透射电子显微镜原理

第二章透射电子显微镜

【教学内容】

1.透射电子显微镜的构造与成像原理

2.透射电镜图像的成像过程

3.透射电镜主要性能

4.表面复型技术

5.透射电镜观察内容

【重点掌握内容】

1.透射电子显微镜构造

2.表面复型技术

3.复型电子显微镜图像的分析。

【教学难点】

表面复型技术

2.1 透射电子显微镜的结构与成像原理

透射电子显微镜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。

There are four main components to a transmission electron microscope:

1.an electron optical column

2. a vacuum system

3.the necessary electronics (lens supplies for focusing and deflecting the beam and the high voltage generator

for the electron source)

4.software

电子光学系统（镜筒）（an electron optical column）是其核心，它的光路图与透射光学显微镜相似，如图所示，包括：照明系统，成像系统，观察记录系统。

图2-1 投射显微电镜构造原理和光路

2.1.1 照明系统

组成：由电子枪、聚光镜（1、2级）和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。

作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在20-30范围内倾斜。

1. 电子枪

电子枪是电镜的电子源。其作用是发射并加速电子，并会聚成交叉点。目前电子显微镜使用的电子源有两类：

热电子源——加热时产生电子，W丝，LaB6

场发射源——在强电场作用下产生电子，场发射电镜FE

热阴极电子源电子枪的结构如图2-2所示，形成自偏压回路，栅极和阴极之间存在数百伏的电位差。电子束在栅极和阳极间会聚为尺寸为d0的交叉点，通常为几十um。栅极的作用：限制和稳定电流。

图2-2 电子枪结构

2. 聚光镜

从电子枪发射出的电子束，束斑尺寸大，相干性差，平行度差，为此，需进一步会聚成近似平行的照明来，这个任务由聚光镜实现，通常有两级聚光镜来聚焦。如图2-3。

C1—为强磁透镜，

C2—弱磁透镜，长焦，小α。

●为了调整束斑大小还在C2聚光镜下装一个聚光镜光栏。通常经二级聚光后可获得N，um的电子

束斑。

●同时，为了减小像散，在C2下还要装一个消像散器，以校正磁场成轴对称性的。

●电子枪还可以倾斜2—30，以实现中心磁场成像。

图2-3 照明系统光路图

2.1.2 成像系统

由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成.

1）物镜：强励磁短焦透镜（f=1-3mm）,放大倍数100—300倍。

作用：形成第一幅放大像

2）物镜光栏：装在物镜背焦面，直径20—120um，无磁金属制成。

作用：a.提高像衬度，b.减小孔经角，从而减小像差。C.进行暗场成像

3）选区光栏：装在物镜像平面上，直径20-400um，

作用：对样品进行微区衍射分析。

4）中间镜：弱压短透镜，长焦，放大倍数可调节0—20倍

作用a.控制电镜总放大倍数。B.成像/衍射模式选择。

5）投影镜：短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜孔径角很小。

小孔径角有两个特点：

a.景深大，改变中间镜放大倍数，使总倍数变化大，也不影响图象清晰度。

b.焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。

注意：有些电镜还装有附加投影镜，用以自动校正磁转角。

2.1.3 观察记录系统

观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿光的荧光物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的聚集和观察。照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时间很短，一般只需几秒钟。新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装有自动曝光装置。现代电镜已开始装有电子数码照相装置，即CCD相机。

2.2 主要部件的结构与工作原理

2.2.1 样品平移与倾斜装置（样品台Specimen Holders ）

电镜样品小而薄，通常用外径3mm的样品铜网支持，网孔或方或园，约0.075mm，见图2-4。

图2-4 样品铜网放大像（a）方孔（b）圆孔

样品台的作用是承载样品，并使样品在物镜极靴孔内平移、倾斜、旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。平移是样品台的基本动作，平移最大值± 1mm。

倾斜装置用的最普遍的是“侧插”式倾斜装置，如图所示图2-5。

图2-5 “侧插”式倾斜装置

有的样品杆本身还带有使样品倾斜或原位旋转的装置。这些样品杆和倾斜样品台组合在一起成为侧插式双倾样品台和单倾旋转样品台。

目前，双倾台是最常用的，沿X和Y轴倾转± 450。

样品台的倾斜和旋转装置可以进行三维立体分析，测定晶体的位向、相变时的惯习面以及析出相的方位等。

Specimen Holders

▪Single tilt holder - For rapid general purpose use

▪Double tilt holder - Principle tilt angle up to 60°, second tilt angle up to 30°

▪Rotation holder - Maximum rotation up to 360°tilt up to 60°