透射电镜的基本结构及应用举例

第十章透射电镜的结构与成像原理第十章透射电镜的结构与成像原理透射电镜构造原理透射电镜一般是电子光学系统、真空系统和电源与控制系统三大部分组成。

电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它又可以分为照明系统、成像系统和观察记录系统。

下图是电镜电子光学系统的示意图，其中左边是电镜的剖面图，右边是电镜的示意图和光学显微镜的示意图对比。

由图中可以看出，电镜中的电子光学系统主要包括电子枪、聚光镜、试样台、物镜、物镜光阑、选区光阑、中间镜、投影镜和观察记录系统等几部分组成，其成像的光路与光学显微镜基本相同。

电镜的电子光学系统中，一般将电子枪和聚光镜归为照明系统，将物镜、中间镜和投影镜归为成像系统，而观察记录系统则一般是荧光屏和照相机，现在的电镜往往还配有慢扫描CCD相机，主要用来记录高分辨像和一般的电子显微像。

下图是电子光学系统的框架图。

第一节照明系统照明系统由电子枪、聚光镜以及相应的平移、倾转和对中等调节装置组成，其作用是提供一束亮度高、照明孔径半角小、平行度好、束流稳定的照明源。

为了满足明场和暗场成像的需要，照明束可以在5度范围内倾转。

1.1电子枪电子枪可分为热阴极电子枪和场发射电子枪。

热阴极电子枪的材料主要有钨丝(W)和六硼化镧(LaB6)而场发射电子枪又可以分为热场发射、冷场发射和Schottky场发射，Schottky场发射也归到热场发射。

场发射电子枪的材料必须是高强度材料，一般采用的是单晶钨，但现在有采用六硼化镧(LaB6)的趋势。

下一代场发射电子枪的材料极有可能是碳纳米管。

A、热阴级电子枪热电子枪由灯丝（阴极）、栅极帽、阳极组成。

常用灯丝为钨丝（如H-800)、LaB6(如JEM-3010)。

下图为热阴级电子枪的示意图。

其中左图是电子枪自偏压回路的示意图，右边是电子枪中等电压面的示意图。

下图是热阴级电子枪的实图，其中左边是钨灯丝电子枪，右边是六硼化镧电子枪。

钨灯丝电子枪的特点是价格便宜，对真空系统的要求不高，一般用比较老式的电镜中；而六硼化镧灯丝的性能要优于钨灯丝，在现在的电镜中，热阴级电子枪一般采用六硼化镧灯丝。

简述透射电镜的基本结构1 前言透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种基于电子显微学原理的高分辨率显微镜，其分辨率可达到埃级甚至亚埃级。

该仪器广泛应用于物理学、材料科学、生物学、化学等领域，可用于研究各种材料的结构、形貌、成分、晶体学及电子学性质等。

2 TEM的基本结构透射电镜主要由以下四个基本部分组成：2.1 电子枪电子枪是TEM中产生电子束的关键部件，其常见的形式是热阴极电子枪和场致发射电子枪。

热阴极电子枪通过电热效应产生电子，而场致发射电子枪则利用局部电场在钨钯合金表面产生很高的电场强度，从而剧烈地加热表面使电子逸出。

2.2 电子透镜电子透镜是将电子束汇聚并聚焦到样品上的关键部件，其构成包括透镜、准直器和物镜。

电子透镜主要有两种类型：磁透镜和电透镜。

磁透镜利用磁场对电子束进行聚焦，而电透镜则利用电场对电子束进行调制。

2.3 样品台样品台是载样架，是放置样品的位置。

样品一般为超薄切片（通常在50~100nm范围内），为了使电子穿过样品，样品台需要设计成能够调节高度和倾角的形式。

2.4 检测器检测器主要用于检测穿过样品的电子，将电子转换成电信号，并进行处理，最终得到图像。

常见的检测器有荧光屏和数字相机。

荧光屏由镁铝酸盐（MgO）和少量Eu离子组成，电子射到荧光屏上时，荧光屏中的Eu离子被激发产生荧光，荧光被放大并通过透镜投射到目镜或相机上。

数字相机则将电信号采集并转换为数字图像。

3 总结透射电镜是一种高精度、高分辨率的显微镜，其应用范围极广，可以研究材料的微观结构和性质，为材料科学、物理学、化学、生物学等领域的研究提供了强有力的手段。

透射电镜的原理和应用透射电镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种使用电子束来对物质进行成像和分析的先进仪器。

相对于光学显微镜，透射电镜的分辨率更高，可以观察到更小尺寸的物体和更细微的细节。

下文将详细介绍透射电镜的原理和应用。

一、原理透射电镜的工作原理基于电子的波粒二象性。

当高速电子束穿过薄样品时，电子与样品原子发生散射或透射，这些散射和透射电子可以通过其中一种方式被聚焦后投射到屏幕上形成影像。

透射电镜的主要组成部分包括电子源、电子透镜系统、样品台、检测器和成像系统。

2.电子透镜系统：透射电镜中使用的电子透镜系统包括凸透镜、凹透镜和电磁透镜等，用于聚焦和控制电子束的路径。

3.样品台：样品台用于固定和支持待观察的样品。

在样品台上放置薄到几十纳米的切片样品，以便电子束能够透过。

4.检测器：透射电镜中常用的检测器包括透射电子探测器（TED）、散射电子探测器（SED）和能量散射光谱仪（EDS）等。

TED用于接收透射电子并产生明亮的影像，SED用于检测和分析散射电子的信息，EDS用于分析样品中的元素组成。

5.成像系统：透射电镜的成像系统包括投影屏幕、摄像机和电子显微图像处理设备。

通过调整电子透镜系统，可以将电子束上的信息转换成实时图像并显示在投影屏幕上。

二、应用透射电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有广泛的应用。

以下是透射电镜的几个主要应用。

1.结构表征：透射电镜可以用于观察材料的结构和形貌。

它能够提供高分辨率的图像，揭示物质的晶体结构、晶体缺陷、晶界和相界等微观结构信息。

2.成分分析：透射电镜结合能量散射光谱仪（EDS）可以分析样品中元素的组成。

EDS通过测量样品上散射电子的能量，确定样品中元素的成分和含量。

3.纳米材料研究：透射电镜可以研究和制备纳米尺寸的材料。

通过观察和测量纳米材料的形貌、尺寸和结构，可以了解纳米材料的特性和性能，并指导纳米材料的设计和合成。

透射电镜分析透射电镜是一种常用的材料表征技术，广泛应用于材料科学、生物医学和纳米技术领域。

透射电镜通过电子束的透射来观察样品的内部结构和成分。

本文将介绍透射电镜的原理、仪器结构、操作流程以及在材料科学领域的应用。

透射电镜利用高能电子束穿透样品，通过电子束与样品相互作用的方式，获取样品的内部信息。

与光学显微镜不同，透射电镜具有更高的空间分辨率，可以观察到更细小的结构细节。

同时，透射电镜具有较高的成分分辨率，可以确定材料的化学组成。

透射电镜主要由电子源、透镜系统、样品台和检测器组成。

电子源产生高能电子束，透镜系统对电子束进行聚焦和调节，样品台用于支撑样品并调节其位置，检测器用于接收透射电子并将其转化为图像信号。

在进行透射电镜观察时，首先需要制备适合的样品。

通常，样品要求薄至几个纳米至几十纳米的厚度，以保证电子束的穿透能力。

其次，样品需要通过切片技术制备成透明薄片或通过离子薄化技术获得适当厚度的样品。

制备好的样品被放置在透射电镜的样品台上，并进行位置调节以获得最佳的观察效果。

在透射电镜观察中，可以使用不同的探测模式来获取样品的信息。

例如，原子级分辨透射电镜（HRTEM）可以获得材料的晶体结构信息，高角度透射电子显微镜（HAADF-STEM）可以获得材料的成分信息。

透射电子衍射（TED）可以用于分析晶体的结晶方式和晶格参数。

透射电镜在材料科学领域有着广泛的应用。

首先，透射电镜可以用于研究材料的微观结构和相变行为。

例如，通过观察材料的晶体结构和缺陷，可以了解材料的力学性能和导电性能。

其次，透射电镜可以用于研究材料的纳米结构和纳米尺度现象。

由于透射电镜具有很高的分辨率，可以观察到纳米颗粒、纳米线和二维材料等纳米结构的形貌和性质。

此外，透射电镜还可以用于观察生物样品的超微结构，为生物学研究提供重要的信息。

总之，透射电镜是一种强大的材料表征技术，具有高分辨率和高成分分辨率的优势。

它在材料科学、生物医学和纳米技术等领域发挥着重要作用。

透射电镜的结构原理及应用1. 介绍透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是一种基于电子束传输与样品交互作用的高分辨率显微镜。

透射电镜通过在样品上透射的电子束来形成图像，因此可以观察到原子尺度的细节。

本文将介绍透射电镜的结构原理以及其应用领域。

2. 结构原理透射电子显微镜的基本结构由以下几个主要组件组成：2.1 电子源透射电子显微镜使用高速电子束来照射样品。

电子源通常采用热阴极电子枪，通过加热阴极发射高能电子。

电子源生成的电子束必须具有高度的单色性和准直性。

2.2 准直系统准直系统用于控制电子束的方向和准直度，确保电子束可以尽可能准直地照射到样品上。

准直系统通常包括准直光阑和采购透镜。

2.3 束流衰减系统束流衰减系统用于控制电子束的强度，以适应不同的样品特性和实验需求。

束流衰减系统包括限制光阑、透镜和衰减器等组件。

2.4 对焦系统对焦系统用于控制电子束的焦距，以确保电子束能够聚焦在样品表面或其内部的特定区域。

对焦系统包括透镜和聚焦光阑。

2.5 样品台和检测系统样品台是放置样品的平台，通常具有三维移动的能力，以便于调整样品的位置和观察区域。

检测系统用于检测透射电子束与样品交互后的信号，并将其转化为图像。

3. 应用领域透射电子显微镜在各个科学领域中具有广泛的应用。

以下是几个常见的应用领域：3.1 材料科学透射电子显微镜可以观察和分析材料的微观结构、晶格缺陷、晶体取向等特征。

它被广泛应用于纳米材料、催化剂、半导体器件等领域。

3.2 生物学透射电子显微镜在生物学研究中发挥着重要作用，可以观察和研究生物细胞、组织和病毒等微观结构。

它被用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。

3.3 纳米技术透射电子显微镜对于纳米技术的研究和开发非常关键。

它能够观察和控制纳米材料和纳米结构，有助于纳米器件的设计和制造。

3.4 地球科学透射电子显微镜在地质和地球科学中也具有重要的应用价值。

化学物质的透射电镜透射电镜是一种常用的分析工具，特别是在化学领域。

它利用电子束照射样品，通过观察电子透射的方式来研究物质的结构和性质。

本文将介绍透射电镜的原理、应用以及在化学物质研究中的重要作用。

一、透射电镜的原理透射电镜的原理基于电子的波粒二象性。

电子具有波动性质，与光的波动性质相似。

通过将电子束聚焦到很小的直径上，并使其通过样品，探测样品中透射电子的强弱，可以了解样品的结构和成分。

二、透射电镜的应用1. 结构研究：透射电镜可以用来研究材料的晶体结构和外形。

通过观察透射的电子的衍射图案，可以确定晶体的晶胞参数、晶面指数等信息。

同时，透射电镜还可以观察到有关晶格缺陷、原子排列和晶界等结构信息。

2. 成分分析：透射电镜可以通过观察透射电子的吸收和散射情况，来确定样品的成分。

利用不同化学物质对电子的散射和吸收的差异，可以获得样品的能谱图像，进而分析样品中的元素种类和含量。

3. 形貌观察：透射电镜还可以用来观察化学物质的形貌。

通过调节电子束的聚焦和透射模式，可以观察到样品的表面形貌以及微观结构，如纳米颗粒、薄膜厚度等。

三、透射电镜在化学研究和应用中的作用1. 新材料研发：透射电镜在新材料研发中起到了重要作用。

通过观察材料的晶格结构、成分分布和缺陷情况，可以帮助科学家们设计和合成具有特定性能的新材料。

2. 催化剂研究：催化剂在化学反应中起到了关键作用。

透射电镜可以用来研究催化剂的结构和活性中心，以及催化剂与反应物之间的相互作用，从而优化催化剂的性能和效率。

3. 纳米材料研究：纳米材料因其独特的物理和化学性质而备受关注。

透射电镜可以观察到纳米材料的形貌和结构信息，帮助了解纳米颗粒的生长机理、表面活性和物理化学性质。

4. 生物化学研究：透射电镜在生物化学领域中也有广泛的应用。

它可以用来观察生物大分子的结构和形貌，如蛋白质、核酸等，对于研究其功能和生物活性具有重要意义。

综上所述，透射电镜在化学物质研究中扮演着重要角色。

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）。