第二章第四节-1-透射电镜
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透射电镜的工作原理
透射电镜的工作原理透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察样品的微观结构的高分辨率显微镜。
与光学显微镜不同，透射电镜使用的是电子而不是可见光来照射样品，因此能够获得比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面，下面将详细介绍透射电镜的工作原理。
1. 电子的产生。
透射电镜使用的是电子束来照射样品，因此首先需要产生电子。
电子产生的常用方法是热发射和场发射。
热发射是利用热能使金属表面的电子逃逸而产生电子，而场发射则是利用电场使电子从金属表面逃逸。
在透射电镜中，通常使用的是热发射电子源，即利用钨丝或钨钢合金丝受热后发射电子。
2. 电子的聚焦。
产生的电子束需要经过一系列的聚焦系统，使其成为一个细小的束流，以便能够准确地照射到样品上。
透射电镜的聚焦系统通常包括电子透镜和磁透镜。
电子透镜利用电场来聚焦电子束，而磁透镜则利用磁场来聚焦电子束。
通过合理设计和调节，可以使电子束聚焦到非常小的尺寸，从而获得高分辨率的成像能力。
3. 电子的透射。
经过聚焦系统聚焦后的电子束将照射到样品上，这时的电子束被称为透射电子束。
透射电子束穿过样品时，会与样品中的原子和分子发生相互作用，产生散射和吸收。
透射电镜通过检测透射电子束的变化来获取样品的结构信息。
4. 成像。
透射电镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用后产生的信号来获取样品的结构信息。
透射电镜通常采用透射电子显微镜来观察样品。
透射电子显微镜通过探测透射电子束的强度和位置来获得样品的结构信息，然后将这些信息转换成图像显示出来。
5. 检测。
透射电镜的检测系统通常包括电子探测器和图像处理系统。
电子探测器用于探测透射电子束的强度和位置，然后将这些信息传输给图像处理系统。
图像处理系统将探测到的信息转换成图像，并进行增强和处理，最终显示在显示屏上供用户观察。
总结来说，透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面。
第二章-第4节-电磁透镜要点
电磁线圈与极靴
•
电磁透镜成像
• 光学透镜成像时，物距L1、像距L2和焦距f三者之间满足
如下关系： 1 1 1
•
f L1 L2
（5-8）
• 电磁透镜成像时也可以应用式（5-8）。所不同的是，光
学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。
电磁透镜焦距f常用的近似公式为：
•
f
K
Ur
IN 2
• 电子在圆筒内运动时受电 场力作用，在等电位面处 发生折射并会聚于一点。 这样就构成了一个最简单 的静电透镜。
• 透射电子显微镜中的电子 枪就是一个静电透镜。
电磁透镜
• 电子在磁场中运动，当电子运动 方向与磁感应强度方向不平行时， 将产生一个与运动方向垂直的力 （洛仑兹力）使电子运动方向发 生偏转。
目前最佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右。
景深
• 电磁透镜的景深：是指当成像时，像平面不 动（像距不变），在满足成像清晰的前提下， 物平面沿轴线前后可移动的距离
• 由于像平面固定不动，物点的像平面上逐渐 由像点变成一个散焦斑。如果衍射效应是决 定电磁透镜分辨率的控制因素，那么散焦斑 半径R0折算到物平面上的尺寸只要不大于Δr0， 像平面上就能成一幅清晰的像。
衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率
• 通过比较，可以发现：孔径半角α对衍射效应的分辨率和球 差造成的分辨率的影响是相反的。
• 提高孔径半角α可以提高分辨率Δr0，但却大大降低了ΔrS。 因此电镜设计中必须兼顾两者。唯一的办法是让ΔrS=Δr0， 考虑到电磁透镜中孔径半角α很小（10-2-10-3rad），则
引起的像差。
过引入一个强度和方位可调的矫
• 当极靴内孔不圆、上下极靴的轴 线错位、制作极靴的磁性材料的
透射电镜(TEM)讲义
05
TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
01
02
03
04
准备样品
选择适当的样品，进行适当的 处理和固定，以确保观察效果 最佳。
调整仪器参数
根据观察需求，调整透射电镜 的加速电压、放大倍数等参数 ，以达到最佳观察效果。
操作步骤
按照仪器操作手册的步骤进行 操作，包括安装样品、调整焦 距、观察记录等。
技巧
定量分析方法
颗粒统计
对图像中颗粒的数量、大 小和分布进行统计，计算 颗粒的平均尺寸和粒度分 布。
电子衍射分析
利用电子衍射技术分析晶 体结构和相组成，确定晶 格常数和晶面间距。
能谱分析
通过能谱仪测定图像中各 点的元素组成和相对含量， 进行定性和定量分析。
04
TEM图像解析实例
晶体结构分析
利用高分辨的TEM图像，可以观察到晶体内部的原 子排列和晶体结构，如面心立方、体心立方或六方 密排结构等。
掌握操作技巧，如正确使用操 作杆、合理利用观察窗口等， 以提高观察效果和效率。
仪器维护与保养
定期清洁
定期对透射电镜进行清 洁，保持仪器内部和外
部的清洁度。
检查部件
更换消耗品
定期检查透射电镜的部 件，如电子枪、镜筒等，
确保其正常工作。
根据需要，及时更换透射 电镜的消耗品，如真空泵
油、电子枪灯丝等。
保养计划
在操作透射电镜时，应严格遵守操作规程， 确保仪器和人身安全。
THANK YOU
感谢聆听
80%
观察模式
根据观察目的选择不同的观察模 式，如明场、暗场、相位对比和 微分干涉等。
图像解析与解读
01
02
03
透射电镜1
透射电子显微镜
§透射电镜主要结构 §透射电镜电子图象形成原理 §透射电镜样品制备 §电子衍射及结构分析
1
透射电子显微镜
透射电子显微镜是利用电子的波动性 来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观 察原子结构的仪器。尽管复杂得多，但它 在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设 计，简单化地可将其看成放大倍率高得多 的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在 数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透 射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之 间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。
18
2）成象放大部分
这部分由试样室、物镜、中间镜、投影镜等 组成。 （1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它 的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。 （2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是 将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会 聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射 花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向 的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组 织相对应的显微象。透射电镜的好坏，很大程度 上取决于物镜的好坏。
二次象 投影镜
三次象 （荧光屏） （a）高放大率
（b）衍射
（c）低放大率
34
物镜关闭 无光阑
中间镜 （作物镜用）
.
第一实象 投影镜
极低放大率象
（荧光屏） 普查象
35
显象部分
这部分由观察室和照相机构组成。 在分析电镜中，还有探测器和电子能 量分析附件。
36
2 . 真空系统
作用
为了保证电子在整个通道中只与试样 发生相互作用，而不与空气分子发生碰撞， 因此，整个电子通道从电子枪至照相底板 盒都必须置于真空系统之内，一般真空度 为 10-4~10-7 毫米汞柱。
42
§透射电镜主要结构 §透射电镜电子图象形成原理 §透射电镜样品制备 §电子衍射及结构分析
1
透射电子显微镜
透射电子显微镜是利用电子的波动性 来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观 察原子结构的仪器。尽管复杂得多，但它 在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设 计，简单化地可将其看成放大倍率高得多 的成像仪器。一般光学显微镜放大倍数在 数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透 射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之 间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。
18
2）成象放大部分
这部分由试样室、物镜、中间镜、投影镜等 组成。 （1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它 的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。 （2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是 将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会 聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射 花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向 的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组 织相对应的显微象。透射电镜的好坏，很大程度 上取决于物镜的好坏。
二次象 投影镜
三次象 （荧光屏） （a）高放大率
（b）衍射
（c）低放大率
34
物镜关闭 无光阑
中间镜 （作物镜用）
.
第一实象 投影镜
极低放大率象
（荧光屏） 普查象
35
显象部分
这部分由观察室和照相机构组成。 在分析电镜中，还有探测器和电子能 量分析附件。
36
2 . 真空系统
作用
为了保证电子在整个通道中只与试样 发生相互作用，而不与空气分子发生碰撞， 因此，整个电子通道从电子枪至照相底板 盒都必须置于真空系统之内，一般真空度 为 10-4~10-7 毫米汞柱。
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透射电镜
透射电镜的基本功能有：获取高分辨率、高放大
倍率的电子图像，可直接观察矿物的晶体形态、晶格象、 晶体缺陷、显微双晶和出溶作用等现象；进行电子衍射操 作（常用于选区电子衍射）可确定晶体的对称性，计算晶 胞参数，鉴定物相，测定晶体取向等；配以成分分析附件， 可以进行微区成分分析。
现代透射电镜大多包括：扫描透射电子显微系统、
像）。
位相衬度
位相衬度是由于透射 电子与衍射电子在离开试 样后发生干涉产生的衬度。 透射电子行程L，衍射 电子的行程（L2+d2)1/2， 当二者的光程差为λ 的整 数倍时产生干涉。
(3) 超薄切片法
高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄 样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内 部结构，可采用此法制样。 用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超 薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服 这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻； 或将样品包埋在一种可以固化的介质中。 选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样 品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削 过程中使超微结构发生变形。
动的全部路径上必须保持高度的真空，以防止电子与空气分 子相碰而改变电子运动方向，防止放电(电离空气分子现象) 和灯丝氧化等。因此，整个镜体，包括照相室，都密封在真 空系统中。一般要求其真空度不低于10-4毫米水银柱，真空 度则依据机械泵和扩散泵的工作来获得。通常在试样室和镜 筒主体间设有可动的隔离装置，以便在更换试样时，只需局 部破坏真空，这样，就可大大提高工作效率。
透射电镜与光学显微镜的原理对比
透射电镜的成像放大原 理与普通光学显微镜极为相 似。不同之处在于电子显微 镜用电子枪发射的电子束作 照明源，用电磁透镜取代玻 璃透镜进行聚焦、成像和放 大。由于电子束与可见光有 一系列本质上的差别，因此， 无论在仪器结构上，还是在 功能和性能方面都明显地不 同于光学显微镜。
第二章电镜类型与特点简介演示文稿
分析电镜中X射线显微分析的理论依据： 特征X-ray的波长和能量随样品中各元素 的不同而异 ，可用于定量、定性分析 Z↗激发的特征X-ray能量E↗波长↘
即：只要是同一种原子，不论其所处的物 理或化学状态如何，它们所发出的特征X 射线均应具有相同的波长或能量。
第28页，共57页。
第五节 扫描探针式显微镜 分类： （1）扫描隧道显微镜（STM） （2）原子力显微镜（AFM） （3）激光力显微镜（LFM）、 （4）扫描电化学显微镜（SECM ）
（一） 类型
1. 超高真空的场发射式STEM 使用场发射电子枪，单晶钨针尖灯丝，可以获得很高 的亮度10－8－10－10A/cm2立体弧度，分辨率0.3-0.5nm， 真空度10－10torr，价格极高。
2.附件型STEM
附件附加在TEM或SEM上，分辨率较低，TEM电镜 附件型分辨率1－1.5nm; SEM电镜附件型分辨率4－6nm, 附件型STEM主要用于X－ray能谱、波谱分析或电子损
热性质的差异，适宜检测有晶格结构或有分层
结构的金属、陶瓷、半导体材料、有机介质等
样品，进行生物样品表面和亚表面分析，进行 晶体界面分析和亚表面无损分析。
如：生物组织、大分子结构的分层研究和检测， 组织损伤研究等。
第21页，共57页。
第三节 扫描透射式电镜（STEM）
工作原理介于TEM与SEM之间，兼顾SEM及 TEM的优点、功能更强大、又弥补各自的缺点。
第二章电镜类型与特点简介演示 文稿
第1页，共57页。
优选第二章电镜类型与特点简介
第2页，共57页。
第一节 透射式电子显微镜 根据加速电压的大小分为： 一般（常规）TEM：100KV 高压TEM：200KV 超高压TEM：500Kv、1MV、3MV
即：只要是同一种原子，不论其所处的物 理或化学状态如何，它们所发出的特征X 射线均应具有相同的波长或能量。
第28页，共57页。
第五节 扫描探针式显微镜 分类： （1）扫描隧道显微镜（STM） （2）原子力显微镜（AFM） （3）激光力显微镜（LFM）、 （4）扫描电化学显微镜（SECM ）
（一） 类型
1. 超高真空的场发射式STEM 使用场发射电子枪，单晶钨针尖灯丝，可以获得很高 的亮度10－8－10－10A/cm2立体弧度，分辨率0.3-0.5nm， 真空度10－10torr，价格极高。
2.附件型STEM
附件附加在TEM或SEM上，分辨率较低，TEM电镜 附件型分辨率1－1.5nm; SEM电镜附件型分辨率4－6nm, 附件型STEM主要用于X－ray能谱、波谱分析或电子损
热性质的差异，适宜检测有晶格结构或有分层
结构的金属、陶瓷、半导体材料、有机介质等
样品，进行生物样品表面和亚表面分析，进行 晶体界面分析和亚表面无损分析。
如：生物组织、大分子结构的分层研究和检测， 组织损伤研究等。
第21页，共57页。
第三节 扫描透射式电镜（STEM）
工作原理介于TEM与SEM之间，兼顾SEM及 TEM的优点、功能更强大、又弥补各自的缺点。
第二章电镜类型与特点简介演示 文稿
第1页，共57页。
优选第二章电镜类型与特点简介
第2页，共57页。
第一节 透射式电子显微镜 根据加速电压的大小分为： 一般（常规）TEM：100KV 高压TEM：200KV 超高压TEM：500Kv、1MV、3MV
第二章第四节-2-透射电镜
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
离轴暗场像成像原理
中心暗场像成像原理
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法
Center for Materials Research and Analysis
材料研究与测试方法B
任课老师
材料研究与测试方法
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第四节 透射电子显微分析(I I)
1
2 2
TEM工作原理 电子像衬度
二、电子像衬度
1.电子像衬度（Contrast）:样品两相邻部分的 电子束强度差 I -I Δ I
C
1 2
I2
I2
2.电子像衬度种类：
–振幅衬度：样品不同区域散射能力差异而形成 的电子像上振幅和强度的变化。包括质厚衬度 和衍射衬度两种。 –相位衬度：多束电子束相干成像，由于电子束 在样品出口表面上相位不一致而形成的衬度。 包括相干相位衬度和Z-衬度两种。
材料研究与测试方法
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4 电子衍射花样的标定
4.1 推荐参考资料
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4.2 电子衍射花样标定原则 二维倒易平面中的任意
电镜图象解释
苏 玉 长
如果o处θ= θ B, s=0在其两侧晶面向相反方向发 生转动,s的符号相反,且离开o点的距离愈大,则 s愈大,所以在衍衬图象中对应于s=0的I g max 亮线(暗场)或暗线(明场)两侧,还有亮,暗相间的 条纹出现,(因为峰值强度迅速减弱,条纹数目不 会很多),同一亮线或暗线所对应的样品位置,晶 面具有相同的位向(s相同),所以这种衬度特征也 叫做等倾条纹.如果倾动样品面,样品上相应于 s=0的位置将发生变化,消光条纹的位置将跟着 改变,
苏 玉 长
② 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。 为了使衍衬像与晶体内部结构关系有机的联系 起来，从而能够根据衍衬像来分析晶体内部的 结构，探测晶体内部的缺陷，必须建立一套理 论，这就是衍衬运动学理论和动力学理论（超 出范围不讲）。
苏 玉 长
第三节 衍衬象运动理论的基本假设 从上节已知，衍衬衬度与布拉格衍射有关， 衍射衬度的反差，实际上就是衍射强度的反 映。因此，计算衬度实质就是计算衍射强度。 它是非常复杂的。为了简化，需做必要的假 定。由于这些假设，运动学所得的结果在应用 上受到一定的限制。但由于假设比较接近于实 际，所建立的运动学理论基本上能够说明衍衬 像所反映的晶体内部结构实质，有很大的实用 价值。 基本假设包括下列四点：
苏 玉 长
1.采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条 件” ① 除透射束外，只有一束较强的衍射束参与 成象，忽略其它衍射束，故称双光成象。 ② 这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很 弱的。这在入射电子束波长较弱以及晶体试样 较薄的情况下是合适的。因为波长短，球面半 径1/λ大，垂直于入射束方向的反射球面可看 作平面。加上薄晶的“倒易杆”效应，因此，试 样虽然处于任意方位，仍然可以在不严格满足
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二、 TEM结构
1. TEM：类似于一台投影机
材料研究与测试方法
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光学显微镜、透射电镜、扫描电镜比较
材料研究与测试方法
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• 成分分析（Micro area analysis）
X射线能谱（EDS）：点分析、线分析、面分析
特征电子能量损失谱（EELS）
EDS point-analysing
EDS line-analysing
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像 ， M<1 时 ， 时 缩 小
物镜的像。 • 调节中间镜电流，使中间镜物平面与物镜像平面重 合时，最后得到电子显微图像； • 降低中间镜电流，使中间镜物平面与物镜后焦面重 合，则得到电子衍射花样。
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• 电子枪类型：
热发射型：由阴极+阳极+栅极组成
场发射型：由阴极+二级阳极组成
场发射型
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各种电子枪特性比较
Thermionic Emission Gun(TEG) Field Emission Gun(FEG) Thermal Field Emission(TFE) Cold Field Emission(CFE) ZrO/W(100) gun tip radius Brightness 200KV(A/cm2sr) Cross-over Size(nm) Energy spread(eV) Operation vacuum(Pa) ~5×105 50,000 2.3 >10-3 >1um ~5×106 10,000 1.5 >10-5 >4×108 100-1,000 0.6-0.8 >10-7 10-100 W(100) <0.1um >1×109 10-100 0.3-0.5 >10-8 W(310)
2.1.1 照明系统：电子枪+聚光镜
• 电子枪：电镜的光源，要求电子束亮度高、束斑 尺寸小、稳定度高
材料研究与测试方法
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• 电子枪类型： 热发射型：由阴极+阳极+栅极组成
W灯丝型
LaB6型
材料研究与测试方法
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材料研究与测试方法
功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、 微区成分、元素价态研究等多方面
• 三维重构(Tomography)
材料研究与测试方法
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功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、
微区成分、元素价态研究等多方面
Titan Themis 300 LVEM5 JEM 1400 Libra 200FE
HF-3000
材料研究与测试方法
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提 纲
TEM简介
TEM结构
TEM主要性能指标
TEM对环境的要求
TEM样品制备
材料研究与测试方法
功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、 微区成分、元素价态研究等多方面
• 成分分析（Micro area analysis）
X射线能谱（EDS）：点分析、线分析、面分析
特征电子能量损失谱（EELS）
EDS mapping analysing
EFTEM(能量过滤像) + EELS（能量损失谱）
• 电子衍射（Diffraction pattern,倒空间信息） 晶体结构分析，晶体缺陷分析
SAED(选区电子衍射)
CBED(会聚束电子衍射)
材料研究与测试方法
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功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、 微区成分、元素价态研究等多方面
• 原位技术（In-situ technology）
材料研究与测试方法
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在材料研究中的应用
• 纳米颗粒形貌分析，弥补金相显微镜及扫描电镜
的不足
• 纳米颗粒粒径分析，弥补粒度分析仪的不足 • 微区化学成分分析，弥补XRD的不足 • 晶体结构分析：晶体点阵结构、晶体取向、晶体 缺陷等 • 物相分析 • 原位分析：原位研究物质在纳米尺度的性能与结
形貌topograph
晶格lattice
晶体缺陷crystal defects
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功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、
微区成分、元素价态研究等多方面 • 电子图像（ Electron image, 正空间信息）直接观 察微观形貌、粒径、结构缺陷、晶相分布、组成 物质的原子团（结构像）或原子（原子像）
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2 透射电镜功能与应用:
功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、 微区成分、元素价态研究等多方面
• 电子图像（ Electron image, 正空间信息）直接观
察微观形貌、粒径、结构缺陷、晶相分布、组成 物质的原子团（结构像）或原子（原子像）
• 物镜的作用：形成样品的一次放大像及衍射谱。 物镜是成像系统的第一个透镜，它决定了透射电 镜的图像质量，因此要求物镜： 有尽可能高的分辨率 各种像差尽可能小 有足够高的放大倍率 • 物镜放大倍率一般在100~200之间
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mount hard higher
Operation
simple
simple
easy
complicated
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•
聚光镜：会聚从电子枪发射出来的电子束，控制束 斑尺寸和照明孔径角
第一聚光镜作用示意图
第二聚光镜作用示意图
• 物镜光阑：又称衬度光阑，位于物镜后焦面上
• 物镜光阑作用：
减小物镜孔径角，减小像差，提高像衬度
在物镜后焦面上套住衍射束的斑点成像， 形成暗场像
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中间镜：
• 是一个可变倍率弱磁 透镜，放大倍数 0~20 ， M>1 时 ， 放 大 物 镜 的
Electron Gun
W LaB6
Operation temperature(K)
Emission current(uA) EC short-time stability EC long-time stability EC efficiency Life time Maintainance Price
材料研究与测试方法
4 TEM类型：
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按用途：生物电镜，材料电镜； 按性能：
按功能：台式电镜，常规电镜 TEM ，分析电镜 AEM ； • 球差校正电镜Cs TEM
• 高分辨电镜HRTEM
• 普通电镜TEM
4
5
材料研究与测试方法
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材料研究与测试方法
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一、 TEM简介
1 透 射 电 镜 （ T E M :Transmission Electron Microscope）
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功能：涉及微观形貌、粒度大小、晶相、晶体结构、 微区成分、元素价态研究等多方面
• 电子全息(Holography)
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投影镜：
•是一个短焦距、固定倍率的强磁透镜
•投影镜作用：把经中间镜形成的二次中间像及衍射谱
放大到荧光屏上，形成最终放大的电子像及衍射谱
电镜总的放大倍数: M=Mo×MI×Mp
其中Mo、MI、Mp分别是物镜、中间镜和投影镜的放 大倍数 例：若Mo=200，MI=20，Mp=20，则 M=200×20×200=800,000
TEM与光学显微镜比较
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2 TEM结构：
透射电子显微镜（TEM）
电子光学系统
照明子系统 成像放大子系统