北航材料现代研究方法透射电子显微镜的成像原理
透射电镜的成像原理
透射电镜的成像原理
透射电镜是一种能够观察物质内部微观结构的重要仪器，它的成像原理主要基于电子的波粒二象性和电磁场的作用。
透射电镜的成像原理包括电子源的发射、电子束的聚焦、样品的透射和信号的检测等过程，下面将逐一介绍。
首先，透射电镜的成像原理涉及到电子源的发射。
通常，透射电镜使用热阴极或场发射阴极作为电子源。
当电子源受到加热或电场激励时，会发射出能量较高的电子，这些电子被聚焦后形成电子束。
其次，电子束的聚焦是透射电镜成像原理的关键步骤。
在透射电镜中，电子束需要经过一系列的透镜系统进行聚焦，以便在样品上形成细小的探针。
这些透镜系统包括凸透镜、凹透镜和磁透镜等，它们能够使电子束的发散度减小，从而提高成像的分辨率。
然后，样品的透射是透射电镜成像原理的另一个重要环节。
在电子束经过聚焦后，需要穿过待观察的样品。
样品与电子束的相互作用会产生透射、散射和吸收等现象，其中透射电子被收集并用于成像。
最后，透射电镜的成像原理还包括信号的检测。
透射电镜通过检测透射电子的强度和位置来获取样品的显微图像。
检测器通常包括荧光屏、CCD相机或光电倍增管等，它们能够将透射电子转换为可见的光信号或电信号。
综上所述，透射电镜的成像原理涉及到电子源的发射、电子束的聚焦、样品的透射和信号的检测等过程。
通过这些步骤，透射电镜能够实现对物质内部微观结构的高分辨率成像，为科学研究和工程应用提供了重要的技术手段。
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理透射电镜是一种利用电子束来成像的高分辨率显微镜，其成像原理主要基于电子的波粒二象性和透射电子的特性。
透射电镜成像原理的理解对于正确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
首先，透射电镜成像的基本原理是利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
电子束由电子枪产生，经过透镜的聚焦和定位后，射向样品。
样品中的原子核和电子会对电子束产生散射和吸收，形成不同的透射强度。
透射电子被收集并转换成电子信号，最终形成样品的影像。
其次，透射电镜成像原理涉及到电子的波粒二象性。
根据德布罗意关系，电子具有波动性，其波长与动量呈反比关系。
因此，透射电镜成像的分辨率受到电子波长的限制，通常采用加速电压提高电子的动能，从而减小电子的波长，提高成像分辨率。
另外，透射电镜成像原理还涉及到透射电子的特性。
由于电子具有负电荷，其在物质中的相互作用主要包括库仑散射和弹性散射。
这些散射过程会影响电子束的透射强度和方向，从而影响成像结果。
因此，在透射电镜成像过程中，需要考虑样品的厚度、成分和结构等因素，以及透射电子与样品之间的相互作用。
最后，透射电镜成像原理还涉及到透射电镜的成像系统和信号处理。
透射电镜成像系统包括电子光学系统、样品台、检测器和成像设备等部分，通过这些部分协同工作，可以获取样品的高分辨率影像。
同时，透射电镜成像信号需要经过放大、处理和显示等步骤，以便对样品进行分析和观察。
综上所述，透射电镜成像原理是基于电子的波粒二象性和透射电子的特性，利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
正确理解透射电镜成像原理对于准确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
透射电镜成像原理的深入理解有助于提高透射电镜的成像分辨率和质量，为科学研究和工程应用提供有力支持。
材料分析测试方法第十一节透射电子显微镜
照明系统光路图 12
一、透射电子显微镜的结构
（1）照明系统
双聚光镜系统优点：
•聚光镜和物镜之间有足够的空间放置样 品和其他装置； •方便调节束斑尺寸，满足满屏要求和亮 度要求，电子束的平行性和相干性都较好；
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一、透射电子显微镜的结构
C、聚光镜光阑
一般称之为：第二聚光镜光阑，安装 在第二聚光镜下方的焦平面位置； 作用：限制照明孔径角，可以挡掉高 角度散射即远离光轴的电子，提高电 子束的平行性和空间相干性，控制照 射到样品上的光斑大小和光照强度。
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一、透射电子显微镜的结构
C、电子束倾斜与平移装置
通过电磁偏转器使入射电子束平移和倾斜。
中心暗场成像CDF：入射电子偏转2θ，衍射束平行于光轴，图像分辨率高；
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一、透射电子显微镜的结构
（1）照明系统
照明系统的作用：
提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度 好（相干性好）、束流稳定的电子束；
电子束的相干性：
弱激磁、长焦距、变倍（0～20倍）透镜； 进一步放大物镜所成的像。通过调节中间镜 的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。
中间镜可以对“像”或“衍射斑点”聚焦，这 也决定了荧光屏上显示的是“像”还是“衍射斑 点”： 放大镜——其物平面与物镜的像平面重合 衍射镜——其物平面与物镜后焦面重合
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一、透射电子显微镜的结构
侧插式倾斜装置
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一、透射电子显微镜的结构
样品室：样品平移与倾斜装置
Double Tilt Holder 3mm size limitation
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一、透射电子显微镜的结构
样品室：样品平移与倾斜装置
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一、透射电子显微镜的结构
材料科学研究方法-透射电子显微成像分析g
衍衬像的形成方法 明场像的成像
暗场像——用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束， 而只让一束强衍射束通过光栏参与成像的方法， 称为暗场成像，所得图象为暗场像。 暗场成像有两种方法：偏心暗场像与中心暗场 像。 必须指出： ① 只有晶体试样形成的衍衬像才存 明场像与暗场像之分，其亮度是明暗反转的，即 在明场下是亮线，在暗场下则为暗线，其条件是， 此暗线确实是所造用的操作反射斑引起的。
相位衬度—原子像
引入附加相位位移的方法：物镜的 球差和欠焦量。
由于透镜球差引入的程差
ABC—ABC’＝C4
如果观察面位于象面之下（物镜欠焦 f），引进的程差则是 DC－D’C’ ≈-0.5f2
适当选择欠焦量，使两种效应引起的附 加相位变化是(2n－1)／2，就可使相 位差转换成强度差，使相位衬度得以显 现。(再移动／2，两者相位差就可为)
g F e
n
2 iKRn
F e
n
2 isz zn
∵ ID=Φ·Φ* 写成积分形式
g F e
0
t
2 isz z
dz
sin 2 sz t ID F 2 sin 2 sz
Vc cos g Fg
其中F =π/ξg
散射截面: 弹性: rn = z· /(u· e α) бn=πrn 2 = π(z 2e2/ u 2α) 非弹性: r e = e/ u· α бe= π re 2 zбe= zπr e 2 б o= бn + zбe бn / zбe = z 表明原子序数越大，弹性 散射的比例就越大，弹性散射是透射电 子成像的基础，而非弹性散射主要引起 背底增强，图象反差下降。
透射电子显微镜 ppt课件
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。
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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。
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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。
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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。
透射电镜衍射成像原理
透射电镜衍射成像原理
透射电镜是一种高级显微镜，利用电子束来成像样品的内部结构。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，电子具有波动性，因此可以产生衍射现象。
在透射电镜中，电子束通过样品时会发生衍射，通过观察样品衍射图样可以得到样品的内部结构信息。
透射电镜的成像原理主要包括以下几个方面：
1. 衍射：当电子束穿过样品时，与样品原子相互作用，会发生衍射现象。
电子束的波长通常在纳米级别，与可见光波长相当，因此可以得到高分辨率的图像。
样品的晶格结构会影响电子的衍射图样，通过分析衍射图样可以确定样品的晶格结构和原子排列。
2. 焦点：透射电镜的成像是通过电子透镜进行调焦来实现的。
透射电镜中的透镜由电磁场产生，可以调节电子束的聚焦和散焦。
透射电镜的透镜系统通常包括透镜、准直器和透镜孔径，通过调节透镜的参数可以获得清晰的电子图像。
3. 探测器：透射电镜的探测器通常是电子学传感器，可以将电子束转换为电子信号。
通过调节探测器的灵敏度和增益，可以获取高质量的电子图像。
透射电镜的探测器通常具有高灵敏度和低噪声，可以获取高分辨率的图像。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，通过电子的衍射现象和透镜系统的调焦来实现高分辨率的图像获取。
透射电镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有重要的应用价值，可以帮助科学家研究样品的内部结构和性质。
透射电镜的发展将进一步推动科学研究的进步，为人类社会的发展做出贡献。
透射电子显微镜(TEM)的原理
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C 成像系统
物镜 成像系统 中间镜
投影镜
成像系统作用： 将来自样品的、反映样品内部特 征的、强度不同的透射电子聚焦放大 成像，并投影到荧光屏或照相底片上， 转变为可见光图像或电子衍射花样。
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（1）物镜
物镜是透射电镜的核心，形成第一幅电子像或 衍射谱，它还承担了物到像的转换并加以放大的作 用，既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数 （100x-200x），透射电镜的分辨本领就取决于物镜 的分辨本领。 为了减小物镜的球差，往往在物镜的后焦面上 安放一个物镜光阑。它可以减小球差、相散和色差， 提高图像的衬度。
观察和记录装置：包括荧光屏和照相机构。 1. 荧光屏：常用暗室下人眼较敏感、发绿光的荧光物质来涂制 荧光屏。
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2. 照相机构
在荧光屏下，放置照相暗盒，可自动换片。照相 时，只要把荧光屏向一侧垂直竖起，电子束即可 使照相底片曝光。 底片:典型的颗粒乳剂，由大约10%的卤化银颗粒 分散在厚度约为25 m的明胶层中
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核心
TEM
辅助
电子部 分
辅助
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A 电子光学成像系统
A • • B C •
照明系统 电子枪 聚光镜 样品室 成像系统 物镜 (Objective lens) • 中间镜 (Intermediate lens) • 投影镜 (Projector lens) D 观察和记录系统
照 明 系 统 样 品 室
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两种工作模式
成像操作 电子衍射操作
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成像操作
当电子束透过样品后，透 射电子带有样品微区结构 及形貌信息，呈现出不同 强度，经物镜后，在像平 面上形成中间像1； 调节中间镜激磁电流，使 其物平面和物镜像平面重 合，则荧光屏上得一幅放 大像。这就是成像操作。
材料研究方法13 电子显微镜的成像原理及二次电子像
一般地，控制电子束在样品表面的 一个微小区域内，做逐点、逐行扫描 移动。
(点间距离=19nm)
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把各点收集到的信号，按强弱转化成256级灰度。 照片特征：1280×960像素，256级灰度。 并标注工作电压、放大倍数、长度标尺、照片编号等。
由于图像显示时可改变大小，放大倍数是如何标注的？
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2. 电子显微镜的放大倍数
若入射电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光屏显示 的宽度为Ac，则扫描电镜的放大倍数为:
第二章 电子显微镜
(二）电子显微镜的成像原理 及二次电子像
1. 电子显微镜的成像原理 2. 电子显微镜的放大倍数 3. 电子束与样品的作用区域 4. 二次电子与二次电子像
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光学显微镜的成像原理
利用透镜与介质(空气)的折射率差异，导致光 线发生偏转。 凸透镜对物体放大。
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1. 电子显微镜的成像原理
Primary electron
Secondary electron
被打飞的电子可以是核 外任何一层的电子。
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如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，则那些能量大于材料 逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子。
Secondary electrons
5-10nm
更深部位的散射电子， 无法逃逸出样品，而被试 样吸收。
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These electrons are focused by a series of magnets. The magnets are made magnetic by electricity and are called electromagnets. The electrons can be focused on the sample and when they hit the sample a signal is given off.
透射电子显微镜基本原理
透射电子显微镜基本原理透射电子显微TEM(技术)自20世纪30年月出生以来，经过数十年的进展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学讨论中物质微观结构观看、测试的非常重要的手段。
电子显微学是一门探究电子与固态物质结构互相作用的科学，电子显微镜把人眼的辨别能力从大约0.2mm拓展至亚原子量级( 0. 1nm)，大大增加了人们观看世界的能力。
尤其是近20多年来，随着科学技术进展进入纳米科技时代，纳米材料讨论的迅速进展又给予这一电子显微技术以极大的生命力，可以说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的讨论；没有透射电子显微镜，开呈现代科学技术讨论是不行想象的。
目前，它的进展已与其他学科的进展休戚相关，疏远联系在一起。
透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的(图25-1)，所不同的是光学显微镜以可见光作光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。
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，相应的具有电子聚焦功能的是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的互相作用。
图25-1 光学显微镜与透射电子显微镜成像原理的比较理论上，光学显微镜所能达到的最大辨别率d，受到照耀在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径NA的限制：在20世纪初，科学家就已发觉理论上用法电子可以突破可见光的光波波长限制(波长范围为400～700nm)。
因为电子具有波粒二象性，而电子的波动特性则意味着一束电子具有与一束电磁辐射相像的性质。
电子波长可以通过德布罗意公式用法电子的动能推导出。
因为在TEM中，电子的速度临近光速，需要对其举行相对论修正：式中，h为普朗克常量；m0为电子的静质量；E为加速电子的能量；c为光速。
电子显微镜中的电子通常通过电子热放射过程或者采纳场电子放射方式得到。
随后电子通过电势差举行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。
透射出的电子束包含电子强度、相位以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
透射电子显微镜的原理及应用
透射电子显微镜的原理及应用一．前言人的眼睛只能分辨1/60度视角的物体，相当于在明视距离下能分辨0.1mm 的目标。
光学显微镜通过透镜将视角扩大，提高了分辨极限，可达到2000A 。
光学显微镜做为材料研究和检验的常用工具，发挥了重大作用。
但是随着材料科学的发展，人们对于显微镜分析技术的要求不断提高，观察的对象也越来越细。
如要求分表几十埃或更小尺寸的分子或原子。
一般光学显微镜，通过扩大视角可提高的放大倍数不是无止境的。
阿贝（Abbe ）证明了显微镜的分辨极限取决于光源波长的大小。
在一定波长条件下，超越了这个极限度，在继续放大将是徒劳的，得到的像是模糊不清的。
图1-1（a ）表示了两个点光源O 、P 经过会聚透镜L ，在平面上形成像O ，、P ，的光路。
实际上当点光源透射会聚成像时，由于衍射效应的作用在像平面并不能得到像点。
图1-1（b ）所示，在像面上形成了一个中央亮斑及周围明暗相间圆环所组成的埃利斑（Airy ）。
图中表示了像平面上光强度的分布。
约84%的强度集中在中央亮斑上。
其余则由内向外顺次递减，分散在第一、第二……亮环上。
一般将第一暗环半径定义为埃利斑的半径。
如果将两个光源O 、P 靠拢，相应的两个埃利斑也逐渐重叠。
当斑中心O ，、P ，间距等于案例版半径时，刚好能分辨出是两个斑，此时的光点距离d 称为分辨本领，可表示如下：αλsin 61.0d n = （1-1） 式中，λ为光的波长，n 为折射系数，α孔径半角。
上式表明分辨的最小距离与波长成正比。
在光学显微镜的可见光的波长条件下，最大限度只能分辨2000A 。
于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。
后来的X 射线和γ射线波长较短，但是难以会聚聚焦。
1924年德布罗（De Broglie ）证明了快速粒子的辐射，并发现了一种高速运动电子，其波长为0.05A 。
，这比可见的绿光波长短十万倍！又过了两年布施（Busch ）提出用轴对称的电场和磁场聚焦电子线。