第十一讲 透射电子显微镜

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1、透射电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope简称TEM)吴志国兰州大学等离子体与金属材料研究所现代材料物理研究方法第十一讲透射电子显微镜在形貌分析上的应用基本知识透射电镜原理透射电镜的结构电子衍射原理高分辨透射电镜样品制备材料应用2基础知识1925年，deBroglie提出波粒二象性假说1926年，Busch发现了不均匀的磁场可以聚焦电子束1927年，Davsso和Germer分别进行了单晶和多晶电子衍射实验（1937）1931年，Knoll和Ruska制造了带双透镜的电子源，获得了放大12-17倍的电子光学系统中光阑的像1

2、932年，Knoll和Ruska研制出第一台电镜（点分辨率达到50nm）1936年，英国生产出第一批商用透射电镜1939年，德国西门子公司生产商用透射电镜（点分辨率10nm）1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，晶格条纹分辨率优于0.14nm）1956年，门特(Menter)发明了多束电子成像方法，开创了高分辨电子显微术，获得原子像。3阿贝光栅成像原理成像系统光路图如图所示。当来自照明系统的平行电子束投射到晶体样品上后，除产生透射束外还会产生各级衍射束，经物镜聚焦后在物镜背焦面上产生各级衍射振幅的极大值。每一振幅极大值都可看作是次级相干波源

3、，由它们发出的波在像平面上相干成像，这就是阿贝光栅成像原理。4透射电镜的基本原理阿贝光学显微镜衍射成像原理同样适合于透射电子显微镜。不仅可以在物镜的像平面获得放大的电子像，还可以在物镜的后焦面处获得晶体的电子衍射谱。5光学显微镜的局限性任何显微镜的用途都是将物体放大，使物体上的细微部分清晰地显示出来，帮助人们观察用肉眼直接看不见的东西。假如物体上两个相隔一定距离的点，利用显微镜把他们区分开来，这个距离的最小极限，即可以分辨的两个点的最短距离称为显微镜的分辨率，或称分辨本领。人的眼睛的分辨本领为0.2mm左右。一个物体上的两个相邻点能被显微镜分辨清晰，主要依

4、靠显微镜的物镜。假如在物镜形成的像中，这两点未被分开的话，则无论利用多大倍数的投影镜或目镜，也不能再把它们分开。根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：nsinα----数值孔径，用N.A表示。将玻璃透镜的一般参数代入上述，即最大孔径半角α=70-75。在介质为油的情况下，n--1.5，其数值孔径nsinα---1.25-1.356光学显微镜的局限性这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，而可见光的波长范围为390-760nm，故而光学显微镜的分辨率不可能高于200nm。为进一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波长的射线。例如用紫外线作光源，分辨率可提高一倍

5、。曾有人提出利用X射线和γ射线，当时在技术上比较困难，至今没有很大发展。但电子的波动性被发现后，很快就被用来作为提高显微镜分辨率的新光源，即出现了电子显微镜。7电子束的波长电子束具有波动性，对于运动速度为v，质量为m的电子波长为λ=h/mv。一个初速度为零的电子，在电场中从电位为零处开始运动，因受加速电压U（阴极和阳极之间的电位差）的作用获得运动速度为v，那么加速每个电子所做的功（eU）就是电子获得的全部动能，即1V1.226nm1000V0.0388nm100KV0.0037nm1000KV0.00087nm8加速电压为100KV的电子束的波长是0.00

6、37nm。最小分辨率可达0.002nm左右，因此，电子波的波长不是分辨率的限制因素。球差和色差是分辨率的主要限制因素。透射电镜可以获得很高的放大倍数（150万倍），即可以获得原子像。电子束的波长9电磁透镜光学显微镜是利用玻璃透镜使可见光聚焦成像的。电子和可见光不同,它是带电粒子，不能凭借光学透镜会聚成像。电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静电透镜，用电磁场成像的称为电磁透镜。由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透镜。下图是一常用的电磁透镜剖面图。它由一个铁壳，一个螺旋管线圈和一对中

7、间嵌有黄铜的极靴组成的。10电磁透镜这种线圈产生的磁场有几个特点：1.轴对称磁场，2.非均匀磁场，3.磁力线不和线圈平行，中间部分的磁场比两边的强。运动电子在磁场中受到Lorentz力作用，其表达式为：（1）若v∥B，则F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度的大小及方向不变；（2）若v⊥B，则F=evB,方向反平行与v×B，即只改变运动方向，不改变运动速度，从而使电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运动。11电磁透镜（3）若v与B既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其运动轨迹为螺旋线。由此可见，一束平行于轴线的入射电子束通过电磁透镜后将被聚焦于轴线上一点

8、，即焦点。这表明电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的聚焦性质。12电