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第25章 透射电子显微镜
透射电子显微技术自20世纪30年代诞生以来，经过数十年的发展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学研究中物质微观结构观察、测试十分重要的手段。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，电子显微镜把人眼睛的分辨能力从大约0.2 mm 拓展至亚原子量级（<0.1nm)，大大增强了人们观察世界的能力。尤其是近20多年来，随着科学技术发展进入纳米科技时代，纳米材料研究的快速发展又赋予这一电子显微技术以极大的生命力，可以这样说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的研究；没有电子显微镜，开展现代科学技术研究是不可想象的。目前，它的发展已与其他学科的发展息息相关，密切联系在一起。
25.1 基本原理
透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的（图25-1），所不同的是光学显微镜以可见光做光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。在光学显微镜中，将可见光聚焦成像的是玻璃透镜；在电子显微镜中，相应的电子聚焦功能是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的相互作用。
理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率d ，受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径N A 的限制：
2sin 2A d n N λ
λ
α=≈ （25-1）
在20世纪初，科学家就已发现理论上使用电子可以突破可见光的光波波长限制（波长范围400~700nm ）。由于电子具有波粒二象性，而电子的波动特性则意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能推导出。由于在TEM 中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正：
e λ≈ （25-2）
式中，h 表示普朗克常数；m 0表示电子的静质量；E 是加速电子的能量；c 为光速。电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
在真空系统中，由电子枪发射出的电子经加速后，通过磁透镜照射在样品上。透过样品的电子被电子透镜放大成像。成像原理是复杂的，可发生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多种效应，使得在相平面形成衬度（即明暗对比），从而显示出透射、衍射、高分辨等图像。对于非晶样品而言，形成的是质厚衬度像，当入射电子透过此类样品时，成像效果与样品的厚度或密度有关，即电子碰到的原子数量越多，或样品的原子序数越大，均可使入射电子与原子核产生较强的排斥作用——电子散射，使面通过物镜光阑参与成像的电子强度降低，衬度像变淡。另外，对于晶体样品而言，由于入射电子波长极短，与物质作用满足布拉格（Bragg ）方程，产生衍射现象，在衍射衬度模式中，像平面上图像的衬度来源于两个方面，一是质量、厚度因素，二是衍射因素；在晶体样品超薄的情况下（如10nm 左右），可使透射电子显微镜具有高分辨成像的功能，可用于材料结构的精细分析，
此时获得的图像为相位衬度，它来自样品上不同区域透过去的电子（包括散射电子）的相位差异。
图25-1 光学显微镜与透射电子显微镜成像原理的比较
25.2 透射电子显微镜的基本结构及工作原理
透射电子显微镜的结构包括主机和辅助系统两大部分，主体部分（图25-2）包含电子源、照明系统、成像系统和观察记录系统等；辅助系统包含真空系统（机械泵、离子泵等），电路系统（变压器、调整控制），水冷系统等。以下主要介绍主体部分。
25.2.1 电子枪
透射电子显微镜中产生电子的装置叫电子枪，电子枪的研发与应用大致经历了三个阶段：钨灯丝、六硼化镧单晶和场发射电子枪，它们所产生电子束的质量越来越好，其亮度分别比普通钨灯丝亮几十倍和上万倍，而且单色性好，尤为适合于高级透射电子显微镜。电子枪分为热阴极型和场发射型两类，热阴极电子枪的材料主要有钨丝和六硼化镧(LaB6)，而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射两个分支。电子枪的功能是产生高速电子，以热阴级电子枪为例（图25-3、图25-4），它由处于负高压（或称加速电压）的阴极、栅极（电位比灯丝还要负几百到几千伏，数值可调）和处于0电位的阳极组成，加热灯丝发射电子束，并在阳极加电压使电子加速，经加速而具有高能量的电子从阳极板的孔中射出，电子束能量与加速电压有关，栅极则起到控制电子束形状的作用。另外，如果在某些金属的表面施加强电场，金属表面可向外逸出电子，依照此原理可制成场发射电子枪，它没有栅极，但由阴极和两个阳极构成，第一个阳极主要使电子发射，第二个阳极使电子加速
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和会聚。根据加速电压的数值，由电子枪发射出来的电子，在阳极加速电压（生物样品多采用80~100kV ，金属、陶瓷等多采用120kV 、200kV 、300kV ，超高压电镜则高达1000~3000kV ）的作用下，经过聚光镜（2~3个电磁透镜）汇聚为电子束照射到样品上。据此可以理解，由于电子的穿透能力很弱（比X 射线弱得多），进行透射电子显微镜检测的样品必须很薄，其厚度与样品成分、加速电压等有关，一般范围在100nm 左右（甚至更低）。此外，整个主机系统必须保持在理想的真空状态，真空系统通常由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成，它的作用是抽出镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10~5托及以下，目前最好的真空度可以达到10-10托左右。如果真空度不理想的话，可产生多种副作用，如电子与空气中气体分子之间的碰撞可引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，从而影响电子枪的寿命，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。
图25-2 透射电子显微镜基本构造（1电子枪；2加速管；3阳极室隔离阀；4第一聚光镜；5第二聚光镜；6聚光后处理装置；7聚光镜光阑；8测角台；9样品杆；10物镜；11选区光阑；12中间镜；13投影镜；14投影镜；15光学显微镜；16小荧光屏；17大荧光屏）
图25-3 热阴级电子枪的基本构造
图25-4 热阴级电子枪的灯丝
25.2.2 照明系统
电子枪发射出的电子束有一定的发散角，经后续调节后，可得到发散角很小的平行电子束。可通过调节会聚镜的电流改变电子束的电流密度(亦称束流)。在透射电子显微镜的观测过程中，需要亮度高、相干性好的照明电子束。因此，电子枪发射出来的电子束还要用两个电磁透镜进一步会聚，以提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束。图25-5为照明系统光路图，一般都采用双聚光系统。该系统的功能是为下一级成像系统提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑，其中聚光镜用于汇聚电子枪射出的电子束，以求最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径半角和束斑大小。在图25-5中，第一聚光镜常采用短焦距强励磁透镜，它的作用是将从电子枪得到的光斑尽量缩小；第二聚光镜为长焦距弱透镜，它的功能是将第一聚光镜得到的光源会聚到试样上，该透镜通常可对光源起到放大作用。
图25-5 照明系统光路图
25.2.3 放大、成像系统
成像系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光阑、衍射光阑、投射镜以及其他电子光学部件。它的主要功能是，由于穿过样品的电子携带了样品本身的结构信息，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，最终以图像或衍射像的形式显示于荧光屏上。样品室有一套机关设置，以保证样品经常更换时不破坏主机的真空。实验操作时，样品可在X轴、Y轴二维方向移动，以便找到所要观察的位置。
图25-6为成像系统示意图，物镜是主机中最关键的部分，这是因为透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。它的功能是将来自样品不同部位、传播方向相同和相位相同的弹性散射电
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子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。实际上，物镜的任务就是形成第一幅电子像或衍射像，完成物到像的转换并加以放大，要求像差尽可能小而又要有较高的放大倍数（100~20倍）。顺便提及，目前新一代透射电子显微镜的特点是主要大幅度改善了球差矫正参数，但此类设备使用还不普及，在常见的透射电子显微镜中，物镜光阑可以挡掉大角度散射的非弹性电子，使色差和球差减少，在提高衬度的同时还可以得到样品的更多信息，在选择后焦面上的晶体样品衍射束成像后，可获得明、暗场像。另外，作为弱激磁长焦距可变率透镜，中间镜可放大1~20倍，它的作用是控制透射电镜总的放大倍数，把上方物镜形成的一次中间像或衍射像投射到投影镜的物平面上，而投影镜则是一种短焦距强磁透镜，它可把经过中间镜形成的二次中间像或衍射像投影到荧光屏上，最终形成放大的电子像或衍射像。
（a）衍射模式（b）放大模式
图25-6 成像系统光路图
25.2.4 观察室和照相室（记录系统）
在观察、记录系统中，为方便前期观察，高性能透射电子显微镜除了荧光屏外，还配有用于聚焦的小荧光屏和放大5~10倍的光学放大镜。荧光屏的分辨率为50~70μm，因此在观察细微结构时要有足够高的放大率，以使荧光屏能分辨并为人眼所能见。例如，如需要观察0.5nm的颗粒就需要10万倍的电子光学放大，再加10倍的光学放大即可。
25.3 透射电子显微镜在科学研究中的应用
最后还将谈一谈利用透射电子显微镜在科学研究中所能解决的主要问题。
25.3.1 材料的常规观测及高分辨成像
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（a）（b）
图25-7 纳米材料透射电子显微镜观察结果示例
图25-7中两张图片为纳米材料透射电子显微镜的检测结果，从中可以看出，它们是平面投影图像，不同于富有立体感的扫描电子显微镜图像。其中，图25-7（a）中的纳米粒子为球形（严格地说为准球形），颗粒尺寸大小较为均一，分散性很好；图25-7（b）中的纳米材料为棒形，颗粒尺寸大小较为均一，分散性较好。纳米粒子的粒径分布统计是纳米材料研究中常遇到的问题，尽管现在已有多种分析测试纳米材料粒径分布的方法，如小角X射线散射等，但可信度最高的当属依托透射电子显微镜技术的统计方法。
（a）晶体结构（b）自组装结构
图25-8 材料的高分辨透射电子显微镜观察结果示例
图25-8为材料的高分辨透射电子显微镜观察结果，其中图25-8（a）是晶体材料的高分辨图像，从中可清楚地看见晶格条纹，并可得到晶面间距d值。至于晶面归属的判断，给出处理方法是：先利用高分辨透射电子显微镜图像中的条纹线距离和多晶面时的相关取向，估算出该条纹线对应的晶面，然后再用相同样品的XRD检测结果进行矫正，对于大多数晶体物质而言，都有XRD检测出的标准数据，如d值等，可信度高。图25-8（b）也给出了有序的条纹结构，但此时层间距和层的
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厚度均明显大于图25-8（a）中的结果，故图25-8（b）显示的已不是晶体结构，而是所谓的自组装结构，它是纳米材料研究中的热点问题。
25.3.2 电子衍射花样及其形成原理
再来了解电子衍射问题，在透射电子显微镜中，来自聚光镜的电子束打到样品上，与样品发生相互作用，当样品薄到一定程度时，电子就可以透过样品。可将透过去的电子分成两类，一类是继续按照原来方向运动的电子，能量几乎没有改变，称之为直进电子；另一类是运动方向偏离原来方向的电子，称之为散射电子。就散射电子而言，如果电子的能量有比较大的改变，我们称之为非弹性散射电子；有的电子能量几乎没有改变，可称之为弹性散射电子。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图像，称之为夫琅禾费衍射花样。图25-9对常见电子衍射花样进行了归纳：如果被电子束照射的样品区域是一块单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围其它离散分布、强弱不等的衍射斑，斑点呈规律性分布；如果被电子束照射的样品区域包括许多单晶，则衍射花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈同心圆亮环；如果被电子束照射的样品区域是非晶，则衍射花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的弥散光晕。至于为什么会形成这些花样的原因，可从样品对入射电子的散射来解释：
对于晶体样品，由于原子、离子、分子等基本质点排列的周期性，不同质点同一方向上的散射波之间存在固定的相位差，在一些方向上相位差为2π的整数倍，根据波的叠加理论，在这些方向上的散射波会发生加强干涉，称之为衍射。如图25-9（a）所示，在相同方向上的衍射波在物镜后焦面上形成一个亮斑，可称之为衍射斑，显然，直进的电子形成处于中央位置的透射斑，而整个后焦面的图像称之为电子衍射花样，至于哪些方向上会出现衍射波，这可由布拉格公式决定。由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，可根据所记录下的衍射花样，对晶体结构（单晶）进行分析，即对图25-9（a）中主要衍射斑点进行衍射指标的标注，完成这项工作需要较多的知识积累，常用的方法有：查书，通过比对一些专著中列出的标准数据，标出结果；严格推理，这是最为严谨的推断方法，尤其适合未知晶体结构的测定，此方法的使用是建立在对晶体衍射学系统学习基础之上的（图25-10）；其他简易的标注方法。
对于多晶样品，构成多晶的每一个单晶形成自己的衍射花样，由于每一个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射环（图25-9（b））。利用这些衍射环的有关数据，也可以对多晶样品进行结构分析，基本公式为：
Rd=λL =K （25-3）式中R为衍射斑或衍射环与透射斑（电子衍射图案圆心）之间的距离；d为晶面间距；L为电子衍射的相机长度；λ为入射电子束的波长。由于L和λ一般都为固定值，两者的乘积K为常数，称为相机常数。
当样品为非晶时，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越来越弱（图25-9（c））。
总之，在操作透射电子显微镜时，只要把它的工作方式切换到衍射模式，则可以在荧光屏上观察到在物镜后焦面上形成的衍射花样，也可以用底片或CCD相机拍摄下来。利用上述样品的X射线衍射性能，加上电子衍射花样，可以对材料中的精细结构进行深入研究，包括晶界、位错、层错、孪晶、相界、反相畴界、析出相、取向关系等。
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(a)单晶结构 (b)多晶结构
(c)非晶结构
图25-9 材料电子衍射观察结果
图25-10（a ）电子衍射图像形成的原理示意图（b ）晶带正空间与倒空间对应关系图
25.4 实 验
25.4.1 透射电子显微镜用于无机纳米材料的检测
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1. 实验目的及要求
1）认知透射电子显微镜的基本原理，了解有关仪器的主要结构；
2）学习利用此项电子显微技术观察、分析物质结构的方法，主要包括：常规成像、高分辨成像、电子衍射和能谱分析等；
3）重点帮助学生掌握纳米材料等的微观形貌和结构测试结果的判读，主要包括：材料的尺寸、大小均匀性、分散性、几何形状，以及材料的晶体结构和生长取向等。
2. 实验仪器、设备名称及其主要性能参数
图25-11 JEM-2100型透射电子显微镜
目前国内外使用的透射电子显微镜主要来自欧洲和日本厂商，图25-11为日本电子（JEOL ）JEM-2100型透射电子显微镜，主要性能参数如下：
1）电子枪： LaB 6（六硼化镧）；
2）点分辨率：0.21 nm ；线分辨率：0.19 nm ；
3）加速电压： 80, 100, 120, 160, 200 kV （主要使用电压为200 kV ）；
4）束斑尺寸：0.5-25 nm ；
5）放大倍数（高倍）：2000-1,500,000；放大倍数（低倍）：50-6,000；
6）倾斜角：±30o。
3. 实验辅助设备、仪器、装置
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图25-12 透射电子显微镜工作系统模式图
透射电子显微镜的辅助设备分为3个部分：①、主机运行支撑部分；②、数据记录和测试附加功能；③、样品预处理。图25-12中标有中文的部分为前两个部分，辅助系统除了前面已经介绍的真空系统（机械泵、离子泵等），电路系统（变压器、调整控制）外，透射电子显微镜中的多个部位还需要冷却水循环系统。另外，传统的测试结果（图像）记录装置为照相机，使用这一技术时对曝光和相片冲洗均有一定要求，操作较为繁琐，近些年来，基于电—光—电转换技术的CCD(Charge Coupled Device)数码专用相机已得到越来越普及的应用，大大提高了测试效率。透射电子显微镜中常配有元素分析仪器，如EDS （亦称EDX ，energy dispersive spectroscopy of X-rays ）和WDS(亦称WDX ，wave dispersive spectroscopy of X-rays)，这些相似于扫描电子显微镜中的元素分析装置。透射电子显微镜中还可配有名为能量损失谱EELS （Electron energy loss spectroscopy ）的元素分析仪器，它通过分析以非弹性散射作用透过样品的电子能量变化，从而判定样品的成分，它还可给出元素的电子层状态等信息。对于一般透射电子显微镜，EDS 的能量分辨率较低，约为150 eV ，但EDS 可以得到较大能量范围（0～20 keV ）的特征X 射线谱；EELS 的能量分辨率较高，约为1eV ，电子能量损失范围在0～2 keV 。扫描透射电子显微镜STEM （Scanning transmission electron microscope ）是指在透射电子显微镜中配有的扫描附件，它综合了扫描和普通透射电子分析的原理和功能，尤其适用于采用场发射电子枪作电子源的透射电子显微镜。
透射电子显微镜的制样（样品预处理）是相关测试中的一个重要环节，对于常见的粉末样品，选择合适的分散剂将样品超声分散制成胶体或悬浊液后，滴加至专用铜网（见图25-13）上，铜网附有担载膜，晾干后待测。
图25-13 常用铜网的样式
但是，对于非超细粉末样品，如较大块状高分子、陶瓷和金属等材料，由于它们的高厚度，是无法直接进行检测的。因此，必须进行试样的超薄化预处理，主要方法包括切片、离子减薄等，图25-14为一款常用离子减薄设备，它的工作原理是：利用氩离子束将试样“削”薄（图25-15（c ）），之前还需将原始试样进行切割、研磨（图25-15（a ））、凹坑（图25-15（b ））等处理。
图25-14 Gatan 691 PIPS型精密氩离子减薄仪
图25-15离子减薄的前期处理：（a），（b）；基本原理：（c）
4. 实验步骤
1）样品制备
（1）将纳米金属氧化物粉末（如TiO2）0.01g加入到5 mL乙醇中，摇匀并置于超声清洗器中，超声处理5～10 min，形成具有较好分散性的胶体或悬浊液；
（2）用移液器吸取一滴上述液体样品滴加到涂覆有碳支持膜的铜网上，晾干备用。
2）样品电镜观察
整个操作过程由多个步骤组成，分别在计算机的操作界面上和手动面板上完成。
（1）先检查仪表和计算机屏幕显示的真空情况，要求主机镜筒内压小于2×10-5Pa。
（2）启动高压HT按钮，加高压：120→180 kV，时间为10 min，等待3 min后，再进行180→200 kV的升压过程，时间为10min。
（3）升压过程中，可将铜网小心装上样品杆（如图25-16所示），插入样品杆前检查主机工作参数显示屏上的相关参数条件，插入样品杆预抽真空，等待绿灯亮后10min，完全插入样品杆，再过2min后加灯丝电流。
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图25-16 样品杆的主要结构
（4）试样观察分析：①、小心移动试样台，观察分析试样；②、选择合适的放大倍数、样品坐标和光亮度；③、聚焦、CCD拍照；④、保存照片。
（5）电子衍射的观察，可选择选区衍射模式，即使用选区光阑。
（6）试样观察完毕后，将放大倍数设定在40k，束流聚焦在荧光屏中心，关掉灯丝电流，复位试样台坐标轴(X, Y, Z)至“0”，然后小心拉出样品杆。务必注意：每次更换样品时，切记进行“归零操作”。
（7）实验完毕后，先退下高压至120 kV(200 kV→120 kV，时间控制为5 min)，然后关掉高压。
（8）如实填写实验记录。
（9）离开实验室前，搞好卫生，检查空调和除湿机的运转情况。
5. 实验数据处理
将CCD相机获取的照片（.DM3格式）转化为.JPG或.TIFF格式，用光盘导出。
利用照片上标出的比例尺等信息分析纳米金属氧化物的形貌、粒径和分散性；分析高分辨图像中晶面间距的归属；分析电子衍射结果。写出实验报告。
6. 实验注意事项
由于透射电子显微镜属于高电压、高真空大型精密仪器，学生在使用前须经严格的培训或老师的现场指导，注意事项如下：
1）勿擅自操纵、修理仪器。
2）不仅要预习实验内容，还要注重理论知识的学习和补充。
3）实验开始时，一定要先确认真空系统状态以及真空度。
4）样品杆有多种类型，常见的有单倾、双倾（更适合做高分辨取向性观察）等。将铜网固定至样品杆上时，固定螺丝不可拧得过紧，为防止铜网脱落，可用右手握住样品杆，左手轻拍右手数次。
5）将样品杆装入主机时一定要小心，注意动作的协调性和连贯性，以免损坏样品、样品杆、样品台或导致体系真空度降低（漏气）。
6）开机升高压时，要注意暗电流的变化：
在计算机的操作界面上，点击HT按钮，暗电流(亦称束电流)最终升至61uA左右；
设定高压为120 kV；
升压120kV→160kV，暗电流最终升至83uA左右；
升压160kV→180kV，暗电流最终升至93uA左右；
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升压180kV→200kV，暗电流最终升至105uA左右。
7）发射电子束（出亮）
插入样品杆，等离子泵的真空度回到原来的水平后，可有FILAMENT READY的提示，此时点击灯丝加热按钮，等电子束发射稳定后，可在荧光屏上形成绿色光斑，使用LOW MAG模式对样品进行初步观察，随后进一步放大观察。
8）CCD相机的使用及维护
用标准样品（一般为纳米金）进行比例尺标定；
CCD相机不仅能方便拍照，它附带的多种软件功能还可进行所得图像分析，尤其适用于高分辨、电子衍射等测试结果的分析；
为使其中的光学器件避免受到损伤，使用CCD相机观察样品时强度要选择适中，观测后及时关闭面板，实验室尽量保持暗室条件。
7. 实验报告及要求
1）本实验课前应预习实验讲义和教材，掌握实验原理等必需知识。
2）根据教师给定实验样品，设计出实验方案，包括选择样品制备方法、仪器条件参数等。
3）实验报告内容包括：实验原理，实验方案步骤(包括样品制备、仪器简介、实验参数选择、测试、数据处理等)，选择定性分析方法，物相鉴定结果分析等。
4）结果分析应包括要包括：所检测样品的品质（材料的尺寸、大小均匀性、分散性、几何形状），以及材料的晶体结构和生长取向等。
8. 思考题
1）TEM仪器的主要构造由哪几个部分构成？
2）在科学研究中，TEM主要能解决什么问题？
3）TEM中的电子聚焦为什么不能用玻璃透镜？
4）根据图25-7（a）中所示TEM图像，计算对应的粒径分布。
5）为什么高分子样品的TEM图像常常忖度差异不大？
6）铜网附有的担载膜具有什么特点？
7）TEM检测粉末样品时，采用超声分散法将样品负载至铜网上，能否采用可溶解样品的分散剂？
8）TEM常见的附属仪器有哪些？其主要功能是什么？
参考文献
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Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 236(1204): 119．
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1、电子波有何特征？与可见光有何异同？ 答:电子波得波长较短,轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。其波长取决于电子运动得速度与质量,电子波得波长要比可见光小5个数量级。两者都就是波,具有波粒二象性,波得大小、产生方式、聚焦方式等不同。 2、分析电磁透镜对波得聚焦原理,说明电磁透镜得结构对聚焦能力得影响。 答:原理:通电线圈产生一种轴对称不均匀分布得磁场,磁力线围绕导线呈环状。磁力线上任一点得磁感应强度B可以分解成平行于透镜主轴得分量Bz与垂直于透镜主轴得分量Br。速度为V得平行电子束进入透镜磁场时在A点处受到Br分量得作用,由右手法则,电子所受得切向力Ft得方向如下图;Ft使电子获得一个切向速度Vt,Vt与Bz分量叉乘,形成了另一个向透镜主轴靠近得径向力Fr,使电子向主轴偏转。当电子穿过线圈到达B点位置时,Br得方向改变了180度,Ft随之反向,但就是只就是减小而不改变方向,因此,穿过线圈得电子任然趋向于主轴方向靠近。结果电子作圆锥螺旋曲线近轴运动。当一束平行与主轴得入射电子束通过投射电镜时将会聚焦在轴线上一点,这就就是电磁透镜电子波得聚焦对原理。
电磁透镜得结构对电磁场有很大得影响。上图为一种实际常用得带有铁壳以及极靴得电磁透镜示意图。 1）电磁透镜中为了增强磁感应强度,通常将线圈置于一个由软磁材料(纯铁或低碳钢)制成得具有内环形间隙得壳子里,此时线圈得磁力线都集中在壳内,磁感应强度得以加强。狭缝得间隙越小,磁场强度越强,对电子得折射能力越大。 2）增加极靴后得磁线圈内得磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米得范围内,显著提高了其聚焦能力。 3、电磁透镜得像差就是怎样产生得,如何来消除或减小像差？ 答:电磁透镜得像差可以分为两类:几何像差与色差。几何像差就是因为投射磁场几何形状上得缺陷造成得,色差就是由于电子波得波长或能量发生一定幅度得改变而造成得。几何像差主要指球差与像散。球差就是由于电磁透镜得中心区域与边缘区域对电子得折射能力不符合预定得规律造成得,像散就是由透镜磁场得非旋转对称引起得。 消除或减小得方法: 球差:减小孔径半角或缩小焦距均可减小球差,尤其小孔径半角可使球差明显减小。 像散:引入一个强度与方向都可以调节得矫正磁场即消像散器予以补偿。 色差:采用稳定加速电压得方法有效地较小色差。 4、说明影响光学显微镜与电磁透镜分辨率得关键因素就是什么？如何提高电磁透镜得分辨率？ 答:光学显微镜得分辨本领取决于照明光源得波长。 电磁透镜得分辨率由衍射效应与球面像差来决定,球差就是限制电磁透镜分辨本领得主要因素。 若只考虑衍射效应,在照明光源与介质一定得条件下,孔径角α越大,透镜得分辨本领越
透射电子显微镜的原理及应用 一．前言 人的眼睛只能分辨1/60度视角的物体，相当于在明视距离下能分辨0.1mm 的目标。光学显微镜通过透镜将视角扩大，提高了分辨极限，可达到2000A 。。光学显微镜做为材料研究和检验的常用工具，发挥了重大作用。但是随着材料科学的发展，人们对于显微镜分析技术的要求不断提高，观察的对象也越来越细。如要求分表几十埃或更小尺寸的分子或原子。一般光学显微镜，通过扩大视角可提高的放大倍数不是无止境的。阿贝（Abbe ）证明了显微镜的分辨极限取决于光源波长的大小。在一定波长条件下，超越了这个极限度，在继续放大将是徒劳的，得到的像是模糊不清的。 图1-1（a ）表示了两个点光源O 、P 经过会聚透镜L ，在平面上形成像O ，、P ，的光路。实际上当点光源透射会聚成像时，由于衍射效应的作用在像平面并不能得到像点。图1-1（b ）所示，在像面上形成了一个中央亮斑及周围明暗相间圆环所组成的埃利斑（Airy ）。图中表示了像平面上光强度的分布。约84%的强度集中在中央亮斑上。其余则由内向外顺次递减，分散在第一、第二……亮环上。一般将第一暗环半径定义为埃利斑的半径。如果将两个光源O 、P 靠拢，相应的两个埃利斑也逐渐重叠。当斑中心O ，、P ，间距等于案例版半径时，刚好能分辨出是两个斑，此时的光点距离d 称为分辨本领，可表示如下： α λs in 61.0d n = （1-1） 式中，λ为光的波长，n 为折射系数，α孔径半角。上式表明分辨的最小距离与波长成正比。在光学显微镜的可见光的波长条件下，最大限度只能分辨2000A 。。于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。后来的X
电子背散射衍射：当入射电子束在晶体样品中产生散射时，在晶体内向空间所有方向发射散射电子波。如果这些散射电子波河晶体中某一晶面之间恰好符合布拉格衍射条件将发生衍射，这就是电子背散射衍射。 二、简答 1、透射电镜主要由几大系统构成各系统之间关系如何 答：三大系统:电子光学系统,真空系统,供电系统。 其中电子光学系统是其核心。其他系统为辅助系统。 2、照明系统的作用是什么它应满足什么要求 答：照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。它的作用是提供一束亮度高、照明孔经角小、平行度好、束流稳定的照明源。它应满足明场和暗场成像需求。 3、成像系统的主要构成及其特点、作用是什么 答：主要由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜和投影镜组成. 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。 焦深长，放宽对荧光屏和底片平面严格位置要求。 4、分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜（像平面与物平面）之间的相对位置关系，并 画出光路图。 答：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，如图（a）所示。如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，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，如图（b）所示。
第九章透射电子显微镜 一、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本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它与光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图1（书上图9-1）所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。 图1 透射显微镜构造原理和光路 （a）透射电子显微镜b）透射光学显微镜） （1、照明源2、阳极3、光阑4、聚光镜5、样品6、物镜7、物镜光阑 8、选区光阑9、中间镜10、投影镜11、荧光屏或照相底片） （一）照明系统 照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗
场成像需要、照明束可在2°～3°范围内倾斜。电子枪是电镜的照明源，必须有很高的亮度，高分辨率要求电子枪的高压要高度稳定，以减小色差的影响。 1、电子枪 电子枪是透射电子显微镜的电子源，是发射电子的照明源。常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图2（书上图9-2）所示。（发射电子的阴极灯丝通常用0.03～0.1mm的钨丝，做成“V”形。电子枪的第二个电极是栅极，它可以控制电子束形状和发射强度。故有称为控制极。第三个极是阳极，它使阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。阳极又称加速极，一般电镜的加速电压在35～300kV之间。为了安全，使阳极接地，而阴极处于负的加速电位。由于热阴极发射电子的电流密度随阴极温度变化而波动，阴极电压不稳定会影响加速电压的稳定度。为了稳定电子束电流，减小电压的波动，在电镜中采用自偏压电子枪。） 图a为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。图b中反映了阴极、栅极和阳极之间的等位面分布情况。因为栅极比阴极电位值更负，所以可以用栅极来控制阴极的发射电子有效区域。当阴极流向阳极的电子数量加大时，在偏压电阻两端的电位值增加，使栅极电位比阴极进一步变负，由此可以减小灯丝有效发射区域的面积，束流随之减小。若束流因某种原因而减小时，偏压电阻两端的电压随之下降，致使栅极和阴极之间的电位接近。此时，栅极排斥阴极发射电子的能力减小，束流又可望上升。因此，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。由于栅极的电位比阴极负，所以自阴极端点引出的等位面在空间呈弯曲状。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会汇集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。 从图A中看出，自偏压是由束流本身产生的，自偏压U b将正比于束流I b即：U b＝RI b。这样如果增加，会导致偏压增加，从而抵消束流的增加，这是偏压电阻引起负反馈的结果。它起着限制和稳定束流的作用。改变偏压电阻的大小可以控制电子枪的发身，当电阻R值增大时，控制极上的负电位增高，因此控制极排斥电子返回阴极的作用加强。在实际操作中，一般是给定一个偏压电阻后，加大灯丝电流，提高阴极温度，使束流增加。开始束流随阴极温度升高而迅速上升，然后逐渐减慢，在阴极温度达到某一数值时，束流不再随灯丝温度或灯丝电流变化而变化。此值称为束流饱和点，它是由给定偏压电子负反馈作用来决定的。在这以后再加大灯丝电流，束流不再增加，只能使灯丝温度升高，缩短灯丝寿命。另一种使束流饱和的方法是固定阴极发射温度，即选定一个灯丝电流值，然后加大偏压电阻，增大负偏压，使束流达到饱和点。当阴极温度比较高时，达到束流饱和所需要的偏压电阻要小些，当偏压电阻较大时，达到饱和所需要的阴极温度要低些。两者合理匹配使灯丝达到
透射电子显微镜的结构、原理和衍衬成像观察实验报告 一、实验目的 1、了解透射电子显微电镜的基本结构； 2、熟悉透射电子显微镜的成像原理； 3、了解基本操作步骤。
二、实验内容 1、了解透射电子显微镜的结构； 2、了解电子显微镜面板上各个按钮的位置与作用； 3、无试样时检测像散，如存在则进行消像散处理； 4、加装试样，分别进行衍射操作、成像操作，观察衍射花样和图像； 5、进行明场、暗场和中心暗场操作，分别观察明场像、暗场像和中心暗场像。 三、实验设备和器材 JEM-2100F型TEM透射电子 显微镜 四、实验原理 （一）、透射电镜的基本结构 透射电镜主要由电子光学系统、电源控制系统和真空系统三大部分组成，其中电子光学系统为电镜的核心部分，它包括照明系统、成像系统和观察记录系统组成。 （1）照明系统 照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。
电子枪就是产生稳定的电子束流的装置，电子枪发射电子形成照明光源，根据产生电子束的原理的不同，可分为热发射型和场发射型两种。 图1 热发射电子枪图2 场发射电子枪 聚光镜是将电子枪发射的电子会聚成亮度高、相干性好、束流稳定的电子束照射样品。电镜一般都采用双聚光镜系统。 图3 双聚光镜的原理图 （2）成像系统 成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。 物镜是成像系统中第一个电磁透镜，强励磁短焦距（f=1~3mm），放大倍数Mo一般为100～300倍，分辨率高的可达0.1nm左右。物镜的质量好坏直接影响到整过系统的成像质量。物镜未能分辨的结构细节，中间镜和投影镜同样不能分辨，它们只是将物镜的成像进一步放大而已。提高物镜分辨率是提高整个系统成像质量的关键。
透射电子显微镜的原理 XXX （大庆师范学院物理与电气信息工程学院2008级物理学200801071293黑龙江大庆163712） 摘要：透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜类似。它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格(Bragg)方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。 关键词：第一聚光镜；第二聚光镜；聚光镜阑；物镜光阑；选择区光阑；中间镜 作者简介：XXX（1988-），黑龙江省绥化市绥棱县，物理与电气信息工程学院学生。 0引言： 工业多相催化剂是极其复杂的物理化学体系。长期以来,工业催化剂的制备很大程度上依赖于经验和技艺,而难以从原子分子水平的科学原理方面给出令人信服的形成机制。为开发更高活性、选择性和稳定性的新型工业催化剂,通过各种表征技术对催化剂制备中的过程产物及最终产品进行表征是一个关键性的基础工作。在当前各种现代表征手段中,透射电子显微镜尤其是高分辨透射电子显微镜,可以在材料的纳米、微米区域进行物相的形貌观察、成分测定和结构分析,可以提供与多相催化的本质有关的大量信息,指导新型工业催化剂的开发。 为什么透射电子显微镜有如此高的分辨率那？本文阐述了透射电子显微镜的工作原理。 1透射电子显微镜的定义/组成 1.1定义 在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束， 穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光 屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一 类最常见的电子显微镜称为透射电子显微镜。[1] 1.2组成 透射电子显微镜由照明系统、成像系统、记录 系统、真空系统和电器系统组成。（如图1） 2透射电子显微镜的照明系统 照明系统的作用是提供亮度高、相干性好、束 流稳定的照明电子束。它主要由发射并使电子加速 的电子枪和会聚电子束的聚光镜组成。图1透射电子显微镜结
1、电子波有何特征与可见光有何异同 答：电子波的波长较短，轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。其波长取决于电子运动的速度和质量，电子波的波长要比可见光小5个数量级。两者都是波，具有波粒二象性，波的大小、产生方式、聚焦方式等不同。 2、分析电磁透镜对波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。 答：原理：通电线圈产生一种轴对称不均匀分布的磁场，磁力线围绕导线呈环状。磁力线上任一点的磁感应强度B可以分解成平行于透镜主轴的分量Bz和垂直于透镜主轴的分量Br。速度为V的平行电子束进入透镜磁场时在A点处受到Br分量的作用，由右手法则，电子所受的切向力Ft的方向如下图；Ft使电子获得一个切向速度Vt，Vt与Bz分量叉乘，形成了另一个向透镜主轴靠近的径向力Fr，使电子向主轴偏转。当电子穿过线圈到达B点位置时，Br的方向改变了180度，Ft随之反向，但是只是减小而不改变方向，因此，穿过线圈的电子任然趋向于主轴方向靠近。结果电子作圆锥螺旋曲线近轴运动。当一束平行与主轴的入射电子束通过投射电镜时将会聚焦在轴线上一点，这就是电磁透镜电子波的聚焦对原理。
电磁透镜的结构对电磁场有很大的影响。上图为一种实际常用的带有铁壳以及极靴的电磁透镜示意图。 1）电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里，此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。 狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。 2）增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内，显着提高了其聚焦能力。 3、电磁透镜的像差是怎样产生的，如何来消除或减小像差 答：电磁透镜的像差可以分为两类：几何像差和色差。几何像差是因为投射磁场几何形状上的缺陷造成的，色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。几何像差主要指球差和像散。球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律造成的，像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。 消除或减小的方法：
透射电子显微镜样品制备技术 样品制备的方法随生物材料的类型以及研究目的而各有不同。对生物组织和细胞等，一般多用超薄切片技术，将大尺寸材料制成适当大小的超薄切片，并且利用电子染色、细胞化学、免疫标记及放射自显影等方法显示各种超微结构、各种化学物质的部位及其变化。对生物大分子（蛋白质、核酸）、细菌、病毒和分离的细胞器等颗粒材料,常用投影、负染色等技术以提高反差,显示颗粒的形态和微细结构。此外还有以冷冻固定为基础的冷冻断裂──冰冻蚀刻、冷冻置换、冷冻干燥等技术。 超薄切片术将小块生物材料，用液态树脂单体浸透和包埋，并固化成塑料块，后用超薄切片机切成厚度为500埃左右,甚至只有50埃的超薄切片。超薄切片的制备程序与光学显微镜的切片程序类似，但各步骤的要求以及所使用的试剂和操作方法有很大差别。 固定选用适宜的物理或化学的方法迅速杀死组织和细胞,力求保持组织和细胞的正常结构,并使其中各种物质的变化尽可能减小。固定能提高细胞承受包埋、切片、染色以及电子束轰击的能力。主要固定方法有： ①快速冷冻，用致冷剂（如液氮、液体氟利昂、液体丙烷等）或其他方法使生物材料急剧冷冻，使组织和细胞中的水只能冻结成体积极小的冰晶甚至无定形的冰──玻璃态。这样，细胞结构不致被冰晶破坏，生物大分子可保持天然构型，酶及抗原等能保存其生物活性，可溶性化学成分（如小分子有机物和无机离子）也不致流失或移位。用冷冻的组织块，可进行切片、冷冻断裂、冷冻干燥和冷冻置换等处理。用此法固定的样品既可提供组织、细胞结构的形态学信息，又可提供相关的细胞化学信息。②化学固定，固定剂有凝聚型和非凝聚型两种，前
者如光学显微术中常用的乙醇、二氯化汞等，此法常使大多数蛋白质凝聚成固体,结构发生重大变化,常导致细胞的细微结构出现畸变。非凝聚型固定剂包括戊二醛、丙烯醛和甲醛等醛类固定剂和四氧化锇，四氧化钼等，适用于电子显微。它们对蛋白质有较强的交联作用,可以稳定大部分蛋白质而不使之凝聚,避免了过分的结构畸变。它们与细胞蛋白质有较强的化学亲和力，固定处理后，固定剂成为被固定的蛋白质的一部分。如用含有重金属元素的固定剂四氧化锇（也是良好的电子染色剂）进行固定，因为锇与蛋白质结合，增强了散射电子的能力，提高了细胞结构的反差。采用一种以上固定剂的多重固定方法，如采用戊二醛和四氧化锇的双固定法，能较有效地减少细胞成分的损失。此外，固定剂溶液的浓度、pH 及所用的缓冲剂类型、渗透压、固定时间和温度等对固定效果都有不同程度的影响。 固定操作方法通常是先将材料切成1立方毫米左右小块，浸在固定液中，保持一定温度（通常为4℃）,进行一定时间的固定反应。取材操作要以尽可能快的速度进行，以减少组织自溶作用造成的结构破坏。对某些难以固定的特殊组织，如脑、脊髓等，最好使用血管灌注方法固定，即通过血管向组织内灌注固定液，使固定液在组织发生缺氧症或解剖造成损伤之前，快速而均匀地渗透到组织的所有部分。灌注固定的效果比浸没固定好得多。 脱水化学固定后，将材料浸于乙醇、丙酮等有机溶剂中以除去组织的游离水。为避免组织收缩，所用溶剂需从低浓度逐步提高到纯有机溶剂，逐级脱水。 浸透脱水之后，用适当的树脂单体与硬化剂的混合物即包埋剂，逐步替换组织块中的脱水剂，直至树脂均匀地浸透到细胞结构的一切空隙中。 包埋浸透之后,将组织块放于模具中,注入树脂单体与硬化剂等混合物，通
第二篇材料电子显微分析 实验一透射电子显微镜样品制备 一、实验目的 1．掌握塑料—碳二级复型样品的制备方法。 2．掌握材料薄膜样品的制备方法—双喷电解减薄法和离子薄化法。 二、塑料—碳二级复型的制备原理与方法 (一) AC纸的制作 所谓AC纸就是醋酸纤维素薄膜。它的制作方法是：首先按重量比配制6％醋酸纤维素丙酮溶液。为了使AC纸质地柔软、渗透性强并具有蓝色，在配制溶液中再加入2％磷酸三苯脂和几粒甲基紫。 待上述物质全部溶入丙酮中且形成蓝色半透明的液体，再将它调制均匀并等气泡逸尽后，适量地倒在干净、平滑的玻璃板上，倾斜转动玻璃板，使液体大面积展平。用一个玻璃钟罩扣上，让钟罩下边与玻璃板间留有一定间隙，以便保护AC纸的清洁和控制干燥速度。醋酸纤维素丙酮溶液蒸发过慢，AC纸易吸水变白，干燥过快AC纸会产生龟裂。所以，要根据室温、湿度确定钟罩下边和玻璃间的间隙大小。经过24小时后，把贴在玻璃板上已干透的AC纸边沿用薄刀片划开，小心地揭下AC纸，将它夹在书本中即可备用。 (二) 塑料—碳二级复型的制备方法 (1) 在腐蚀好的金相样品表面上滴上一滴丙酮，贴上一张稍大于金相样品表面的AC纸(厚30~80μm)，如图1-2(a)所示。注意不要留有气泡和皱折。若金相样品表面浮雕大，可在丙酮完全蒸发前适当加压。静置片刻后，最好在灯泡下烘烤一刻钟左右使之干燥。 (2) 小心地揭下已经干透的AC纸复型(即第一级复型)，将复型复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上，如图1-2(b)所示。 (3) 把滴上一滴扩散泵油的白瓷片和贴有复型的载玻片置于镀膜机真空室中。按镀膜机的操作规程，先以倾斜方向“投影”铬，再以垂直方向喷碳，如图1-2(c)所示。其膜厚度以无油处白色瓷片变成浅褐色为宜。 (4) 打开真空室，从载玻片上取下复合复型，将要分析的部位小心地剪成2mm×2mm的小方片，置于盛有丙酮的磨口培养皿中，如图1-2(d)所示。 (5) AC纸从碳复型上全部被溶解掉后，第二级复型(即碳复型)将漂浮在丙酮液面上，用铜网布制成的小勺把碳复型捞到清洁的丙酮中洗涤，再移到蒸馏水中，依靠水的表面张力使卷曲的碳复型展平并漂浮在水面上。最后用摄子夹持支撑铜网把它捞起，如图1-2 (e)所示，放
第九章 电子衍射 1、 分析电子衍射与 X 射线衍射有何异同？（**） 电子衍射原理与X 射线相似 相同之处：都是满足布拉格方程作为产生衍射的必要条件，两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上是大致相似的。 不同之处： 1）电子波的波长比X 射线短得多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约为10e-2rad 。而X 射线产生衍射时其衍射角最大可接近π/2。（这是电子衍射花样特征不同与x 射线衍射的主要原因） 2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易点阵与爱瓦德球相交截的机点，结果使略微偏离布拉格条件的电子束可能发生衍射。 3）因为电子波的波长短，采用爱瓦德球图解式，反射球的半径很大，在衍射角θ较小的范围内反射球的球面可以近似的看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内，这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直接地反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。 4）原子对电子的散射能力远高于对X 射线的散射能力（约高四个数量级），故电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时曝光时间仅需数秒钟。 2、倒易点阵与正点阵之间关系如何？倒易点阵与晶体的电子衍射斑点之间有何对应关系？（**） 答：倒易点阵是与正点阵相对应的量纲为长度倒数的一个三维空间（倒易空间）点阵，通过倒易点阵可以把晶体的电子衍射斑点直接解释成晶体相应晶面的衍射结果，可以认为电子衍射斑点就是就是与晶体相对应的倒易点阵中某一倒易面上阵点排列的像。 关系： 1）倒易矢量ghkl 垂直于正点阵中对应的（hkl ）晶面，或平行于它的法向Nhkl 2）倒易点阵中的一个点代表正点阵中的一组晶面 3）倒易矢量的长度等于正点阵中的相应晶面间距的倒数，即ghkl=1/dhkl 。 4）对正交点阵有a*//a,b*//b,c*//c,a*=1/a,b*=1/b,c*=1/c 5）只有在立方点阵中，晶面法向和同指数的晶向市重合的，即倒易矢量ghkl 是与相应指数的晶向[hkl]平行 6）某一倒易基矢垂直于正交点阵中和自己 3、 何为零层倒易截面和晶带定理？说明同一晶带中各晶面及其倒易矢量与晶带轴之间的关系。 零层倒易截面：通过倒易原点的倒易平面，用（uvw ）0*表示。 晶带定理：：同一晶带中所有晶面的法线都与晶带轴垂直，hu+kv+lw=0 关系：我们可以将晶带轴用正点阵矢量r=ua+vb+wc 表达，晶面法向量用倒易矢量r*=ha*+kb*+lc*表达。由于r*与r 垂直，所以： 从而得到hu+kv+lw=0。（凡是属于 [uvw]晶带的晶面，它们的晶面指数（hkl ）都必须符合上式的条件） ()()0r r ha kb lc ua vb wc ****?=++?++=
—1— 第25章 透射电子显微镜 透射电子显微技术自20世纪30年代诞生以来，经过数十年的发展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学研究中物质微观结构观察、测试十分重要的手段。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，电子显微镜把人眼睛的分辨能力从大约0.2 mm 拓展至亚原子量级（<0.1nm)，大大增强了人们观察世界的能力。尤其是近20多年来，随着科学技术发展进入纳米科技时代，纳米材料研究的快速发展又赋予这一电子显微技术以极大的生命力，可以这样说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的研究；没有电子显微镜，开展现代科学技术研究是不可想象的。目前，它的发展已与其他学科的发展息息相关，密切联系在一起。 25.1 基本原理 透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的（图25-1），所不同的是光学显微镜以可见光做光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。在光学显微镜中，将可见光聚焦成像的是玻璃透镜；在电子显微镜中，相应的电子聚焦功能是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的相互作用。 理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率d ，受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径N A 的限制： 2sin 2A d n N λ λ α=≈ （25-1） 在20世纪初，科学家就已发现理论上使用电子可以突破可见光的光波波长限制（波长范围400~700nm ）。由于电子具有波粒二象性，而电子的波动特性则意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能推导出。由于在TEM 中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正： e λ≈ （25-2） 式中，h 表示普朗克常数；m 0表示电子的静质量；E 是加速电子的能量；c 为光速。电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。 在真空系统中，由电子枪发射出的电子经加速后，通过磁透镜照射在样品上。透过样品的电子被电子透镜放大成像。成像原理是复杂的，可发生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多种效应，使得在相平面形成衬度（即明暗对比），从而显示出透射、衍射、高分辨等图像。对于非晶样品而言，形成的是质厚衬度像，当入射电子透过此类样品时，成像效果与样品的厚度或密度有关，即电子碰到的原子数量越多，或样品的原子序数越大，均可使入射电子与原子核产生较强的排斥作用——电子散射，使面通过物镜光阑参与成像的电子强度降低，衬度像变淡。另外，对于晶体样品而言，由于入射电子波长极短，与物质作用满足布拉格（Bragg ）方程，产生衍射现象，在衍射衬度模式中，像平面上图像的衬度来源于两个方面，一是质量、厚度因素，二是衍射因素；在晶体样品超薄的情况下（如10nm 左右），可使透射电子显微镜具有高分辨成像的功能，可用于材料结构的精细分析，
电子显微神兵利器：各种型号的透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy,TEM）是通过穿透样品的电子束进行成像的放大设备。电子束穿过样品以后，带有样品之中关于微结构及组成等方面的信息，将这些信息进行方法和处理，便可得到所需要的显微照片及多种图谱。现在商业透射电镜最高的分辨率已经达到了0.8 ?，透射电镜作为一种极为重要的电子显微设备，在包括材料、生物、化学、物理等诸多领域发挥着不可替代的重要作用。 下面简单介绍一些不同品牌和型号的透射电镜。世界上能生产透射电镜的厂家不多，主要是欧美日的大型电子公司，德国的蔡司（Zeiss），美国的FEI（电镜部门的前身是飞利浦的电子光学公司），日本的日本电子（JEOL）、日立（Hitachi）。 蔡司公司是德国老牌光学仪器公司，光学仪器，如光学显微镜、照相机、以及军事用途的光学瞄准器都是世界一流水平，二战时德国强大的坦克部队都是用的蔡司的瞄准系统，精确度相当的高！虽然蔡司涉足电子光学领域要晚于西门子和飞利浦（西门子和飞利浦分别于1939和1949年造出自己的第一台商业化透射电镜），但其强大的研发和生产能力使其很快在电子光学仪器领域占得了一席之地，下面介绍几款蔡司的产品。
Libra 120 (Libra是“天秤座”，蔡司的电镜型号无论透射扫描都是以星座的名字命名的) 技术参数： LIBRA 120 点分辨率：0.34nm 能量分辨率：＜1.5eV 加速电压：（20）40-120kv 放大倍率：8-630，000x 电子枪：LaB6或W 照明系统：Koehler（库勒）（平行束照明系统） 真空系统：完全无油系统 操作界面：基于Windows XP WinTEM 此款电镜分辨率较低，加速电压最高仅120KV，比主流的200KV低了不少，看似性能一般。
一、实验名称 透射电子显微镜用于无机纳米材料的检测。 二、实验目的 1.认知透射电子显微镜的基本原理，了解有关仪器的主要结构； 2.学习利用此项电子显微技术观察、分析物质结构的方法，主要包括：常规成 像、高分辨成像、电子衍射和能谱分析等； 3.重点帮助学生掌握纳米材料等的微观形貌和结构测试结果的判读，主要包括： 材料的尺寸、大小均匀性、分散性、几何形状，以及材料的晶体结构和生长取向等。 三、实验原理 透射电子显微技术自20世纪30年代诞生以来，经过数十年的发展，现已成为材料、化学化工、物理、生物等领域科学研究中物质微观结构观察、测试十分重要的手段，尤其是近20多年来，纳米材料研究的快速发展又赋予这一电子显微技术以极大的生命力，可以这样说，没有透射电子显微镜，就无法开展纳米材料的研究。 透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜是类似的，所不同的是光学显微镜以可见光做光源，而透射电子显微镜则以高速运动的电子束为“光源”。在光学显微镜中，将可见光聚焦成像的是玻璃透镜；在电子显微镜中，相应的电子聚焦功能是电磁透镜，它利用了带电粒子与磁场间的相互作用。 在真空系统中，由电子枪发射出的电子经加速后，通过磁透镜照射在样品上。透过样品的电子被电子透镜放大成像。成像原理是复杂的，可发生透射、散射、吸收、干涉和衍射等多种效应，使得在相平面形成衬度（即明暗对比），从而显示出透射、衍射、高分辨等图像。对于非晶样品而言，形成的是质厚忖度像，当入射电子透过此类样品时，成像效果与样品的厚度或密度有关，即电子碰到的原子数量越多，或样品的原子序数越大，均可使入射电子与原子核产生较强的排斥作用——电子散射，使面通过物镜光阑参与成像的电子强度降低，忖度像变淡。另外，对于晶体样品而言，由于入射电子波长极短，与物质作用满足布拉格
材料现代分析技术 课程设计 2014 ~ 2015学年第一学期 设计题目透射电子显微镜电子衍射 专业年级2013级材料科学与工程 姓名学号陈巧林3135902043 指导教师张明昕 成绩 福建农林大学材料工程/学院 2015 年 1 月 3 日
目录 第一章透射电子显微镜结构和主要性能参数 1.1 概述 1.2 透射电子显微镜的结构 1.2.1 电子光学部分 1.2.2 真空系统 1.2.3 供电控制系统 1.3 透射电子显微镜主要的性能参数 1.3.1 分辨率 1.3.2 放大倍数 1.3.3 加速电压 第二章透射电镜的成像原理与电子衍射 2.1 透射电镜的成像方式 2.2衬度理论 2.3 电子衍射原理 2.3.1 布拉格定律 2.3.2 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法 2.4 电子衍射基本公式 2.5 电子显微镜中的电子衍射 2.5.1有效相机常数 2.5.2选区电子衍射 2.5.3 透射电镜的电子衍射花样 2.6选区电子衍射注意事项 2.6.1常见的几种衍射图谱 2.6.2单晶电子衍射花样的标定 第三章透射电子显微镜分析样品制备 3.1 透射电镜复型技术（间接样品） 3.1.1塑料——碳二级复型 3.1.2萃取复型（半直接样品） 3.2 金属薄膜样品的制备 3.2.1薄膜制备的基本要求 3.2.2一般程序 3.3 陶瓷材料试样的制备 3.3.1颗粒试样的制备方法 3.3.2陶瓷薄膜试样（离子减薄）
第一章透射电子显微镜结构和主要性能参数 1.1 概述 透射电子显微镜(Transmission electron microscopy，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。 由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，比光学显微镜所能够观察到的最小的结构小数万倍。TEM在中和物理学和生物学相关的许多科学领域都是重要的分析方法，如癌症研究、病毒学、材料科学、以及纳米技术、半导体研究等等。 在放大倍数较低的时候，TEM成像的对比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成对电子的吸收不同而造成的。而当放大率倍数较高的时候，复杂的波动作用会造成成像的亮度的不同，因此需要专业知识来对所得到的像进行分析。通过使用TEM不同的模式，可以通过物质的化学特性、晶体方向、电子结构、样品造成的电子相移以及通常的对电子吸收对样品成像。 第一台TEM由马克斯·克诺尔和恩斯特·鲁斯卡在1931年研制，这个研究组于1933年研制了第一台分辨率超过可见光的TEM，而第一台商用TEM于1939年研制成功。第一部实际工作的TEM，现在在德国慕尼黑的的遗址博物馆展出。恩斯特·阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察。通过使用由奥古斯特·柯勒和莫里茨·冯·罗尔研制的紫外光显微镜，可以将极限分辨率提升约一倍。然而，由于常用的玻璃会吸收紫外线，这种方法需要更昂贵的石英光学元件。当时人们认为由于光学波长的限制，无法得到亚微米分辨率的图像。 1928年，柏林科技大学的高电压技术教授阿道夫·马蒂亚斯让马克斯·克诺尔来领导一个研究小组来改进阴极射线示波器。这个研究小组由几个博士生组成，这些博士生包括恩斯特·鲁斯卡和博多·冯·博里斯。这组研究人员考虑了透镜设计和示波器的列排列，试图通过这种方式来找到更好的示波器设计方案，同时研制可以用于产生低放大倍数（接近1:1）的电子光学原件。1931年，这个研究组成功的产生了在阳极光圈上放置的网格的电子放大图像。这个设备使用了两个磁透镜来达到更高的放大倍数，因此被称为第一台电子显微镜。在同一年，西门子公司的研究室主任莱因霍尔德·卢登堡提出了电子显微镜的静电透镜的专利。 自从60年代以来，商品透射电子显微镜都具有电子衍射功能，而且可以利用试样后面的透镜，选择小至1微米的区域进行衍射观察，称为选区电子衍射，而在试样之后不用任何透镜的情形称高分辨电子衍射。带有扫描装置的透射电子显微镜可以选择小至数千埃甚至数百埃的区域作电子衍射观察，称微区衍射。入射电子束一般聚焦在照相底板上，但也可以聚焦在试样上，此时称会聚束电子衍射。
A general introduction to STEM detector 1. BF detector It is placed at the same site as the aperture in BF-TEM and detects the intensity in the direct beam from a point on the specimen. 2. ADF detector The annular dark field (ADF) detector is a disk with a hole in its center where the BF detector is installed. The ADF detector uses scattered electrons for image formation, similar to the DF mode in TEM.The measured contrast mainly results from electrons diffracted in crystalline areas but is superimposed by incoherent Rutherford scattering. 3. HAADF detector The high-angle annular dark field detector is also a disk with a hole, but the disk diameter and the hole are much larger than in the ADF detector. Thus, it detects electrons that are scattered to higher angles and almost only incoherent Rutherford scattering contributes to the image. Thereby, Z contrast is achieved.
透射电子显微镜（TEM）实验报告 学院： 班级： 姓名： 学号： 2016年6月21日
实验报告 一、实验目的与任务 1.熟悉透射电子显微镜的基本构造 2.初步了解透射电镜操作过程。 3.初步掌握样品的制样方法。 4.学会分析典型组织图像。 二、透射电镜的结构与原理 透射电镜以波长极短的电子束作为光源，电子束经由聚光镜系统的电磁透镜将其聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到主镜简最下方的荧光屏上而形成所观察的图像。在材料科学研究领域，透射电镜主要可用于材料微区的组织形貌观察、晶体缺陷分析和晶体结构测定。 透射电子显微镜按加速电压分类，通常可分为常规电镜(100kV)、高压电镜(300kV)和超高压电镜(500kV以上)。提高加速电压，可缩短入射电子的波长。一方面有利于提高电镜的分辨率；同时又可以提高对试样的穿透能力，这不仅可以放宽对试样减薄的要求，而且厚试样与近二维状态的薄试样相比，更接近三维的实际情况。就当前各研究领域使用的透射电镜来看，其主要三个性能指标大致如下： 加速电压：80～3000kV 分辨率：点分辨率为0.2～0.35nm、线分辨率为0.1～0.2nm 最高放大倍数：30～100万倍 尽管近年来商品电镜的型号繁多，高性能多用途的透射电镜不断出现，但总体说来，透射电镜一般由电子光学系统、真空系统、电源及控制系统三大部分组成。此外，还包括一些附加的仪器和部件、软件等。有关的透射电镜的工作原理可参照教材，并结合本实验室的透射电镜，根据具体情况进行介绍和讲解。以下仅对透射电镜的基本结构作简单介绍。 1.电子光学系统 电子光学系统通常又称为镜筒，是电镜的最基本组成部分，是用于提供照明、成像、显像和记录的装置。整个镜筒自上而下顺序排列着电子枪、双聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏及照相室等。通常又把电子光学系统分为照明、成像和观察记录部分。 2.真空系统 为保证电镜正常工作，要求电子光学系统应处于真空状态下。电镜的真空度一般应保持在10-5托，这需要机械泵和油扩散泵两级串联才能得到保证。目前的透射电镜增加一个离子泵以提高真空度，真空度可高达133．322×10-8Pa或更高。如果电镜的真空度达不到要求会出现以下问题： 1)电子与空气分子碰撞改变运动轨迹，影响成像质量。
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
透射电子显微镜 Ⅰ. 实验目的 （1）掌握透射电镜的基本构成 （2）掌握透射电镜的成像原理 （3）了解透射电镜的操作过程 （4）了解生物样品的制备过程 （5）利用透射电镜观察纳米材料和生物样品 Ⅱ. 仪器及技术指标 （1）型号：Hitachi（日立）-7650型透射电镜 （2）加速电压：40kV ~ 120kV （3）放大倍数：200 ~ 60万倍 图1Hitachi-7650型透射电镜 Ⅲ. 透射电镜的基本构成 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM），简称透射电镜，是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。
图2透射电镜剖面结构示意图 1. 电子光学系统：又称镜筒，是TEM的核心。 发射并使电子加速的电子枪 （1）照明部分：会聚电子束的聚光镜 电子束平移、倾斜调节装置 作用：提供亮度好、相干性好、束流稳定的照明电子束。 物镜 中间镜 （2）成像部分：投影镜 物镜光阑 选区光阑
穿过试样的透射电子束在物镜后焦面上成衍射花样，在物 镜像平面上成放大的组织像，并经过中间镜、投影镜的接 力放大，获得最终的图像。 荧光屏 （3）观察记录部分 照相机 试样图像经过透镜多次放大后，在荧光屏上显示出高倍放 大的像。 2. 真空系统： 电子光学系统的工作过程要求在真空条件下进行，这是因为在充气的条件下会发生以下情况： 栅极与阳极间的空气分子电离，导致高电位差的两极之间放电 炽热灯丝迅速氧化，无法正常工作 电子与空气分子碰撞，影响成像质量 试样易于氧化，产生失真 目前，一般TEM的真空度为10-5 Torr（1Torr＝133.32Pa）左右。 真空泵组经常由机械泵和扩散泵两级串联成。为了进一步提高真空度，可采用分子泵、离子泵，真空度可达10-8 Torr或更高。 3. 电源与控制系统： 电子枪加速电子用的小电流高压电源用于提供两部分电源 透射激磁用的大电流低压电源 Ⅳ. 透射电镜的成像原理： 1. TEM是依照阿贝成像原理工作的 平行入射波受到有周期性特征物体的散射作用在物镜的后焦面上形成衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。 2. 具体过程： 电子枪产生的电子束经1～2级聚光镜后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域上，入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试