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1、第六章 电子显微技术 透射电子显微镜 ff 2f 物体在2倍焦距之外,在另一侧成倒立、缩小的 实像。 2f 照相机 凸透镜成像原理 FF 2f 物体在焦点和二倍焦距之间时，在另一侧成倒立、放大的实像。 投影机 2f F 物体在焦点以内，在透镜同侧成正立、放大的虚像 放大镜 F 透镜的放大倍数 物距 、像距 、焦距 放大倍数可以表示为： 由于光的衍射，使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平面 形成一B1 、 B2圆斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠得太近，过 分重叠，图象就模糊不清。 O1 O2 d L B2 B1 Md 强度 D 图（a）点O1 、 O2 形成两个Airy斑；图（b）是强度
2、分布。 （a） （b） 最小分辨率 图（c）两个Airy斑 明显可分辨出。 图（d）两个Airy 斑刚好可分辨出。 图（e）两个Airy 斑分辨不出。 I 0.81I 最小分辨距离计算公式： d 指物镜能够分开两个点之间的最短距离，称为物 镜的分辨本领或分辨能力； 为入射光的波长； n为透镜周围介质的折射率 为物镜的半孔径角 NA为数值孔径 对于可见光的波长在390770nm之间， 光学显微镜其最小的分辨能力为0.2m 由于人眼的分辨率为0.2mm。光学显微镜的有效 放大倍数为： 光学镜头的放大倍数越大，其孔径角越大。 景深：透镜镜物平面允许许的轴轴向偏差。 不影响透镜镜成像分辨本领领的前提下
3、，物平面可沿 透镜轴镜轴 移动动的距离。反映了试样试样 在物平面上下沿 轴轴运动动的距离或试样试样 超过过物平面所允许许的厚度 。原理上讲讲，当透镜镜焦距、像距一定时时，只有一 层样层样 品平面与透镜镜的理想物平面重合，能在透镜镜 像平面获获得该层该层 平面的理想图图像。偏离理想物平 面的物点都存在一定程度的失焦，它们们在透镜镜像 平面上将产产生一个具有一定尺寸的失焦圆圆斑。如 果失焦圆圆斑的尺寸不超过过由衍射效应应和球差引起 的散焦斑，那么，对对于透镜镜像的分辨本领领并不产产 生什么影响。 2MX L2 L1 Qi 2X Q Df 透镜 象平面 可见，越大，景深越小。 放大倍数越大，景深越小
4、 当达到最大时，放大倍数 最大，X接近理论分辨率： 焦深：透镜镜像平面允许许的轴轴向偏差 不影响透镜镜成像分辨本领领的前提下，像平 面可沿透镜轴镜轴 移动动的距离。反映了观观察 屏或照相底版可在像平面上下沿轴轴运动动的 距离。当透镜镜焦距、物距一定时时，像平面 在一定的轴轴向距离内移动时动时 也会引起失焦 ，如果失焦斑的尺寸不超过过由衍射效应应和 球差引起的散焦斑，对对分辨本领领无影响。 屏 透镜 L1 L2 Di 2d M i NA M 焦深 景深 NA M 焦深 景深 NA 焦深 景深 0.1 0.13 15.5 0.4 3.8 5.8 .95 80.0 0.19 光学显微镜垂直景深一般小
5、于15.5mm 对于光学显微镜样品要求较严格 薄片状透光样品或者抛光表面 Glass slide specimen Cover glass 20m P 象 P 透镜 物 P 光轴 球差 球差是由于透镜中心区域和边缘区域对光线会聚能力不同而造成的 。通常远轴光线通过透镜时被折射得比近轴光线厉害得多，因而有 同一物点发出的光经过透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上 变成了一个漫射圆斑。 平面B PA 透镜平面 物 P 光轴 PB fA 平面A 像散 像散是由于透镜的本身光轴不对称所引起的一种像差。透 镜对不同平面上光线的折射能力不一样，光线经透镜后形 成界面为椭圆状的光束，是圆形物点的像变成了一
6、个漫射 圆斑。 能量为E的 光波轨迹 象1 透镜 物 P 光轴 色差 能量为E的 光波轨迹 象2 色差是由于透镜对不同波长的光有不同折射率引起。 E和E哪个大？ 虽然光学镜头可以通过组合设计对球差、像散 能很好消除，但对于分辨率的提高和景深的增 加却无能为力。 对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.5 1.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨 本领不能再次提高。 提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的， 唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。 比可见光波长更短的有： 1）紫外线 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 无法使其会聚 ； 3）电子波 分辨
7、率是显微镜最重要的指标 电子具有波粒二像性，其波长可由其动能算出 电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力 ，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。 由静电场制成的透镜 静电透镜 由磁场制成的透镜 磁透镜 磁透镜 静电透镜 1. 改变线圈中的电流强度 可很方便的控制焦距和放 大率； 2. 无击穿，供给磁透镜线 圈的电压为60到100伏； 3. 象差小。 1. 需改变很高的加速电压 才可改变焦距和放大率； 2. 静电透镜需数万伏电压 ，常会引起击穿； 3. 象差较大。 电子透镜 磁透镜结构剖面图 透镜使电子会聚的原理 O O lz 电子在磁透镜中的运动轨迹 AC OO A C 所有从O点出发的电子
8、类似的轨迹运动，在v一定时，当 轨迹与轴的角度很小时，电子会聚在O点（O）的象。 O 象 物 O b a 象 物 平行光轴电子束经透镜成象的情况；a b 为磁场 作用区域。 我们有下面的结论： 1）所有从同一点出发的不同方向的电子，经透镜作用后 ，交于象平面同一点，构成相应的象。 2）从不同物点出发的同方向同相位的电子，经透镜作用 后，会聚于焦平面上一点，构成与试样相对应的散射花样 。 O lz O 有极靴的透镜 极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的间隔h内，h 可以小到1mm左右。 有极靴 B（z） 没有极靴 无铁壳 z 对于电磁透镜而言，n=1, 0） 图像中B亮、A暗。 l晶体厚度均匀、无缺陷
9、，（hkl）满足布拉 格条件，晶面组在各处满足条件的程度相 同，无论明场像还是暗场像，均看不到衬 度。 l存在缺陷，周围晶面发生畸变，这组晶面 在样品的不同部位满足布拉格条件程度不 同，会产生衬度，得到衍衬像。 衍射和质厚衬度衍射和质厚衬度 Disk specimen thickness thinner thicker 1 2 3 4 5 6 7 8 G.B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . High mass Low mass TT SS S Bright Dark Strong diffraction Weak diffraction 8 gra
10、ins are in different orientations or different diffraction conditions thickness fringes 明场像 相衬度：是散射电子与入射电子在像平面上干涉相衬度：是散射电子与入射电子在像平面上干涉 得到的衬度得到的衬度 d L 样品 干涉条件 相衬度：当样品极薄时（十几纳米）相衬度：当样品极薄时（十几纳米） 高分辨电子显微镜高分辨电子显微镜 (HREM)(HREM) 采用大孔径物镜光阑，使得透射电子束和衍射电子 束同时通过。像衬度由其间的干涉得出。 l恒定的电子束，与晶体材料作用，因相干散 射而产生衍射现象，其原理与X射线
11、衍射作用相 同，获得的衍射图案相似。 l遵从衍射产生的必要条件和系统消光规律。 l入射电子束照射到试样晶面间距为d的晶面族 hkl，满足布拉格方程时，与入射束交角2 方向上得到该晶面族的衍射束。 l透射束和衍射束分别与距离晶体为L的照相底板 相交，得到透射和衍射斑点。 电子衍射电子衍射 l根据阿贝成像原理，入射电子束通过样品后， 透射线束和衍射线束将会聚到物镜的后焦面上 形成衍射花样，然后各斑点经干涉后重新在像 平面上成像。 l如果将中间镜的物平面调节到物镜后焦面，而 不是物镜的像平面，此时在物镜后焦面上形成 的衍射谱，就会经中间镜、投影镜放大在荧光 屏上得到最终电子衍射谱。 2 2q q 试
12、样试样 厄瓦尔德球厄瓦尔德球 倒易点阵倒易点阵 底板底板 电子衍射花样形成示意图电子衍射花样形成示意图 晶体形状的倒易阵点扩展 l电子衍射花样中： Q是中心斑点 P是hkl晶面族的衍射 斑点，二者距离为： 电子很短，电子衍射的2很小，有 l代入布拉格方程得： 式中：L衍射长度、相机长度（mm） l一定加速电压下，值确定，则 式中：K仪器常数、相机常数（nm,mm） 电子衍射与电子衍射与X X射线衍射的比较射线衍射的比较 lX射线衍射反应的是样品中电子密度分布，而电子衍 射反应的是样品中电场分布； lX射线衍射的强度与原子序数的平方成正比，而电子 衍射的强度与原子序数的4/3次方成正比，因此，重
13、元 素对轻元素衍射强度的影响较弱； l物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X 射线一万倍，曝光时间短； l电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合 起来； l电子波长短，单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点 阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电 子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关 取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。 l电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者 产生交互作用，另外，由于晶体样品很薄，造成 倒易点阵点发生形变，使得本不能出现衍射的晶 面也能产生衍射，使电子衍射花样，特别是强度 分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强 度来广泛的测定结构。
14、 l此外，由于试样薄，使试样制备工作较X射线复 杂；在精度方面也远比X射线低。 电子衍射与电子衍射与X X射线衍射的比较射线衍射的比较 选区电子衍射 如果在物镜 的像平面处 放置一个光 阑，改变光 阑的位置和 大小就可以 方便地让样 品某一部分 衍射的电子 通过而得到 该部分的电 子衍射图。 选区衍射操作步骤： 为了尽可能减小选区误差，应遵循如下操作步骤 ： 1. 插入选区光栏，套住欲分析的物相，调整中间 镜电流使选区光栏边缘清晰，此时选区光栏平面 与中间镜物平面重合； 2. 调整物镜电流，使选区内物象清晰，此时样品 的一次象正好落在选区光栏平面上，即物镜像平 面，中间镜物平面，光栏面三面重合
15、； 3. 抽出物镜光栏，减弱中间镜电流，使中间 镜物平面移到物镜背焦面，荧光屏上可观察 到放大的电子衍射花样 4. 用中间镜旋钮调节中间镜电流，使中心斑 最小最园，其余斑点明锐，此时中间镜物面 与物镜背焦面相重合。 5. 插入物镜光栏，减弱第二聚光镜电流，使 投影到样品上 的入射束散焦（近似平行束 ），摄照（30s左右） SAED Patterns of Single Crystal, SAED Patterns of Single Crystal, Polycrystalline and Amorphous SamplesPolycrystalline and Amorphous Sampl
16、es abc a.Single crystal Fe (BCC) thin film-001 b.Polycrystalline thin film of Pd2Si c.Amorphous thin film of Pd2Si. The diffuse halo is indicative of scattering from an amorphous material. r1r2 200 020 110 多晶电子衍射花样的标定多晶电子衍射花样的标定 多晶电子衍射花样与X射线衍射法所得花样的几何特 征相似，由一系列不同半径的同心园环组成，是由辐 照区内大量取向杂乱无章的细小晶体颗粒产生，d值相 同的同一(hkl)晶面族所产生的衍射束，构成以入射束 为轴，为半顶角的园锥面，它与照相底板的交线即为 半径为R=L /dK/d的园环。
