实验一 透射电镜的明暗场成像技术.doc

实验一 透射电镜的明暗场成像技术1.1 透射电子显微镜的基本结构和成像原理1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（TEM）,透射电子显微镜也是 用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器目前TEM的分辨力可 达0.2nmTEM由电子光学系统（又称镜筒）、电源与控制系统和真空系统三部分组成镜 筒的光路原理与透射光学显微镜相似，它分为照明系统、成像系统和观察记录系统三部分照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成，它起到提供亮度高、 照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源当照明束在 2°-3°范围内倾斜，可以满足明 昌暗场成像的需求电子枪是TEM的电子源目前在高性能分析性透射电镜中多采用场发 射电子枪（FEG）,包括冷阴极FEG和热阴极FEG在金属表面加以强电场，金属表面势垒 变浅，由于隧道效应，金属内部电子将穿过势垒从其表面发射出来，这就是场发射现象场 发射枪的束斑尺寸可达10~100nm，能量分散度小雨1eV,且电子束的相干性也很好聚光镜用来汇聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角 和束斑大小成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。

物镜是一个强励磁、短焦距的透镜（f=1-3mm）, 它的放大倍数较高，一般为 100-300 倍目前高质量的物镜其分辨率可达 0.1mm 左右中 间镜是一个弱励磁的长焦距的变倍率透镜，可子啊0-20 倍范围调节；当放大倍数大于1 时， 用来进一步放大物镜像；当倍数小于1 时，用来缩小物镜像如果把中间镜的物平面和物镜 的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是显微镜中的成像操作；若中间镜的物 平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电子显微镜中 的电子衍射操作投影镜是一个短焦距的强磁透镜，它的励磁电流是固定的，因此的它的景 深和焦长都非常大观察和记录装置包括荧光屏和照相机构现代的透射电镜常使用慢扫描CCD相机，这 种 CCD 数字成像技术可将电子显微图像转接到计算机的显示器上，图像观察和存储非常方 便电子显微镜工作时，整个电子通道必须置于真空系统之内1.2 衍射衬度成像原理（明暗场成像原理）以单相多晶体的薄膜样品为例，如图1-1a所示，设想薄膜内有两颗晶粒A和B,它们 之间仅是晶体学位向不同如果在入射电子束照射下， B 晶粒满足双光束条件，且在 B 晶粒的选区衍射花样中，（hkl）晶面的衍射束最强。

强度为I0的入射电子束在B晶粒区域内经过散射后将成为强度为I加的衍射束和强度为（I0-Ihkl）的透射束两个部分；而A晶粒内所有 hkl 0 hkl晶面由于均与布拉格条件存在较大偏差，故A晶粒区域内透射束强度仍近似为入射束强度若在物镜的背焦面上加进一个尺寸足够小的物镜光阑，把B晶粒的hkl衍射束挡掉，只 让透射束到达像平面，则构成样品的第一幅放大像由于IaMo； IB~I0-Ihk］，两颗晶粒的像亮A 0 B 0 hkl度有所不同如以A晶粒亮度IA为背景强度，则B晶粒的像衬度约为Ihk1/I0o于是荧光屏上A hkl 0会看到B晶粒较暗而A晶粒较亮这种由于样品中不同位向的晶体衍射条件不同而造成的 衬度差别称为衍射衬度利用透射束通过物镜光阑而把衍射束挡掉得到的图像衬度的方法称为明场成像（ BF）， 所得到的像称为明场像如果把物镜光阑的位置移动，使其光阑孔套住hkl斑点，挡掉透射 束，可以得到暗场像（DF）o还有另一种暗场成像的方法，即把入射电子束方向倾斜20角 度（利用照明系统的倾斜来实现），使B晶粒的＜hkl＞晶面组处于强烈衍射位向，而物镜光 阑仍在光轴位置，此时衍射束透过光阑孔，而透射束被挡住，此方法便是中心暗场成像方法 （CDF）,如图1-lb所示。

町4=一A才-一慟連押爺面3LW图 1-1 明暗场成像的光路原理示意图a） 明场成像 b） 中心暗场成像1.3 透射电镜及明暗场成像技术的应用目前透射电子显微镜在材料学、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，所以用透射电子显微镜观察时 的样品需要进行减薄处理，通常应为50〜100nm ；对于液体样品，通常是在预处理过的铜网 上进行观察由于衍射图像完全是由衍射强度的差别所产生，所以明暗场像是样品内不同部位晶体学 特征的直接反映而对比前文明暗场成像的原理可知，暗场像的衬度将明显高于明场像目 前暗场成像技术在重金属检测、分析化学、金纳米颗粒与细胞的相互作用等方面的研究有广 泛是应用，也相应地取得了显著的成就。