透射电子显微镜(TEM)的原理

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1 透射电子显微镜透射电子显微镜 ---- TEMTEM (Transmission Electron MicroscopeTransmission Electron Microscope) 2 CONTENTS ?TEMTEM发展概述发展概述 ?TEMTEM的结构和成像原理的结构和成像原理 ?衍射花样分析衍射花样分析 3 透射电镜,即透射电子显微镜(透射电镜,即透射电子显微镜(Transmission Electron MicroscopeTransmission Electron Microscope,, TEMTEM),是以波长极短的电子束作为照明源,用电磁透镜对透射电子聚焦),是以波长极短的电子束作为照明源,用电磁透镜对透射电子聚焦 成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。目前世界上最成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。目前世界上最 先进的透射电镜的分辨本领已达到先进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,0.1nm,可用来直接观察原子像。可用来直接观察原子像。 什么是透射电镜?什么是透射电镜? 4 一、一、TEM发展概述发展概述 ?1924年,德布罗意计算出电子波的波长。年,德布罗意计算出电子波的波长。 ?1926年,布施发现轴对称非均匀磁场能使电年,布施发现轴对称非均匀磁场能使电 子波聚焦。子波聚焦。 ?1932~~1933年间,德国的劳尔和鲁斯卡等研年间,德国的劳尔和鲁斯卡等研 制成功世界上第一台制成功世界上第一台TEM。。 ? 1939年,德国的西门子公司生产出分辨本领年,德国的西门子公司生产出分辨本领 优于优于10nm的商品电子显微镜。的商品电子显微镜。 5 TEM发展概述发展概述 我国电镜研制起步我国电镜研制起步 较迟,较迟,19581958年在长春年在长春 中国科学院光学精密中国科学院光学精密 机械研究所生产了第机械研究所生产了第 一台中型电镜,到一台中型电镜,到 19771977年生产的年生产的TEMTEM分辨分辨 率为率为0.3nm0.3nm,放大倍率,放大倍率 为为8080万倍。万倍。 6 日本电子公司透射电镜日本电子公司透射电镜 JEM-2100((HR)) ?点分辨率:点分辨率:0.23nm0.23nm ?晶格分辨率:晶格分辨率:0.14nm0.14nm ?加速電圧:加速電圧:8080~~200kV200kV ?倍率:倍率:××5050~~1,500,0001,500,000 7 二二TEM的结构和成像原理的结构和成像原理 透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源,用电磁透透射电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率、高放大倍数的电子光学仪器。镜聚焦成像的一种高分辨率、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。成。 TEM 电子光学 部分 真 空 部 分 电 子 部 分 照明、成象、观察和 记录 机械泵、扩散泵、吸附泵、 真空测量、显示仪表 高压电源、透镜电源、真空电源、 辅助电源、安全系统、总调压变 压器 核心 辅助 辅助 7 8 A 电子光学成像系统电子光学成像系统 照 明 系 统 照 明 系 统 成 像 放 大 成 像 放 大 记 录 观 察 记 录 观 察 样 品 室 样 品 室 A A 照明系统照明系统 ? 电子枪电子枪 ? 聚光镜聚光镜 B B 样品室样品室 C C 成像系统成像系统 ?物镜物镜 (Objective (Objective lens)lens) ?中间镜中间镜 (Intermediate lens)(Intermediate lens) ?投影镜投影镜 (Projector (Projector lens)lens) D D 观察和记录系统观察和记录系统 9 照明系统照明系统 照明系统由照明系统由电子枪、聚光镜电子枪、聚光镜和电子束平移对中、倾斜调和电子束平移对中、倾斜调 节装置组成。节装置组成。 10 (1) 电子枪电子枪 电子枪是透射电镜的电电子枪是透射电镜的电 子源。要求其亮度、发射稳子源。要求其亮度、发射稳 定度和加速电压都要高。最定度和加速电压都要高。最 常用的加速电压常用的加速电压50~100kV,, 近来超高电压电镜的加速电近来超高电压电镜的加速电 压已达数千压已达数千kV。。 目前常用的电子枪是目前常用的电子枪是 热阴极三极电子枪,如图所热阴极三极电子枪,如图所 示。它由发夹形钨丝示。它由发夹形钨丝阴极阴极、、 阳极阳极和位于阴、阳极之间且和位于阴、阳极之间且 电位比阴极负数百伏的电位比阴极负数百伏的栅极栅极 组成。能发射直径小于组成。能发射直径小于 100μm的电子束斑的电子束斑 电子枪及自偏压回路 11 (2) (2) 聚光镜聚光镜 聚光镜大多是磁透镜,其作用聚光镜大多是磁透镜,其作用 是将来自电子枪的电子束会聚到被是将来自电子枪的电子束会聚到被 观察的样品上,并通过它来控制照观察的样品上,并通过它来控制照 明强度、照明孔径角和束斑大小。明强度、照明孔径角和束斑大小。 高性能透射电镜都采用双聚光镜系高性能透射电镜都采用双聚光镜系 统。这种系统由第一聚光镜统。这种系统由第一聚光镜( (强激磁强激磁 透镜透镜) )和第二聚光镜和第二聚光镜( (弱激磁透镜弱激磁透镜) )组组 成。成。 12 样品室样品室位于照明系统和物镜之间位于照明系统和物镜之间,其作用是安装各,其作用是安装各 种形式的样品台,提供样品在观察过程中的各种运动,如平种形式的样品台,提供样品在观察过程中的各种运动,如平 移、倾斜移、倾斜( (和旋转等。和旋转等。 透射电镜样品非常薄,约为透射电镜样品非常薄,约为100100~~200nm200nm,必须用,必须用铜网铜网 支撑着。支撑着。 B 样品室样品室 13 物镜物镜 投影镜投影镜 中间镜中间镜 成像系统成像系统 成像系统作用:成像系统作用: 将来自样品的、反映样品内部特将来自样品的、反映样品内部特 征的、强度不同的透射电子聚焦放大征的、强度不同的透射电子聚焦放大 成像,并投影到荧光屏或照相底片上,成像,并投影到荧光屏或照相底片上, 转变为可见光图像或电子衍射花样。转变为可见光图像或电子衍射花样。 C C 成像系统成像系统 14 (1)物镜 ?物镜是透射电镜的核心,形成第一幅电子像或物镜是透射电镜的核心,形成第一幅电子像或 衍射谱,它还承担了物到像的转换并加以放大的作衍射谱,它还承担了物到像的转换并加以放大的作 用,既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数用,既要求像差尽可能小又要求高的放大倍数 ((100x100x- -200x200x),),透射电镜的分辨本领就取决于物镜透射电镜的分辨本领就取决于物镜 的分辨本领的分辨本领。。 ?为了减小物镜的球差,往往在物镜的后焦面上为了减小物镜的球差,往往在物镜的后焦面上 安放一个物镜光阑。它可以减小球差、相散和色差,安放一个物镜光阑。它可以减小球差、相散和色差, 提高图像的衬度。提高图像的衬度。 15 (2)中间镜 ?弱激磁长焦距可变倍率透镜。作用是把物镜形成的一次中弱激磁长焦距可变倍率透镜。作用是把物镜形成的一次
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