透射电镜分析
透射电镜TEM原理详解
度为ρ和厚度为t旳样品上，若入射电子数为n，经过
厚度为dt后不参加成象旳电子数为dn，则入射电子散
射率为
单个原子旳散射截面
dn N dt A 0
每单位体积样品旳散射面积
n
M
单位体积样品中包括旳原子个数
厚度为dt旳晶体总散射截面
将上式积分，得：
N
N0
exp
N A 0t
M
式中N0为入射电子总数(即t=0时旳n值)，N为最终参 加成像旳电子数。
G t
当A、B两区不是由同一种物质构成时，衬 度不但取决于样品旳厚度差，还取决于样品旳 原子序数差。
一样旳几何厚度，含重原子散射作用强， 相应旳明场像暗；反之，由轻原子构成旳区域， 散射作用弱，相应旳明场像亮．
复型样品旳制备中，常采用真空镀膜投影 旳措施，因为投影（重）金属或萃取第二相粒 子旳原子序数总是比复型材料大得多，所以经 过投影旳复型图像衬度要高得多。
特点
透射电镜旳明显特点是辨别本 事高。目前世界上最先进旳透射 电镜旳辨别本事已到达0.1nm,可 用来直接观察原子像。
相 位 衬 度
衍射衬度
位错
质厚衬度
二相粒子萃取复型 样品制备示意图
45钢900℃水淬， 600℃回火1h，6000×
• 具有一定能量旳电子束与样品发生作用，透过样品 旳电子束，携带了反应样品微区厚度、平均原子序 数、晶体构造或位向差别旳多种信息，这么旳电子 束经放大后形成反应这些信息旳透射电子像。
微镜辨别率旳理论极限。若用波长最短旳可见光(λ= 390nm )作
照明源，则
r0≈200nm 200nm是光学显微镜辨别本事旳极限
怎样提升显微镜旳辨别率
• 根据透镜辨别率旳公式，要想提升显微镜旳辨别率，关键 是降低照明光源旳波长。
透射电镜样品检测标准
透射电镜（TEM）样品的检测标准主要包括以下几个方面：
样品制备：透射电镜样品需要经过精细的制备过程，以确保样品的表面平整、无划痕、无污染。
制备过程中需要使用专业的工具和设备，如切割机、抛光机等，以确保样品的表面质量和完整性。
样品厚度：透射电镜样品需要具有一定的厚度，以便在电镜下观察到样品的内部结构。
样品的厚度需要根据实验目的和样品类型来确定，一般要求在几十纳米到几百纳米之间。
样品纯度：透射电镜样品需要具有较高的纯度，以避免杂质对实验结果的影响。
样品的纯度可以通过化学分析、光谱分析等方法进行检测。
样品稳定性：透射电镜样品需要具有一定的稳定性，以避免在电镜下观察过程中发生变形或破裂。
样品的稳定性可以通过对样品的热稳定性、机械稳定性等方面的测试来评估。
图像质量：透射电镜样品的图像质量是评价样品质量的重要指标之一。
图像质量包括分辨率、对比度、清晰度等方面，需要满足实验要求和标准。
总之，透射电镜样品的检测标准需要综合考虑多个方面，以确保实验结果的准确性和可靠性。
同时，在进行透射电镜样品制备和检测过程中，需要严格遵守实验室安全规范，确保实验人员的安全和健康。
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
透射电镜的原理和应用
透射电镜的原理和应用透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束来对物质进行成像和分析的先进仪器。
相对于光学显微镜，透射电镜的分辨率更高，可以观察到更小尺寸的物体和更细微的细节。
下文将详细介绍透射电镜的原理和应用。
一、原理透射电镜的工作原理基于电子的波粒二象性。
当高速电子束穿过薄样品时，电子与样品原子发生散射或透射，这些散射和透射电子可以通过其中一种方式被聚焦后投射到屏幕上形成影像。
透射电镜的主要组成部分包括电子源、电子透镜系统、样品台、检测器和成像系统。
2.电子透镜系统：透射电镜中使用的电子透镜系统包括凸透镜、凹透镜和电磁透镜等，用于聚焦和控制电子束的路径。
3.样品台：样品台用于固定和支持待观察的样品。
在样品台上放置薄到几十纳米的切片样品，以便电子束能够透过。
4.检测器：透射电镜中常用的检测器包括透射电子探测器（TED）、散射电子探测器（SED）和能量散射光谱仪（EDS）等。
TED用于接收透射电子并产生明亮的影像，SED用于检测和分析散射电子的信息，EDS用于分析样品中的元素组成。
5.成像系统：透射电镜的成像系统包括投影屏幕、摄像机和电子显微图像处理设备。
通过调整电子透镜系统，可以将电子束上的信息转换成实时图像并显示在投影屏幕上。
二、应用透射电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有广泛的应用。
以下是透射电镜的几个主要应用。
1.结构表征：透射电镜可以用于观察材料的结构和形貌。
它能够提供高分辨率的图像，揭示物质的晶体结构、晶体缺陷、晶界和相界等微观结构信息。
2.成分分析：透射电镜结合能量散射光谱仪（EDS）可以分析样品中元素的组成。
EDS通过测量样品上散射电子的能量，确定样品中元素的成分和含量。
3.纳米材料研究：透射电镜可以研究和制备纳米尺寸的材料。
通过观察和测量纳米材料的形貌、尺寸和结构，可以了解纳米材料的特性和性能，并指导纳米材料的设计和合成。
透射电镜电子衍射在晶体结构分析中的应用
透射电镜电子衍射在晶体结构分析中的应用晶体材料由于具有有序结构而表现出许多独特的性质，成为特定的功能材料,制成器件广泛应用于微电子、自动控制、计算通讯、生物医疗等领域。
功能晶体材料的的微观结构决定其性能，因此对其微观结构的解析一直是科学研究的热点之一。
研究晶体结构通常的方法是X-射线单晶衍射技术(SXRD, Single crystal X-ray diffraction)和X-射线粉末衍射技术(PXRD, Powder X-ray diffraction)，科学家们应用此两项技术已经解析了数目非常庞大的晶体结构。
然而X-射线衍射技术对于解析的晶体大小有限制，即使是应用同步辐射光源也只能解析大于微米级的晶体，无法对纳米晶体的结构进行解析。
相对于X-射线，电子束由于具有更短的波长以及更强的衍射，因此电子衍射应用于纳米晶体的结构分析具有特别的意义，透射电镜不仅可对纳米晶体进行高分辨成像而且可进行电子衍射分析，已成为纳米晶体材料不可或缺的研究方法，包括判断纳米结构的生长方向、解析纳米晶体的晶胞参数及原子的排列结构等。
1、判断已知纳米结构的生长方向在研究晶体结构时，很多情况下需要判断其优势生长面及生长方向，尤其是纳米线、纳米带等。
晶体的电子衍射图是一个二维倒易平面的放大，同时透射电镜又能得到形貌，分别相当于倒易空间像与正空间像，正空间的一个晶面族(hkl)可用倒空间的一个倒易点hkl来表示，正空间的一个晶带[uvw]可用倒空间的一个倒易面(uvw)*来表示，对应关系如图1所示，在透射电镜中，电子束沿晶带轴的反方向入射到晶体中，受晶面族(h1k1l1)的衍射产生衍射斑(h1k1l1)，那么衍射斑与透射斑的连线垂直于晶面族(h1k1l1)，据此可判断晶体的优势生长面及生长方向。
具体的方法是：首先拍摄形貌像，并且在同一位置做电子衍射，在形貌像上找出优势生长面，与电子衍射花样对照，找出与透射斑连线垂直于此晶面的透射斑，并进行标定，根据晶面指数换算出生长方向。
《透射电镜原理》课件
构。
立体感强
透射电镜的图像具有很强的立体感 ，能够呈现出样品的层次感和深度 。
色彩丰富
透射电镜的图像可以通过不同的染 色技术呈现出丰富的色彩，增强视 觉效果。
透射电镜的图像解析步骤
图像获取
通过透射电镜获取样品的图像。
特征提取
从图像中提取出样品的主要特征，如细胞核 、细胞质等。
。
透射电镜的维护与保养
定期清洁透射电镜的镜筒和样品室，保持清洁度。 定期更换透射电镜的灯丝，保证电子源的正常工作。
检查透射电镜的真空系统和气体系统是否正常工作，确 保电子束传输畅通无阻。
定期进行校准和维护，确保透射电镜的各项参数准确性 和稳定性。
透射电镜的图像解
05
析
透射电镜的图像特点
高分辨率
复型样品制备
总结词
复型样品制备是为了保护原样品，将其复制成另一种材料并制成薄膜，以便在电镜中观察其微观结构 。
详细描述
复型样品制备通常采用硅橡胶、环氧树脂等材料作为基质，将原样品放置在基质中，经过聚合、固化 等步骤后，将原样品取出，留下一个与原样品相似的薄膜。制备过程中需要注意控制温度和压力，以 确保复型样品的准确性和稳定性。
冷冻样品制备
总结词
冷冻样品制备是为了保持生物样品的活 性和天然状态，将样品快速冷冻并制成 薄膜，以便在电镜中观察其微观结构。
VS
详细描述
冷冻样品制备通常采用液氮等低温介质将 生物样品迅速冷冻，然后将其转移到冷冻 切片机中进行切片。制备过程中需要严格 控制温度和切片的厚度，以确保样品的结 构和成分不受影响。同时，冷冻样品制备 还可以用于观察细胞内部的结构和动态过 程。
实验二细胞的超微结构—透射电镜下的细胞器
实验二细胞的超微结构—透射电镜下的细胞器实验目的：通过使用透射电子显微镜观察和研究细胞的超微结构，了解细胞器的形态和组织，以及其在细胞功能中的作用。
实验原理：透射电子显微镜是一种利用电子束通过样品的原理进行显微观察的仪器。
相比传统光学显微镜，透射电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数。
实验步骤：1.准备样品：使用透射电子显微镜需要制备薄片样品。
将细胞或组织固定、切片和上染色剂等。
2.调整放大倍数：根据需要观察的细胞器，调整透射电子显微镜的放大倍数。
3.开始观察：将样品放入透射电子显微镜中，调整焦距和对比度，开始观察细胞超微结构。
4.记录结果：使用电子显微镜拍摄或记录所见到的细胞器的图像和形态。
根据观察结果，对细胞器的结构和功能进行分析和讨论。
实验结果：观察细胞的超微结构可以看到许多细胞器，如细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体等。
细胞核是细胞的控制中心，一般位于细胞的中央。
在透射电镜下观察，可以看到核膜（由内核膜和外核膜组成）、核孔、核仁等结构。
核膜通过核孔与细胞质相连，核仁是RNA合成的地方。
线粒体是细胞的能量中心，通过细胞呼吸产生ATP。
在透射电镜下观察，线粒体呈棒状或梭形，内部含有许多内膜，并形成一系列被称为嵴（cristae）的褶层。
嵴上含有许多氧化酶，参与细胞呼吸。
内质网是细胞的重要细胞器之一，两个片层之间的空腔称为内质网腔。
内质网膜上覆盖着许多小颗粒，称为核糖体。
内质网分为粗面内质网和平滑内质网，前者存在核糖体，用于蛋白质合成，后者没有核糖体，参与脂质代谢和钙离子存储。
高尔基体是细胞的分泌细胞器，具有分泌蛋白质、糖蛋白质和磷脂等功能。
高尔基体由多个平面被膜囊构成，形成一系列被称为囊泡的结构。
在透射电镜下可以看到高尔基体具有一层由囊泡组成的堆叠结构。
溶酶体是细胞的消化系统，其内部含有多种水解酶。
溶酶体呈球状或椭圆形，在透射电镜下可以看到其内部含有酶泡。
溶酶体参与细胞内的废物降解和吞噬体的形成。
透射电镜组织处理
透射电镜组织处理
透射电镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是一种高分辨率的显微镜，可以用于观察和分析材料的微观结构和成分。
在使用透射电镜进行样品观察之前，需要对样品进行适当的处理。
以下是透射电镜组织处理的一般步骤：
1. 固定样品：将要观察的组织样品进行固定处理。
常用的固定剂有醛固定剂，如戊二醛或葡萄糖醛固定剂。
固定的目的是停止细胞功能，保存细胞和组织的原貌。
2. 切片：将固定的样品块切割成非常薄的切片。
通常使用超薄切片机或者离心机来获得薄片。
厚度通常为50到100纳米左右，以保证透射电镜的有效穿透。
3. 染色：对切片进行染色以增强对细胞结构的观察。
常用的染色剂有重铀酸、铅酸等。
染色的目的是使细胞结构在电子束中的对比度增强。
4. 上膜：在切片的背面电镜网格上涂上薄膜，以便将切片固定在透射电镜的样品架上。
5. 透射电镜观察：将处理好的样品放置于透射电镜中观察。
通过调整电子束的聚焦和缩放，可以观察到组织和细胞的微观结构。
透射电镜组织处理的目的是保持样品的原始结构和形态，并使其适应电子束的穿透性观察。
注意，在进行透射电镜观察之前，样品必须成为极度干燥状态，因为电子束对水分很敏感。
通过透射电镜观察和分析组织样品，可以获得高分辨率和高对比度的图像，从而进一步了解组织和细胞的微观结构和功能组织。
这对于生物学研究、药物开发和疾病研究具有重要意义。
第四章 透射电镜电子衍射衍射花样标定解析
V
V
V
式中V为正点阵中单胞的体积：
V a (b c) b (c a) c (a b)
表明某一倒易基矢垂直于正点阵中和自己异名的 二基矢所成平面。
2．倒易点阵的性质
(1)根据倒易点阵中单位矢量的定义和矢量运算法则可推出：
a * b a * c b * a b * c c * a 0
R21 : R22 : R23 :1: 2:3: 4:5:6:8:9:10:11:12:13:14:16:17:
实际晶体要产生衍射，除要求满足布拉格定律外，还要满
足一定条件，如体心立方晶体要求 H+K+L为偶数；面心立 方晶体要求H、K、L为全奇数或全偶数，否则产生结构消光。
因此体心立方晶体和面心立方晶体遵循的规律如下：
342.25
Ri2/R12 {hkl}
3 {111}
8 {220}
11 {311}
20 {420}
表明为面心立方晶体。
②任取A为(111)，尝试B为(220)，并测得之间的夹角为900，
之间的夹角为580，由选取的A，B点所对应的晶面指数计算
夹角的余弦：cos
h1h2 k1k2 l1l2
(1)未知相机常数及晶体结构情况下指标化方法
铝单晶电子衍射花样及标定
①选取靠近中心O附近且不在一条直线上的四个斑点A、B、C、 D，分别测量它们的R值，并且找出Ri2/R12比值规律，确定点 阵类型及斑点的晶面组指数。
斑点
A
B
C
D
R（mm） 7
11.4
11.3
18.5
R2
49
129.96
182.25
计算晶面间距d如果相机常数未知可用标准样品计算出实验条件下电镜的相机常数kl然后根据衍射环的的相对强度查出pdf卡片确认与所测数据相对应的物r2r1r3r42多晶电子衍射分析的作用主要有两个
透射电镜的基本功能
透射电镜的基本功能透射电镜是一种非常重要的电子显微镜，广泛应用于材料科学、生物学和化学等领域。
它可以通过控制电子束的路径和能量，产生高分辨率的影像，从而帮助我们研究物质的微观结构和性质。
本文将介绍透射电镜的基本功能，包括成像、衍射和能谱分析等方面。
一、透射电镜的成像功能透射电镜的主要功能是成像，它可以产生高分辨率的样品图像，从而帮助我们观察和研究样品的微观结构和形态。
透射电镜的成像原理是利用电子束与样品相互作用的效应，通过收集和处理电子束的散射和透射信号，生成图像。
透射电镜的成像原理可以用透射电子显微镜的简化模型来说明。
透射电子显微镜由电子枪、透射样品和投影屏三部分组成。
电子枪产生高能的电子束，经过准直器和聚焦器的调节，使电子束聚焦到样品表面。
样品对电子束的散射和透射会产生不同的信号，这些信号通过投影屏被收集和记录。
透射电镜的成像分为两种模式：直接成像和倒置成像。
在直接成像模式下，样品图像与样品本身的方向一致。
在倒置成像模式下，样品图像与样品本身的方向相反。
这是因为在透射电镜中，电子束与样品的相互作用是非常复杂的，包括电子的散射、透射和吸收等过程，从而导致图像的倒置。
透射电镜的成像分辨率取决于电子束的能量和样品的性质。
一般来说，电子束的能量越高，成像分辨率越高。
但是，高能电子束也会引起样品的损伤和辐射损伤，因此需要适当调节电子束的能量和强度。
此外，样品的结构和厚度也会影响成像分辨率，因为电子束在样品中的传播和散射会受到样品的影响。
二、透射电镜的衍射功能透射电镜的衍射功能是指利用电子束与样品相互作用的效应，产生衍射信号，从而研究样品的晶体结构和晶格参数。
透射电镜的衍射原理与X射线衍射类似，都是利用波粒二象性和布拉格定律来解释。
透射电镜的衍射模式包括电子衍射和选区电子衍射两种。
其中，电子衍射是指在整个样品上均匀照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定样品的晶体结构和晶格参数。
选区电子衍射是指在样品上选定一个小区域，只在该区域内照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定该区域的晶体结构和晶格参数。
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透射电子显微镜
彭彭
(沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳110142)
2015年01月20日15:51来源：钢之家
透射电子显微镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器，被广泛应用于材料科学等研究领域。
透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。
在材料科学研究领域，透射电镜主要可用于材料微区的组织形貌观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。
明暗场成像原理:晶体薄膜样品明暗场像的衬度(即不同区域的亮暗差别)，是由于样品相应的不同部位结构或取向的差别导致衍射强度的差异而形成的，因此称其为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。
如果只允许透射束通过物镜光栏成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束通过物镜光栏成像，则称为暗场像。
有关明暗场成像的光路原理参见图2-1。
就衍射衬度而言，样品中不同部位结构或取向的差别，实际上表现在满足或偏离布喇格条件程度上的差别。
满足布喇格条件的区域，衍射束强度较高，而透射束强度相对较弱，用透射束成明场像该区域呈暗衬度；反之，偏离布喇格条件的区域,衍射束强度较弱，透射束强度相对较高，该区域在明场像中显示亮衬度。
而暗场像中的衬度则与选择哪支衍射束成像有关。
如果在一个晶粒内，在双光束衍射条件下，明场像与暗场像的衬度恰好相反。
a) 明场成像 b) 中心暗场成像
明暗场成像是透射电镜最基本也是最常用的技术方法，其操作比较容易，这里仅对暗场像操作及其要点简单介绍如下：
(1)在明场像下寻找感兴趣的视场。
(2) 插入选区光栏围住所选择的视场。
(3) 按“衍射”按钮转入衍射操作方式，取出物镜光栏，此时荧光屏上将显示选区域内晶体产生的衍射花样。
为获得较强的衍射束，可适当的倾转样品调整其取向。
(4) 倾斜入射电子束方向，使用于成像的衍射束与电镜光铀平行，此时该衍射斑点应位于荧光屏中心。
(5) 插入物镜光栏套住荧光屏中心的衍射斑点，转入成像操作方式，取出选区光栏。
此时，荧光屏上显示的图像即为该衍射束形成的暗场像。
(衍射使用选区光阑,成像使用物镜光阑)
通过倾斜入射束方向，把成像的衍射束调整至光轴方向，这样可以减小球差，获得高质量的图像。
用这种方式形成的暗场像称为中心暗场像。
在倾斜入射束时，应将透射斑移至原强衍射斑(hkl)位置，而(hkl)弱衍射斑相应地移至荧光屏中心，而变成强衍射斑点，这一点应该在操作时引起注意。
利用暗场像观测析出相的尺寸、空间形态及其在基体中的分布，是衍衬分析工作中一种常用的实验技术。
利用层错明暗场像外侧条纹的衬度，可以判定层错的性质。
2-2 显示钨合金晶粒形貌的衍衬像
a) 明场像 b) 暗场像
图2-3 显示析出相(ZrAl3)在铝合金基体中分布衍衬像
a) 明场像b) 暗场像
图2-4 铝合金中位错分布形态的衍衬像
a) 明场像b) 暗场像
图2-5 铜合金中层错的衍衬像
a) 明场像b) 暗场像
在电子显微镜中，根据入射电子束的几何性质不同，相应地有两类衍射技术。
一类是选区电子衍射(selectedarea diffraction)或微衍射
(microdiffraction)，它以平行的电子束作为入射源；另一类是会聚束电子衍射(convergent beam diffraction),它以具有一定会聚角（一般在±4°以内）的电子束作为入射源。
目前这两类技术都有很大发展，并具有各自不同的专门用途。
为了研究样品上一个小区域的晶体结构或取向，我们可以在物镜像平面上放置一个视场光阑，此时投射到光阑孔外面的成像电子束将被挡住，不能进入中间镜，这就相当于在样品上选择了分析的范围。
利用这种方法，可以获得 1μm 或更小一些选区的衍射花样。
由于物镜球差及其聚焦误差等原因，目前很难精确地从小于 0.5μm的区域中得到衍射。
随着扫描透射电子显微术(STEM)的发展，采用强烈聚焦的细小电子束照射样品上极其有限的区域，与视场光阑的方法相比，不但选区尺寸小,而且精度高。
这就是所谓微衍射(选区小于100nm)和微微衍射(选区小于10nm)，也有人把它们分别叫做μ衍射和μμ衍射。
会聚束电子衍射 (CBD) 如果利用透射电子显微镜的聚光系统产生一个束斑很小的会聚电子束照射样品，形成发散的透射束和衍射束（图3）。
此时，由于存在一定范围以内的入射方向，通常的衍射“斑点”扩展成为衍射“圆盘”，典型的花样如图4所示。
除了被分析的区域小（100nm以下）以外,会聚束电子衍射的主要优点在于通过圆盘内晶带轴花样及其精细结构的分析，可以提供关于晶体对称性、点阵电势、色散面几何等大量结构信息。