透射电镜的成像原理

一、透射电镜和扫描电镜的区别

透射电镜和扫描电镜的区别：结构不同、工作原理不同、对样品的要求不同、操作不同、放大倍数不同、用途不同等。透射电镜(TEM)可以将样品放大5000万倍以上，而对于扫描电镜(SEM)来说，限制在1-2百万倍之间。

扫描电镜(SEM)使用一组特定的线圈以光栅样式扫描样品并收集散射的电子。而透射电镜(TEM)是使用透射电子，收集透过样品的电子。

透射式电镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构，而扫描电镜主要用于观察固体表面的形貌和物质成分分析。

透射式电镜的电子由钨丝热阴极发射出，通过第一、二两个聚光镜使电子束聚焦。扫描电镜的电子束仅以聚焦的方式呈现在样本的一小块地方。

操作环境

品牌型号：通用

系统版本：通用

二、扫描电镜和透射电镜的区别

扫描电镜和透射电镜的区别在于。

1、结构差异：主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间，电子源在样品上方发射电子，经过聚光镜，然后穿透样品后，有后续的电磁透镜继续放大电子光束，最后投影在荧光屏幕上；扫描电镜的样品在电子束末端，电子源在样品上方发射的电子束，经过几级电磁透镜缩小，到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同，但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。

相同之处：都是电真空设备，使用绝大部分部件原理相同，例如电子枪，磁透镜，各种控制原理，消象散，合轴等等。

2、基本工作原理：透射电镜：电子束在穿过样品时，会和样品中的原子发生散射，样品上某一点同时穿过的电子方向是不同，这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间，这些电子通过过物镜放大后重新汇聚，形成该点一个放大的实像，这个和凸透镜成像原理相同。这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲，但可以这么想象，如果样品内部是绝对均匀的物质，没有晶界，没有原子晶格结构，那么放大的图像也不会有任何反差，事实上这种物质不存在，所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大（具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的，如果亮度无限大，最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定），最后投影在荧光屏上成像。由于透射电镜物镜焦距很短，也因此具有很小的像差系数，所以透射电镜具有非常高的空间分辨率，0.1-0.2nm，但景深比较小，对样品表面形貌不敏感，主要观察样品内部结构。

扫描电镜：电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从几何排列上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙，一般要求较大工作距离，这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长，相应的相差系数较大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长，图像景深比透射电镜高的多，主要用于样品表面形貌的观察，无法从表面揭示内部结构，除非破坏样品，例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM，可以层层观察内部结构。

透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子，而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子枪栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像，而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。

3、样品制备：TEM：电子的穿透能力很弱，透射电镜往往使用几百千伏的高能量电子束，但依然需要把样品磨制或者离子减薄或者超薄切片到微纳米量级厚度，这是最基本要求。透射制样是学问，制样好坏很多情况要靠运气，北京大学物理学院电子显微镜实验室，制样室都贴着制样过程规范，结语是祝你好运。

SEM：几乎不用制样，直接观察。大多数非导体需要制作导电膜，绝大多数几分钟的搞定，含水的生物样品需要固定脱水干燥，又要求不变形，比较麻烦，自然干燥还要晒几天吧。

二者对样品共同要求：固体，尽量干燥，尽量没有油污染，外形尺寸符合样品室大小要求。

三、透射电镜的成像原理

透射电镜，即透射电子显微镜是电子显微镜的一种。电子显微镜是一种高精密度的电子光学仪器，它具有较高分辨本领和放大倍数，是观察和研究物质微观结构的重要工具。

电子显微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。电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。现在电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图象，证实了电子显微镜放大成像的可能性。1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。到了二十世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。在中国，1958年研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。

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。其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。

透射电镜的成象原理是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

四、透射电子显微镜

透射电子显微镜，简称透射电镜，英文名为Transmission Electron Microscope，缩写为TEM，是一种利用高速运动的电子束作为光源，穿透固体样品，再经过电磁透镜成像的显微镜。

透射电镜由电子光学系统、观察记录系统、真空和冷却系统以及电源系统等组成。电子光学系统又可分为照明系统和成像系统两部分，它们和观察记录系统一起置于抽真空的镜筒之中。样品台在照明系统和成像系统之间（图5-3）。

图5-3透射电子显微镜结构示意图

（据日本JEOL株式会社）

透射电镜的成像原理与光学显微镜类似，其图像是成像平面上由透射电子密度的差异所形成的明暗不一的衬度像。这种密度差异可通过荧光屏或照相底片的转换进行观察。按其衬度来源的不同，透射电镜图像可分为质厚衬度像、衍射衬度像、相位衬度像和Z衬度像四种。限于篇幅本小节简要介绍常用的质厚衬度像和衍射衬度像。

质厚衬度像的衬度是由样品的质量和厚度的差异所引起的。它适合于对炭黑等非晶质样品进行观察。衍射衬度像，简称衍衬像。它的衬度是由样品各部位满足布拉格（bragg）衍射条件的程度不同所引起的，它所反映的是样品各部位对入射电子衍射强度的差异。衍衬像可分为明场像和暗场像。明场像（Bright-Field Image，缩写为BFI）采用透射束成像，所形成的是亮背景上的暗像（图5-4）。暗场像（Dark-Field Image，缩写为DFI）只选用某一衍射束成像，所形成的是暗背景上的亮像。由于衍射衬度与衍射条件密切相关，对晶体内衍射面网取向的变化十分敏感，因而是研究晶体缺陷的有力手段。

长期以来，透射电镜的图像都是通过观察室的荧光屏进行观察，用照相底片进行记录的。近年来可在照相底片位置配备CCD相机使图像数字化，便于用计算机储存。

图5-4泰州陨石中橄榄石位错的明场像

（张富生提供）

透射电镜最突出的优点是图像分辨率和有效放大倍数高，其点分辨率（图像中可分辨的两点之间最短的距离）约为0.17～0.20nm，晶格分辨率（晶格条纹像中条纹间最短的距离）为0.1～0.14nm。经球差校正的透射电镜，分辨率达0.08nm，能放大100万倍，几乎能分辨晶体中所有原子的排列。

透射电镜另一个特点是，在成像系统中插入一选区光阑就能够获得电子衍射花样，在观察图像的同时在原地进行结构分析（请参阅本章第四节）。电子衍射与X射线衍射的原理基本相同，所获得的衍射花样也很相似。

透射电镜对样品的基本要求是：①为了使电子束穿透样品，其厚度应在100nm以下；②在制样过程中，样品的超微结构必须得到完好的保存，应严格防止样品结构和性质发生改变以及样品遭受污染等；③样品应牢固地置于直径为3mm的专用铜网上，以便能经受电子束的轰击，并防止在装卸过程中的机械振动而损坏；④样品必须导电。对于非导电样品，应在其上喷一层很薄的碳膜。对于地质样品，通常是先磨制成薄片，并在偏光显微镜下进行观察，选择需要深入研究的部位，切割取下，黏结在铜网上，再置于离子减薄仪中进行减薄，直至局部穿孔，其边缘部位即可在透射电镜下观察。

配备了X射线能谱仪的透射电镜，在观察图像的同时还可在原地进行微区的元素成分分析。

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