六、透射電子顯微的

結(jié)構(gòu)與功能1/15/20231

透射電子顯微鏡

（TransmissionElectronMicroscopeTEM）以電子為光源，電磁場為透鏡，電子束穿過試樣成像的電子光學儀器。分辨本領(lǐng):0.2-0.3nm加速電壓:100–500kV放大倍數(shù):50－1.2×1061/15/20232透射電子顯微學的發(fā)展(回顧)1931年E.RuskaandM.Knoll世界上第一臺電鏡

1986年E.Ruska

獲諾貝爾物理學獎

1982年A.Klug

獲諾貝爾化學獎

1937年C.J.DavissonandG.P.Thomson

獲諾貝爾物理學獎

50～60年代英國劍橋大學物理系CavendishLab.

P.B.HirschandA.Howieetal(TEM)衍襯理論:運動學、動力學透射電鏡代表作：薄晶體電子顯微學劉安生譯

ElectronMicroscopyinThinCrystal1/15/2023370～80年代分析電子顯微學興起高分辨電子顯微術(shù)（HREM）

X射線能譜分析（EDAX或EDS）電子能量損失譜分析（EELS）微衍射與微微衍射(μD、μ－μD)

會聚束電子衍射（CBED）掃描透射電子顯微術(shù)（STEM）表面反射衍射電子顯微術(shù)（RHEED）美國亞利桑那州立大學J.M.CowleyDiffractionPhysics

代表作：

J.J.Hren

IntroductiontoAnalyticalElectronMicroscopy

J.C.H.SpenceExperimentalHigh-ResolutionElectronMicroscopy90～今透射電子顯微學進展葉恒強王元明主編電子全息術(shù)、生物大分子材料、納米材料、物鏡球差校正高分辨、高分辨透掃（Z襯度）等等1/15/20234S’LSOS’LSO點物S和S1在透鏡的焦平面上呈現(xiàn)兩個艾里斑，屏上總光強為兩衍射光斑的非相干迭加。S1’S’S1SAf1f2OS1SS’S1’LO當兩個物點距離足夠小時，就有能否分辨的問題。透鏡的分辨本領(lǐng)點光源經(jīng)過光學儀器的小圓孔后，由于衍射的影響，所成的象不是一個點而是一個明暗相間的圓形光斑。6.1電子的波長1/15/20235

瑞利判據(jù)：點物S1的艾里斑中心恰好與另一個點物S2的艾里斑邊緣（第一衍射極?。┫嘀睾蠒r，恰可分辨兩物點。S1S2S1S2S1S2可分辨恰可分辨不可分辨100%75%1/15/20236

能分辨開的物面上兩點間的最小距離d，稱為顯微鏡的分辨本領(lǐng)。光鏡用可見光照明，其波長范圍為500nm

，分辨本領(lǐng)不能小于200nm。衍射

提高分辨本領(lǐng)→波長☆X射線

波長10～0.05nm，不能聚焦成像?！钭贤饩€波長390～13nm，短波易被吸收，可用為200～250nm。石英玻璃透鏡，分辨本領(lǐng)100nm。1/15/20237☆電子

具有波粒二象性，與可見光相似，可作光源。電子波長為：

ν為電子的速度，與加速電壓E的關(guān)系

電子波長與加速電壓的關(guān)系E/kV

6080100200λ/nm

0.004870.004180.003700.002511/15/202386.2電子透鏡

利用軸對稱非均勻電場或磁場力使電子會聚或發(fā)散的裝置。核心部件，決定電鏡的性能。靜電透鏡早期使用磁透鏡改變

f

和M

很方便；不擔心擊穿；像差小。常用磁透鏡為短螺旋管線圈F1VBrF2V1BZ電子在磁場中受力為F=e(v×B)F1

使電子作圓周運動F2

使電子向軸運動1/15/20239B(z)有極靴沒有極靴無鐵殼z磁感應(yīng)強度分布圖1/15/202310☆磁透鏡與光學透鏡作用相仿，光學術(shù)語均可借用。如焦點、焦距、球差、景深等。☆電子波長很短，如加速電壓100kV時為0.00370nm，分辨本領(lǐng)可達0.002nm。但實際達不到，原因是磁透鏡也有像差?！铍娮酉衽c實物不僅有180°的倒轉(zhuǎn)，還有磁場引起的旋轉(zhuǎn)角。焦距

f∝E/(IN)2

與電流平方成反比1/15/202311▲球差：

透鏡中心與邊緣對電子的會聚能力不同造成。在物面上的影響半徑為

rS=CSα3

CS為球差系數(shù)α為孔徑半角物鏡像平面Ⅱ像平面Ⅰ最小散焦圓斑1/15/202312▲像散：

透鏡磁場不完全對稱造成。物面上的影響半徑為rA=M△fαα

△fα

像散引起的焦距差1/15/202313▲

色差：電子能量不同造成在物面上的影響半徑為

rC=CCα△E/E△E/E電子能量變化率CC

色差系數(shù)1/15/202314磁透鏡另一大特點△

景深：保持象清晰度時，試樣在物平面沿軸向可移動的距離。一般α=10-2～10-3rad，如d=1nm，則Df=200～2000nm。1/15/202315△

焦深:

保持象清晰度時，像平面沿軸向可移動的距離。如d=1nm，孔徑半角α=10-2rad，則Di=8mm。1/15/2023166.3電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

★電子光學系統(tǒng)電子顯微鏡的核心,成像放大等主要功能靠此完成?！镎婵障到y(tǒng)保證電子只于試樣發(fā)生作用，真空度為1.33×10-2～10-5Pa★

供電系統(tǒng)以高穩(wěn)定度的電壓供給電子槍，高穩(wěn)定度的電流供給磁透鏡。由三大系統(tǒng)組成1/15/202317電子光學系統(tǒng)

電子槍聚光鏡偏轉(zhuǎn)線圈樣品室物鏡中間鏡投影鏡觀察室觀察屏照相裝置電視成像放大部分

照明部分

顯像部分1/15/202318

照明部分陰極燈絲發(fā)射電子0.03-0.1mm鎢LaB6陽極加速電子增加動能一般接地柵極會聚電子調(diào)節(jié)束流大小、亮度電子槍聚光鏡：會聚電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)強度、孔徑角、束斑大小一聚：強激磁、短焦距?？s小10-50倍。交叉點束斑縮為1-5μm二聚：弱激磁、長焦距。放大2倍左右。樣品平面可獲得2-10μm照明束斑陰極（接負高壓）控制極（比陰極負100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣1/15/202319

成像放大部分物鏡：

投影鏡：

放大鏡，保證足夠高的放大倍數(shù)。強激磁，短焦距透鏡。放大：100倍左右

形成第一幅高分辨電子放大像或電子衍射花樣。強激磁、短焦距、像差小。焦距：f=1～3mm放大：100～300倍分辨本領(lǐng)：0.1nm

為減少像差，裝有消像散器和防污染裝置。中間鏡：將物鏡的電子像再放大，同時起衍射鏡作用。減弱電流，增大物距，使中鏡物面與物鏡后焦面重合，將衍射花樣投倒像面上，實現(xiàn)衍射。弱激磁，長焦距，倍率在0～20內(nèi)變化。1/15/202