透射电子显微镜的结构及成像

透射电子显微镜的结构及成像透射电子显微镜的结构及成像 913000730018 鲁皓辰 一、实验目的一、实验目的 1）了解透射电子显微镜的基本结构； 2）熟悉透射电子显微镜的成像原理； 3）了解基本操作步骤。 二、实验内容二、实验内容 1）了解透射电子显微镜的结构； 2）了解电子显微镜面板上各个按钮的位置与作用； 3）无试样时检测像散，如存在则进行消像散处理； 4）加装试样，分别进行衍射操作、成像操作，观察衍射花样和图像； 5）进行明场、暗场和中心暗场操作，分别观察明场像、暗场像和中心暗场像。 三、实验仪器设备与材料三、实验仪器设备与材料 JEM-2100F 型 TEM 透射电子显微镜 四、实验原理四、实验原理 图 1JEM-2100F 型透射电子显微镜 一）透射电镜的基本结构 透射电镜主要由电子光学系统、 电源控制系统和真空系统三大部分组成，其 中电子光学系统为电镜的核心部分，它包括照明系统、成像系统和观察记录系统 组成。 1）照明系统 照明系统主要由电子枪和聚光镜组成， 电子枪发射电子形成照明光源，聚光 镜是将电子枪发射的电子会聚成亮度高、 相干性好、 束流稳定的电子束照射样品。 2）成像系统 成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。 3）观察记录系统 观察记录系统主要由荧光屏和照相机构组成。 二）主要附件 1）样品倾斜装置（样品台) 样品台是位于物镜的上下极靴之间承载样品的重要部件，见图2，并使样品 在极靴孔内平移、倾斜、旋转，以便找到合适的区域或位向，进行有效观察和分 析。 下极靴 物镜光栏 样品台 上极靴 图 2 样品台在极靴中的位置（JEM-2010F） 2）电子束的平移和倾斜装置 电镜中是靠电磁偏转器来实现电子束的平移和倾斜的。 图 3 为电磁偏转器的 工作原理图， 电磁偏转器由上下两个偏置线圈组成，通过调节线圈电流的大小和 方向可改变电子束偏转的程度和方向。 S  ＋  上偏置线圈 下偏置线圈  图 3 电磁偏转器的工作原理图 3）消像散器 S N N S N S N S S N S N S S N N （a）磁极分布（b）有像散时的电子束斑（c）无像散时的电子束斑 图 4 电磁式消像散器示意图及像散对电子束斑形状的影响 像散是由于电磁透镜的磁场非旋转对称导致的， 直接影响透镜的分辨率，为 此，在透镜的上下极靴之间安装消像散器，就可基本消除像散。图 4 为电磁式 消像散器的原理图及像散对电子束斑形状的影响。 从图 4b 和 4c 可知未装消像散 器时，电子束斑为椭圆形，加装消像散器后，电子束斑为圆形，基本上消除了聚 光镜的像散对电子束的影响。 4）光栏 光栏是为挡掉发散电子， 保证电子束的相干性和电子束照射所选区域而设计 的带孔小片。根据安装在电镜中的位置不同，光栏可分为聚光镜光栏、物镜光栏 和中间镜光栏三种。 三）成像原理 A R B R O f0 A rB  C 磁透镜 试样 O 入射电子束 k O  g  k   s C 图 5 透射电镜电子衍射原理图 L 由图 5 中得几何关系并推导后得：R= Kg 式中的 L和 K分别称为有效相机长度和有效相机常数。但需注意的是式中 的 L并不直接对应于样品至照相底片间的实际距离， 因为有效相机长度随着物镜、 中间镜、投影镜的励磁电流改变而变化，而样品到底片间的距离却保持不变，但 由于透镜的焦长大，这并不会妨碍电镜成清晰图像。因此，实际上我们可不加区 分 K 与 K、L 与 L和 R 与 R了，并用 K 直接取代 K。 L2 荧光屏（物像） 中间镜像 投影镜 L1 试样 试样 物镜 物镜后焦面（物镜光栏位） 物镜像平面（中间镜光栏位） 中间镜 L2 中间镜像 投影镜 荧光屏（斑点花样） 中间镜 物镜 物镜后焦面（物镜光栏位） L1 （a）成像操作（b）衍射操作 图 6 中间镜的成像操作与衍射操作 1）成像操作与衍射操作： 调整励磁电流即改变中间镜的焦距， 从而改变中间镜物平面与物镜后焦面之 间的相对位置。 当中间镜的物平面与物镜的像平面重合时，投影屏上将出现微区 组织的形貌像， 这样的操作称为成像操作；当中间镜的物平面与物镜的后焦面重 合时，投影屏上将出现所选区域的衍射花样，这样的操作称为衍射操作。 2）明场操作、暗场操作及中心暗场操作： 通过平移物镜光栏， 分别让透射束或衍射束通过所进行的操作。仅让透射束 通过的操作称为明场操作，所成的像为明场像，见图 7a；反之，仅让某一衍射 束通过的操作称为暗场操作， 所成的像为暗场像， 见图 7b。 通过调整偏置线圈， 使入射电子束倾斜 2B角，如图 7c 所示，晶粒 B 中的(hkl)晶面组完全满足衍 射条件，产生强烈衍射，此时的衍射斑点移到了中心位置，衍射束与透镜的中心 轴重合， 孔径半角大大减小， 所成像比暗场像更加清晰， 成像质量得到明显改善。 我们称这种成像操作为中心暗场操作，所成像为中心暗场像。 IA≈I0 像平面 IB≈I0-Ihkl IA≈0IB≈Ihkl 像平面 IA≈0 像平面 IB≈Ihkl hkl000 物镜光栏 hkl000 物镜光栏 000 物镜光栏 试样 B 衍射束 Ihkl 2B I0 物镜 Ihkl 2B I0 物镜 I0 2B Ihkl 物镜 A 入射束 试样 BA 入射束 试样 BA 2B 入射束 hkl （a）明场像（b）暗场像（c）中心暗场 图 7 衍射衬度产生原理图 五、实验方法和步骤五、实验方法和步骤 明暗场像是透射电镜最基本的技术方法， 以下仅对暗场像操作成像及其要点 简述如下： 1）明场像下寻找感兴趣的视场； 2）插入选区光栏围住所选的视场； 3）按“衍射”按钮转入衍射操作方式，取出物镜光栏，此时荧光屏上显示选区 内晶体产生的衍射花样； 4）倾斜入射电子束方向，使用于成像的衍射束与电镜光轴平行，此时衍射斑点 位于荧光屏的中心； 5）插入物镜光栏，套住衍射斑点的中心斑点，转入成像操作，取出选区光栏， 此时荧光屏上的图像即为该衍射束形成的暗场像。 六、实验注意事项六、实验注意事项 1）严格按规范操作，避免误操作； 2）保证高真空的要求（1.33×10－ 6Pa） 3）注意选区光栏的合理选择与应用。 七、实验结果七、实验结果 八、实验思考题八、实验思考题 1）如何消除像散？ 像散是由于形成透镜的磁场非旋转对称引起的，取决于磁场的椭圆度和孔径 半角，而椭圆度可以通过配置对称磁场校正，从而基本消除像散。