【材料课件】08透射电子显微镜

2019/8/31第八章透射电子显微镜透射电镜的结构原理射透电镜的主要性能2019/8/3HNU-ZLP22.1透射电镜的结构原理目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3埃，电压为100～500kV，放大倍数50~1200000倍。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附件，如扫描电镜、扫描透射电镜、X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。高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的，有附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时采取短焦距，低分辨时采取长焦距。我们这里先看一看一些电镜的外观图片，再就电镜共同的结构原理和日趋普及的分析电镜的有关部分做一介绍。2019/8/3HNU-ZLP3日本日立公司H－700电子显微镜，配有双倾台，并带有7010扫描附件和EDAX9100能谱。该仪器不但适合于医学、化学、微生物等方面的研究，由于加速电压高，更适合于金属材料、矿物及高分子材料的观察与结构分析，并能配合能谱进行微区成份分析。●分辨率：0.34nm●加速电压：75KV－200KV●放大倍数：25万倍●能谱仪：EDAX－9100●扫描附件：S70102019/8/3HNU-ZLP4CM200-FEG场发射枪电镜JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率1.94Å加速电压20KV、40KV、80KV、160KV、200KV可连续设置加速电压热场发射枪晶格分辨率1.4Å点分辨率2.4Å最小电子束直径1nm能量分辨率约1ev倾转角度α=±20度β=±25度2019/8/3HNU-ZLP5JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率1.94ÅEM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率2.04Å点分辨率3.4Å最小电子束直径约2nm倾转角度α=±60度β=±30度2019/8/3HNU-ZLP6PhilipsCM12透射电镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KVLaB6或W灯丝晶格分辨率2.04Å点分辨率3.4Å最小电子束直径约2nm；倾转角度α=±20度β=±25度CEISS902电镜加速电压50KV、80KVW灯丝顶插式样品台能量分辨率1.5ev倾转角度α=±60度转动40002019/8/3HNU-ZLP721344556789101112131415161617181920图2－12019/8/3HNU-ZLP8光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子镜聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板图2－22019/8/3HNU-ZLP9电镜一般是电子光学系统、真空系统和供电系统三大部分组成。一.电子光学系统图2-1是近代大型电子显微镜的剖面示意图，从结构上看，和光学透镜非常类似。1.照明部分（1）阴极：又称灯丝，一般是由0.03~0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。（2）阳极：加速从阴极发射出的电子。为了安全，一般都是阳极接地，阴极带有负高压。（3）控制极：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节象的亮度。阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能，因此，人们习惯上把它们通称为“电子枪”。（4）聚光镜：由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用，电子束穿过阳极小孔后，又逐渐变粗，射到试样上仍然过大。聚光镜就是为克服这种缺陷加入的，它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用。2019/8/3HNU-ZLP10阴极（接负高压）控制极（比阴极负100~1000伏）阳极电子束聚光镜试样图2-3照明部分示意图2019/8/3HNU-ZLP112.成象放大部分这部分有试样室、物镜、中间镜、投影镜等组成。（1）试样室：位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。（2）物镜：电镜的最关键的部分，其作用是将来自试样不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有试样结构信息的散射花样或衍射花样；将来自试样同一点的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与试样组织相对应的显微象。投射电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。物镜的最短焦距可达1毫米，放大倍数约为300倍，最佳分辨本领可达1埃，目前，实际的分辨本领为2埃。为了减小物镜的球差和提高象的衬度，在物镜极靴进口表面和物镜后焦面上还各放一个光阑，物镜光阑（防止物镜污染）和衬度光阑（提高衬度）在分析电镜中，使用的皆为双物镜加辅助透镜，试样置于上下物镜之间，上物镜起强聚光作用，下物镜起成象放大作用，辅助透镜是为了进一步改善场对称性而加入的。2019/8/3HNU-ZLP12（3）中间镜和投影镜：中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。它的作用是将来自物镜的的电子象再放大，最后显示在观察屏上，得到高放大倍率的电子象。（4）相对位置试样、物镜、中间镜、投影镜四者之间的相对位置是：试样放在物镜的物平面上（物镜的物平面接近物镜的前焦面），物镜的象平面是中间镜的物平面，中间镜的象平面是投影镜的物平面。物镜、中间镜、投影镜三者结合起来，给出电镜的总放大倍率。（5）中间镜的衍射作用中间镜除了起放大作用外，还起衍射作用。这是因为通过减弱中间的电流，增大其物距，使其物平面与物镜的后焦面相重，这样就可以把物镜后焦面上形成的电子的电子衍射花样投射到中间镜的象平面。2019/8/3HNU-ZLP13近代电镜一般都有两个中间镜、两个投影镜。30万倍以上成象时，物镜、两个中间镜和两个投影镜同时起放大作用。低倍时，关掉物镜，第一个中间镜对试样进行第一次成象，这样因为物距加长，加之改变投影镜的电流，总的放大倍数可在仪一千倍以下。图2-4、2-5是三级放大和极低放大率成象示意图。三级放大成象示意图2019/8/3HNU-ZLP14图2-4（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜三次象（荧光屏）选区光阑2019/8/3HNU-ZLP15物镜关闭无光阑中间镜（作物镜用）投影镜第一实象（荧光屏）.普查象图2-5极低放大率象2019/8/3HNU-ZLP163.显象部分这部分由观察屏和照相机组成。观察屏所在的空间为观察室。由于观察屏是用荧光粉制成的，所以常称观察屏为荧光屏。观察屏和照象底板放在投影镜的象平面上，两者隔一段距离。由于电镜的焦深大，尽管观察屏和照相底板相距十几个厘米，在观察屏上聚好焦后，将屏掀起，在照相底板上照相，象依然清晰。有些仪器在观察室与投影镜之间设有辅助观察屏，这个屏上所成象的亮度为观察室内的二倍，可以用来观察试样在电子束辐照下的变化，或用2~5倍双筒观察镜在此观察聚焦的情况。在分析电镜中，在观察室和荧光屏之间还装有探测器，用来收集透射电子和散射电子，以形成与常规透射电镜相对应的扫描透射电镜的暗场象。在镜筒之下还有电子能损分析仪。工作时，衍射束经扫描线圈的偏转作用，逐个扫过入射光阑进入电子能量分析仪，不同能量的电子在静电场或磁场的作用下，产生不同程度的偏转而分散开来。再用能量选择光阑把不同能量的散射电子挑选出来，经探测器转换为电脉冲信号，经放大整理后显示在现象管的荧光屏上，或用X—Y记录仪描绘下来。2019/8/3HNU-ZLP17近代电镜配有电视装置，这对动态研究是极为有利的。二.真空系统为了保证电子在整个通道中只与样品发生相互作用，而不与空气分子碰撞，因此，整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内，一般真空度为毫米汞柱。如果真空度不够，就会出现下列问题：1）高压加不上去2）成象衬度变差3）极间放电4）使钨丝迅速氧化，缩短寿命电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、真空测量仪和管道等部分组成。2019/8/3HNU-ZLP18三.供电系统透射电镜需要两部分电源：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。电压的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。加速电压和透镜电流的不稳定将使电子光学系统产生严重象差，从而使分辨本领下降。所以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。在所有的透镜中，物镜激磁电流的稳定度要求也最高。近代仪器除了上述电源部分外，尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统2019/8/3HNU-ZLP192.2透射电镜的主要性能指标分辨率放大倍数加速电压2019/8/3HNU-ZLP20一.分辨率分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标：点分辨率—表示电镜所能分辨的两点之间的最小距离；线分辨率—表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离，通常通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，又称晶格分辨率。图2－6为测量点分辨率和线分辨率的照片。2019/8/3HNU-ZLP212019/8/3HNU-ZLP22二、放大倍数透射电镜的放大倍数是指电子图象对于所观察试样区的线性放大率。目前高性能透射电镜的放大倍数变化范围为100倍到80万倍。2019/8/3HNU-ZLP23三、加速电压电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电压，它决定了电子枪发射的电子的波长和能量。加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察较厚的试样，同时有利于电镜的分辨率和减小电子束对试样的辐射损伤。目前普通透射电镜的最高加速电压一般为100kV和200kV，通常所说的加速电压是指可达到的最高加速电压。