透射电子显微镜讲义TEM

成像系统
（成ab）像调由系整于统中物的间镜两镜成个基 的像本透在操镜中作电间是流镜将，以衍使前射中，花 间因样镜此或的中图物间像平镜投面以影与物到物镜荧 镜像光的为屏背物上焦，。面所重成合图，像 此在时投背影焦镜面前上汇形聚成， 的投衍影射镜斑以点中就间会镜被像 中为间物镜进进行一投步影放。大 ，并经过投影镜投 影到荧光屏上得到 衍射花样。
1. 钨灯丝—热发射
束流密度~10A/cm2 束斑大小~4nm
2. 场发射源
束流密度105A/cm2 束斑大小< 1nm 常用肖特基源
（2）阳极
加速从阴极发射出的电子。
为了操作安全，一般是阳极接地， 阴极带有负高压。 -50~200kV
（3）控制极
会聚电子束；控制电子束电流大小，调节 像的亮度。
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。
为什么采用电子束而不用自然光？
✓ 显微镜的分辨率 ✓ 自然光与电子束的波长 ✓ 有效放大倍数
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
阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数 目及其动能，习惯通称为“电子枪”。
电子枪的重要性仅次于物镜。决定像的亮 度、图像稳定度和穿透样品的能力。
(4) 聚光镜
由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作 用，电子束穿过阳极后，逐渐变粗，射到 试样上仍然过大。
聚光镜有增强电子束密度和再次将发散的 电子会聚起来的作用。
d 0.61 , NA nsin
NA
为孔径角的一半N， A数值孔径， n为折射率，为波长
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
对d于 0.61,N Ansi n
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
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。
多为磁透镜，调节其电流，控制照明亮度、 照明孔径角和束斑大小。
(4)聚光镜
高性能TEM采用双 聚光镜系统，提高 照明效果。
成像系统
照明系统
成像系统 观察记录系统
（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。
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
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：
M re , M为显微镜放大倍数 r0
透射电子显微镜TEM
精品
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，
（3）投影镜
投影镜的功能是把中间镜形成的二次像及衍射 谱放大到荧光屏上，成为试样最终放大图像及 衍射谱。
它和物镜一样是短焦距强磁透镜。但是对投影 镜精度的要求不像物镜那么严格，因为它只是 把物镜形成的像做第三次放大。
具有很大的场深和焦深.
场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴 可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距 离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。
为什么采用电子束做为光源?
结论：
由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透射 电子显微镜的放大倍率远大于普通光学显微 镜；一般来说，光学显微镜的最大放大倍率 在2000倍左右，而透射电子显微镜的放大 倍率可达百万倍。
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。
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 0.2（ mm） 光学显微镜分辨2率 00n（m）
透射电镜的有效放大倍数
人眼的分辨率 0.2（ mm） 透射电子显微镜分（辨 0.1率 nm）
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。
（2）中间镜
中间镜是弱磁透镜，它的功能是把物镜形成 的一次中间像或衍射谱投射到投影镜物面上， 再由投射镜放大到终平面（荧光屏）。
弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。
在电镜中变倍率的中间镜控制总放大倍率， 用M表示放大倍率，它等于成像系统各透镜放 大率的乘积，即：
MM 0M IM P
需要提及的一点是： 增加中间镜的数量，可以增加放大倍数；但当达到显微镜有效放大倍数 时，再增加中间镜的数量已是徒劳的；因为此时显微镜所能提供的分辨 率已经达到极限，纵使继续放大，也无法分辨出更紧密的两点。
分析型透射电子显微镜
透射电子显微镜结构原理
电子光学系统 真空系统 操作控制系统
电子光学系统
照明系统
成像系统 观察记录系统
照明系统
作用是提供光源 阴极 （控制其稳定度、 控制极 照明强度和照明 阳极 孔径角）；选择 照明方式（明场 电子束 或暗场成像）。
聚光镜ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
试样
（1）阴极
电子源：