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1、内容回顾：电子光学基础n光学显微镜的分辨率 极限（200nm)n n原因？ 受可见光波长限制 n n电子波 比可见光短十万倍n光学透镜、电磁透镜的成像原理n电磁透镜的像差与分辨本领n电磁透镜的景深和焦长2021/6/71第九章 透射电子显微镜透射电镜结构与工作原理透射电镜结构与工作原理2021/6/72 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理透射电子显微镜透射电子显微镜 Transmission Electron Microscope, TEM Transmission Electron Microscope, TEM是以波长极短的电子束波长极短的电子束作为照明源、用电磁透镜电磁透镜聚焦成像的
2、一种高分辨本领、高放大倍数高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器，是观察分析材料的形貌、组织和结构的有效工具。2021/6/73分析透射电子显微镜分析透射电子显微镜 JEM200CX2021/6/74分析透射电子显微镜JEM20102021/6/75分析型透射电子显微镜分析型透射电子显微镜2021/6/76超高压电超高压电镜镜2021/6/77TEM发展简史n1924年de Broglie提出波粒二象性假说 n1926 Busch指出“具有轴对称性的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”。n1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid 进行了电
3、子衍射实验。n1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电镜（点分辨率50nm, 比光学显微镜高4倍)，Ruska 为此获得了Nobel Prize（1986）。n1949年Heidenreich观察了用电解减薄的铝试样；2021/6/78近代TEM发展史上三个重要阶段n像衍理论(5060年代)：英国牛津大学材料系 P.B.Hirsch, M.J.Whelan；英国剑桥大学物理系 A.Howie（建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度理论）n高分辨像理论（70年代初）：美国阿利桑那州立大学物理系J.M.Cowley，70年代发展了高分辨电子显微像的理论与技术。n高空
4、间分辨分析电子显微学（ 70年代末，80年代初）采用高分辨分析电子显微镜（HREM，NED，EELS, EDS）对很小范围（5）的区域进行电子显微研究（像，晶体结构，电子结构，化学成分）2021/6/79各国代表人物各国代表人物n美国伯克莱加州大学G.Thomas将TEM第一个用到材料研究上。n日本岗山大学H. Hashimoto日本电镜研究的代表人。n中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、朱静。n国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理所）、沈阳金属所、清华大学。2021/6/710为什么要用TEM?n1）可以实现微区物相分析。 GaP纳米线的形貌及其衍射花样 2021/6/711为什么要用TE
5、M?n2）高的图像分辨率。纳米金刚石的高分辨图像 不同加速电压下电子束的波长V(kV)()1000.03702000.02513000.019710000.00872021/6/712为什么要用TEM?n3）获得立体丰富的信息。三极管的沟道边界的高分辨环形探测器（ADF）图像及能量损失谱 2021/6/7135万倍 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理2021/6/714规则微孔孔径孔径: 6.2 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理2021/6/715规则介孔孔径: 7-8 nm 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理2021/6/716n通常透射电镜由通常透射电镜由电子电子光学系统、电
6、源与控光学系统、电源与控制系统、真空系统、制系统、真空系统、和循环冷却系统和循环冷却系统组成，组成，其中电子光学系统是其中电子光学系统是电镜的主要组成部分。电镜的主要组成部分。透射电镜的外观照片透射电镜的外观照片透射电镜的外观照片透射电镜的外观照片 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理透射电子显微镜的组成结构透射电子显微镜的组成结构2021/6/717 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理电子光学系统照明系统成像系统观察记录系统电源与控制系统真空系统TEM循环冷却系统透射电子显微镜的组成结构透射电子显微镜的组成结构2021/6/718电子光学系统组成电 电子枪 子 聚光镜 光 样品台 样品
7、装置部分学 物镜系 中间镜 成像部分统 投影镜 荧光屏 照相底片照明部分观察记录部分2021/6/719 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理电子光学系统组成结构1.照明系统：电子枪聚光镜2.成像系统：物镜中间镜投影镜3.观察记录系统：荧光屏照相底片2021/6/720 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理一、照明系统n照明系统主要组成：照明系统主要组成： 电子枪电子枪+平移对中、平移对中、倾斜调节装置倾斜调节装置+聚光聚光镜镜n照明系统的作用：提照明系统的作用：提供一束供一束亮度高、照明亮度高、照明孔径角小、平行度好、孔径角小、平行度好、束流稳定束流稳定的照明源。的照明源。 2021/6
8、/721灯丝灯丝n 一、照明系统 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理2021/6/722 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理 一、照明系统（一）电子枪透射电镜常用75-200kV加速电压n热阴极三极电子枪：热阴极三极电子枪：发夹形发夹形钨丝阴极栅极帽阳极钨丝阴极栅极帽阳极，n栅极作用：栅极作用：限制和稳定电子限制和稳定电子束流束流n电子源：电子源：阴极和阳极之间电阴极和阳极之间电子束会集成的交叉点子束会集成的交叉点n电子源直径：电子源直径：几十个微米几十个微米2021/6/723 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理（一）电子枪2021/6/724（二）聚光镜 9-1 透射电子显微镜
9、的结构和成像机理2021/6/725 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理一、照明系统（二）聚光镜n 聚光镜：聚光镜：会聚电子枪射会聚电子枪射出的电子束，以最小的出的电子束，以最小的损失照射样品，调节照损失照射样品，调节照明强度、孔径角和束斑明强度、孔径角和束斑大小大小n双聚光镜系统：双聚光镜系统：第一聚第一聚光镜是强激磁透镜；第光镜是强激磁透镜；第二聚光镜是弱激磁透镜二聚光镜是弱激磁透镜2021/6/726二、成像系统1 1、物镜、物镜2 2、中间镜、中间镜3 3、投影镜、投影镜2021/6/727成像系统成像系统n（一）物镜（一）物镜n物镜作用：物镜作用：成像系统的第一级成像系统的第一级
10、放大透镜，形成第一幅高分辨放大透镜，形成第一幅高分辨率电子显微图像和电子衍射花率电子显微图像和电子衍射花样。样。n物镜特点：物镜特点：强激磁、短焦距强激磁、短焦距（1-3mm），高放大倍数，），高放大倍数，高分辨率。高分辨率。n物镜决定透射电子显微镜物镜决定透射电子显微镜分辨分辨本领本领2021/6/728 物镜是一个物镜是一个强激磁强激磁短焦距的透镜，它的放短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为大倍数较高，一般为100-300倍倍。目前，高。目前，高质量的物镜其分辨率可达质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。左右。2021/6/729（一）物镜（一）物镜提高物镜分辨率的措施：1.物镜的分辨率
11、主要取决于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极之间的距离越小，物镜的分辨率越高。2.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，而减少球差，像散和色差的作用，而减少球差，像散和色差的作用，而减少球差，像散和色差的作用，而且可以提高图像的衬度且可以提高图像的衬度且可以提高图像的衬度且可以提高图像的衬度。2021/6/730 n光学透镜的焦距是固定的。电磁透镜的焦距是可以通过调节电流大小来改变。n在用透射电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间和距离固定不变的，（即物距物距L L1 1不变不变）。因此改变物理学电镜放大倍数进行成像时，主要是改变改变物
12、镜的焦距和像距物镜的焦距和像距（即f 和 L2）来满足成像条件。2021/6/731（二）中间镜（二）中间镜n作用作用：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。n n特点特点特点特点：弱激磁，长焦距，可变：弱激磁，长焦距，可变倍透镜，倍透镜，放大倍数0-20倍。2021/6/732（三）投影镜（三）投影镜n 投影镜的作用是把经投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）的像（电子衍射花样）进一步放大，并投影到进一步放大，并投影到荧光屏上荧光屏上n它和物镜一样，是一个它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜短焦距的强磁透镜。投。投影镜的激磁
13、电流是固定影镜的激磁电流是固定的。的。2021/6/733n成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约10-5rad）,因此它的因此它的景深景深和和焦长焦长都非常大。即使都非常大。即使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会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。影响图像的清晰度。n如果中间镜的像平面出现一定的位移，这个如果中间镜的像平面出现一定的位移，这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因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。此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。2021/6/734 9-1 透射电子显微镜的结构和
14、成像机理（四）成像与衍射操作：（四）成像与衍射操作：背焦面背焦面背焦面：背焦面：样品的电子衍射斑点。2021/6/735 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理（四）成像与衍射操作：（四）成像与衍射操作：像平面像平面像平面像平面：样品的放大像。像平面像平面像平面像平面2021/6/736 如果把中间镜的物平面和物把中间镜的物平面和物镜的像平面重合镜的像平面重合，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，如右图（a）所示。 如果把中间镜的物平面和物把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合镜的背焦面重合，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，如右图（b）所示
15、。成像操作与衍射操作成像操作与衍射操作成像操作与衍射操作成像操作与衍射操作2021/6/737成像操作与衍射操作的区别成像操作与衍射操作的区别：1、如果物镜的光阑是关闭的，则中间镜的物平面与物镜的像平面重合，即为成像操作。2、如果物镜的光阑是开启的，则中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，即为衍射操作。2021/6/7382021/6/739成像系统成像系统n n高性能的透射电镜大都采用高性能的透射电镜大都采用5 5级透镜放大，即中间镜和投级透镜放大，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。见下图第二投影镜。见下图
16、2021/6/740 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理三、观察记录系统三、观察记录系统n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 2021/6/741透射电镜的主要部件透射电镜的主要部件-样品台样品台n样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转平移、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
17、的薄片。 9-2 主要部件的结构与工作原理2021/6/742样品台与试样2021/6/743 9-2 主要部件的结构与工作原理一、样品平移与倾斜装置（样品台）2021/6/744 9-2 主要部件的结构与工作原理二、电子束倾斜与平移装置2021/6/745透射电镜的主要部件-消像散器n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。 2021/6/746透射电镜的主要部件-光阑光阑n在透射电子显微镜中在透射电子显微镜中有许
18、多固定光阑和可有许多固定光阑和可动光阑，它们的作用动光阑，它们的作用主要是主要是挡掉发散的电挡掉发散的电子，保证电子束的相子，保证电子束的相干性和照射区域干性和照射区域。其。其中三种主要的可动光中三种主要的可动光阑是阑是第二聚光镜光阑第二聚光镜光阑，物镜光阑物镜光阑和和选区光阑选区光阑。光阑都用无磁性的金光阑都用无磁性的金属（铂、钼等）制造。属（铂、钼等）制造。 2021/6/747（一）第二聚光镜光阑（一）第二聚光镜光阑n四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的支架上，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）。2021/6/748n聚光镜
19、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。2021/6/749（二）物镜光阑（二）物镜光阑n物镜光阑又称为衬度光阑，物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放通常它被放在物镜的后焦面上。在物镜的后焦面上。n常用物镜光阑孔的直径是常用物镜光阑孔的直径是20120m范范围。围。2021/6/750n电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射电子束通过薄膜样品后产生散射和衍射。散射角角(或衍射角或衍射角)较大的电子被光阑挡住，不能继续较大的电子被光阑挡住，不
20、能继续进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有进入镜筒成像，从而就会在像平面上形成具有一定衬度的图像。一定衬度的图像。n光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度光阑孔越小，被挡去的电子越多，图像的衬度就越大，就越大，这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原这就是物镜光阑又叫做衬度光阑的原因。因。n加入物镜光阑使物镜加入物镜光阑使物镜孔径角减小孔径角减小 减小像差减小像差，得到质量较高的显微图像。得到质量较高的显微图像。2021/6/751n物镜光阑的另一个主要作用物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是这就是所谓所谓暗场
21、像。暗场像。利用明暗场显微照片的对照分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。析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。n透射束成像透射束成像 明场像明场像n衍射束成像衍射束成像 暗场像暗场像2021/6/752（三）选区光阑（三）选区光阑n选区光阑又称选区光阑又称场限光阑场限光阑或或视场光阑视场光阑。n为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品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，上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的使电子束只能通过光阑限定的微区微区。2021/6/753n对这个微区进行衍射分析叫做对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射选区衍射。n由于样品上
22、待分析的微区很小，一般是微米数量级。由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加制作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，之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的选区光阑都放在物镜的像平面位置。像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平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。面处是完全一样的。n这样光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放这样光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放大倍数是大倍数是50倍，则一个直径等于倍，则一个直径等于50m的光阑就可以的光阑就可以选择样品上直径为选择样品上
23、直径为1m的区域。的区域。2021/6/754n选区光阑同样是用选区光阑同样是用无磁性金属材料无磁性金属材料制成的，制成的，一般选区光阑孔的直径位于一般选区光阑孔的直径位于20400m范围范围之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔之间，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。一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。2021/6/755不同类型的光阑由光阑直径为0.5mm所产生的可见光衍射强度和Airy衍射斑2021/6/756总总 结结n透射电子显微镜电子光学系统的主要组成部透射电子显微镜电子光学系统的主要组成部分是分是照明系统、成像系统和观察记录系统照明系统、成像
24、系统和观察记录系统。n成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可以实辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物镜的像放大成现两种成像操作：一种是将物镜的像放大成像，即像，即成像操作成像操作，可用于试样形貌观察；另，可用于试样形貌观察；另一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像，一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像，即即衍射操作衍射操作，可用于电子衍射分析。，可用于电子衍射分析。2021/6/757总总 结结n样品台是透射电子显微镜的重要附件之一，样品台是透射电子显微镜的重要附件之一，它可以实现样品的平移、倾斜和转动操作从它可以实现样品的平移、倾斜和转动操作从而便于样品的观察分析；高温台、低温台和而便于样品的观察分析；高温台、低温台和拉伸台等可以进一步扩大透射电子显微镜的拉伸台等可以进一步扩大透射电子显微镜的功能。功能。n光阑在透射电子显微镜的光路中是用来限制光阑在透射电子显微镜的光路中是用来限制电子束的照明孔径角。电子束的照明孔径角。n三个可动光阑：第二聚光镜光阑、物镜光阑三个可动光阑：第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑的和选区光阑的位置位置和和作用作用是各不相同的。是各不相同的。2021/6/758部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
