透射电镜的成像原理

透射电镜的工作原理

透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种利用电子束来观察样品的微观结构的高分辨率显微镜。与光学显微镜不同，透射电镜使用的是电子而不是可见光来照射样品，因此能够获得比光学显微镜更高的分辨率。透射电镜的工作原理涉及到电子的产生、聚焦、透射、成像和检测等多个方面，下面将详细介绍透射电镜的工作原理。

1. 电子的产生。

透射电镜使用的是电子束来照射样品，因此首先需要产生电子。电子产生的常用方法是热发射和场发射。热发射是利用热能使金属表面的电子逃逸而产生电子，而场发射则是利用电场使电子从金属表面逃逸。在透射电镜中，通常使用的是热发射电子源，即利用钨丝或钨钢合金丝受热后发射电子。

2. 电子的聚焦。

产生的电子束需要经过一系列的聚焦系统，使其成为一个细小的束流，以便能够准确地照射到样品上。透射电镜的聚焦系统通常包括电子透镜和磁透镜。电子透镜利用电场来聚焦电子束，而磁透镜则利用磁场来聚焦电子束。通过合理设计和调节，可以使电子束聚焦到非常小的尺寸，从而获得高分辨率的成像能力。

3. 电子的透射。

经过聚焦系统聚焦后的电子束将照射到样品上，这时的电子束被称为透射电子束。透射电子束穿过样品时，会与样品中的原子和分子发生相互作用，产生散射和吸收。透射电镜通过检测透射电子束的变化来获取样品的结构信息。

4. 成像。

透射电镜的成像原理是利用透射电子束与样品相互作用后产生的信号来获取样品的结构信息。透射电镜通常采用透射电子显微镜来观察样品。透射电子显微镜通过探测透射电子束的强度和位置来获得样品的结构信息，然后将这些信息转换成图像显示出来。

5. 检测。

透射电镜的检测系统通常包括电子探测器和图像处理系统。电子探测器用于探测透射电子束的强度和位置，然后将这些信息传输给图像处理系统。图像处理系统将探测到的信息转换成图像，并进行增强和处理，最终显示在显示屏上供用户观察。

透射电镜在材料领域的作用不容忽视，而最常用的三大透射电镜是：普通透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜(STEM)，但是对于透射电镜的原理我们很多人却并不是很清楚，下面就为大家介绍一下。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, 简称TEM），是一种把经加速和聚集的电子束透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、厚度等相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏，胶片以及感光耦合组件）上显示出来的显微镜。

透射电镜的发展过程：在光学显微镜下无法看清小于0.2微米的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超细结构。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分辨力可达0.2纳米。

透射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。

透射电镜原理：透射电镜和光学显微镜的各透镜及光路图基本一致，都是光源经过聚光镜会聚之后照到样品，光束透过样品后进入物镜，由物镜会聚成像，之后物镜所成的一次放大像在光镜中再由物镜二次放大后进入观察者的眼睛，而在电镜中则是由中间镜和投影镜再进行两次接力放大后最终在荧光屏上形成投影供观察者观察。电镜物镜成像光路图也和光学凸透镜放大光路图一致。

透射电镜系统由以下几部分组成：

电子枪：发射电子。由阴极，栅极和阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速和加压的作用。

聚光镜：将电子束聚集得到平行光源。

样品杆：装载需观察的样品。

物镜：聚焦成像，一次放大。

— — 1 —1 — 高分辨透射电镜的原理

高分辨透射电镜（High-ResolutionEmissionTomography,HRET）是一种高分辨率的显微成像技术，它以高分辨的电子探针（ElectronProbe）作为主要成像工具。它可获得原子分辨率的三维图像。与其他显微成像技术相比，HRET具有下列优点：

1.获得的图像比电子探针观察到的高一个数量级；

2.对样品无破坏性；

3.图像质量高，分辨率可达0.1纳米；

4.可获得样品表面精细结构和信息；

5.可观察样品表面或内部细微结构，且不受样品厚度限制；

6.扫描速度快，每秒可扫描数百张图片。高分辨透射电镜的工作原理是：电子探针在透射电镜中通过电子束轰击样品时，被激发的电子或离子被偏转到样品表面的不同部位，并在这些部位产生新的电子或离子。这些被偏转的电子或离子分别向各自相反的方向运动。偏转后，原来被激发到样品表面的电子或离子又回到原来的位置。这样，就可以通过扫描电镜记录下来。

透射电镜和扫描电镜的区别

扫描电镜和透射电镜的区别在于。

1、结构差异：主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间，电子源在样品上方发射电子，经过聚光镜，然后穿透样品后，有后续的电磁透镜继续放大电子光束，最后投影在荧光屏幕上；扫描电镜的样品在电子束末端，电子源在样品上方发射的电子束，经过几级电磁透镜缩小，到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同，但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。

相同之处：都是电真空设备，使用绝大部分部件原理相同，例如电子枪，磁透镜，各种控制原理，消象散，合轴等等。

2、基本工作原理：透射电镜：电子束在穿过样品时，会和样品中的原子发生散射，样品上某一点同时穿过的电子方向是不同，这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间，这些电子通过过物镜放大后重新汇聚，形成该点一个放大的实像，这个和凸透镜成像原理相同。这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲，但可以这么想象，如果样品内部是绝对均匀的物质，没有晶界，没有原子晶格结构，那么放大的图像也不会有任何反差，事实上这种物质不存在，所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大（具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的，如果亮度无限大，最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定），最后投影在荧光屏上成像。由于透射电镜物镜焦距很短，也因此具有很小的像差系数，所以透射电镜具有非常高的空间分辨率，0.1-0.2nm，但景深比较小，对样品表面形貌不敏感，主要观察样品内部结构。

扫描电镜：电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从几何排列上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙，一般要求较大工作距离，这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长，相应的相差系数较大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长，图像景深比透射电镜高的多，主要用于样品表面形貌的观察，无法从表面揭示内部结构，除非破坏样品，例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM，可以层层观察内部结构。