材料研究方法之 透射电子显微镜 (TEM)
材料研究方法之 透射电子显微镜 (TEM)
TEM简介 ·1898年J.J.Thomson发现电子 。 1924年de Broglie提出物质粒子波动性假说和1927年实验的证实 ·1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年，透射 电镜实现了工厂化生产。 ,上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和Howie等 人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和结构。 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 ·70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M.Cowley提出相位衬度理论 的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。饭 岛获得原子尺度高分辨像(1970)。 ● 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用
TEM 简介 • 1898年J.J. Thomson发现电子 • 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的证实 。 • 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 • 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年，透射 电镜实现了工厂化生产。 • 上世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和Howie等 人建立电子衍射衬度理论并用于直接观察薄晶体缺陷和结构。 • 1965年，扫描电子显微镜实现商品化。 • 70年代初，美国阿利桑那州立大学J.M. Cowley提出相位衬度理论 的多层次方法模型，发展了高分辨电子显微象的理论与技术。饭 岛获得原子尺度高分辨像（1970) 。 • 80年代，晶体缺陷理论和成像模拟得到进一步发展，透射电镜和 扫描电镜开始相互融合，并开始对小于5埃的尺度范围进行研究。 • 90年代至今，设备的改进和周边技术的应用
透射电子显微镜-TEM TEM用聚焦电子束作照明源，使用于 对电子束透明的薄膜试样，以透过试样 的透射电子束或衍射电子束所形成的图 像来分析试样内部的显微组织结构
透射电子显微镜-TEM TEM用聚焦电子束作照明源，使用于 对电子束透明的薄膜试样，以透过试样 的透射电子束或衍射电子束所形成的图 像来分析试样内部的显微组织结构
为什么采用电子束而不用自然光？ √显微镜的分辨率 √自然光与电子束的波长 √有效放大倍数
为什么采用电子束而不用自然光？ ✓显微镜的分辨率 ✓自然光与电子束的波长 ✓有效放大倍数
显微镜的分辨率 ▣通常人眼的分辨本领大概是0.2m(即人眼 可分辨的两点间最小距离为0.2mm) 口显微镜可分辨的两点间的最小距离，即为显 微镜的分辨率 0.61λ NA=nsin a NA 为孔径角的一半，NA数值孔径， n为折射率，为波长
显微镜的分辨率 为折射率， 为波长 为孔径角的一半， 数值孔径， n NA NA n NA d , sin 0.6 1 = = 通常人眼的分辨本领大概是0.2mm（即人眼 可分辨的两点间最小距离 为0.2mm） 显微镜可分辨的两点间的最小距离，即为显 微镜的分辨率
自然光与电子束的波长 ·可见光的波长在390~760nm 。电子波长： mc2-moc2 ev mo m= V1-(2 h 入三 1 2emoV(1+zmcz) 取V=100kV,理论得到电子波长为0.0037nm
自然光与电子束的波长 • 可见光的波长在390～760nm • 电子波长： 取V=100kV，理论得到电子波长为0.0037nm
对于d= 0.612 .NA=nsin a NA 采用物镜的孔径角接近90度 考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微 镜系统，可得d约为200nm 对于TEM在100kV加速电压下，波长0.0037nm,d 为0.002nm,目前电子显微镜达不到其理论极 限分辨率，最小分辨率达到0.05nm
, sin 0.61 NA n NA 对于d = = 采用物镜的孔径角接近90度 考虑采用可见光波长极限390nm的光束照明显微 镜系统，可得d约为200nm 对于TEM在100kV加速电压下，波长0.0037nm，d 约为0.002nm，目前电子显微镜达不到其理论极 限分辨率，最小分辨率达到0.05 nm
有效放大倍数 ·光学显微镜必须提供足够的放大倍数，把它能 分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相 应的放大倍数叫做有效放大倍数，它可由下式 来确定： M=,M为显微镜放大倍数 0 。-人眼分辨本领 -显微镜分辨本领
有效放大倍数 • 光学显微镜必须提供足够的放大倍数，把它能 分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。相 应的放大倍数叫做有效放大倍数，它可由下式 来确定： 显微镜分辨本领 人眼分辨本领 为显微镜放大倍数 − − = 0 0 , r r M r r M e e
有效放大倍数 光学显微镜的有效放大倍数 人眼的分辨率0.2mm) 光学显微镜分辨率200nm) 透射电镜的有效放大倍数 人眼的分辨率0.2mm) 透射电子显微镜分辨率(0.1nm) 由上面公式可以直接得出，光学显微镜的有效放 大倍数远小于透射电镜
有效放大倍数 光学显微镜分辨率（ ） 人眼的分辨率（ ） 200nm 0.2mm = 透射电镜的有效放大倍数 透射电子显微镜分辨率（ ） 人眼的分辨率（ ） 0.1nm 0.2mm = 光学显微镜的有效放大倍数 由上面公式可以直接得出，光学显微镜的有效放 大倍数远小于透射电镜
为什么采用电子束做为光源？ 结论： ·由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透 射电子显微镜的放大倍率远大于普通光学 显微镜；一般来说，光学显微镜的最大放 大倍率在2000倍左右，而透射电子显微镜 的放大倍率可达百万倍。 电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高 一千倍左右，可以达到2A的水平，使观察 物质纳米级微观结构成为可能
为什么采用电子束做为光源? 结论： • 由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透 射电子显微镜的放大倍率远大于普通光学 显微镜；一般来说，光学显微镜的最大放 大倍率在2000倍左右，而透射电子显微镜 的放大倍率可达百万倍。 • 电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高 一千倍左右，可以达到2Å的水平，使观察 物质纳米级微观结构成为可能