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TEM

基本结构

  • 电子光学部分（核心）
    • 照明系统
      • 电子枪，高压发生器，加速管，照明透镜系统，偏转装置
    • 成像系统（核心的核心）
      • 物镜，中间镜，投影镜，光阑
    • 观察照相系统
    • 试样台和试样架
    • 真空系统
  • 真空部分
  • 电子学部分

照明系统

照明系统 = 电子枪 + 聚光镜系统

电子发射强度决定亮度，聚光镜系统决定光斑大小

电子枪

产生电子，包括热电子发射型和场发射型。

热电子发射枪

  • 包括2个阴极（灯丝和控制阴极）和1个阳极（加速极）
  • 阳极接地，而使阴极处于负的加速电位，称为静电浸没物镜或阴极透镜

自偏压系统

  • 控制极接负电压，再经过一可变电阻接到阴极灯丝上，在控制极和阴极灯丝之间产生负的电压降，称为负偏压或自偏压。
  • 相当于一个负反馈，用于限制和稳定电流。开始时束电流随阴极温度升高迅速上升，达到饱和后不变。

控制极开口处由于等势面强烈弯曲，折射作用强，使得电子将会在控制极与阳极间某处交叉会聚，交叉处截面称为电子束最小交叉截面\(d_0\)，直径约几十微米，为电子束有效光源或虚光源

场发射电子枪FEG

在金属表面加强电场，降低表面势垒，使内部电子穿过势垒从表面发射出来（场发射）

FEG亮度高，光源尺寸小，电子束相干性高

FEG可以分为冷阴极FEG和热阴极FEG - 冷阴极FEG - 将钨的(310)面作为发射极，不加热，室温下使用 - 优点：电子能量发散小（0.3eV~0.5eV），能量分辨率高 - 缺点：发射极上会产生残留气体的离子吸附，导致发射噪声；吸附分子层还会降低发射电流，必须通过闪光处理除去吸附分子层。 - 热阴极FEG - 肖特基效应：发射极加热到比加热电子发射低的温度，电子在外电场作用下经过变低的势垒发射出来 - 由于加热导致电子能量发散大(0.6~0.8eV) - 不产生离子吸附，降低发射噪声，也不需要闪光处理，发射电流稳定。

高压发生器与加速管

高压发生器输出的电压发生变化时将引起色差，因此需要使电压变化尽可能小。

聚光镜系统

把电子会聚并照射到试样上，并控制照明孔径角、电流密度、光斑尺寸等。

现代TEM都采用双聚光镜系统： - 第一聚光镜C1 - 短焦的强透镜 - 把虚光源缩小并成像到C2的共轭面上 - 第二聚光镜C2 - 长焦的弱透镜 - 把缩小后的光斑成像到样品上 - 控制照明孔径角和照射面积，并为样品室腾出空间 - 光斑大小是由C1焦距控制的

三种典型模式：

  • TEM模式
    • 加入会聚小透镜CM，使电子书会聚在物镜前方磁场的前焦点位置，电子束平行照射在试样上较大区域
  • EDS模式
    • 关闭CM，电子束会聚在试样上，会聚角很大，适合微小区域分析
  • NBD模式
    • 小光阑+小会聚角，照明区域小，像的相干性好，可获得纳电子衍射花样

偏转系统

用于合轴调整、电子束倾斜(beam tilt)、电子束移动(beam shift)、电子束扫描(beam scan)

成像系统

包括物镜、中间镜、投影镜、物镜光阑、选区衍射光阑

阿贝成像理论

  1. 平行光形成各级衍射谱
  2. 各级衍射通过干涉重新在像平面上形成反映物特征的像

投影镜和中间镜再作2次放大才投到荧光屏上

衍射谱在物镜后焦面上，像在物镜像平面上。调整中间镜的物平面可以切换衍射谱/像

物镜

  • 场深：物点沿轴移动保持像清晰的范围大小
\[ D=\frac{2\delta}{\alpha_0} \]
  • \(\delta\)：还原到样品的最小分辨距离
  • \(\alpha_0\)：物镜孔径角
  • 焦深：像面沿轴移动保持像清晰的范围大小
\[ D_s=\frac{2\delta_i}{\alpha_i} = M^2_0D \]
  • \(\delta_i\)：像点弥散圆盘的半径（球差等引起）
  • \(\alpha_i\)：\(\alpha_0/M_0\)
  • \(M_0\)：物镜放大倍数

中间镜和投影镜

  • 中间镜：选择物镜形成的一次中间像或衍射谱（通过改变物平面位置）
  • 投影镜：短焦距强磁透镜，将二次中间像及衍射谱投到荧光屏上

观察与记录系统

  • 荧光屏
  • 照相底片
  • 视频摄像机
  • 慢扫描CCD相机
  • 成像板

试样台和试样架

  • 单倾杆vs双倾杆

真空系统

（这真的是我们要关注的吗

电子部分和其它部分

（摆了，大概就是安全系统、控制系统、电源系统、防震、电磁屏蔽之类的

合轴调整

电镜在工作时要求精确合轴（alignment），但机械公差精度不够，必须调节光路尽量满足合轴要求。合轴不好的话电镜会很不好用，像差会增加，分辨率下降，亮度不均匀，像和光斑会乱跑

合轴条件

  1. 任何一个成像透镜电流改变时，像将围绕屏中心旋转
  2. 高压改变时，像中心不变
  3. 放大倍数改变时，像在中心扩展或收缩
  4. 散焦照明光斑时，像将在屏中心均匀扩大，并均匀
  5. 中间镜在焦时，衍射点在荧光屏中心
  6. 分辨率达到出厂给出的指标

调整过程

  • 从上往下调
  • 照明系统
  • 电子枪
  • 聚光镜合轴调整
  • 聚光镜消像散
  • 成像系统
  • 物镜电压中心
  • 物镜消像散
  • 中间镜消像散
  • 投影镜合轴调整

照明系统合轴消像散

电子枪 和 聚光镜合轴

电子枪

  • 调灯丝温度到饱和电流
  • 电子枪合轴：灯丝像中心对称

聚光镜

  • 聚光镜合轴：反复变换束斑尺寸，将束斑中心调到荧光屏中心
  • 聚光镜消像散：消像散器把束斑调圆

成像系统合轴消像散

调各个透镜

物镜

  • 调电压中心：用高压颤动器找到中心，调到荧光屏中心
  • 消像散：低倍下利用微栅，高倍下利用非晶部分，可借助FFT圆形

中间镜

消像散：衍射花样中心束斑调圆

投影镜

合轴：调到荧光屏中心

物镜聚焦调整

（摆了

样品制备

（摸了

Last update: 2023年11月17日