透射电镜的结构和功能

1、2021-7-101 六六 、透射电子显微的、透射电子显微的 结构与功能结构与功能 2021-7-102 透射电子显微镜透射电子显微镜 （Transmission Electron MicroscopeTransmission Electron Microscope TEM TEM） 以电子为光源，电以电子为光源，电 磁场为透镜，电子束穿磁场为透镜，电子束穿 过试样成像的电子光学过试样成像的电子光学 仪器。仪器。 分辨本领分辨本领: 0.2 - 0.3 nm : 0.2 - 0.3 nm 加速电压加速电压 : 100 500 kV : 100 500 kV 放大倍数放大倍数: 50: 501.

2、21.210106 6 2021-7-103 透射电子显微学的发展透射电子显微学的发展( (回顾回顾) ) 1931 1931年年 E.Ruska and M. Knoll E.Ruska and M. Knoll 世界上第一台电镜世界上第一台电镜 19861986年年 E.Ruska E.Ruska 获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖 19821982年年 A.Klug A.Klug 获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖 19371937年年 C.J.Davisson and G.P.Thomson C.J.Davisson and G.P.Thomson 获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖 50506

3、060年代年代 英国英国 剑桥大学剑桥大学 物理系物理系 Cavendish Lab. Cavendish Lab. P.B.Hirsch and A.Howie et al (TEM) P.B.Hirsch and A.Howie et al (TEM) 衍衬理论衍衬理论: : 运动学、运动学、 动力学动力学 透射电镜代表作：薄晶体电子显微学透射电镜代表作：薄晶体电子显微学 刘安生译刘安生译 Electron Microscopy in Thin CrystalElectron Microscopy in Thin Crystal 2021-7-104 70708080年代年代 分析电子显微

4、学兴起分析电子显微学兴起 高分辨电子显微术（高分辨电子显微术（HREMHREM） X X射线能谱分析（射线能谱分析（EDAX EDAX 或或 EDSEDS） 电子能量损失谱分析（电子能量损失谱分析（EELSEELS） 微衍射与微微衍射微衍射与微微衍射(D (D 、 D)D) 会聚束电子衍射（会聚束电子衍射（CBEDCBED） 扫描透射电子显微术（扫描透射电子显微术（STEMSTEM） 表面反射衍射电子显微术（表面反射衍射电子显微术（RHEEDRHEED） 美国美国 亚利桑那州立大学亚利桑那州立大学 J.M.Cowley Diffraction Physics J.M.Cowley Diffra

5、ction Physics 代表作：代表作： J.J.Hren Introduction to Analytical Electron Microscopy J.J.Hren Introduction to Analytical Electron Microscopy J.C.H.Spence Experimental High-Resolution Electron Microscopy J.C.H.Spence Experimental High-Resolution Electron Microscopy 90 90今今 透射电子显微学进展透射电子显微学进展 叶恒强叶恒强 王元明王元明

6、主编主编 电子全息术、生物大分子材料电子全息术、生物大分子材料 、纳米材料、物镜球差校正、纳米材料、物镜球差校正 高分辨、高分辨透扫（高分辨、高分辨透扫（Z Z衬度）衬度） 等等等等 2021-7-105 S L S O SL SO 点物点物S S和和S S1 1在透镜的焦平面上呈在透镜的焦平面上呈 现两个艾里斑，屏上总光强为两衍现两个艾里斑，屏上总光强为两衍 射光斑的非相干迭加射光斑的非相干迭加。 S1 S S1 S A f1 f2 O S1 S S S1 L O 当两个物点距离足够小时，当两个物点距离足够小时， 就有能否分辨的问题。就有能否分辨的问题。 透镜的分辨本领透镜的分辨本领 点光源

7、经过光学仪器的小圆点光源经过光学仪器的小圆 孔后，由于衍射的影响，所成的孔后，由于衍射的影响，所成的 象不是一个点而是一个明暗相间象不是一个点而是一个明暗相间 的圆形光斑。的圆形光斑。 6.1 6.1 电子的波长电子的波长 2021-7-106 瑞利判据：瑞利判据：点物点物S S1 1的艾里斑中心恰好与另一个点物的艾里斑中心恰好与另一个点物S S2 2的艾里斑边缘的艾里斑边缘 （第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。 S1 S2 S1 S2 S1 S2 可分辨可分辨 恰可分辨恰可分辨 不可分辨不可分辨 100% 75% 2021-7-107 能分辨开

8、的物面上能分辨开的物面上 两点间的两点间的最小距离最小距离d d， 称为显微镜的称为显微镜的分辨本分辨本 领领。 nsin 0.61d 2/ d 光镜用可见光照明，其波长范光镜用可见光照明，其波长范 围为围为500nm500nm ，分辨本领不能小于，分辨本领不能小于 200nm200nm。 衍射衍射 提高分辨本领提高分辨本领 波长波长 X X射线射线 波长波长10100.05nm0.05nm，不能聚焦成像。，不能聚焦成像。 紫外线紫外线 波长波长39039013nm13nm，短波易被吸收，短波易被吸收， 可用为可用为200200250nm250nm。 石英玻璃透镜，分辨本领石英玻璃透镜，分辨本

9、领 100nm100nm。 2021-7-108 电子电子 具有波粒二象性，与可见光相似，可作光源。具有波粒二象性，与可见光相似，可作光源。 电子波长为：电子波长为： 为电子的速度，与加速为电子的速度，与加速 电压电压 E E 的关系的关系 电子波长与加速电压的关系电子波长与加速电压的关系 E/kV 6080100200 /nm 0.00487 0.00418 0.00370 0.00251 Eemv 2 2 1 mvh/ 1/2 )/(2mEev 1/2 E/50. 1 2021-7-109 6.2 6.2 电子透镜电子透镜 利用轴对称非均匀电场或磁场力使电子会聚或发散的装置。核利用轴对称非

10、均匀电场或磁场力使电子会聚或发散的装置。核 心部件，决定电镜的性能。心部件，决定电镜的性能。 静电透镜静电透镜 早期使用早期使用 磁透镜磁透镜 改变改变 f f 和和 MM 很方便；很方便； 不担心击穿；不担心击穿； 像差小。像差小。 常用磁透镜为短螺旋管线圈常用磁透镜为短螺旋管线圈 F F1 1 V V B Br r F F2 2 V V1 1 B BZ Z 电子在磁场中受力为电子在磁场中受力为 F=e (vF=e (vB)B) F F1 1 使电子作圆周运动使电子作圆周运动 F F2 2 使电子向轴运动使电子向轴运动 2021-7-1010 B(z)B(z) 有极靴有极靴 没有极靴没有极靴

11、 无铁壳无铁壳 z z 磁感应强度分布图磁感应强度分布图 2021-7-1011 磁透镜与光学磁透镜与光学 透镜作用相仿，光透镜作用相仿，光 学术语均可借用。学术语均可借用。 如焦点、焦距、如焦点、焦距、 球差、景深等。球差、景深等。 电子波长很短，如电子波长很短，如 加速电压加速电压100kV100kV时为时为 0.00370nm0.00370nm，分辨本领，分辨本领 可达可达0.002nm0.002nm。 但实际达不到，原但实际达不到，原 因是磁透镜也有因是磁透镜也有像差像差。 电子像与实物不仅有电子像与实物不仅有 180180的倒转，还有磁场的倒转，还有磁场 引起的旋转角。引起的旋转角。

12、 焦距焦距 fE/(IN)2 fE/(IN)2 与电流平方成反比与电流平方成反比 2021-7-1012 球差球差： 透镜中心与边缘对电子的会聚能力不同造成。透镜中心与边缘对电子的会聚能力不同造成。 在物面上的影响半径为在物面上的影响半径为 r rS S=C=CS S 3 3 C CS S为球差系数为球差系数 为孔径半角为孔径半角 物镜 像平面 像平面 最小散焦圆斑 2021-7-1013 像散：像散： 透镜磁场不完全对称造成。透镜磁场不完全对称造成。 物面上的影响半径为物面上的影响半径为 r rA A=M=Mf f f f 像散引起的焦距差 像散引起的焦距差 2021-7-1014 色差：色

13、差： 电子能量不同造成电子能量不同造成 在物面上的影响半径为在物面上的影响半径为 r rC C=C =CC C E/E E/E E/E E/E 电子能量变化率电子能量变化率 CCC C 色差系数 色差系数 2021-7-1015 磁透镜另一大特点磁透镜另一大特点 景深：景深： 保持象清晰度时，试样在物平保持象清晰度时，试样在物平 面沿轴向可移动的距离。面沿轴向可移动的距离。 2dr2 tan r2 D oo f 一般一般 =10 =10-2 -2 1010-3 -3 rad rad，如，如 d=1nmd=1nm，则，则D Df f=200=2002000nm2000nm。 2021-7-101

14、6 焦深焦深: : 保持象清晰度时，像平面沿轴保持象清晰度时，像平面沿轴 向可移动的距离。向可移动的距离。 2 f 2 0 i MD 2dMr2 D 如如d =1nmd =1nm，孔径半角，孔径半角 =10 =10-2 -2 rad rad， 则则 D Di i = 8 mm= 8 mm。 2021-7-1017 6.3 6.3 电子显微镜的结构电子显微镜的结构 电子光学系统电子光学系统 电子显微镜的核心电子显微镜的核心, ,成像成像 放大等主要功能靠此完成。放大等主要功能靠此完成。 真空系统真空系统 保证电子只于试样发生保证电子只于试样发生 作用，真空度为作用，真空度为1.331.33101

15、0-2 -2 1010-5 -5Pa Pa 供电系统供电系统 以高稳定度的电压供给以高稳定度的电压供给 电子枪，高稳定度的电流供电子枪，高稳定度的电流供 给磁透镜。给磁透镜。 由三大系统组成由三大系统组成 2021-7-1018 电子光学系统电子光学系统 电子枪电子枪 聚光镜聚光镜 偏转线圈偏转线圈 样品室样品室 物物 镜镜 中间镜中间镜 投影镜投影镜 观察室观察室 观察屏观察屏 照相装置照相装置 电电 视视 成像放大部分成像放大部分 照明部分照明部分 显像部分显像部分 2021-7-1019 照明部分照明部分 阴极阴极 灯丝灯丝 发射电子发射电子 0.03-0.1mm 0.03-0.1mm

16、钨钨 LaB6LaB6 阳极阳极 加速电子加速电子 增加动能增加动能 一般接地一般接地 栅极栅极 会聚电子会聚电子 调节束流大小、亮度调节束流大小、亮度 电子枪电子枪 聚光镜：聚光镜： 会聚电子束，以最小的损失会聚电子束，以最小的损失 照明样品，调节强度、孔径角、照明样品，调节强度、孔径角、 束斑大小束斑大小 一聚：一聚： 强激磁、短焦距强激磁、短焦距 。 缩小缩小 10-5010-50倍。交叉点束斑缩为倍。交叉点束斑缩为1-5m1-5m 二聚：二聚： 弱激磁、长焦距弱激磁、长焦距 。放大。放大2 2 倍倍 左右。样品平面可获得左右。样品平面可获得2-10m2-10m 照明束斑照明束斑 阴极（

17、接负高压）阴极（接负高压） 控制极（比阴极控制极（比阴极 负负10010001001000伏）伏） 阳极阳极 电子束电子束 聚光镜聚光镜 试样试样 2021-7-1020 成像放大部分成像放大部分 物镜：物镜： 投影镜：投影镜： 放大镜，保证足够高的放大镜，保证足够高的 放大倍数。放大倍数。 强激磁，短焦距透镜。强激磁，短焦距透镜。 放大：放大：100100倍左右倍左右 形成第一幅高分辨电子形成第一幅高分辨电子 放大像或电子衍射花样。放大像或电子衍射花样。 强激磁、短焦距、像差强激磁、短焦距、像差 小。小。 焦距：焦距： f=1f=13mm 3mm 放大：放大： 100100300300倍倍

18、分辨本领：分辨本领： 0.1nm 0.1nm 为减少像差，装有消像为减少像差，装有消像 散器和防污染装置。散器和防污染装置。 中间镜：中间镜： 将物镜的电子像再放大，同时将物镜的电子像再放大，同时 起衍射镜作用。减弱电流，增大物起衍射镜作用。减弱电流，增大物 距，使中镜物面与物镜后焦面重合，距，使中镜物面与物镜后焦面重合， 将衍射花样投倒像面上，实现衍射。将衍射花样投倒像面上，实现衍射。 弱激磁，长焦距，倍率在弱激磁，长焦距，倍率在0 0 2020内变化。内变化。 2021-7-1021 三级透镜三级透镜 的放大成的放大成 像和电子像和电子 衍射的光衍射的光 路图路图 电子衍射形貌像 2021-7-1022 显像部