1、8-1 透射電子顯微鏡的結構與成像原理透射電子顯微鏡的結構與成像原理8-2 主要部件的結構與工作原理主要部件的結構與工作原理8-3 透射電子顯微鏡分辨本領和放大倍數(shù)測定透射電子顯微鏡分辨本領和放大倍數(shù)測定本章重點：本章重點：1 TEM1 TEM與光學透鏡的異同。與光學透鏡的異同。2 2 電子光學系統(tǒng)的構造及各部分的功能。電子光學系統(tǒng)的構造及各部分的功能。3 3 如何實現(xiàn)成像操作和衍射操作如何實現(xiàn)成像操作和衍射操作? ?4 TEM4 TEM中主要光闌的位置和作用。中主要光闌的位置和作用。5 5 成像系統(tǒng)中各透鏡的功能。成像系統(tǒng)中各透鏡的功能。 透射電子顯微鏡是以透射電子顯微鏡是以波長極短的電子束

2、作為照波長極短的電子束作為照明源明源，用電磁透鏡來聚焦成像，用電磁透鏡來聚焦成像，因此有很高的放大因此有很高的放大倍數(shù)（倍數(shù)（106倍），高分辨率（倍），高分辨率（0.1nm）。）。透射電鏡透射電鏡（TEM）電子光學系統(tǒng)（核心）電子光學系統(tǒng)（核心）電源與控制系統(tǒng)電源與控制系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察與記錄系統(tǒng)觀察與記錄系統(tǒng)TEM的結構：的結構：TEM 電子光學系統(tǒng)（鏡筒）電子光學系統(tǒng)（鏡筒）電源與控制系統(tǒng)電源與控制系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)電子槍：電子槍：TEM電子源電子源聚光鏡聚光鏡 平移、對中傾斜調節(jié)裝置平移、

3、對中傾斜調節(jié)裝置物鏡、中間鏡、投影鏡物鏡、中間鏡、投影鏡熒光屏和照相裝置熒光屏和照相裝置一一 概述概述1 TEM的光路成像原理的光路成像原理 電子槍發(fā)射電子束電子槍發(fā)射電子束 經聚光鏡聚焦經聚光鏡聚焦 照明樣品照明樣品 電子束穿過樣品電子束穿過樣品 在物鏡的背焦面上形成衍射花樣在物鏡的背焦面上形成衍射花樣 在物鏡的像平面上形成形貌圖像在物鏡的像平面上形成形貌圖像 圖像被中間鏡和投射鏡逐步放大圖像被中間鏡和投射鏡逐步放大 在熒光屏或感光底片上成像在熒光屏或感光底片上成像 經物鏡放大成像經物鏡放大成像圖圖 透射顯透射顯微鏡構造原微鏡構造原理和光路理和光路b) 透射光學透射光學顯微鏡顯微鏡a) 透射

4、電子顯微鏡透射電子顯微鏡2 鏡筒內為什么保持高真空狀態(tài)：鏡筒內為什么保持高真空狀態(tài)： 防止高速電子受空氣分子碰撞而改變運動防止高速電子受空氣分子碰撞而改變運動軌跡；軌跡； 避免因空氣分子電離而引起放電而破壞了避免因空氣分子電離而引起放電而破壞了電子槍電子槍 電極間的絕緣；電極間的絕緣；避免陰極氧化及樣品污染。避免陰極氧化及樣品污染。 3 為什么使用電磁透鏡？為什么使用電磁透鏡？ 使用靜電透鏡（用電場聚焦）需要高使用靜電透鏡（用電場聚焦）需要高壓，給設備的設計和操作帶來不便。壓，給設備的設計和操作帶來不便。 故現(xiàn)代電鏡中靜電透鏡只在電子槍中使故現(xiàn)代電鏡中靜電透鏡只在電子槍中使用；而聚光鏡、物鏡、

5、中間鏡和投影鏡則用；而聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡則都采用電磁透鏡（用磁場聚焦），可以通都采用電磁透鏡（用磁場聚焦），可以通過改變激磁電流來調節(jié)透鏡的聚焦能力。過改變激磁電流來調節(jié)透鏡的聚焦能力。4 TEM4 TEM和光學透射顯微鏡的異同和光學透射顯微鏡的異同相同點：相同點： （1）光學成像原理相同；）光學成像原理相同； （2）都能用于形貌分析。）都能用于形貌分析。不同點：不同點： （1）光源不同；）光源不同； （2）聚焦透鏡不同；）聚焦透鏡不同； （3）TEM中有中間鏡；中有中間鏡； （4）成像屏幕不同；）成像屏幕不同； （5） TEM鏡筒中要保持高真空；鏡筒中要保持高真空；（6 6）放大倍

6、數(shù)及分辨率不同；）放大倍數(shù)及分辨率不同；（7 7）用途不同；）用途不同；（8 8）景深焦長不同。）景深焦長不同。二二. 電子光學系統(tǒng)的結構電子光學系統(tǒng)的結構 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng) 作用：作用：提供一束高亮度、孔徑角小、平行度好、提供一束高亮度、孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定、可平移傾斜的電子束。束流穩(wěn)定、可平移傾斜的電子束。 電子槍電子槍 提供電子束提供電子束 構成構成： 聚光鏡聚光鏡 匯聚電子束、調節(jié)束斑匯聚電子束、調節(jié)束斑 調節(jié)裝置（偏轉器）調節(jié)裝置（偏轉器） 調節(jié)電子束調節(jié)電子束 的照明角度及位置的照明角度及位置1. 1. 電子槍電子槍 作用作用：提供電子束，最常用的是熱陰極電子：提供電子束，

7、最常用的是熱陰極電子 槍槍。構成：構成： 鎢絲陰極鎢絲陰極：發(fā)射電子：發(fā)射電子 柵極柵極 ：穩(wěn)定電子流：穩(wěn)定電子流 使電子匯聚成束（使電子匯聚成束（50m電子源）電子源） 陽極陽極 ：加速電子：加速電子 圖圖 電子槍電子槍 (a)自偏壓回路自偏壓回路 (b)電子槍內的等電位面電子槍內的等電位面2. 聚光鏡聚光鏡 作用：作用： a 把來自電子槍的發(fā)散的電子束（把來自電子槍的發(fā)散的電子束（ 50m ）聚成細）聚成細束（束（ 210m ）；）； b 配合使用聚光鏡光闌，可以調節(jié)照明強度、孔配合使用聚光鏡光闌，可以調節(jié)照明強度、孔徑角。徑角。 第一聚光鏡第一聚光鏡縮小束斑（縮小束斑（15m ）；）；

8、第二聚光鏡第二聚光鏡放大束斑（放大束斑（ 210m ），）， 可得到幾乎平行的照明電子束?？傻玫綆缀跗叫械恼彰麟娮邮嫵桑簶嫵桑簣D圖 照明系統(tǒng)光路照明系統(tǒng)光路成像系統(tǒng)成像系統(tǒng) 成像系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡物鏡、中間鏡和投影鏡構成，構成，其作用是成像，電磁透鏡和光學透鏡作用相似，其作用是成像，電磁透鏡和光學透鏡作用相似，成像公式也相同。成像公式也相同。1. 物鏡物鏡 a. 作用作用： 用來形成第一幅高分辨率電子顯用來形成第一幅高分辨率電子顯 微圖像或電子衍射花樣；微圖像或電子衍射花樣； 透射電鏡分辨本領的高低，主要取透射電鏡分辨本領的高低，主要取 決于物鏡。決于物鏡。 b.

9、物鏡的特點：物鏡的特點： 是強激磁短焦距的透鏡（是強激磁短焦距的透鏡（f=13mm）；）； 放大倍數(shù)較高，一般在放大倍數(shù)較高，一般在100300倍；倍； 最高分辨率可達最高分辨率可達0.1nm左右。左右。物鏡的背焦面上有物鏡的背焦面上有物鏡光闌物鏡光闌。其作用：其作用： 減小球差、像散、色差；減小球差、像散、色差； 進行暗場及衍襯成像。進行暗場及衍襯成像。2. 中間鏡中間鏡 a作用作用：放大或縮小來自物鏡的電子像，并且調：放大或縮小來自物鏡的電子像，并且調 節(jié)中間鏡的位置，可以進行節(jié)中間鏡的位置，可以進行成像操作成像操作和和 電子衍射操作。電子衍射操作。 如果把中間鏡的如果把中間鏡的物平面和物

10、鏡的像平面重合物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像則在熒光屏上得到一幅放大像成像操作成像操作。 如果把中間鏡的如果把中間鏡的物平面和物鏡的背焦面重合物平面和物鏡的背焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣電子衍射電子衍射操作。操作。(圖）圖）圖圖9-7 透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作透射電鏡成像系統(tǒng)的兩種基本操作(a)將衍射譜投影到熒光屏將衍射譜投影到熒光屏 (b)將顯微像投影到熒光屏將顯微像投影到熒光屏 b. 中間鏡特點中間鏡特點 弱激磁長焦距；弱激磁長焦距； 可變倍，可在可變倍，可在020倍調節(jié)（其放大倍數(shù)大于倍調節(jié)（其放大倍數(shù)大于 1，放

11、大物鏡像；放大倍數(shù)小于，放大物鏡像；放大倍數(shù)小于1時，縮小物鏡像）。時，縮小物鏡像）。 （ 總放大倍數(shù)為物鏡、中間鏡、投影鏡三級放總放大倍數(shù)為物鏡、中間鏡、投影鏡三級放 大倍數(shù)的乘積）大倍數(shù)的乘積）3. 投影鏡投影鏡 作用作用：把中間鏡放大或縮小的像（電子衍射花：把中間鏡放大或縮小的像（電子衍射花樣）進一步放大并投影到熒光屏；樣）進一步放大并投影到熒光屏； 特點特點：a 強激磁短焦距；強激磁短焦距； b 孔徑角很小，因此景深和焦長都非孔徑角很小，因此景深和焦長都非 常大。常大。 觀察記錄系統(tǒng)觀察記錄系統(tǒng)1. 構成構成：熒光屏和照相機構。：熒光屏和照相機構。2. 作用作用：當：當反映樣品微觀特征

12、的電子強度信號，反映樣品微觀特征的電子強度信號， 由成像系統(tǒng)投射到熒光屏后，被由成像系統(tǒng)投射到熒光屏后，被轉換成轉換成 與電子強度成比例的可見光圖像與電子強度成比例的可見光圖像，還可，還可 利用照利用照 相機構進行照相。相機構進行照相。 熒光屏有較高的分辨率，因此可用光學放熒光屏有較高的分辨率，因此可用光學放大鏡進一步放大。大鏡進一步放大。二二. 成像方式成像方式TEM有兩種基本成像模式：有兩種基本成像模式： 衍射成像衍射成像晶體結構同位分析晶體結構同位分析 顯微成像顯微成像微觀組織形貌觀察微觀組織形貌觀察1. 顯微成像顯微成像 高放大倍數(shù)成像高放大倍數(shù)成像：中間鏡放大物鏡像，投影：中間鏡放大

13、物鏡像，投影 鏡又以中間鏡像為物，成像于熒光屏，結果可鏡又以中間鏡像為物，成像于熒光屏，結果可 以獲得幾萬至幾十萬放大倍數(shù)電子像。以獲得幾萬至幾十萬放大倍數(shù)電子像。 中放大倍數(shù)成像中放大倍數(shù)成像：利用中間鏡來：利用中間鏡來縮小縮小物鏡像，物鏡像， 再利用投影鏡放大，放大倍數(shù)為幾千再利用投影鏡放大，放大倍數(shù)為幾千 幾萬倍。幾萬倍。 低倍放大成像低倍放大成像: 減少透鏡數(shù)目或放大倍數(shù)，例如關閉物鏡，減弱減少透鏡數(shù)目或放大倍數(shù)，例如關閉物鏡，減弱中間鏡的激磁電流強度，使中間鏡起著長焦距物鏡作中間鏡的激磁電流強度，使中間鏡起著長焦距物鏡作用，投影鏡以中間鏡像為物，成像于熒光屏，放大倍用，投影鏡以中間鏡

14、像為物，成像于熒光屏，放大倍數(shù)幾百倍數(shù)幾百倍。2. 衍射成像衍射成像 晶體樣品通過物鏡在后焦面上形成衍射晶體樣品通過物鏡在后焦面上形成衍射像，調節(jié)中間鏡焦距，像，調節(jié)中間鏡焦距，使其物平面與物鏡背使其物平面與物鏡背焦面重合，可以最終在熒光屏上形成二次放焦面重合，可以最終在熒光屏上形成二次放大的衍射圖像大的衍射圖像。有意義的衍射像必須明確它。有意義的衍射像必須明確它是來自樣品那個區(qū)域的衍射像，這就是選區(qū)是來自樣品那個區(qū)域的衍射像，這就是選區(qū)衍射。衍射。1樣品臺樣品臺1.功能功能：承載樣品，并使樣品能在物鏡極靴孔：承載樣品，并使樣品能在物鏡極靴孔 內內平移、傾斜、旋轉，平移、傾斜、旋轉，以選擇感興

15、趣以選擇感興趣 的樣品區(qū)域或位向進行觀察分析。的樣品區(qū)域或位向進行觀察分析。 （由于（由于TEM樣品既薄又小，厚度在樣品既薄又小，厚度在5500nm之之間，通常用外徑為間，通常用外徑為3mm的銅網(wǎng)來支持。）的銅網(wǎng)來支持。）2. 應滿足的要求應滿足的要求 銅網(wǎng)應牢固地夾持在樣品座中并保持良好的銅網(wǎng)應牢固地夾持在樣品座中并保持良好的 熱電接觸，應減小電子照射引起的熱堆積和熱電接觸，應減小電子照射引起的熱堆積和 電荷堆積，以免使樣品損傷或圖像漂移；電荷堆積，以免使樣品損傷或圖像漂移； 樣品臺能夠平移，以確保樣品銅網(wǎng)上大部分樣品臺能夠平移，以確保樣品銅網(wǎng)上大部分 區(qū)域都能觀察到；區(qū)域都能觀察到； 樣品

16、移動機構要有足夠的精度；樣品移動機構要有足夠的精度； 樣品能相對于電子束照射方向作有目的的傾樣品能相對于電子束照射方向作有目的的傾 斜，以便從不同方位獲得各種形貌和晶體學斜，以便從不同方位獲得各種形貌和晶體學 信息。信息。3. 常用的傾斜裝置常用的傾斜裝置斜插式傾斜裝置（見下圖）斜插式傾斜裝置（見下圖） 構成構成：圓柱分度盤：圓柱分度盤顯示傾斜的度數(shù)顯示傾斜的度數(shù) 樣品桿樣品桿承載樣品，可旋轉使樣品傾斜承載樣品，可旋轉使樣品傾斜二二. 電子束傾斜與平移裝置電子束傾斜與平移裝置 為了適應各種成像操作，電子束需平移和傾斜為了適應各種成像操作，電子束需平移和傾斜電磁偏轉器電磁偏轉器可實現(xiàn)這種功能。可

17、實現(xiàn)這種功能。 電磁偏轉器由上、下偏轉線圈構成電磁偏轉器由上、下偏轉線圈構成。（見下圖）。（見下圖）平移平移上偏轉線圈使電子束順時針偏轉上偏轉線圈使電子束順時針偏轉角，下偏角，下偏轉線圈又使電子束逆時針偏轉轉線圈又使電子束逆時針偏轉角，結果電子束發(fā)生角，結果電子束發(fā)生了平移。了平移。傾斜傾斜上偏轉線圈使電子束順時針偏轉上偏轉線圈使電子束順時針偏轉角，下偏角，下偏轉線圈使電子束逆時針偏轉（轉線圈使電子束逆時針偏轉（+）角，結果電子束）角，結果電子束發(fā)生了傾斜，相對于原方向傾斜了發(fā)生了傾斜，相對于原方向傾斜了角。角。圖圖 電子束平移和傾斜的原理圖電子束平移和傾斜的原理圖(a)平移平移; (b)傾斜

18、傾斜三三. 消像散器消像散器1. 作用作用：消除像散，也就是因磁透鏡徑向磁場不：消除像散，也就是因磁透鏡徑向磁場不 均勻造成徑向焦點不同的現(xiàn)象。消像散器均勻造成徑向焦點不同的現(xiàn)象。消像散器 是將不均勻的磁場調整成各徑向均勻的磁是將不均勻的磁場調整成各徑向均勻的磁 場。場。橢圓形磁場橢圓形磁場圓形磁場。圓形磁場。2. 工作原理工作原理 消像散器分為：機械式和電磁式。消像散器分為：機械式和電磁式。 在電磁透鏡的外圍加兩對電磁體，每對電磁在電磁透鏡的外圍加兩對電磁體，每對電磁體均采用同極相對的安置方式，通過改變這兩對體均采用同極相對的安置方式，通過改變這兩對電磁體的激磁強度和磁場的方向，將橢圓形磁場

19、電磁體的激磁強度和磁場的方向，將橢圓形磁場校正對稱。校正對稱。圖圖 電磁式電磁式消像散器消像散器示意圖示意圖四四. 光闌光闌1. 聚光鏡光闌聚光鏡光闌限制照明孔徑角（第二聚光鏡下方）。限制照明孔徑角（第二聚光鏡下方）。2. 物鏡光闌（襯度光闌）物鏡光闌（襯度光闌）常安放在物鏡的背焦面上。常安放在物鏡的背焦面上。 主要作用：主要作用： 減小物鏡孔徑角，以減小像差；獲得襯度減小物鏡孔徑角，以減小像差；獲得襯度 較大的、質量較高的顯微圖像。較大的、質量較高的顯微圖像。 在物鏡的后焦面上套取衍射束的斑點（副在物鏡的后焦面上套取衍射束的斑點（副 焦焦 點）成像點）成像獲得暗場像獲得暗場像。（。（2012

20、0m）3. 選區(qū)光闌（場限光闌或視場光闌）選區(qū)光闌（場限光闌或視場光闌）常安放在物鏡的常安放在物鏡的像平面上像平面上。（20400m） 主要作用：主要作用： 用于選區(qū)衍射，也就是選擇樣品上的一個微小用于選區(qū)衍射，也就是選擇樣品上的一個微小 的區(qū)域進行晶體結構分析，限制電子束只能通的區(qū)域進行晶體結構分析，限制電子束只能通過光闌孔限定的微區(qū)成像。過光闌孔限定的微區(qū)成像。圖圖抗抗污污染染光光闌闌1點分辨率的測定點分辨率的測定 將鉑、鉑將鉑、鉑-銥或鉑銥或鉑-鈀等金屬或合金，用真鈀等金屬或合金，用真空蒸發(fā)的方法空蒸發(fā)的方法獲得粒度為獲得粒度為510埃，間距為埃，間距為210埃的粒子，埃的粒子，將其均勻

21、地分布在火棉膠（或碳）將其均勻地分布在火棉膠（或碳）支持膜上，在高放大倍數(shù)下拍攝這些粒子的像，支持膜上，在高放大倍數(shù)下拍攝這些粒子的像，并經光學放大（并經光學放大（5倍左右），從照片上找出粒倍左右），從照片上找出粒子間最小的間距，除以總放大倍數(shù)，即為相應子間最小的間距，除以總放大倍數(shù)，即為相應電子顯微鏡的點分辨本領。電子顯微鏡的點分辨本領。圖圖 點分辨率的測定點分辨率的測定(真空蒸鍍金顆粒真空蒸鍍金顆粒)二二. 晶格分辨本領的測定晶格分辨本領的測定 利用利用外延生長法制外延生長法制得得定向單晶薄膜定向單晶薄膜作為作為標樣（選取多種不同材料單晶薄膜，其晶面標樣（選取多種不同材料單晶薄膜，其晶面間距由大間距由大小各不相同），拍攝其晶格像小各不相同），拍攝其晶格像這些晶體的晶面間距已知，將