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透射电镜分析
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

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基础知识
•1924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
•1933年，柏林大学研制出第一台电镜（点分辨率达到
50nm）
•1939年，德国西门子公司生产出第一批商用透射电镜
（点分辨率10nm）
•1950年，开始生产高压电镜（点分辨率优于0.3nm，
晶格条纹分辨率由于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，获得原子象。

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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，其成像原理图见图

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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，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。

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与光学显微镜的比较

•光学显微镜的分辨率不可能高于200nm，限制因素是光波
的波长。
•加速电压为100KV的电子束的波长是0.0037nm。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。可以获得原
子象。

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放大原理

•透射电子显微镜中，物镜、中间镜，透镜是以
积木方式成像，即上一透镜的像就是下一透镜
成像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就
是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续
放大的最终像是一个清晰的像。
•在这种成像方式中，如果电子显微镜是三级成
像，那么总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘
积。

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透射电镜的放大倍数

•总放大倍数M总＝M物×M中×M投
•物镜成像是分辨率的决定因素
•物镜放大倍率，在50-100范围；
•中间镜放大倍率，数值在0-20范
围；
•投影镜放大倍率，数值在100-
150范围
•总放大倍率在1000-200,000倍内

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透射电镜的结构

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TEM的结构

•主要由照明系统，样品室，成像系统，图像观察
和记录系统组成。
•其中照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。
•成像部分主要由样品室，物镜，中间镜和投影镜
等装置组成。
•图像观察和记录系统：主要由荧光屏，照相机，
数据显示等部件组成。

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成像部分

•样品室位于照明部分和物镜之间，一般还可以配置加
热，冷却和形变装置。
•物镜是最关键部分，透射电镜分辩本领的好坏在很大
程度上取决于物镜的优劣。物镜的最短焦距可达
1mm，放大倍率～300倍，最佳理论分辨率可达
0.1nm，实际分辨率可达0.2nm。
•加在物镜前的光阑称为物镜光阑，主要是为了缩小物
镜孔径角的作用。
•加在物镜后的光阑称为衬度光阑，可以提高振幅衬度
作用。此外在物镜极X附近还装备有消象散器和防污染
装置。
•中间镜和投影镜和物镜相似，但焦距较长。主要是将
来自物镜的电子象继续放大。
•目前可以采用CCD成像，不再需要照相系统了

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真空部分

•为了保证电子运动，减少与空气分子的碰撞，因此所有
装置必须在真空系统中，一般真空度为10－2～10－4Pa。
•利用场发射电子枪时，其真空度应在10－6－10－8Pa左右。
•可采用机械泵，油扩散泵，分子泵等来实现。
•目的：延长电子枪的寿命，增加电子的自由程，减少电
子与残余气体分子碰撞所引起的散射以及减少样品污染。
•新型电镜均采用机械泵，分子泵系统

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样品制备

•透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要
求被观察的样品对入射电子束是“透明”的。
•电子束穿透固体样品的能力主要取决于加速电压和样
品的物质原子序数。
•一般来说，加速电压越高，样品原子序数越低，电子
束可以穿透样品的厚度就越大。
•对于透射电镜常用的加速电压100KV，如果样品是金
属其平均原子序数在Cr的原子附近，因此适宜的样品
厚度约200纳