透射电子显微镜的结构及成像
913000730018鲁皓辰一、实验目的
1）了解透射电子显微镜的基本结构；
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、实验仪器设备与材料
JEM-2100F型TEM透射电子显微镜
四、实验原理
图1JEM-2100F型透射电子显微镜
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，电子枪发射电子形成照明光源，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。2）成像系统
成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。
3）观察记录系统
观察记录系统主要由荧光屏和照相机构组成。
二）主要附件
1）样品倾斜装置（样品台)
样品台是位于物镜的上下极靴之间承载样品的重要部件，见图2，并使样品在极靴孔内平移、倾斜、旋转，以便找到合适的区域或位向，进行有效观察和分析。
2）电子束的平移和倾斜装置
电镜中是靠电磁偏转器来实现电子束的平移和倾斜的。图3为电磁偏转器的工作原理图，电磁偏转器由上下两个偏置线圈组成，通过调节线圈电流的大小和
方向可改变电子束偏转的程度和方向。
图3电磁偏转器的工作原理图
3）消像散器
像散是由于电磁透镜的磁场非旋转对称导致的，直接影响透镜的分辨率，为此，在透镜的上下极靴之间安装消像散器，就可基本消除像散。图4 为电磁式消像散器的原理图及像散对电子束斑形状的影响。从图4b 和4c 可知未装消像散器时，电子束斑为椭圆形，加装消像散器后，电子束斑为圆形，基本上消除了聚光镜的像散对电子束的影响。 4）光栏
光栏是为挡掉发散电子，保证电子束的相干性和电子束照射所选区域而设计的带孔小片。根据安装在电镜中的位置不同，光栏可分为聚光镜光栏、物镜光栏和中间镜光栏三种。 三）成像原理
（a ）磁极分布 （b ）有像散时的电子束斑 （c ）无像散时的电子束斑
图4 电磁式消像散器示意图及像散对电子束斑形状的影响
由图5中得几何关系并推导后得：R '= K 'g
式中的L '和K '分别称为有效相机长度和有效相机常数。但需注意的是式中的L '并不直接对应于样品至照相底片间的实际距离，因为有效相机长度随着物镜、中间镜、投影镜的励磁电流改变而变化，而样品到底片间的距离却保持不变，但由于透镜的焦长大，这并不会妨碍电镜成清晰图像。因此，实际上我们可不加区分K 与K '、L 与L '和R 与R '了，并用K 直接取代K '。
1）成像操作与衍射操作：
调整励磁电流即改变中间镜的焦距，从而改变中间镜物平面与物镜后焦面之间的相对位置。当中间镜的物平面与物镜的像平面重合时，投影屏上将出现微区组织的形貌像，这样的操作称为成像操作；当中间镜的物平面与物镜的后焦面重合时，投影屏上将出现所选区域的衍射花样，这样的操作称为衍射操作。 2）明场操作、暗场操作及中心暗场操作：
通过平移物镜光栏，分别让透射束或衍射束通过所进行的操作。仅让透射束通过的操作称为明场操作，所成的像为明场像，见图7a ；反之，仅让某一衍射束通过的操作称为暗场操作，所成的像为暗场像，见图7b 。通过调整偏置线圈，使入射电子束倾斜2θB 角，如图7c 所示，晶粒B 中的(l k h )晶面组完全满足衍
物镜
中间镜
投影镜
荧光屏（物像） （a ）成像操作 （b ）衍射操作
图6 中间镜的成像操作与衍射操作
射条件，产生强烈衍射，此时的衍射斑点移到了中心位置，衍射束与透镜的中心轴重合，孔径半角大大减小，所成像比暗场像更加清晰，成像质量得到明显改善。我们称这种成像操作为中心暗场操作，所成像为中心暗场像。
五、实验方法和步骤
明暗场像是透射电镜最基本的技术方法，以下仅对暗场像操作成像及其要点简述如下：
1）明场像下寻找感兴趣的视场； 2）插入选区光栏围住所选的视场；
3）按“衍射”按钮转入衍射操作方式，取出物镜光栏，此时荧光屏上显示选区内晶体产生的衍射花样；
4）倾斜入射电子束方向，使用于成像的衍射束与电镜光轴平行，此时衍射斑点位于荧光屏的中心；
5）插入物镜光栏，套住衍射斑点的中心斑点，转入成像操作，取出选区光栏，此时荧光屏上的图像即为该衍射束形成的暗场像。 六、实验注意事项
1）严格按规范操作，避免误操作； 2）保证高真空的要求（1.33×10－6Pa ） 3）注意选区光栏的合理选择与应用。 七、实验结果
（a ）明场像 （b ）暗场像 （c ）中心暗场 图7 衍射衬度产生原理图
I A ≈0
I B ≈l k h I
I A ≈I 0
I B ≈I 0
-I hkl
I A ≈0
I B ≈I hkl
八、实验思考题
1）如何消除像散？
像散是由于形成透镜的磁场非旋转对称引起的，取决于磁场的椭圆度和孔径半角，而椭圆度可以通过配置对称磁场校正，从而基本消除像散。
