透射電子顯微鏡原理及結(jié)構(gòu)介紹

 

透射電子顯微鏡（英文：Transmission electron microscopy，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍， 用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2µm、光學顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。

 

 

透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

吸收像：當電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。

衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現(xiàn)晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。

相位像：當樣品薄至100Å以下時，電子可以傳過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

 

 

電子槍：發(fā)射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發(fā)射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經(jīng)陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。

聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強度和孔徑角。

樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉(zhuǎn)臺，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱、冷卻等設(shè)備。

物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質(zhì)量的關(guān)鍵。

中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調(diào)節(jié)中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。

透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。

此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。

 

透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)包括兩大部分：主體部分為照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和觀察照相室；輔助部分為真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

1、照明系統(tǒng)

該系統(tǒng)分 成兩部分：電子槍和會聚鏡。電子槍由燈絲(陰極)、柵級和陽極組成。加熱燈絲發(fā)射電子束。在陽極加電壓，電子加速。陽極與陰極間的電位差為總的加速電壓。經(jīng)加速而具有能量的電子從陽極板的孔中射出。射出的電子束能量與加速電壓有關(guān)，柵極起控制電子束形狀的作用。電子束有一定的發(fā)散角，經(jīng)會聚鏡調(diào)節(jié)后，可望 得到發(fā)散角，很小甚至為0的平行電子束。電子束的電流密度(束流)可通過調(diào)節(jié)會聚鏡的電流來調(diào)節(jié)。

 

樣品上需要照明的區(qū)域大小與放大倍數(shù)有關(guān)．放大倍數(shù)愈高，照明區(qū)域愈小，相應(yīng)地要求以更細的電子束照明樣品．由電子槍直接發(fā)射出的電子束的束斑尺寸較大，相干性也較差。為了更有效地利用這些電子，獲得亮度高、相干性好的照明電子束以滿足透射電鏡在不同放大倍數(shù)下的需要，由電子槍子槍發(fā)射出來的電子束還需要進 一步會聚，提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束．這個任務(wù)通常由兩個被叫做聚光鏡的電磁透鏡完成．圖中C1和C2分別表示第一聚光鏡和第二聚光鏡．C1通 常保持不變，其作用是將電子槍的交叉點成一縮小的像，使其尺寸縮小一個數(shù)量級以上．此外，在照明系統(tǒng)中還安裝有束傾斜裝置，可以很方便地使電子束在 2°～3°的范圍內(nèi)傾斜，以便以某些特定的傾斜角度照明樣品。

2、成像系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括樣品室、物鏡、中間鏡、反差光欄、衍射光欄、投射鏡以及其它電子光學部件。樣品室有一套機構(gòu)，保證樣品經(jīng)常更換時不破壞主體的真空。樣品可在X、Y二方向移動，以便找到所要觀察的位置。經(jīng)過會聚鏡得到的平行電子束照射到樣品上，穿過樣品后就帶有反映樣品特征的信息，經(jīng)物鏡和反差光欄作用形成一次電子圖象，再經(jīng)中間鏡和投射鏡放大一次后，在熒光屏上得到最后的電子圖象。

照明系統(tǒng)提供了一束相干性很好的照明電子束，這些電子穿越樣 品后便攜帶樣品的結(jié)構(gòu)信息，沿各自不同的方向傳播(比如，當存在滿足布拉格方程的晶面組時，可能在與入射束交成2θ角的方向上產(chǎn)生衍射束)．物鏡將來自樣 品不同部位、傳播方向相同的電子在其背焦面上會聚為一個斑點，沿不同方向傳播的電子相應(yīng)地形成不同的斑點，其中散射角為零的直射束被會聚于物鏡的焦點，形成中心斑點．這樣，在物鏡的背焦面上便形成了衍射花樣．而在物鏡的像平面上，這些電子束重新組合相干成像．通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與 物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像．通過兩個中間鏡相互配合，可實現(xiàn)在較大范圍內(nèi)調(diào)整相機長度和放大倍數(shù)。

 

透射電子顯微鏡與透射光學顯微鏡光路比較

3、觀察照相室

電子圖像反映在熒光屏上。熒光發(fā)光和電子束流成正比。把熒光屏換成電子干板，即可照相。干板的感光能力與其波長有關(guān)。

4、真空系統(tǒng)

真 空系統(tǒng)由機械泵、油擴散泵、離子泵、真空測量儀表及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在10-5托以上，目前最好的真空度可以 達到10-9—10-10托。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。

5、供電控制系統(tǒng)

加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產(chǎn)生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領(lǐng)，所以加速電壓和透 鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。透射電鏡的電路主要由以下部分組成，高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉(zhuǎn)器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅(qū)動裝置及自動曝光電路等。

另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器。透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和成像原理

 

應(yīng)用

 

透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上應(yīng)用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質(zhì)量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過的銅網(wǎng)上進行觀察。