透射电子显微镜(材料分析方法)

第九章透射电子显微镜

一、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本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它与光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图1（书上图9-1）所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。

图1 透射显微镜构造原理和光路

（a）透射电子显微镜b）透射光学显微镜）

（1、照明源2、阳极3、光阑4、聚光镜5、样品6、物镜7、物镜光阑

8、选区光阑9、中间镜10、投影镜11、荧光屏或照相底片）

（一）照明系统

照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗

场成像需要、照明束可在2°～3°范围内倾斜。电子枪是电镜的照明源，必须有很高的亮度，高分辨率要求电子枪的高压要高度稳定，以减小色差的影响。

1、电子枪

电子枪是透射电子显微镜的电子源，是发射电子的照明源。常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图2（书上图9-2）所示。（发射电子的阴极灯丝通常用0.03～0.1mm的钨丝，做成“V”形。电子枪的第二个电极是栅极，它可以控制电子束形状和发射强度。故有称为控制极。第三个极是阳极，它使阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。阳极又称加速极，一般电镜的加速电压在35～300kV之间。为了安全，使阳极接地，而阴极处于负的加速电位。由于热阴极发射电子的电流密度随阴极温度变化而波动，阴极电压不稳定会影响加速电压的稳定度。为了稳定电子束电流，减小电压的波动，在电镜中采用自偏压电子枪。）

图a为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。图b中反映了阴极、栅极和阳极之间的等位面分布情况。因为栅极比阴极电位值更负，所以可以用栅极来控制阴极的发射电子有效区域。当阴极流向阳极的电子数量加大时，在偏压电阻两端的电位值增加，使栅极电位比阴极进一步变负，由此可以减小灯丝有效发射区域的面积，束流随之减小。若束流因某种原因而减小时，偏压电阻两端的电压随之下降，致使栅极和阴极之间的电位接近。此时，栅极排斥阴极发射电子的能力减小，束流又可望上升。因此，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。由于栅极的电位比阴极负，所以自阴极端点引出的等位面在空间呈弯曲状。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会汇集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。

从图A中看出，自偏压是由束流本身产生的，自偏压U b将正比于束流I b即：U b＝RI b。这样如果增加，会导致偏压增加，从而抵消束流的增加，这是偏压电阻引起负反馈的结果。它起着限制和稳定束流的作用。改变偏压电阻的大小可以控制电子枪的发身，当电阻R值增大时，控制极上的负电位增高，因此控制极排斥电子返回阴极的作用加强。在实际操作中，一般是给定一个偏压电阻后，加大灯丝电流，提高阴极温度，使束流增加。开始束流随阴极温度升高而迅速上升，然后逐渐减慢，在阴极温度达到某一数值时，束流不再随灯丝温度或灯丝电流变化而变化。此值称为束流饱和点，它是由给定偏压电子负反馈作用来决定的。在这以后再加大灯丝电流，束流不再增加，只能使灯丝温度升高，缩短灯丝寿命。另一种使束流饱和的方法是固定阴极发射温度，即选定一个灯丝电流值，然后加大偏压电阻，增大负偏压，使束流达到饱和点。当阴极温度比较高时，达到束流饱和所需要的偏压电阻要小些，当偏压电阻较大时，达到饱和所需要的阴极温度要低些。两者合理匹配使灯丝达到

饱和点，亮度较高，并能维持较长的灯丝寿命。

改变控制偏压，能显著影响电子枪内静电场的分布，特别是在阴极附近影响等位面的分布和形状。零等位面的电位与阴极相同，在控制极与阳极之间靠近控制极并且平行于控制极，在控制极开口处，等位面强烈弯曲，大致沿圆弧与阴极相交，如图在零等位面的后面场是负的，无电子发射，在零电位的前面场是正的，是电子发射区。在正电场内与阴极透镜的聚焦作用一样，电子受到一个与等位面正交、并指向电位增加方向（即折相轴）的作用力。在控制极开口处及其附近，由于等位面强烈弯曲，折射作用很强，使阴极发射区不同部位发射的电子在阳极附近交叉，然后又分别在像平面上汇聚成一点。电子束交叉处的截面称为电子束“最小截面”或“电子枪交叉点”。其直径约为几十微米，比阴极端部的发射区面积要小，但单位面积的电子密度最高。照明电子束从这里发出去，因此叫电子束的“有效光源”或“虚光源”。所谓光斑的大小是指最小截面的大小，所谓电子束的发射角是指由此发出的电子束与主轴的夹角。电子束最小截面一般位椭圆形，这时由于电子源是一个弯曲的灯丝，而不是点光源。在最佳偏压作用下，可以得到电子束发散角小，光斑小，亮度大的电子束。

图2 电子枪（a）自偏压回路b）电子枪内的等电位面）

图A 电子枪示意图

2、聚光镜

聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统，如图3（书上图9-3）所示。第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小率为10～50倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为φ1μm～5μm；而第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果在样品平面上可获得φ2μm～10μm的照明电子束斑。

图3 照明系统光路

（二）成像系统

成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。其中物镜决定于分辨率，其他两个透镜将物镜所形成的一次放大像进一步放大成像。

1、物镜

物镜是用来形成第一幅高分辨电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨本领，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁、短焦距的物镜，像差小。

物镜是一个强激磁短焦距的透镜（f＝1～3mm），它的放大倍数较高，一般为100～300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。

物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率就越高。为了减小物镜的球差，往往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小球差、像散和色差的作用，而且可以提高图像的衬度。物镜光阑位于后焦面位置上时，可以方便地进行暗场及衍衬成像操作。

在用电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品之间的距离总是固定不变的（即