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第九章透射电子显微镜一、透射电子显微镜的结构与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、电源与控制系统及真空系统三部分组成。
电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它与光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图1（书上图9-1）所示。
它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。
图1 透射显微镜构造原理和光路（a）透射电子显微镜b）透射光学显微镜）（1、照明源2、阳极3、光阑4、聚光镜5、样品6、物镜7、物镜光阑8、选区光阑9、中间镜10、投影镜11、荧光屏或照相底片）（一）照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。
其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。
为满足明场和暗场成像需要、照明束可在2°～3°范围内倾斜。
电子枪是电镜的照明源，必须有很高的亮度，高分辨率要求电子枪的高压要高度稳定，以减小色差的影响。
1、电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源，是发射电子的照明源。
常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极帽和阳极组成，如图2（书上图9-2）所示。
（发射电子的阴极灯丝通常用0.03～0.1mm的钨丝，做成“V”形。
电子枪的第二个电极是栅极，它可以控制电子束形状和发射强度。
故有称为控制极。
第三个极是阳极，它使阴极发射的电子获得较高的动能，形成定向高速的电子流。
阳极又称加速极，一般电镜的加速电压在35～300kV之间。
为了安全，使阳极接地，而阴极处于负的加速电位。
由于热阴极发射电子的电流密度随阴极温度变化而波动，阴极电压不稳定会影响加速电压的稳定度。
为了稳定电子束电流，减小电压的波动，在电镜中采用自偏压电子枪。
）图a为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百伏的电位差。
透射电子显微镜实验报告透射电子显微镜的基本结构及成像原理认知实验一、实验目的1.理解透射电子显微镜（TEM : transmission electron microscope）的成像原理。
2.观察透射电子显微镜基本部件的名称，了解其用途；二、实验仪器仪器：JEM-2100UHR 透射电子显微镜（JEOL）透射电子显微镜用高能电子束作为照明源。
利用从样品下表面透出的电子束来成像。
原理及结构与透射式光学显微镜一样。
世界第一台透射电子显微镜是德国人鲁斯卡1936年发明的。
他与发明扫描隧道显微镜的学者一起获得1982年的诺贝尔物理奖。
目前透射电子显微镜的生产厂家有日本的日立（HITACHI）、日本电子（JEOL）、美国FEI、德国LEO。
透射电子显微镜的功能：主要应用于材料的形貌、内部组织结构和晶体缺陷的观察；物相鉴定，包括晶胞参数的电子衍射测定；高分辨晶格和结构像观察；纳米微粒和微区的形态、大小及化学成分的点、线和面元素定性定量和分布分析。
样品要求为非磁性的稳定样品。
可观察的试样种类：复型样品，金属薄膜和粉末试样，玻璃薄膜和粉末试样，陶瓷薄膜和粉末试样。
三、实验内容（一）透射电镜成像原理透射电子显微镜电子光学系统的工作原理可以用普通光学成像原理进行描述，也就是：平行光照射到一个光栅或周期物样上时，将产生各级衍射，在透镜的后焦面上出现各级衍射分布，得到与光栅或周期物样结构密切相关的衍射谱；这些衍射又作为次级波源，产生的次级波在高斯像面上发生干涉叠加，得到光栅或周期物样倒立的实像。
图1示意地画出了平行光照射到光栅后，在衍射角为θ的方向发生的衍射以及透射光线的光路图。
如果没有透镜，则这些平行的衍射光和透射光将在无穷远处出现夫琅和费衍射花样，形成衍射斑D和透射斑T。
插入透镜的作用就是把无穷远处的夫琅和费衍射花样前移到透镜的后焦面上。
后焦面上的衍射斑（透射斑视为零级衍射斑）作为光源产生次波干涉，在透镜的像平面上出现一个倒立的实像。
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）。
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1 JEM-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 N
N N N N
N
N N
S
S
S
S S S S S
O
O * L
f 0
r O '
试样
入射电子束
g ϖ
s ρ- R
R A ' 磁透镜
k 'ρ k ρ
B ' A
B
C
C '
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。
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