TEM高分辨透射电镜讲稿精品

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1、透射电镜的成像及透射电镜的成像及应用（应用（TEM）前言前言进行电子显微分析时要把具有一定能量的电子汇聚成细小的电子束，与样进行电子显微分析时要把具有一定能量的电子汇聚成细小的电子束，与样品物质相互作用，激发出可以表征材料微区特征的各种信息，检测并处理品物质相互作用，激发出可以表征材料微区特征的各种信息，检测并处理这些信息。这些信息。电子显微镜是利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区的晶体结构电子显微镜是利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区的晶体结构(crystal structure(crystal structure）、微观组织）、微观组织 (microstructure (micr

2、ostructure）、）、 化学成份化学成份(chemical composition) (chemical composition) 、 化学键化学键(chemical bonding) (chemical bonding) 和电子分布情况和电子分布情况(electronic structure) (electronic structure) 的电子光学装置。的电子光学装置。 TEM发展概述发展概述TEM的结构和成像原理的结构和成像原理TEM的样品制备的样品制备影响影响TEM分辨率的因素分辨率的因素TEM的应用的应用主要内容主要内容一一. TEM发展概述发展概述 1926年德国科学家Gar

3、bor和Busch发现用铁壳封闭的铜线圈对电子流能折射聚焦，既可作为电子束的透镜。 1932年德国科学家Ruska和Knoll在前面两个发现的基础上研制出第一台TEM。 我国电镜研制起步较迟，1958年在长春中国科学院光学精密机械研究所生产了第一台中型电镜。 到1977年生产的TEM分辨率为0.3nm，放大倍率为80万倍。J.J.ThomsonJ.J.Thomson作阴极射线管实验时观察到作阴极射线管实验时观察到电场及磁场可偏折电子电场及磁场可偏折电子. .19261926年年BuschBusch发现可用电磁场聚焦电子，产生放大作用。发现可用电磁场聚焦电子，产生放大作用。电电磁场对磁场对电子电

4、子之作用与之作用与光学透鏡对光波光学透鏡对光波之作用非常相似，因而发展出电磁透之作用非常相似，因而发展出电磁透鏡鏡. .19341934年年RuskaRuska在实验室制成第一部透射电子显微鏡（在实验室制成第一部透射电子显微鏡（transmission transmission electron microscopeelectron microscope，TEM)TEM)1938 1938 年，德国西门子公司第一部商业电子显微镜問世年，德国西门子公司第一部商业电子显微镜問世 19401940年代，常用的年代，常用的50 50 至至100 keV 100 keV 之之TEM TEM 其分辨率約在

5、其分辨率約在l0 nml0 nm左右，左右，而最佳分辨率則在而最佳分辨率則在2 2至至3 nm3 nm之間。当时由于研磨試片的困难及缺乏之間。当时由于研磨試片的困难及缺乏应用的动机，所以很少为物理科学研究者使用。直到应用的动机，所以很少为物理科学研究者使用。直到19491949年，年，HeidenreichHeidenreich制成适于制成适于TEMTEM观察的鋁及鋁合金薄膜，观察的鋁及鋁合金薄膜，观察到因厚度及观察到因厚度及晶面不同所引起的像衬度效应，並成功的利用电子衍射理论加以解晶面不同所引起的像衬度效应，並成功的利用电子衍射理论加以解释。释。同時也获得一些与材料性质有关的重要結果，才使材

6、料界人士同時也获得一些与材料性质有关的重要結果，才使材料界人士对对TEMTEM看法改变看法改变。但因为一般試片研制不易，发展缓慢。但因为一般試片研制不易，发展缓慢。 具体发展历程：具体发展历程：19501950年代中期，英国年代中期，英国HirschHirsch改进了试样制备，改进了试样制备，建立了薄晶体电子衍衬建立了薄晶体电子衍衬运动学和动力学理论，成功地分析了透射电子显微镜中所观察到的图运动学和动力学理论，成功地分析了透射电子显微镜中所观察到的图像像，例如位借、层错等。各种晶体缺陷，以前只能在理论上描述和间，例如位借、层错等。各种晶体缺陷，以前只能在理论上描述和间接地演示，现在直接在电子显

7、微镜下观察到。接地演示，现在直接在电子显微镜下观察到。 1956 1956年年MenterMenter用多束电子成像的方法，在电子显微镜下用多束电子成像的方法，在电子显微镜下直接观察酞直接观察酞青铜晶体中青铜晶体中(201)(201)点阵平面间距为点阵平面间距为1.2nm1.2nm的条纹像的条纹像，开创了，开创了高分辨高分辨电子电子显微术显微术7070年代末日本大阪大学应用物理系教授桥本初次朗应用透射电子显微年代末日本大阪大学应用物理系教授桥本初次朗应用透射电子显微镜镜直接观察到单个重金属原子直接观察到单个重金属原子( (金原子金原子) )及原子及原子集团中的近程有序排列，集团中的近程有序排列

8、，并用快速摄影记录下原子跳动的踪迹并用快速摄影记录下原子跳动的踪迹, ,终于实现了人类直接观察原子终于实现了人类直接观察原子的宿愿。的宿愿。 60 60多年的实践证明，电子显微镜是上世纪最重大发明之一，卢斯多年的实践证明，电子显微镜是上世纪最重大发明之一，卢斯卡教授由于他的先驱工作给科学所带来的巨大贡献，从而获得卡教授由于他的先驱工作给科学所带来的巨大贡献，从而获得19861986年年的诺贝尔物理学奖的诺贝尔物理学奖。透射电镜的成像原理：透射电镜的成像原理：TEMTEM是利用透过样品的是利用透过样品的透射电子透射电子成像的。成像的。入射电子透射试样后，将与试样内部原子入射电子透射试样后，将与试

9、样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。向。电子枪发射出电子射线（不带信息），经电子枪发射出电子射线（不带信息），经透射系统照射在样品上，透射系统照射在样品上，电子束与样品相电子束与样品相互作用后，当电子射线在样品另一方重新互作用后，当电子射线在样品另一方重新出现时，以带有样品内的信息，然后进行出现时，以带有样品内的信息，然后进行放大处理而成像放大处理而成像，最终在荧光屏上形成带，最终在荧光屏上形成带有样品信息的图像，使人眼能够识别。有样品信息的图像，使人眼能够识别。因为不同结构有不同的相互作用，这样就因为不同结构有不同的相互作用，这样就可以根据透

10、射电子图象所获得的信息来了可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。二二. TEM的结构和成像原理的结构和成像原理超高压和中等加速电压技术超高压和中等加速电压技术：电子经过试样后，对成像有贡献的：电子经过试样后，对成像有贡献的弹性散射弹性散射电子所占的百分比决定了图像分辨率电子所占的百分比决定了图像分辨率信号噪声的高低；信号噪声的高低；+ + + +r rn nZnZn- - - -r re

11、 e原子引起电子束偏转示意图原子引起电子束偏转示意图 “小孔径角成像小孔径角成像”示意图示意图样品样品物镜像平面物镜像平面物镜光阑物镜光阑背焦平面背焦平面物镜物镜=Z e/ U rn=e / U re 电子光学系统 （主体） 真空系统 （辅助）TEM 电源与控制系统 （辅助） 循环冷却系统 （辅助）照明系统成像系统（主要）观察记录系统透射电镜的结构：透射电镜的结构：电子光学系统：电子光学系统：电 电子枪 子 聚光镜 光 样品台 样品装置部分学 物镜系 中间镜 成像部分统 投影镜 荧光屏 照相底片照明部分照明部分观察记录部分照明部分：照明部分：电子枪：发射电子的场所，也是电镜的照明源。由电子枪：

12、发射电子的场所，也是电镜的照明源。由阴极（灯丝）、阴极（灯丝）、栅极、阳极栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成电子束，组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成电子束，电子束有一定发射角，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子电子束有一定发射角，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束束加速加压加速加压的作用，形成很小的平行电子束。的作用，形成很小的平行电子束。聚光镜：将电子枪所发出的聚光镜：将电子枪所发出的电子束汇聚电子束汇聚到样品平面上。并调节电子到样品平面上。并调节电子的孔径角、电子束的电流密度和照明光斑的大小。的孔径角、电子束的电流密度和照明光斑的大小。样品装置部分：样

13、品装置部分：样品室是电子光学系统中的重要组成部分。它位于聚光镜和物镜之间。它的主要作用是通过样品台承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋承载样品，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。转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。在特殊情况下，样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能在特殊情况下，样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的样品座，以满足相变、形变等过程的动态观察。的样品座，以满足相变、形变等过程的动态观察。透射电镜的透射电镜的样品样品是放置在是放置在物镜的上下极靴之间物镜的上下极靴之间，由于这里的空间很小，由于这里的空间很小，所以透射

14、电镜的样品也很小，通常是直径所以透射电镜的样品也很小，通常是直径3mm3mm的薄片的薄片。成像部分：成像部分：物镜物镜：为放大率很高的短距透镜：为放大率很高的短距透镜，对样品成像和放，对样品成像和放大。它是决定大。它是决定TEMTEM分辨本领和成像质量的分辨本领和成像质量的关键关键。因。因为它将样品中的微细结构成像、放大，物镜中的任为它将样品中的微细结构成像、放大，物镜中的任何缺陷都将被成像系统中的其他透镜进一步放大。何缺陷都将被成像系统中的其他透镜进一步放大。中间镜中间镜：是一个可变倍率的弱透镜：是一个可变倍率的弱透镜，可以对电子像，可以对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物进

15、行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的体的像或电子衍射图像或电子衍射图来进行放大。来进行放大。投影镜投影镜：为高级强透镜：为高级强透镜，最后一级放大镜，用来放，最后一级放大镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。大中间像后在荧光屏上成像。透射电子显微镜中，透射电子显微镜中，物镜、中间镜、投影镜物镜、中间镜、投影镜是是以以积木方式积木方式成像，也就是说，上一透镜的像平成像，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。连续放大的最终像是一个清晰的像。在这种成像方式中，如果电子显微镜是在这种成像方式中，如

16、果电子显微镜是三级三级成成像，那么总的放大倍率就是各个透镜倍率的乘像，那么总的放大倍率就是各个透镜倍率的乘积。积。 M最大最大 =M1M2M3第一中间镜的物平面为物镜的像平面，可观察图像；第一中间镜的物平面为物镜的焦平面，可观察电子衍射中间镜：中间镜：专用底片专用底片/ /数字暗室记录带有内部结构信息的高分辨图像数字暗室记录带有内部结构信息的高分辨图像由电子枪发射高能、高速电子束由电子枪发射高能、高速电子束经聚光镜聚焦后经聚光镜聚焦后透射薄膜或粉末样品透射薄膜或粉末样品透射电子经过透射电子经过成像透镜系统成像透镜系统成像成像激发荧光屏显示放大图像激发荧光屏显示放大图像成像过程图解：成像过程图解

17、：透射电镜图像的解读透射电镜图像的解读质厚衬度像质厚衬度像电子衍射图电子衍射图相位衬度像（高分辨率像）相位衬度像（高分辨率像）小小孔孔径径成成像像明场像明场像暗场像暗场像中心暗场像中心暗场像透射电镜的小孔径角成像:为了确保透射电子显微镜的高分辨本领，采用小孔径角成像。为了确保透射电子显微镜的高分辨本领，采用小孔径角成像。小孔径角成像：小孔径角成像：是通过在是通过在物镜背焦面物镜背焦面上沿径向插入一个小孔径的物镜光上沿径向插入一个小孔径的物镜光阑来实现的，如图所示。阑来实现的，如图所示。 这样可把散射角大于这样可把散射角大于的的 电子挡掉，只允许散射角电子挡掉，只允许散射角 小于小于的电子通过物

18、镜光的电子通过物镜光 阑参与成像，阑参与成像，增加了图像增加了图像 的衬度。的衬度。 小孔径角成像小孔径角成像 12质厚衬度成像原理质厚衬度成像原理:1.1.衬度：衬度：是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能观察到的光强度或感是指在荧光屏或照相底片上，眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。光度的差别。 质厚质厚衬度衬度：由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质分布不同，形成反差，称为质- -厚衬度。厚衬度。2.

19、2.电子显微镜图像的衬度：电子显微镜图像的衬度：取决于投射到荧光屏或照相底片上不同取决于投射到荧光屏或照相底片上不同区域的区域的电子强度差别。电子强度差别。3.3.非晶体样品的质厚衬度成像原理：非晶体样品的质厚衬度成像原理： 入射电子透过样品时，若入射电子透过样品时，若样品越厚样品越厚碰到的原子数目越多；或碰到的原子数目越多；或样样品原子序数品原子序数Z Z越大或密度越大越大或密度越大样品原子核库仑电场越强，则样品原子核库仑电场越强，则散射角散射角越大越大被散射到物镜光阑外的电子就越多，被散射到物镜光阑外的电子就越多，而参与成像的电子强而参与成像的电子强度也就越低，度也就越低，从而在荧光屏显示

20、出不同的衬度，这就是从而在荧光屏显示出不同的衬度，这就是质厚衬度成质厚衬度成像原理像原理 。 13由于由于质质厚厚衬衬度度来源于入射来源于入射电电子与子与试样试样物物质发质发生相互作用而引起的吸生相互作用而引起的吸收与散射。由于收与散射。由于试样试样很薄，吸收很少。很薄，吸收很少。衬衬度主要取决于散射度主要取决于散射电电子子（吸收主要取于（吸收主要取于厚度厚度，也可，也可归归于厚度），当散射角大于物于厚度），当散射角大于物镜镜的孔径的孔径角角时时,它不能参与成象而相它不能参与成象而相应应地地变变暗。暗。这这种种电电子越多，其象越暗。子越多，其象越暗。或者或者说说，平均原子系数平均原子系数越大，

21、散射本越大，散射本领领大，透射大，透射电电子少的部分所形子少的部分所形成的象要暗些，反之成的象要暗些，反之则则亮些。亮些。衍射衍射衬度成像原理衬度成像原理:衍射衍射衬衬度度主要是由于晶体主要是由于晶体试样满试样满足足布拉格布拉格反射条件程度差异以及反射条件程度差异以及结结构振构振幅不同而形成幅不同而形成电电子子图图象反差。它象反差。它仅仅属于晶体属于晶体结结构物构物质质，对对于于非晶体非晶体试样试样是不存在的。是不存在的。当当电电子束穿子束穿过过金属薄膜金属薄膜时时， 严严格格满满足布拉格条件的晶面，足布拉格条件的晶面，产产生生强强衍射束，衍射束， 不不严严格格满满足布拉格条件的晶面，足布拉格

22、条件的晶面，产产生生弱衍射束弱衍射束， 不不满满足布拉格条件的晶面，足布拉格条件的晶面，不不产产生衍射束生衍射束。当当电压电压一定一定时时，入射束，入射束强强度一定度一定为为 I0，衍射束，衍射束强强度度为为Ihkl，则则透射束透射束强强度度为为 （ I0 - Ihkl ）（吸收不（吸收不计计）。）。若只若只让让透射束通透射束通过过物物镜镜光光阑阑成像，那就会因成像，那就会因试样试样各晶面各晶面产产生衍射与否、生衍射与否、衍射衍射强强弱、使透射束弱、使透射束强强度不一，而在度不一，而在荧荧光屏上形成光屏上形成衬衬度。度。入射束入射束 衍射束衍射束透透射射束束（hklhkl）d dN Nhklh

23、kl晶体晶体22 2 2d dhkl hkl sinsin=n=n其中，为波长；为掠射角（即入射方向与晶面的夹角）；dhkl为平行晶面组（hkl）面间距；n为整数以单相的多晶体薄膜样品为例说明。设：以单相的多晶体薄膜样品为例说明。设： 薄膜内两晶粒薄膜内两晶粒 A A和和 B B，其唯一差别在于晶体学位向不同。，其唯一差别在于晶体学位向不同。在入射束照射下，在入射束照射下，B B 晶粒的晶粒的 某某(hkl)(hkl)晶面组恰好与入射束晶面组恰好与入射束 满足精确的布拉格角满足精确的布拉格角B B ， 产生强烈衍射；产生强烈衍射； 而其余晶面均与衍射束存在而其余晶面均与衍射束存在 较大的偏差，

24、不产生衍射。较大的偏差，不产生衍射。 衍衍衬衬成像原理成像原理 衍射束衍射束透射束透射束A区域区域B区域区域22则：在则：在B B晶粒的选区衍射花样中，晶粒的选区衍射花样中，hklhkl斑点特别亮，也即其斑点特别亮，也即其(hkl)(hkl)晶晶面的衍射束最强。若样品足够薄，入射电子受到的吸收效应可不计，面的衍射束最强。若样品足够薄，入射电子受到的吸收效应可不计，且在且在“双光束条件双光束条件”下忽略其它较弱的衍射束。下忽略其它较弱的衍射束。则入射电子束则入射电子束 I I0 0 在在B B 晶粒区晶粒区 域内经过散射之后，将成为域内经过散射之后，将成为 衍射束衍射束I I hkl hkl 和

25、透射束和透射束 (I (I0 0I I hkl hkl ) ) 两部分。即两部分。即 衍衍衬衬成像原理明成像原理明场场像像 透射束透射束衍射束衍射束23同时，同时， A A晶粒所有晶面组与晶粒所有晶面组与B B晶粒位向不同，均与布拉格条件存在晶粒位向不同，均与布拉格条件存在较大的偏差。即较大的偏差。即: :在在A A晶粒的选区衍射花样中将不出现任何晶粒的选区衍射花样中将不出现任何 强衍射斑点，而只有中心透射斑点，或者说其强衍射斑点，而只有中心透射斑点，或者说其 所有衍射束的强度均为零。所有衍射束的强度均为零。于是，于是，A A 晶粒区域的透射束强度仍近似等于晶粒区域的透射束强度仍近似等于 入射

26、束强度入射束强度 I I0 0。 衍衍衬衬成像原理明成像原理明场场像像 衍射束衍射束透射束透射束24在电镜在电镜(TEM)(TEM)中衍射花样出现在物镜的背焦面上，加进一个尺寸足中衍射花样出现在物镜的背焦面上，加进一个尺寸足够小的物镜光阑。够小的物镜光阑。物镜光阑作用：物镜光阑作用：把把 B B晶粒的晶粒的 h k l h k l 衍射束挡掉，而只让衍射束挡掉，而只让 透射束通过光阑孔成像，即成一幅放大像。透射束通过光阑孔成像，即成一幅放大像。 则则B B晶粒较暗、晶粒较暗、A A晶粒较亮。晶粒较亮。 B B晶粒的像衬度为：晶粒的像衬度为： 衍衍衬衬成像原理明成像原理明场场像像 衍射束衍射束透

27、射束透射束25衍射衬度衍射衬度-明场明场(BF)(BF)成像：成像： 把这种让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度把这种让透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到图像衬度 的方法，叫做明场的方法，叫做明场(BF)(BF)成像。成像。 所得到的像叫明场像。所得到的像叫明场像。 衍衍衬衬成像原理明成像原理明场场像像 透射束透射束衍射束衍射束26正方正方Zr02多晶的明多晶的明场场像像 衍射衬度衍射衬度-暗场暗场(DF)(DF)像像： 移动物镜光阑的位置一下，使光阑孔套住移动物镜光阑的位置一下，使光阑孔套住hklhkl斑点，只让衍射束斑点，只让衍射束(I(Ihklhkl) )通过通过参与成像，而

28、把透射束挡掉而成的衍衬图像，即为暗场参与成像，而把透射束挡掉而成的衍衬图像，即为暗场(DF)(DF)像。则有：像。则有： 但是，此时成像由于是离轴光线，所得但是，此时成像由于是离轴光线，所得 图像质量不高，有较严重的像差。故常图像质量不高，有较严重的像差。故常 以另一方式产生暗场像以另一方式产生暗场像。 中心暗场中心暗场(CDF)(CDF)成像法成像法 衍射束透射束28中心暗场中心暗场(CDF)(CDF)成像方法：成像方法：把把入射束倾斜入射束倾斜22角度，使角度，使B B晶粒的晶粒的(hkl)(hkl)晶面组处于强烈衍射的位晶面组处于强烈衍射的位向，而物镜光阑仍在向，而物镜光阑仍在光轴位置光

29、轴位置。则仅。则仅B B晶粒的晶粒的(h k l)(h k l)衍射束通过光衍射束通过光阑孔，而透射束被挡掉。阑孔，而透射束被挡掉。B B晶粒的像亮度为晶粒的像亮度为I IB BIIhklhkl； A A晶粒在该方向的散射度极小，晶粒在该方向的散射度极小， 像亮度像亮度 I IA A00；图像衬度恰好与明场像相反，图像衬度恰好与明场像相反， B B晶粒较亮，晶粒较亮， A A晶粒很暗。晶粒很暗。 透射束透射束衍射束衍射束衍射束衍射束29因为减小了因为减小了球差球差，中心暗场成像比普通暗场成，中心暗场成像比普通暗场成像清晰。电子束倾斜由照明系统的上下偏转线像清晰。电子束倾斜由照明系统的上下偏转线

30、圈来完成。圈来完成。相位衬度像（高分辨率像）：相位衬度像（高分辨率像）：位相衬度是由于散射波和透射波在像平面上干涉而引起的位相衬度是由于散射波和透射波在像平面上干涉而引起的衬度。当试样厚度小于衬度。当试样厚度小于10nm10nm时，样品细节在时，样品细节在1nm1nm左右时，这左右时，这时相位衬度是主要的时相位衬度是主要的试样厚度试样厚度10nm10nm观察一维或二维晶格条纹像观察一维或二维晶格条纹像晶体结构中原子或分子配置情况的结构相晶体结构中原子或分子配置情况的结构相衍射衬度和相位衬度：衍射衬度和相位衬度：小结小结： 1. 1. 在晶体衍衬成像中，起决定作用的是在晶体衍衬成像中，起决定作用

31、的是晶体对电子的衍射晶体对电子的衍射，即某一最符，即某一最符合布拉格条件的合布拉格条件的(hkl)(hkl)晶面组强衍射束起着关键的作用，它决定了图像晶面组强衍射束起着关键的作用，它决定了图像的衬度。的衬度。2. 2. 在暗场条件下，在暗场条件下，像点的亮度像点的亮度直接等于样品上相应物点在光阑孔所选定直接等于样品上相应物点在光阑孔所选定的那个方向上的的那个方向上的衍射强度衍射强度。3. 3. 暗场像的衬度是与明场像暗场像的衬度是与明场像互补互补的，且暗场像的衬度将明显地的，且暗场像的衬度将明显地高于高于明场明场像。在金属薄膜的透射电镜分析中，暗场成像是一种十分有用的技术。像。在金属薄膜的透射

32、电镜分析中，暗场成像是一种十分有用的技术。4. 4. 衍衬图像衍衬图像完全是由完全是由衍射强度的差别衍射强度的差别所产生的，故这种图像必将是样品所产生的，故这种图像必将是样品内不同部位晶体学特征的直接的反应。内不同部位晶体学特征的直接的反应。30必须指出：必须指出： 只有只有晶体晶体试样形成的衍衬像才存试样形成的衍衬像才存明场像与暗场像明场像与暗场像之分，其之分，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，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。此暗线确实是所造用的操作反射斑引起的。 它不是表面形貌的直观反映，

33、是入射电子束与晶体试样之间相互作用后它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之间相互作用后的反映。的反映。不难看出，欲使薄晶样品通过衍射衬度成像，电镜须具备的基本操不难看出，欲使薄晶样品通过衍射衬度成像，电镜须具备的基本操作条件：作条件：1. 1. 须有一个孔径足够小的须有一个孔径足够小的物镜光阑物镜光阑（202030m30m）。）。2. 2. 样品台须在适当的角度范围样品台须在适当的角度范围可任意倾斜可任意倾斜，以便利用晶体位向的变，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的入射条件（双光束条件下可获较好的衬度）。化选择适于成像的入射条件（双光束条件下可获较好的衬度）。3. 3. 电镜应有

34、较方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，电镜应有较方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束选择用以成像的衍射束( (透射束透射束) )。4. 4. 必须有必须有可倾斜的照明系统可倾斜的照明系统，目前大都采用，目前大都采用电磁偏转系统电磁偏转系统来实现。来实现。31观察记录系统：观察记录系统：荧光屏：在电子束照射下，电子图像荧光屏：在电子束照射下，电子图像反映在荧光屏上，可呈现终像。研究反映在荧光屏上，可呈现终像。研究者通过观察窗在荧光屏上进行像的观者通过观察窗在荧光屏上进行像的观察、选择和聚焦。除了察、选择和聚焦。除了荧光屏荧光屏外，还外，还配有用于配有用

35、于单独聚焦的小荧光屏单独聚焦的小荧光屏，在主，在主观察窗外有观察窗外有510510倍的倍的双目镜光学显微双目镜光学显微镜镜，以对图像精确聚焦和观察，可以，以对图像精确聚焦和观察，可以把终像放大把终像放大310310倍倍。照相底片：最常用的透射电镜的照相照相底片：最常用的透射电镜的照相底片是片状的胶片。胶片的一面有厚底片是片状的胶片。胶片的一面有厚度约为度约为25m25m的明胶层，明胶层含有的明胶层，明胶层含有均匀分散的均匀分散的10%10%的卤化银颗粒。的卤化银颗粒。照相照相底片在电子束的照射下能感光底片在电子束的照射下能感光。它对。它对电子的感光特性基本上与可见光的感电子的感光特性基本上与可

36、见光的感光特性一样（只是光特性一样（只是灵敏度和噪声灵敏度和噪声不同）不同）。三三. TEM的样品制备的样品制备在透射电镜中，试样是放在载网上观察的，载网类似于光学显微镜中的载玻片，通常用直径约3mm的铜载网。常规的透射电镜中所用的加速电压为100-300kV，为保证电子束的透过，试样必须很薄，最厚不超过100200nm。透射电镜透射电镜分析样品类型分析样品类型：超细颗粒；生物薄膜；材料薄膜超细颗粒；生物薄膜；材料薄膜随着材料科学的随着材料科学的发发展，展，超超细细粉体及粉体及纳纳米材料米材料发发展很快，而粉末的展很快，而粉末的颗颗粒粒尺寸大小、尺寸分布及形尺寸大小、尺寸分布及形态对态对最最终

37、终制成材料的性能有制成材料的性能有显显著影响，因此，著影响，因此，如何用透射如何用透射电镜电镜来来观观察超察超细细粉末的尺寸和形粉末的尺寸和形态态便成了便成了电电子子显显微分析的微分析的一的一一的一项项重要内容。重要内容。其关其关键键工作是是工作是是粉末粉末样样品品的制的制备备，样样品制品制备备的关的关键键是如何将超是如何将超细细粉的粉的颗颗粒粒分散分散开来，各自独立而不开来，各自独立而不团团聚。聚。粉末试样粉末试样的的制备：制备： 当将这样薄而小的试样放在一个当将这样薄而小的试样放在一个多孔的载网多孔的载网上时很容易变形，特上时很容易变形，特别是试样的横向尺寸为微米级时，比网眼的尺寸还小，因

38、此必须别是试样的横向尺寸为微米级时，比网眼的尺寸还小，因此必须在载在载网上再覆盖一层散射能力很弱的支持膜，使试样不至于从网眼中漏掉网上再覆盖一层散射能力很弱的支持膜，使试样不至于从网眼中漏掉。 现在现在常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把常用支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否粉末放在膜上送入电镜分析。粉末或颗粒样品制备的关键取决于能否使其均匀分散到支持膜上。使其均匀分散到支持膜上。 支持膜表面再利用悬浮液法、喷雾法、超支持膜表面再利用悬浮液法、喷雾法、超声波震荡法将试样均匀分散。通常还需蒸涂上一层重金属以

39、提高其散声波震荡法将试样均匀分散。通常还需蒸涂上一层重金属以提高其散射能力。射能力。薄膜样品的制备薄膜样品的制备： (1) (1)真空蒸发法真空蒸发法：在真空蒸发设备中使被研究的材料蒸发后在凝结：在真空蒸发设备中使被研究的材料蒸发后在凝结成薄膜。成薄膜。 （2 2）溶液凝固法溶液凝固法：选用适当浓度的溶液滴在某种平滑表面，等溶剂：选用适当浓度的溶液滴在某种平滑表面，等溶剂蒸发后，溶质凝固成膜。蒸发后，溶质凝固成膜。 （3 3）离子轰击减薄法离子轰击减薄法：用离子束将试样逐层剥离，最后得到适于透：用离子束将试样逐层剥离，最后得到适于透射电镜观察的薄膜，这种方法很适用于高聚物材料。射电镜观察的薄膜

40、，这种方法很适用于高聚物材料。 （4 4）超薄切片法超薄切片法：对于研究高聚物大块试样的内部结构，可以用超：对于研究高聚物大块试样的内部结构，可以用超薄切片机将大试样切成薄切片机将大试样切成50nm50nm左右的薄试样。左右的薄试样。 复型样品的制备复型样品的制备： 样品通过表面复型技术获得。所谓复型技术就是把样品表面的显微组织样品通过表面复型技术获得。所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型复型”）放到透射电镜）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示材料的显微组织。复型方法中中去观察分析，

41、这样才使透射电镜应用于显示材料的显微组织。复型方法中用得较普遍的是碳一级复型、塑料二级复型和淬取复型。用得较普遍的是碳一级复型、塑料二级复型和淬取复型。光学显微镜用可见光作照明源，光的波动性所产生的衍射现象，使光学显微镜的分辨本领不能优于200nm的极限。当平面光波通过物镜或物镜光栏小圆孔时，由于光波相互干涉产生衍射，这种衍射称为佛朗荷夫(Fraunhofer)圆孔衍射。理想的点光源即使在物镜的各种像差消除的情况下，在像平面上也不能得到一个理想的像点，而形成具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的团环所组成的埃利埃利(Airy)斑斑.由于埃利斑光强度的84集中在中央亮斑，因此通常以埃利斑第一暗

42、环的半径来衡量其大小根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的埃利斑半径：n透镜周围介质折射率，照明光波长，透镜孔径半角， M透镜放大倍率， nsin 数值孔径。埃利埃利(Airy)(Airy)斑斑：五五. 影响影响TEM分辨率的因素分辨率的因素两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19时，肉眼仍能分辨是两个物点的像 通常把两个埃利斑中心间距等于第一暗环半径时，样品上相应的两个物点间距离ro定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领： 对于玻璃透镜，最大孔径角=7075o ，n=1.5，可化简为： 以上说明，透镜可分辨的两点间的最小距离即分辨本领主要取决透镜可分辨的两点间的最小距离即分辨本领

43、主要取决于于照明波长照明波长。可见光的波长在390760nm之间，最佳情况下，光学玻璃透镜的分辨本领极限值可达200nm，人眼的分辨本领约0.2mm, 所以光学显微镜的有效放大倍数为光学显微镜的有效放大倍数为1000倍倍。电子的波长电子的波长： 1924年，德布罗意鉴于光的波粒二象性，提出这样一个假设：运动的实物粒子(静止质量不为零的那些粒子：电子、质子、中子等)都具有波动性质。后来被电子衍射实验所证实。运动电子具有波动性使人们想到可以用电子束作为电子显微镜的光源。对于运动速度为v，质量为m的电子波长： 一个初速为零的电子(电荷为e)在电场中从电位为零处开始运动，因受加速电压U(阴极和阳极之间

44、的电位差)的作用获得运动速度为v，那么加速每个电子所作的功(eU)就是电子获得的全部动能，即：h=普朗克常数 加速电压比较低时，电子运动的速度远小于光速（vc） ，它的质量近似等于电子的静止质量，即mm。，则： h=6.62 10-34 Js, e=1.60 10-19 C, m0=9.11 10-31 kg, 所以： 在电子显微镜内，加速电压较高，必须引入相对论修正： 相应的电子能量为： 整理并代入数据： （1+0.9788 10-6U）为相对论修正因子 从表中可知，从表中可知，电子波长比可见光波长短得多电子波长比可见光波长短得多。以电子显微镜中常用。以电子显微镜中常用的的80200kV80

45、200kV的电子波长来看，其的电子波长来看，其波长仅为波长仅为0.00418 0.00251nm0.00418 0.00251nm，约为可，约为可见光波长的见光波长的十万分之一十万分之一。 如果如果仅考虑衍射效应仅考虑衍射效应对仪器分辨本领的影响，那末电子显微镜的极对仪器分辨本领的影响，那末电子显微镜的极限分辨本领应为限分辨本领应为1010-3-3nmnm。但是，目前能达到的最佳分辨本领是。但是，目前能达到的最佳分辨本领是1010-1-1nmnm ，比，比极限分辨本领约极限分辨本领约差差100100倍倍。10 0000*1000=10 0000 00010 0000*1000=10 0000

46、000倍倍10 0000 000/100=10 0000 000/100=100100万倍万倍电磁透镜的像差电磁透镜的像差 电磁透镜像玻璃透镜一样也要产生电磁透镜像玻璃透镜一样也要产生像差，像差，即使在不考虑电子即使在不考虑电子衍射效应对成像的影响下，也不能把一个理想的物点聚焦为一个理衍射效应对成像的影响下，也不能把一个理想的物点聚焦为一个理想的像点。想的像点。 电磁透镜的像差分为两类，一类是因电磁透镜的像差分为两类，一类是因透镜磁场的几何缺陷产生透镜磁场的几何缺陷产生的，叫做几何像差的，叫做几何像差，它包括，它包括球面像差球面像差( (球差球差) )、像散、像散等。另一类是由等。另一类是由电

47、子的波长或能量非单一性电子的波长或能量非单一性引起的引起的色差色差。 球差是由电磁透镜磁场中近轴区域(也称旁轴区域)对电子束的折射能力与远轴区域不同而产生的。当一个理想的物点所散射的电子经过有球差的透镜后，近轴电子聚焦在光轴的o点，远轴电子和近轴电子不交在一点上，而分别被会聚在一定的轴向距离上。因此，无论平面N位于何处，对所有参加成像的电子而言，我们不能得到清晰的图像，在平面N上仅呈现一个模糊的圆斑。但在这聚焦距离内可以找到一个适当位置，如垂直于光轴的M平面,在此平面获得比较清晰、具有最小直径的圆斑称为“最小散焦斑。最小散焦斑的半径： s=Cs3M，从折算到透镜物平面时： s = s/M=Cs

48、3 式中：M为透镜的放大倍率， Cs为球差系数。 为透镜孔径半角。由此可见，随着增大，透镜的分辨率迅速变差，故宜取得小 一、球差一、球差二、像散 像散是由于透镜的磁场非旋转对称引起的一种缺陷。电磁透镜极靴孔有点椭圆度，或者极靴孔边缘的污染等都会引起透镜磁场的非旋转对称。在透镜磁场的同样径向距离，但在不同方向上对电子的折射能力不一样。一个物点散射的电子，经过透镜磁场后不能聚焦在一个焦点，而交在一定的轴向距离上，在该轴向距离内也存在一个最小散焦斑称为像散散焦斑。像散是像差中对电子显微镜获得高分辨本领有严重影响的缺陷，但它能通过消像散器加以补偿矫正。 三色差 色差是由于成像电子波长(或能量)变化引起

49、电磁透镜焦距变化而产生的一种像差。波长短，能量大的快速电子有较大的焦距，波长长、能量小的慢速电子有较短的焦距。一个物点散射的具有不同波长的电子进入透镜磁场后，将沿着各自的轨迹运动，结果不能聚焦在一个像点，而分别在一定的轴向距离范围内，其效果与球差相似。造成电子束能量变化的原因主要由两个(1)电子枪加速电压的不稳定，引起照明电子束的能量波动，电镜设计上可使其被忽略。 (2)单一能量的电子束通过样品时与样品原子的核外电子发生非弹性散射而造成能量损失。样品越厚，电子能量损失幅度越大，色差散焦斑越大，透射电子显微镜下观察的样品很薄，由此引起的色差通常可以不考虑。电磁透镜的分辨本领电磁透镜的分辨本领 电

50、磁透镜的分辨本领受到透镜像差的影响。由于在像差中，像散可由消像散器加以足够的补偿，照明电子束波长和透镜电流的波动所引起的色差已由供电系统的稳定性所解决，但电磁透镜中的球差至今无法通过某种方法得到有效的补偿，以致球差球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素主要因素。 提高透镜分辨本领可采用很小的孔径角很小的孔径角成像，使球差散焦斑减小，但衍射效应埃利斑衍射效应埃利斑却增大了。所以二者要兼顾： 0 = s 得到： 0 =A 3/4 Cs1/4 , A0.40.55 虽然电子束的波长为可见光的是十万分之一，但电磁透镜的分辨本领并没有提高十万倍，主要是受球差的限制。总之，电磁透镜的分辨本领比光学透镜提

51、高一千倍，达到0.10.2nm。 总结：总结：影响电磁透镜分辨本领的两个主要因素：影响电磁透镜分辨本领的两个主要因素：1 1、像、像差差（主要（主要为球差）为球差）2 2、衍射效应（埃利斑）、衍射效应（埃利斑）（1）研究聚合物的聚集态结构，确定颗粒大小，形貌特征，粒径分布等。不同反应温度下Mn3O4纳米晶透射电镜及高分辨透射电镜照片四四. TEM的应用的应用（2）研究聚合物的多相复合体系：（4）此外，电镜还广泛用于研究聚合物乳液颗粒形态、纤维和织物的结构、聚合物材料的降解性能。生物相容性等。同时，TEM在细胞学、微生物学、临床病例诊断等领域也有广泛应用。（3）EDS能谱（元素分析)等附加性能：

52、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。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）。结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透射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

53、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。-几万几十万倍点分辨率、晶格分辨率（影响主要因素：电子光学系统，成像透镜，点分辨率、晶格分辨率（影响主要因素：电子光学系统，成像透镜，透镜样品制备）透镜样品制备）-0.10.2nm单晶衍射:周期性规则排列的斑点多晶衍射:一组同心圆环主要性能三：电子衍射主要性能三：电子衍射（2）d=L/R(d：为晶面间距，L：相机长度，：电子波长，R：所计算晶面（衍射点）到中心点的实际距离)（d为晶面间距；L为相机常数；r为环的半径；为电子波长，可由你所使用的加速电压查到，比如一般用的是200 kV，对应的电子波长就是0.00251 nm）衍射

54、环半径不同，晶面间距也不同。单晶衍射:周期性规则排列的斑点多晶衍射:一组同心圆环晶面间距的确定：晶面间距的确定：（1）根据）根据HRTEM直接测量晶格间距。直接测量晶格间距。晶面是一簇与平面点阵相平行的等间距的面，是用来表示晶体空间点阵的。用晶面指标（hkl)来表示不同晶面，如110，100。晶体点阵中有三个方向x,y,z，分别在3个坐标轴截出整数个晶胞单位(a,b,c)，为避免出现正无穷，故采用倒数的形式，就得到了现在的指标。比如100，指的是在x轴上1个a,平行于yz面的一簇晶面。先是跟据高分辨图测量出晶格间距的d值，找到对应的JCPDS（PDF）卡片，对应间距就能找到相对的晶面，接近哪个

55、晶面就是哪个，这是比较粗糙的算法，因为HRTEM图片在拍摄时，涉及到样品是否在最佳高度，聚焦值是否为最佳欠焦量，样品的厚度等等多种因素，所以一个样品不同的人拍摄，可能会有较大的差异，即便看起来基本一致，所以用HRTEM图片的晶格值来定晶面，会有不小的误差，最好根据电子衍射，一起判断。（高分辨可以量出晶格间距，电子衍射图确定其中心，可以量出到其他衍射点的间距，和高分辨的晶格间距对比，两个垂直的方向即可确定晶面，例如配出001生长方向和010生长方向，即可确定100与之垂直。）FFT是对高分辨照片处理的一个步骤，可以用来分析晶面夹角，晶带轴等信息，其实FFT，就是傅立叶转换，如果HRTEM清晰的话

56、，转化的点也会非常好，FFT那个图片是倒易空间，里面的每个点就是一个面，量下每个点到中心点的距离，然后取倒数就是面间距，所对应JCPDS（PDF）卡片上的面就是你要的晶面。晶面的确定：晶面的确定：高分辨率的晶格条高分辨率的晶格条纹间纹间距距+对应对应的的电电子衍射子衍射超高圧電子顕微鏡超高圧電子顕微鏡 点分解能：点分解能：0.100.10nm(1,300kV)/0.13nm(1,000kV)nm(1,300kV)/0.13nm(1,000kV)加速電圧：加速電圧：2002001,3001,300kV(1,000kV)kV(1,000kV)倍率：倍率：1501501,500,0001,500,000