透射电镜原理
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。
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的高分辨率显微镜,其成像原理主要基于电子的波粒二象性和透射电子的特性。
透射电镜成像原理的理解对于正确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
首先,透射电镜成像的基本原理是利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
电子束由电子枪产生,经过透镜的聚焦和定位后,射向样品。
样品中的原子核和电子会对电子束产生散射和吸收,形成不同的透射强度。
透射电子被收集并转换成电子信号,最终形成样品的影像。
其次,透射电镜成像原理涉及到电子的波粒二象性。
根据德布罗意关系,电子具有波动性,其波长与动量呈反比关系。
因此,透射电镜成像的分辨率受到电子波长的限制,通常采用加速电压提高电子的动能,从而减小电子的波长,提高成像分辨率。
另外,透射电镜成像原理还涉及到透射电子的特性。
由于电子具有负电荷,其在物质中的相互作用主要包括库仑散射和弹性散射。
这些散射过程会影响电子束的透射强度和方向,从而影响成像结果。
因此,在透射电镜成像过程中,需要考虑样品的厚度、成分和结构等因素,以及透射电子与样品之间的相互作用。
最后,透射电镜成像原理还涉及到透射电镜的成像系统和信号处理。
透射电镜成像系统包括电子光学系统、样品台、检测器和成像设备等部分,通过这些部分协同工作,可以获取样品的高分辨率影像。
同时,透射电镜成像信号需要经过放大、处理和显示等步骤,以便对样品进行分析和观察。
综上所述,透射电镜成像原理是基于电子的波粒二象性和透射电子的特性,利用电子束通过样品后的透射来形成影像。
正确理解透射电镜成像原理对于准确操作和解释透射电镜成像结果具有重要意义。
透射电镜成像原理的深入理解有助于提高透射电镜的成像分辨率和质量,为科学研究和工程应用提供有力支持。
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。
透射电镜工作原理

透射电镜工作原理
透射电镜(Transmission Electron Microscopy,简称TEM)是一种用于观察微尺度物质形态结构和表面形貌特征的重要显微镜技术,其最早应用于生物学和化学研究,如今也广泛用于材料科学和工程研究。
透射电镜的工作原理是:一束通过电子源发射出来的电子流(通常是由金属管发射出),经过分散器和偏转垂直准直器,然后通过镜片,使得电子在低压下穿过样品,然后再抵达探测器。
它是一种辐射成像技术,核心是样品挡住了辐射源发出来的电子流,同时样品也会对发射出来的电子流产生穿透效应,生成横截面,这不同于其他显微技术。
首先,在样品上由电子源发射出来的电子束被分散器和偏转垂直准直器经过处理,使其产生小的束圆孔径,并将电子束之路向化朝向被检测的样品,进行定向准直,使样品所面对的束密度均匀。
然后经过镜片,将电子束缩小至1nm范围内,并将其余部分过滤,只保留<1nm的电子束,进而进入样品。
接着,样品所面对的电子束便会受到被检测的样品的影响,产生电子穿透现象,即样品会挡住一部分电子束,另一部分电子束则会通过它穿过样品表面,穿透深度的深度取决于电子流能量,此时,这些穿透样品表面的电子将投射在探测器上,在投射在屏幕上产生了投影图像。
通过分析被检测样品上表面被投影出来的图像,便可获得细微细节,并反映出样品的结构性质、表面形貌以及体积分布状态,从而获得样品的理化信息,如组成、结构、大小及形状等,从而进行细节分析和宏观观察等,推动科学研究。
透射电镜的基本原理

透射电镜的基本原理透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)是一种使用电子束而非光线进行成像的仪器。
它使用高能电子束将样品穿透,然后收集透射的电子,并通过电子透射图像来获得样品的高分辨率图像。
以下是透射电镜的基本原理。
1.电子源:透射电镜中的电子通常是通过热发射或场发射从钨丝或钨尖中提取出来的。
电子源通常位于电镜的顶部,并通过加热或外加电场使电子发射。
2.加速器和减速器:电子源中产生的电子通过一个加速器进行加速,以达到高能水平。
这样可以使电子具有足够的能量穿透样品。
在穿过样品后,电子被进一步减速,以改变电子束的相对能量。
3.样品:样品通常是非晶态或晶态材料,厚度通常在几纳米到几十纳米之间。
样品先被制备成极薄切片,并被放置在透明的钢网上,并通过透射底座固定在电镜中。
4.磁透镜系统:磁透镜系统用于聚焦和定向电子束。
它可以通过控制磁铁中的磁场来控制电子束的聚焦和导向。
电镜通常包含一个物镜透镜和一个对焦透镜。
物镜透镜具有更大的聚焦能力,用于将电子束聚焦到样品上,而对焦透镜用于微调焦距。
5.透射:电子束穿过样品时会与样品中的原子和电子发生相互作用。
其中一个主要的相互作用是电子与样品中的原子核和电子发生库仑散射。
这些相互作用会使电子的能量损失,并改变电子的路径。
透射电子图像是根据这些散射事件的位置和能量损失来重建的。
6.探测器:透射电子通过样品后,会被收集并转换为可视图像。
光学系统使用透射电子图像来放大和重构样品。
最常用的探测器是闪烁屏幕和摄像机。
闪烁屏幕会发出光,而摄像机则将光转换为电信号,并将其转化为可视化的图像。
7.后处理:获得的透射电子图像可以通过计算机后处理进行增强和处理。
这些处理包括调整对比度,增强细节以及从二维图像中提取出三维信息。
透射电镜的原理允许它在纳米尺度下观察物质的结构和形貌。
与传统的光学显微镜相比,透射电镜具有更高的分辨率和更大的深度解析力。
透射电镜的简单原理

透射电镜的简单原理
透射电镜是一种用于观察材料内部结构的显微镜。
其简单原理如下:
1. 电子源:透射电镜使用电子束来照射样品。
电子源通常是一个发射电子的热阴极,例如钨丝。
2. 准直系统:电子束从电子源发射出来后,通过准直系统进行调整,以保持电子束的直线性质和平行性。
准直系统通常包括透镜和磁铁等。
3. 照射样品:经过准直系统调整后的电子束照射到待观察的样品上。
样品可以是薄片或厚块,这取决于所需的观察深度。
4. 样品交叉点:经过样品的电子束会与样品内部原子或分子相互作用。
这些相互作用会导致一部分电子束被散射、吸收或透射。
5. 过滤器:透射电镜使用不同的过滤器来选择散射、吸收和透射电子束。
通过调整过滤器,可以选择只让透射电子束通过。
6. 探测器:透过样品的透射电子束最终到达探测器,例如荧光屏或CCD。
探测器记录下电子束的位置和强度。
7. 数据处理:通过采集和处理探测器的数据,可以形成一个关于样品内部结构的电子图像。
透射电镜的原理包括产生平行且高能的电子束、调整电子束与样品之间的相对位置、选择透射电子束并记录下来。
通过这些原理,透射电镜可以产生高分辨率的样品内部结构图像。
透射电镜的原理是什么

透射电镜在材料领域的作用不容忽视,而最常用的三大透射电镜是:普通透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和扫描透射电子显微镜(STEM),但是对于透射电镜的原理我们很多人却并不是很清楚,下面就为大家介绍一下。
透射电子显微镜(TransmissionE1ectronMicroscope z简称TEM),是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上,电子与样品中的原子碰撞而改变方向,从而产生立体角散射。
散射角的大小与样品的密度、厚度等相关,因此可以形成明暗不同的影像,影像在放大、聚焦后在成像器件(如荧光屏,胶片以及感光耦合组件)上显示出来的显微镜。
透射电镜的发展过程:在光学显微镜下无法看清小于0∙2微米的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超细结构。
要想看清这些结构,就必须选择波长更短的光源以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜,电子束的波长比可见光和紫外光短得多,并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比,也就是说电压越高波长越短。
目前TEM分辨力可达0.2纳米。
透射的电子束包含有电子强度、相位以及周期性的信息,这些信息将被用于成像。
透射电镜原理:透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致,都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品,光束透过样品后进入物镜,由物镜会聚成像,之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛,而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。
电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。
透射电镜系统由以下几部分组成:电子枪:发射电子。
由阴极,栅极和阳极组成。
阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束,经阳极电压加速后射向聚光镜,起到对电子束加速和加压的作用。
聚光镜:将电子束聚集得到平行光源。
样品杆:装载需观察的样品。
物镜:聚焦成像,一次放大。
中间镜:二次放大,并控制成像模式(图像模式或者电子衍射模式)。
透射电镜工作原理

透射电镜工作原理
透射电镜是一种使用电子束取代光束的显微镜。
它通过加速电子到高速,并将其聚焦在一个非常小的点上,然后让这些电子穿过样品,通过传递的电子来获取样品的高分辨率图像。
透射电镜的工作原理是基于电子在穿过物质时的相互作用。
当电子束进入样品时,一些电子会被样品原子的电场散射或反射。
然而,大多数电子会穿过样品的原子和分子之间的空隙,形成显微图像。
为了获得高分辨率,透射电镜使用一个电子透镜来控制电子束的聚焦。
这个透镜可以调整电子束的焦距,使其能够穿过样品的不同区域,并在检测器上形成高分辨率的图像。
通过控制电子束的聚焦和透镜的属性,可以获得不同深度的样品图像。
另外,透射电镜还使用一种叫做散射栅的装置,可以通过改变电子束入射角度来探索样品的不同角度。
这样可以获取不同方向上的样品图像,并且在一定程度上提高了透射电镜的分辨率。
透射电镜可以用于研究各种样品,包括生物分子、晶体、纳米颗粒等。
它在材料科学、生物学、纳米科技等领域有着广泛的应用。
由于电子具有比光更短的波长,透射电镜能够提供更高的分辨率,可以观察到更小尺寸的细节,并提供更丰富的信息。
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形貌观察
超薄碳膜 微栅
管状、棒状、纳米团聚物
小于10nm的粒子
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支持膜的分类
无孔碳支持膜系列
碳支持膜:碳支持膜厚度10-20nm,具有抗热性和导电性,推荐选用230目载网 纯碳支持膜:当必须使用有机溶剂作为分散剂时选择,碳支持膜厚度20-40nm, 适合观察10nm以上的样品,推荐选用400目载网 薄纯碳支持膜:当必须使用有机溶剂或高温下处理的特殊样品,碳支持膜厚度 7-10nm,适合分散性较好,带有机包覆层的核壳结构之类的纳米材料样 品
不同,形成反差,称为质厚衬度。
质厚衬度原理: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
参与成象而相应地变暗.这种电子越多,其象越暗.或者说,散射本
领大,透射电子少的部分所形成的象要暗些,反之则亮些。
②衍射衬度
衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射条件
场像。暗场成像有两种方法:偏心暗场像与中心暗场像。
明场像和暗场像成像机理
只有晶体试样形成的衍衬像才存在明场像与暗场像之分。
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。
SrTiO3陶瓷 TEM明场像
SrTiO3陶瓷 TEM暗场像
明场像与暗场像实物图片
制样与应用
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透射电镜专用铜网
简史: 1933 年,德国科学家卢斯卡(Ruska)和克诺
尔(Knoll)研制出了世界上第一台透射电镜,到今天,透 射电镜已经诞生了70多年,由电镜应用而形成的交叉性学科 ——电子显微学已经日趋完善,电镜的分辨能力也比最初时 提高了超过100倍,达到了亚埃级,并且在自然科学研究中 起到日益重要的作用。
1.2分辨率:为什么采用电子束做为光源?
1.2.1自然光与电子束的波长
可见光的波长在390~760nm 电子波长:
取V=100kV,理论得到电子波长为0.0037nm
1.2.2显微镜的分辨率
通常人眼的分辨本领大概是0.2mm(即人眼可分辨的两点间 最小距离 为0.2mm) 显微镜可分辨的两点间的最小距离,即为显微镜的分辨率
用一定方法减薄的材料薄膜。
用复型方法将材料表面或断口形貌复制 下来的复型膜。
1、粉末样品制备
分散:用超声波分散器将需要观察的粉末在溶 液(不与粉末发生作用的)中分散成悬浮液。
镀膜:用滴管滴几滴在覆盖有碳加强火棉胶支 持膜的电镜铜网上。待其干燥(或用滤纸吸干)后 ,再蒸上一层碳膜,即成为电镜观察用的粉末样品 。
基本构造
照明系统 电子光学系统(镜筒) 成像系统 观察记录系统 5 一般 10 托, 由机械泵和扩散泵完成 真空系统 8 新型电镜采用离子泵来 提高真空度 , 达 10 托 透射电子显微镜 电子枪加速电子用小电 流高电压电源 供电控制系统 透镜激磁用大电流低压 电源 EDS 附加仪器系统 WDS EELS
0.61 0.61 d0 n sin N.A.
λ是照明束波长,α是透镜孔径半角,n 是物方介质折射率, n·sinα或N· A称为数值孔径。
0.61 对于 d , NA n sin NA
采用物镜的孔径角接近90度
考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微镜系统, 可得d 约为200nm
对于TEM在100kV加速电压下,波长0.0037nm,d约为 0.002nm,目前电子显微镜达不到其理论极限分辨率,最 小分辨率达到0.1nm
Байду номын сангаас
1.2.3有效放大倍数
光学显微镜必须提供足够的放大倍数,把它能分辨 的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相应的放大倍数 叫做有效放大倍数,它可由下式来确定:
re M , M为显微镜放大倍数 r0 re 人眼分辨本领 r0 显微镜分辨本领
光学显微镜的有效放大倍数
人眼的分辨率( 0.2mm) 光学显微镜分辨率( 200nm)
透射电镜的有效放大倍数
人眼的分辨率( 0.2mm) 透射电子显微镜分辨率 (0.1nm)
由上面公式可以直接得出,光学显微镜的有效放大倍数远 小于透射电镜。 电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数 之乘积,即M=M.Mr.Mp。
超薄碳支持膜:碳膜厚度3-5nm,适合观察10nm以下,分散性较好的纳米材料,
有孔碳支持膜系列
微栅支持膜:能达到无背底观察的效果,推荐选用230目载网 纯碳微栅支持膜、FIB微栅支持膜 等
非碳材料支持膜
无碳方华膜、镀金、镀锗支持膜 等
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透射电镜样品制备方法
材料研究用的TEM试样大致有三种类型: 经悬浮分散的超细粉末颗粒。
3、复型样品的制备
复型制样方法是用对电子束透明的薄膜把材料表 面或断口的形貌复制下来,常称为复型。 复型方法中用得较普遍的是碳一级复型、塑料— 碳二级复型和萃取复型。 对已经充分暴露其组织结构和形貌的试块表面或 断口,除在必要时进行清洁外,不需作任何处理即可 进行复型,当需观察被基体包埋的第二相时,则需要 选用适当侵蚀剂和侵蚀条件侵蚀试块表面,使第二相 粒子凸出,形成浮雕,然后再进行复型。
1.3分类
透射电子显微镜(简称透射电镜,TEM)可以以几种不同的 形式出现: 高分辨透镜(HRTEM):JEM2100,点分辨率:0.23 nm, 晶格分辨率:0.14 nm,最小束斑尺寸0.5nm
透射扫描电镜(STEM): 利用磁透镜将电子束聚焦到样品表
面并在样品表面快速扫描,通过电子穿透样品成像,既有透射 电子显微镜功能,又有扫描电子显微镜功能的一种显微镜。 分析型电镜(AEM):JEM2010HF,点分辨率: 0.25 nm,晶格分 辨率: 0.19 nm,最小束斑尺寸1.5nm
热电子发射
场发射 Field Emission Gun
Thermal Electron Gun
图3.电子枪工作原理图
聚光镜
聚光镜的作用是会聚电子枪发射出的电子束,调节照明强度、 孔径角和束斑大小。一般采用双聚光镜系统。
•为了调整束斑大小还 在第二聚光镜下装一个 聚光镜光阑。 •为了减小像散,在第 二聚光镜下还要装一个 消像散器,以校正磁场 成轴对称性的误差。
透射电子显微像的衬度来源及分类
透射电子显微镜成像实际上是透射电子束强度分布的记录,由于 电子与物质相互作用,透射强度会不均匀分布,这种现象称为衬度,
所得的像称为衬度像。
透射电镜的衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分为: 质厚衬度:非晶样品衬度的主要来源
振幅衬度 衍射衬度:晶体样品衬度的主要来源 相位衬度:仅适于很薄的晶体试样(≈100Å)
高岭石
蒙脱石
纤蛇纹石
叶蛇纹石
不锈钢中的网形位错
长石中的位错
透射电子显微镜(TEM)
2013化学萃英班 肖俊钊 周旭峰 胡静远 周洋
透射电镜简介
1.1概念及简史
概 念 : 透 射 电 子 显 微 镜 ( Transmission Electron
Microscope,TEM)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。
成像过程
透镜的成像过程一般可分为两个过程: ①第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分散成各级衍射谱,即由 物变换到衍射谱的过程; ②第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上汇聚成诸像点,即由 衍射重新变换成物(放大了的物)的过程。
成像分类
①吸收像 :当电子射到质量、密度大的样品时,主要的成相作用是 散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大,通过的电 子较少,像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理 。 ②衍射像:电子束被样品衍射后,样品不同位置的衍射波振幅分布 对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力,当出现晶体缺陷时,缺 陷部分的衍射能力与完整区域不同,从而使衍射波的振幅分布不均 匀,反映出晶体缺陷的分布。 ③相位像:当样品薄至100Å以下时,电子可以传过样品,波的振 幅变化可以忽略,成像来自于相位的变化。
电子光学部分
图1.透射电镜电子光学部分基本构造示意图
照明系统
照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。它的作用:为成像 系统提供一束亮度高、相干性好的照明光源;选择照明方式 (明场或暗场成像)。 电子枪
图2.照明系统结构示意图
电子枪
灯丝加热电路 flashing电路
W/LaB6灯丝
发射体
栅极 阳极 第一阳极 第二阳极
40
41
42
TEM的典型应用
•1.形貌观察 晶粒(颗粒)形状,形态,大小,分布等 •2.晶体缺陷分析 线缺陷:位错(刃型位错和螺型位错) 面缺陷:层错 体缺陷:包裹体 表面、界面(晶界、粒界)等 •3.组织观察 晶粒分布、相互之间的关系,杂质相的分布、与主晶 相的关系等 •4.晶体结构分析、物相鉴定(电子衍射) •5.晶体取向分析(电子衍射) 43
2.薄膜样品的制备
块状材料是通过减薄的方法(需要先进行机械或化学方法 的预减薄)制备成对电子束透明的薄膜样品。减薄的方法 有超薄切片、电解抛光、化学抛光和离子轰击等. 适用于 生物试 样 适用于金 属材料
适用于在化学试剂 中能均匀减薄的材 料,如半导体、单 晶体、氧化物等。
无机非金属材料大 多数为非导电材料 ,上述方法均不适 用。60年代初产生 了离子轰击减薄装 置后,才使无机非 金属材料的薄膜制 备成为可能。
按加速电压分类:
<200KV为低压透射电镜 加速电压 200~400KV为高压透射电镜
>400KV为超高压透射电镜
按照明系统分类: 普通透射电镜和场发射透射电镜 按成像系统分类: 低分辨率透镜和高分辨率透镜
JEM-2100透射电镜外观图