透射电镜的原理应用

实验 透射电镜的结构原理及应用

一、目的要求 1．结合透射电镜实物，介绍其基本结构和工作原理，以加深对透射电镜的了解。

2．学习衍射图谱的分析步骤。

3．学习操作透射电镜，获得的明暗场像 二、透射电镜的基本结构 透射电子显微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。透射电镜由电子光学系统、真空系统及电源与控制系

统三部分组成。电子光学系统是透射电子显微镜的核心，而其他两个系统为电子光学系统顺

利工作提供支持。

2.1 电子光学系统

电子光学系统通常称镜筒，是透射电子显微镜的核心，由于工作原理相同，在光路结构

上电子显微镜与光学显微镜有很大的相似之处。只不过在电子显微镜中，用高能电子束代替

可见光源，以电磁透镜代替光学透镜，获得了更高的分辨率 (图9-6)电子光学系统分为三部

分，即照明部分、成像部分和观察记录部分。

照明部分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、会聚电子束的聚光镜和电子束平移、倾斜调节装置组成。成像部分主

要由物镜、中间镜，投影镜及物镜光阑和选区光阑组成。穿过试样的透射电子束在物镜后焦

面成衍射花样，在物镜像面成放大的组织像，并经过中间镜、投影镜的接力放大，获得最终的图像。观察记录部分由荧光屏及照像机组成。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。如需照像，掀起荧光屏，使像机中底片曝光，底片在荧光屏之下，由

于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的

图像。

2.2 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。

目前一般电镜的真空度为10-5托左右。真空泵组经常由机械泵和扩散泵两级串联成。为

扫描、透射电镜在材料科学中的应用

摘要：在科学技术快速发展的今天，人们不断需要从更高的微观层次观察、认识

周围的物质世界，电子显微镜的发明解决了这个问题。电子显微镜可分为扫描电

了显微镜简称扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜简称透射电镜(TEM)两大类。

本文主要介绍扫描、透射电镜工作原理、结构特点及其发展，阐述了其在材料科

学领域中的应用。1扫描电镜的工作原理

扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。扫描电镜从原理上讲

就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过

对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

电子束和固体样品表面作用时的物理现象：当一束极细的高能入射电子轰击

扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连

续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的

电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）。

由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小

形成能谱仪可以获得且具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，

在扫描线圈驱动下，于试样表面作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作，产生

二次电子发射（以及其它物理信号）。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，

经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，则

可以得到反映试样表面形貌的二次电子像[1]。2扫描电镜的构成

主要包括以下几个部分：1.电子枪——产生和加速电子。由灯丝系统和加速管两部分组成

2.照明系统——聚集电子使之成为一定强度的电子束。由两级聚光镜组合而成。

3.样品室——样品台，交换，倾斜和移动样品的装置。

4.成像系统——像的形成和放大。由物镜、中间镜和投影镜组成的三级放大系统。

调节物镜电流可改变样品成像的离焦量。调节中间镜电流可以改变整个系统的放

大倍数。5.观察室——观察像的空间，由荧光屏组成。

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。

透射电镜的基本结构及应用举例

一、实验目的

1.理解透射电子显微镜（TEM : transmission electron microscope）的成像原理，观察基本结构；

2.掌握典型组织的TEM像的基本特征和分析方法。

二、透射电镜的基本结构和成像原理

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（镜筒）、电源和控制系统、真空系统三部分组成。

显微镜原理对比图 )透射电子显微镜 b) 透射光学显微镜

电子枪发射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜会聚成很细的电子束照明样品。因为电子束穿透能力有限，所以要求样品做得很薄，观察区域的厚度在200nm左右。由于样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向有差别，使电子束透过样品时发生部分散射，其散射结果使通过物镜光阑孔的电子束强度产生差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上，形成第一幅反映样品微观特征的电子像。然后再经中间镜和投影镜两级放大，投射到荧光屏上对荧光屏感光，即把透射电子的强度转换为人眼直接可见的光强度分布，或由照相底片感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。

三、实验仪器

1.JEM-2010型透射电子显微镜

JEM-2010高分辨型透射电子显微镜，是日本电子公司的产品。它的主要性能指标是：晶格分辨率0.14nm；点分辨率0.23nm；最高加速电压200KV；放大倍数2,000～1,500,000；样品台种类有：单倾、双倾。JEM-2010还配有CCD相机，牛津公司的能谱仪（EDS），美国GATAN公司的能量损失谱仪（EELS）。

可观察的试样种类：复型样品；金属薄膜、粉末试样；玻璃薄膜、粉末试样；陶瓷薄膜、粉末试样。

主要功能：JEM-2010属于高分辨型透射电镜，可以进行高分辨图像观察，位错组态分析；第二相、析出相结构、形态、分布分析；晶体位向关系测定等。CCD相机可以实现透射电子图像的数字化。能谱仪及能量损失谱仪可以获得材料微区的成分信息。