《透射電鏡tem》課件

透射電鏡(TEM)透射電鏡(TEM)是一種強(qiáng)大的顯微鏡技術(shù)，用于以高分辨率觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)。TEM使用電子束穿過樣品，通過磁透鏡聚焦并形成圖像。TEM的工作原理1圖像形成電子束穿透樣品，產(chǎn)生圖像2電子束散射電子束與樣品原子相互作用，發(fā)生散射3電子束聚焦電子槍發(fā)射高能電子束，經(jīng)過聚焦透鏡聚焦4電子束照射電子束照射到樣品，部分電子穿過樣品TEM的主要組成部分電子槍產(chǎn)生高能電子束，用于照射樣品電子束聚焦系統(tǒng)將電子束聚焦成細(xì)束，并控制電子束的路徑樣品室和試樣放置待觀察的樣品，并提供樣品移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)功能觀察系統(tǒng)用于觀察和記錄電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信息電子槍電子槍是TEM的核心組件之一，它發(fā)射高能電子束。電子槍通常由鎢燈絲或場(chǎng)發(fā)射器組成，加熱燈絲或場(chǎng)發(fā)射器可以產(chǎn)生電子。電子槍的性能直接影響TEM的成像質(zhì)量和分辨率。電子束聚焦系統(tǒng)電磁透鏡使用電磁場(chǎng)來控制電子束的路徑。聚焦和控制通過調(diào)整電磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)。多級(jí)透鏡通常使用多級(jí)透鏡組合，以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。樣品室和試樣樣品室是TEM中放置樣品的地方。樣品室必須保持真空，以防止電子束與空氣分子發(fā)生碰撞，影響圖像質(zhì)量。樣品必須薄到可以被電子束穿透，通常厚度為幾十納米。樣品制備方法取決于樣品類型，常用的方法包括切片、離子濺射和化學(xué)蒸鍍。觀察系統(tǒng)TEM的觀察系統(tǒng)是用來接收和顯示由電子束照射樣品后產(chǎn)生的電子信號(hào)的。它通常由熒光屏、照相機(jī)、電子計(jì)數(shù)器等組成。熒光屏是用來直接觀察樣品圖像的，而照相機(jī)則可以用來記錄圖像，以便后續(xù)分析。電子計(jì)數(shù)器可以用來測(cè)量樣品中不同元素的含量。圖像成像透射電鏡利用電子束穿過樣品后形成的電子信號(hào)，在熒光屏或CCD相機(jī)上形成圖像。電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種信息，如明場(chǎng)圖像、暗場(chǎng)圖像、衍射模式和能量損失譜。TEM圖像可以提供樣品的形貌、結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等信息，是材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域重要的研究手段。衍射模式電子束衍射電子束通過樣品時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，產(chǎn)生衍射圖案。晶體結(jié)構(gòu)信息衍射圖案反映了樣品的晶體結(jié)構(gòu)信息，可以用于分析晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和晶體取向等。分析工具衍射圖案可以通過分析儀器進(jìn)行分析，獲得樣品的晶體結(jié)構(gòu)信息。能量損失譜分析電子能量損失電子束穿過樣品時(shí)會(huì)失去能量，這種能量損失與樣品的元素組成、化學(xué)鍵和電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。譜圖分析通過分析電子能量損失譜圖可以獲得樣品的元素成分、化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)信息，并進(jìn)行定量分析。TEM成像模式明場(chǎng)成像透射電子束穿過樣品后直接進(jìn)入物鏡，形成明場(chǎng)圖像。圖像亮度取決于樣品對(duì)電子束的透射能力。暗場(chǎng)成像利用樣品散射的電子形成圖像，圖像背景較暗，散射電子較強(qiáng)的區(qū)域顯示為明亮區(qū)域。衍射成像利用樣品對(duì)電子束的衍射現(xiàn)象形成圖像，可以觀察樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷。高分辨成像利用高能電子束和高分辨率物鏡，可以觀察原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)。明場(chǎng)成像明場(chǎng)成像是一種常見的TEM成像模式。在明場(chǎng)成像中，透射電子束直接穿過樣品，并被物鏡聚焦在成像平面上。未被散射的電子形成明亮的背景，而被散射的電子會(huì)形成較暗的區(qū)域。因此，樣品中的電子密度越高，圖像越暗。暗場(chǎng)成像暗場(chǎng)成像是一種TEM成像模式，利用散射電子而不是透射電子來形成圖像。散射電子是由樣品中的晶格缺陷、界面、納米顆粒等引起的。在暗場(chǎng)成像中，透射電子束被擋住，只有散射電子才能到達(dá)探測(cè)器，因此背景是黑色的，只有散射電子照射的地方才會(huì)出現(xiàn)亮斑，從而形成圖像。高分辨率成像高分辨率成像(HRTEM)是TEM的一種重要模式，它利用電子束的衍射和干涉現(xiàn)象來獲得樣品內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。HRTEM的分辨率可以達(dá)到原子尺度，因此可以用來研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、界面和納米結(jié)構(gòu)等電子顯微鏡的發(fā)展歷程11931年德國科學(xué)家恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾發(fā)明了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡。21937年魯斯卡成功地用透射電子顯微鏡觀察到了原子晶格結(jié)構(gòu)。31950年商業(yè)化的透射電子顯微鏡問世，并開始應(yīng)用于材料科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。41970年高分辨率透射電子顯微鏡的出現(xiàn)，推動(dòng)了納米科技的發(fā)展。52000年后掃描透射電子顯微鏡、冷凍透射電子顯微鏡等新型透射電子顯微鏡不斷涌現(xiàn)。TEM的應(yīng)用領(lǐng)域材料科學(xué)TEM用于分析材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶體缺陷、相變和納米材料的形態(tài)。生物醫(yī)學(xué)TEM用于研究細(xì)胞和組織的超微結(jié)構(gòu)，例如病毒、蛋白質(zhì)和細(xì)胞器。半導(dǎo)體技術(shù)TEM用于分析芯片的制造工藝，例如薄膜生長(zhǎng)和蝕刻。納米技術(shù)TEM用于表征納米材料的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)，例如納米管和納米線。材料科學(xué)材料結(jié)構(gòu)分析TEM可用于觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、缺陷和相變。材料性能研究TEM可用于研究材料的物理和化學(xué)性能，例如強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。生物醫(yī)學(xué)細(xì)胞結(jié)構(gòu)TEM在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供細(xì)胞和組織的微觀細(xì)節(jié)?？捎糜谘芯考?xì)胞器，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。疾病研究TEM有助于理解疾病機(jī)制，例如癌癥的細(xì)胞形態(tài)變化?？梢宰R(shí)別病原體，如病毒和細(xì)菌。半導(dǎo)體技術(shù)11.納米結(jié)構(gòu)表征TEM可以觀察半導(dǎo)體器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶體缺陷和納米尺度的圖案。22.材料性能分析TEM可以提供有關(guān)半導(dǎo)體材料的組成、相變、應(yīng)力和缺陷的信息。33.器件失效分析TEM有助于確定半導(dǎo)體器件失效的原因，例如金屬遷移或電介質(zhì)擊穿。納米技術(shù)材料設(shè)計(jì)例如，納米材料可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性和導(dǎo)電性等。電子設(shè)備例如，納米材料可用于制造更高效、更輕便、更耐用的電子元件，如電池、太陽能電池和傳感器。生物醫(yī)學(xué)例如，納米材料可以用于藥物遞送、生物成像、組織工程和治療癌癥。環(huán)境科學(xué)例如，納米材料可用于凈化水和空氣、去除污染物和改善土壤質(zhì)量。TEM樣品制備切片TEM樣品通常需要薄至納米級(jí)，切片是常用的制備方法之一。通過超薄切片機(jī)，可將樣品切成極薄的薄片，以便透射電子的穿透。離子濺射離子濺射技術(shù)利用離子轟擊樣品表面，將樣品表面的原子濺射出來，從而制備出薄膜樣品。此方法適用于金屬和陶瓷材料的制備。化學(xué)蒸鍍化學(xué)蒸鍍技術(shù)通過在樣品表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使氣態(tài)物質(zhì)沉積在樣品表面，從而制備出薄膜樣品。此方法適用于有機(jī)材料和半導(dǎo)體材料的制備。切片11.薄切片將樣品切成非常薄的切片，以便電子束能夠穿透。22.超薄切片對(duì)于生物樣品，通常需要制作超薄切片，厚度僅為幾十納米。33.微型切片采用超薄切片技術(shù)，可觀察細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞器和分子結(jié)構(gòu)。離子濺射離子轟擊離子濺射利用高能離子轟擊樣品表面，使樣品表面原子濺射出來，形成薄膜。薄膜制備濺射沉積技術(shù)廣泛應(yīng)用于薄膜制備，例如金屬、氧化物、氮化物等。真空環(huán)境離子濺射通常在真空環(huán)境下進(jìn)行，以避免離子與氣體分子碰撞，影響濺射效果。化學(xué)氣相沉積薄膜生長(zhǎng)化學(xué)氣相沉積利用氣態(tài)前驅(qū)體在基底上沉積薄膜?；瘜W(xué)反應(yīng)在高溫下發(fā)生，生成固態(tài)薄膜。多種材料該技術(shù)適用于各種材料，包括金屬、陶瓷、半導(dǎo)體和聚合物。這些薄膜可用于電子、光學(xué)、機(jī)械和熱應(yīng)用。精確控制化學(xué)氣相沉積提供了對(duì)薄膜厚度、成分和形態(tài)的精確控制。這對(duì)于制造高性能器件至關(guān)重要。TEM的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高分辨率TEM提供納米級(jí)分辨率，可以觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷。TEM可以用于研究各種材料，包括金屬、陶瓷、聚合物和生物材料。形態(tài)和結(jié)構(gòu)信息TEM可以提供有關(guān)材料的形態(tài)、尺寸、形狀和晶體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。TEM可以用于研究材料的生長(zhǎng)過程、相變和缺陷形成等。高分辨率納米尺度細(xì)節(jié)TEM能夠解析納米尺度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如晶格缺陷、晶界、相變等。原子排列在某些情況下，TEM甚至可以觀察到原子排列，揭示材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。高分辨率成像這使得TEM成為研究材料微觀結(jié)構(gòu)、表征納米材料和分析物質(zhì)成分的強(qiáng)大工具。形態(tài)和結(jié)構(gòu)信息細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)透射電鏡可以清晰地展現(xiàn)細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等。材料微觀結(jié)構(gòu)TEM可以觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)、晶界、缺陷等。材料形貌分析TEM還可以用來分析材料的形貌，例如表面形貌、顆粒尺寸、孔隙率等。元素分析能力電子衍射電子束穿過樣品時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射。通過分析衍射圖案，可以確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)。能譜分析當(dāng)電子束與樣品相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)樣品中的原子發(fā)射特征X射線。通過分析X射