1、电子显微镜简介,报告人：仲玉泉 学 号： 2120100212 专 业： 物理电子学,电子显微镜,1.电子显微镜概述 2.电子显微镜发展历史 3.与光学显微镜的比较 4.电子显微镜分类TEM和SEM 原理及构成,一、电子显微镜概述,1.电子显微镜简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器，即用电子束为光源，显示标本超微结构的显微镜。,二、电子显微镜发展历史,1926年汉斯布什研制了第一个磁力电子透镜。 1931年厄恩斯特卢斯卡和马克斯克诺尔研制了第一台透视电子显微镜（ 1986年卢斯卡为此获得诺贝尔物理学奖）。 1937年
2、第一台扫描透射电子显微镜推出。一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。（早期与生物学相关） 1960年代投射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能力。 1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样本。 1990年代以后电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单,高分辨透射电子显微镜图例,三、电子显微镜与光学显微镜的简单比较,光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。由于显微镜的
3、分辨率受其使用的波长的限制，波长越长，分辨率越低。可见光的波长范围（380nm780nm）远大于电子的波长（物质波），因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）（分辨率指两目标之间的最小分辨距离）。,三、电子显微镜与光学显微镜的简单比较,电子波：,三、电子显微镜与光学显微镜的简单比较,电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。另外，光学显微镜相对简单，在不需要很高分辨率的情况下仍然很有用。,四、电子显微镜的分类,电子显微镜主要分为以下两种：透射电镜（trans
4、missionelectronmicroscope，TEM）扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope,SEM）,1.透射电镜,透射电子显微镜由电子光学系统、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镜筒，是透射电子显微镜的核心。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。照明系统主要由电子枪、聚光镜、电子束平移和倾斜装置组成。成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 观察和记录系统包括荧光屏和照相装置。 电源和控制系统主要包括三部分：灯丝电源和高压电源（使电子枪产生稳定的高能照明电子束）；各电磁透镜的稳压稳流电源（使各电磁透镜具有高的稳定度）；电气
5、控制电路（用来控制真空系统、电气合轴、自动聚焦、自动照相等）。 电子显微镜工作时，整个电子通道都必须处于真空中。,1.透射电镜,照明系统主要由电子枪、聚光镜、电子束平移和倾斜装置组成。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要求，照明束可在23范围内倾斜。电子枪等位面,1.透射电镜,电子枪是发射电子的照明光源，它实际上是一个由阴极、栅极和阳极组成的静电透镜。电子枪的阳极接地，阴极加上了负高压（-50200kv），栅极加上比阴极负几百至几千伏的偏压。,1.透射电镜,双聚光镜的原理图,聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，减小样品被照射面积，调节照明强度、
6、孔径角和光斑大小。现在高性能的电子显微镜一般都采用双聚光镜系统，如图所示。第一聚光镜是强激磁、短焦距的透镜，可将电子枪光斑缩小1050倍；而第二聚光镜是弱激磁、长焦距透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。,1.透射电镜,成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。 （1）物镜 物镜是最关键的透镜，用来形成样品的第一次放大象。物镜是一个强激磁、短焦距(f=1 3mm )的物镜，放大倍数较高，一般为100 300倍。 （2）中间镜 中间镜是一个弱激磁、长焦距的变倍透镜。中间镜的作用有2个 （1） 调节放大倍数。 （2）选择透射电子显微镜中的成像操作和电子衍射操作。 （3）投影镜 投影镜的作用是把经中间镜放大
7、（或缩小）的象（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上。,1.透射电镜,观察和记录系统包括荧光屏和照相装置以上所述详见下图：,1.透射电镜,透射电镜的原理（定性说明）：由照明部分提供的有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到处于物镜物平面处的样品上，通过样品和物镜的电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。这些衍射束在物镜的象平面上相互干涉形成第一幅反映试样为微区特征的电子图象。通过聚焦（调节物镜激磁电流），使物镜的象平面与中间镜的物平面相一致，中间镜的象平面与投影镜的物平面相一致，投影镜的象平面与荧光屏相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅经物镜、中间镜和投影镜放大后有一定衬度
8、和放大倍数的电子图象。由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图象。电子图象的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积，即MM。MrMp.,设备名称 分析透射电镜 型 号 Tecnai G2 20 （FEI 公司） 功能及用途 应用领域：用于金属材料、陶瓷材料、复合材料及高分子生物材料的结构及化学组成的微观可视性观察和分析 主要用途： 透射电镜样品形貌，相应选区电子衍射观察 微衍射及相干电子衍射观察； 配合特征X射线能谱仪(EDS)进行成分分析 技术指标 点分辨率：0.23
9、nm 线分辨率：0.14 nm 放大倍数：25X1050000X 常用附件： EDAX 能谱仪,2.扫描电镜,扫描电镜（SEM）：是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；试样制备简单 SEM结构由三部分组成：真空系统，电子光学系统以及成像系统 真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。 电子光学系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。 成
10、像系统主要是探测器和荧光屏。,光学显微镜下图象景深很小，只能看清硅柱在某一高度附近的形貌，成像质量差。 电子扫描显微镜下图象景深很大，多孔硅不同高度下都能看到清晰的像，分辨率高，能得到完整的多孔硅形貌像。,聚焦电子束入射到固体样品上时，电子运动方向发生改变，产生散射，按照动能是否变化，可分为两类：弹性散射：入射电子只改变方向，动能基本无变化。符合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息。非弹性散射：入射电子的方向和动能都变化。入射电子损失能量伴随各种信息产生。用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息，也用于特殊成像或衍射模式。,二次电子：发生非弹性散射时，被入射电子轰击出来的样品
11、中原 子的核外电子。 特点：对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。分辨率高，可达5-10nm。 收集该信号，制备扫描电子显微镜。,扫描电镜原理简介,俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量如果不是以X 射线光子的形式放出，而是将能量传递给一个最外层电子，该电子获得能量挣脱原子核束缚，并逸出样品表面，成为自由电子，这样的自由电子称为俄歇电子（属于二次电子）。,工作原理：光栅扫描，逐点成像 光栅扫描：电子束受扫描系统控制在样品表面作逐行扫描，同时控制电子束的扫描线圈上的电流与显示器相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样上的扫描区域与显示器上的图像相对
12、应，每一物点均对应于一像点。 逐点成像：电子束所到之处，每一物点都会产生相应的信号（如二次电子等），产生的信号被接收放大后用来调制像点的亮度，信号越强，像点越亮。这样就在显示器得到与样品上扫描区域相对应但经过高倍放大的图像，图像客观地反映着样品上的形貌（或成分）信息。,扫描电镜原理简介,扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。成像信号主要是二次电子。由电子枪发射的能量为535keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子
13、。二次电子发射量随试样表面形貌而变化，被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。,1.透射电镜（TEM）的放大倍数一般要比扫描电镜（SEM）高 2. 如果需要观察纳米颗粒在聚合物中的分散情况，你就必须要用TEM来观察了，SEM通常看材料的缺口断面，当然还有许多其他应用。 SEM是电子束激发出表面次级电子,而TEM是穿透试样,而电子束穿透能力很弱,所以TEM样品要求很薄,只有几十nm, TEM一般放大能达几百w倍,而SEM只有几万倍. 扫描电镜通常用在一些断口观察分析,外加一个能谱仪,可以进行能谱扫描.其放大倍数相对较低,操作方便,样品制作简单,对于高聚物,须进行喷金处理 TEM则可以观看样品的内部结构,粒子的分散等.其放大倍数一般高于SEM,入射电子,反射电子,二次电子,弹性散射电子,非弹性散射电子,直接透射电子,扫描电镜,透射电镜,与SEM简单对比,应用领域：扫描电镜（表面形貌与结构）,透射电镜（内部结构）。,谢谢大家！,
