第5章_透射电子显微镜技术TEM
TEM(透射电子显微镜)
细胞结构解析
细胞膜结构
透射电镜图像可以清晰地展示细胞膜的精细结构，如细胞膜的厚度、 细胞器的分布等。
细胞器结构
透射电镜能够观察到细胞内的各种细胞器，如线粒体、内质网、高 尔基体等，有助于了解细胞器的形态和功能。
细胞骨架结构
透射电镜能够观察到细胞骨架的超微结构，如微管、微丝和中间纤维 等，有助于了解细胞骨架在细胞运动、分裂和分化中的作用。
TEM应用领域
01
02
03
04
生物学
研究细胞、组织和器官的超微 结构，如细胞器、细胞膜、染
色体等。
医学
用于诊断疾病，如癌症、传染 病等，以及药物研发和疫苗制
备过程中的结构分析。
地质学
观察岩石、矿物和矿物的微观 结构，研究地球科学中的各种
地质现象。
材料科学
研究金属、陶瓷、高分子等材 料的微观结构和性能，以及材
控制切片的厚度，通常在50~70纳米之间，以确 保电子束能够穿透并观察到样品的内部结构。
切片收集与处理
将切好的超薄切片收集到支持膜上，并进行染色、 染色脱水和空气干燥等处理。
染色
染色剂选择
选择适当的染色剂，如铅、铀或 铜盐，以增强样品的电子密度并
突出其结构特征。
染色时间与温度
控制染色时间和温度，以确保染色 剂与样品充分反应并达到最佳染色 效果。
清洁样品室
定期清洁样品室，保持清洁度 。
检查电子束系统
定期检查电子束系统，确保聚 焦和稳定性。
更新软件和驱动程序
及时更新TEM相关软件和驱动 程序，确保兼容性和稳定性。
定期校准
按照厂家建议，定期对TEM进 行校准，确保观察结果的准确
性。
06 TEM未来发展
透射电子显微镜的原理
透射电子显微镜的原理透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察物质微观结构的工具。
相对于光学显微镜，TEM可以提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在研究纳米尺度物体和物质的晶体结构等方面具有独特的优势。
下面将介绍TEM的原理以及工作过程。
TEM的主要组成部分包括电子源、电子光学系统、样品台以及探测器。
第一部分是电子源。
TEM使用的是热阴极电子源，通过加热材料产生的电子可以使它们跨越电子能障形成电子束。
电子束的形成需要经过一系列的加速器和准直透镜等装置，以确保电子束稳定的强度和方向。
第二部分是电子光学系统。
TEM的电子光学系统由一个或多个透镜组成，包括准直透镜、磁透镜和目标透镜。
准直透镜用于平行化电子束，磁透镜用于对电子束进行聚焦，目标透镜用于调整电子束的焦距。
这些透镜的组合可以将电子束聚焦到非常小的尺寸上，从而实现高分辨率的成像。
第三部分是样品台。
样品台是放置待观察样品的平台，可以通过控制样品的位置、倾斜角度等参数来调节观察角度和焦距。
第四部分是探测器。
探测器是接收和记录电子束穿过样品时所发生的相互作用的装置，常用的探测器包括像差探测器（Diffraction Contrast Detector）和投影光学探测器（Projection Optics Detector）。
像差探测器可以测量样品中的晶体缺陷和晶体结构，而投影光学探测器可以获得样品的原子分布图像。
TEM的工作过程如下：首先，样品被制成非常薄的切片，并被放置在样品台上。
然后，电子束由电子源发出，并通过光学系统的透镜进行聚焦。
接下来，聚焦的电子束穿过样品，并与样品中的原子和分子发生相互作用。
这种相互作用包括电子-电子相互作用、电子-晶格相互作用和电子-原子核相互作用。
然后，电子束到达探测器，根据不同的探测器可以得到不同的信息。
像差探测器可以根据电子束的衍射来获得样品中的晶体结构信息，而投影光学探测器则可以获得样品的原子分布图像。
透射电子显微镜TEM
透射电子显微镜
Transmission Electron Microscopy
目录 CONTENTS
1 2 3 4
历史 History 原理 Background 结构 Components
制备 Preparation
应用 Application
5
2 透射电子显微镜
历史 HISTORYBiblioteka 2形制 Shapes
field will cause electrons to move according to the left hand rule
热电子发射 或 场电子发射 thermionic or field electron emission
• Hairpin-style filament
5 透射电子显微镜
目录 CONTENTS
1 2 3 4
历史 History 原理 Background 结构 Components
制备 Preparation
应用 Application
5
6 透射电子显微镜
原理 BACKGROUND
电子 ELECTRON
光学显微镜所能达到的最大分辨率受到以下条件的限制
IG Farben-Werke
The De Broglie wavelength of electrons was many orders of magnitude smaller than that for light, theoretically allowing for imaging at atomic scales 1936 改进 TEM 的成像效果，尤其是对生物样品的成像
• Small spike-shaped •使用磁场可以形成 不同聚焦能力的磁透镜
TEM透射电子显微镜的成像原理
TEM透射电子显微镜的成像原理TEM（Transmission Electron Microscopy）是一种高分辨率的显微镜技术，主要用于研究材料的微观结构和组织。
TEM利用电子束而非光束，可以实现比光学显微镜更高的分辨率，能够观察到纳米级别的细节。
其成像原理可以分为电子光学原理和电子-物质相互作用原理两个方面。
首先，电子光学原理是TEM成像的基础。
TEM的光学系统由一个电子源、一系列透镜、标本和一个像屏组成。
电子源通常采用热阴极的方式，通过加热金属丝使其发射电子。
这些电子经过一系列透镜的聚焦作用，形成一个细束，并进入样品。
对于TEM而言，最重要的透镜是电磁透镜，通常是通过一对线圈产生的。
电磁透镜中的电磁场可以对电子束进行聚焦和对准，以便在样品上形成清晰的像。
透镜的设计和设置可以调整其聚焦能力和调制电子束的波前。
透射电子显微镜通常具有两个凸透镜，分别称为物镜和目镜。
物镜透镜在样品和像屏之间，起到聚焦电子束和收集被样品散射的电子的作用。
目镜透镜位于像屏和观察者之间，用于观察和放大图像。
其次，电子-物质相互作用原理也是TEM成像的重要部分。
透射电子在穿过样品时会与样品中原子的电子发生相互作用，这种相互作用会导致电子的散射和吸收。
根据散射和吸收的强弱，我们可以获得关于样品内部结构和组织的信息。
散射现象包括弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指电子与原子的表面电子或晶格电子发生碰撞而改变方向，但能量基本保持不变。
非弹性散射是指电子在与样品中的原子碰撞时损失或获得能量。
这些散射电子通过透镜被聚焦到像屏上，呈现出所观察到的图像。
通过分析散射电子的强度和角度，我们可以推断出样品中的晶体结构、物质的化学成分和其它细节。
吸收现象是指电子在穿过样品时被材料中的原子吸收。
这种吸收现象通常被用来确定材料的厚度和密度。
因此，TEM利用电子束与样品相互作用的方式，可以获得关于样品结构和组织的信息。
通过聚焦和收集散射电子，形成清晰的图像，进而研究材料的微观特性。
第5篇19电镜(透射电镜及扫描电镜)
放大倍数：几十到几十万（106）倍；连续可调
透射电镜的主要性能指标
衬度
指透射电镜图像中亮和暗的差别（类似于黑白照片的反差） 。衬度 是一幅图像能否被清晰观察的前提。
高分子电镜图像的衬度主要是吸收衬度，取决于样品各处参与成像 的电子数目的差别。电子数越多，散射越厉害，透射电子越少， 图像就越暗。还与下面因素有关：
1. 镜筒内为什么保持高真空状态
2. ⑴ 防止高速电子受空气分子碰撞而改变运 动轨迹；
3. ⑵ 避免因空气分子电离而引起放电而破坏 了电子枪电极间的绝缘；
4. ⑶ 避免阴极氧化及样品污染。
为什么使用电磁透镜
使用静电透镜（用电场聚焦）需要高 压，给设备的设计和操作带来不便。
故现代电镜中静电透镜只在电子枪中使 用；而聚光镜、物镜、中间镜和投影镜则 都采用电磁透镜（用磁场聚焦），可以通 过改变激磁电流来调节透镜的聚焦能力。 而且光学显微镜的玻璃透镜没有聚焦成像 的能力，不能用于电子显微镜。
低压扫描电镜 场发射电子枪 环境扫描电镜
1~100eV
扫描电镜
可变真空度
低能扫描电镜 分辨率0.4nm 1Pa~300Pa
SEM
扫描电子显微镜的结构和工作原理
由电子枪发射出来的电子束，在加速电压作 用下，经过二至三个聚光镜汇聚，再经 物镜聚集成一个细的电子束聚焦在样品 表面。在聚光镜与物镜之间装有扫描线 圈，在它的作用下使电子束在样品表面 扫描。
纳米尺寸的微结构
超高的力学性能
特殊的电学性质
热稳定性
碳纳米管
(Iijima & Bethune 1993)
(Iijima 1991)
TEM电子显微镜工作原理详解
TEM电子显微镜工作原理详解TEM电子显微镜是一种高分辨率的分析仪器，能够在纳米尺度下观察材料的微观结构和成分，对于研究材料的性质和特性具有重要意义。
本文将详细介绍TEM电子显微镜的工作原理，包括透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜。
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）工作原理：透射电子显微镜主要由电子光源、透镜和探测器组成。
首先，电子光源发射高能电子束，这些电子从阴极发射出来，经过加速器获得较高的能量。
然后，电子束通过一系列的电磁透镜进行聚焦，使电子束变得更加细致和密集。
接着，电子束通过物质样本，部分电子被样本吸收或散射，形成透射电子。
这些透射电子被接收器捕获和放大成像，形成TEM图像。
透射电子显微镜的工作原理是基于电子的波粒二象性。
电子是一种粒子同时也是一种波动，其波动性质使得它具备非常短的波长，远远小于可见光的波长。
这使得TEM能够观察到比传统光学显微镜更小的尺度。
另外，透射电子显微镜在工作中还需要考虑电子束的束流强度、对样本的破坏性和控制样本与探测器之间的距离等因素。
TEM电子显微镜通过透射电子成像方式观察样本，因此对样本的制备要求非常高。
样品需要制备成非常薄的切片，通常厚度在几十纳米到几百纳米之间，以保证电子可以穿透。
对于一些无法制备成切片的样品，可以利用离子切割或焦离子技术获得透明的样品。
此外，在观察样本时需要避免污染和氧化等现象。
扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope，STEM）工作原理：扫描透射电子显微镜是透射电子显微镜的一种变种，它在透射成像的基础上加入了扫描功能。
STEM可以实现高分辨率的成像，同时也可以进行能谱分析和电子衍射。
STEM电子显微镜工作原理类似于透射电子显微镜，但需要注意的是，STEM使用的电子束并不需要通过所有的样本区域。
电子束只需通过样本中的一个小区域，然后扫描整个样本，因此样本制备要求和透射电子显微镜相比较低。
第5章透射电子显微镜技术TEM
（a) 恐龙蛋数码图片 (b）恐龙蛋扫描电镜图片
图1 恐龙蛋壳的微观形貌
02 第5章透射电子显微镜技术TEM
5.1.1 电镜照片举例
例1：恐龙蛋化石的表面分析
2008 年，江西赣州发现 15 枚罕见恐龙蛋化石。在肉眼 下，恐龙蛋壳表面光滑，但在扫描电镜下， 其表面却并不 光滑，而是呈凹凸不平状。
07 第5章透射电子显微镜技术TEM
5.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
（a）单晶硅
（b）多晶硅
图4 单晶硅与多晶硅的高倍率透射电镜形貌
08 第5章透射电子显微镜技术TEM
5.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
硅是集成电路产业的基础，半导体硅工业产品包括单晶硅、 多晶硅、外延片和非晶硅等，其中单晶硅具有完整的点阵晶 体结构，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材 料，其纯度要求达到 99.9999% 以上才能满足各类应用要 求。利用高分辨率透射电镜可以监测单晶硅是否具有完善的 晶体结构。
图11 反射电子示意图
23 第5章透射电子显微镜技术TEM
5.2.1 电子束与样品的相互作用
点击链接观看动画
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图12 二次电子示意图
（2）二次电子 从距样品表面10 nm 左右深度范围激发产生 的核外层电子，与样品 表面形貌及物理、化学 性质有密切关系。
1965年剑桥大学推出第一台商品扫描电镜。目前其发展方 向是场发射型高分辨扫描电镜和环境扫描电镜。
图7 场发射扫描电镜（左）和环境扫描电镜（右）
19 第5章透射电子显微镜技术TEM
5.1.2 电镜的发展历史
透射电子显微镜(TEM)详解
（一）间接样品的制备（表面复型）
透射电镜所用的试样既要薄又要小，这就大大限 制了它的应用领域，采用复型制样技术可以弥补 这一缺陷。复型是用能耐电子束辐照并对电子束 透明的材料对试样的表面进行复制，通过对这种 复制品的透射电镜观察，间接了解高聚物材料的 表面形貌。
蚀刻剂：高锰酸钾-浓 硫酸 将无定形部分腐蚀掉
八、透射电镜在聚合物研究中的应用
（一）结晶性聚合物的TEM照片
PE单晶及其电子衍射谱
Keller提出的PE折叠链模型
尼龙6 折叠链 片晶
单斜晶系 的PP单晶
2、树枝晶: 从较浓溶液（0.01~0.1%)结晶时，流动力 场存在，可形成树枝晶等。
PE的树枝状结晶
（3）染色：通常的聚合物由轻元素组成，在用厚 度衬度成像时图像的反差很弱，通过染色处理后 可改善。
所谓染色处理实质上就是用一种含重金属的试剂 对试样中的某一组分进行选择性化学处理，使其 结合上重金属，从而导致其对电子的散射能力增 强，以增强图像的衬度。
（a）OsO4染色，可染-C=C-双键、-OH基、-NH2基。 其染色反应是：
（二）直接样品的制备
1.粉末样品制备 粉末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。
胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻 璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上， 两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小 方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片 逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。
常见的聚合物制样技术
（1）超薄切片:超薄切片机将大试样切成50nm 左右的薄试样。
聚甲基丙烯酸丁酯将 聚四氟乙烯包埋后切 片，白色部分表示颗 粒形貌， 切片时，有颗粒的部 分掉了
透射电子显微镜-TEM-医学课件
Transmission electron microscope
1
内容
简介 结构原理 样品制备 透射电子显微像 选区电子衍射分析
2
TEM 简介
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的 证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年， 透射电镜实现了工厂化生产。 上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和 Howie等人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和 结构。 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M. Cowley提出相位衬度理 论的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。 饭岛获得原子尺度高分辨像（1970) 。 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用。
21
成像系统
照明系统
成像系统
观察记录系统
22
（1）物镜 物镜是将试样形成一次放大像和衍射谱。 决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可 能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽 可能小的像差。通常采用强激磁，短焦距 的物镜。 放大倍数较高，一般为100～300倍。 目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。
3
透射电子显微镜-TEM
TEM用聚焦电子束作照明源，使 用于对电子束透明的薄膜试样， 以透过试样的透射电子束或衍射 电子束所形成的图像来分析试样 内部的显微组织结构。
透射电子显微镜(TEM)
2.样品室
样品铜网 侧插式倾斜装置 移动-选择视场 倾斜-晶体结构分析 双倾样品台
阴极（接 负高压） 栅极（比阴极 负100~1000伏）
阳极 电子束
聚光镜
试样
3.成像系统 物镜、中间镜、投影镜三级成像
作用：反映样品内部特征的透射电子转变为可 见光图像或电子衍射谱并投射到荧光屏或照 相底板上
第五章 透射电子显微镜（TEM）
TEM：波长极短电子束 电磁透镜聚焦 高分辨率 高放大倍数
透射电镜与光学显微镜比较 TEM结构：电子光学系统、真空系统、
供电系统
一、电子光学系统 1.照明系统 作用：提供亮度高、照明孔径角小、束流稳定
的照明源
组成：电子枪、聚光镜、平移对中及倾斜调节 装置
（1）电子枪 热阴极三级电子枪
阴极：发射热电子；阳极；加速阴极流
注：热电子发射源、场发射源
（2）聚光镜 作用：将有效光源会聚到样品上
控制照明孔径角、照明亮度、束斑大小
保证照射到样品上的电子束强度高、直径小、 相干性好
双聚光镜：强磁透镜，使光斑缩小
②调节总放大倍数
（3）投影镜
作用：将经中间镜放大（或缩小）的像 （或电子衍射花样）进一步放大，并投影 到荧光屏上
短焦距的强磁透镜
目前，高性能的透射电镜都采用5级透镜放 大，即中间镜和投影镜有两级
（4）成像原理
平行电子束与样品相互作用产生衍射束 经透镜聚焦后形成各级衍射谱
各级衍射谱发出的波相互干涉重新在像 平面上形成反映样品特点的像
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。
Tecani G2 型透射电子显微镜
透射电子显微镜(TEM)的原理
12
C 成像系统
物镜 成像系统 中间镜
投影镜
成像系统作用： 将来自样品的、反映样品内部特 征的、强度不同的透射电子聚焦放大 成像，并投影到荧光屏或照相底片上， 转变为可见光图像或电子衍射花样。
13
（1）物镜
物镜是透射电镜的核心，形成第一幅电子像或 衍射谱，它还承担了物到像的转换并加以放大的作 用，既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数 （100x-200x），透射电镜的分辨本领就取决于物镜 的分辨本领。 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。它可以减小球差、相散和色差， 提高图像的衬度。
观察和记录装置：包括荧光屏和照相机构。 1. 荧光屏：常用暗室下人眼较敏感、发绿光的荧光物质来涂制 荧光屏。
21
2. 照相机构
在荧光屏下，放置照相暗盒，可自动换片。照相 时，只要把荧光屏向一侧垂直竖起，电子束即可 使照相底片曝光。 底片:典型的颗粒乳剂，由大约10%的卤化银颗粒 分散在厚度约为25 m的明胶层中
7
核心
TEM
辅助
电子部 分
辅助
7
A 电子光学成像系统
A • • B C •
照明系统 电子枪 聚光镜 样品室 成像系统 物镜 (Objective lens) • 中间镜 (Intermediate lens) • 投影镜 (Projector lens) D 观察和记录系统
照 明 系 统 样 品 室
17
两种工作模式
成像操作 电子衍射操作
18
成像操作
当电子束透过样品后，透 射电子带有样品微区结构 及形貌信息，呈现出不同 强度，经物镜后，在像平 面上形成中间像1； 调节中间镜激磁电流，使 其物平面和物镜像平面重 合，则荧光屏上得一幅放 大像。这就是成像操作。
透射电子显微镜(TEM)
日本日立公司H－700 电子显微镜，配有双倾台 ，并带有7010扫描附件和 EDAX9100能谱。该仪器 不但适合于医学、化学、 微生物等方面的研究，由 于加速电压高，更适合于 金属材料、矿物及高分子 材料的观察与结构分析， 并能配合能谱进行微区成 份分析。 ● ● ● ● ● 分 辨 率：0.34nm 加速电压： 加速电压：75KV－200KV － 放大倍数： 万倍 放大倍数：25万倍 能 谱 仪：EDAX－9100 － 扫描附件： 扫描附件：S7010
TEM 形貌分析
透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合 纳米粉体材料的分析。 其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的 形貌，颗粒大小，分布，还可以获得特定区域 的元素组成及物相结构信息。 透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析， 但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能 但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能 透过了。对块体样品的分析，透射电镜一般需 要对样品进行减薄处理。
多晶花样的标定
1. 花样特征： 一组同心圆 花样特征： 一组同心圆
2.标定方法：比值法 2.标定方法： 标定方法 根据R1, 根据R1, R2 , R3 ….的比值来确定结构和标定花样 比值法主要适合立方晶系
3）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。 如下图所示。
电子束 扫描发生仪
显象管 和X-Y 记录仪
扫描线圈
数据 处理
能量选择光阑 入射光阑
放大器 探测器
电子能量 分析仪
图1-14 扫描电子衍射和电子能谱分析附件示意图
2 . 真空系统 为了保证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 毫米汞柱。
TEM简介
透射电子显微镜技术简介透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投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、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。
通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
一、透射电镜的成像原理如图所示，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，从而得到一幅图1. 透射电镜与普通光学显微镜结构对比具有一定衬度的高放大倍数的图像。
透射电子显微镜的成像方式可表述为：1.由电子枪发射高能、高速电子束；2.经聚光镜聚焦后透射薄膜或粉末样品；3.透射电子经过成像透镜系统成像；4.激发荧光屏显示放大图像；5.专用底片/数字暗室记录带有内部结构信息的高分辨图像；二、透射电子显微镜的结构透射电镜一般是由电子光学部分、真空系统和供电系统三大部分组成。
1．电子光学部分整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、 物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、照相机构等装置。
根据这些装置的功能不同又可将电子光学部分分为照明系统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统。
透射电子显微镜TEM(PPT121页)
透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)
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率、高放大倍数的电子光学 仪器。可同时实现微观形貌观察、晶体结构分析和成 分分析（配以能谱或波谱或能量损失 谱）。
为什么采用电子束而不用自然光？
β=±25度
EM420透射电子显微镜
（日本电子） 加速电压20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm 倾转角度α=±60度
β=±30度
FEI Titan 80-300 kV S/TEM 世界上功能最强大的商用透射电子显 微镜 (TEM)。已迅速成为全球顶级研 究人员的首选 S/TEM，从而实现了 TEM 及 S/TEM 模式下的亚埃级分辨 率研究及探索。
➢ 电子显微镜发展史
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年，透射电
镜实现了工厂化生产。 20世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和Howie等人
主要技术参数： 1.TEM分辨率 <1 2.STEM分辨率 <1 3.能量分辨率 <0.15eV 或 <0.25eV 4.加速电压 80-300kV
内容
8.1 简介 8.2 结构原理 8.3 样品制备 8.4 透射电子显微镜的电子衍射 8.5 透射电子显微镜图像分析
8.2 透射电子显微镜结构原理
电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高一千 倍左右，可以达到2Å 的水平，使观察物质纳米 级微观结构成为可能。
透射电子显微镜-TEM
1. 塑料一级复型 2. 碳一级复型 3. 塑料-碳二级复型 4. 抽取复型
透射电子显微镜样品制备
塑料一级复型
样品上滴浓度为1%的火棉 胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维 素丙酮溶液，溶液在样品表 面展平，多余的用滤纸吸掉， 溶剂蒸发后样品表面留下一 层100nm左右的塑料薄膜。 印模表面与样品表面特征相反。
透射电镜实现了工厂化生产。 上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和
Howie等人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和 结构。 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M. Cowley提出相位衬度理 论的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。 饭岛获得原子尺度高分辨像（1970) 。 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用。
re 人眼分辨本领 r0 显微镜分辨本领
有效放大倍数
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（ 200 nm）
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。
透射电子显微镜-TEM
Transmission electron microscope
内容
简介 结构原理 样品制备 透射电子显微像 选区电子衍射分析
TEM 简介
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的
证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年，
(完整word版)TEM简介
透射电子显微镜技术简介透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope ，TEM ），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投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、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。
通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm ，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
一、透射电镜的成像原理如图所示，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。
透射电子显微镜的成像方式可表述为：1.由电子枪发射高能、高速电子束；2.经聚光镜聚焦后透射薄膜或粉末样品；3.透射电子经过成像透镜系统成像；4.激发荧光屏显示放大图像；5.专用底片/数字暗室记录带有内部结构信息的高分辨图像；二、透射电子显微镜的结构透射电镜一般是由电子光学部分、真空系统和供电系统三大部分组成。
图1. 透射电镜与普通光学显微镜结构对比1．电子光学部分整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、 物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、照相机构等装置。
根据这些装置的功能不同又可将电子光学部分分为照明系统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统。
透射电子显微镜TEM简介
相位衬度
当晶体样品较薄时，可忽略 电子波的振幅变化，让透射 束和衍射束同时通过物镜光 阑，由于试样中各处对入射 电子的作用不同，致使它们 在穿出试样时相位不一，再 经相互干渉后便形成了反映 晶格点阵和晶格结构的干涉 条纹像，见图。这种主要由 相位差所引起的强度差异称 为相位衬度，晶格分辨率的 测定以及高分辨率图像就是 采用相位衬度来进行分析的。
电子与固体作用时激发的信息
电子与固体作用时激发的信息
1
样品在电 子束轰击 下产生各 种信息
透射电子
2
3
特征X射线
二次电子
4
5
俄歇电子
背散射电子等
电子与固体作用时激发的信息-透射电子
透射电子
当入射电子的有效穿透深度大于样品 厚度时，就有部分入射电子穿过样品 形成透射电子，其电流强度表示为 IT 。 该信号反映了样品中电子束作用区域 内的厚度、成分和结构，透射电子显 微镜就是利用该信号进行分析的。
需要注意的是，质厚衬度取决于试样不同 区域参与成像的电子强度的差异，而不是 成像的电子强度，对相同试样，提高电子 枪的加速电压，电子束的强度提高，试样 各处参与成像的电子强度同步增加，质厚 衬度不变。仅当质厚变化时，质厚衬度才 会变。
质厚衬度示意图
质厚衬度实例
Fe2O3纳米环
衍射衬度
试样仅由 A 、 B 两个晶粒组成，其 中晶粒A完全不满足布拉格方程的 衍射条件，而晶粒B中为化简起见 也仅由一组晶面（ hkl ）满足布拉 格衍射条件产生衍射，其他晶面 均远离布拉格条件，这样入射电 子束作用后，将在晶粒B中产生衍 生束 Ihkl ，形成衍射斑点 hkl ，而晶 粒A因不满足衍射条件，无衍射束 产生，仅有透射束I0，此时，移动 物镜光阑，挡住衍射束，仅让透 射束通过，见（a），晶粒A和B在 像平面上成像，其电子束强度分 别为IA≈I0和IB≈I0-Ihkl，晶粒A的亮 度远高于晶粒B。
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电源系统
图32 300kv高分辨透射电镜
52
5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
由电子枪和聚光镜
共同组成，其作用 是提供高能量、小
直径的透射电子束
用以后续成像。
53
5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
54
5.4.1 透射电镜的结构组成
（1）电子照明系统
电子枪有热发射和
场发射两种。所用 材料有钨和六硼化 镧两种。场发射电 子枪利用外加电场 实现针尖电子逸出 ，更易获得高质量 的聚集电子束。 图33 场发射电子枪示意图
57
5.4.1 透射电镜的结构组成
（3）观察记录系统
由电子成像系统形成
的电子图像通过荧光 屏或照相系统进行观
察记录。通过观察窗
口可直接观察荧光屏 上的图像。
58
5.4.1 透射电镜的结构组成
（4）真空系统
避免空气分子与高速运动电子发生碰撞；
避免电子枪发生高压放电现象； 高真空有利于延长电子枪灯丝使用寿命；
根据德布罗意波粒二相性理论，电子波波长公式如下：
h eV 2em 0 V(1 ) 2 反射电子 2m 0c 12.25 V(1 0.9788 10 V)
6
(4)
(5)
其中， 为电子波波长， h 为普朗克常数， e 为电子电荷，
m0 为电子静止质量， V 为加速电压， c 为光速。
高能电子束的特点：
点击链接观看动画
高能量（40 kev); 直径小（5-10nm）。
反射电子 二次电子
/cl ass_clcsjs/EveDjPlay.asp?dj_id= 866
图22 高能电子束的产生过程
36
5.3.1 透射电子束的形成
Resolution 0.10nm 100 to 300 kV ×200～150,0000 Single crystal LaB6
Accelerating Voltage
Magnification Electron gun
65
5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
HF-3300 300 kV FE TEM
反射电子
光源经透镜成像后
也只能得到明暗相 间的埃利斑。
图25 光的衍射和光学透镜的分辨本领
39
5.3.3 透射电镜的分辨率
由于光是一种电磁
波，利用透镜成像
过程存在衍射现象 ，即便是理想的点
反射电子
光源经透镜成像后
也只能得到明暗相 间的埃利斑。
图25 光的衍射和光学透镜的分辨本领
40
5.3.3 透射电镜的分辨率
下钨丝可逸出自由电子。
图18 电子枪产生电子束过程
31
5.3.1 透射电子束的形成
然而，所产生的自由逸出
点击链接观看动画
电子难以满足透射成像需 要，需解决两个问题：如
反射电子 二次电子 何进一步提高能量；如何
.c n/class_clcsjs/EveDjPlay.asp ?dj_id=865
反射电子
电场加速基础上通过磁透 镜进一步使电子束聚焦。
二次电子
图20 磁透镜结构示意图
34
5.3.1 透射电子束的形成
（2）磁透镜聚焦
磁透镜是电镜成像的 重要元件，其实质是
反射电子 轴向对称的磁场。依 二次电子
据洛伦磁力作用改变 运动电子的运动轨迹
进而实现聚焦。
图21 磁透镜聚焦过程示意图
35
5.3.1 透射电子束的形成
Resolution
Accelerating Voltage 0.10nm (lattice) 0.19nm (point) 300 kV
Magnification
Electron gun
×200～150,0000
Cold field emission electron source
66
5.4.3 透射电镜的主要性能参数
由（1）和（2）得分辨率公式：
R 0 0.61 r0 (3) M n sin反射电子 2
上式表明：光学显微镜的分辨率与光波波长有关，波长越长，
分辨率越小。可见光波长在3900-7600埃之间，所以光学显微
镜的极限分辨率为2000埃（0.2 um)。
42
5.3.3 透射电镜的分辨率
成严重干扰。
污染区域
71
5.5.2 样品的制备方法
（1）支持膜法
将塑料、碳或 塑料/碳复
合型支持膜覆盖于金属铜 网表面，然后将颗粒状样
相邻两像点A’和B‘得以分辨的条件是：
R0 M r0 (1) 0.61 反射电子 R0 = M (2) n sin
其中，R0 为埃利斑半径，M 为放大倍率， r0 为相邻物点间距
， 为光波波长， n 为透镜物方介质折射率， 为透镜孔径 半角，属于透镜的结构参数。
41
5.3.3 透射电镜的分辨率
5.5.1 样品的基本要求
（3）具有足够强度 入射电子束（强）
样品须具备必要的抗电子
损伤能力，由于电子束能 量很强，软质样品如有机
物等易于造成局部区域损
伤，导致微区结构破坏。
70
5.5.1 样品的基本要求
（4）样品应保持清洁 入射电子束（强）
避免含有污染成分，否则
在高放大倍率下，微小的 污染物也会对图像结果造
60
5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
/products/electron-microscopes-and-focused-ionbeam/transmission-electron-microscopes.
61
5.4.2 Hitachi透射电镜最新产品
晶样品。
图29 散射衬度形成示意图
49
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
入射电子 反射电子 入射电子
（2）衍射衬度原理：
当入射电子通过厚度均
匀的结晶型样品，局部 区域由于晶面发生布拉
格衍射，导致该区域的
反射电子强，相应透射 电子信息弱，最终形成
透射电子信息弱 透射电子信息强
明暗差异。
图30 衍射衬度形成示意图
高放大倍率。
图27 透射电镜多级放大示意图
47
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
所谓衬度，是指图像各部
位明暗的区别程度。透射
电镜图像的衬度主要包括 散射衬度、衍射衬度。
图28 PP/TiO2-g-PS纳米复合 材料的TEM图
48
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
（1）散射衬度原理： 样品各部位厚度或元素 组成不同，导致入射电 子的散射程度不同，使 各部位透射电子密度不 同，最终造成明暗差异 。该衬度原理适用于非
50
5.3.5 透射电镜图像的衬度原理
CrNi/TiC位错形貌
有序介孔氧化硅
图31 透射电镜衬度实例
51
5.4 透射电镜的结构组成
5.4.1 透射电镜的结构组成
电子照明系统
电子光学系统
真空系统 观察记录系统
观察记录系统
基本结构组成： 电子照明系统 电子光学系统 观察记录系统 真空系统 电源系统
43
5.3.3 透射电镜的分辨率
加速电压 /kV 20 30 50 100 电子波长/埃 0.0859 0.0698 0.0536 0.0370 根据（4）式可知： 电
子波波长与加速电压平
方根成反比，加速电压 越高，波长越短，分辨
率将越高。当加速电压
为100 kV，电子波波长 约为0.037埃， 根据半 波长理论，极限分辨率 可达0.20-0.30 nm。
在高温及电场的作用 下逸出自由电子，进 一步通过电场加速和
反射电子
磁透镜聚焦，使电子 二次电子
束获得高能量和小直 径，最终形成高能电
子束。
图23 利用电子枪形成高能电子束的过程
37
5.3.2 透射电镜的成像过程
由电子枪发射的自
点击链接观看动画
由电子经电场加速 、两级磁透镜聚焦
反射电子
后穿透样品，形成 透射电子束，经三 级磁透镜放大后最
H7650 120kV Automatic TEM
Resolution Accelerating Voltage Magnification
0.20nm (lattice) 0.36nm (particle)
40 to 120 kV ×200～60,0000
Auto-stigmator +/- 2um at x20,000
其中，f为透镜的焦距，p为物距，q为像距，V为加速电压，
NI为透镜线包的安匝数，R为线包的半径，A为结构常数。
46
5.3.4 透射电镜的放大倍率
依据（8）式可知： 磁透 镜的焦距f与励磁电流 I2 成反比，因此，当励磁电 流稍有改变即可使焦距大
幅度变化。透射电镜通过
调节物镜、中间镜及投影 镜的励磁电流，最终实现
避免样品表面被污染。
普通透射电镜需要真空度达1.33×（10-2～10-3）
Pa，高压透射电镜所需真空度要求更高。
59
5.4.1 透射电镜的结构组成
（5）各类电源系统
电子枪所需的高压电源系统；
磁透镜励磁电流所需的电源； 真空系统工作所需的电源；
安全保护系统所需的电源；
其他各类操作电源；
1mm， 厚度须足够薄，通 样 品 太 厚 透射电子束（弱） 常100-200nm为宜。 过厚
的样品将导致电子束无法
穿透样品。
68
5.5.1 样品的基本要求
挥发性物质 （2）避免含挥发性物质
样品内部必须充分去除挥