透射电镜的明暗场成像技术

2015年秋季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目:透射电镜的明暗场成像技术
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学生类别:应用型
考核结果阅卷人
透射电镜的明暗场成像技术
一、实验内容及实验目的
1．了解透射电镜其基本结构及工作原理。

2．选用合适的样品，通过明暗场像操作的实际演示，了解明暗场成像原理。

二、透射电镜构造原理
透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。

电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。

图1是电镜电子光学系统的示意图，其中左边是电镜的剖面图，右边是电镜的示意图和光学显微镜的示意图对比。

由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。

图1 电镜电子光学系统的示意图
电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。

图2是电子光学系统的框架图。

图2 电子光学系统的框架图
2.1照明系统
照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。

为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。

2.2成像系统
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区光阑组成。

它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。

2.3观察记录、真空与供电系统
(1)观察与记录系统
观察和记录装置包括荧光屏、照相机（底片记录）、TV相机和慢扫描CCD。

不同电镜的荧光屏发光强度是不同的，有的电镜的荧光屏看起来不亮，但电子的强度是很强的，比如某些场发射电镜，所以选择曝光时间时要注意；照相用的底片是一种对电子束很敏感的感光材料制成，这种材料对绿光比较敏感，对红光基本不反应，因此可以在红光下换片和洗底片；TV相机是直接将光信号转变为电信号，反应速度极快，但不利于记录；慢扫描CCD是最新发展出来的一种记录方式，反应速度较TV相机慢，但记录十分方便。

(2)真空系统
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、真空测量仪和管道等部分组成。

如果真空度不够，就会出现下列问题：
1）高压加不上去
2）成像衬度变差
3）极间放电
4）使灯丝迅速氧化，缩短寿命。

(3)供电系统
透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。

电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。

加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重像差，从而使分辨本领下降。

所以对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。

在所有的透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。

近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统。

三、透射电镜的应用
1.表面形貌观察
由于电子束穿透样品的能力低，因此要求所观察的样品非常薄，对于透射电镜常用75～200kV加速电压来说，样品厚度控制在100～200nm。

复型技术是制备这种薄样品的方法之一，而用来制备复型的材料常选用塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们都是非晶体。

复型技术只能对样品表面形貌进行复制，不能揭示晶体内部组织结构等信息，受复型材料本身尺寸的限制，电镜的高分辨本领不能得到充分发挥，萃取复型虽然能对萃取物相作结构分析，但对基体组织仍然是表面形貌的复制。

而由金属材料本身制成的金属薄膜样品则可以最有效地发挥电镜的极限分辨本领；
能够观察和研究金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，成像及电子衍射的研究，把形貌信息与结构信息联系起来；能够进行动态观察，研究在温度改变的情况下相变的形核长大过程，以及位错等晶体缺陷在应力下的运动与交互作用。

复型技术和薄膜样品的形貌观察。

2.纳米材料分析
现在纳米材料(陶瓷、金属及有机物)、纳米粉体、介孑L材料、纳米涂层、碳纳米管、薄膜
材料、半导体芯片线宽测量等领域已得到了广泛应用。

即使一般材料研究，要得到更多显微结构信息的高分辨率照片，也需要场发射TEM。

3.晶体缺陷分析
A12O3／SiC陶瓷中纳米SiC对基体A12O3，的强化作用体现在：(1)固定晶界(A，B)，控制晶体异常增大，并使晶界中液相强度增加；(2)钉扎位错强化基体(C，D)，复合陶瓷内裂纹传播的透射电子显微像和高分辨透射电子显微像，裂纹沿箭头所示的晶界和界面行进。