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1、材料现代分析方法,材料化工学院,第八章 透射电子显微镜,第八章 透射电子显微镜,1 透射电镜的整体构造及工作原理 2 透射电镜的主要部件及工作原理,1 透射电子显微镜工作原理及构造,由三部分组成： 电子光学系统（镜筒）核心 电源与控制系统 真空系统,光学显微镜: 可见光作照明束; 玻璃透镜; 像分辨.,透射电镜: 电子为照明束; 磁透镜; 像分辨、结构分析。,电子枪发射出来的电子， 阳极电压加速 聚光镜(2、3个电磁透镜) 会聚为平行电子束 薄样品 样品本身的结构信息， 经物镜、中间镜、投影镜聚焦放大 形成图像或衍射谱于荧光屏上。,一、电子光学系统工作原理,透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似
2、的,光学显微镜与透射电镜的比较,1 透射电子显微镜工作原理及构造,一、构造 由照明、成像、记录、真空与电器系统组成。 1电磁透镜 通过调节激磁电流，方便地调节磁场强度，从而调节焦距和放大倍数,其光学性质符合：,8.1 透射电子显微镜工作原理及构造,2照明系统：主要由电子枪和聚光镜组成。 电子枪是发射电子的照明光源。 聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度 好、束流稳定的照明源,1)电 子 枪透射电子显微镜的电子源,常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成。 a为电子枪的自偏压回路，自
3、偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。 b是电子枪结构原理图。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。,灯丝,2) 聚光镜,聚光镜会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统。 第一聚光镜强激磁透镜，束斑缩小率为1050倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为15m； 第二聚光镜弱激磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果在样品平面上可获得210m的照明电子束斑。,3成像系统,透射电镜入射电子束有两种主要形式： 平行束和会聚束 前者用于成像及衍射， 后者用于成像、微分析及微衍射
4、,8.1 透射电子显微镜工作原理及构造,3成像系统 由物镜、中间镜和投影镜组成。 将衍射花样或图像投镜到荧光屏上。,来自样品的电子 物镜 背焦面上会聚为斑点 形成了衍射花样 （物镜的背焦面 与中间镜的物平面重合） 在荧光屏上得到衍射花样。,来自样品的电子 物镜 背焦面上形成了衍射花样 像平面上重新组合相干成像 （物镜的像平面 与中间镜的物平面重合） 在荧光屏上得到显微像,照明系统 成像系统:聚光镜与物镜之间放置样品,成像系统,成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 （1）物镜 用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。 透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何
5、缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。 是强激磁短焦距的透镜，放大倍数较高，一般为100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。,1)物 镜,物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。极靴的内孔和上下级之间的距离越小，物镜的分辨率越高。 为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而且或以提高图像的衬度。 此外，物镜光阑位于后焦面的位置上时，可以方便的进行暗场及衬度成像的操作。 在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和距离总是固定不变的，（
6、即物距L1不变）。因此改变物理学镜放大倍数进行成像时，主要是改变物镜的焦距和像距（即f 和 L2）来满足成像条件。,2）中间镜,弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍范围调节。当M1时，用来进一步放大物镜的像；当M1时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。 如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子显微镜中的成像操作，如图a。如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是电子显微镜中的电子衍射操作，如图b。,3）投影镜,作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步放
7、大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度(why?)。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。,成像系统,高性能的透射电镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。,观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照相暗盒。照相时
8、只要把荧光屏竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数十厘米的间距，仍能得到清晰的图像,4.观察与记录系统,透射电镜的结构,图5-11是透射电镜的外观照片。 通常透射电镜由电子光学系统、电源系统、真空系统、循环冷却系统和控制系统组成，其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。,透射电镜的结构,图5-12是电子光学系统的组成部分示意图。由图可见透射电镜电子光学系统是一种积木式结构，上面是照明系统、中间是成像系统、下面是观察与记录系统。,样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。透射电镜的样品是放置在物镜
9、的上下极靴之间，由于这里的空间很小，所以透射电镜的样品也很小，通常是直径3mm的薄片。,8.2 透射电镜的主要部件,一、样品台,样品台与试样,透射电镜的主要部件,消像散器可以是机械式的，可以是电磁式的。机械式的是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它们来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场校正成接近旋转对称的磁场。电磁式的是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场的,二、消像散器,透射电镜的主要部件,在透射电子显微镜中有许多固定光阑和可动光阑，它们的作用主要是挡掉发散的电子，保证电子束的相干性和照射区域。其中三种主要的可动光阑是第二聚光镜光阑，物镜光阑和选区光阑。光阑都用无磁性的
10、金属（铂、钼等）制造。,三、光阑,（一）第二聚光镜光阑,四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上（图5-19），使用时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入，使光阑孔中心位于电子束的轴线上（光阑中心和主焦点重合）。 聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位置。光阑孔的直径为20400m作一般分析观察时，聚光镜的光阑孔径可用200300m，若作微束分析时，则应采用小孔径光阑。,（二）物镜光阑,物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放在物镜的后焦面上。 常用物镜光阑孔的直径是20120m范围。 电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角(或衍射角)较大的电子被光阑
11、挡住，不能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原因。加入物镜光阑使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。 物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。利用明暗场显微照片的对照分析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。,（三）选区光阑,选区光阑又称场限光阑或视场光阑。 为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的微区。 对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。制作
12、这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平面处是完全一样的。但光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是50倍，则一个直径等于50m的光阑就可以选择样品上直径为1m的区域。 选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的，一般选区光阑孔的直径位于20400m范围之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。,透射电镜的功能及发展,从1934年第一台透射电子显微镜诞生以来，70年的时间里它得到了长足的发展。这些发展主要集中在三个方面。 一是透射电子显微镜的功能的扩展； 另一个是
13、分辨率的不断提高； 第三是将计算机和微电子技术应用于控制系统、观察与记录系统等。,功能的扩展,早期的透射电子显微镜功能主要是观察样品形貌，后来发展到可以通过电子衍射原位分析样品的晶体结构。具有能将形貌和晶体结构原位观察的两个功能是其它结构分析仪器（如光镜和X射线衍射仪）所不具备的。 透射电子显微镜增加附件后，其功能可以从原来的样品内部组织形貌观察（TEM）、原位的电子衍射分析（Diff），发展到还可以进行原位的成分分析（能谱仪EDS、特征能量损失谱EELS）、表面形貌观察（二次电子像SED、背散射电子像BED）和透射扫描像（STEM）。,功能的扩展,结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透射
14、电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。 透射电子显微镜功能的拓宽意味着一台仪器在不更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分（价态）的全面分析。,分析型透射电子显微镜,利用电子束与固体样品相互作用产生的物理信号开发的多种分析附件，大大拓展了透射电子显微镜的功能。由此产生了透射电子显微镜的一个分支分析型透射电子显微镜。,分析型透射电子显微镜,分析型透射电子显微镜,超高压电镜,日本日立公司H700电子显微镜，配有双倾台，并带有7010扫描附件和EDAX9100能谱。该仪
15、器不但适合于医学、化学、微生物等方面的研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能谱进行微区成份分析。, 分 辨 率：0.34nm 加速电压：75KV200KV 放大倍数：25万倍 能 谱 仪：EDAX9100 扫描附件：S7010,高分辨透射电子显微镜,透射电子显微镜发展的另一个表现是分辨率的不断提高。目前200KV透射电子显微镜的分辨率好于0.2nm，1000KV透射电子显微镜的分辨率达到0.1nm。 透射电子显微镜分辨率的提高取决于电磁透镜的制造水平不断提高，球差系数逐渐下降；透射电子显微镜的加速电压不断提高，从80KV、100KV、120KV、2
16、00KV、300KV直到1000KV以上；为了获得高亮度且相干性好的照明源，电子枪由早期的发夹式钨灯丝，发展到LaB6单晶灯丝，现在又开发出场发射电子枪。,高分辨透射电子显微镜,提高透射电子显微镜分辨率的关键在于物镜制造和上下极靴之间的间隙，舍弃各种分析附件可以使透射电子显微镜的分辨率进一步提高，由此产生了透射电子显微镜的另一个分支高分辨透射电子显微镜（HREM）。 但是近年来随着电子显微镜制造技术的提高，高分辨透射电子显微镜也在增加各种分析附件，完善其分析功能。,计算机技术的应用,透射电子显微镜的发展还表现在计算机技术和微电子技术的应用。计算机技术和微电子技术的应用使透射电子显微镜的控制变得简单，自动化程度大大提高，整机性能提高。 在透射电子显微镜的观察与记录系统中增加摄像系统，使分析观察更加方便，而且能连续记录。近几年慢扫描CCD相机越来越多地取代传统的观察与记录系统，将透射电子信号（图象）传送到计算机显示器上，不仅方便观察记
