电子光学基础

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1、材料特性表征,任课教师：夏虹 吉林大学电子科学与工程学院,Characteristic Technique of Materials,Email: ,地址：南区理化楼D121,第三章 电子显微分析,第一节 电子光学基础,上节课的重点内容,第一: 光学显微镜成像的原理及其概念 衍射，阿贝成像原理第二: 光学显微镜的技术参数及其概念 数值孔径，分辨率，放大率和有效放大 率，光学透镜的像差，焦深、视场宽度、覆盖度、工作距离等第三：光学显微镜的构成 第四：几种重要的显微镜技术,电子显微分析,电子显微分析： 是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。

2、它包括,用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析(TEM)， 用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析(SEM)， 用电子探针仪进行的X射线显微分析(EPMA) 。,电子显微分析的特点,电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，它与其他的形貌、结构、成分分析方法相比就有以下特点：,(1) 可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。分辨率高：0.20.3nm; 放大倍数高：2030 万倍 (2) 是一种微区分析方法，具有高度分辨率，成像分辨率达到0.20.3mm,可直接分辨原子，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。(3) 各种电子显微镜分析仪器日益向多功能、综合性方向发展，可以

3、进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。,第一节 电子光学基础,电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。 本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律 研究各种形式对称的电、磁场和电子运动轨迹。,第一节 电子光学基础,1.1 光学显微镜的局限性 1.2 电子的波性以及波长 1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜 1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜 1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领 1.6 电磁透镜的场深和焦深,分辨本领 1) 人的眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节 2) 光学显微镜，人们可观察到

4、象细菌那样小的物体。 3) 用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。 分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。,1.1 光学显微镜的局限性,1.1 光学显微镜的局限性,光学透镜分辨本领R0的公式： 式中：是照明束波长，是透镜孔径半角，n 是物方介质折射率，nsin或NA称为数值孔径。,1.1 光学显微镜的局限性,光学透镜分辨本领R0的公式：,1 对于可见光的波长在390770nm之间 2 NA值均小于1，最大只能达到1.51.6,光学显微镜其最大的分辨能力为200nm,增大NA值是有限的，解决

5、的办法是减小波长,电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。,射线 X 射线紫外光可见光红外光微波无线电波,1.1 光学显微镜的局限性,利用紫外线 强烈地吸收X射线 没有办法使其聚焦,1.1 光学显微镜的局限性,第一节 电子光学基础,1.1 光学显微镜的局限性 1.2 电子的波性以及波长 1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜 1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜 1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领 1.6 电磁透镜的场深和焦深,1.2 电子的波性以及波长,随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源， “电子束” 被发现了。 1924年法国物理学家德.布罗意(De Broglie)提

6、出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。,1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。,德布罗意波的实验验证- 电子衍射实验1,1.2 电子的波性以及波长,德布罗意波的实验验证-电子衍射实验2,同时英国物理学家G.P. Thompson & Reid也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末

7、或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。 德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得1929年的诺贝尔物理学奖金，Davisson和Thompson则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。,1.2 电子的波性以及波长,1.2 电子的波性以及波长,这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数 h 对于粒子动量的比值，即,对于电子来说，这里， m 是电子质量kg， v 是电子运动的速度ms-1。,例：质量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长。,人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。,1.2 电子的波性以及波长,电子的德波波长很短，用电

8、子显微镜可放大200万倍。,例：求静止电子经 200kV 电压加速后的德波波长。,解：静止电子经电压U加速后的动能,1.2 电子的波性以及波长,1.2 电子的波性以及波长,电子的波长与其加速电压（U 伏特）有关,即若被150伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。 若加速电压很高，就应进行相对论修正。,1.2 电子的波性以及波长,1.2 电子的波性以及波长,当加速电压为100kV时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。 因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。,能否制造出使电子波聚焦成像的透镜？,第一节 电子光学基础,1.1 光学显微镜的局限性 1.2 电子的波性以及波长 1.3

9、电子在静电场中的运动和电子透镜 1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜 1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领 1.6 电磁透镜的场深和焦深,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。 初速度为零的自由电子从零电位到达U （伏特）电位的时候，电子的速度由加速电压决定。,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,当初速度不为零、运动方向和电场方向不在一条直线上的时候，电场力不但能改变其电子运动的能量，而且也会改变电子的运动方向。,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静

10、电透镜,电场对电子的折射,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,电场对电子的折射,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,电场对电子的折射,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,电场对电子的折射,当电子由低电位区进入高电位区时，折射角小于入射角，即电子轨迹趋向于法线，反之，相反。,1.3.1 电子在静电场中的运动,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,电场对电子的折射,介质对光的折射,说明电场中的等电位面是对电子折射率相同的表面，与光学系统中两介质界面起折射作用相同。,1.3.2 静电透

11、镜,定义: 把能使电子波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲面簇的电极装置叫做静电透镜。,静电透镜与一定形状的光学介质界面 （如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面族也可使电子束聚焦成像。,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,1.3.2 静电透镜,静电透镜有二极式和三极式，他们分别由两个或三个具有同轴圆孔的电极（膜片或圆筒） 组成。,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,静电透镜的局限性： 早期的电子显微镜中使用静电透镜，由于静电透镜需要很强的电场，往往在镜筒内导致击穿和弧光放电，尤其是在低真空度情况下更为严重。

12、因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差。,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,1.3.2 静电透镜,静电透镜的应用： 在现在电子显微镜中，除了在电子枪中使电子束会聚成形，已不再使用静电透镜而改用磁透镜。,1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜,1.3.2 静电透镜,第一节 电子光学基础,1.1 光学显微镜的局限性 1.2 电子的波性以及波长 1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜 1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜 1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领 1.6 电磁透镜的场深和焦深,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,运动电子在磁场中受到

13、 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 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。,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,Lorentz力在电荷运动方向上的分量永远为零，因此该力不作功，不能改变电荷运动速度的大小，只能改变它的运动方向，使之发生偏转。,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况： v 与 B 同向：电子不受磁场影响,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,电子

14、在磁场中的受力和运动有以下三种情况： v 与 B 垂直：电子在与磁场垂直的平面做均匀圆周运动。,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：, v 与 B 交角： 电子是一螺旋线。,1.4.1 电子在磁场中的运动,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况： v 与 B 同向：电子不受磁场影响 v 与 B 垂直：电子在与磁场垂直的平面做均匀圆周运动。 v 与 B 交角：电子是一螺旋线。,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,1.4.2 磁透镜,把能使电子波聚焦的具有旋转对称非均匀的磁极装置叫做磁透镜。

15、,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,1.4.2 磁透镜,恒磁透镜：恒磁体提供磁场。电磁透镜：电磁线圈激磁。电磁透镜比恒磁透镜使用方便和广泛,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,1.4.2 磁透镜,电磁透镜,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,1.4.2 磁透镜,电磁透镜的聚焦原理: 通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被聚焦在主轴的某一点。,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,电磁透镜可以放大和汇聚电子束，是因为它产生的磁场沿透镜长度方向是不均匀的，但却是轴对称的，其等磁位面的几何形状与光学玻璃透镜的界面相似，使得电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的光学性质。,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,一般来说，磁透镜有三种： 短线圈，铁壳以及极靴的电磁透镜。,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,短线圈型电磁透镜：,产生的磁场为非均匀型磁场。由于短线圈磁场中一部分磁力线在线圈的外侧，对电子束的聚焦不起作用。因此，磁场强度小，焦距长， 物与像都在场外。,1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜,铁壳型电磁透镜：,将短线圈包一层软铁壳，只在线圈中部留一环形间隙，线圈激磁产生的磁力线集中在透镜中心间隙附近，使得环状间隙处有很强的磁场。,