材料分析方法 第五章 透射电镜的结构

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1、第五章 透射电镜的结构,内容提要： 引 言 第一节 电子光学基础 第二节 透射电镜的结构 第三节 透射电镜的主要部件,引 言,电子显微分析技术？ 就是应用电子显微镜和其它电子束仪器来研究微观世界中的物质的组织形态、结构、组成及变化规律的学科。,第一节 电子光学基础,一、光学显微镜的分辨率 二、电子波的波长 三、电磁透镜 四、电磁透镜的像差及其对分辨率的影响 五、电磁透镜的景深与焦长,一、光学显微镜的分辨率,1、光学透镜的分辨率衍射效应的影响,分辨率（也称分辨本领）：指显微镜能分辨出来的样品上（即物面上）两物点间的最短距离。 一个理想的物点，经过透镜成像时，由于光的衍射效应，在像平面上形成的并不

2、是一个像点，而是一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环所构成的Airy斑。,通常以Airy斑的第一暗环的半径R0来衡量Airy斑的大小： 由瑞利判据，两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径R0时 ，刚好能分辨开两个物点所成的像。 由衍射效应决定的显微镜的分辨本领为：,对于光学透镜，上式简化为： 表明： 光学显微镜的分辨率主要取决于照明源的波长。 半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。 可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm（0.2m）。,2、有效放大倍数,一般地，人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最大分辨率大约是0.2m， 光镜的最高放大倍数

3、一般在10001500之间。 若要提高显微镜的有效放大倍数，则需提高显微镜的分辨本领。,3、电子显微镜的出现,提高显微镜的分辨率的关键：降低照明光源的波长。 在电磁波谱中： 紫外光的波长在13390nm之间，但是大多数物质都强烈地吸收短波紫外线，故可供照明使用的紫外线波长只在200 250nm范围，分辨率的提高有限（仅一倍）。 更短波长的是X射线,但无法折射和聚焦成像，因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。,二、电子波的波长,根据德布罗意的观点，运动的电子具有波粒二象性。 电子波的波长为： 物质波的波长等于普朗克常量除以动量 。 电子的运动速度v，取决于加速电压U： 注：当电子运动速度很高时，

4、电子质量须经过相对论修正。,不同加速电压下的电子波波长 TEM常用的加速电压为1001000kV，对应的电子波波长为10-2。,三、电磁透镜,电子束在轴对称的非均匀电场和磁场的作用下，会产生会聚或发散，起到透镜作用，达到成像的目的。 电子透镜：在电镜内造成的起透镜作用的一定的电场或磁场。 静电透镜由静电场构成的透镜； 电磁透镜由电磁线圈产生的磁场构成的透镜，简称磁透镜。 在电镜中，静电透镜用来使电子枪中阴极发射出的电子会聚成很细的电子束，而不用来成像。透射电镜中用于成像的是电磁透镜。,1、电磁透镜的聚焦原理,运动的电子在磁场中会受到洛仑兹力的作用： 式中： 电子运动的速度矢量； 磁场强度矢量

5、电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。,通电的短线圈就构成了一个简单的电磁透镜。 电磁透镜的聚焦原理，如图。, 当入射电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈； 当入射电子运动偏离轴线（即以速度v平行于线圈轴进入透镜磁场时，电子受磁场力的作用，将产生三个运动分量：轴向运动（速度vz）、绕轴旋转（vt）和指向轴的运动（vr），作圆锥螺旋近轴运动，最后会聚在轴线上的一点F。 电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。,电子显微镜是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨

6、率和高放大倍数的电子光学显微镜。,2、电磁透镜的结构,实际的电磁透镜的结构： 线圈+内环形间隙的铁壳+极靴 使磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内。,磁场强度沿简单螺旋管、包壳透镜和极靴透镜的轴向分布,3、电磁透镜的焦距,电磁透镜的焦距f： 讨论： 、改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距； 、电磁透镜的焦距总是正值，即电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。 、f与加速电压有关，加速电压不稳将使图像不清晰。,四、电磁透镜的像差及其对分辨率的影响,电磁透镜的分辨率除了受衍射效应影响外，还有像差对分辨率的影响，使得实际分辨率低于理论极限值（半波长）。,1、球差（球面像差）,产生原因：电磁透

7、镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。 用物面上的rS表示球差大小，计算公式为：,Cs球差系数，通常情况下相当于透镜的焦距，大小约为13mm。故与透镜的磁场强度有关，磁场强度越大， 焦距越短，Cs减小。 孔径半角。减小，可显著减小rs。,2、像散,产生原因：由透镜磁场的非轴对称引起的像差。,用物面上的rA表示像散的大小，其计算公式为： 式中：fA为像散系数，它是磁透镜出现椭圆度时约化到物平面的像散焦距差。 造成像散的主要原因：极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔周围的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。,像散的校正： 引入一个强度和

8、方位可调的磁场来进行校正，电镜中产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。 因此，像散是可以消除的像差。,3、色差,产生原因：由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同，以致不能聚焦在一点而形成的像差。 用物面上的rC的表示色差的大小,其计算公式为：,式中，Cc电磁透镜的色差系数，随励磁电流增加而减小； E/E成像电子束的能量变化率。,引起电子能量波动的原因有两个： 电子枪加速电压和励磁电流的波动，致使电子能量不同（也就是速度波动）；主要原因！ 当电子束透过试样时，部分电子能量损失而产生非弹性散射，致使电子能量变化。 色差的控制：电镜中，对电子枪高压部分和透镜电流要求很高的稳定度（21

9、0-6），把色差调整到分辨本领允许的范围内。,4、电磁透镜的分辨率,像差中像散和色差可通过适当措施得到有效控制甚至基本消除，唯有球差控制较难。 影响电镜分辨本领的主要因素是衍射效应和球差。 孔径半角对衍射效应的分辨率和球差的分辨率的影响是相反的。 同时考虑球差和衍射效应可得最优孔径半角：,最佳孔径半角： 最小分辨距离： 最佳孔径半角0通常是10-210-3rad； 对大部分透射电镜，分辨率约为2.53 ； 对高分辨电镜，分辨率约为1.41.9 。,五、电磁透镜的景深和焦长,电磁透镜的另一特点：景深大、焦长长。 1、景深(或场深) 景深：指成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的前提下，

10、物平面沿透镜轴线前后可移动的距离。用Df表示。 景深大的实际意义：为观察样品的微观细节提供了方便。,由图5-9的几何关系可推导出： 表明，电磁透镜孔径半角越小，景深越大。 一般的电磁透镜，=10-210-3rad，Df =（2002000）r0。若r0=1nm，则Df = 2002000nm。,2、焦长,焦长：指物点固定不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。用DL表示。 焦长长的实际意义：为电镜的成像操作、图像的观察和照相带来了极大的方便。,由图5-10中几何关系得： 对于由多级电磁透镜组成的透射电镜来说，其终像放大倍数等于各级透镜放大倍数之积。 因此，终像的

11、焦长就更长了，一般说来超过1020cm。,第二节 透射电镜的结构,透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。,透射电镜的三部分组成： 电子光学系统 电源与控制系统 真空系统,透射电镜的核心,一、电子光学系统,积木式的直立结构。 电子光学系统分为三部分： 照明系统 成像系统 观察记录系统 成像系统是电子光学部分最核心的部分。,透射电镜的工作过程： 电子从透射电镜最上面的电子枪发射出来。 发射出的电子在加速管内被加速，通过照明系统的电子透镜照射到试样上。 透过试样的电子被成像系统的电子透镜放大、成像。 从观察室的窗口可以观察像，也可将观察

12、到的像用照片或其他形式记录下来。,1、照明系统,作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。 组成：主要由电子枪和聚光镜组成，以及高压发生器和加速管、电子束偏转系统。 (1)、电子枪 电子枪是产生稳定的电子束流的装置，它位于电镜的最上部。 按产生电子束发射原理的不同，电子枪可分为热发射型和场发射型两类。,钨丝阴极热发射电子枪的组成： 发夹形钨丝阴极 栅极(又称控制极) 阳极 在控制极和阳极之间的某一位置，电子束会聚成一个小的斑点，称为电子枪交叉点，也就是通常所说的电子束的“有效光源”，所说的光斑大小(d0)就是指这个最小交叉截面的大小，约为50m。,钨灯丝 三极电子枪采用自

13、偏压回路(如图)确保电子束流的稳定。 高压发生器和加速管的作用：将电子源产生的电子加速。,(2)、聚光镜,作用： 会聚经加速管加速的电子束，以最小的损失照射样品； 调节照明强度、孔径角和束斑大小。 一般都采用双聚光镜系统，结果在样品上可获得210m的照明电子束斑。,为限制照明孔径角，还常在第二聚光镜下面径向插入聚光镜光阑。 为使照明束斑更圆，还在第二聚光镜处装有消像散器以消除聚光镜的像散。 第二聚光镜之下装有电子束偏转系统。 用于合轴调整、电子束倾斜(明、暗场成像的需要)、电子束移动等。,2、成像系统,组成： 三组电磁透镜 (物镜、中间镜和投影镜) 两个金属光阑 (物镜光阑和选区光阑） 消像散

14、器 形成三级放大像，放大倍数： M=MoMiMp,(1)、物镜,物镜：用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。 透射电镜分辨本领的高低主要取决于物镜。 物镜通常是一个强磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100200倍。,物镜中关键部件是物镜极靴。 为减小各种像差，对物镜极靴材料、形状和加工精度的要求十分严格。,为了减少物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安放 一个物镜光阑。 为了减少物镜的像散，还在物镜内装有消像散器。,物镜的成像原理,第一个过程：平行电子束受到周期结构试样散射作用后，除透射束外，还形成各级衍射束，经物镜聚焦会聚在其后焦面上，以衍射花样形式将试样结构信息显示出

15、来，即在其背焦面形成衍射谱。,阿贝成像原理：物镜是衍射成像透镜，成像分为两个过程：,第二个过程：背焦面上的衍射斑发出的球面次级波通过干涉重新在像面上形成反映样品特征的像。,(2)、中间镜,有两个作用： 调节电镜的总放大倍数。 中间镜是倍率可变的弱透镜，M可在020倍范围调节。当Mi1时，用来进一步放大物镜的像；当Mi1时，用来缩小物镜的像。 进行成像操作和衍射操作。使得在荧光屏上得到形貌像或衍射花样。,改变中间镜的励磁电流，如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到微区组织的形貌像，这就是电镜中的成像操作，如图(a)。 如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏上得到所选

16、区域的电子衍射花样，这就是电镜中的衍射操作，如图(b)。,(3)、投影镜,作用：把经中间镜形成的像（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，形成终像。 它和物镜一样，是一个强磁短焦距透镜，具有高放大倍数，可放大100倍左右。 成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。,3、观察与记录系统,在投影镜之下是像的观察和记录系统。 透过观察窗可在荧光屏上看像和聚焦。 像的记录可采用多种方法，如照相机构、电视摄像机、慢扫描CCD照相机等。 在荧光屏下面放置一个可以自动换片的照相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起，电子束即可使照相底片曝光。,第三节 透射电镜的主要部件,一、样品台 透射电镜的样品是放置在物镜的上、下极靴之间。 由于这里的