非常有用的固体物理实验方法课第4章 - 透射电子显微镜 - 图文

第4章透射电子显微镜

同学们好！今天我们学习的内容是第4章透射电子显微镜，（transmission electron microscopy）简称 TEM。下图就是我们今天要介绍的仪器。

那么透射电子显微镜在什么情况下产生的？又有什么功能和作用呢？下面我们就简单介绍一下它的历史背景和其功能和作用。

在光学显微镜下有的细微结构也无法看清，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska等发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，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，适于观察超微结构。 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。

那么我们总结以上内容可以给透射电子显微镜下一个简单的定义：

用透过样品的电子束使其成像的电子显微镜。在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜。

那么本章主要分为5个部分组成。

4.1 电子光学基础

4.2 电子与固体物质的相互作用 4.3 透射电子显微镜 4.4 电子衍射

4.5 透射电子显微分析样品制备

下面我们就来讲第一节，4.1 电子光学基础。本节内容有三部分组成

4.1.1 电子波与电磁透镜 4.1.2 电磁透镜的分辨率 4.1.3 电磁透镜的景深和焦长

那么我们再回顾一下以前所学的内容。

能分辨S1S2恰能分辨S1S2不能分辨S1

S2 由于光的衍射，使得由物平面内的点s1、s2在象平面形成圆斑（Airy斑）。若s1、s2靠的太近，过分重叠，图像就模糊不清。 1. 光学显微镜的分辨率

最小分辨距离计算公式：

d?0.61?n?sin?

d——最小分辨距离

?——波长

n——透镜周围的折射率

?——透镜对物点张角的一半，

n?sin?称为数值孔径，用 N.A 表示。

2. 电子波的波长特性

比可见光波长更短的有：

1）紫外线 —— 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 —— 无法使其会聚 ； 3）电子波

根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波??h mvh ——6.63?10?34J?SPlank 常数 ，

m ——9.1?10?31kg

? —— 电子速度

显然，U 越大，?越小，电子的速度与其加速电压有关。 即

12mv?eU 2所以??2eU?19 ，其中e?1.60?10C m则??150埃 U 即若被150伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。若加速电压很高，就应进行相对论修正。

① 若电子速度较低，则其质量和静止质量相近，即m ? m0则

h150????12.25U2em0UU(A)?1.2250U(nm)

② 若加速电压很高，使电子具有极高速度，则经过相对论修正，有

??h2em0?(1?e?2m0c2) 加速电压/kV 1 2 3 4 5 10

电子波波长/nm 加速电压/ kV 0.0338 0.0274 0.0224 0.0194 0.0713 0.0122 20 30 40 50 60 80 电子波波长/nm 加速电压/ 电子波波长/nm kV 100 200 500 1000 0.00370 0.00251 0.00142 0.00087 0.00859 0.00698 0.00601 0.00536 0.00487 0.00418 讨论：

1. 提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率。

2. 加速电压越高，对试样的穿透能力越大，可放宽对样品的减薄要求。 3. 如用更厚样品，更接近样品实际情况。