电子显微镜(1)

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1、第二部分 电子显微分析 1第一章 电子显微镜基本原理电电子显显微分析1 电子显微镜概述2 电子波的波长3 电磁透镜4 电磁透镜的缺陷5 电磁透镜的景深和焦长6 电子显微镜的构成7 与光学显微镜的比较21. 电子显微镜概述电电子显显微分析（1）电子显微镜包括以下三种类型的仪器：扫描电子显微镜：Scanning Electron Microscopy （ SEM） 用于微形貌观察、显微成分分析透射电子显微镜： Transparent Electron Microscopy（ TEM） 用于微结构分析、微形貌观察电子探针： Electron Probe Microscopic analyzer（ E

2、PMA） 微区成分分析、显微形貌观察3粉煤灰的SEM照片从煤粉炉烟道气体中收集 的粉末称为粉煤灰。4000 4一种金属喷雾粒子的SEM照 片5（a）双晶ZnO纳米带的扫描透射照片 (b) 双晶纳米带晶界处的EDS谱 (c) 双晶纳米带两边的EDS谱. 6Cu纳米线 该图为在铝阳极氧化膜的孔中生长的Cu纳米线照片 。7“飘摇”（碳纳米管） 该图片是一种特定工艺条件下生长的碳纳米管形貌。碳 纳米管具有强度高，韧性好的特点，可用于复合材料， 还可用于特殊电子元件(如场发射灯丝和平板显示器发光材料)。 8“蔓”（羟基磷灰石） 图为羟基磷灰石形貌。其形成过程为：首先在动 物身上提取的胶原蛋白复合海绵体，

3、该海绵体经模拟液浸泡后生长形成如图所示的羟基磷灰石。 9“巢”(铝阳极氧化膜) 该图为铝阳极氧化膜显微结构。该膜具有防腐、耐 磨和绝缘的特性，因此被广泛用于电子和工业领域。 10（2）分辨率任何显微镜的用途都是将物体放大 ，使物体上的细微部分清晰地显示出来 ，帮助人们观察用肉眼直接看不见的东 西。假如物体上两个相隔一定距离的点， 利用显微镜把他们区分开来，这个距离 的最小极限，即可以分辨的两个点的最 短距离称为显微镜的分辨率，或称分辨 本领。电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理11人的眼睛的分辨本领为0.5mm 左右。一个物体上的两个相邻点 能被显微镜分辨清晰，主要依靠 显微镜的物镜。

4、假如在物镜形成 的像中，这两点未被分开的话， 则无论用多大倍数的投影镜或目 镜，也不能再把它们分开。 电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理12r0：两物点的间距；：光线的波长；n：透镜周围介质的折射率； n sin：数值孔径，用N.A表示。 将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最大孔径 半角=70-75，在介质为油的情况下，n1.5, 其数值孔径n sin1.25-1.35，上式可化简为 ：电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：13这说明，显微镜的分辨率取决 于可见光的波长，而可见光的波 长范围为390 760nm，故而光 学显微镜的分辨率不可能

5、高于 200nm。 电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理14为进一步提高光学显微镜的分辨率，唯 一的可能是利用短波长的电磁波。例如用紫外线（400nm）作光源，分 辨率可提高一倍。当电子的波动性被发现后，很快就被用 来作为提高显微镜分辨率的新光源，即出 现了电子显微镜。目前电子显微镜的放大 倍数已达到数十万倍，这是光学显微镜所 无法达到的。下面来计算电子束的波长。 电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理152 电子波的波长已知电子束具有波动性，对于运动速度为v，质量为m 的电子波的波长为：=h/mv 电子的速度v和加速电压U之间存在下面的关系eU 1/2 mv2 即 v （2eU

6、/m）1/2 由此得 h/(2emU)1/2代入h=6.6210-34J.S, m=9.1110-31kg，e=1.6010-19c12.25/U1/2 U的单位用伏特，的单位为A。 电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理16前面计算的过程中，电子的质量采用 的是静止时的质量，但根据相对论理论， 在高速运动的情况下，其质量有变化：mm0/1-(v/c)21/2v为电子运动的速度，c为光速。波长与电压的计算公式应校正为12.25/U(1+0.978810-6U)1/2电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理17电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理加速电压与电子波长的关系如下表所

7、示：可见，只要能使加速电压提高到一定值就可得到 很短的电子波。正是这一原因，用高压加速电子就成 为近代电镜的最重要特点，用这样的电子波作为照明 源就可显著提高显微镜的分辨本领。问题是能否制造 出使电子波聚焦成像的透镜。 183 电磁透镜电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理我们知道，光学显微镜是利用玻璃透镜使 可见光聚焦成像的。电子和可见光不同，它是一带电粒子，不 能凭借光学透镜会聚成像。电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束 聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静电 透镜，用电磁场成像的称为电磁透镜。由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所 以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透 镜。 1

8、9电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理电子在磁场中的运动：20电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理运动电子在磁场中受到Lorentz力 作用，其表达式为：式中：e-运动电子电荷；v-电子运动速度矢量；B-磁感应强度矢量；F-洛仑兹力 。 显然，F的方向垂直于矢量v和B所决定的平 面，力的方向可由右手法则确定。 21电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（1）vB，则F=0，电子不受磁场力作用，其运动速度的大小 及方向不变； （2）若vB，即只改变运动方向，不改变运动速度，从而使 电子在垂直于磁力线方向的平面上做匀速圆周运动。 （3）若v与B既不垂直也不平行，而成一定夹角，

9、则其运动轨 迹为螺旋线。 22电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理如图是一常用的电磁透镜剖面图。磁力 线围绕短线圈呈环状。23电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理以上表明电磁透镜与光学玻璃凸透镜具 有相似的聚焦性质。 244 电磁透镜的缺陷电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电 子波波长为0.037A，用这样短波长的电子波做显 微镜的照明源，根据0=0.61/（nsin）显微镜的最小分辨率可达0.02A左右。然而到目前为止，电镜的最佳分辨率仍停留在1 -2A的水平。原因：电磁透镜存在球差，像散及色差等各种缺陷-像差。 25电电子

10、显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（1）球差（球面像差） 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域磁场 强度的差异，从而造成对电子会聚能力不同而造 成的。远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害 得多，因而有同一物点散射的电子经过透镜后不 交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫 射圆斑。 26电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理 （2）像散 像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起 的一种像差。磁场不同方向对电子的折射能 力不一样，电子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个漫射圆 斑。 27电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理 （3）色差 色差是由于成像电

11、子的能量或波长不同而引 起的一种像差。能量大的电子在距透镜中心比较 远的地点聚焦，而能量较低的电子在距透镜中心 比较近的地点聚焦。结果使得由同一物点散射的 具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点， 而是在像面上形成一漫射圆斑。 28电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理由于上述像差的存在， 虽然电子 波长只有光波长的十万分之一左右 ，但尚不能使电磁透镜的分辨率提 高十万倍。目前还不能制造出无像差的大孔 径角的电磁透镜，而只能采用很小 的孔径角尽可能减小球差等缺陷的 影响。电磁透镜的分辨本领只比光 学透镜提高一千倍左右。 295 电磁透镜的景深和焦长电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基

12、本原理（1） 景深 透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在 物平面上下沿镜轴可移动的距离Df。换言之，在景深 范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。 造成景深现象的原因是像差和衍射综合影响的结 果。景深大小Df与物镜的分辨本领0成正比，而与 孔径半角成反比，即：Df 2 0/ 20 ：为电磁透镜的分辨本领， ：为孔径半角。30电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理因此，电磁透镜的孔径半角 越小，景深越大。一般电磁透镜的10210 3 rad，因此Df(2002000)0若010A， 则 Df200020000A即电子显微镜对于高度相差在 2000A的物体，可以同时聚焦 在成像平

13、面上。31电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（2）焦长当透镜焦距和物距一定时，像平面 沿轴向一定距离内移动，也会引起失 焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于 其他原因所引起的散焦斑大小，则对 透镜的分辨率没有影响。DL2 0M2/ 一般的电镜焦长都超过10-20cm。因此，只要图象在显示屏上是清晰 的，那么在屏的上下10cm范围放置胶 片，得到的图象依然是清晰的。326 电子显微镜的构成电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（1）扫描电子显微镜33电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（2）透射电子显微镜34电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理（3）电子探针356 与

14、光学显微镜的比较（1）电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理(1)光源 电子束 波长 0.037A 可见光 40007500A(2)媒介 真空 104108托 大气(3)透镜 电子透镜（电磁铁） 光学透镜（玻璃透镜）(4)分辨率 透射电镜 1.4A 可见光区 2000A扫描电镜 60A 紫外光去 1000A366 与光学显微镜的比较（2）电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理(5)放大倍数 101百万,连续可调 102000 换镜头376 与光学显微镜的比较（3）电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理(6)景深 1000倍时30um 1000倍时0.1um(7)聚焦原理 电子聚焦 机械聚焦(8)图象特点 黑白灰度 彩色或黑白 2000A386 与光学显微镜的比较（4）电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理(9)主要图象 透射电子像 光学透射、反射、干涉像二次电子像背散射电子像吸收电子像X射线面扫描像X射线线扫描像(10)主要附件 电子衍射装置 偏光、反光、锥光特征X射线波谱仪特征X射线能谱仪俄歇电子谱仪39作业电电子显显微分析 第一章 电子显微镜基本原理1 电子波的特征及与可见光的异同。2 电子透镜的像差。3 电子显微镜景深大的原因及用途。40