透射电子显微镜原理

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1、第二章 透射电子显微镜【教学内容】1.透射电子显微镜的构造与成像原理2.透射电镜图像的成像进程3.透射电镜要紧性能4.表面复型技术5.透射电镜观看内容【重点把握内容】1.透射电子显微镜构造2.表面复型技术3.复型电子显微镜图像的分析。【教学难点】表面复型技术透射电子显微镜的结构与成像原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数 的电子光学仪器。There are four main components to a transmission electron microscope: an electron optical column a vac

2、uum systemthe necessary electronics (lens supplies for focusing and deflecting the beam and the high voltage generator for the electron source)software1.2.3.4.空明系3E矚像靈炀脾察记壷系緬Tft-lh抢由机械泵柑微砒成 期車电就题畫孑泵秉巽高真空鷹.10-= #t 电于枪加產魁子期小电盍高电圧削淳 透橈烝區用大电葢低丘电簿EDSWDSEELS电子主孚靈St （撓暫）电子光学系统（镜筒）（an electron optical colum

3、n ）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似, 如下图，包括：照明系统，成像系统，观看记录系统。图 2-1 投射显微电镜构造原理和光路2.1.1 照明系统组成：由电子枪、聚光镜（1、2 级）和相应的平移对中、倾斜调剂装置组成。 作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳固的照明源。为知足明场和暗场 成像需要，照明束可在20-30 范围内倾斜。1. 电子枪电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并集聚成交叉点。 目前电子显微镜利用的电子 源有两类：热电子源加热时产生电子，W丝，LaB6场发射源在强电场作用下产生电子，场发射电镜FE热阴极电子源电子枪的结构如图2-2 所示

4、，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间集聚为尺寸为d0的交叉点, 一样为几十um。栅极的作用：限制和稳固电流。图 2-2 电子枪结构12. 聚光镜 从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步集聚成近似平行的照 明来，那个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。如图2-3。旳pin电于枪第一交咒点50um一黑一醮光療“旳-门押 linn第二寰朮植图 2-3 照明系统光路图TW少 fenLaBfField emissianOperal.ngtEmpe 估MirThermionic 2S00 KThermionic 2000 KCfit

5、a； un ambisrvtBnghtnws -al lOOkV5 x 1CJS Afcm2 s5 Jt 1QC Acm2 sr1D*to 10 A/cms srTotal twnent40 lo lOCmA5 a 20mA1 -to-10mA.Probe curreni: m Wnm spot10 -iaA10给1DAVirtajjl spot20niAtmm5 lo- 10nmE nerg spread3eVIM0 2eVTypi亡自【可自tiiLi櫛lO5 Torr1 魄 Toft10% 1fl-10FflrrTypical Irflirn10 Io 50 hours500to IODO

6、 hours1000 hours1 c2弱磁透镜，长焦，小a。为了调整束斑大小还在C2聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可取得N, um的电子 束斑。同时，为了减小像散，在c2下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的。 电子枪还能够倾斜23o，以实现中心磁场成像。2.1.2 成像系统由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成.PnojectorafensEM&101-7SA1 lower magsSA2 higher magsOrfltacoi 9en5irfleiWMteknteiTDKllaflc anderergl&edProj&cbr I fensintefn

7、iMiafle ana DiTTadW 也 angy &r*ra=EedOppcnw i-ms =1）物镜：强励磁短焦透镜（f=l-3mm），放大倍数100300倍。作用：形成第一幅放大像2）物镜光栏：装在物镜背焦面，直径20120u m,无磁金属制成。作用：a.提高像衬度，b.减小孔经角，从而减小像差。C.进行暗场成像3）选区光栏：装在物镜像平面上，直径20-400um, 作用：对样品进行微区衍射分析。4）中间镜：弱压短透镜，长焦，放大倍数可调剂 020 倍作用a.操纵电镜总放大倍数。B.成像/衍射模式选择。5）投影镜：短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影

8、镜孔 径角很小。小孔径角有两个特点：a. 景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数转变大，也不阻碍图象清楚度。b. 焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。 注意：有些电镜还装有附加投影镜，用以自动校正磁转角。2.1.3 观看记录系统 观看和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较灵敏、发绿光的荧光 物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的聚集和观看。 照相机构是一个装在荧光屏下面，能够自动换片 的照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光灵敏、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时刻很短， 一样只需几秒钟。新型电镜均采纳电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。现代电镜

9、已开始装 有电子数码照相装置，即CCD相机。要紧部件的结构与工作原理2.2.1样品平移与倾斜装置（样品台Specimen Holders ）电镜样品小而薄，通经常使用外径3mm的样品铜网支持，网孔或方或园，约0.075mm,见图2-4。图2-4样品铜网放大像（a）方孔（b）圆孔样品台的作用是承载样品，并使样品在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转，以选择感爱好的样品区域或 位向进行观看分析。平移是样品台的大体动作，平移最大值土 1mm。倾斜装置用的最普遍的是“侧插”式倾斜装置，如下图图2-5。电子电方1司有的样品杆本身还带有使样品倾斜或原位旋转的装置。这些样品杆和倾斜样品台组合在一路成为侧插 式双倾样

10、品台和单倾旋转样品台。目前，双倾台是最经常使用的，沿X和Y轴倾转土 450。 样品台的倾斜和旋转装置能够进行三维立体分析，测定晶体的位向、相变时的惯习面和析出相的方位 等。Specimen Holders Single tilt holder - For rapid general purpose use Double tilt holder - Principle tilt angle up to 60 , second tilt angle up to 30 Rotation holder - Maximum rotation up to 360 tilt up to 60 Low bac

11、kground holder - Beryllium construction for X-Ray analysis with thin or bulk specimens, tilt up to 60 Heating holder - Controlled from room temperature up to 1000C, tilt up to 45 Cooling holder - Controlled from room temperature down to -155 C till up to +45 Straining holder - Clamp mounting system,

12、 tilt up to 60 Multiple holder - For remounting of three grid specimens of bulk specimens up to a size of 11 x x 1mm up to 60 tilt Cry transfer - For the transfer of cryo sections cooled to the microscope and maintaining the sections at cryo temperatures during observation. Minimum temperature -95 C

13、 Maximum tilt 302.2.2 电子束倾斜与平移装置新式电镜都带有电磁偏转器，使入射电子束平移和倾转，其原理见图，上、下两线圈联动的。利用电 子束原位倾斜能够进行中心暗场成像操作。图 2-6 电子束平移和倾斜的原理图(a)平移(b)倾斜PriinG-lph of pttfcul pointa2.2.3 消像散器(Stigmators)用来排除或减小透镜磁场的非轴对称性，把固有的椭圆形磁场校正成旋转对称磁场的装置。 消像散器分为两类：机械式；电磁式。机械式：电磁透镜的磁场周围放置几块位置能够调剂的导磁体来吸引部份磁场。电磁式：通过电磁极间的吸引和排斥来校正磁场，如图2-7 所示，两组

14、四对电磁体排列在透镜磁场外 围，每对电磁体同极相对安置。通过改变两组电磁体的励磁强度和磁场的方向实现校正磁场。sl购 m Ad efied ionin* 卑beamZdefle ciiqh *1 A rnaoneticcoilturreniEW6-EOT图 2-7 电磁式消像散示用意及原理消像散器一样安装在透镜的上、下极靴之间2.2.4 光阑(Diaphragm holders and choice of diaphragms) 透射电镜有三种要紧光阑( Types of diaphragms ) 聚光镜光阑( Condenser lens holder) 物镜光阑( Objective lens holders) 选区光阑( Diffraction lens holders) 由光阑架和光阑孔组成：图 2-8 抗污染光阑无磁金属制成(Pt、Mo等)制造。由于小光阑孔容易污染，高性能电镜经常使用抗污染光阑或自洁光 阑，结构如下图。光阑孔周围开口，电子束照射后热量不易散出，处于高温状态，污染物不易沉积。光阑 常做成四个一组的光阑孔，安装在光阑杆的支架上。利历时，通过光阑杆的分档机构按需要依次插入。Typeletis阳囚nges-C igdvnljgesPlaun-um normalObjecuve. Dtffra