透射电镜衬度

第5章透射电镜的图像衬度及其应用透射电镜的图像衬度是指荧光屏或照相底板上图像的明暗程度. 又叫黑白反差, 或叫对比度。

由于图像上不同区域衬度的差别，才使得材料微观组织分析成为可能。

只有了解图像衬度的形成机制，才能对各种图像给予正确解释。

透射电子显微像有三种衬度类型，分别为质厚衬度，衍射衬度和相位衬度。

5.1 质厚衬度原理试样各部分质量与厚度不同造成的显微像上的明暗差别叫质厚衬度。

复型和非晶态物质试样的衬度是质厚衬度.质厚衬度的基础:1.试样原子对入射电子的散射2.小孔径角成象。

把散射角大于α的电子挡掉，只允许散射角小于α的电子通过物镜光阑参与成象。

相位衬度衍射衬度是一种振幅衬度，它是电子波在样品下表面强度（振幅）差异的反映，衬度来源主要有以下几种：1.两个晶粒的取向差异使它们偏离布拉格衍射的程度不同而形成的衬度；2.缺陷或应变场的存在，使晶体的局部产生畸变，从而使其布拉格条件改变而形成的衬度；3.微区元素的富集或第二相粒子的存在，有可能使其晶面间距发生变化，导致布拉格条件的改变从而形成衬度，还包括第二相由于结构因子的变化而显示衬度；4.等厚条纹，完整晶体中随厚度的变化而显示出来的衬度；5.等倾条纹，在完整晶体中，由于弯曲程度不同（偏离矢量不同）而引起的衬度. 1.3 衍射衬度成像的特点1.衍衬成像是单束、无干涉成像，得到的并不是样品的真实像，但是，衍射衬度像上衬度分布反映了样品出射面各点处成像束的强度分布，它是入射电子波与样品的物质波交互作用后的结果，携带了晶体散射体内部的结构信息，特别是缺陷引起的衬度；2.衍衬成像对晶体的不完整性非常敏感；3.衍衬成像所显示的材料结构的细节，对取向也是敏感的；4.衍衬成像反映的是晶体内部的组织结构特征，而质量厚度衬度反映的基本上是样品的形貌特征。

2.1 明场像让透射束通过物镜光阑所成的像就是明场像。

成明场像时，我们可以只让透射束通过物镜光阑，而使其它衍射束都被物镜光阑挡住，这样的明场像一般比较暗，但往往会有比较好的衍射衬度；也可以使在成明场像时，除了使透射束通过以外，也可以让部分靠近中间的衍射束也通过光阑，这样得到的明场像背景比较明亮衍射衬度样品微区晶体取向或者晶体结构不同，满足布拉格衍射条件的程度不同，使得在样品下表面形成一个随位置不同而变化的衍射振幅分布，所以像的强度随衍射条件的不同发生相应的变化，称为衍射衬度。

第15-16讲教学目的：使学生了解透射电子显微镜电子像成像原理教学重点：透射电镜电子像成像原理教学难点：衍射衬度像成像原理作业：1.什么是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度？2.什么是明场像、暗场像，其成像原理是什么？3.晶体缺陷的衍衬像有哪几种？第五节透射电子显微分析5.1透射电子衬度像5.1.1 TEM工作模式✓电子像：提高中间镜电流，下降中间镜物平面使与物镜相平面重合，得到电子像；✓电子衍射：降低中间镜电流，上升中间镜物平面至物镜背焦面，得到电子衍射花样。

5.1.2 电子像衬度电子像衬度：样品两相邻部分的电子束强度差。

分为振幅衬度和相位衬度两大类。

✓振幅衬度：由于样品不同区域散射能力差异，形成电子显微像上透射振幅和强度的变化。

✧质厚衬度：本质上是一种散射吸收衬度，即衬度是由散射物不同部位对入射电子的散射吸收程度有差异而引起的，它与散射物体不同部位的密度和厚度的差异有关；✧衍射衬度是由于晶体薄膜的不同部位满足布拉格衍射条件的程度有差异而引起的衬度；✓相位衬度：是多束电子束相干成像，得到由于相位差而形成的能够反映样品真实结构的衬度。

有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）✧ 高分辨像：相干的相位衬度像；✧ 原子序数衬度像（Z 衬度像）：非相干的相位衬度像。

5.1.3 质厚衬度成像原理试样各部分对电子的散射能力不同，通过物镜光阑的透射电子数目不同，引起电子束强度差异，形成衬度。

散射本领大、透射电子数少的样品部分所形成的像要暗些，反之，是亮些。

TEM 质厚衬度公式)(11121222222220A t Z A t Z V e N C ρρθπ-=式中V 为加速电压、θ为散射角、Z 为原子序数、ρ为密度、t 为厚度、A 为原子量实际工作时通过改变光阑（对应θ角）的大小来调节衬度。

5.1.4 衍射衬度成像原理衍射衬度是利用透射束或某一衍射束成像所产生的衬度，它是由于晶体试样满足布拉格反射条件程度不同及结构振幅不同形成的衍射强度的差异而导致的衬度。

成像原理透射电镜的成象原理是由照明部分提供的有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到处于物镜物平面处的样品上，通过样品和物镜的电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。

这些衍射束在物镜的象平面上相互干涉形成第一幅反映试样为微区特征的电子图象。

通过聚焦（调节物镜激磁电流），使物镜的象平面与中间镜的物平面相一致，中间镜的象平面与投影镜的物平面相一致，投影镜的象平面与荧光屏相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅经物镜、中间镜和投影镜放大后有一定衬度和放大倍数的电子图象。

由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图象。

电子图象的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积，即M＝M。

•Mr•Mp.象衬度象衬度是图象上不同区域间明暗程度的差别。

由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。

只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。

透射电镜非晶样品的象衬度非晶样品透射电子显微图象衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。

质厚衬度适用于对复型膜试样电子图象作出解释。

质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。

质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。

衍射衬度透射电镜对于晶体，若要研究其内部缺陷及界面，需把样品制成薄膜，这样，在晶体样品成象的小区域内，厚度与密度差不多，无质厚衬度。

但晶体的衍射强度却与其内部缺陷和界面结构有关。

由样品强度的差异形成的衬度叫衍射衬度，简称衍衬。

晶体试样在进行电镜观察时，由于各处晶体取向不同和(或)晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。

透射电子显微镜衬度与样品特性关系肖国敏 20085029 生医1班0 透射电镜成像原理透射电镜的成象原理是由照明部分提供的有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到处于物镜物平面处的样品上，通过样品和物镜的电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。

这些衍射束在物镜的象平面上相互干涉形成第一幅反映试样为微区特征的电子图象。

通过聚焦（调节物镜激磁电流），使物镜的象平面与中间镜的物平面相一致，中间镜的象平面与投影镜的物平面相一致，投影镜的象平面与荧光屏相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅经物镜、中间镜和投影镜放大后有一定衬度和放大倍数的电子图象。

由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图象。

电子图象的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积，即M＝M。

•Mr•Mp.1 衬度概念衬度是图象上不同区域间明暗程度的差别。

由于图像上不同区域间存在明暗程度的差别即衬度的存在，才使得我们能观察到各种具体的图像。

只有了解像衬度的形成机理，才能对各种具体的图像给予正确解释，这是进行材料电子显微分析的前提。

2 衬度与样品特性的关系2.1 非晶样品的象衬度非晶样品透射电子显微图象衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。

质厚衬度适用于对复型膜试样电子图象作出解释。

质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。

质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。

2.2 晶体样品的衍射衬度及形成原理对于晶体薄膜样品而言，厚度大致均匀，原子序数也无差别，因此，不可能利用质厚衬度来获得图象反差，这样，晶体薄膜样品成像是利用衍射衬度成像，简称“衍射衬度”由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度。

tem中的相位衬度TEM（透射电子显微镜）是一种常见的材料表征技术，利用电子束来观察材料的微观结构和成分。

而相位衬度（phase contrast）则是TEM中常用的一种技术，用于增强样品中相位差较小的细节。

相位差是指入射电子束通过材料时，由于相位的改变所导致的波前的变化。

在普通的透射电镜中，样品的透射率主要依赖于材料的厚度和原子序数等因素，这使得相位差较小的区域难以被直接观察到。

而相位衬度技术通过引入一种相位衬度衍射器件，能够将相位差转换为对比度的变化，从而使得相位差较小的细节能够清晰可见。

在相位衬度技术中，主要有两种衍射器件被常用：Zernike相位衬度环和Fresnel相位衬度环。

Zernike相位衬度环是由荷兰物理学家Frits Zernike所发明的，它是一种圆环状的透镜，能够改变电子束的相位和幅度。

当电子束通过样品时，它会与样品中的相位差发生干涉，而这种干涉会被Zernike环抵消。

因此，通过观察干涉的强度变化，就能够得到样品中相位差较小的细节。

Fresnel相位衬度环与Zernike环类似，也是一种环状透镜，但它是由一系列的环形棱镜构成。

当电子束通过样品时，样品上的相位差会使得电子束经过Fresnel环时发生相位变化，在屏幕上形成衍射斑图。

通过调节Fresnel环的孔径和焦距，可以获得不同对比度的相位差图像。

相位衬度技术在TEM中的应用非常广泛。

它可以帮助科学家观察到许多常规TEM技术无法观察到的细节，例如细胞的超微结构、纤维和蛋白质的形态以及材料的相变等。

此外，相位衬度技术也对于材料学、生物学等领域的研究具有重要意义，能够为我们提供更加详尽的微观信息，帮助科学家更好地了解材料和生命体系。

然而，相位衬度技术也存在一些局限性。

一方面，它对样品中的像散效应（例如过厚样品或非均匀的厚度分布）非常敏感，可能导致图像中出现伪影。

另一方面，相位衬度技术对电子束的一致性和调制尺度要求较高，需要使用高品质的TEM设备和精确的衍射器件。