第九章 透射电子显微镜

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透射电镜的主要部件---光阑
在透射电子显微镜中 有许多固定光阑和可 动光阑，它们的作用 主要是挡掉发散的电 子，保证电子束的相 干性和照射区域。其 中三种主要的可动光 阑是第二聚光镜光阑， 物镜光阑和选区光阑。 光阑都用无磁性的金 属（铂、钼等）制造。
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（一）第二聚光镜光阑
四个一组的光阑孔被安装在一个光阑杆的 支架上，使用时，通过光阑杆的分档机构 按需要依次插入，使光阑孔中心位于电子 束的轴线上（光阑中心和主焦点重合）。
像平面
像平面：样品的放大像。
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成像操作与衍射操作
如果把中间镜的物平面和物 镜的像平面重合，则在荧光 屏上得到一幅放大像，这就 是电子显微镜中的成像操作， 如右图（a）所示。
如果把中间镜的物平面和物 镜的背焦面重合，则在荧光 屏上得到一幅电子衍射花样， 这就是电子显微镜中的电子 衍射操作，如右图（b）所示。
透射电镜的主要部件---样品台
样品台的作用是承载 样品，并使样品能作 平移、倾斜、旋转， 以选择感兴趣的样品 区域或位向进行观察 分析。透射电镜的样 品是放置在物镜的上 下极靴之间，由于这 里的空间很小，所以 透射电镜的样品也很 小，通常是直径3mm 的薄片。
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样品台与试样
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§ 9-2 主要部件的结构与工作原理
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分析透射电子显微镜 JEM200CX
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分析透射电子显微镜JEM2010
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分析型透射电子显微镜
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超高压电 镜
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TEM发展简史
1924年de Broglie提出波粒二象性假说 1926 Busch指出“具有轴对称性的磁场对电子束
起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”。 1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid 进行
三极管的沟道边界的高分辨环形探测器（ADF）图像及能量损失谱
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
5万倍
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则微孔
孔径: 6.2 Å
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
规则介孔
孔径: 7-8 nm
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统 照明系统主要组成：
电子枪+平移对中、 倾斜调节装置+聚光 镜
照明系统的作用：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。
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
一、照明系统 灯丝
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
GaP纳米线的形貌及其衍射花样
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为什么要用TEM?
2）高的图像分辨率。
r0
0.61 n sin
不同加速电压下电子束的波长
V(kV) 100 200 300 1000
(Å) 0.0370 0.0251 0.0197 0.0087
纳米金刚石的高分辨图像
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为什么要用TEM?
3）获得立体丰富的信息。
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对这个微区进行衍射分析叫做选区衍射。 由于样品上待分析的微区很小，一般是微米数量级。
制作这样大小的光阑孔在技术上还有一定的困难，加 之小光阑孔极易污染，因此，选区光阑都放在物镜的 像平面位置。这样布置达到的效果与光阑放在样品平 面处是完全一样的。 这样光阑孔的直径就可以做的比较大。如果物镜的放 大倍数是50倍，则一个直径等于50μm的光阑就可 以选择样品上直径为1μm的区域。
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各国代表人物
美国伯克莱加州大学G.Thomas将TEM第一 个用到材料研究上。
日本岗山大学H. Hashimoto日本电镜研究 的代表人。
中国：钱临照、郭可信、李方华、叶恒强、 朱静。
国内电镜做得好的有：北京电镜室（物理 所）、沈阳金属所、清华大学。
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为什么要用TEM?
1）可以实现微区物相分析。
成像系统中的物镜是显微镜的核心，它的分 辨率就是显微镜的分辨率。成像系统可以实 现两种成像操作：一种是将物镜的像放大成 像，即成像操作，可用于试样形貌观察；另 一种是将物镜背焦面的衍射花样放大成像， 即衍射操作，可用于电子衍射分析。
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总结
如果中间镜的像平面出现一定的位移，这个 位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因 此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
（四）成像与衍射操作：背焦面
背焦面：样品的电子衍射斑点。
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
（四）成像与衍射操作：像平面
像平面
成像系统
（一）物镜 物镜作用：成像系统的第一级
放大透镜，形成第一幅高分辨 率电子显微图像和电子衍射花 样。 物镜特点：强激磁、短焦距 （1-3mm），高放大倍数， 高分辨率。
物镜决定透射电子显微镜分辨 本领
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物镜是一个强激磁短焦距的透镜，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。
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（一）物镜
提高物镜分辨率的措施：
1. 物镜的分辨率主要取决于极靴的形状和加工精 度。一般来说，极靴的内孔和上下极之间的距 离越小，物镜的分辨率越高。
2. 在物镜的后焦面上安放一个物镜光阑。物镜光 阑不仅具有减少球差，像散和色差的作用，而 且可以提高图像的衬度。
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光学透镜的焦距是固定的。电磁透镜的焦距是可以 通过调节电流大小来改变。
内容回顾：电子光学基础
光学显微镜的分辨率 极限（200nm) 原因？ 受可见光波长限制 电子波 比可见光短十万倍 光学透镜、电磁透镜的成像原理 电磁透镜的像差与分辨本领 电磁透镜的景深和焦长
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第九章 透射电子显 微镜
透射电镜结构与工作原理
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
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，是观察分析材料 的形貌、组织和结构的有效工具。
在用透射电子显微镜进行图像分析时，物镜和样品 之间和距离固定不变的，（即物距L1不变）。因此 改变物理学电镜放大倍数进行成像时，主要是改变 物镜的焦距和像距（即f 和 L2）来满足成像条件。
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（二）中间镜
作用：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。
特点：弱激磁，长焦距，可变 倍透镜，放大倍数0-20倍。
了电子衍射实验。 1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电
镜（点分辨率50nm, 比光学显微镜高4倍)，Ruska 为此获得了Nobel Prize（1986）。 1949年Heidenreich观察了用电解减薄的铝试样；
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近代TEM发展史上三个重要阶段
像衍理论(50－60年代)： 英国牛津大学材料系 P.B.Hirsch, M.J.Whelan；英国剑桥
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聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。在双聚 光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位 置。光阑孔的直径为20～400μm。作一般分 析观察时，聚光镜的光阑孔径可用200～ 300μm，若作微束分析时，则应采用小孔径光 阑。
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（二）物镜光阑
物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被放 在物镜的后焦面上。
一、样品平移与倾斜装置（样品台）
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§ 9-2 主要部件的结构与工作原理
二、电子束倾斜与平移装置
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透射电镜的主要部件---消像
散器
消像散器可以是机械式的， 可以是电磁式的。机械式 的是在电磁透镜的磁场周 围放置几块位置可以调节 的导磁体，用它们来吸引 一部分磁场，把固有的椭 圆形磁场校正成接近旋转 对称的磁场。电磁式的是 通过电磁极间的吸引和排 斥来校正椭圆形磁场。
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（三）投影镜
投影镜的作用是把经 中间镜放大（或缩小） 的像（电子衍射花样） 进一步放大，并投影到 荧光屏上
它和物镜一样，是一个 短焦距的强磁透镜。投 影镜的激磁电流是固定 的。
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成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约105rad）,因此它的景深和焦长都非常大。即使 显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会 影响图像的清晰度。
减小像差，
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物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套 取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是 所谓暗场像。利用明暗场显微照片的对照分 析，可以方便地进行物相鉴定和缺陷分析。
透射束成像 衍射束成像
明场像 暗场像
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（三）选区光阑
选区光阑又称场限光阑或视场光阑。
为了分析样品上的一个微小区域，应该在样品 上放一个光阑，使电子束只能通过光阑限定的 微区。
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§ 9-1 透射电子显微镜的结构和成像机理
三、观察记录系统
观察和记录装置包括荧光屏和照相机构， 在荧光屏下面放置一下可以自动换片的 照相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起， 电子束即可使照相底片曝光。由于透射 电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和 底片之间有数十厘米的间距，仍能得到 清晰的图像
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§ 9-2 主要部件的结构与工作原理
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选区光阑同样是用无磁性金属材料制成的， 一般选区光阑孔的直径位于20～400μm范围 之间，它可制成大小不同的四孔一组或六孔 一组的光阑片，由光阑支架分档推入镜筒。
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不同类型的光阑
由光阑直径为0.5mm所 产生的可见光衍射强 度和Airy衍射斑
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总结
透射电子显微镜电子光学系统的主要组成部 分是照明系统、成像系统和观察记录系统。