透射电子显微镜的发展与应用

透射电子显微镜的发展与应用第一页，共十三页，编辑于2023年，星期三1878年，Abbe指出光学显微镜分辨本领受到光波衍射的限制，给出了表示光学显微镜分辨本领极限的公式。1897年，J.J.Thomson证实了电子的存在，1924年，德布罗意提出微观粒子的波粒二重性原理，计算表明电子波长比可见光波短得多，从而为电子显微镜能够获得更高的分辨本领提供了理论依据。第二页，共十三页，编辑于2023年，星期三1926年，Busch建立了几何电子光学理论。正是由于有了物理学和电子光学的这些最基本的理论和发现.才导致M.Knoll和E.Ruska于1932年发明了第一台电子显微镜。透射电镜的问世是二十世纪最重大的发明之一。长期以来，透射电镜（TEM）被广泛地应用到现代科学技术各领域，特别是应用在材料的微观结构特征的观察分析中。第三页，共十三页，编辑于2023年，星期三经过七十多年的发展，今天的透射电镜已是具有高达百万倍放大倍率，0.1—0.2nm分辨本领而且还能对几个纳米的微小区域进行化学分析和晶体结构分析的高放大率、高分辨率的电子光学仪器。它已成为全面揭示物质微观特征（晶体结构、形貌、化学成分等）的综合性仪器，是现代固体科学（包括固体物理、固体化学、固体电子学、材料科学、地质矿物、晶体学等学科）研究工作中必不可少的手段。第四页，共十三页，编辑于2023年，星期三二、国外透射电镜的发展状况欧洲对电子显微镜的研究一直居于世界的前列，其有关透射电镜的研究动态常见报道。随着计算机科学和图像摄取技术的发展和进步，出现了越来越多的数字化透射电镜，其分辨率得到了很大的提高。飞利浦公司推出的新一代透射电镜分辨率达到0.15nm，该电镜的图像摄取、处理和分析系统分成三个层次，能够适用于不同层次的使用者：Basicuser模块是最基础的用户界面，相关专业人员可以依靠系统的导航模板完成试验；Expert模块为有一定电镜操作技术基础的人员设置；Administrator模块提供给管理人员超级用户权限，可对操作者被允许使用的功能和权限进行设置、修改等。第五页，共十三页，编辑于2023年，星期三日本在电子显微镜研究方面也一直投入了大量的人力财力，日立(HITACHI)、日本电子株式会社(JEOL)等大公司推出的电镜属世界先进行列。例如，日本电子的200KV场发射透射电镜JEM-2010F不仅可实现超高分辨率图像的观察，同时，还可以得到纳米尺度的结构、成分等信息。日立公司的H-7600透射电镜数字图像处理系统不仅可以将TEM图像转换成“网上兼容”格式的图像，并利用数字化TEM系统实现了图像自动聚焦，而且该系统能方便而有效地进行诸如视场选择、聚焦、图像记录、图像数据输出到监视器等一系列的操作。第六页，共十三页，编辑于2023年，星期三当今透射电镜新一代电镜普遍利用计算机和图像处理分析技术，实现了电镜数字化及其图像的自动处理分析。传统透射电镜采用电镜专用的电子感光底板曝光成像，其照片结果要经过冲洗、印像，不仅耗费大量照相材料，须经一整套繁琐的暗室操作，而且更麻烦的是当最终照片不理想时，一切得从头开始，但往往很难再找到原来理想的微观视场。随着电镜仪器的老化，干扰因素的增多，这种少慢差费、劳民伤财的状况越来越严重。第七页，共十三页，编辑于2023年，星期三电子显微镜的放大倍数高，成像系统中的噪声也会被放大，因而会引起图像质量的下降。透射电镜对试样的要求高，首先要求试样很薄以便于电子束通过，粉末试样要以炭膜为支持膜，当粉末在炭膜上分散不均匀时，会导致图像背底噪声，图像变得模糊。另外，电子枪发射出来的电子，加速后到达试样的不一致性会引起电子噪声。第八页，共十三页，编辑于2023年，星期三电子显微镜物镜的焦距若调节不当，所得到的图像就不能完全反映其真实图像，原像中有些细节可能是假像，有些细节可能完全丢失，这称为过滤效应。再者，任何一张电子显微镜的图像都是二维的平面像，任何一个三维物体的复杂结构需要通过若干张二维图像才能得到，这就需要用图像处理的技术来解决。第九页，共十三页，编辑于2023年，星期三三、我国透射电镜发展状况我国在透射电镜的研制方面力量薄弱，至今尚未有商品化的国产透射电子显微镜。我国各科研院所和大专院校的现有电镜设备，基本上是直接购买国外先进的电镜或者在原有电镜的基础上改造升级。清华大学材料工程学院所购日本电子的JEM-2010F和JEM-200CX实现了图像的实时采集和数字化，具有良好的图像质量，但价格昂贵，每套图像处理系统报价在6-8万美元。第十页，共十三页，编辑于2023年，星期三北京有色金属研究院在其原有透射电镜JEM-120F的基础上改造了电镜的结构，使其能够实时采集图像并转换成数字图像。北京化工大学的微观分析所也装配了这套系统。据实地考察，该数字图像采集与处理分析系统获取的图像背景粗糙、放大倍数超过二十万倍时CCD灵敏度不够、图像的亮度偏低，且基本上没有后续的图像处理软件。第十一页，共十三页，编辑于2023年，星期三国外的透射电镜价格居高不下，而且使用的耗材价格昂贵；国内对透射电镜的数字化改造已取得一定的成绩和经验，但其完成的系统图像质量不佳、分析处理功能简单、图像的分析标定功能基本没有。纵观国内外对透射电镜的研究和使用情况，可以得出以下结论：第十二页，共十三页，编辑于2023年，星期三(1)对现有设备进行数字化改造的基本条件已经具备(包括高分辨率CCD摄像机、高性能计算机和较为成熟的图像处理技术等)