TEM基本原理及实例分析.pdf

透射电子显微镜基本原理及实例分析 一、电镜的结构与成象 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分 率、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组 成。电子光学系统通常称为镜筒，是透射电子显微镜的核心，它的光路原理与透射光学显微 镜十分相似，分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。 图1 透射显微镜构造原理和光路 1.1 照明系统 照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束 亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明 ○ ○ 束可在2 ～3 范围内倾斜。 1. 电子枪 电子枪是透射电子显微镜的电子源。常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、 栅级帽和阳极组成，如图所示。 图2 电子枪 （a） 自偏压回路 （b） 电子枪内的等电位面 2. 聚光镜 聚光镜用来会聚电子枪射出的电 子束，以最小的损失照明样品，调节 照明强度、孔径角和束斑大小。一般 都采用双聚光镜系统，如图所示。 第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩小 率为10～50倍左右，将电子枪第一交 叉点束斑缩小为1～5μm ；而第二聚 光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数 为2倍左右。结果在样品平面上可获 得2～10μm 的照明电子束斑。 图3 成像系统光路 1.2 成像系统 成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。 1. 物镜 物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜 分辨率的高低主要取决于物镜。通常采用强激磁、短焦距的物镜，相差小。物镜的分辨率主 要决定于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜 的分辨率就越高。 2. 中间镜 中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0～20倍范围调节。当放大倍数大于 1 时，用来进一步放大物镜像；当放大倍数小于1时，用来缩小物镜像。 3. 投影镜 投影镜的作用是把经中间镜放大 （或缩小）的像 （或电子衍射花样）进一步放大，并投 影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的，因 -5 为成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约10 rad），因此它的景深和焦长都非常大。 图4 JEM—2101F透射电镜镜筒剖面图（a）与真空系统配置（b） 二、电镜中的电子衍射原理 2.1 布拉格定律 由X射线衍射原理我们已经得出布拉格方程的一般形式为 2dsinθ=λ 因为 sinθ=λ/2d≤1 所以 λ≤2d 这说明，对于给定的晶体样品，只有当入射波长足够短时，才能产生衍射。 电子衍射的衍射角是非常小的，这是它的花样特征之所以区别X射线衍射的主要原因。 2.2 倒易点阵与爱瓦尔德球图解法 1. 倒易点阵的概念 晶体的电子衍射（包括X射线单晶衍射）结果得到的是一系列规则排列的斑点。晶体 点阵结构与其电子衍射斑点之间可以通过另外一个假想的点阵很好地联系起来，这就是倒易 点阵。通过倒易点阵可以把晶体得电子衍射斑点直接解释成晶体相应晶面的衍射结果。也就 是说，电子衍射斑点就是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像。 2. 倒易点阵中单位矢量的定义 设正点阵的原点为O，基矢为a，b，c，倒易原点的原点为O*，基矢为a*，b*，c*， 则有 a*=b×c/V b*=c×a/V c*=a×b/V 式中V—正点阵中单胞的体积。 V=a▪ （b×c）=b▪ （c×a）=c▪ （a×b） 表明某一倒易基矢垂直于正点阵中和自己异名的