材料现代研究方法(9透射电镜成像)
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理
透射电镜是一种常用的电子显微镜，用于观察和研究材料中的微观结构。
它利用电子的波粒二象性，通过透射原子层的电子来形成显微图像，具有比光学显微镜更高的分辨率。
透射电镜的成像原理可以简单概括为以下几个步骤：
1. 电子发射：透射电镜使用热阴极或冷阴极发射出高速电子，这些电子被加速到高能状态。
2. 透射样品：加速的电子通过一个非常薄的样品片，如薄片状的金属、陶瓷或生物组织。
样品必须具有高度透射性，以允许电子通过。
3. 散射与透射：入射电子束在样品中发生散射和透射两种现象。
散射是指电子与样品中的原子或电子相互作用，改变其运动方向，而透射是指电子穿过样品的现象。
4. 透射电子形成图像：透射电镜使用透射电子成像器件，如方形磁透镜或电磁透镜，将透射电子聚焦在屏幕或感光材料上。
根据电子的能量和散射情况，屏幕上形成亮暗不同的区域，形成图像。
透射电镜成像原理的关键在于控制电子束的发射和透射过程，以及透射电子的成像聚焦和检测。
通过调整透射电子的能量、电磁透镜的设置和样品的准备，可以获得高分辨率的电子显微图像，揭示材料的微观结构和性质。
材料现代测试分析技术-TEM透射电镜
Why？
36
分辨率
球差 色差
像差
像散 电磁透镜也和光学透镜一样，除了衍射 效应对分辨率的影响外，还有像差对分 辨率的影响。由于像差的存在，使得电 磁透镜的分辨率低于理论值。电磁透镜 的像差包括球差、像散和色差。
球差
37
球差是因为电磁透镜的中心区域磁场和边缘区 域磁场对入射电子束的折射能力不同而产生的。 离开透镜主轴较远的电子（远轴电子）比主轴 附近的电子（近轴电子）被折射程度大。
平行电子束形成（TEM-mode）
11
（A）C1会聚，C2欠焦，获得近似平行束； 11 （B）C1会聚，C2聚焦，C3调节获得平行束；
会聚电子束形成（STEM，EDS，NBD，CBD）
12
（A）C1会聚，C2聚焦，获得会聚束； （B）C1会聚，C3调节获得会聚束；
成像系统
13
对电镜： 电子束 聚光镜 物镜 中间镜 投影镜
∆E ∆rC = C c ⋅ α E
像差对分辨率的影响
42
由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在 像平面上均会扩展成散焦斑。 各散焦斑半径折算回物体后可得到由球差、像散 和色差所限定的分辨率。
0.61λ ∆r0 = N sin α
衍射效应造成的散焦斑
1 ∆rS =Csα 3 4
球差效应造成的散焦斑
f ≈K
(IN )2
Ur
式中K是常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（IN） 是电磁透镜的激磁安匝数。 改变激磁电流可以改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦 距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。
样品倾斜装置及样品台
21
透射电镜的成像特点及应用
透射电镜的成像特点及应用透射电镜是一种能够通过物质内部的电子束传输信息的仪器。
它利用电磁透镜来聚焦电子束，将其投射到待观察样品上，然后通过收集样品透射的电子来形成图像。
透射电镜的成像特点及其应用如下：1. 高分辨率：透射电镜的分辨率通常可以达到亚埃（10-4毫米）甚至更高水平。
与光学显微镜相比，透射电镜可以显示出更细小的细节，使得我们能够观察到更微观的组织结构和物质的粒子。
2. 高放大倍率：由于透射电镜的高分辨率，它能够实现非常高的放大倍率，通常可以达到100万倍以上。
这使得我们能够更深入地研究和观察样品的微观结构和形态。
3. 内部结构观察：透射电镜可以穿透物质的表面，观察并分析样品内部的结构。
这种能力对于研究材料科学、生物学和纳米技术等领域非常重要，因为只有透过表面，我们才能真正观察到物质的内部组织和结构。
4. 原子级分辨率：透射电镜能够提供原子级甚至亚原子级的分辨率，使得我们能够观察到原子之间的相互作用、晶格缺陷以及纳米材料等微观结构。
这对于研究物质性质、材料物理和材料化学具有重要意义。
5. 惰性观察：透射电镜可以在真空或惰性气体环境中工作，从而避免了电子束与空气中的气体分子发生相互作用，保持样品的原始性质。
这对于观察和研究空气中不稳定的物质或易受氧化的物质非常重要。
透射电镜的应用范围非常广泛，以下是一些典型的应用领域：1. 材料科学：透射电镜可以观察和研究材料的晶体结构、相互作用和缺陷等特性。
它在材料科学领域的应用包括纳米材料研究、金属合金的结构分析、材料的电子结构分析等。
2. 生物学：透射电镜在生物学研究中广泛用于观察和分析生物细胞、组织和病毒等的结构和形态。
它可以帮助我们研究细胞的超微结构、蛋白质的空间结构、细胞分裂过程等。
3. 纳米技术：透射电镜对于纳米技术的研究和应用至关重要。
它可以观察和研究纳米材料的结构、性质和相互作用，从而帮助我们设计和制造具有特殊性能的纳米材料和纳米器件。
4. 矿物学和地球科学：透射电镜在矿物学和地球科学中有着广泛的应用。
材料科学研究方法-透射电子显微成像分析
材料科学研究方法-透射电子显微成像分析透射电子显微镜成象原理与图象解释金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。
而透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。
显然，不同结构有不同的相互作用。
这样，就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。
因此，如何对一张电子图象获得的信息作出正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。
必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作出正确的解释。
如前所述电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。
衬度（contrast）定义 ?衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。
?当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。
其形成的机制有两种： 1.相位衬度如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。
仅适于很薄的晶体试样≈100? 。
――高分辨像原子序数衬度 2. 振幅衬度振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。
振幅衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：①质厚衬度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分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。
第一节质厚衬度原理透过试样不同部位时，散射和透射强度的比例不同质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射。
材料现代研究方法：透射电子显微镜工作原理及构造
图9-7 透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏
三、选区电子衍射
图8 在物镜像平面上插入选区光栏实现选区衍射的示意图
选区衍射操作步骤
②柱体近似，即在计算样品下表面衍射波强度时，假设将样品分割 为贯穿上下表面的一个个小柱体(直径约2nm)，而且相邻柱体中的 电子波互不干扰。
的厚度以控制在约100~200nm为宜。 （2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些
特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知 道影响的方式和程度。
一、间接样品(复型)的制备
对复型材料的主要要求： ①复型材料本身必须是“无结构”或非晶态的； ②有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。 ③复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入
质厚衬度原理
由于质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生 相互作用而引起的吸收与散射。由于试样很薄， 吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要 取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜 的孔径角α时,它不能参与成像而相应地变暗.这种 电子越多,其像越暗.或者说,散射本领大,透射电子 少的部分所形成的像要暗些,反之则亮些。
成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形 式穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为 磁转角。物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
（3）电磁透镜的分辨本领
r0
A3
/
4C
1/ s
4
（3）
式中：A——常数；——照明电子束波长；Cs——透镜球差系数。 r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm。
材料表征中的透射电镜技术
透射电镜技术仪器原理：透射电子显微镜是以图像方式提供样品的检测结果，其成像的决定因素是样品对入射电子的散射，包括弹性散射和非弹性散射两个过程。
样品成像时，未经散射的电子构成背景，而像的衬底取决于样品各部分对电子的不同散射特性。
采用不同的实验条件可以得到不同的衬底像，透射电子显微镜不仅能显示样品显微组织的形貌，而且可以利用电子衍射效应同样获得样品晶体学信息。
本次实验将演示透射电镜的透射成像方式和衍射成像方式。
电子枪发射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜会聚成很细的电子束照明样品。
因为电子束穿透能力有限，所以要求样品做得很薄，观察区域的厚度在200nm左右。
由于样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向有差别，使电子束透过样品时发生部分散射，其散射结果使通过物镜光阑孔的电子束强度产生差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上，形成第一幅反映样品微观特征的电子像。
然后再经中间镜和投影镜两级放大，投射到荧光屏上对荧光屏感光，即把透射电子的强度转换为人眼直接可见的光强度分布，或由照相底片感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。
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（镜筒）、电源和控制系统、真空系统三部分组成。
照明系统包括电子枪和聚光镜2个主要部件，它的功用主要在于向样品及成像系统提供亮度足够的光源��电子束流，对它的要求是输出的电子束波长单一稳定，亮度均匀一致，调整方便，像散小。
电子枪（electronic gun）由阴极（cathode）、阳极（anode）和栅极（grid）组成。
(1)阴极：阴极是产生自由电子的源头，一般有直热式和旁热式2种，旁热式阴极是将加热体和阴极分离,各自保持独立。
在电镜中通常由加热灯丝（filament）兼做阴极称为直热式阴极，材料多用金属钨丝制成，其特点是成本低，但亮度低，寿命也较短。
透射电镜衍射成像原理
透射电镜衍射成像原理
透射电镜是一种高级显微镜，利用电子束来成像样品的内部结构。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，电子具有波动性，因此可以产生衍射现象。
在透射电镜中，电子束通过样品时会发生衍射，通过观察样品衍射图样可以得到样品的内部结构信息。
透射电镜的成像原理主要包括以下几个方面：
1. 衍射：当电子束穿过样品时，与样品原子相互作用，会发生衍射现象。
电子束的波长通常在纳米级别，与可见光波长相当，因此可以得到高分辨率的图像。
样品的晶格结构会影响电子的衍射图样，通过分析衍射图样可以确定样品的晶格结构和原子排列。
2. 焦点：透射电镜的成像是通过电子透镜进行调焦来实现的。
透射电镜中的透镜由电磁场产生，可以调节电子束的聚焦和散焦。
透射电镜的透镜系统通常包括透镜、准直器和透镜孔径，通过调节透镜的参数可以获得清晰的电子图像。
3. 探测器：透射电镜的探测器通常是电子学传感器，可以将电子束转换为电子信号。
通过调节探测器的灵敏度和增益，可以获取高质量的电子图像。
透射电镜的探测器通常具有高灵敏度和低噪声，可以获取高分辨率的图像。
透射电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性，通过电子的衍射现象和透镜系统的调焦来实现高分辨率的图像获取。
透射电镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有重要的应用价值，可以帮助科学家研究样品的内部结构和性质。
透射电镜的发展将进一步推动科学研究的进步，为人类社会的发展做出贡献。
材料测试技术基础 材料现代研究方法 第九章 透射电镜的结构
电子波长
• 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动 根据德布罗意（ ）的观点， 的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。 的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这 一点上和可见光相似。 一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电 h 子运动的速度和质量， 子运动的速度和质量，即 λ= • mv （5-4） • 式中，h为普郎克常数：h=6.626×10-34J.s； 式中， 为普郎克常数： ； 为电子质量； 为电子运动速度， m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速 电压U之间存在如下关系： 电压U之间存在如下关系： 1 2eU （5-5） • 即 mv 2 = eU v= 2 m • 式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。 式中e为电子所带电荷， 。 • 将（5-5）式和（5-4）式整理得： 式和（ 式整理得： • h λ= • （5 - 6 ）
第九章 透射电镜的结构
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供了 重要的工具。随着科学技术的发展， 重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微 镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观分 析的需求。上世纪30年代后， 30年代后 析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的发 明将分辨本领提高到纳米量级， 明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微 镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、 镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、 晶体结构、成分分析等于一体。 晶体结构、成分分析等于一体。人类认识微观 世界的能力从此有了长足的发展。 世界的能力从此有了长足的发展。
透镜分辨率
• 测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余 分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼 不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环 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Airy斑半径R0的表达式为： 0.61λ R0 = M • （5-1） n sin α • 通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应 的两个物点间距（Δr0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透 镜分辨率（也称分辨本领）。由式5-1得： R0 0.61λ • 即 （5-2） ∆r0 = ∆r0 = n sin α M • 对于光学透镜，当n•sinα做到最大时（n≈1.5，α≈7075°），式（5-2）简化为： ∆r0 ≈ λ 2
材料分析方法透射电镜的结构最全PPT资料
vz）、绕轴旋转（vt）和指向轴的运动（vr），作圆锥螺旋近轴运动，最后会聚在轴线上的一点F。 五、电磁透镜的景深与焦长 第一个过程：平行电子束受到周期结构试样散射作用后，除透射束外，还形成各级衍射束，经物镜聚焦会聚在其后焦面上，以衍射花
(2)、聚光镜
• 作用： • ①会聚经加速管加速的电
子束，以最小的损失照射 样品； • ②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， 结果在样品上可获得2～ 10μm的照明电子束斑。
第一聚光镜
强磁透镜，f很短； M为 1 ~ 1
10 50
调节照射到样品上的束 斑的大小（改变第一聚 光镜的焦距来控制）
• 电子波的波长为： h
mv
• 物质波的波长等于普朗克常量除以动量 。
•
电子的运动速度v，取决于加速电压U：
1 2
mv
2
eU
• •
h
2em U
• 注：当电子运动速度很高时，电子质量须经过相对论修正。
• 不同加速电压下的电子波波长
加速电压U/kV
•
20
电子波长λ/Å
0.0859
加速电压U/kV
120
• 照明系统 • 成像系统 • 观察记录系统
• 成像系统是电子光学 部分最核心的部分。
• 透射电镜的工作过程：
• 电子从透射电镜最上面的电子枪发射出来。
• 发射出的电子在加速管内被加速，通过照明系 统的电子透镜照射到试样上。
• 透过试样的电子被成像系统的电子透镜放大、 成像。
• 从观察室的窗口可以观察像，也可将观察到的 像用照片或其他形式记录下来。
现代材料分析测试方法-第九章透射电子显微镜
二级复型照片
二级复型照片
2.萃取复型
• 在需要对第二相粒子形状、大小 和分布进行分析的同时对第二相 粒子进行物相及晶体结构分析时。 常采用萃取复型的方法。
• 图7-4是萃取复型的示意图。 • 这种复型的方法和碳一级复型类
似，只是金相样品在腐蚀时应进 行深腐蚀，使第二相粒子容易从 基体上剥离。
• 此外，进行喷镀碳膜时，厚度应 稍厚，以便把第二相粒子包络起 来。
• 碳一级复型的特点是在电子束照射下不易 发生分解和破裂，分辨率可比塑料复型高 一个数量级，但制备碳一级复型时，样品 易遭到破坏。
二级复型 法
• 二级复型是目前应用最广的一种复型方• 法。
• 它是先制成中间复型（一次复型），然 后在中间复型上进行第二次碳复型，再 把中间复型溶去，最后得到的是第二次 复型。
第九章 透射电子显微镜 9.3 样品制备技术
透射电子显微镜样品制备
• 透射电子显微镜成像时，电子束是透过样 品成像。由于电子束的穿透能力比较低， 用于透射电子显微镜分析的样品必须很薄。 根据样品的原子序数大小不同，一般在 50～500nm之间。制备透射电子显微镜分析 样品的方法很多，这里介绍几种常用的制 样方法。
3.粉末样品制备
• 随着材料科学的发展，超细粉体及纳米材 料发展很快，而粉末的颗粒尺寸大小、尺 寸分布及形态对最终制成材料的性能有显 著影响，因此，如何用透射电镜来观察超 细粉末的尺寸和形态便成了电子显微分析 的一的一项重要内容。
• 其关键工作是是粉末样品的制备，样品制 备的关键是如何将超细粉的颗粒分散开来， 各自独立而不团聚。
第二步骤是样品的预先减薄
• 预先减薄的方法有两种，即机械法和化学法。 • 机械减薄法是通过手工研磨来完成的，把切割好的薄片一
透射电镜衍射成像原理
透射电镜是一种利用电子束而不是可见光进行成像的显微镜。
它的原理基于电子的波动性和衍射现象，以下是透射电镜衍射成像的基本原理：
1. 电子源和加速器：透射电镜使用电子作为成像信号。
首先，通过热发射或场发射等方式产生电子束，然后利用电场或磁场对电子束进行加速，使其获得足够高的动能。
2. 样品与透射：样品通常是极薄的切片，这样电子束可以透过样品，而不是被样品表面所反射。
透射电镜的样品制备十分复杂，通常需要采用离心切片或者离子薄化技术来获得足够薄的样品。
3. 衍射：当高速电子束穿过样品时，会与样品中的原子产生相互作用。
在这个过程中，电子将发生衍射，类似于光波在晶体中衍射的现象。
样品中的原子排列方式会导致电子束的衍射，形成衍射图样。
4. 透射电子成像：透射电子衍射图样被收集并转换为图像。
这种图像显示出样品的内部结构信息，可以提供比光学显微镜更高的分辨率。
通过调节电子束的焦距、强度以及探测器的设置，可以获取不同深度和不同角度下的样品结构信息。
总的来说，透射电镜衍射成像的原理是利用电子的波动性和样品晶体
结构对电子的衍射现象，从而实现对样品内部结构的高分辨率成像。
这种技术在生物学、材料科学、纳米技术等领域都有广泛的应用。
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理
透射电镜是一种使用电子束对物质样品进行成像的仪器。
它的成像原理是利用电子的波动特性和与物质的相互作用来实现。
首先，透射电镜中的电子枪产生高能电子束，并通过一系列的电磁透镜来聚焦电子束。
聚焦后的电子束通过空气中的减速电场而减速，最终形成一个合适的电子束直径。
然后，减速后的电子束经过一个称为透射电镜样品室的区域。
在这个区域中，待观察的物质样品被放置在一个特制的网状载体上。
电子束通过样品时，一部分电子将被散射或吸收，而另一部分电子将穿过样品并继续前进。
穿过样品的电子束进入投影电子镜系统。
这个系统包括一个透镜和一个投影屏（荧光屏）。
透镜在电子束上对其进行聚焦，使其束斑尺寸变小。
最终，电子束投射到荧光屏上，并在屏幕上形成一个对应于原始样品的图像。
荧光屏中的电子束的强度变化被转化为亮度变化，从而产生像。
透射电镜的成像原理是基于电子的波动性和与物质的相互作用。
通过调整电子束的能量和电子透镜的参数，可以实现对不同样品的高分辨率成像。
这种成像技术广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，提供了对微观结构和化学组成的详细信息。
《材料分析方法》中透射电镜教学方法的探讨
《材料分析方法》中透射电镜教学方法的探讨随着科技的不断发展，材料科学与工程的研究也越来越深入，对新材料的分析与研究成为了许多科研工作者的主要任务之一。
透射电镜是一种重要的材料分析方法，透射电镜技术在表面分析、纳米颗粒、氧化物及化合物的研究方面具有重要意义。
然而，由于透射电镜技术的复杂性，许多初学者在学习和使用透射电镜技术时存在很多问题，因此需要探讨透射电镜的教学方法，以便更好地指导学生使用透射电镜技术。
一、透射电镜的基本原理透射电镜是利用电子束对样品进行照射，使其产生散射和透射，从而获得样品的显微结构信息的一种仪器。
与光学显微镜不同的是，透射电镜对样品的要求更高，需要使用非常薄的样品，并将其置于真空中，以避免电子束与大气的相互作用。
透射电镜的工作原理基于电场与磁场的交互作用。
电子束从电子枪中发出，经过加速和聚焦，形成一个小电子束，在样品上产生入射。
样品中的原子核和电子与入射电子产生散射，同时经过样品并产生透射电子。
透射电子会被电子透镜和物镜和屏幕成像，得到样品的微观结构信息。
二、透射电镜教学方法透射电镜技术由于其复杂性，对于初学者来说有一定的风险，因此在教学过程中需要严格要求学生的安全意识，并引导学生掌握仪器的基本原理和操作方法。
下面将介绍透射电镜教学的一些方法：1.培养学生的基本实验技能透射电镜是高精度的仪器，对于初学者来说，很难准确地掌握电子束的聚焦或物距的调整等操作。
因此，在教学过程中，需要引导学生掌握基本的实验技能，包括操作面板、调整显微镜和透射电镜等。
2.指导学生理解原理和操作步骤在透射电镜的教学过程中，有关透射电镜的原理和操作步骤是非常重要的。
需要利用多媒体教具（如幻灯片、视频、互联网等）向学生详细介绍透射电镜的原理和各部分组成，操作方法以及常见结果的解释，帮助学生理解透射电镜的工作原理，掌握其基本操作步骤。
3.开展真实的样品操作和分析在教学过程中，可以让学生学习样品的准备和放置，并实现样品的分析。
透射电镜成像原理
透射电镜成像原理
透射电镜是一种利用电子束来成像样品表面微观结构的仪器，
它的成像原理主要包括电子源、透射系统、透射样品和成像系统。
电子源产生的电子束经过透射系统的调制和聚焦后，穿过透射样品，最终被成像系统捕捉并转化成图像。
透射电镜成像原理的理解对于
正确操作和解释透射电镜图像具有重要意义。
电子源是透射电镜成像的起始点，它产生高能电子束，通常由
热阴极或场发射阴极产生。
这些电子被加速到很高的能量，以便能
够穿透样品并产生清晰的图像。
透射系统包括准直器、孔径和对焦
系统，它们的作用是调制和聚焦电子束，使其能够准确地穿过样品
并被成像系统捕捉。
透射样品是透射电镜成像的关键，样品的厚度、密度和成分都
会影响电子束的透射情况。
不同的样品会对电子束产生不同的散射
和吸收，因此在观察样品时需要根据样品的特性来选择合适的成像
条件。
成像系统通常由电子透镜、荧光屏和相机组成，它们将透射
的电子束转化成可见的图像，供操作者观察和分析。
透射电镜成像原理的理解有助于我们正确操作和解释透射电镜
图像。
在实际操作中，我们需要根据样品的特性选择合适的电子源能量、透射系统参数和成像条件，以获得清晰的图像。
在解释透射电镜图像时，我们需要考虑样品的厚度、密度和成分对电子束的影响，以避免误解和错误的分析。
总之，透射电镜是一种强大的工具，能够帮助我们观察和分析样品的微观结构。
了解透射电镜成像原理对于正确操作和解释透射电镜图像至关重要，只有深入理解其原理，才能充分发挥透射电镜的优势，为科学研究和工程应用提供可靠的数据支持。
材料现代研究方法(09电子显微镜) (NXPowerLite)
电子光学基础 ——场深和焦深 场深和焦深 焦深
Di = dM 2
α
在 Di 范围内移动屏幕， 点的像不会发 P 散，但也不会变小。即在 Di 范围内，像的 清晰度是一样的， i 即为焦深。 D
透射电子显微镜
透射电镜和 光镜的光路图
透射电子显微镜
透射电镜大体可分为三部分：机械结构部分、供电系统 和真空系统。
试样制备 —— 透射电镜的试样制备 6 粉末样品的制作方法 支持膜的制作 颗粒样品的制作 1）颗粒悬浮液 —— 单滴法、喷雾法 2）干燥粉末 —— 塑料包埋法、附着法
试样制备 —— 扫描电镜的试样制备 有的试样表面不需要再加工，直接观察 它的自然状态。 对于大的试样，无法放入扫描电镜内， 需要切成小块放入。 对于不易切割或不允许切割的样品，则 需要用AC纸制作复型，在其上面喷上一 层导电层（如金、银、铜等），放入扫 描电镜内观察。
M 最终＝M 物 × M 中 × M 投
透射电子显微镜 —— 镜筒 成像系统 物镜是最主要的部件。改变物镜电流 的过程就是聚焦过程。 物镜后焦面处放有物镜光栏，其作用 是挡住散射电子，提高电镜的分辨率和 衬度。 物镜下部装消像散器，用以消除像散， 提高电镜分辨率。
透射电子显微镜 —— 镜筒 成像系统 中间镜是一个弱透镜。变化中间镜电 流，可获得不同的放大倍数。可更换投 影镜极靴，再改变中间镜电流，以达到 所需的放大倍数。 改变中间镜电流还可得到电子衍射图 像。
试样制备 —— 透射电镜的试样制备 1 塑－碳二级复型法 1）准备工作 2）第一级复型
碳膜
AC纸复型
3）第二级复型－喷碳 4）复型分离
碳膜
AC纸喷碳
AC纸溶掉
试样制备 —— 透射电镜的试样制备 2 溅射处理
材料研究方法--透射电镜
进一步放大物镜所成的像 。 弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。 当M>1时，用来进一步放大物镜的像； 当M<1时，用来缩小物镜的像。 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。
③投影镜
是把经中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花 样）进一步放大并投射在荧光屏或照相底板上。 短焦距高放大倍数强磁透镜。 成像电子束进入投影镜时孔镜角很小，所以具有很 大的场深和焦深。
像平面 使中间镜物平面与物镜 背焦面 重合→投影镜→荧光屏
显微像 衍射花样
（１）电子衍射
λ恒定的电子束，与晶体材料作用，因相干散射而产生 衍射现象，其原理与x射线衍射作用相同，获得的衍射 图案相似。 遵从衍射产生的必要条件和系统消光规律。
电子衍射与x射线衍射比较 电子衍射与 射线衍射比较
优势： 电子λ短，θ小，入射束、衍射束近乎与衍射晶面平行。 使其晶体几何关系的研究比x射线衍射要简单、直观。 物质对电子的散射作用很强，电子束穿透物质的能力下 降。电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析。 能够在同一试样上把形貌观察与结构分析结合起来。 （可进行选区衍射）
4.2 透射电子显微镜
Transmission electron microscope
电镜的发展历史
1924年，德布罗意计算出电子波的波长。 1926年，布施发现轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。 1932～1933年，德国的劳尔和鲁斯卡等研制成功世界上 第一台电子显微镜。 1939年，德国的西门子公司生产出分辨本领优于10nm 的商品电子显微镜。
3 明场像、暗场像和中心暗场像 明场像、
① 只有晶体试样形成的衍衬像才存在明场像与暗场像之分，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。 ②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。
材料的现代研究方法
材料的现代研究方法
现代材料研究方法包括以下几个方面：
1. 材料表征方法：包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）等表征手段，用于分析材料的形貌、结构、晶体学等特征。
2. 热分析方法：包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TGA）、热导率测量、热膨胀测量等，用于研究材料的热性质和相变过程。
3. 光谱学方法：包括红外光谱（IR）、拉曼光谱、紫外可见光谱（UV-Vis）、核磁共振（NMR）等方法，用于分析材料的化学组成和分子结构。
4. 表面分析方法：包括X射线光电子能谱（XPS）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等技术，用于表征材料表面的化学组成和形貌。
5. 电化学方法：包括循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）等，用于研究材料的电化学性质和电化学反应过程。
6. 计算模拟方法：包括分子动力学模拟（MD）、密度泛函理论（DFT）等计算方法，用于预测材料的性质、模拟材料的结构和动力学过程。
这些现代研究方法互相结合，可以全面了解材料的结构、性质和功能，为材料科学的发展提供重要的支持。
材料科学]材料研究测试方法透射电镜的基本成像方式及原理
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二、透射电镜的成像方式及原理
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HNU-ZLP
1
➢ 光学显微镜及扫描电镜均只能观察物质 表面的微观形貌,它无法获得物质内部的 信息.
➢ 而透射电镜由于入射电子透射试样后,将 与试样内部原子发生相互作用,从而改变 其能量及运动方向.
➢ 不同结构有不同的相互作用.
2022/3/4
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HNU-ZLP
40
B、相位衬度像〔高分辨率像--几nm厚>
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 10nm时,样品细节在1nm左右,这时相位 衬度是主要的. 试样厚度<10nm 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 像
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HNU-ZLP
33
堆积层错〔面缺陷〕表现为一系 列平行于层错面与薄膜表面交线
的规则条纹
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HNU-ZLP
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堆垛层错的衬度
层错是晶体中最简单的平面型缺陷,是晶 体内局部区域原子面的堆垛顺序发生了 差错,即层错面两侧的晶体发生了相对位移R.
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HNU-ZLP
如晶界、层错、位错……
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16
衍射衬度像基本类型：
明场像 暗场像 偏心暗场像
中心暗场像
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HNU-ZLP
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明场像: 采用物镜光
栏将衍射束挡掉, 只让透射束通过 而得到图象衬度 的方法称为明场 成像,所得的图 象称为明场像.
<无衍射的为亮 象,强衍射的为 暗像>.
它们的存在会使基体晶格发生畸变,由 此就引入了缺陷矢量R,使产生畸变的 晶体部分和不产生畸变的部分之间出 现衬度的差别,这类衬度被称为应变场 衬度
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★薄晶体的电子衍射特征：
⑴厄瓦尔球半径比倒易矢量大几十 倍
⑵衍射角很小，衍射线集中在前方
⑶倒易点被拉长为倒易杆，倒易杆 方向垂直于薄膜厚度
★以上三个原因决定使得电子束相对 晶体任何取向，在倒易原点附近都 会有许多倒易杆与球面接触或交截， 从而可以得到许多衍射线。衍射线 的方向为连接球心和倒易杆与球的 交点，如图所示
透射电子显微镜的成像原理
透射电子显微镜的主要功能 衍射
成像： 明场像，暗场像 格子像，原子像
透射电镜像
1、复型像：反映试样表面状态的像，衬
度取决于复型试样的原子序数和厚度；
2、衍衬像：反映试样内部的结构和完整
性，起源于衍射光束；
3、相衬像：由透射束和一束以上的衍射
束相互干涉产生的像。
复型透射电镜像
光屏上的亮度分布
不同吸收系数试样的成像
不同厚度试样的成像
衍射衬度像
位错衬度的产生
相衬像（高分辨电子显微像）
二、衍射衬度像
明场像
暗场像
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同，导致各个 晶粒对电子的衍射能力不同所产生的衬度变化。
用于观察样品内部晶粒、析出相、缺陷（位错、 层错）等。
晶体中的取向（多晶、析出物）和缺陷
多晶
析出物
位错
共格
半共格
非共格
衍衬像：明场像与暗场像
000
000
000
明场像的成像
明场像：采用物镜光栏 挡住所有的衍射线，只 让透射光束通过的成像。
2d sin
透过取向位置满足布拉 格关系的晶粒的电子束 强度弱
透过取向位置不满足布 拉格关系的晶粒的电子 束强度强
暗场像的成像
暗场像：采用物镜光栏挡住 透射光束，只让一束衍射光 通过的成像。
2d sin
透过取向位置满足布拉格关 系的晶粒的电子束强度强
透过取向位置不满足布拉格 关系的晶粒的电子束强度弱
暗场像的成像
000 hkl
使光阑孔套住hkl斑点，把 透射束和其它衍射束挡掉， 在这种暗场成像的方式下， 衍射束倾斜于光轴，故又 称离轴暗场。
离轴暗场像的质量差，物 镜的球差限制了像的分辨 能力。
暗场像的成像
hkl 000
通过倾斜照明系统使入射电 子束倾斜2θB，让B晶粒的 ( hkl )晶面处于布拉格条件， 产生强衍射，而物镜光阑仍 在光轴位置上，此时只有B 晶粒的 hkl 衍射束正好沿着 光轴通过光阑孔，而透射束 和其它衍射束被挡掉,这种 方式称为中心暗场成像方式。
衍射衬度理论
厚度均匀的单相多晶金属薄膜样品：
内有若干个晶粒，它们没有厚度差， 同时又足够的薄，以致可不考虑吸收 效应，两者的平均原子序数相同，唯 一差别在于它们的晶体位向不同。
000
晶体的衍衬像：由于晶体的取向不同， 导致各个晶粒对电子的衍射能力不同 所产生的衬度变化。
如何解释衬度的变化？
衍射衬度理论
衍射衬度理论简称为衍衬理论
运动学理论：不考虑入射波与衍射波 的相互作用
衍衬理论
动力学理论：考虑入射波与衍射波的 相互作用
三、完整晶体中衍衬像运动学理论
对于晶体，衍衬像来源于相干散射，即来源于衍射波
1、有一个晶面严格满 足布拉格条件：双束 条件
2、入射波与任何晶面 都不满足布拉格条件， 假设：
双束动力学近似
a:透射波的强度几乎 等于入射波的强度；
b:衍射束不再被晶面 反射到入射线方向。
运动学近似
三、完整晶体中衍衬像运动学理论
运动学近似成立的条件：
样品足够薄，入射电子受到多次散射的机会 减少到可以忽略的程度；
衍射处于足够偏离布拉格条件的位向，衍射 束强度远小于透射束强度
完整晶体衍射强度
将薄晶体分成许多小的晶柱， 晶柱平行于Z方向。每个晶柱 内都含有一列元胞。
假设每个晶柱内电子衍射波 不进入其他晶柱，这样只要 把每个晶柱中的各个单胞的 衍射波的和波求出，则和波 振幅的平方即为晶柱下面P点 衍射波强度。
各个晶柱下表面衍射波强度 的差异则构成衍衬度像源
t
0●
X 1●
Y
2 ●Rn
3●
4●
Po Z
ID
完整晶体运动学柱体近似
柱体近似模型
电子束由试样上表面A入射，在样品下表面P 点出射，透射束与衍射束相应的距离为：
t 2 100 2102 nm 2nm
Rn xna ynb znc
其中 a，b，c 是单胞的基矢。 t
对于所考虑的晶柱来说，
xn yn 0
因此， P 0 处的合成波振幅为
0●
X 1●
Y
2 ●Rn
3●
4●
Po Z
ID
g F e2iKRn F e2iKznc
n
n
K g k k0 gHKL s
g F e2iKRn F e2iKznc
n
n
Rn xna ynb znc
K g k k0 gHKL s
s sxa syb szc
F e F e 2iKRn
2 isz zn
g
n
n
写成积分形式
g
F
t e2isz z dz
0
F e F e 2iKRn
2isz zn
g
n
n
等比级数有： S 1 r r2 rn1 1 rn 1 r
ID
F2
sin2 szt sin2 sz
因为 sz 很小，所以可写为
ID
F2
sin2 szt sz 2
ID
F2
sin2 szt sz 2
g
F
t e2isz z dz
0
衍射波振幅的微分形式是
dg
i g
e2isx z dz
衍射波强度公式：
ID
2
2 g
sin2 szt sz 2
g
Vc cos Fg
式中 Vc －单胞体积
－衍射角之半
Fg －结构振幅
－电子波长
g －消光距离
等厚条纹
（s=常数，t变化）
衍射波强度：
ID
2
2 g
sin2 szt sz 2
g
Vc cos Fg
等厚条纹
（s=常数，t变化）
试样斜面和锥形孔产生等厚条纹示意图
等厚条纹
（s=常数，t变化）
ID
2
2 g
sin2 szt sz 2
等倾干涉 （ t =常数，s 变化）
四、不完整晶体中衍衬像运动学理论 1、不完整晶体衍射强度公式
所谓不完成晶体是指在完整晶体中引入诸如位错、 层错、空位集聚引起的点阵崩塌、第二相和晶粒边界等 缺陷。
在完整晶体中引入缺陷的普遍效应，是使原来规则排列 的周期点阵受到破坏，点阵发生了短程或长程畸变。
四、不完整晶体中衍衬像运动学理论
完整晶体：
F e F e 2iKRn
2isz zn
g