和物质科学。
这种技术的原理是通过使用荧光标记、掺杂、测量等手段，将分子显微成像。
随着技术的发展，研究者已经能够通过单分子成像，成功的观察到多种生化物质的动态行为。
例如，可以在真核细胞膜下面观察到不同的蛋白质轮廓，以及精细的亚细胞结构变化。
二、高分辨扫描透射电子显微镜随着电子显微技术的发展，透射电子显微术（TEM）已成为当今最常见、最常用的分析方法之一。
但是TEM的分辨率仍然受到一些限制，例如电子衍射和成像位置的控制等。
近年来，研究者在TEM技术中开发出一种新技术——高分辨扫描透射电子显微镜（HRSTEM）。
HRSTEM基于高通量的电子源，利用电子散射模型和成像技术，实现了精确的原子分辨率成像。
HRSTEM可以观察到一些分子和纳米材料中的具体结构，如氧化物纳米管、金、银、铂纳米径粒等。
三、单纳米热成像随着新型纳米材料的研究越来越深入，近年来也出现了一些新的电子显微技术，可以帮助我们更好地了解这些材料的物理性质。
其中之一就是单纳米热成像技术。
这种技术利用扫描探针显微镜（SPM）中的纳米热成像技术，开发出了可以在膜、纤维、芯片等表面上观察材料到纳米级别的详细热传导的技术。
这种技术的分辨率较高，可以达到70纳米，在物理、材料科学等领域中具有广泛应用价值。
总结电子显微技术的演变已经带来了许多新的契机和机遇。
通过这些新技术，科学家们可以更加精确地观察、分析物质和现象，进而发现新的规律、发展新的科学或材料。
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
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第二节 高分辨电子显微像的原理
三、相位衬度 电子波q(x, y)经过物镜在背焦面形成电子衍射图Q(x, y) Q(u, v)=F[q(x, y)]A(u, v) (12-13) 式中， F 为Fourier变换。 Q(u, v)再经一次Fourier变换，在 像平面上可重建放大的高分辨像 。像平面上的强度分布 I(x, y) = 1 2Vt(x, y)F[sin (u, v) RBC] (12-15) 式中， 表示卷积运算。如不考虑RBC的影响，像的衬度为
图12-5 Nb2O5化合物的高分辨像衬度随样品厚度的变化
图12-1为面心立方结构的Si晶体沿[0 0 1]方向的高分辨像，其 中白色亮点为Si 原子串的投影位置
图12-1 Si单质晶体[0 0 1]方向的高分辨像
2
第十二章 高分辨透射电子显微术
本章主要内容 第一节 高分辨透射电子显微镜的 结构特征
第二节 高分辨电子显微像的原理
第三节 高分辨透射电子显微镜在 材料科学中的应用
高分辨型
上述三类电镜主要因物镜极靴结构的差别， 从而使物镜球 差系数CS不同，减小CS是提高分辨率的途径之一 4
第二节 高分辨电子显微像的原理
一、样品透射函数 用样品透射函数q(x,y)，以描述样品对入射电子波的散射 q(x, y) = A(x, y)exp[iφt(x, y)] (12-2) 式中，A(x, y)是振幅，且 A(x, y) = 1为单一值； φt(x, y)是相 位，样品足够薄时，有 V ( x, y , z ) dz Vt ( x, y ) (12-8) 式中， = /E为相互作用常数。上式表明，总的相位移动 仅依赖于晶体的势函数V(x, y, z)。忽略极小的吸收效应，则 q(x, y) = 1 + i Vt(x, y) (12-10) 这就是弱相位体近似， 弱相位体近似表明， 对于非常薄 的 样品， 透射函数与晶体的投影势呈线性关系， 且仅考虑 晶
(u) = f u2 + 0.5Cs3u4
(12-12)
物镜球差系数Cs和离焦量f 是影响sin的两个主要因素 在最佳欠焦条件下, sin 曲线上绝对值为 1 的平台 (通带) 最 宽，称此为Scherzer欠焦条件，此时点分辨率最佳 sin 能否在倒易空间一个较宽的范围内接近于1，是成像
C(x, y) = I(x, y) 1 = 2Vt(x, y) F [sin (u, v)]
当sin = 1时, C(x, y) = 2Vt(x, y)
(12-16)
(12-17)
9
像衬度与晶体的投影势成正比，可反映样品的真实结构
第二节 高分辨电子显微像的原理
四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响 只有在弱相位体近似及最佳欠焦条件下拍摄的高分辨像 才能正确反映晶体结构。但实际上弱相位体近似的要求很 难 满足
当不满足弱相位体近似条件时，尽管仍然可获得清晰的高 分 辨像，但像衬度与晶体结构投影已不存在一一对应关系 随离焦量和试样厚度的改变，会出现图像衬度反转；像点 分 布规律也会发生变化 由图12-4可看出，随欠焦量和厚度的改变， 像点分布规律 10 发
第二节 高分辨电子显微像的原理
四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响
第二篇
第八章 第九章 第十章 第十二章第十一章 第十三章
第十四章 第十五章 第十六章
晶体薄膜衍衬成像分析
高分辨透射电子显微术
扫描电子显微镜
电子背散射衍射分析技术 电子探针显微分析 其他显微结构分析方法
1
第十二章 高分辨透射电子显微术
高分辨电子显微术是材料原子级别显微组织结构的相位 衬度显微术，利用该技术可使大多数晶体材料中的原子串成 像，称为高分辨像
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第二节 高分辨电子显微像的原理
二、衬度传递函数 JEM 2010透射电镜在加速电压为200kV、Cs = 0.5mm、 f = 43.3nm(最佳欠焦条件)时， 其sin 函数见图12-2，点 分辨率为0.19nm (曲线与横轴的交点u = 5.25nm-1处)
图12-2 JEM 2010透射电镜最佳欠焦条件下的sin函数
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第一节
生物型 分析型
高分辨透射电子显微镜的结构特征
透射电子显微镜按其功能特点和主要用途可分为： 特点是提供高衬度，加速电压一般低于120kV，主 要用于生物、医学领域 特点是样品台具有较大的倾角， 加速电压要高于 120kV，此外要有配备 EDS 等附件的能力， 可实 现微观组织、晶体结构和微区成分的原位分析，主 要用于材料科学、物理、化学等领域 特点是具有高分辨率，点分辨率应优于0.2nm， 用于观察和分析晶体缺陷、 微畴、 界面及表面 处的原子排列，加速电压在200kV或以上，应用 领域与分析型电镜相同
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第二节 高分辨电子显微像的原理
三、相位衬度 电子波穿过晶体后，携带着样品的结构信息，再经过物 镜聚焦，在物镜背焦面上形成衍射花样，因透射束与衍射 束 相互干涉在的结果，最终在物镜像上平面形成的高分辨像
高分辨电子显微像形成过程如图12-3所示
Q (u,v)
图12-3 高分辨电子显微像形成过程示意图
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第二节 高分辨电子显微像的原理
二、衬度传递函数 电子波经过物镜在其背焦面上形成衍射花样的过程，可用 衬 度传递函数表示 A(u) = R(u) exp[i(u)] B(u) C( u ) (12-11) 式中, u 是倒易矢量； R是物镜光阑函数；B和C分别是照 明 束发散度和色差效应引起的衰减包络函数； 是相位差
4
6
样品厚度（单胞数）
8
10
12
14
16 190 192 194 196 198 200 202 204
欠焦量（nm）
图12-4 不同欠焦量和厚度下Y0.25Zr0.75O2-x相的模拟高分辨像
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第二节 高分辨电子显微像的原理
四、欠焦量、样品厚度对像衬度的影响 图12-5所示为Nb2O5单晶在相同欠焦量下，不同试样厚 度区域的高分辨照片。可以看出从试样边缘到内部， 因厚 度不均匀引起的图像衬度区域性变化