北航材料分析测试技术电子显微镜

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1、 电子显微镜电子显微镜光学显微镜分辨本领L：透镜D：光阑：透镜对物点张角的一半。n爱瑞（Airy）斑：由于衍射效应，一个发光物点的像是一个一定尺寸的亮斑和周围几个亮环。一般将亮环忽略不计，中央亮斑为物点的像，称为爱瑞斑。光学显微镜分辨本领n瑞利（Rayleigh）判据：A1和A2逐渐接近时，A1和A2之间的亮度约为亮度最大值的80，人们仍然能分辨是两个像。瑞利即以这种条件作为光学系统能分辨两物点的最小距离，这个极限称为瑞利判据。电子光学基础电子光学基础 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性u两个发光点的分辨距离为： 物镜与物体之间介质的折射率 半孔径角，不能大于90 显微镜的数值孔径 光线的波

2、长0.61sindnnsinn电子光学基础电子光学基础 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性u提高显微镜分辨本领的方法： 采用高折射率介质 增大 角 利用短波长的射线u电子波动性被发现后，很快被利用来作为提高显微镜分辨率的新光源即出现了电子显微镜。0.61sindnn电子的粒子性 质量：质量：9.1095 9.1095 10 10-23-23 克；克； 电量：电量：1.602 1.602 10 10-10-10 库仑；库仑； 在电子显微镜中，电子的加速电压一般在几在电子显微镜中，电子的加速电压一般在几十千伏以上，根据相对论，电子的质量随速度十千伏以上，根据相对论，电子的质量随速度的增加而增大。

3、的增加而增大。n电子的波动性 802012.26(1 0.9778 10)2(1)2heVVVem Vm e()电子波长电子波长不同加速电压下的电子波长和速度不同加速电压下的电子波长和速度 U/kV/nmv/(1011mms-1)400.006 011.121 6600.004 371.338800.004 181.5061000.003 701.6442000.002 512.0795000.001 422.5871 0000.000 872.822阴极发光轫致辐射X 射 线透射电子样 品俄歇电子衍射电子二次电子反射电子吸收电子电电 子子探探 针针扫描扫描电镜电镜透射透射电镜电镜俄歇俄歇电子

4、电子谱仪谱仪入射电子束电子束与物质的相互作用电子光学基础电子光学基础 静电透镜静电透镜n电子通过两个不同电位的界面 电子在不同电位界面处发生折射。2211sinsinvnvn常数 可见光 电子电子光学基础电子光学基础 静电透镜静电透镜n聚焦静电透镜电场由三个电极形成：第一电极带负电位，称为阴极；第二，第三电极带正电位，而且后者的电位比前者高。 （a）光线通过玻璃透镜（b）电子通过电场 的轨迹电子光学基础电子光学基础 电磁透镜电磁透镜n有电流通过的长线圈中间可看作均匀磁场，这样的线圈起聚焦作用，没有放大作用。n短线圈形成不均匀磁场，具有透镜特性。焦距 与加速电压 和透镜内磁场的轴向分量 有如下关

5、系fEzH210.022zH dzfE隙电磁透镜电磁透镜 磁场B对电荷量为-e和速度为v的电子的作用力，即洛伦兹力，其矢量表达式： F= -e(v B)F力的大小为： F=evBsin(v,B)F力垂直于电荷运动速度v和磁感应强度B所决定的平面，F的方向按矢量叉积（B v ）的右手法则来确定。 电磁透镜电磁透镜为了便于分析电磁透聚焦原理，把透镜磁场中任意一点的磁感应强度B分解为平行于透镜主轴的轴向分量Bz和与之垂直的径向分量Br。 电磁透镜聚焦原理 电子光学基础电子光学基础 电磁透镜电磁透镜n成像公式 物距 像距 透镜焦距n放大倍数 放大倍数受透镜线圈的 电流控制111abfafbbMa透射电

6、子显微镜 电子显微镜由镜电子显微镜由镜筒、真空系统和电筒、真空系统和电源柜三部分组成。源柜三部分组成。 镜筒主要有电子镜筒主要有电子枪、电磁透镜、样枪、电磁透镜、样品架、荧光屏和照品架、荧光屏和照相机构等部件。相机构等部件。1924年，德布罗意（ de Broglie）提出电子具有波动性；1926年，布什（Busch）发现旋转对称非均匀磁场可作为电磁透镜；1931年，Rudenberg 提出电子显微镜的概念并提出专利申请；1933年，克诺尔（Knoll）和卢斯卡（Ruska）制造出第一台电子显微镜；1936年，Boersch证明了电子束经过电磁透镜聚焦后在后（背）焦面上形成衍射花样；1939年

7、，西门子公司生产出第一批商品透射电子显微镜；1944年，Le Poole在电子显微镜中加入衍射透镜（即中间镜）和选区光阑后实现选区电子衍射；20世纪50年代，Ruska在商业电子显微镜中实现选区电子衍射；20世纪60年代，会聚束电子衍射实现；仪器的发展仪器的发展仪器的发展仪器的发展 20世纪70年代，用于成分分析的X射线能谱仪和电子能量损失谱仪开始使用； 20世纪90年代，物镜球差系数校正器的问世使球差系数从正值可变到负值，提高了电子显微镜的分辨率。 此外，照明亮度高和能量发散小的场发射电子枪的普及、极大改善电子单色性的能量过滤器的问世、可实现电子显微像和电子衍射花样数字化的慢扫描CCD和电子

8、成像板的使用 、仪器的计算机控制等都成为现代高性能分析电子显微镜的基本特征。透射电子显微镜的主要功能n成像： 明场像，暗场像 格子像，原子像n衍射电子光学基础电子光学基础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差n球面像差 离光轴远的透镜边缘部分对电子束有强会聚能力，使边缘部分的电子会聚在靠近物的一方，使物体上一个点在像平面上形成一定尺寸的模糊圆斑。球差系数 与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大，焦距越短，球差系数减小。sC电子光学基础电子光学基础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差畸变：畸变：球差引起的另外一种像缺陷叫做畸变，在电镜中观察到的畸变是投影镜的球差造成的。由于透镜的中心轴和边缘部分的磁场强度不同，焦

9、距不同，放大倍数也就不同。 （a)无畸变 （b）枕形畸变 （c）桶形畸变（d）S形畸变电子光学基础电子光学基础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差n色差 色差系数与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大， 越小。 cC 色差是由于电子束中每个电子的速度不同，因而波长不同造成的。电子光学基础电子光学基础 电磁透镜的像差电磁透镜的像差n像散 像散缺陷，是由于透镜内孔和极靴孔不完全对称、极靴材料内部的不均性、极靴污染等原因造成的不同径向的焦距不同而引起的。电子光学基础电子光学基础 电子光学系统的分辨率电子光学系统的分辨率由衍射效应形成的爱瑞斑电子光学基础电子光学基础 电子光学系统的分辨率电子光学系统的分辨率n因

10、衍射像差能够分辨两点的最短距离14o p tsAC3144m insrBCA、B近似等于1 称为衍射像差。n电子显微镜的分辨距离就是所有像差引起的圆斑半径之和。对于电镜，起主要作用的是衍射像差和球差。optminrn最佳孔径角 和最小分辨距离 ：0.61dr30.61dssrrrC 电子光学基础电子光学基础 场深和焦深场深和焦深n场深（景深） 在 之间的任意点无论怎样聚焦，其像不会比xi小。距离 称为场深。QRDQRxD电子光学基础电子光学基础 场深和焦深场深和焦深n焦深 在 范围内移动屏幕， 点的像不会发散，但也不会变小。即在 范围内，像的清晰度是一样的， 即为焦深。iDPiDiD2idMD