非金屬材料及應(yīng)用 課件 TEM簡(jiǎn)介

透射電鏡-TEM電子顯微鏡的發(fā)展簡(jiǎn)史透射電鏡的原理及其構(gòu)造透射電鏡在催化劑表征中的應(yīng)用眼見(jiàn)為實(shí)人裸眼辨識(shí)兩點(diǎn)最小距離為0.05mm，頭發(fā)絲1/2粗細(xì)墨翟—《墨經(jīng)》伽利略——地心說(shuō)牛頓——《自然科學(xué)和宇宙體系的數(shù)學(xué)原理》人類(lèi)對(duì)光傳播現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)“光之入照若射”《墨經(jīng)》—世界上最古老的光學(xué)典籍。小孔成像光學(xué)八條陰影的定義與生成陰影與光的關(guān)系光的直線傳播性光的反射性物影大小與光源的關(guān)系平面鏡成像之物像關(guān)系凹面鏡成像之物像關(guān)系凸面鏡成像之物像關(guān)系光的特性反射性光的兩大特性折射性認(rèn)識(shí)較晚產(chǎn)生放大作用3500年前，墨翟《墨經(jīng)》人的眼球是一種天然透鏡，對(duì)光產(chǎn)生折射，使物體成像。光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)矯正視力不能提高人眼的分辨率16世界末期，光學(xué)顯微鏡發(fā)明19世紀(jì)末，光學(xué)顯微鏡分辨率達(dá)到0.2微米使人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)了豐富的微觀世界顯微鏡的發(fā)明荷蘭眼鏡制造商ZachariasJansen（1580－1640）：發(fā)明人外觀直筒形，由兩個(gè)透鏡（物鏡、目鏡）組成，放大倍數(shù)可達(dá)9倍不久，顯微鏡的透鏡數(shù)增加二至三個(gè)（在物鏡和目鏡之間加了場(chǎng)鏡），形成了我們現(xiàn)在所知的復(fù)式顯微鏡的基本光路結(jié)構(gòu)17世紀(jì)80年代的顯微鏡，具有很高的觀賞價(jià)值側(cè)柱式復(fù)式顯微鏡，可用來(lái)研究尺寸較大的活的生物樣品羅伯特胡克(RobertHooke,英國(guó))主要貢獻(xiàn)：1665年，Micrographia（顯微圖像學(xué)）Cell胡克根據(jù)他的顯微觀察繪制的軟木的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖胡克根據(jù)他的顯微觀察繪制的跳蚤圖初探微觀世界(a)一種綠色海藻的結(jié)構(gòu)，每一根綠色條帶都是由綠色小球組成，綠色條帶的周長(zhǎng)與人類(lèi)頭發(fā)絲的周長(zhǎng)相仿(b)兔子的精子列文虎克（VanLeeuwenhoek，荷蘭，Delft）列文虎克制造的簡(jiǎn)式顯微鏡，只有普通鑰匙大小，遺留下500個(gè)，目前只有十幾個(gè)分辨率為2微米人類(lèi)歷史第一次觀察到微生物—細(xì)菌色差（chromaticaberration）球差（sphericalaberration）像散（stigmatism）畸變（distortion）彗星差（comaaberration）像場(chǎng)彎曲（curvatureoffield）單色像差影響顯微鏡的分辨率因素焦點(diǎn)：平行于透鏡中軸的光在穿過(guò)透鏡后會(huì)聚于透鏡后面的位于中軸上的一個(gè)點(diǎn)。焦距：聚焦點(diǎn)到透射中心點(diǎn)的距離。遠(yuǎn)軸焦點(diǎn)焦距雙凸透鏡入射光近軸焦點(diǎn)透鏡球差：軸上點(diǎn)的單色相差，是由于透鏡的球形表面造成的。球差造成的結(jié)果是，一個(gè)點(diǎn)成像后，不在是個(gè)亮點(diǎn)，而是一個(gè)中間亮邊緣逐漸模糊的亮斑，從而影響成像質(zhì)量。顯微光學(xué)透鏡色差：白光由紅橙黃綠青藍(lán)紫七種組成，各種光的波長(zhǎng)不同，所以在通過(guò)透鏡時(shí)的折射率不同，這樣物方一個(gè)點(diǎn)，在象方可能形成一個(gè)色斑。色散現(xiàn)象：日光是由七色光組成雨后彩虹色散現(xiàn)象使各色光在透鏡后面的聚焦點(diǎn)不一樣，即聚焦不同。藍(lán)光焦距最短，紅光最長(zhǎng)色散效應(yīng)使透鏡成像時(shí)，得到分別由七色光聚于不同焦點(diǎn)而成的七幅像疊加在一起。由于各色光焦距不同，使得無(wú)法精確將七幅像完全一一對(duì)應(yīng)地疊加，造成像的模糊—透鏡色差。放大倍數(shù)—人眼從顯微鏡目鏡所見(jiàn)的被觀察物之尺寸與原物尺寸的比值。人眼在明視距離(250mm)的分辨本領(lǐng)為0.2mm。因此需將物鏡能鑒別的距離經(jīng)放大成0.2mm以上的像方能被人眼分辨。M有效=人眼分辨率光鏡分辨率=0.2mm200nm=1000倍多透鏡組合的總放大倍數(shù)＝各透鏡放大倍數(shù)的乘積分辨率—能辨識(shí)的兩點(diǎn)或兩線間的距離，即成為衡量顯微鏡功能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。分辨率越高，能辨識(shí)的兩點(diǎn)或兩線之間的距離就越小。放大倍數(shù)&分辨率光鏡的有效放大倍數(shù)

由于光的衍射，使得由物平面內(nèi)的點(diǎn)O1、O2在象平面形成一B1、B2圓斑（Airy斑）。若O1、O2靠的太近，過(guò)分重疊，圖象就模糊不清。（a）（b）圖（a）點(diǎn)O1、O2形成兩個(gè)Airy斑；圖（b）是強(qiáng)度分布。B1分辨率AB圖（a）兩個(gè)Airy斑明顯可分辨出。圖（b）兩個(gè)Airy斑剛好可分辨出。圖（c）兩個(gè)Airy斑分辨不出。阿貝定理波長(zhǎng)越短，分辨率越高d—兩個(gè)物點(diǎn)的間距λ—光波在真空中的波長(zhǎng)；α—孔徑角之半；ｎ—透鏡和物體間介質(zhì)折射系數(shù)提高顯微鏡分辨率：減少波長(zhǎng)，增大數(shù)值孔徑，增大介質(zhì)的折射系數(shù)剛好能分辨屏幕上兩個(gè)點(diǎn)光源像時(shí)的O1和O2的距離d稱(chēng)為顯微鏡的分辨率分辨率和放大倍數(shù)無(wú)關(guān)顯微鏡的終極目標(biāo)看清盡量小的物體無(wú)損傷觀察活體，呈現(xiàn)清晰的像及最好的襯度胡克：“借助于顯微鏡，沒(méi)有什么東西能小到能逃脫我們的探究。”19-20世紀(jì)，顯微鏡分辨率為0.2-0.3微米，但仍存在看不到的物體光學(xué)顯微鏡的無(wú)奈1897-1898年，口蹄疫情爆發(fā)煙草植物疾病超小尺寸病毒光學(xué)顯微鏡分辨率為0.2微米電子光學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展陰極射線的研究電子光學(xué)理論的出現(xiàn)電子顯微鏡的發(fā)明在稀薄空氣中由高電壓導(dǎo)致的電流射線X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴妻子的手骨X射線透視照片X射線是制造高分辨顯微鏡的理想光源：具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)短（<=0.154nm），很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)。阻礙：沒(méi)有辦法制造出使X射線聚焦的透鏡1923-1926年，三項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了電子顯微鏡的發(fā)明m－電子質(zhì)量，v－電子速度，h－普朗克常數(shù),電子的波粒二象性的設(shè)想電子波長(zhǎng)的表達(dá)式加速電壓20萬(wàn)伏，電子波長(zhǎng)為0.005納米薛定諤方程：電子波在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程，闡明了電子的傳播動(dòng)力學(xué)軌跡與光學(xué)系統(tǒng)的概念相對(duì)應(yīng)的事實(shí)，提出光波可經(jīng)透鏡聚焦，電子束也可以聚焦布施發(fā)現(xiàn)了軸對(duì)稱(chēng)對(duì)電子束的透鏡聚焦效應(yīng)德布羅意電子可以憑借軸對(duì)稱(chēng)的非均勻電場(chǎng)、磁場(chǎng)的力使其會(huì)聚或發(fā)散，從而達(dá)到成象的目的。短磁透鏡（由非均勻軸對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)制成的透鏡)和靜電透鏡（由靜電場(chǎng)制成的透鏡）相比有如下的優(yōu)點(diǎn)

短磁透鏡

靜電透鏡1.改變線圈中的電流強(qiáng)度可很方便的控制焦距和放大倍數(shù)2.無(wú)擊穿，供給磁透鏡線圈的電壓為60到100伏3.象差小。1.需改變很高的加速電壓才可改變焦距和放大倍數(shù)2.靜電透鏡需數(shù)萬(wàn)伏電壓，常會(huì)引起擊穿3.象差較大。電子透鏡目前，應(yīng)用較多的是短磁透鏡，我們只是分析短磁透鏡是如何工作的進(jìn)水口出水口水冷面電子束通道軟鐵極靴縫隙口徑電源磁透鏡結(jié)構(gòu)剖面圖OO’zAC電子在磁透鏡中的運(yùn)動(dòng)軌跡銅線圈磁透鏡的設(shè)計(jì)電子的波動(dòng)性極小的電子波長(zhǎng)電子束聚焦的實(shí)現(xiàn)電子傳播動(dòng)力學(xué)理論的建立電子束代替光束電磁透鏡代替玻璃透鏡電子顯微鏡的誕生ErnstRuska：德國(guó)，1906.12.25，5/7MaxKnoll：助教魯斯卡——電鏡發(fā)明人1928-1929年，驗(yàn)證布施的電鏡聚焦說(shuō)制作了真正意義的電磁透鏡Ruska獲1986年物理NobelPrizeFirstcommercialTEMin1938(Siemens)with50nmresolution世界上三大電鏡制造商：日本電子（JEOL)、日立（Hitachi）、FEI（美國(guó)）JEOL系列Tecnai系列H-700透射電鏡工作原理照明源發(fā)出的光線或電子束由聚光鏡調(diào)節(jié)后，成平行射線入射幻燈片或樣品后射出，經(jīng)由物鏡后投影成像。電子槍鏡筒觀察室試樣架EDS探測(cè)器操作面板掃描像觀察室現(xiàn)代透射電鏡外形示意圖電子槍部分加速管、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)照明透鏡系統(tǒng)加大、成像透鏡系統(tǒng)觀察室和照明室透射電鏡側(cè)剖面結(jié)構(gòu)圖透射電鏡成像原理圖電鏡光鏡射線源電子束可見(jiàn)光介質(zhì)真空空氣透鏡磁場(chǎng)玻璃放大倍數(shù)幾十至幾百萬(wàn)倍約1000倍放大作用改