如何测定透射电镜的分辨率和放大倍数

点分辨率的测定：

将铂、铂-铱或铂-钯等金属或合金，用真空蒸发的方法可以得到粒度为0.5-1nm、间距为

0.2-1nm的粒子，将其均匀地分布在火棉胶（或碳）支持膜上，在高放大倍数下拍摄这些粒子的像。为了保证测定的可靠性，至少在同样条件下拍摄两张底片，然后经光学放大5倍左右，

从照片上找出粒子间最小间距，除以总放大倍数，即为相应电子显微镜的点分辨率。

晶格分辨率的测定：

利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜作为标样，拍摄其晶格像。根据仪器分辨率的高低，

选择晶面间距不同的样品作标样。

放大倍数的测定：

用衍射光栅复型作为标样，在一定条件下，拍摄标样的放大像。然后从底片上测量光栅条

纹像的平均间距，与实际光栅条纹间距之比即为仪器相应条件下的放大倍数。

影响参数：样品的平面高度、加速电压、透镜电流

扫描透射电镜(STEM)有哪些特点？

照明系统包括电子枪和聚光镜2个主要部件，它的功用主要在于向样品及成像系统提供亮度足够的光源，电子束流，对它的要求是输出的电子束波长单一稳定，亮度均匀一致，调整方便，像散小。 由阴极（cathode）、阳极（anode）和栅极（grid）组成，图4-14为它的剖面结构示意图和实物分解图。

（1）阴极 阴极是产生自由电子的源头，一般有直热式和旁热式2种，旁热式阴极是将加热体和阴极分离，各自保持独立。在电镜中通常由加热灯丝（filament）兼做阴极称为直热式阴极，材料多用金属钨丝制成，其特点是成本低，但亮度低，寿命也较短。灯丝的直径约为0.10～0.12mm，当几安培的加热电流流过时，即可开始发射出自由电子，不过灯丝周围必须保持高度真空，否则就象漏气灯泡一样，加热的灯丝会在倾刻间被氧化烧毁。灯丝的形状最常采用的是发叉式，也有采用箭斧式或点状式的（图4-15），后 2种灯丝发光亮度高，光束尖细集中，适用于高分辨率电镜照片的拍摄，但使用寿命更短。

阴极灯丝被安装在高绝缘的陶瓷灯座上（图4-16），既能绝缘、耐受几千度的高

温，还可以方便更换。灯丝的加热电流值是连续可调的。

在一定的界限内，灯丝发射出来的自由电子量与加热电流强度成正比，但在超越这个界限后，电流继续加大，只能降低灯丝的使用寿命，却不能增大自由电子的发射量，我们把这个临界点称做灯丝饱和点，意即自由电子的发射量已达“满额”，无以复加。正常使用常把灯丝的加热电流调整设定在接近饱和而不到的位置上，称做“欠饱和点”。这样在保证能获得较大的自由电子发射量的情况下，可以最大限度地延长灯丝的使用寿命。钨制灯丝的正常使用寿命为40h左右，现代电 镜中有时使用新型材料六硼化镧（LaB6）来制作灯丝，其价格较贵，但发光效率高、亮度大（能提高一个数量级），并且使用寿命远较钨制灯丝长得多，可以达到1000h ，是一种很好的新型材料。

（2）阳极 为一中心有孔的金属圆筒，处在阴极下方，当阳极上加有 数十千伏或上百千伏的正高压??加速电压时，将对阴极受热发射出来的自由电子产生强烈的引力作用，并使之从杂乱无章的状态变为有序的定向运动， 同时把自由电子加速到一定的运动速度（与加速电压有关，前面已经讨论过）， 形成一股束流射向阳极靶面。凡在轴心运动的电子束流，将穿过阳极中心的圆孔射出电子枪外，成为照射样品的光源。

（3）栅极位于阴、阳极之间，靠近灯丝顶端，为形似帽状的金属物，中心亦有一小孔供电子束通过。栅极上加有0～1000V的负电压（对阴极而言），这个负电压称为栅偏压VG，它的高低不同，可由使用者根据需要调整，栅极偏压能使电子束产生向中心轴会聚的作用，同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控抑制作用。

（4）工作原理 图4-17表明，在灯丝电源VF作用下，电流IF流过灯丝阴极，使之发热达2500℃以上时，便可产生自由电子并逸出灯丝表面。加速电压VA 使阳极表面聚集了密集的正电荷，形成了一个强大的正电场，在这个正电场的作用下自由电子便飞出了电子枪外。调整VF可使灯丝工作在欠饱和点，电镜使用过程中可根据对亮度的 需要调节栅偏压VG的大小来控制电子束流量的大小。

电镜中加速电压VA也是可调的，VA增大时，电子束的波长λ缩短，有利于电镜分辨力的提高。同时穿透能力增强，对样品的热损伤小，但此时会由于电子束与样品碰撞，导致弹性散射电子的散射角随之增大，成像反差会因此而有所下降，所以，在不追求高分辨率观察应用时，选择较低的加速电压反而可以获得较大的成像反差，尤其对于自身反差对比较小的生物样品，选用较低的加速电压有时是有利的。

还有一种新型的电子枪场发射式电子枪（见图4-18），由1个阴极和2个阳极构成，第1阳极上施加一稍低（相对第2阳极）的吸附电压，用以将阴极上面的自由电子吸引出来，而第2阳极上面的极高电压，将自由电子加速到很高的速度发射出电子束流。这需要超高电压和超高真空为工作条件，它工作时要求真空度达到10-7Pa，热损耗极小，使用寿命可达2000 h；电子束斑的光点更为尖细，直径可达到10nm以下，较钨丝阴极（大于10nm）缩小了3个数量级；由于发光效率高，它发出光斑的亮度能达到10 A/cm·s，较钨丝阴极（106 A/cm·s ）也提高了3个数量级。场发射式电子枪因技术先进、造价昂贵，只应用于高档高分辨电镜当中。 样品室处在聚光镜之下，内有载放样品的样品台。样品台必须能做水平面上X、Y方向的移动，以选择、移动观察视野，相对应地配备了2个操纵杆或者旋转手轮，这是一个精密的调节机构，每一个操纵杆旋转10圈时，样品台才能沿着某个方向移动3mm左右。现代高档电镜可配有由计算机控制的马达驱动的样品台，力求样品在移动时精确，固定时稳定；并能由计算机对样品做出标签式定位标记，以便使用者在需要做回顾性对照时依靠计算机定位查找，这是在手动选区操作中很难实现的。　生物医学样品在做透射电镜观察时，基本上都是将原始样品以环氧树脂包埋，然后用非常精密的超薄切片机切成薄片，刀具为特制的玻璃刀或者是钻石刀。切下的生物医学样品的厚度通常只有几十个纳米（nm），这在一般情况下用肉眼是不能直接看到的，必须让切片飘浮在水面上，由操作熟练的技术人员借助特殊的照明光线，并以特殊的角 度才能观察到如此薄的切片。切好的薄片被捞放在铜网上，经过染色和干燥后才能用于观察.透射电镜样品的制作是一个漫长、复杂而又精密的过程，技术性非常强。但是我们前面介绍过，要想获得优良的电镜影像，制做优良的样品标本乃是非常重要的第一步。

盛放样品的铜网根据需要可以是多种多样的，直径一般均为3mm ，通常铜网上有多少个栅格，我们就把它称作多少目。之所以选择铜制作样品网，是由于它不会与电子束及电磁场发生作用，同理还可以选择其他导磁率低的金属材料（如镍）制作样品网，样品网属于易耗品，铜网加工容易、成本低，故使用十分普及。

透射电镜常见的样品台有2种：①顶入式样品台，要求样品室空间大，一次可放入多个（常见为6个）样品网，样品网盛载杯呈环状排列。使用时可以依靠机械手装置进行依次交换。优点是每观察完多个样品后，才在更换样品时破坏一次样品室的真空，比较方便、省时间；但所需空间太大，致使样品距下面物镜的距离较远，不适于缩短物镜焦距，会影响电镜分辨力的提高。②侧插式样品台，样品台制成杆状，样品网载放在前端，只能盛放1～2个铜网。样品台的体积小，所占空间也小，可以设置在物镜内部的上半端，有利于电镜分辨率的提高。缺点是一次不能同时放入多个样品网，每次更换样品必须破坏一次样品室的真空，略嫌不便。

在性能较高的透射式电镜中，大多采用上述侧插式样品台，为的是最大限度地提高电镜的分辨能力。高档次的电镜可以配备多种式样的侧插式样品台，某些样品台通过金属联接能对样品网加热或者致冷，以适应不同的用途。样品是先盛载在铜网上，然后固定在样品台上的，样品台与样品握持杆合为一体，是一个非常精巧的部件。样品杆的中部有一个“O”形橡胶密封圈，胶圈表面涂有真空脂，以隔离样品室与镜体外部的真空（两端的气压差极大，比值可达10～10）。　样品室的上下电子束通道各设了一个真空阀，用以在更换样品时切断电子束通道 ，只破坏样品室内的真空，而不影响整个镜筒内的真空，这样在更换样品后样品室重又抽回真空时，可节省许多时间。当样品室的真空度与镜筒内达到平衡时， 再重新开启与镜筒相通的真空阀。 处于样品室下面，紧贴样品台，是电镜中的第1个成像元件，在物镜上产生哪怕是极微小的误差，都会经过多级高倍率放大而明显地暴露出来，所以这是电镜的一个最重要部件，决定了一台电镜的分辨本领，可看作是电镜的心脏。

（1）特点 物镜是一块强磁透镜，焦距很短，对材料的质地纯度、加工精度、使用中污染的状况等工作条件都要求极高。致力于提高一台电镜的分辨率指标的核心问题，便是对物镜的性能设计和工艺制作的综合考核。尽可能地使之焦距短、像差小，又希望其空间大，便于样品操作，但这中间存在着不少相互矛盾的环节。

（2）作用 进行初步成像放大，改变物镜的工作电流，可以起到调节焦距的作用。电镜操作面板上粗、细调焦旋扭，即为改变物镜工作电流之用。

为满足物镜的前述要求，不仅要将样品台设计在物镜内部，以缩短物镜焦距；还要配置良好的冷却水管，以降低物镜电流的热飘移；此外，还装有提高成像反差的可调活动光阑，及其要达到高分辨率的消像散器。对于高性能的电子显微镜，都通过物镜装有以液氮为媒质的防污染冷阱，给样品降温。 中间镜（intemediate lens）和投影镜（projection lens）

在物镜下方，依次设有中间镜和第1投影镜、第2投影镜，以共同完成对物镜成像的进一步放大任务。从结构上看，它们都是相类似的电磁透镜，但由于各自的位置和作用不尽相同，故其工作参数、励磁电流和焦距的长短也不相同。电镜总放大率：

M=MO·MI·MP1·MP2

即为物镜、中间镜和投影镜的各自放大率之积。当电镜放大率在使用中需要变换时，就必须使它们的焦距长短相应做出变化，通常是改变靠中间镜和第1投影镜线圈的励磁工作电流来达到的。电镜操纵面板上放大率变换钮即为控制中间镜和投影镜的电流之用。

对中间镜和投影镜这类放大成像透镜的主要要求是：在尽可能缩短镜筒高度的条件下，得到满足高分辨率所需的最高放大率，以及为寻找合适视野所需的最低放大率；可以进行电子衍射像分析，做选区衍射和小角度衍射等特殊观察；同样也希望它们的像差、畸变和轴上像散都尽可能地小。

扫描透射电镜(STEM)的特点：

（1）STEM技术要求较高，要非常高的真空度，并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂。

（2）加速电压低，可显著减少电子束对样品的损伤，而且可大大提高图像的衬度，特别适合于有机高分子、生物等软材料样品的透射分析。

（3）可以观察较厚的试样和低衬度的试样。

（4）扫描透射模式时物镜的强激励，可以实现微区衍射。

（5）应用扫描电镜的STEM模式观察生物样品时，样品无需染色直接观察即可获得较 高衬度的图像。

扫描透射像的形成原理：

在扫描电镜中，电子束与薄样品相互作用时，会有一部分电子透过样品，这一部分透射电子也可用来成像，其形成的像就是扫描透射像（STEM像）。如下图所示，扫描电镜的STEM图像跟透射电镜类似，也分为明场像（bright field，BF）和暗场像（dark field，DF），明场像的探测器安装在扫描电镜样品的正下方，当入射电子束穿过样品后，散射角度较小的电子经过光阑孔选择后进入明场探测器形成透射明场像，散射角比较大的电子经DF-STEM电极板反射，由二次电子探头接受形成暗场像。