第八章 透射电子显微分析
第一节 透射电子显微镜工作原理及构造 第二节 样品制备 第三节 透射电镜基本成像操作及像衬度 第四节 电子衍射原理 第五节 TEM的典型应用及其它功能简介
西南科技大学 张宝述
1
显微镜的发展
R.虎克在17世纪中期 制做的复式显微镜
19世纪中期的显微镜 20世纪初期的显微镜
带自动照相机 的光学显微镜
一、工作原理 透射电子显微镜的成像原理与光学显微镜类似。
项目 照明束 聚焦装置 放大倍数 分辨本领 结构分析
光学显微镜 可见光
玻璃透镜 小，不可调
低 不能
透射电子显微镜 电子（束） 电磁透镜 大，可调 高 能
9
照明系统
成像系统
纪录系统
透射电子显微镜光路原理图
10
二、构造
TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器 系统组成。 1. 电磁透镜 能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens）
15
点分辨本领的测定
将金、铂、铂-铱或铂-钯等 金属或合金，用真空蒸发的 方法可以得到粒度为 5~10A、间距为2~10A的 粒子，将其均匀地分布在火 棉胶(或碳)支持膜上，在高 放大倍数下拍摄这些粒子的 像。
13
像 距v
物距u
减小激磁电流，可使电磁 透镜磁场强度降低、焦距 变长(由f1变为f2 ） 。 焦距f
电磁透镜(通过改变激磁电流)实现 焦距和放大倍率调整示意图
成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形式穿 过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为磁转角。 物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。
14
（3）电磁透镜的分辨本领
光学显微镜 可见光：390-760nm， 最佳：照明光的波长的1/2。极限值：200nm
透射电镜 100KV电子束的波长为0.0037nm；200KV，0.00251nm
线分辨率
r0

A3
/
4
C
1 s
/
4
透镜球差系数
常数
照明电子束波长
r0的典型值约为0.25~0.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.1nm。
主要技术指标 1．分辨率 点分辨率：≤0.24nm；信息分辨率： ≤0.14nm；能量分辨率: ≤0.7eV 2．放大倍数 最小放大倍数: 80×；最大放大倍 数: 1,000,000× 3．样品移动 X：≥2mm；Y: ≥2mm；Z： ≥±0.2mm (最高可以达到±0.4mm) 4．最大倾斜角：α= ±30°；β=±30°
3
JEM 1.25 MeV HVEM. Note the size of the instrument; often the high-voltage tank is in another room above the column.
Zeiss HRTEM with a Cs corrector and an in-column energy filter. Note the large frame to provide high mechanical stability for the highest-resolution performance.
5
主要功能 1.透射成像（明场、暗场）：用于分析材料的微观形貌、相结构、相
关系等； 2.电子衍射[选区电子衍射（SAED）、汇聚束衍射（CBED）、微区
衍射]：用于研究物质的晶体结构、材料的晶体学信息以及低维材料 的生长方向； 3.扫描透射成像（STEM）：用于材料的晶体结构及元素分布状态研 究； 4.高分辨成像（HRTEM）：用于研究材料微区晶格特征、晶体缺陷、 晶界、相变，界面关系等； 5.能量过滤成像（EFTEM）：用于研究材料中元素分布状态、元素 扩散、成分偏析等； 6.电子能量损失谱（EELS）：用于研究材料中元素组成、元素价态 信息以及材料介电系数等； 7.能量色散X射线谱（EDX）：用于研究材料的成分、元素分布以及 元素扩散、成分偏析等，可进行点、线、面扫描分析。
4
学校分析测试中心
Carl Zeiss SMT Pte Ltd（德国蔡司）生产的 Libra 200FE 200kV场发射透射电子显微镜
主要配置 1．场发射透射电子显微镜基本单元 2．镜筒内置OMEGA 型能量过滤器 3．单倾样品杆、铍双倾样品杆 4．扫描透射附件（STEM） 5．电子能量损失谱仪（EELS） 6．Oxford能谱仪（EDS）
装有场发射枪的 扫描电子显微镜
超高压透射电子显微镜
2
Ernst Ruska Electron Microscope - Deutsches Museum
The electron microscope built by Ruska (in the lab coat) and Knoll, in Berlin in the early 1930s.
电子透镜
静电透镜 磁透镜
恒磁透镜 电磁透镜
Байду номын сангаас
11
（1）电磁透镜的结构
电磁透镜结构示意图
12
（2）电磁透镜的光学性质
11 1 uv f
物距 像距 焦距
透镜半径
f A RV0 (NI )2
与透镜结构有关的比例常数
电子加速电压 激磁线圈安匝数
由此可知，改变激磁电流，可改变焦距f，即可改 变电磁透镜的放大倍数。
7
TEM的形式
TEM可以以不同的形式出现，如： 高分辨电镜（HRTEM） 扫描透射电镜（STEM） 高压电子显微镜（HVEM ） 分析型电镜（AEM）等等
入射电子束（照明束）也有两种主要形式： 平行束：透射电镜成像及衍射 会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射
8
第一节 透射电子显微镜工作原理及构造
6
电子显微分析方法的种类
透射电子显微镜(TEM)简称透射电镜 电子衍射(ED)
扫描电子显微镜(SEM)简称扫描电镜 电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)
波谱仪(波长色散谱仪，WDS) 能谱仪(能量色散谱仪，EDS) 电子激发俄歇电子能谱(EAES或AES)
材料电子显微分析．张静武．北京：冶金工业出版社，2012 Transmission electron microscopy – a textbook for materials science. 2nd ed. Williams D B, Carter C B. New York: Plenum, 2009