《电子显微镜的工作原理》课件

电子显微镜的工作原理电子显微镜是现代科学研究中不可或缺的重要工具，它通过利用电子束代替光线来观察微观世界主要分为扫描电子显微镜、透射电子显微镜SEM和扫描透射电子显微镜三大类型TEM STEM与传统光学显微镜相比，电子显微镜的分辨率可达纳米级别，远超光学显微镜的分辨极限这种卓越的性能使其在材料科学、生物学、纳米技术等领域得到广泛应用，为科学研究和技术发展提供了强有力的观察手段课程目标1理解基本工作原理掌握电子显微镜利用电子束成像的基本物理原理，了解电子与物质相互作用的机制2掌握结构特点熟悉各类电子显微镜的组成部分、结构特征以及它们之间的区别和联系3了解应用范围明确不同类型电子显微镜的适用领域和具体应用场景，为实际使用提供指导4熟悉样品制备学习电子显微镜样品制备的基本方法和技术要求，确保获得高质量的观察结果电子显微镜的发展历史年首台透射电镜世纪后期纳米级分辨率1931-20-德国科学家恩斯特鲁斯卡发明了世界上第一台透射电子显随着技术不断进步，电子显微镜的分辨率大幅提升至纳米级，·微镜，分辨率达到纳米，开创了电子显微镜的新时代能够观察到原子级别的结构细节501234年扫描电镜诞生现代发展多元化应用1942--美国科学家成功研制出第一台扫描电子显微镜，实现了样品现代电子显微镜与能谱分析、原位观察等技术相结合，形成表面的三维立体观察，为材料科学研究提供了新的手段了功能强大的综合分析平台电子与光学显微镜比较光学显微镜特点电子显微镜特点光学显微镜利用可见光波长进行成像，分辨率受到光的衍射极限电子显微镜利用电子波长远短于可见光的特性，实现了纳米

0.1限制，约为纳米操作简单，可观察活体样品，成本相对的超高分辨率虽然样品处理和观察环境要求更加严格，但能够200较低，适合日常观察和教学使用揭示微观世界的精细结构使用可见光成像使用电子束成像••分辨率约分辨率可达•200nm•

0.1nm可观察活体样品需要真空环境••操作简便经济样品制备复杂••电子显微镜基本组成电子枪电磁透镜系统样品台产生稳定的电子束，利用磁场聚焦和控制固定和精确操作样品是电子显微镜的电子电子束的传播方向的装置具有多维移源通过热发射或场包括聚光镜、物镜、动和倾转功能，确保发射方式产生电子，中间镜和投影镜，实样品能够精确定位到经加速后形成具有一现电子束的聚焦、放观察区域，并进行角定能量的电子束大和成像功能度调节检测系统接收和转换来自样品的各种信号包括二次电子检测器、背散射电子检测器等，将电子信号转换为可视化图像扫描电子显微镜概述SEM工作原理特点成像优势利用细聚焦的电子束在样品能够提供高分辨率的三维立体成SEM表面进行逐点扫描，通过检测二像效果，清晰显示样品表面的微次电子和背散射电子来获得样品观形貌特征观察视野大，景深表面的形貌信息扫描方式使其好，图像对比度高，特别适合观能够获得具有良好景深的三维立察样品表面的细节结构体图像分析功能当与能量色散射线谱仪结合使用时，不仅能观察形貌，还能进行X EDS元素定性和定量分析，实现形貌观察与成分分析的完美结合的基本结构SEM电子枪位于显微镜顶部，产生电子束通过加热钨丝或晶体产生热电子，或利用场发射原理产生电子LaB6电磁透镜系统包括个聚光镜，将电子束聚焦成直径为几纳米到几十纳米的细束，确保足够的束流密度2-3扫描线圈控制电子束在样品表面进行规律的逐行扫描，扫描速度和区域大小可以调节，实现不同的放大倍数检测器收集来自样品的二次电子和背散射电子信号，将其转换为电信号并放大，最终形成图像样品室提供高真空环境，装载样品并进行观察配备样品台可实现三维移动和倾转功能电子枪类型SEM场发射电子枪亮度最高，分辨率最佳电子枪LaB6亮度高，寿命长钨丝灯丝热电子发射，成本低不同类型的电子枪各有特点钨丝灯丝成本最低，操作简单，适合一般观察需求电子枪提供更高的亮度和更长的使用寿命，适LaB6合高分辨率观察场发射电子枪具有最高的亮度和最佳的分辨率，是高端电镜的首选，但成本较高，对真空度要求严格的工作原理一SEM电子发射电子枪中的灯丝被加热至高温，产生热电子发射，或在强电场作用下发生场发射，形成电子束的源头电子加速发射出的电子在加速电压的作用下获得动能，加速电压通常为1-，电压越高电子能量越大30kV电子聚焦经过个电磁透镜的逐级聚焦，将电子束聚集成直径为几纳米2-3的细束，确保足够的空间分辨率的工作原理二SEM表面扫描信号产生聚焦的电子束在扫描线圈控制下，在样电子束与样品相互作用，产生二次电子、品表面进行规律的逐点扫描背散射电子等多种信号图像显示信号收集电信号经放大处理后在显示屏上显示，各种检测器分别收集不同类型的信号，形成样品表面的形貌图像并将其转换为电信号电子束与样品的相互作用二次电子背散射电子表面形貌信息成分对比信息能量低于原子序数敏感•50eV•表面敏感性高显示成分差异••分辨率最佳穿透深度大••俄歇电子射线X表面化学状态元素分析信息表面分析特征射线••X化学键信息元素定性定量••极浅表面微区分析••二次电子成像产生机理成像特点当高能入射电子与样品表面原子的价电子发生相互作用时，价电二次电子成像是最常用的成像模式，具有优异的分辨率，SEM子获得足够能量脱离原子束缚，形成二次电子这些电子的能量可达纳米图像具有很好的立体感和景深，能够清晰显示5-10通常为，具有很强的表面敏感性样品表面的微观结构细节30-50eV二次电子的产额与样品表面的形貌密切相关，凸起部分产额高，这种成像模式特别适合观察样品表面的形貌特征，如粗糙度、裂凹陷部分产额低，从而形成明暗对比，清晰显示表面的三维形貌纹、孔洞、晶粒边界等微观结构，在材料科学和生物学研究中应特征用最为广泛背散射电子成像形成原理成分对比入射电子与样品中原子核发生原子序数大的元素背散射系数弹性碰撞后被反射回来，形成高，在图像中显示为亮区；原背散射电子背散射系数与原子序数小的元素显示为暗区，子序数的平方成正比关系形成成分对比应用特点主要用于观察样品的成分分布和相分布，虽然分辨率低于二次电子，但能提供重要的成分信息的成像过程SEM逐点扫描电子束按预设路径逐点扫描信号采集检测器实时收集各点信号信号转换将电子信号转换为数字信号图像重建计算机处理生成最终图像的成像是一个连续的动态过程电子束在样品表面进行规律扫描，每个扫描点的信号强度对应样品在该点的特征信息通过同步控制扫描位置SEM和信号强度，最终在显示器上重建出样品的形貌图像样品制备SEM导电性处理生物样品处理机械处理对于非导电样品，需要进行金属镀膜生物样品需要经过固定、脱水、干燥样品尺寸必须符合样品室要求，表面处理，常用金、铂、钯或碳膜镀膜等特殊处理步骤使用戊二醛固定，要平整清洁通过切割、研磨、抛光厚度通常为几纳米，既要保证导电性，逐级酒精脱水，临界点干燥或冷冻干等方法获得合适的观察面，去除表面又要避免掩盖样品的微观结构细节燥，保持细胞结构的完整性污染和氧化层的应用领域SEM材料科学生物医学电子工业在材料科学中，广泛用于观察金属、在生物学和医学研究中，能够高分辨在半导体和电子器件制造中，用于检SEM SEMSEM陶瓷、聚合物等材料的微观结构可以分率观察细胞表面结构、组织形态、细菌和测芯片表面缺陷、线路图案质量、焊接点析断口形貌、晶粒大小、相分布、缺陷特病毒的形貌特征为疾病诊断、药物研发形貌等其高分辨率和大景深特别适合微征等，为材料性能研究和质量控制提供重和生物材料开发提供可视化支持电子器件的质量控制和失效分析要信息透射电子显微镜概述TEM透射成像原子分辨率结晶学信息电子束穿过超薄分辨率可达纳通过电子衍射可

0.1样品，根据样品米，能够观察到以获得晶体的结对电子的散射和原子级别的结构构参数、晶格常吸收差异形成明细节，是研究晶数、空间群等重暗对比图像，揭体结构和缺陷的要的结晶学信息示样品内部结构重要工具超薄样品样品厚度通常要求在纳米以100下，需要专门的样品制备技术来获得电子透明的薄片的基本结构TEM电子枪产生高能电子束，加速电压通常为，提供稳定的电子源80-300kV聚光镜系统将电子束聚焦到样品上，控制照明条件和电子束的平行度物镜形成样品的初级放大图像，是决定分辨率的关键部件中间镜和投影镜对初级图像进行进一步放大，总放大倍数可达几百万倍荧光屏将电子束转换为可见光，显示最终的放大图像供观察和记录的工作原理TEM电子透射过程图像形成机制高能电子束垂直入射到超薄样品上，电子与样品中的原子发生相透射电子在物镜作用下形成第一次放大的实像，然后经过中间镜互作用根据样品的密度、厚度和原子序数不同，电子的散射程和投影镜的逐级放大，最终在荧光屏上形成高度放大的图像度也不同散射角度大的电子被物镜光阑挡住，散射角度小的电子通过光阑整个过程类似于光学显微镜，但使用电磁透镜代替光学透镜，电继续传播，形成明暗对比密度大、厚度厚的区域散射强，图像子波长远短于光波，因此能够获得远超光学显微镜的分辨率较暗；反之则较亮成像模式TEM暗场像高分辨像特定衍射束成像原子级分辨率散射电子成像晶格直接成像••明场像电子衍射突出特定相或缺陷原子排列可见••最常用模式增强对比度结构精确分析晶体结构分析••直透射电子成像衍射斑点图案••显示质量厚度对比晶格参数测定••结构清晰直观相结构鉴定••样品制备TEM超薄切片法使用超薄切片机将样品切成纳米厚的薄片适用于生物样品和软质50-100材料，需要先进行包埋和固化处理离子减薄法利用高能离子束轰击样品表面，逐渐减薄至电子透明适用于金属、陶瓷等硬质材料，能保持晶体结构完整性电解抛光法在电解质溶液中对金属样品进行电化学抛光，去除表面氧化层并减薄至所需厚度，表面光滑无机械损伤碳膜支撑法将粉末样品分散在碳膜上制备，适用于纳米颗粒、催化剂等粉末状样品的观察和分析的应用领域TEM晶体结构研究是研究晶体结构和缺陷的最重要工具可以直接观察晶格排列、位TEM错、孪晶、晶界等微观结构，结合电子衍射分析晶体的空间群和晶格参数纳米材料表征在纳米科技领域，能够精确测量纳米颗粒的尺寸、形貌和分散TEM状态高分辨甚至可以观察到单个原子的排列，为纳米材料的TEM设计和优化提供重要依据生物超微结构在生物学研究中，揭示了细胞内部的超微结构，如细胞器、TEM膜结构、病毒形态等为理解生命过程的分子机理和疾病发生机制提供了重要的形态学证据扫描透射电子显微镜STEM技术特点检测方式结合了和的优势，使用聚焦的电子束在样品上使用环形检测器同时收集明场和暗场信号明场检测器位STEM SEMTEM STEM进行扫描，同时检测透射电子这种设计使其能够同时获得高分于光轴上，收集直透射电子；环形暗场检测器围绕光轴分布，收辨率的形貌信息和结构信息集大角度散射电子与传统相比，的电子束更加聚焦，可以实现亚埃级这种多信号同时检测的方式能够提供更丰富的样品信息，包括形TEM STEM的空间分辨率，特别适合原子级别的结构分析和单原子探测貌对比、成分对比和结晶学对比，实现多维度的样品表征工作原理STEM电子束聚焦逐点扫描将电子束聚焦成亚纳米尺寸的探针，在聚焦探针在样品上按预设路径进行逐点样品表面进行精确定位和扫描扫描，每个点停留时间可控图像重建信号检测将各扫描点的信号强度对应到相应位置，多个检测器同时收集透射和散射电子信重建出高分辨率的显微图像号，获得不同类型的对比信息的优势STEM原子分辨率成像可达埃分辨率

0.5对比成像Z原子序数敏感检测谱学分析结合与完美配合EELS低剂量成像减少样品辐射损伤的高角环形暗场成像模式能够实现对比成像，图像亮度与原子序数的次方成正比，轻重原子对比明显结合电子能量损STEM HAADFZ

1.7失谱可以进行元素映射和化学态分析，在原子尺度上实现结构与成分的同时表征EELS电子能量损失谱EELS基本原理检测能力化学信息入射电子与样品原子的内层电子发生对轻元素特别敏感，能够检测从通过分析精细结构可以获得原子的化EELS相互作用，损失特定的能量这些能锂到铀的所有元素特别擅长分析碳、学环境信息，如价态、配位数、化学量损失值是元素特征的，通过分析损氮、氧等轻元素，这是能谱分析键类型等这对于研究材料的电子结EDS失谱可以确定元素种类和含量，以及的重要补充空间分辨率可达纳米级构和化学性质具有重要意义化学键合状态甚至亚纳米级原理和应用EELS能量损失元素特征精细结构元素映射电子激发内层电子到导带或连每种元素有特定的吸收边能量反映原子的化学环境和键合状获得元素分布的空间信息续态态分析包括低损失区和核心损失区低损失区包含等离子体激元信息，反映材料的光学性质；核心损失区包含元素的电EELS0-50eV50eV离边，用于元素分析和化学态研究结合的高空间分辨率，可以实现原子尺度的元素分析STEM环境电子显微镜气体环境含水样品原位反应样品室可维持几可以观察含有水可以实时观察化个托的气体压力，分的生物样品，学反应、相变、允许在接近真实避免传统电镜制氧化还原等动态环境下观察样品样过程中的脱水过程，为材料科的动态变化过程损伤，保持样品学和催化研究提的自然状态供重要信息温控环境结合加热台可以在控制温度下进行观察，研究材料在不同温度下的结构变化和性能低温电子显微镜超低温保护生物大分子研究样品在液氮°或液氦°温度下进行观察，大低温电镜在生物大分子结构研究中发挥着重要作用，可以观察蛋-196C-269C幅降低电子束对样品的辐射损伤低温环境能够有效抑制原子的白质、病毒、细胞器等的天然结构通过单颗粒分析技术，能够热振动，提高图像的信噪比和分辨率解析蛋白质的三维结构对于辐射敏感的有机材料和生物样品，低温电镜是获得高质量图近年来低温电镜技术的突破使其分辨率达到了近原子级别，已成像的必要手段特别是在蛋白质结构解析中，已成为不可或缺的为结构生物学的重要工具，与射线晶体学和核磁共振并列为三X技术大结构解析技术射线能谱分析X EDS射线激发X高能电子束激发样品原子内层电子特征辐射外层电子跃迁产生特征射线X能量检测硅漂移检测器收集射线信号X成分分析4根据能量和强度确定元素种类和含量是电子显微镜最重要的配套分析技术之一每种元素都有特定的射线特征能量，通过测量这些特征射线的能量和强度，可以进行元素的定性EDS XX和定量分析现代系统具有优异的能量分辨率和检测效率，能够检测从硼到铀的大部分元素EDS扫描隧道显微镜概述STM量子隧道效应基于量子力学的隧道效应原理工作，当导电探针与样品表面距离极近时，电子可以穿越势垒产生隧道电流原子级分辨率可以实现真正的原子级别观察，分辨率达到纳米，能够分辨单个原子，

0.01甚至观察原子内部的电子云分布无电子束损伤不使用高能电子束，避免了对样品的辐射损伤，特别适合观察有机分子和生物样品的精细结构多环境适应可在大气、真空、液体等多种环境下工作，为研究不同条件下的表面现象提供了灵活性工作原理STM探针接近偏压施加将导电探针缓慢接近样品表面，直到两1在探针和样品之间施加小的偏置电压，者间距离达到几个原子直径形成隧道结的电学条件反馈控制隧道电流通过反馈系统保持隧道电流恒定，记录电子通过量子隧道效应在探针和样品间探针高度变化映射表面形貌流动，形成可测量的隧道电流成像过程STM恒流模式保持隧道电流恒定，通过压电陶瓷调节探针高度探针高度的变化直接反映样品表面的起伏，记录这些变化可重建三维表面形貌逐行扫描探针在样品表面按预设路径进行逐行扫描，扫描范围可从几纳米到几微米扫描速度要适中，既要保证足够的分辨率，又要避免热漂移的影响高度记录每个扫描点的探针高度都被精确记录，形成表面高度的数字化数据矩阵这些数据通过计算机处理后可以生成三维表面图像图像重建利用专门的图像处理软件将高度数据转换为可视化的三维图像，可以从不同角度观察样品表面的原子排列和缺陷结构的特点STM

0.01nm横向分辨率可以分辨相邻原子，达到真正的原子级分辨率

0.001nm垂直分辨率高度检测精度极高，可以检测到原子级的高度差异倍10距离敏感性探针与样品距离减小，隧道电流增加一个数量级

0.1nm1pA电流检测可以检测皮安级别的微弱隧道电流信号的应用STM表面科学研究在表面科学中具有不可替代的地位，可以直接观察固体表面的原子排列、表面重构、吸附原子的位置和取向为理解表面化学反应、催化机理等提供了原子尺度的直观STM证据单分子研究能够观察单个分子的结构和电子态，研究分子的吸附、扩散、反应等动态过程在分子电子学和单分子器件研究中发挥着重要作用，为纳米电子学的发展奠定了基础原子操纵技术利用探针可以精确操纵单个原子的位置，在表面创建特定的原子图案这项技术不仅具有重要的科学意义，也为未来的原子级制造技术开辟了新的可能性STM原子力显微镜AFM力学检测原理非导电样品适用基于原子间的相互作用力进与不同，不需要样品AFM STMAFM行成像，使用微小的悬臂梁和尖具有导电性，因此可以观察绝缘锐的探针检测样品表面的力学性体、聚合物、生物样品等各种材质当探针接近表面时，受到吸料这大大扩展了扫描探针显微引力或排斥力的作用使悬臂发生镜的应用范围弯曲多功能表征除了形貌成像外，还能测量表面的机械性质，如硬度、弹性模量、AFM粘附力等通过不同的工作模式，可以获得丰富的表面信息工作模式AFM接触模式高分辨率，易损伤软样品轻敲模式减少损伤，适合软样品非接触模式无机械接触，分辨率适中接触模式通过探针与样品的直接接触进行扫描，分辨率最高但可能损伤软样品轻敲模式使探针以其共振频率振动，间歇性接触样品表面，既保持较高分辨率又减少了对样品的损伤非接触模式利用长程力的相互作用，完全避免机械接触，最适合观察易损伤的生物样品电子全息技术相位信息获取三维重建技术传统电子显微镜只能记录电子波的强度信息，而电子全息技术通利用多个角度的全息图可以重建样品的三维结构，获得比传统二过干涉原理可以同时记录强度和相位信息相位信息包含了样品维投影更丰富的信息这种技术特别适合研究复杂的三维纳米结的电学和磁学性质构通过分析相位分布，可以定量测量样品内部的电场和磁场分布，结合计算机断层扫描算法，可以实现纳米尺度的三维重建，分辨为研究材料的电磁性质提供了独特的手段这对于半导体器件和率可达几个纳米这为纳米器件的三维表征提供了强有力的工具磁性材料的研究具有重要意义样品制备技术物理方法化学方法机械处理技术化学处理技术精密切片化学腐蚀••机械研磨电解抛光••抛光处理化学沉淀••特殊技术生物样品先进制备技术生物专用技术冷冻制备化学固定••聚焦离子束逐级脱水••临界点干燥树脂包埋••电子显微术中的图像处理图像增强技术通过调整对比度、亮度和锐化处理来改善图像质量使用傅里叶变换、小波变换等数学方法去除噪声，突出感兴趣的结构特征，提高图像的清晰度和可读性三维重建算法利用断层扫描技术从一系列二维图像重建三维结构通过倾转样品获得不同角度的投影图像，使用滤波反投影等算法重建样品的三维形貌和内部结构自动特征识别开发智能算法自动识别和测量图像中的特征，如颗粒大小、孔隙分布、晶粒边界等机器学习和人工智能技术的应用使图像分析更加准确和高效。