透射电镜-第一部分
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透射电镜的工作原理
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。
总结来说，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。
透射电镜样品制备方法
透射电镜样品制备方法
首先，样品的准备是透射电镜制备的第一步。
在进行透射电镜
样品制备之前，需要选择合适的样品。
样品可以是固体材料、生物
组织、纳米材料等，根据研究的目的和对象进行选择。
在选择样品
的过程中，需要考虑样品的形态、尺寸、结构等因素，以确保样品
能够满足透射电镜观察和分析的要求。
其次，样品的制备过程需要严格控制。
对于固体材料样品，通
常需要将样品切割成薄片或薄膜，以确保透射电镜的电子束能够穿
透样品并产生清晰的像像。
对于生物组织样品，通常需要进行化学
固定、脱水、包埋等处理，以保持样品的形态和结构。
对于纳米材
料样品，通常需要将样品分散在适当的溶剂中，并在透射电镜网格
上制备成薄膜。
在样品制备的过程中，需要注意避免样品的污染和
损坏，确保样品的原貌和结构不受影响。
最后，在透射电镜样品制备完成后，需要进行适当的检测和验证。
可以通过光学显微镜、扫描电子显微镜等手段对样品进行初步
的观察和分析，以确保样品的质量和完整性。
在透射电镜观察之前，还需要对样品进行真空干燥等处理，以避免在透射电镜中产生气泡
和水膜等影响观察效果的问题。
总之，透射电镜样品制备是透射电镜观察和分析的基础，正确的样品制备方法对于获得准确、可靠的实验结果至关重要。
在进行透射电镜样品制备时，需要选择合适的样品、严格控制制备过程，并进行适当的检测和验证，以确保样品的质量和完整性。
希望本文提供的透射电镜样品制备方法能够对相关研究工作有所帮助。
第六章透射电子显微镜结构
v 分度盘是由带刻度的两段圆柱体组成，其中一段圆柱Ⅰ的一 个端面和镜筒固定，另一段圆柱Ⅱ可以绕倾斜轴线旋转。圆 柱Ⅱ绕倾斜轴旋转时，样品杆也跟着转动。如果样品上的观 察点正好和图中两轴线的交点O重合时，则样品倾斜时观察 点不会移到视域外面去。为了使样品上所有点都能有机会和 交点O重合，样品杆可以通过机械传动装置在圆柱分度盘Ⅱ 的中间孔内作适当的水平移动和上下调整。
会聚后照射到样品上。 v 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行
度好、束流稳定的照明源。
第六章透射电子显微镜结构
1、电子枪
常用的是热阴极三极电子枪，它由（发夹形）钨丝阴极、栅 极和阳极组成。 v 阴极：又称灯丝，一般是由0.03～0.1毫米的钨丝作成V或Y 形状。 v 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极 接地，阴极带有负高压。 v 栅极：控制电子束电流大小，调节象的亮度。 v 阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能，因此， 人们习惯上把它们通称为“电子枪”，是透射电子显微镜的 电子源。
第六章透射电子显微镜结构
四、真空系统
v 电子显微镜工作时， 整个电子通道从电子枪至照相底板盒都 必须置于真空系统之内，一般真空度为10-4～10-7Pa。
v 真空作用：①保证电子尽可能少地损失能量，获得足够的速 度和穿透能力；②保证只与试样相互作用，不与空气分子发 生碰撞。
v 真空度不好：①高速电子和气体分子相撞而产生随机散射电 子，引起炫光，降低象的衬度；②气体分子被电离而出现放 电现象，使电子束不稳定，成像质量变坏； ③灯丝因真空不 好而被氧化，缩短寿命。
第六章透射电子显微镜结构
v 高性能的透射电镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影 镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二 投影镜。
会聚后照射到样品上。 v 照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行
度好、束流稳定的照明源。
第六章透射电子显微镜结构
1、电子枪
常用的是热阴极三极电子枪，它由（发夹形）钨丝阴极、栅 极和阳极组成。 v 阴极：又称灯丝，一般是由0.03～0.1毫米的钨丝作成V或Y 形状。 v 阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极 接地，阴极带有负高压。 v 栅极：控制电子束电流大小，调节象的亮度。 v 阴极、阳极和栅极决定着电子发射的数目及其动能，因此， 人们习惯上把它们通称为“电子枪”，是透射电子显微镜的 电子源。
第六章透射电子显微镜结构
四、真空系统
v 电子显微镜工作时， 整个电子通道从电子枪至照相底板盒都 必须置于真空系统之内，一般真空度为10-4～10-7Pa。
v 真空作用：①保证电子尽可能少地损失能量，获得足够的速 度和穿透能力；②保证只与试样相互作用，不与空气分子发 生碰撞。
v 真空度不好：①高速电子和气体分子相撞而产生随机散射电 子，引起炫光，降低象的衬度；②气体分子被电离而出现放 电现象，使电子束不稳定，成像质量变坏； ③灯丝因真空不 好而被氧化，缩短寿命。
第六章透射电子显微镜结构
v 高性能的透射电镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影 镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二 投影镜。
透射电镜tem的主要组成部分
透射电镜tem的主要组成部分TEM主要包括三个组成部分，分别是电子光学、电源与控制、真空系统三个组成部。
TEM的总体工作原理是:电子束由电子枪发射出来，在真空通道中穿越聚光镜，通过聚光镜将电子束会聚成一束光斑，照射在样品上，电子束透过样品后便携带有样品内部的结构信息，由于电子束的穿透力很弱，因此样品内致密处透过的电子量少，而稀疏处透过的电子量多，电子束透过样品后就进入到成像系统，首先经过物镜，被初级放大，而后进入到中间镜，综合放大，最后投影镜将放大的电子像投射到观察记录系统中的荧光屏上，并转换成可以观察的可见光像，由照相系统存成图片的形式。
下面将简单介绍下各个组成部分的结构以及原理。
一、照明系统照明系统有两个主要部件:1、电子枪:发射高能电子束，提供光源。
电子枪由阴极、阳极及位于阴极和阳极间的栅极组成，阴极是产生自由电子的源头，一旦阴极受热，就会产生自由电子，下面的阳极与阴极形成电场，阳极能够吸引阴极发射出的自由电子，并改变其运动状态，使之从杂乱无章改变到有序定向，而阴极下的栅极，在受到偏压作用后，会对电子束产生汇聚作用，即向中心轴聚集，这样就使运动在轴心的电子束能够穿过阳极中心，射出电子枪，进而形成了照射样品所需的光源。
同时，栅极还具有调节改变自由电子发射量的作用。
电子枪的工作原理如下:接通电源后，就会产生一定的电流，电流首先通过阴极，致使灯丝发热程度超过25000C，这时阴极产生的自由电子就会从灯丝表面逸出。
接通电源同时会产生加速电压，阳极表面产生的正电荷形成了正电场，阴极表面的自由电子在受到电场的作用后就会逸出，从电子枪射出形成电源。
通过改变灯丝电源能够使灯丝运行时处于欠饱和状态，如果想要改变亮度，就要改变电子束流量，而电子束流量的改变可以通过改变栅极变压来获得。
电镜工作时分辨率也是可以调节的，要想增大分辨率，也就是增强电子的穿透力，这时只要增加加速电压即可获得穿透力的增强，因为电压的加速会缩小波长，波长越小穿透力越强，虽然这样做可以增大分辨率，但也同样带来了相应的弊端，即成像反差的降低。
透射电镜(TEM)
应用及特点
一：应用：透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物 体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更 薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得 很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。 对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。图为超薄切片的制备
显微镜原理对比图
应用举例
1.元素分布分析 利用微束技术对在光学显微镜下所选区域进行扫描分析，可 获得元素的分布图（线分布、面分布、深度分布和断层）， 来比较研究元素的区域（或相）分布特征。这类分析称为元 素分布分析。
合金元素在γ和γ’中的分布
应用举例
2.微观形貌观察
镍基高温合金蠕变后的位错形貌
应用举例
JEM2010－透射电子显微镜
原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
1.吸收像：当电子射到质量、密密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品 上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透 射电子显微镜都是基于这种原理 2.衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体 各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同， 从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 3.相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略， 成像来自于相位的变化。
TEM组件
电子枪：发射电子，由阴极、栅极、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、加压的作用。 聚光镜：将电子束聚集，可用于控制照明强 度和孔径角。 样品室：放置待观察的样品，并装有倾转 台，用以改变试样的角度，还有装配加热、 冷却等设备。 物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是 放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分 辨能力和成像质量的关键。 中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电 子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流， 可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。 透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间 像后在荧光屏上成像。 此外还有二级真空 泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影 像
透射电镜
2、成像系统
成像系统是电镜获得高分辨 率高放大倍数的核心组件 组成 三组电磁透镜(物镜、中间镜和 投影镜) 两个金属光阑(物镜光阑和选区 光阑） 消像散器
对于所形成的三级放大像 （如图），放大倍数为： M=MoMIMp
（1）物镜
是用来形成第一幅高分辨率电 子显微图像或电子衍射花样的 透镜 透射电子显微镜分辨本领的高 低主要取决于物镜。只有被物 镜分辨出来的结构细节，通过 中间镜和投影镜的放大，才能 被肉眼看清。 物镜是一个强激磁，短焦距的 透镜。它的放大倍数很高，一 般为100-300倍。目前高质量 的物镜分辨率可达0.1nm左右 物镜的分辨率主要取决于极靴 的形状和加工精度。
控制系统
四、主要部件的结构
1、样品台
位置：透射电镜的样品是放
置在物镜的上、下极靴之间。
作用：装载试样
由于这里的空间很小，所以 透射电镜的样品也很小，通 常是直径2～3mm、厚度约为 200纳米的薄片，通常用外径 3mm的样品铜网支持，网孔或 方或园，约0.075mm。
2 、电子束倾斜与平移装置
（2）聚光镜
放大倍数为几十万倍的高分辨率电子显微镜要求样品 被照明的范围很小，因此把电子枪提供的光斑直径进 一步会聚缩小，以便得到一束强度高，直径小，相干 性好的电子束。高性能电子显微镜一般采用双聚光镜 系统。 作用： ①会聚经加速管加速的电子束，以最小的损失照射样品； ②调节照明强度、孔径角和束斑大小。
(2)中间镜
改变中间镜的电流，如果把 中间镜的物平面和物镜的像 平面重合，电镜处于成像模 式，在荧光屏上得到试样的 形貌像。这就是电镜中的高 倍放大操作，如图(a)。
如果把中间镜的物平面和物 镜的后焦面重合，电镜处于 衍射模式，在荧光屏上得到 一幅电子衍射花样，这就是 电镜中的电子衍射操作，如 图(b)。
120kv冷冻透射电镜的使用操作指南
120kv冷冻透射电镜的使用操作指南第一章：概论1.1介绍1.2设备结构-主机：包括电子束部分、显微镜部分和样品台部分。
-控制台：用于设定和调整电镜的参数，如电子束强度、聚焦等。
-电脑：用于图像采集和处理。
第二章：准备工作2.1安装和校准在使用120kv(T12)冷冻透射电镜之前，需要对设备进行安装和校准。
校准包括对电子束轴和样品台的定位校准，以确保获得准确的成像结果。
2.2准备样品-样品制备：对于生物样品，需要进行特定的处理和制备工作。
这包括固定样品、包埋样品、切片样品等。
-样品处理：根据具体实验要求，可以进行进一步的样品处理，如染色、抗体标记等。
-样品装载：将样品放入样品台，并确保样品在电镜中的位置准确。
第三章：操作流程3.1打开电脑和控制台-首先，打开电脑，并启动电镜控制软件。
-进入控制台界面，检查电子束和样品台的状态。
3.2设定电子束参数-在控制台上，调整电子束的强度和聚焦。
-根据样品的要求，选择适当的加速电压。
3.3对焦调整-使用控制台上的焦距调整按钮，将样品的感兴趣区域清晰投影到屏幕上。
3.4图像采集-在屏幕上选择感兴趣的区域，并调整曝光时间和增益等参数。
-点击图像采集按钮，开始采集图像。
第四章：注意事项4.1温度控制通常情况下，120kv(T12)冷冻透射电镜可提供样品冷冻功能。
在使用中国时，需要确保样品冻结的温度恒定，并避免样品受热。
4.2安全操作在操作电镜时，应注意遵循安全操作规范。
这包括佩戴防护眼镜、避免直接观察电子束、避免触摸高压区域等。
4.3清洁和维护定期对电镜进行清洁和维护，以保持设备的工作良好状态。
这包括清洁镜片、调整样品台、清理滤网等。
第五章：故障排除5.1故障诊断当电镜出现故障时，应先通过观察和记录现象，尝试诊断故障的原因。
可能的故障原因包括电源问题、样品装载不当等。
5.2故障修复根据故障诊断的结果，采取相应的措施进行故障修复。
可能的解决方法包括重新插拔电源线、重新安装样品等。
讲透射电子显微镜讲课文档
第十三页，共89页。
13
球差
▪ 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域对电子会聚能力 不同而造成的，下图示意地表示了这种缺陷。远轴电子通 过透镜时被折射得比近轴电子厉害得多，因而由同一物点 散射的电子经过透镜后不交在一点上，而是在透镜像平面 上变成了一个漫射圆斑。
第十四页，共89页。
14
像散
▪ 像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。磁场不同方向对 电子的折射能力不一样，电子经透镜后形成界面为椭圆状的光束，使圆 形物点的像变成了一个漫射圆斑。
第二十八页，共89页。
28
制备复型的材料特点
▪ 本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说， 为了不干扰对复制表面形貌的观察，要求复型材料即使在高 倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。
▪ 必须对电子束足够透明（物质原子序数低）； ▪ 必须具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变； ▪ 必须具有良好的导电性，耐电子束轰击；
优于0.14nm） ▪ 1956年，门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电
子显微术， 获得原子像。
第三页，共89页。
3
阿贝光栅成像原理
▪ 成像系统光路图如图所示。当来自 照明系统的平行电子束投射到晶体 样品上后，除产生透射束外还会产 生各级衍射束，经物镜聚焦后在物 镜背焦面上产生各级衍射振幅的极 大值。每一振幅极大值都可看作是 次级相干波源，由它们发出的波在 像平面上相干成像，这就是阿贝光 栅成像原理。
▪ 利用景深的这一性质可以产生一些特殊效果，例如选择孔径半角的大小， 可以得到背景和主题都清晰的图像，或者只有主题清晰，而背景被虚化 掉。在金相摄影中只要景深允许可以使样品表面凸凹不平的形貌在照片 上都得到清晰的图像。 透镜的焦长是指在保持像清晰的前提下，像平 面沿镜轴上下移动的距离Dt=DfM
透射电子显微镜基本结构及功能
透射电子显微镜部分结构及功能在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（s ubmicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructu res）。
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。
1 932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron mi croscope，TEM），电子束的波长要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的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。
另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。
这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。
电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。
电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。
高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。
透射式显微镜的结构与原理透射式电子显微镜(TEM)与投射式光学显微镜的原理很相近，它们的光源、透镜虽不相同，但照放大和成像的方式却完全一致。
在实际情况下无论是光镜还是电镜，其内部结构都要比图示复杂得多，图中的聚光镜（condonser lens）、物镜（object lens）和投影镜（projection lens）为光路中的主要透镜，实际制作中它们往往各是一组（多块透镜构成），在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差，又常在投影镜之上增加一至两级中间镜（i ntemediate lens）。
简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜，广泛用于材料科学、生物学、化学等领域的研究中。
本文将简述透射电镜的基本结构、操作步骤及注意事项。
一、基本结构透射电镜的基本结构包括电子源、准直系统、样品舞台、成像系统和探测器等部分。
电子源：透射电镜使用的电子源通常是热阴极，其工作原理是通过加热使钨丝发射电子。
准直系统：准直系统主要包括透镜和光阑，其作用是将电子束聚焦并限制其直径。
样品舞台：样品舞台通常由两部分组成，一部分用于支撑样品，另一部分用于调节样品的位置和角度。
成像系统：成像系统由物镜和投影仪组成，其作用是将电子束通过样品后的信息转换为图像。
探测器：透射电镜使用的探测器通常是荧光屏或CCD相机，其作用是记录成像系统成像的图像。
二、操作步骤1. 准备样品：样品需要制备成薄片，并在样品舞台上固定好。
2. 调节准直系统：调节准直系统，使其能够将电子束聚焦并限制其直径。
3. 调节样品位置：调节样品位置和角度，使其能够被电子束扫描到。
4. 调节成像系统：调节成像系统，使其能够将电子束通过样品后的信息转换为图像。
5. 开始成像：通过探测器记录成像系统成像的图像。
6. 分析图像：对成像得到的图像进行分析和处理，得出所需的信息。
三、注意事项1. 样品制备：样品需要制备成薄片，厚度通常在几纳米到几百纳米之间。
2. 样品固定：样品需要被固定在样品舞台上，以避免样品在扫描过程中移动或晃动。
3. 准直系统调节：准直系统需要在使用前进行调节，以确保电子束能够被聚焦并限制其直径。
4. 调节样品位置：在调节样品位置和角度时，需要小心操作，以避免损坏样品或样品舞台。
5. 成像系统调节：成像系统需要在使用前进行调节，以确保能够将电子束通过样品后的信息转换为图像。
6. 安全操作：在使用透射电镜时，需要注意安全操作，避免电子束对人体产生伤害。
总之，透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜，其基本结构包括电子源、准直系统、样品舞台、成像系统和探测器等部分。
透射电镜实验报告
透射电镜实验报告透射电镜是一种能够观察样品内部结构的高级显微镜，它利用电子束的透射来形成样品的显微图像。
透射电镜实验是现代生物学、材料科学和纳米技术等领域中常用的实验手段，可以帮助研究人员观察和分析样品的微观结构。
本实验旨在通过透射电镜对样品进行观察，了解透射电镜的工作原理和操作方法，以及掌握透射电镜实验的基本技能。
实验步骤：1. 样品制备，首先，我们需要准备样品。
样品制备的关键是要将样品切割成极薄的切片，以便电子束能够透射样品并形成清晰的显微图像。
2. 透射电镜的准备，接下来，我们需要对透射电镜进行准备。
首先打开透射电镜的主电源，等待其预热。
然后安装样品架，并调整透射电镜的对焦和放大倍数，以确保能够获得清晰的显微图像。
3. 样品观察，将制备好的样品放置到透射电镜的样品架上，调整透射电镜的参数，如加速电压和聚焦，然后通过电子束对样品进行观察。
观察过程中需要注意调整对比度和亮度，以获得清晰的显微图像。
4. 数据分析，观察完样品后，我们需要对获得的显微图像进行分析。
通过观察样品的微观结构，我们可以了解样品的成分、晶体结构、表面形貌等信息，并对样品进行进一步的研究和分析。
实验结果：通过透射电镜观察，我们成功获得了样品的显微图像，并对样品的微观结构进行了初步分析。
我们观察到样品中的颗粒分布情况，以及颗粒的形状和大小。
通过对比不同样品的显微图像，我们还可以比较不同样品之间的微观结构差异，为进一步研究提供了重要参考。
实验总结：透射电镜实验是一项重要的实验手段，可以帮助研究人员观察和分析样品的微观结构。
通过本次实验，我们掌握了透射电镜的操作方法和样品制备技巧，并成功获得了样品的显微图像。
透射电镜实验为我们提供了一种全新的观察样品的方式，为我们的研究工作提供了重要的帮助。
透射电镜实验报告到此结束。
透射电镜(TEM)PPT课件
2021/3/9
授课：XXX
2
JEM2010－透射电子显微镜
原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
1.吸收像：当电子射到质量、密密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品 上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透 射电子显微镜都是基于这种原理
2.衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体 各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同， 从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 3.相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略， 成像来自于相位的变化。
2021/3/9
授课：XXX
5
二：特点：以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束波长与加速电压(通常 50~120KV)成反比。由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、 电源系统等5部分构成。分辨力0.2nm，放大倍数可达百万倍。TEM分析技术是以 波长极短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率（1nm）、高放 大倍数的电子光学分析技术；用电镜（包括TEM）进行样品分析时，通常有两个 目的：一个是获得高倍放大倍数的电子图像，另一个是得到电子衍射花样；TEM
常用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳 米粒子的粒径。是常用的纳米复合材料微观结构的表征技术之一。
2021/3/9
授课：显X微XX镜原理对比图
6
应用举例
1.元素分布分析
利用微束技术对在光学显微镜下所选区域进行扫描分析，可 获得元素的分布图（线分布、面分布、深度分布和断层）， 来比较研究元素的区域（或相）分布特征。这类分析称为元 素分布分析。
透射电镜(TEM)原理详解(课堂PPT)
• 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜 的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法 来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的 影响; 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还 没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜 分辨本领的限制就不容忽略了。
0.2~0.3nm
有效放大倍数
103×
106×
物镜孔径角
约700
＜10
景深
较小
较大
焦长
较短
较长
像的记录
照相底板
照相底板
正是由于 α很小， TEM的 景深和焦 长都20很大
• TEM成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物 镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物 镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。
辨本领也急剧地下降
10
衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率
• 由球差和衍射同时起作用
的电磁透镜的理论分辨率
可以由这两个效应的线性
叠加求得，即
r
rs
rd
1 4
Cs
3
0.61
• 孔径半角α对衍射效应的分辨
率和球差造成的分辨率的影响
是相反的。提高孔径半角α可
以提高分辨率Δrd，但却大大
降低了ΔrS。
• 由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电 磁透镜的像差包括球差、像散和色差。
8
• 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中 球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著； 像散可以消除；色差的影响是电压波动和 样品厚度不均
9
球差
• 球差是因为电磁透镜近轴 区域磁场和远轴区域磁场 对电子束的折射能力不同 而产生的。
0.2~0.3nm
有效放大倍数
103×
106×
物镜孔径角
约700
＜10
景深
较小
较大
焦长
较短
较长
像的记录
照相底板
照相底板
正是由于 α很小， TEM的 景深和焦 长都20很大
• TEM成像系统可以实现两种成像操作：一种是将物 镜的像放大成像，即试样形貌观察；另一种是将物 镜背焦面的衍射花样放大成像，即电子衍射分析。
辨本领也急剧地下降
10
衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率
• 由球差和衍射同时起作用
的电磁透镜的理论分辨率
可以由这两个效应的线性
叠加求得，即
r
rs
rd
1 4
Cs
3
0.61
• 孔径半角α对衍射效应的分辨
率和球差造成的分辨率的影响
是相反的。提高孔径半角α可
以提高分辨率Δrd，但却大大
降低了ΔrS。
• 由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电 磁透镜的像差包括球差、像散和色差。
8
• 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中 球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著； 像散可以消除；色差的影响是电压波动和 样品厚度不均
9
球差
• 球差是因为电磁透镜近轴 区域磁场和远轴区域磁场 对电子束的折射能力不同 而产生的。
失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM）TEM一般被使用来分析样品形貌
失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM）TEM一般被使用来分析样品形貌（morhology），金相结构（crystallographic structure）和样品成分分析。
TEM比SEM系统能提供更高的空间分辨率，能达到纳米级的分辨率，通常使用能量为60-350keV的电子束。
与TEM需要激发二次电子或者从样品表面发射的电子束不同，TEM收集那些穿透样品的电子。
与SEM一样，TEM使用一个电子枪来产生一次电子束，通过透镜和光圈聚焦之后变为更细小的电子束。
然后用这种电子束轰击样品，有一部分电子能穿透样品表面，并被位于样品之下的探测器收集起来形成影像。
对于晶体材料，样品会引起入射电子束的衍射，会产生局部diffraction intensity variations，并能够在影像上非常清晰的显现出来。
对于无定形材料，电子在穿透这些物理和化学性质都不同的材料时，所发生的电子散射情况是不相同的，这就能形成一定的对比在影像观察到。
对于TEM分析来说最为关键的一步就是制样。
样品制作的好坏直接关系到TEM能否有效的进行观察和分析，因此，在制样方面多加努力对于分析者来说也是相当必要的工作。
扫描声学显微镜集成电路封装的可靠性在许多方面要取决于它们的机械完整性.由于不良键合、孔隙、微裂痕或层间剥离而造成的结构缺陷可能不会给电性能特性带来明显的影响,但却可能造成早期失效.C模式扫描声学显微镜(C—SAM)是进行IC封装非破坏性失效分析的极佳工具,可为关键的封装缺陷提供一个快速、全面的成象.并能确定这些缺陷在封装内的三维方位.这一C—SAM系统已经在美国马里兰州大学用于气密性(陶瓷)及非气密性(塑料)IC封装的可靠性试验。
它在塑料封装常见的生产缺陷如:封装龟裂、叶片移位、外来杂质、多孔性、钝化层龟裂、层间剥离、切断和断裂等方面表现出字串1俄歇电子（Auger Analysis ）是一种针对样品表面进行分析的失效分析技术。
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2、透射电镜的成像原理
2.1 电子束与固体的相互作用
特征X射线
2.2 电子的波长
1.225 U
一般透射电镜的加速电压为50－200kV，超 高压电镜则可达到1000－3000kv，须引入相对
论修正。
1.225 U 10 U
6 2
(nm)
不同加速电压下的电子波长
制造高分辨本领的显微镜关键在于电子束用的 透镜－电子透镜。
透射电镜的成像原理与光学显微镜类似。 根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束， 透射电子显微镜以电子为照明束。在光学显微 镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子
显微镜中相应的为磁透镜。
2.7 电磁透镜 能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron
lens）
静电透镜
电子透镜 磁透镜 电磁透镜 恒磁透镜
③电子的初速度相等。
像差的存在影响图像的清晰度和真实性，
从而限制了电子显微镜的分辨本领。
2.4 电子透镜的像差
2.4.2 像差分类
1、几何像差
①球面像差；
②像畸变；
③像散
2、色差
1、几何像差
几何像差-----由透镜磁场几何上的缺陷产生的像差。 ①球面像差(球差) 是透射电镜磁场中近轴区域与远轴区域对电子的 折射能力不同而产生。
z e n
由核外电子引起的非弹性散射与原子核产生的
弹性散射之比：
e re 2 (
e 2 ) U e
Z e
n rn 2 (
Ze 2 ) U n
n
1 Z
随着原子序数的增加，原子核的散射截面增加。
单位体积中包含有N个原子的电子散射截面Q：
不同点： 1、电子波的波长比X射线短得多，-2rad。而X射线产生衍射时，其衍射角 最大可接近π/2。 2、原子对电子的散射能力远高于它对X射线的 散射能力（约高出四个数量级），故电子 衍射束的强度较大，摄取衍射花样时暴光 时间仅需数秒钟。
3、电子在试样中的穿透能力有限，只能用于研
Fr(vr) Ⅱ
磁透镜及其会聚作用
因此电子在磁场中运动时将产生三个运动分量： 轴向运动（速度vz), 绕轴旋转（速度vθ）， 指向轴的运动（速度vr)。 总的结果是使电子以螺旋方式不断地靠近轴 向前运动。可见，轴对称的磁场对运动的电子总 是起会聚作用，磁透镜都是会聚头透镜。
O
平行于轴入射的电子经过电子透镜后，其运动 轨迹与轴相交于O点，该点为透镜的焦点。
U f c R 2 ( NI )
f>0,表明磁透镜为会聚透镜； f∝1/(NI)2,可调节线圈电流来改变透镜焦距。
f∝U，加速电压愈大，电子速率越大，焦距越长。
因此电镜中保证加速电压的稳定度（△U/U,10-6),
以保证得到恒定的电子速度，减少焦距的波动，
降低色差，从而得到高质量的图像。
a
b
②极靴透镜
1 m 2 eU 2
2eU1 1 m 2eU 2 2 m
sin U2 sin U1
又因
1 U
sin U 2 1 sin U 1 2
U1/2相当于折射率
电场中等电位面是对电子折射率相同的面
静电透镜
（2）静电透镜 一定形状的介质光学界面（如玻璃
Q N N 0 A
N0为阿伏伽德罗常数，A为原子量
若试样厚度为t时的散射几率：
试样的质厚
N 0 0 ( t ) Qt A
随着试样的质厚增加，电子的散射几率增加
2.5 弹性相干散射和电子衍射
由于固体晶体中的原子在三维空间的排列具
有周期性，电子在受到这些规则排列的原子集合
体的弹性散射后，各原子散射的电子波相互干涉
如果电磁透镜在制造过程中已存在固有的像
散，则可通过引入一个 强度和方位都可以调节
Cs 3 s 4
Cs为球差系数，β为磁透镜孔径半角。
Cs 3 s 4
短焦距磁透镜有较小的球差系数。用小孔径角
成像时，可使球差明显减小，从而提高透镜的
分辨本领。
目前，电磁透镜减小球差的唯一方法是采
用小孔径光阑获得可能小的孔径半角，挡去高 散射角电子，使参与成像的电子主要是通过磁 场近轴区域的电子。
Airy 斑的大小用第一暗环的半径r0来衡量
对于光学透镜：
d r0 0.61 n sin
对于电磁透镜，数值孔径约等于孔径半角
d r0 0.61
d
. .
2.4 电子透镜的像差
2.4.1 理想成像的条件：
①场分布严格轴对称
②满足旁轴条件，即物点离轴很近，电子射
线与轴之间夹角很小。
使电子合成波在某些方向得到加强，而在某些方
向削弱，在相干散射加强的方向产生电子衍射束。
弹性相干散射是电子束在晶体中产生衍射现
象的基础。
电子衍射与X射线衍射异同 相同点： 电子衍射的原理和X射线衍射相似，是以满 足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的 必要条件。
2d hkl sin
工作电压为100-300KV，电子波长为10-3nm，
加速电压20、40、 60、80、100 、 120KV LaB6或W灯丝, 晶 格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约 2nm； 倾转角度α=±20 度β=±25度
Philips CM12透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
JEM-2010透射电镜
洛伦兹力与速度方向垂直，这种力不改变速度的
大小，电子在磁场中运动时，动能保持不变，磁
透镜不改变电子束的能量，但却不断改变电子束
的方向。
通电流的圆柱形线圈产生旋转对称的（轴对称的） 磁场，对电子束有会聚成像的性质，在电子光学 中称为磁电子透镜，简称磁透镜。
A
v
Bz
vθ Fθ(vθ) Br Ⅰ
e e Ure
e re U e
电子被散射的机会由散射截面σ确定：
r
r为散射中心的有效半径
2
e 2 e re ( ) U e
2
Ze 2 n rn ( ) U n
2
电子-电子散射截面
电子-原子核的散射截面
一个孤立原子的总散射截面σ是所有弹性散射和 非弹性散射截面的和：
2.7.1 静电透镜 （1）电子光学折射定律
电子在静电场中受到的洛伦兹力F：
F eE
E-为电场强度
V1’
V1’’ v
光线
U1
Ⅰ
1
θ 等电位面 γ
n1
A F
V2’
ⅡB
n2
V2’’ v
2
U2>U1 n1>n2
a
b
a 电子静电场中的折射
b 光线在介质界面处的折射
sin 1 ' / 1 2 sin 2 ' / 2 1
球差示意图
一般总是远轴比近轴区域的折射能力大。
一个理想的物点所散射的电子，经过具有球
差的磁透镜后，不能会聚在同一像点上，而
被分别会聚在一定的轴向距离上，无论像平 面放在何位，都不能得到一个点的清晰图像， 而只是在某个适当的位置，得到一个最小散 射图----最小散焦斑。
最小散焦斑相应的半径为 s
电子在磁透镜中的运动轨迹
光学会聚镜
（2）磁透镜
磁透镜在电子显微镜中可作为会聚透镜和各种成像
透镜。 ①短磁透镜 磁场沿轴延伸的范围远小于焦距的透镜叫短磁 透镜。 对于短磁透镜，透镜的焦距f,物镜a和像距b：
1 1 1 a b f
并可推导出：
U f c R 2 ( NI )
U 加速电压,R线包的半径 NI 透镜线包的安匝数 c 与透镜结构条件有关的常数(c>0)
②像散
由于极靴加工精度、极靴材料内部结构和成
分不均匀性影响磁饱和，导致场的非对称性，即
由透镜磁场的非旋转对称而引起。
像散示意图
在聚焦最好的情况下，能得到一个最小的散焦斑，
即像散散焦斑半径 为 A
A f A
f A 为透镜场非旋转对称性产生的焦距差，
β为透镜孔径半角
透镜磁场非旋转对称性越明显，焦距差越大， 散焦斑越大，透镜的分辨本领越差。
透射电子显微镜
Transmission electron microscope
特征X射线
1、概述
扫描电镜均只能观察物质表面的微观形
貌，无法获得物质内部的信息。
透射电镜由于入射电子透射试样后，将
与试样内部原子发生相互作用，从而改变其 能量及运动方向。显然，不同结构有不同的 相互作用,从而获得不同的结构信息。
到高速运动电子构成的电子束，各种电子显微镜
的电子枪都必须用静电透镜。
2.7.2 电磁透镜 （1）电子在磁场中的运动
e Fm (V H ) c
V：电子运动的速度矢量，H：磁场强度矢量
洛伦兹力的大小
e Fm VH sin(V , H ) c
其方向始终垂直于电子的速度矢量与磁场矢量所 组成的平面。
究微晶、表面和薄试样。
4、由于电子在试样中发生多次衍射，电子束的
强度不能被测量，因此利用电子衍射进行晶
体学分析，只关心衍射斑点或衍射线的位
置，而在X射线衍射分析中，衍射强度对晶体 结构分析具有重要作用。
2.6 透射电镜成像原理：
透射电子显微镜（TEM)使用一个平行的高能电
子束通过一片非常薄的试样而形成的图像。
凸透镜旋转对称的弯曲折射界面）可以
使光波聚焦成像，那么类似形状的等电
位曲面簇也能使电子波聚焦成像，这种