透射电子显微镜结构课件.ppt

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1、关于透射电子显微镜结构现在学习的是第1页，共92页第五章第五章透射电子显微镜结构透射电子显微镜结构n引言引言n通常人眼能分辨的最小距离约通常人眼能分辨的最小距离约0.2mm，要观察更微小的，要观察更微小的细节，必须借助于观察仪器。显微镜的发明为人类观细节，必须借助于观察仪器。显微镜的发明为人类观察和认识微观世界提供了可能。它的基本功能就是将察和认识微观世界提供了可能。它的基本功能就是将细微物体放大至人眼可以分辨的程度。尽管各种显微细微物体放大至人眼可以分辨的程度。尽管各种显微镜的物理基础可能不同，但基本工作原理是类似的，镜的物理基础可能不同，但基本工作原理是类似的，即即照明源照明源照明束照明束

2、样品样品荧光屏荧光屏成像放大成像放大信息信息现在学习的是第2页，共92页胡克显微镜胡克显微镜现代普通光学显微镜现代普通光学显微镜TEM现在学习的是第3页，共92页n光学显微镜光学显微镜就是利用可见光作为照明源的一种显微镜，就是利用可见光作为照明源的一种显微镜，极极限分辨率为限分辨率为200nm，比人眼的分辨本领提高了约，比人眼的分辨本领提高了约1000倍，但倍，但仍难以满足许多微观分析的要求。仍难以满足许多微观分析的要求。（徕卡）（徕卡）Leica DM系列金相显微镜系列金相显微镜TEM德国蔡司研究级金相倒置显微镜德国蔡司研究级金相倒置显微镜Axiovert40 MAT 现在学习的是第4页，共

3、92页n现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物理化学性能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结构及能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种

4、环境因素作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示作用下等）微观结构和微区成分的变化，并进而揭示材料材料成分成分工艺工艺微观结构微观结构性能性能之间关系的规律，建立和之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论发展材料科学的基本理论TEM现在学习的是第5页，共92页n1934年年Ruska和和Knoll在实验室制作第一部穿透式电子显微镜（在实验室制作第一部穿透式电子显微镜（TEM)。1938 年，第一部商售电子显微镜问世。在年，第一部商售电子显微镜问世。在1940年代，常用的年代，常用的50 至至100 keV 之之TEM 其分辨率约在其分辨率约在l0 nm左右，而最佳分辨率则在左右，而最

5、佳分辨率则在2至至3 nm之之间。当时由于研磨试片的困难及缺乏应用的动机，所以鲜为物理科学研究者间。当时由于研磨试片的困难及缺乏应用的动机，所以鲜为物理科学研究者使用。一直到使用。一直到1950年代中期，由于成功地以年代中期，由于成功地以TEM观察到不锈钢中的位错观察到不锈钢中的位错及铝合金中的小及铝合金中的小G.P.区，再加上各种研究方法的改进，区，再加上各种研究方法的改进，TEM学因此才一学因此才一日千里，为自然科学研究者所广泛使用。日千里，为自然科学研究者所广泛使用。n随着电子技术的发展，高分辨电子显微镜的发明将分辨率提高到原子尺随着电子技术的发展，高分辨电子显微镜的发明将分辨率提高到原

6、子尺度水平（目前最高为度水平（目前最高为0.1nm），同时也将显微镜单一形貌观察功能扩展到集），同时也将显微镜单一形貌观察功能扩展到集形貌观察、晶体结构分析、成分分析等于形貌观察、晶体结构分析、成分分析等于一体。一体。TEM现在学习的是第6页，共92页n透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）是是一种能够一种能够以原子尺度的分辨以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的特别是选区电子衍射技术的应用，使得应用，使得微区形貌微区形貌与与微区微区晶体结构晶体结构分析结合起来，再分析结合起来，再配以能谱

7、或波谱进行配以能谱或波谱进行微区成微区成份份分析，得到全面的信息。分析，得到全面的信息。Tecnai F30FEI200kV场发射透射场发射透射电子显微镜型号：电子显微镜型号：JEM-2100F 参考价格：参考价格：USD 1500000 产地：日本产地：日本H-7650TEMJEM-3100F现在学习的是第7页，共92页普通光学显微镜与普通光学显微镜与TEM工作原理的比较工作原理的比较TEM现在学习的是第8页，共92页5.1光学显微镜的分辨率光学显微镜的分辨率n 5.1 分辨率分辨率n 由于衍射效应，一个理想由于衍射效应，一个理想物点物点经过透镜成像时，在像经过透镜成像时，在像平面上形成一个

8、具有一定尺平面上形成一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环构成的间的圆环构成的Airy斑斑。Airy斑的亮度斑的亮度84%集中在中集中在中央亮斑上，其余分布在周央亮斑上，其余分布在周围暗环上。通常以第一暗围暗环上。通常以第一暗环半径衡量环半径衡量Airy斑大小。斑大小。TEM现在学习的是第9页，共92页n点光源通过透镜产生的点光源通过透镜产生的Airy斑半径斑半径R0的表达式为的表达式为n其中：其中：光波长；光波长；n透镜折射率；透镜折射率；透镜孔径角；透镜孔径角；M放大倍数放大倍数n假设有两物点通过透镜成像后，在像平面上得到两个假设有两物点通过透镜成像后，在像

9、平面上得到两个Airy斑。当两个物点由远而近相互靠近时，斑。当两个物点由远而近相互靠近时，其相应其相应Airy斑也相互靠近直至发生重叠。斑也相互靠近直至发生重叠。TEM现在学习的是第10页，共92页TEM两个两个AiryAiry斑斑明显可分辨出明显可分辨出两个两个AiryAiry斑斑刚好可分辨出刚好可分辨出两个两个AiryAiry斑斑分辨不出分辨不出I I0.81I0.81I现在学习的是第11页，共92页n能够分辨两个能够分辨两个Airy斑的斑的判据判据两个两个Airy斑的中心斑的中心距离等于距离等于Airy斑的半径斑的半径。此时在强度曲线上，两峰。此时在强度曲线上，两峰之间谷底的强度降低了之

10、间谷底的强度降低了19%。TEM现在学习的是第12页，共92页n把两个把两个Airy斑中心距离等于斑中心距离等于Airy斑半径时物平面上相应两个斑半径时物平面上相应两个物点间的距离定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率物点间的距离定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率。n照明源波长；照明源波长；n透镜折射率；透镜折射率；透镜孔径半角透镜孔径半角n当当nsin做到最大（做到最大（n=1.5,=7075）时，）时，。说明。说明光光学显微镜分辨本领主要决定于照明源波长，半波长是光学显微镜分辨本领主要决定于照明源波长，半波长是光学显微镜分辨率的理论极限学显微镜分辨率的理论极限。可见光最短波长为。可

11、见光最短波长为390nm，因此光学显微镜最高分辨率为因此光学显微镜最高分辨率为200nm左右。左右。TEM现在学习的是第13页，共92页n一般，人眼分辨率为一般，人眼分辨率为0.2mm，光学显微镜使人眼分辨率，光学显微镜使人眼分辨率提高了提高了1000倍，称为倍，称为有效放大倍数有效放大倍数。所以光学显微镜放。所以光学显微镜放大倍数在大倍数在1000 1500，再高的放大倍数对提高分辨率没，再高的放大倍数对提高分辨率没有实际贡献（仅仅是放大图像的轮廓，对图像细节没有实际贡献（仅仅是放大图像的轮廓，对图像细节没有作用）。有作用）。n问题问题：如何再次提高分辨率？：如何再次提高分辨率？n由由 知，

12、知，提高分辨率的关键是降低照明源的波长提高分辨率的关键是降低照明源的波长。TEM现在学习的是第14页，共92页n 5.2 电子波波长电子波波长n 电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即电子运动速度电子运动速度v和加速电压间关系为：和加速电压间关系为：波长短波长短折射、聚焦成像折射、聚焦成像电子波电子波TEM现在学习的是第15页，共92页n综合得电子波波长为：综合得电子波波长为：n由上式可以看出，由上式可以看出，电子波波长电子波波长与加速电压与加速电压U成反比，成反比，U越高，电子运动速度越高，电子运动速度v越大，越大，越短越短。n当电子速度较低时，

13、当电子速度较低时，m接近电子静止质量接近电子静止质量m0；当电子；当电子速度较高时，电子质量需要经过相对论校正，即速度较高时，电子质量需要经过相对论校正，即TEM现在学习的是第16页，共92页n不同加速电压下的电子波波长见表不同加速电压下的电子波波长见表5-1。目前。目前TEM常常用加速电压在用加速电压在100kV1000kV，电子波波长范围在，电子波波长范围在0.00371nm 0.00087nm。比可见光短了约。比可见光短了约5个数量级。个数量级。n问题：电子波波长很短，按照极限分辨率公式，电子显问题：电子波波长很短，按照极限分辨率公式，电子显微镜的分辨率应该比可见光高很多的，但目前电子显

14、微微镜的分辨率应该比可见光高很多的，但目前电子显微镜的最高分辨率仅为镜的最高分辨率仅为0.1nm，仅比可见光高出，仅比可见光高出3个数量级，个数量级，为什么？为什么？电磁透镜电磁透镜TEM现在学习的是第17页，共92页n 5.3 电磁透镜电磁透镜n 电子波经过非均匀电场和磁场时产生会聚和发散，电子波经过非均匀电场和磁场时产生会聚和发散，达到成像的目的。电子波发生聚焦的装置称为电达到成像的目的。电子波发生聚焦的装置称为电子透镜，分为两类：子透镜，分为两类：静电透镜静电透镜和和磁透镜磁透镜。后者根据。后者根据所用磁场的不同又可分为所用磁场的不同又可分为恒磁透镜恒磁透镜和和电磁透镜电磁透镜。TEM现

15、在学习的是第18页，共92页n5.3.1 静电透镜静电透镜n由两个同轴圆筒电极构成，两电极电位不同，之间形由两个同轴圆筒电极构成，两电极电位不同，之间形成一系列弧形等电位面，电子束沿圆筒轴线进入圆筒成一系列弧形等电位面，电子束沿圆筒轴线进入圆筒内受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚成一点。内受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚成一点。nTEM中的电子枪中的电子枪就是一个静电透镜。就是一个静电透镜。+-TEM现在学习的是第19页，共92页n5.3.2 电磁透镜电磁透镜n电磁透镜聚焦成像原理电磁透镜聚焦成像原理n电磁透镜是采用电磁线圈激励产生磁场的装置。电子束在电磁透镜是采用电磁线圈激励产生磁

16、场的装置。电子束在电磁线圈中的运动轨迹是一条圆锥螺旋曲线。电磁线圈中的运动轨迹是一条圆锥螺旋曲线。TEM现在学习的是第20页，共92页n当电子沿线圈轴线运动时，运动方向与磁感应方向当电子沿线圈轴线运动时，运动方向与磁感应方向一致不受力，电子以直线运动通过线圈；当电子偏一致不受力，电子以直线运动通过线圈；当电子偏离轴线运动时，受磁场力作用发生偏转，最后聚焦离轴线运动时，受磁场力作用发生偏转，最后聚焦在轴线的一点。在轴线的一点。TEM现在学习的是第21页，共92页电子进入磁场时，将受到磁场强度电子进入磁场时，将受到磁场强度径向分量径向分量Br作用，产生作用，产生切向力切向力Ft，使电子得到，使电子

17、得到切向速度切向速度vt，vt又与又与Bz叉乘的到叉乘的到Fr（径向力）（径向力），使电子向主轴偏转。经过透镜后，使电子向主轴偏转。经过透镜后，Br方向改变，方向改变，Ft反向，但只使反向，但只使vt变小，不会改变方向，因变小，不会改变方向，因此电子穿过线圈后仍向主轴靠近，最终形成螺旋线状聚此电子穿过线圈后仍向主轴靠近，最终形成螺旋线状聚焦。焦。TEM现在学习的是第22页，共92页n2、电磁透镜结构、电磁透镜结构n电磁线圈：产生磁力线电磁线圈：产生磁力线n软铁壳：提高磁力线密软铁壳：提高磁力线密集程度，从而提高磁感应集程度，从而提高磁感应强度，增大对电子折射能强度，增大对电子折射能力力n极靴：

18、使磁场强度有效集极靴：使磁场强度有效集中在狭缝几毫米范围内。中在狭缝几毫米范围内。TEM现在学习的是第23页，共92页有极靴有极靴B（z）有铁壳无极靴有铁壳无极靴无铁壳无铁壳电磁透镜电磁透镜n由图可见，有极靴的电由图可见，有极靴的电磁透镜，其中心磁感应磁透镜，其中心磁感应强度远高于无极靴和纯强度远高于无极靴和纯线圈。线圈。纯线圈纯线圈带铁壳带铁壳带极靴带极靴现在学习的是第24页，共92页n电磁透镜成像时满足光学透镜成像基本公式，即物距电磁透镜成像时满足光学透镜成像基本公式，即物距u、像、像距距v和焦距和焦距 f 满足下式：满足下式：n对于电磁透镜，其焦距对于电磁透镜，其焦距 f 是可以改变的，

19、是可以改变的，f 常用近似公式为：常用近似公式为：n式中式中K为常数；为常数；Ur是经相对论校正的电子加速电压；是经相对论校正的电子加速电压；IN是线圈是线圈的安匝数。的安匝数。n改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜焦距改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜焦距。且电磁。且电磁透镜焦距透镜焦距 f 总为正的，表明电磁透镜只有凸透镜，不存在凹总为正的，表明电磁透镜只有凸透镜，不存在凹透镜。透镜。TEM现在学习的是第25页，共92页5.4电磁透镜的像差及其对分辨率的影响电磁透镜的像差及其对分辨率的影响n根据根据 知，光学透镜其最佳分辨率为波长一半，知，光学透镜其最佳分辨率为波长一半，而对于电磁透镜远远达

20、不到。以而对于电磁透镜远远达不到。以H-800电镜为例，加速电镜为例，加速电压为电压为200kV时，理论极限分辨率为时，理论极限分辨率为0.00125nm，而实，而实际上只有际上只有0.45nm。电磁透镜分辨率除了受衍射效应影响外，还受到电磁透镜分辨率除了受衍射效应影响外，还受到像像差差影响，降低了透镜的实际分辨率，使其远低于半波长。影响，降低了透镜的实际分辨率，使其远低于半波长。现在学习的是第26页，共92页n5.4.1 球差球差rsn球差球差由于电磁透镜近轴区域和远轴区域磁场对电子折由于电磁透镜近轴区域和远轴区域磁场对电子折射能力不同而产生的一种像差射能力不同而产生的一种像差。TEMPPP

21、物物2rsRS现在学习的是第27页，共92页n一个理想物点一个理想物点P经透镜折射后，远轴的电子通过透镜是经透镜折射后，远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害多，以致两者不交在一点上，折射得比近轴电子要厉害多，以致两者不交在一点上，结果在像平面成了一个散焦圆斑，如图示。若用像平结果在像平面成了一个散焦圆斑，如图示。若用像平面沿主轴从前焦点移动到后焦点，将得到一个最小散面沿主轴从前焦点移动到后焦点，将得到一个最小散焦斑（半径为焦斑（半径为Rs）。将最小散焦斑还原到物平面上，）。将最小散焦斑还原到物平面上，得到半径为得到半径为rs=Rs/M圆斑。圆斑。像平面像平面2rs2RS现在学习的是第28

22、页，共92页TEM一个理想一个理想物点物点P透镜球差透镜球差一个半径为一个半径为rs漫散圆斑漫散圆斑n定义定义rs为球差为球差n其中：其中：Cs球差系数，通常电磁透镜的球差系数，通常电磁透镜的Cs相当于焦距，相当于焦距，约为约为13mm；孔径半角。孔径半角。n通过通过减小减小Cs和降低和降低来减小球差，尤其减小来减小球差，尤其减小可以可以显著降低显著降低rs。但无法通过凸、凹透镜的组合设计。但无法通过凸、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。来补偿或矫正。现在学习的是第29页，共92页n5.4.2 像散像散n像散像散由于透镜磁场的非旋转对称引起的像差由于透镜磁场的非旋转对称引起的像差。极靴极靴内孔不圆

23、、上下极靴轴线错位、极靴材质不均匀内孔不圆、上下极靴轴线错位、极靴材质不均匀以以及及周围的局部污染周围的局部污染都会导致透镜的磁场产生椭圆度，使都会导致透镜的磁场产生椭圆度，使电子在不同方向上的聚焦能力出现差异电子在不同方向上的聚焦能力出现差异。TEM现在学习的是第30页，共92页n一个理想物点一个理想物点P经透镜折射后在像平面上形成散焦圆斑，经透镜折射后在像平面上形成散焦圆斑，前后移动像平面得到一个最小散焦圆斑前后移动像平面得到一个最小散焦圆斑2RA，折算到物，折算到物平面上得到一漫散圆斑平面上得到一漫散圆斑2rA。TEM现在学习的是第31页，共92页TEM一个理想物一个理想物点点P透镜像散

24、透镜像散一个半径为一个半径为rA漫散圆斑漫散圆斑n 用用rA表示像散，得表示像散，得nfA像散系数，是透镜磁场出现椭圆度时的焦距差像散系数，是透镜磁场出现椭圆度时的焦距差。n 像散是可以消除的，通过引入一个强度和方位可像散是可以消除的，通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿调的矫正磁场来进行补偿。现在学习的是第32页，共92页n5.4.3 色差色差n色差色差由于成像电子的能量不同或变化，从而在透由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同，不能在一点聚焦而形成的像镜磁场中运动轨迹不同，不能在一点聚焦而形成的像差。差。TEM现在学习的是第33页，共92页n如图示，不同能量电

25、子聚焦位置不同，一个理想物点如图示，不同能量电子聚焦位置不同，一个理想物点P经透经透镜折射后在像平面上形成散焦圆斑，前后移动像平面得镜折射后在像平面上形成散焦圆斑，前后移动像平面得到一个最小散焦圆斑到一个最小散焦圆斑2RC，折算到物平面上得到一漫散圆，折算到物平面上得到一漫散圆斑斑2rC。TEM现在学习的是第34页，共92页n 用用rC表示色散，得表示色散，得nCC色差系数；（色差系数；（E/E）电子束能量变化率。电子束能量变化率。n上式表明，上式表明，当当CC、一定时，电子的能量波动是影响一定时，电子的能量波动是影响rC的主要因素的主要因素。TEM引起电子能量波动的原因有两个：引起电子能量波

26、动的原因有两个：其二，电子束照射样品时与样品相互作用，部分电子产生其二，电子束照射样品时与样品相互作用，部分电子产生非弹性散射，能量发生变化。非弹性散射，能量发生变化。其一，电子加速电压不稳，致使电子能量不同；其一，电子加速电压不稳，致使电子能量不同；现在学习的是第35页，共92页TEM综上所述，球差对分辨率影响最大且最难消除，其综上所述，球差对分辨率影响最大且最难消除，其他像差通过采取适当的措施，基本可以消除。他像差通过采取适当的措施，基本可以消除。n 对电磁透镜分辨率影响最大的只有球差和衍射效对电磁透镜分辨率影响最大的只有球差和衍射效 应应n 比较上两式可知，孔径半角比较上两式可知，孔径半

27、角对衍射效应的分辨对衍射效应的分辨率率r0和球差造成的分辨率和球差造成的分辨率rS的影响是相反的。的影响是相反的。提高衍射分辨率提高衍射分辨率r0，大大降低球差大大降低球差rS，因此，因此必须两者兼顾必须两者兼顾。现在学习的是第36页，共92页n令令rS=r0进行处理求得最佳孔径半角。进行处理求得最佳孔径半角。n目前最佳电镜分辨率只能达到目前最佳电镜分辨率只能达到0.1nm。TEM现在学习的是第37页，共92页5.5电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长nTEM电镜是利用电子束穿过样品而成像，而任何样品电镜是利用电子束穿过样品而成像，而任何样品都有一定厚度，在整个厚度范围内如何保证得到清晰都

28、有一定厚度，在整个厚度范围内如何保证得到清晰图像？图像？n在观察和记录图像时，荧光屏和照相底片之间存在一定距在观察和记录图像时，荧光屏和照相底片之间存在一定距离，如何保证在荧光屏上观察到的清晰图像同时能完整的离，如何保证在荧光屏上观察到的清晰图像同时能完整的被照相底片记录下来？被照相底片记录下来？现在学习的是第38页，共92页5.5电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长n5.5.1 景深景深n原理上，当物镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与物原理上，当物镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与物平面理想吻合，在像平面上成理想清晰图像。任何偏离理想平面理想吻合，在像平面上成理想清晰图像。任何偏

29、离理想物平面的点都存在一定失焦，在像平面上产生一个具有一定物平面的点都存在一定失焦，在像平面上产生一个具有一定尺寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像差引尺寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像差引起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不影响成像的起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不影响成像的清晰度。清晰度。n景深景深成像时，像平面不动（像距不变），在满足成成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。像清晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离。TEM现在学习的是第39页，共92页AAn当物点位于当物点位于O点时，电子在点时，电

30、子在O点聚点聚焦，若像平面位于焦，若像平面位于O处，得到一处，得到一个像点；当物点沿轴线移到个像点；当物点沿轴线移到A点时，点时，聚焦点相应移到聚焦点相应移到A处，此时位于处，此时位于O处的像平面上由一个像点逐渐变成处的像平面上由一个像点逐渐变成一个散焦斑。如果衍射效应是决定一个散焦斑。如果衍射效应是决定透镜分辨率的控制因素，则散焦斑透镜分辨率的控制因素，则散焦斑尺寸折算到物平面上只要不超过尺寸折算到物平面上只要不超过r0，像平面上就能成一幅清晰的像。，像平面上就能成一幅清晰的像。同理，当物点由同理，当物点由OB时，像平面时，像平面上一个像点上一个像点一个散焦斑。只要一个散焦斑。只要斑点尺寸不

31、超过斑点尺寸不超过r0，像平面上，像平面上得到的也是一幅清晰的像。得到的也是一幅清晰的像。TEMB现在学习的是第40页，共92页n当像平面上的散焦斑不超过当像平面上的散焦斑不超过R0，物点由，物点由AB都能成清晰的都能成清晰的像。像。轴线上轴线上AB间的距离定义为景深间的距离定义为景深Df。nr0透镜分辨率；透镜分辨率；孔径半角。孔径半角。n由于由于很小，通常电镜的景深很大。如果很小，通常电镜的景深很大。如果 r0=1nm，=10-210-3rad，则，则Df=200300nm。一般透射电镜的样品厚。一般透射电镜的样品厚度在度在200nm左右。这样，在整个样品厚度范围内的细节都清左右。这样，在

32、整个样品厚度范围内的细节都清晰可见。晰可见。TEM现在学习的是第41页，共92页n5.5.2 焦长焦长n原理上，当电磁透镜的焦距、物距一定时，像平面的原理上，当电磁透镜的焦距、物距一定时，像平面的一定轴向移动，也会引起失焦，得到一个具有一定尺一定轴向移动，也会引起失焦，得到一个具有一定尺寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像寸的失焦圆斑。若失焦圆斑尺寸不超过衍射效应和像差引起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不差引起的散焦斑尺寸，不会对分辨率产生影响，即不影响成像的清晰度。影响成像的清晰度。n焦长焦长成像时物点固定不动（物距不变），在满足成像成像时物点固定不动（物距不变），在满足成

33、像清晰的前提下，像平面沿轴线前后可移动的距离。清晰的前提下，像平面沿轴线前后可移动的距离。TEM现在学习的是第42页，共92页n当物点位于当物点位于O点时，电子在点时，电子在O点聚焦，若点聚焦，若像平面位于像平面位于O处，得到一个像点；当像处，得到一个像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上由一平面沿轴线前后移动时，像平面上由一个像点逐渐变成一个散焦斑，只要散焦个像点逐渐变成一个散焦斑，只要散焦斑尺寸不超过斑尺寸不超过R0（折算到物平面上只要（折算到物平面上只要不超过不超过r0），像平面上始终能成一幅清），像平面上始终能成一幅清晰的像。晰的像。像平面前后可移动的距离即为像平面前后可移动的距离即

34、为焦长焦长DL。TEM现在学习的是第43页，共92页n如果，如果，r0=1nm，=10-210-3rad，M=200，则，则DL=8nm80mm。通常，电磁透镜的放大倍数很高，。通常，电磁透镜的放大倍数很高，DL可达到可达到10cm，满足同时在荧光屏上成清晰的像和拍照清晰，满足同时在荧光屏上成清晰的像和拍照清晰的要求。的要求。n电磁透镜焦长很大的这种特点对于电磁透镜焦长很大的这种特点对于TEM电镜电镜结构设计上结构设计上具有重大意义。使得具有重大意义。使得TEM可以附加可以附加X射线能谱仪、电射线能谱仪、电子能量损失分析等有关附件，成为微观形貌观察、晶体子能量损失分析等有关附件，成为微观形貌观

35、察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。它们结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。能同时提供试样的有关附加信息。TEM返返回回现在学习的是第44页，共92页5.6 透射电子显微镜的结构透射电子显微镜的结构n TEM是以波长很短的电子束作为照明源，用电磁透镜成像是以波长很短的电子束作为照明源，用电磁透镜成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。n 目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为23 埃，埃，电压为电压为100500kV，放大倍数，放大倍数50

36、1200000倍倍。由于材。由于材料研究强调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器料研究强调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描电镜、扫描透射电镜、附件，如扫描电镜、扫描透射电镜、X射线能谱仪、电子能射线能谱仪、电子能损分析等有关附件，使其成为微观形貌观察、晶体结构分损分析等有关附件，使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。它们能同时提析和成分分析的综合性仪器，即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。供试样的有关附加信息。现在学习的是第45页，共92页n通常，通常，TEM由电子光学由电子光学系统、电源系统、真空系统、电源系统、真空系统、循环

37、冷却系统和系统、循环冷却系统和控制系统组成控制系统组成，其中电子，其中电子光学系统是主要组成部分。光学系统是主要组成部分。为保证机械稳定性，各部为保证机械稳定性，各部分以直立积木式结构搭建。分以直立积木式结构搭建。TEM电子枪电子枪聚光镜聚光镜物镜物镜样品室样品室放大镜放大镜电子电子光学光学系统系统观察室观察室现在学习的是第46页，共92页n5.6.1 照明系统照明系统n功能功能提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。流稳定的照明源。由电子枪和聚光镜组成由电子枪和聚光镜组成。TEM阴极阴极栅极栅极阳极阳极电子束电子束聚光镜聚光镜试样试

38、样电子枪电子枪现在学习的是第47页，共92页n1、电子枪、电子枪发射电子的照明发射电子的照明光源，常用的是热阴极三极电光源，常用的是热阴极三极电子枪。子枪。n 阴极：发夹形钨丝，发阴极：发夹形钨丝，发射热电子，接负高压。射热电子，接负高压。n 阳极：加速极，提高电子束阳极：加速极，提高电子束动能，接地。动能，接地。n 栅极：控制电子束形状和发栅极：控制电子束形状和发射强度，比阴极负射强度，比阴极负1001000伏。伏。TEM现在学习的是第48页，共92页n由于栅极的电位比阴极负，自阴由于栅极的电位比阴极负，自阴极端点引出的等位面在空间呈弯极端点引出的等位面在空间呈弯曲状，在阴极和阳极间的某一点

39、，曲状，在阴极和阳极间的某一点，电子束会聚成一个交叉点，此即电子束会聚成一个交叉点，此即“电子源电子源”。n交叉点处的电子束直径约几十微交叉点处的电子束直径约几十微米。米。n现代先进电镜常配备场发射式电现代先进电镜常配备场发射式电子枪。子枪。TEM现在学习的是第49页，共92页n 聚光镜聚光镜n用来会聚电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小用来会聚电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小。现。现代电镜一般采用代电镜一般采用双聚光镜系统双聚光镜系统。n第一聚光镜：强激磁透镜，第一聚光镜：强激磁透镜，束斑缩小率约束斑缩小率约1/101/50，将，将电子枪第一交叉点束斑缩小电子枪第一交叉点束斑缩小到到

40、15m。n第二聚光镜：弱激磁透镜，第二聚光镜：弱激磁透镜，适焦时放大倍数为适焦时放大倍数为2倍，在倍，在样品平面得到约样品平面得到约210m的的照明电子束。照明电子束。TEM现在学习的是第50页，共92页n5.6.2 成像系统成像系统n电磁透镜成像与光学透镜一样分两个过程：电磁透镜成像与光学透镜一样分两个过程：n 平行电子束与样品相互作用产生的衍射波经物镜聚焦后在平行电子束与样品相互作用产生的衍射波经物镜聚焦后在其背焦面上形成衍射谱（衍射斑点）其背焦面上形成衍射谱（衍射斑点），即物的结构信息通过衍，即物的结构信息通过衍射谱呈现出来。可用傅立叶变换描述。射谱呈现出来。可用傅立叶变换描述。n 背焦

41、面上的衍射斑背焦面上的衍射斑发出的次级波通过干发出的次级波通过干涉重新在像平面上形涉重新在像平面上形成反映样品特征的像成反映样品特征的像。该过程是傅立叶变换该过程是傅立叶变换的逆过程。的逆过程。TEM衍射斑点衍射斑点现在学习的是第51页，共92页n成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。n1、物镜物镜用来成第一幅高分辨显微图像或电子衍射花样的用来成第一幅高分辨显微图像或电子衍射花样的透镜透镜。物镜将来自样品不同部位、传播方向相同的电子在其。物镜将来自样品不同部位、传播方向相同的电子在其背焦面上聚为一个斑点，沿不同背焦面上聚为一个斑点，沿不同方向传播的电子相应地形成

42、不同斑方向传播的电子相应地形成不同斑点，其中散射角为零的直射束被会点，其中散射角为零的直射束被会聚于物镜的焦点上，形成中心斑点。聚于物镜的焦点上，形成中心斑点。这样，这样，在物镜的背焦面上形成含有在物镜的背焦面上形成含有试样结构信息的衍射花样试样结构信息的衍射花样。n物镜将来自试样同一点的不同方向的物镜将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其像平面上，构成弹性散射束会聚于其像平面上，构成与试样组织相对应的显微图像。与试样组织相对应的显微图像。TEM物镜像平面物镜像平面物镜物镜物镜背焦面物镜背焦面物物现在学习的是第52页，共92页nTEM分辨率的高低主要取决于物镜分辨率的高低主要取决于物镜

43、。n物镜分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。极靴的物镜分辨率主要取决于极靴的形状和加工精度。极靴的内孔和上下间距越小，分辨率越高内孔和上下间距越小，分辨率越高。在物镜后焦面上安在物镜后焦面上安放物镜光阑，在减小球差的同时还能提高图像衬度，方放物镜光阑，在减小球差的同时还能提高图像衬度，方便地进行暗场及衬度成像操作便地进行暗场及衬度成像操作。通常采用强激磁短焦距。通常采用强激磁短焦距的电磁透镜作为物镜，放大倍数在的电磁透镜作为物镜，放大倍数在100300倍。倍。n物镜放大倍数的调节主要依靠焦距和像距的改变来实现，即物镜放大倍数的调节主要依靠焦距和像距的改变来实现，即通过调节激磁电流来实现。通过

44、调节激磁电流来实现。TEM现在学习的是第53页，共92页n2、中间镜中间镜n中间镜是一个弱激磁长焦距的变倍电磁透镜，可在中间镜是一个弱激磁长焦距的变倍电磁透镜，可在020倍倍范围调节。范围调节。当当M1时，用来进一步放大物镜的像（显微图像）时，用来进一步放大物镜的像（显微图像）；当；当M1时，用来缩小物镜的像（衍射花样）。时，用来缩小物镜的像（衍射花样）。n在电镜操作过程中，一般固定物镜和投影镜的放大倍数，在电镜操作过程中，一般固定物镜和投影镜的放大倍数，主要利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。主要利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。n如：如：M物=100，M中=10，M投=1

45、00，M总=10010100=100，000 M物=100，M中=0.1，M投=100，M总=1000.1100=1000n放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与M中中2 2成反比。成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。TEM现在学习的是第54页，共92页n如果把如果把中间镜的物平面中间镜的物平面与物镜的像平面重合与物镜的像平面重合，则荧光屏上得到的是一则荧光屏上得到的是一幅放大像（幅放大像（显微图像显微图像），），即即TEM高倍放大操作。高倍放大操作。TEM物镜物镜物物物镜像平面物镜像平面中间镜中

46、间镜中间镜中间镜像平面像平面荧光屏荧光屏中间镜中间镜物平面物平面投影镜投影镜现在学习的是第55页，共92页n如果把如果把中间镜的物平面中间镜的物平面和物镜的背焦面重合和物镜的背焦面重合，荧光屏上得到的是一荧光屏上得到的是一幅电子幅电子衍射花样衍射花样，即，即TEM的的电子衍射操作电子衍射操作。TEM投影镜投影镜物物物镜物镜物镜背焦面物镜背焦面中间镜中间镜中间镜中间镜像平面像平面荧光屏荧光屏中间镜中间镜物平面物平面选区光阑选区光阑现在学习的是第56页，共92页n3、投影镜投影镜n投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（衍投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（衍射花样）进一步放大，并投影

47、到荧光屏上射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上。n投影镜是一个短焦距强激磁的透镜，激磁电流是固定投影镜是一个短焦距强激磁的透镜，激磁电流是固定。因。因为成像电子束进入投影镜时孔径半角很小，因此，它的景深为成像电子束进入投影镜时孔径半角很小，因此，它的景深和焦长很大。即使改变中间镜的放大倍数，和焦长很大。即使改变中间镜的放大倍数，TEM总放大倍总放大倍数有很大变化，也不会影响图象的清晰度。数有很大变化，也不会影响图象的清晰度。n目前，高性能目前，高性能TEM电镜都采用电镜都采用5级放大系统，即两个中级放大系统，即两个中间镜和两个投影镜。间镜和两个投影镜。TEM现在学习的是第57页，共92页n5.

48、6.3 观察记录系统观察记录系统nTEM的观察和记录装置主要有荧光屏和照相机构。在荧的观察和记录装置主要有荧光屏和照相机构。在荧光屏下方，放置一个可以自动换片的暗盒。照相时只需把光屏下方，放置一个可以自动换片的暗盒。照相时只需把荧光屏竖起，电子束即可使底片曝光。荧光屏竖起，电子束即可使底片曝光。n由于由于TEM的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有十几厘米，的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有十几厘米，仍能得到清晰的图象。仍能得到清晰的图象。n5.6.4 真空系统真空系统n真空系统用来维持镜筒真空系统用来维持镜筒(凡是电子运行的空间凡是电子运行的空间)的真空度在的真空度在10-4 Torr以上（以上

49、（LaB6 10-7 Torr,场发射需要场发射需要10-9 Torr ），），以以确保电子枪电极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分子碰确保电子枪电极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。TEM现在学习的是第58页，共92页n5.6.5 电源系统电源系统n透射电镜需要两部分电源：透射电镜需要两部分电源：一是供给电子枪的高压部分，一是供给电子枪的高压部分，二是供给电磁透镜的低压稳流部分。二是供给电磁透镜的低压稳流部分。n电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志，电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志，对供电系统

50、的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。镜的激磁电流。TEM现在学习的是第59页，共92页5.7TEM的主要部件的主要部件n5.7.1 样品台样品台n样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜和旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进倾斜和旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察行观察。TEM的样品放置在物镜的上下极靴之间，的样品放置在物镜的上下极靴之间，样品很小，通常是样品很小，通常是3mm的薄片。的薄片。TEM现在学习的是第60页，共92页n对样品台的要求：对样品台的要求：n 使样品牢固