透射电镜基础知识
电子显微镜-TEM
目录
一、电子显微镜简介
二、基础知识 三、透射电镜原理和结构 四、透射电镜的成像原理
一、电子显微镜简介
电子显微镜是利用电子束对样品放大成像的一种显微镜，包括扫
描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透射电镜 (Transmission Electron Microscopy，TEM）两大类型，其分辨率 最高达到0.01nm，放大倍率 高达1500 000倍，借助这种 显微镜我们能直接观察到物 质的超微结构。
二、基础知识
基础知识
三、透射电镜原理和结构
3.1 透射电镜的基本原理
透射电子显微镜（Transmission electron microscope，缩写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，影像将在放大、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。 具有一定能量的电子束与样 品发生作用，产生反映样品 微区厚度、平均原子序数、 晶体结构或位向差别的多种 信息。
将上式展成级数，并略去二级及其以后的各项，得：
02 2t 2 01 1t1 G NA M M 2 1
将 t 称为质量厚度。
透射电镜的成像原理
4.2.3.质厚衬度表达式
对于大多数复型来说，因其是用同一种材料做的，上式可写为
N A 0 t2 t1 G M
1、把畸变晶体看成是局部倒易点阵矢量、或局部晶面 间距发生变化：g g g
2、把畸变晶体看成是完整晶体的晶胞位置矢量发生变
透射电镜基础知识
维修 价格/操作性
热电子发射
场发射
W
约5×105 50 μm
LaB6
热阴极FEG
ZrO/W(100) W(100)
冷阴极FEG
W(310)
约5×106 约5×108
约5×108
约5×108
10 μm
0.1~1 μm 10~100 nm 10~100 nm
2.3
1.5
0.6~0.8
0.6~0.8
0.3~0.5
电子显微学
电子显微学是一门探索电子与固态物质 结构相互作用的科学。
人眼睛的分辨率~0.2 mm，电镜的空间 分辨率~1 Å
JEOL JEM 2100F的点分辨率为2.3 Å
凝聚态物理、半导体电子技术、材料学、 纳米科学、化学、生物及地质
电子显微学在材料科学中的贡献
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。(衍衬像)
电镜象
纳米碳管结构模型
电学性能、铁电性能与微结构的关系
VB CB
A 铁电超晶格结构 （Pan X Q） B 半导体超晶格结构与电子能带调制(A. K.
Gutakovskii, 2000 Nobel Prize for Physics)
电子枪(Electron gun) 镜筒(sample stage)
中间镜和投影镜 Intermediate and
projector lens
荧光屏 phosphor screen
照明系统 illumination system
样品台区域 Stage area
成像系统 Imaging system
JEM-2100F不同成像模式的光路图
第一聚光镜
第二聚光镜 会聚小透镜
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(TEM)讲义
05
TEM操作与注意事项
操作步骤与技巧
01
02
03
04
准备样品
选择适当的样品，进行适当的 处理和固定，以确保观察效果 最佳。
调整仪器参数
根据观察需求，调整透射电镜 的加速电压、放大倍数等参数 ，以达到最佳观察效果。
操作步骤
按照仪器操作手册的步骤进行 操作，包括安装样品、调整焦 距、观察记录等。
技巧
定量分析方法
颗粒统计
对图像中颗粒的数量、大 小和分布进行统计，计算 颗粒的平均尺寸和粒度分 布。
电子衍射分析
利用电子衍射技术分析晶 体结构和相组成，确定晶 格常数和晶面间距。
能谱分析
通过能谱仪测定图像中各 点的元素组成和相对含量， 进行定性和定量分析。
04
TEM图像解析实例
晶体结构分析
利用高分辨的TEM图像，可以观察到晶体内部的原 子排列和晶体结构，如面心立方、体心立方或六方 密排结构等。
掌握操作技巧，如正确使用操 作杆、合理利用观察窗口等， 以提高观察效果和效率。
仪器维护与保养
定期清洁
定期对透射电镜进行清 洁，保持仪器内部和外
部的清洁度。
检查部件
更换消耗品
定期检查透射电镜的部 件，如电子枪、镜筒等，
确保其正常工作。
根据需要，及时更换透射 电镜的消耗品，如真空泵
油、电子枪灯丝等。
保养计划
在操作透射电镜时，应严格遵守操作规程， 确保仪器和人身安全。
THANK YOU
感谢聆听
80%
观察模式
根据观察目的选择不同的观察模 式，如明场、暗场、相位对比和 微分干涉等。
图像解析与解读
01
02
03
6.透射电镜
实验目的
1. 听取电子显微镜的有关介绍，了解电子显微镜的基础知识。
2. 观察生物电镜样品，在电镜下识别、掌握细胞器的亚显微
结构。 3.了解超薄切片的制备及观察。实验内容透来自电镜的基本结构 透射电镜的成像原理
透射电镜的使用方法
超薄切片的制备与观察
一、透射电镜的基本结构
电子光学系统
8.超薄切片: 能否切出没有刀痕,没有震颤,厚薄均匀,平整无皱折的切片 是超薄切片中的中心环节,这取决于切片机的性能,切片刀的质量 包埋块的软硬以及操作者的经验与耐心. (1) 制备支持膜 (2) 包埋块的修整 (3) 刀的制作 (4) 切片 (5) 收集切片 9.切片的染色: 超薄切片的染色，目的是提高生物样品的反差.一般用重金属 盐（醋酸双氧铀和柠檬酸铅）进行染色. 10.透射电镜样品的观察: 为能独立分析电镜图像和照片的资料,应掌握以下要领: (1)正确使用放大率 (2)对组织和细胞的初步鉴定
五、超薄切片的制备与观察
1.取材: 快 准 轻 小 . 2.固定: 0-4℃,戊二醛－锇酸双重固定 (用缓冲液配制). 固定的目的在于使离体组织细胞尽量保持原有的形态结构. 3.漂洗: 用同系列缓冲液,避免残留固定液在其后固定或脱水中还原生成 组织内电子不透明沉淀物. 4.染色: 加强反差,醋酸双氧铀酒精溶液,30-60分钟. 5.脱水: 用脱水剂置换样品中的游离水, 常用酒精或丙酮. 6.浸透: 使包埋剂逐步浸入细胞内,取代脱水剂 ,环氧丙烷/包埋剂. 7.包埋: 纯包埋剂,将浸透好的样品块放在胶囊或模具中,注入包埋剂包埋, 经37℃过夜,45℃12小时,60℃48小时, 加温聚合,即成包埋块。 去胶囊,保存于干躁器中.
图4 光镜和透射电镜结构的比较
透射电镜的原理与演示ppt培训讲义
扫描电镜
光镜、透射电镜及扫描电镜的成像光路图解
四、扫描电镜的结构与成像原理
1. 扫描电镜的基本结构
扫描电镜
电子枪 电磁透镜 电子光学系统 扫描线圈 样品室 信号的收集处理及显示系统 真空系统 供电保护系统等
电子枪 (1~10KV)
显示系统(显象管)
电磁透镜 真空系统
扫描线圈
信号的收集处理系统 样品室
成像原理：
高压电子枪 高速电子束
电磁透镜
样品
电子束发生投射
荧光屏 电能转变成光能
浓淡不同的图像 图像各处浓淡的不同真实反映
了样品不同部位的物质结构
透射电镜照片演示
微管蛋白的免疫荧光照片
透 图像各处浓淡的不同真实反映了样品中不同部位的物质结构 射 电 镜 照 片 演 示
一个植物细胞的透射电镜照片
供电 保护 系统
电磁 透镜
电磁 透镜
电子枪灯丝
电子光学系统
Байду номын сангаас
扫描线圈的 束偏转器
显象管
样品 样品托
探测器 扫描电镜的结构简图
2. 扫描电镜的成像原理
电子枪
电子束 荧光点的亮度 扫描线圈
样品表面上相应点 所发出的次级电子数
电磁透镜 次级电子信号
样品表面
探测器
接 受、 转变成光子
放 大、
光电倍增管 转换成电压信号
以提高真空度
➢降低温度可防止电子的热漂移
样品室
样品放置室
冷阱
液氮罐 金属导杆
铜网 样品
物镜
成像与放大装置 中间镜I
中间镜II 投影镜
放大50倍 放大3倍 放大15倍 放大200倍
500,000倍
透射电镜
透射电镜的基本功能有：获取高分辨率、高放大
倍率的电子图像，可直接观察矿物的晶体形态、晶格象、 晶体缺陷、显微双晶和出溶作用等现象；进行电子衍射操 作（常用于选区电子衍射）可确定晶体的对称性，计算晶 胞参数，鉴定物相，测定晶体取向等；配以成分分析附件， 可以进行微区成分分析。
现代透射电镜大多包括：扫描透射电子显微系统、
像）。
位相衬度
位相衬度是由于透射 电子与衍射电子在离开试 样后发生干涉产生的衬度。 透射电子行程L，衍射 电子的行程（L2+d2)1/2， 当二者的光程差为λ 的整 数倍时产生干涉。
(3) 超薄切片法
高分子材料用超薄切片机可获得50nm左右的薄 样品。如果要用透射电镜研究大块聚合物样品的内 部结构，可采用此法制样。 用此法制备聚合物试样时的缺点是将切好的超 薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服 这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻； 或将样品包埋在一种可以固化的介质中。 选择不同的配方来调节介质的硬度，使之与样 品的硬度相匹配。经包埋后再切片，就不会在切削 过程中使超微结构发生变形。
动的全部路径上必须保持高度的真空，以防止电子与空气分 子相碰而改变电子运动方向，防止放电(电离空气分子现象) 和灯丝氧化等。因此，整个镜体，包括照相室，都密封在真 空系统中。一般要求其真空度不低于10-4毫米水银柱，真空 度则依据机械泵和扩散泵的工作来获得。通常在试样室和镜 筒主体间设有可动的隔离装置，以便在更换试样时，只需局 部破坏真空，这样，就可大大提高工作效率。
透射电镜与光学显微镜的原理对比
透射电镜的成像放大原 理与普通光学显微镜极为相 似。不同之处在于电子显微 镜用电子枪发射的电子束作 照明源，用电磁透镜取代玻 璃透镜进行聚焦、成像和放 大。由于电子束与可见光有 一系列本质上的差别，因此， 无论在仪器结构上，还是在 功能和性能方面都明显地不 同于光学显微镜。
透射电镜
透射电子显微镜锁定透射电镜一般指透射电子显微镜本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。
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，电子束的波长要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的分辨力可达0.2nm。
中文名透射电子显微镜外文名Transmission Electron Microscope简称TEM发明人物E.Ruska1简介▪大型透射电镜▪低压透射电镜▪冷冻电镜2历史▪分辨率改进▪进一步研究3背景知识▪电子▪电子源▪电子光学设备▪成像设备4结构原理5成像方式▪对比度信息▪亮场▪衍射对比度▪电子能量损失▪相衬技术▪衍射模式6TEM成像原理7TEM系统组件8照明系统▪电子枪（electronic gun）▪聚光镜（condonser lens）9成像系统▪样品室（specimen room ）▪物镜（object lens）▪中间镜和投影镜10观察记录▪观察室▪照相室▪阴极射线管（CRT）显示器11真空系统▪机械泵（旋转泵）▪油扩散泵12调校系统▪消像散器▪束取向调整器及合轴▪光阑13操作步骤14样品制备15应用1简介电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。
这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。
电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。
电镜的基础知识与原理
电镜基础知识与原理1、电子束照射到样品上，电子与物质作用： 使电子改变运动方向，称为散射；电子只改变运动方向，不改变能量，称为弹性散射； 既改变运动方向，又改变能量，称为非弹性散射。
2、透射电子显微镜（TEM ）的磁透镜包括：长磁透镜、短磁透镜、极靴透镜长磁透镜：像的每一点都与磁力线平行，M=1，没有放大作用，焦距长；短磁透镜：a 、短磁透镜为会聚透镜；b 、透镜光焦度1/f 与(IN)2成正比；c 、焦距 f 与加速电压U （即电子速度）有关，电子速度越大，焦距越长。
3、理想成象的条件：a 、场分布严格轴对称；b 、满足傍轴条件； c 、电子初速度相等。
4、景深与焦深：景深(Df )：试样在物平面沿轴前后移动而不使分辨率下降的距离（2∆L ），即物的空间距离。
焦深(DL )象平面沿轴前后移动而不使成象分辨率降低的距离（2∆LM2），即象的空间距离，M5、电镜的象差中球差、畸变、像散称为几何像差，倍率色差和旋转色差称为色差。
球差系数Cs 恒大于零，透镜强度越大，Cs 越小。
球差与分辨率的关系： Cs ——球差系数，α0——孔径角。
tga 0 <<1 畸变：当电子束不满足傍轴条件时，主要在中间镜和投影镜发生畸变。
像散：由于极靴加工精度的影响，使得磁场非对称，导致像在一个方向加长，另一个方向变短。
解决办法：加消像散器色差：由电子束能量宽度决定，包括倍率色差和旋转色差。
6、透射电镜成像的三个要素：分辨率（分辨能力）、衬度、放大倍数（1）分辨率（分辨能力）：能分清两个点的中心距离的最小尺寸。
a 、人眼分辨能力：约b 、光学显微镜的分辨率δ——分辨率；λ——可见光波长； n sin α——透镜孔径值c 、电子显微镜的分辨率：BCs B ——常数，一般在0.43 ~ 0.65之间。
A 、TEM 分辨率的影响因素：δ=BCs ¼λ¾B ——常数，Cs ——球差系数球差、光波波长决定了TEM 的分辨率，提高电子束的加速电压，减小电子束的波长，降低球差、色差对分辨率的影响；同时影响其分辨率的因素还有：灯丝的形状：双聚光镜的第一聚光镜要求为强透镜，而第二聚光镜为弱透镜。
透射电镜基础理论必备知识
10、 选区电子衍射：进行电子衍射分析时，往往对样品的某一微小区域的单晶 电子衍射感兴趣。通过选区，可以直接获得该微区的倒易点阵截面。
11、 选区电子衍射的操作步骤： z 调整中间镜电流使选区光阑边缘的像在荧光屏上非常清晰，这就使中 间镜的物面与选区光阑的平面像重； z 调整物镜电流试样在荧光屏上呈现清晰像，这就使物镜的像平面与选 区光阑及中间镜的物面相重； z 抽出物镜光阑，减弱中间镜（用于衍射的）电流，使其物面与物镜后
hU + kV + lW = N 高阶劳埃带的特征：
导致高阶劳埃带形成的主要因素 z 电子波长——劳埃球半径 Ê z 样品厚度——倒易杆拉长 Ê z 晶格常数——沿电子束方向的倒易周期 Ê z 样品取向的影响 高阶高埃带的意义： z 给出了晶体结构第三维(沿电子束方向) 的信息 z 估计倒易面的间距——通过高阶劳埃带的直径 z 估计样品的厚度——通过高阶劳埃带的宽度 z 估计入射电子束的偏离角度——通过透射斑与劳埃带中心的偏离 z 菊池电子衍射也包含了高阶劳埃衍射的信息 z 会聚束电子衍射技术的发展，使高阶劳埃电子衍射对晶体的结构和取向
则 D0＝AB 称为焦深。
14、 景深：设像面调焦于 I 点，于 I 点前、后的 A、B 之间面内的像均清楚， 则 Df＝AB 称为景深。
15、 衬度：样品的下表面出射波的强度分布，即像的衬度。（明场像，暗场像）。 衬度有质厚衬度（与原子有关），相位衬度（透射束，衍射束相互干涉）， Z 衬度和衍射衬度。
透射电镜(TEM)讲义
• rS 14Cs3
C s：球差系数
• 球差是像差影响电磁透镜分辨 率的主要因素，它还不能象光 学透镜那样通过凸透镜、凹透 镜的组合设计来补偿或矫正。
• 球差系数越大，由球差决定的分
为了确保透射电镜的分辨 本领，物镜的孔径半角必须 很小，即采用小孔径角成像。 一般是在物镜的背焦平面上 放一称为物镜光阑的小孔径 的光阑来达到这个目的。由 于物镜放大倍数较大，其物 平面接近焦点，若物镜光阑 的直径为D，则物镜孔径半 角α
α = D/2f
小孔径角成像意味着只
允许样品散射角小于α的散
• 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜 的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法 来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的 影响; 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还 没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜 分辨本领的限制就不容忽略了。
n = eZ / rnU
或
rn = eZ/ nU
电子电荷 原子序数 电子加速电压
而相应的一个孤立原子核的散射截面为
n =πrn2=πe2Z2 / n2U2
散射截面的大小
当一个电子与一个孤立的核外电子作用时，也发生
类似的偏转，散射角由下式决定：
e = e / reU
或
re = e / e U
从而相应的一个核外电子的散射截面为
GNA M 0t2t1
即衬度G取决于质量厚度ρt，这就是所谓质量 厚度衬度(简称质厚衬度)的来源。实际上，这 里G仅与厚度有关，即
Gt
透射电镜(TEM)
⑥其它斑点确定.利用矢量相加法则,
R1 R2 R3
H1 H2 H3
K1 K 2 K3 L1 L2 L3
⑦根据晶带轴定律,确定零层倒易截面法线
方向. uvw 任选两晶面(HKL)1、(HKL)2
u K1L2 K 2 L1 v H 2 L1 H1L2 w H1K 2 H 2 K1
§透射电镜的显微成像
M M 物M中M 投影 物镜 中间镜 投影镜
衬度光阑 物镜焦平面
选区光阑 物镜像平面 中间镜物平面
◆衍衬成像
晶体试样各部分满足布拉 格反射条件不同和结构振幅的 差异。
衍衬成像----明、暗场像
明场像（BF）——上述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。
gHKL (HKL)
g HKL
1 d HKL
倒易基矢和正空间基矢之间的关系
*晶带定律与零层倒易界面
在正点阵中同时平行于某一晶向的一组晶面构 成一个晶带，这一晶向称为这一晶带的晶轴。
如果电子束沿晶轴方向入射，通过原点O*的倒 易平面只有一个，被称为零层倒易面，用（uvw） *表示。
0
g·r=0晶带定律
此外，散射强度高导致电子透射能力有限， 要求试样薄，这就使试样制备工作较X射 线复杂；在精度方面也远比X射线低。
◆电子衍射原理
◆ Bragg定律 ◆ 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法 ◆ 晶带定律与零层倒易界面 ◆ 结构因子 ◆ 偏离矢量与倒易点阵扩展 ◆ 电子衍射基本公式
*Bragg定律
选择反射 满足 2d sinq n ，2dHKL sinq ,这是发生 衍射的必要条件，但不是充分条件。
FH2KL反映各晶面衍射强度大小, 将 FH2KL
透射电镜
1 1 1 a b f
1.3 理想成像
1.3.1 过聚焦
1.3 理想成像
1.3.2 欠聚焦
1.4 电镜的像差
1.4.1 球差
由于孔径角的影响，磁透镜对电子射线的折 射能力不同导致球差。如何改善？
1.4 电镜的像差
1.4.2 畸变
畸变是由远轴区折射率过强引起的，主要发 生在中间镜和投影镜。
肉眼分辨率为0.2mm 光学显微镜的分辨率约为2x10-4mm
光学显微镜的放大倍率 肉眼的分辨率 1000 光学显微镜的分辨率
电镜的放大倍率约为106数量级。
1.7 放大倍率和像的衬度
1.7.2 像的衬度
高的分辨率、适宜的放大率和衬度是电镜 高质量图像的三大要素。 衬度是电子与固体相互作用时，发生散射 造成的。按其产生的原理可分为三类：吸收衬 度、衍射衬度和位相衬度。
洛伦兹力
1.2 磁透镜聚焦原理
1.2.2 极靴透镜
为了缩短磁场在轴向的宽度，在带铁壳的磁透镜 内加极靴，得到强而集中的磁场。
1.3 理想成像
理想成像是从物面上一点向不同方向发出的电子 都会聚焦到像平面上一点；像与物是几何相似关系， 像与物之间是一个放大倍率M的比例关系。 理想成像的条件是：场分布严格轴对称；满足旁 轴条件。 在理想成像条件下，电镜中的物镜、中间镜、投 影镜均符合光学薄透镜成像公式：
2. 透射电镜的构造
电子枪
2. 透射电镜的构造
成像系统
物镜——将试样形成一次放大像和衍射谱； 中间镜——将物镜形成的一次放大像和衍射 谱投射到投影镜物面上； 投影镜——将中间镜形成的二次像和衍射 谱放大到荧光屏上。
透射电镜的基本功能
透射电镜的基本功能透射电镜是一种非常重要的电子显微镜，广泛应用于材料科学、生物学和化学等领域。
它可以通过控制电子束的路径和能量，产生高分辨率的影像，从而帮助我们研究物质的微观结构和性质。
本文将介绍透射电镜的基本功能，包括成像、衍射和能谱分析等方面。
一、透射电镜的成像功能透射电镜的主要功能是成像，它可以产生高分辨率的样品图像，从而帮助我们观察和研究样品的微观结构和形态。
透射电镜的成像原理是利用电子束与样品相互作用的效应，通过收集和处理电子束的散射和透射信号，生成图像。
透射电镜的成像原理可以用透射电子显微镜的简化模型来说明。
透射电子显微镜由电子枪、透射样品和投影屏三部分组成。
电子枪产生高能的电子束，经过准直器和聚焦器的调节，使电子束聚焦到样品表面。
样品对电子束的散射和透射会产生不同的信号，这些信号通过投影屏被收集和记录。
透射电镜的成像分为两种模式：直接成像和倒置成像。
在直接成像模式下，样品图像与样品本身的方向一致。
在倒置成像模式下，样品图像与样品本身的方向相反。
这是因为在透射电镜中，电子束与样品的相互作用是非常复杂的，包括电子的散射、透射和吸收等过程，从而导致图像的倒置。
透射电镜的成像分辨率取决于电子束的能量和样品的性质。
一般来说，电子束的能量越高，成像分辨率越高。
但是，高能电子束也会引起样品的损伤和辐射损伤，因此需要适当调节电子束的能量和强度。
此外，样品的结构和厚度也会影响成像分辨率，因为电子束在样品中的传播和散射会受到样品的影响。
二、透射电镜的衍射功能透射电镜的衍射功能是指利用电子束与样品相互作用的效应，产生衍射信号，从而研究样品的晶体结构和晶格参数。
透射电镜的衍射原理与X射线衍射类似，都是利用波粒二象性和布拉格定律来解释。
透射电镜的衍射模式包括电子衍射和选区电子衍射两种。
其中，电子衍射是指在整个样品上均匀照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定样品的晶体结构和晶格参数。
选区电子衍射是指在样品上选定一个小区域，只在该区域内照射电子束，观察电子衍射的强度和位置，从而确定该区域的晶体结构和晶格参数。
简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜，广泛用于材料科学、生物学、化学等领域的研究中。
本文将简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
一、基本结构透射电镜的基本结构包括电子源、准直系统、样品舞台、成像系统和探测器等部分。
电子源：透射电镜使用的电子源通常是热阴极，其工作原理是通过加热使钨丝发射电子。
准直系统：准直系统主要包括透镜和光阑，其作用是将电子束聚焦并限制其直径。
样品舞台：样品舞台通常由两部分组成，一部分用于支撑样品，另一部分用于调节样品的位置和角度。
成像系统：成像系统由物镜和投影仪组成，其作用是将电子束通过样品后的信息转换为图像。
探测器：透射电镜使用的探测器通常是荧光屏或CCD相机，其作用是记录成像系统成像的图像。
二、操作步骤1. 准备样品：样品需要制备成薄片，并在样品舞台上固定好。
2. 调节准直系统：调节准直系统，使其能够将电子束聚焦并限制其直径。
3. 调节样品位置：调节样品位置和角度，使其能够被电子束扫描到。
4. 调节成像系统：调节成像系统，使其能够将电子束通过样品后的信息转换为图像。
5. 开始成像：通过探测器记录成像系统成像的图像。
6. 分析图像：对成像得到的图像进行分析和处理，得出所需的信息。
三、注意事项1. 样品制备：样品需要制备成薄片，厚度通常在几纳米到几百纳米之间。
2. 样品固定：样品需要被固定在样品舞台上，以避免样品在扫描过程中移动或晃动。
3. 准直系统调节：准直系统需要在使用前进行调节，以确保电子束能够被聚焦并限制其直径。
4. 调节样品位置：在调节样品位置和角度时，需要小心操作，以避免损坏样品或样品舞台。
5. 成像系统调节：成像系统需要在使用前进行调节，以确保能够将电子束通过样品后的信息转换为图像。
6. 安全操作：在使用透射电镜时，需要注意安全操作，避免电子束对人体产生伤害。
总之，透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜，其基本结构包括电子源、准直系统、样品舞台、成像系统和探测器等部分。
第十一章透射电镜
单壁纳米管
单壁纳米管的截面图
Sr 200
B
Counts 100 Cu Cu 0 0 2 4 6 Cu Sr
8 10 12 14 16 18 2 Energy / KeV
Fig 1.A TEM micrograph along with electron diffraction of typical SrCO3 nanowires prepared by exposing to air for 30 min and re-crystallized in water bath at 60℃ for 12 hours
Fig 2.C TEM for 60 min
颗粒为长圆形：定向生长 颗粒自组装形成的长串 ： 纳米线 电子衍射花样为不清晰的 亮环 ：非晶
纳米线已经形成 在受到电子束照射时 发生变形 电子衍射花样为规律 性的斑点
纳米线已经完全形成 在电子束照射下较为稳定 电子衍射花样：纳米线的 取向取向一致 晶体的C轴同纳米线的走向 一致
电子显微镜可以提供放大了的象，电子波长又非常短， 人们便自然地把电子显微镜视为弥补光学显微镜不足的 有利工具
8.1.4 电子透镜的缺陷 电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远 小于理论分辨距离 对电镜分辨本领起作用的是： 球差 象散 色差
1） 球 差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能 力不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉 害的多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个满散圆 斑。
8.1.6 电镜三要素 1）分辨率
r0 A C
3/ 4
1/ 4 s
式中：A——常数；——照明电子束波长；Cs——透镜球 差系数。
透射电子显微镜分析基础
透射电子显微镜分析基础透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)是一种高分辨率显微镜，用于观察和研究材料的超微结构。
它通过透射电子束穿透材料并在接收器上形成像，使得材料的原子尺度细节能够被精确观察。
下面是关于透射电子显微镜分析的基础知识。
1.TEM的工作原理透射电子显微镜基于电子在物质中的相互作用来实现成像。
电子束从电子枪中产生并且通过一系列透镜系统聚焦形成细致的聚焦点，然后穿过待观察的样品。
透过样品的电子束会发生散射、吸收和透射，其中透射的电子会被接收器捕获并形成图像。
2.TEM的分辨率3.透射电子显微镜的成像方式TEM有两种主要的成像方式：亮场和暗场成像。
亮场成像是通过选择透射的电子束来形成图像，适用于展示样品内部的形貌和微结构。
而暗场成像是通过选择散射的电子束来形成图像，适用于观察特殊缺陷或异质性结构。
4.透射电子显微镜的样品制备为了在TEM中观察样品，样品必须具备一定的条件。
首先，样品必须是非透明的，通常是以薄片的形式。
其次，样品必须具备足够的稳定性，以避免在电子束照射过程中发生损坏。
最后，样品表面需要进行特定的处理，以避免电荷积累或散射。
5.TEM的应用透射电子显微镜在多个领域有着广泛的应用，包括材料科学、纳米科技、生命科学等。
它可以用于观察和分析晶体的结构、薄膜的成分、纳米颗粒的形状等。
此外，TEM还可以用于研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质和DNA的高分辨率成像。
6.TEM的限制和挑战虽然透射电子显微镜提供了高分辨率的成像能力，但它仍然面临一些限制和挑战。
首先，样品制备对于薄片的制备和特殊标记的选择需要高度技术和经验的支持。
其次，电子束照射会导致样品的辐照损伤，因此图像的解释需要谨慎处理。
此外，TEM的设备本身非常昂贵，维护和操作也需要专业的技能。
总之，透射电子显微镜是一种重要的材料科学工具，它可以提供材料的超高分辨率成像，从而更好地理解材料的微观结构和性质。
透射电镜基本操作
测量样品尺寸和 形貌
计算样品密度和 孔隙率
测量透射电镜分 辨率
计算电子衍射谱 的晶格常数
清洁透射电镜镜筒：使用干燥的、 干净的布擦拭镜筒避免使用含有化 学物质的清洁剂。
保持稳定的温度和湿度：透射电镜需 要在稳定的温度和湿度环境下运行因 此需要定期检查并调整环境条件。
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透射电镜图像处理：对采集的图像进行增强、去噪等操作提高图像质量。 数据分析：对实验数据进行统计分析提取有意义的结果支持实验结论。 图像测量：使用测量工具测量图像中的长度、角度等参数进行定量分析。 图像标注：在图像上标注关键信息方便观察和理解。
图像增强技术： 通过调整亮度、 对比度等参数改 善图像质量突出 细节特征。
金属网的烘干：将 涂好膜的金属网在 恒温烘箱中烘干以 便进行后续观察。
染色：使用重金属盐对样品进行染色使其在电镜下可见。 干燥：将染色后的样品进行干燥处理以便在电镜观察时保持其结构。
开机步骤：先打开电源开关等待稳定后再打开镜筒开关
预热：开机后需要预热一段时间以便透射电镜达到最佳工作状态
注意事项：开机和预热过程中要保持室内通风良好避免有害气体对透射电镜和实验人 员造成危害
安全提示：操作透射电镜时要穿戴实验服和防护眼镜确保实验安全Βιβλιοθήκη 品选择：根据观察目的选择合适 的样品
孔径光阑：调节孔径光阑的大小控 制电子束流量
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加速电压：根据样品性质选择合适 的加速电压
物镜电流：根据观察效果选择合适 的物镜电流
观察步骤：选择合适的观察模式调整焦距和亮度观察样品并记录图像 注意事项：保持观察室清洁避免样品移动和失真及时记录观察结果 图像分析：对记录的图像进行对比度、亮度、分辨率等方面的分析 图像保存：将观察到的图像保存到计算机或云端以便后续处理和分析
透射电镜培训-1
2
真空和供电系统
⒈灯丝 ⒉栅极 ⒊阳 级 ⒋枪倾斜 ⒌ 枪平移 ⒍一级聚 光镜 ⒎二级聚光 镜 ⒏聚光镜光栏 ⒐光倾斜 ⒑光平 移 ⒒试样架 ⒓ 物镜 ⒔物镜光栏 ⒕选区光栏 ⒖中 间镜 ⒗投影镜 ⒘荧光屏
透射电镜的合轴与工作方式
操作之一(合轴) Ⅰ合轴的目的
合轴是一种操作,即通过机械和电参数的调整,使电子光学系 统中的电子枪,各组透镜,荧光屏的中心在同一轴线上. Ⅱ合轴的操作要领 ⒈查明各类不合轴现象 ⒉采取针对性的合轴操作
透射电镜成像原理及H-800操作
透射电镜的构造
1. 电子光学系统 照明系统
电子枪 双聚光镜: 第一级聚光镜是短焦距强磁透镜,以缩小后焦面上的光斑;第
二级聚光镜减少照明孔径角,以得到接近平行光轴的电子束,提高分 辨率
成像系统
物镜: 电镜的”心脏” 中间镜: 改变放大倍数;选择成像或衍射模式 投影镜: 接力放大图像;因孔径角小使景深大 , 焦深长 观察和照相系统
fcc
FCC(续)
3
①选用小尺寸光斑，用聚光镜钮 收缩光斑，用光平移将光斑移到 电子枪平移未合轴 荧光屏中心；②选用大尺寸光斑， 现象 用聚光镜钮收缩光斑，调枪平移 钮，使光斑再对中；③反复上述 操作，使两者同心变化为止。 光平移不对中现象 用光平移将光斑移到荧光屏中心
4 5
①开启电压中心调节钮，像开始 电压中心不对中现 抖动；②调正光倾斜钮，使抖动 象 中心移向荧光屏中心；③关闭电 压中心调节钮
序 号
不合轴的类型
合轴操作
1
电子枪倾斜未 合轴 2 聚光镜光栏不 对中
①集中光斑，灯丝欠饱和，显 示灯丝像；②调枪倾斜钮，使 灯丝像对称；③恢复灯丝电流 的饱和状态
透射电镜
叙述透射电镜的构造与成像原理1、透射电镜的构造透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。
电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。
下图是电镜电子光学系统的示意图和光学显微镜的示意图对比。
由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。
电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。
下图是电子光学系统的框架图。
1.1 照明系统照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。
为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。
1.1.1 电子枪电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。
热阴极电子枪的材料主要有钨丝(W)和六硼化镧(LaB6)而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射和Schottky场发射，Schottky场发射也归到热场发射。
场发射电子枪的材料必须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。
1.1.2 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、孔径半角和束斑大小。
一般电镜至少采用双聚光镜，对于较新的电镜，很多采用二聚光镜加一个mini聚光镜的模式；甚至有采用三聚光镜加一个mini聚光镜的情况。
1.2 成像系统成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜及物镜光阑和选区光阑组成。
它主要是将穿过试样的电子束在透镜后成像或成衍射花样，并经过物镜、中间镜和投影镜接力放大。
1.2.1 物镜物镜是TEM的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微像。
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用于材料结构表征电子显微方法
晶体结构的表征
1.电子衍射 • 透射电子衍射; • 反射电子衍射; • 会聚束电子衍射; • 微束电子衍射。
2. 电子显微像 振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像； （对中暗场像，弱束暗场像） 高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。
Hubble Space Telescope
• “哈勃”号太 空望远镜是 目前被送入 轨道的口径 最大的望远 镜。它全长 12.8米，镜筒 直径4.27米， 重11吨。
Robert Hooke (1635-1703) 是早期最著名的 显微学者，观察了植物和动物的微小细节， 如植物的细胞。
1874年德国人阿贝从波动光学的观点提出了 阿贝成像原理。
后现代阶段：无球差色差，单色电子源 21 世纪，与之相适应的电子显微学正在兴起
微观结构《》材料性能
表征内容 • 物相鉴定 • 晶体结构与缺陷 • 晶体对称性 • 组成元素及分布 • 原子排列 • 电子状态 • 磁畴结构,电畴结构 • 界面结构
分析方法 • 电子衍射 • 高分辨像，衍射衬度像 • Z-衬度像，能量过滤像 • 电子全息 • 电子能量损失谱， X 射
电镜象
纳米碳管结构模型
电学性能、铁电性能与微结构的关系
VB CB
A 铁电超晶格结构 （Pan X Q） B 半导体超晶格结构与电子能带调制(A. K.
Gutakovskii, 2000 Nobel Prize for Physics)
50－60年代, 英国剑桥大学 P. B. Hirsch等 （后来在牛津大学工作）建立了直接观察薄 晶体缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度 理论。
现代阶段：相位衬度 高分辨电子显微学 综合信息 分析电子显微学
70-80年代，美国亚利桑那州立大学J. M. Cowley等发展了高分辨电子显微像的理论 与技术；在这一时期，同时结合HRTEM， CBED，EELS, EDS对纳米尺度的区域进 行研究的分析电子显微学也发展起来。
• 1924年，法国人de Broglie 发表物质的波粒二 象性学说 。
• 1926年，Schroedinger及Heisenberg等发展量 子力学，建立电子的波粒二象性的理论基础。
• 1927年，美国 Davisson和Germer完成电子衍 射实验，证实了电子的波动性。
• 1934年,Ruska在实验室制作第一部透射电镜。
用于材料结构表征电子显微方法
材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
磁畴结构的表征 •洛伦次电子显微方法； •电子全息。
JEM 2100F的功能 1.电子衍射 （选区电子衍射；纳米束电
子衍射；会聚束电子衍射）
2.衍衬像 3.高分辨像 4.X-射线能谱
位错(dislocation)与材料的性质
2. 准晶的发现扩展了晶体的范畴。(电子衍射) 1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义： “晶体是指任何给出基本上有明确衍射图的固 体，而非周期性晶体是指无周期性的晶体”。
3. 纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。 (高分辨像)
电子显微学的发展简史
望远镜和显微镜是人们认识自然的重要工具
1609年，望远镜在荷兰诞生。 望远镜只能将物体放大三倍， 仅在聚会中充当玩具而已。 但是伽利略看到了望远镜的 其它用途，并着手对其加以 改进。到1610年，他所制造 的高倍望远镜已可以用于战 争。左图是伽利略使用过的 望远镜。
JEOL的双球差透射电镜
JEM-2200FS OL-CL Cs
Sub-Å era 分辨率：1 Å 束斑： 1 Å
电子与材料的相互作用
二次电子 Auger电子
入射电子 背散射电子 X-射线
阴极荧光
吸收电子
弹性散射电子 非弹性 透射电子 散射电子
电子显微学技术的发展
初级阶段：质厚衬度 形貌观察
经典阶段：衍射衬度 缺陷研究
出射波在exit (x, y) 傅里叶变换 a(kx , k y )
样品出射波在像平面重构成像
象平面
exit (x, y) 傅里叶变换
a(kx , ky ) exit (Mx, My)
二次傅里叶变换
• 1897年，英国人J.J. Thomson发现电子。
• 1912年，von Laue发现X光衍射现象，提出了 Laue公式（透射）；后经Bragg父子进一步发 展，提出Bragg公式（反射），奠定了X光衍射 和利用电子衍射测定晶体结构的基本方法。
• 1938 年，第一部商售电子显微镜问世。
• 20世纪后半世纪，电子显微镜有了长足的发展， 先后研制出高分辨型和分析型透射电镜，加速 电压高于1MV的超高压电镜。
• 1990年, Rose提出用六极校正器校正透镜像差 得到无像差电子光学系统的方法。后来在飞利 浦CM200ST场发射枪200kV透射电镜上增加了 这种六极校正器，研制成世界上第一台像差校 正电子显微镜。分辨率优于1Å。
现代透射电子显微镜
分析型电子显微镜 高分辨电子显微镜 像差色差校正电子显微镜 扫描透射电子显微镜 超高压透射电子显微镜 能量过滤电子显微镜 场发射枪电子显微镜
超高压透射电镜 JEM-ARM1250
1.25 MeV
分辨率: 1.2 Å
FEI的Titan 80-300 STEM电镜
Sub-Å era 分辨率：1 Å 束斑： 1 Å
电子显微学
电子显微学是一门探索电子与固态物质 结构相互作用的科学。
人眼睛的分辨率~0.2 mm，电镜的空间 分辨率~1 Å
JEOL JEM 2100F的点分辨率为2.3 Å
凝聚态物理、半导体电子技术、材料学、 纳米科学、化学、生物及地质
电子显微学在材料科学中的贡献
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。(衍衬像)
• 金属的强度一般 低于其原子键所 赋予的理论强度。
• Taylor提出位错 理论进行解释。 g=0-44
g=3-33
• 赫什（Hirsch） 用电镜从实验上 证明了位错的存 在。
g=004
g=4-22
纳米材料的结构表征
Somu Iijima(饭岛)于1991年在电子显微镜下发现 纳米碳管，Nature，354 (1991) 56.