透射电子显微镜
透射电子显微镜（英文：Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍， 用于观察超微结构，即小于0.2µm、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。
成像原理
透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：
弹簧网吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。
衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。
相位像：当样品薄至100Å以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。
组件
电子：发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。 聚光镜：将电子束聚集，可用已控制照明强度和孔径角。
样品室：放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热、冷却等设备。
物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。
中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。
透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。
此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。
透射电子显微镜结构包括两大部分：主体部分为照明系统、成像系统和观察照相室；辅助部分为真空系统和电气系统。
1、照明系统
该系统分 成两部分：电子和会聚镜。电子由灯丝(阴极)、栅级和阳极组成。加热灯丝发射电子束。在阳极加电压，电子加速。阳极与阴极间的电位差为总的加速电压。经加速而具有能量的电子从阳极板的孔中射出。射出的电子束能量与加速电压有关，栅极起控制电子束形状的作用。电子束有一定的发散角，经会聚镜调节后，可望 得到发散角，很小甚至为0的平行电子束。电子束的电流密度(束流)可通过调节会聚镜的电流来调节。
样品上需要照明的区域大小与放大倍数有关．放大倍数愈高，照明区域愈小，相应地要求以更细的电子束照明样品．由电子直接发射出的电子束的束斑尺寸较大，相干性也较差。为了更有效地利用这些电子，获得亮度高、相干性好的照明电子束以满足透射电镜在不同放大倍数下的需要，由电子子发射出来的电子束还需要进 一步会聚，提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束．这个任务通常由两个被叫做聚光镜的电磁透镜完成．图中C1和C2分别表示第一聚光镜和第二聚光镜．C1通 常保持不变，其作用是将电子的交叉点成一缩小的像，使其尺寸缩小一个数量级以上．此外，在照明系统中还安装有束倾斜装置，可以很方便地使电子束在 2°～3°的范围内倾斜，以便以某些特定的倾斜角度照明样品。
2、成像系统
该系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光栏、衍射光栏、投射镜以及其它电子光学部件。样品室有一套机构，保证样品经常更换时不破坏主体的真空。样品可在X、Y二方向移动，以便到所要观察的位置。经过会聚镜得到的平行电子束照射到样品上，穿过样品后就带有反映样品特征的信息，经物镜和反差光栏作用形成一次电子图象，再经中间镜和投射镜放大一次后，在荧光屏上得到最后的电子图象。
照明系统提供了一束相干性很好的照明电子束，这些电子穿越样 品后便携带样品的结构信息，沿各自不同的方向传播(比如，当存在满足布拉格方程的晶面组时，可能在与入射束交成2θ角的方向上产生衍射束)．物镜将来自样 品不同部位、传播方向相同的电子在其背焦面上会聚为一个斑点，沿不同方向传播的电子相应地形成不同的斑点，其中散射角为零的直射束被会聚于物镜的焦点，形成中心斑点．这样，在物镜的背焦面上便形成了衍射花样．而在物镜的像平面上，这些电子束重新组合相干成像．通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与 物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像．通过两个中间镜相互配合，可实现在较大范围内调整相机长度和放大倍数。
透射电子显微镜与透射光学显微镜光路比较
3、观察照相室
电子图像反映在荧光屏上。荧光发光和电子束流成正比。把荧光屏换成电子干板，即可照
相。干板的感光能力与其波长有关。
4、真空系统
真 空系统由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10-5托以上，目前最好的真空度可以 达到10-9—10-10托。如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。
5、供电控制系统
加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透 镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。透射电镜的电路主要由以下部分组成，高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源、电子灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等。
另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。透射电子显微镜结构和成像原理
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应用
透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。
第九章 透射电子显微镜
§9-1 透射电镜主要结构
§9-2 透射电镜电子图象形成原理
§9-3 透射电镜样品制备
§9-4 电子衍射及结构分析
透射电子显微镜
透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器.尽管复杂得多,它在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计,简单化地可将其看成放大倍率高得多的成像仪器.一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍,特殊可到数千倍.而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间,有些甚至可达数百万倍或千万倍.
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50~1200,000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.
电镜的主要结构
高分辨分析透射电子显微镜 JEM200CX
高分辨分析透射电子显微镜JEM2010
金属净洗剂§9-1 透射电镜主要结构
电镜的基本组成包括电子(光源)与加速级管,聚光系统,成像系统,放大系统和记录系统.光路上主要由各种磁透镜和光阑组成.
1.照明系统
2.成像放大系统
1).物镜
2).光阑
3).中间镜,投影镜
M总=M物×M中×M投
1 . 电子光学系统
图9.1 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.
电厂脱硫滤布
(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".
透射电镜一般是电子光学系统,真空系统,供电系统三大部分组成.
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(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.
电子
电子的类型有热发射和场发射两种,大多用钨和六硼化镧材料.一般电子的发射原理与普通照明用白炙灯的发光原理基本相同,即通过加热来使整个体来发射电子.电子的发射体使用的材料有钨和六硼化镧两种.前者比较便宜并对真空要求较低,后者发射效率要高很多,其电流强度大约比前者高一个量级.
场发射电子及原理示意图
热发射和场发射的电子
热发射的电子其主要缺点是体的发射表面比较大并且发射电流难以控制.近来越来越被广泛使用的场发射型电子则没有这一问题.如图所示,场发射的电子发射是通过外加电场将电子从尖拉出来实现的.由于越尖锐处体的电子脱出能力越大,因此只有尖部位才能发射电子.这样就在很大程度上缩小了发射表面.通过调节外加电压可控制发射电流和发射表
面.
