当前课程知识点:现代材料分析方法 > 第二章 显微分析 > 2.4 透射电子显微镜结构和成像原理(下) > 透射电子显微镜结构和成像原理(下)
同学们
大家好
本堂课我们接着上一节课继续学习
透射电子显微镜结构和成像原理
内容包括两个部分
第一部分是
透射电镜的成像原理
第二部分是
透射电镜的成像系统
1874年
德国人阿贝(E. Abbe)
从波动光学的观点
提出了一种成像理论
把物体通过凸透镜成像的过程
分成两步
从物体发出的光
发生夫琅禾费衍射
在透镜的像方焦平面上
形成其傅里叶频谱图
像方焦平面上频谱图
各发光点发出的球面次级波
在像平面上
相干叠加形成物体的像
电磁透镜成像和光学透镜成像一样
可分为两个过程
第一
是平行电子束与样品作用产生衍射波
经物镜聚焦后
在物镜背焦面形成衍射谱(衍射斑)
即物的结构信息通过衍射谱呈现出来
该过程可用傅里叶变换来描述
第二
是背焦面上的衍射斑
发出的球面次级波
通过干涉重新在像面上
形成反应样品特征的像
该过程是傅里叶变换的逆变换
在电子显微镜中
用电子束代替平行入射光束
用薄膜状的样品代替周期性结构物体
就可重复以上衍射过程
在透射电子显微镜中
物镜在像平面形成的
一次放大像往往要由
中间镜与投影镜
再做两次放大投射到荧光屏上
这称为物的三级放大像
改变中间镜的励磁电流
使中间镜的物平面
从一次像平面移到物镜的后焦面
可得到衍射谱
若让中间镜的物面
从后焦面向下移到一次像平面
就可得到像
这就是为什么
透射电镜既能得到衍射谱
又能得到观察像的原因
成像系统一般由物镜
中间镜
投影镜
物镜光阑和选区衍射光阑组成
其中物镜是最重要的
因为分辨率主要由物镜决定
它是透射电镜最上方的接近光源的透镜
透射电镜的成像过程是这样的
通常采用热阴极电子枪
来获得电子束作为照明源
发射的电子
在阳极加速电压的作用下
高速穿过阳极孔
然后被聚光镜会聚成
具有一定直径的束斑照到样品上
具有一定能量的电子束
与样品发生作用
产生反映样品微区厚度
平均原子序数
晶体结构或位向差别的多种信息
透过样品的电子束强度
取决于上述信息
经过物镜聚焦
放大在其像平面上形成
一幅反映这些信息的透射电子像
经过中间镜和投影镜进一步放大
在荧光屏上得到
三级放大的最终电子像
还可将其记录在电子感光板或胶卷上
TEM成像系统
可以实现两种成像操作
一种是将物镜的像放大成像
即试样形貌观察
另一种是将物镜背焦面的
衍射花样放大成像
即电子衍射分析
电子光学系统的核心
包括有三组电磁透镜
两个金属光阑和消像散器
电磁透镜用于成像和放大
其数目取决于所需的最大放大倍数
光阑限制电子束
调整衬度和选择图像范围
接下来介绍成像系统的
第一个部分-物镜
物镜是由透镜线圈
轭铁(磁电路)
极靴构成的
其功能是形成样品的
一次放大像及衍射谱
因为物镜是成像系统的第一个透镜
由它造成的像差
都会被中间镜与投影镜放大
故要求物镜的各种像差要尽可能的小
而且要有足够高的放大率
通常是100倍到200倍
透射电子显微镜的像质量
几乎取决于物镜的性能
极靴的形状直接影响到物镜性能
如图所示
给出了通常的透射电镜的
物镜极靴的断面图
在上下极靴之间
形成旋转对称的强磁场
试样几乎在极靴的中央
在试样下面是物镜光阑
物镜光阑的形状
主要决定了场深和焦深
场深和焦深以及
光阑的影响如图所示
为了消除像散
在下极靴下面装有消像散器
成像系统的第二个部分
中间镜
中间镜是一个
弱激磁的长焦距变倍透镜
可在0-20倍范围内调节
用于将物镜形成的
第一幅电子显微图像或
电子衍射花样投射到投影镜物面上
其作用
一个是控制电镜总放大倍数
另一个是选择成像或衍射模式
工作原理如图所示
投影镜和物镜一样
也是强激磁短焦距透镜
高性能透射电子显微镜
一般有两级投影镜
即第一投影镜和第二投影镜
其作用是把
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
特点是景深大
改变中间镜放大倍数
使总倍数变化大
也不影响图像清晰度
焦深长
放宽对荧光屏和
底片平面严格位置要求
目前
一般电镜装有附加投影镜
用以自动校正磁转角
好
让我们来看一下
透射电子显微分析模式不同
对入射到样品的电子束要求也不同
照明透镜系统可以实现
从电子束平行照明到
大会聚角电子束照明条件
主要通过两级聚光镜
汇聚小透镜和物镜的
不同组合来实现不同的电镜模式
可以实现
高倍成像/低倍成像和极低倍成像
总的放大倍数
就是物镜放大倍数
乘以中间镜和投影镜放大倍数的积
通过上面的内容
大家已经知道
TEM成像系统
可以实现两种成像操作
一种是将物镜的像放大成像
即试样形貌观察
另一种是将
物镜背焦面的衍射花样放大成像
即电子衍射分析
那么怎么调节
电镜可以获得上述两种模式呢
我们先看一下电子像
电镜中有个物镜光阑
又称为衬度光阑
它是用无磁金属Pt
Mo等制成
通常安放在物镜的后焦面上
电子束进入物镜光阑
使孔径角和像差减小
提高像衬度得到高质量的显微图像
如果在后焦面上
只套取某个衍射束的斑点成像
即可获得暗场像
从而进行物相鉴定和缺陷分析
物镜光阑的孔直径
一般是20~120μm范围
明场像选用直射电子形成的像
即透射像
像清晰
暗场像选用散射电子形成的像
即衍射束成像
像有畸形
分辨率低的特点
那怎么获得衍射花样呢
电镜中有个选区光阑
也叫场限光阑或视场光阑
使电子束只打在样品上
需要分析的微小区域
作用是通过
调节选区光阑的位置和大小
可以选择所要观察的试样区域
实际是通过选择
由物镜放大的图像范围来
限制产生衍射的试样区域范围
位置位于物镜像平面附近
一般光阑孔直径范围
为20~400μm
最后我们来小结一下
这节课我们学习了
透射电子显微镜的
成像原理和成像系统
透射电镜的成像原理
重点介绍了阿贝成像原理
试样形貌观察和
电子衍射分析的成像原理
明场像和暗场像的形成原理
透射电镜的成像系统
主要介绍了物镜
中间镜
投影镜和光阑的作用
好 这节课就到这里
同学们 下课
-1.1 X射线的性质及X射线的产生
-1.2 X射线谱
--X射线谱
-1.3 X射线与物质的作用
-1.4 衍射的几何条件
--衍射的几何条件
--衍射的几何条件-小测
-1.5 X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法
--X射线的衍射方法-小测
-1.6 X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据
--X射线的衍射数据-小测
-1.7 X射线衍射物相定性分析
--X射线衍射物相定性分析-小测
-1.8 物相定量分析方法
--物相定量分析方法
--物相定量分析方法-小测
-第一章测试题
-2.1 显微分析概论
--显微分析概论
-2.2 电子光学基础
--电子光学基础
-2.3 透射电子显微镜结构和成像原理(上)
-2.4 透射电子显微镜结构和成像原理(下)
-2.5 透射电镜的电子像衬度原理
-2.6 电子衍射
--电子衍射
-2.7 薄膜样品的制备
--薄膜样品的制备
-2.8 扫描电镜的工作原理
--扫描电镜的工作原理-小测
-2.9 电子束与固体的相互作用
--电子束与固体的相互作用-小测
-2.10 扫描电镜的结构和性能参数
--扫描电镜的结构和性能参数-小测
-2.11 二次电子像的衬度原理
--二次电子像的衬度原理-小测
-2.12 背散射电子像的衬度原理
--背散射电子像的衬度原理-小测
-2.13 波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析
--波谱和能谱分析-小测
-2.14 扫描电镜的样品制备
--扫描电镜的样品制备-小测
-2.15 扫描隧道显微镜
--扫描隧道显微镜-测试
-2.16 原子力显微镜的工作原理及应用
--原子力显微镜的工作原理及应用-测试
-第二章测试题
-3.1 红外光谱概述与原理
--红外光谱概述与原理-小测
-3.2 红外光谱图解析与仪器构造
--红外光谱图解析与仪器构造-小测
-3.3 拉曼光谱概述与原理
--拉曼光谱概述与原理-小测
-3.4 拉曼光谱图解析和仪器构造
--拉曼光谱图解析和仪器构造-小测
-3.5 核磁共振氢谱的基本原理
-3.6 核磁共振谱仪的构造与氢谱解析
-3.7 质谱分析概述及原理
-3.8 离子的类型及质谱基本术语
-3.9 质谱分析及联用技术
-3.10 紫外-可见吸收光谱的基本原理
-3.11 紫外-可见吸收光谱的仪器构造与应用
-3.12 分子荧光光谱的基本原理
-3.13 分子荧光光谱的特征与仪器构造
-第三章测试题
-4.1 电子能谱概述
--电子能谱概述
-4.2 XPS基本原理
--XPS基本原理
-4.3 XPS结果分析
--XPS结果分析
-4.4 俄歇电子能谱(上)
-4.5 俄歇电子能谱(下)
-5.1 DTA基本原理
--DTA基本原理
-5.2 DTA基本结构
--DTA基本结构
-5.3 DTA曲线影响因素
-5.4 DTA定性定量分析
-5.5 DSC基本原理
--DSC基本原理
-5.6 热重法
--热重法
-第五章测试题