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1、4.1 电子光学基础电子光学基础1. 分辨本领分辨本领 1) 人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节的细节2) 光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学显微镜，人们可观察到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可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率或分辨率)的限制。的限制。分辨本领分辨本领 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。镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。第四章第四章 电子光
2、学基础及透射电子显微镜电子光学基础及透射电子显微镜第一暗环半径R02.光学显微镜的分辨极限衍射效应与衍射效应与埃利斑： 透镜孔径半角，即物对透镜的张角，反映透镜的通光量。M：透镜放大率。n：透镜物方折射率。瑞利（Rayleigh）判据：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0时，样品上相应的两个物点间距d0，定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。图（a）两个Airy斑明显可分辨出。图（图（b b）两个两个AiryAiry斑斑刚好可分辨出。刚好可分辨出。图（图（c c）两个两个AiryAiry斑斑分辨不出。分辨不出。I0.81I 光学透镜分辨本领光学透镜分辨本领d0的公式：的公式： 式中
3、：式中：是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔径半角，是透镜孔径半角，n 是物方介质折射率，是物方介质折射率，nsin或或NA称为数称为数值孔径。值孔径。对于光学显微镜：=7075 ，n=1.5，=39004600因此，要提高分辨本领，主要是缩小照明光源的波长。200200nmnm是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限有效放大倍数：人眼的分辨本领在0.10.2mm，4.2.电子波及电磁透镜 1924 1924年法国物理学家德年法国物理学家德. .布罗意布罗意( (DeDe Broglie Broglie) )提出一个假设：运动的微观粒子提出一个假设：运动的微观粒子( (如电子、中子
4、、如电子、中子、离子等离子等) )与光的性质之间存在着深刻的类似性，即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微观粒子的运动服从波- -粒两象性的规律。两年后粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数粒子的波长为普朗克常数 h h 对于粒子动量的比值，对于粒子动量的比值，即即 = =h h/ /mvmv 对于电子来说，这里，对于电子来说，这里， m m 是电子质量是电子质量kgkg， v v 是电子运动的速度是电子运动的速度m ms s-1-1。 1. 1. 电子波的波长电子波的波长 初速度为
5、零的自由电子从零电位达到电位初速度为零的自由电子从零电位达到电位为为U U ( (单位为单位为v)v)的电场时电子获得的能量是的电场时电子获得的能量是eUeU： 1/21/2mvmv2 2 = = eUeU 当电子速度当电子速度v v 远远小于光速远远小于光速C C 时，电子质量时，电子质量m m 近似等于电子静止质量近似等于电子静止质量m m0 0，由上述两式整理得：由上述两式整理得： 将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位的单位为库仑，为库仑， h的单位为的单位为Js，我们将得到：我们将得到： nm 表表7-1不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电
6、子波长加速电压/kV2030501002005001000电子波长/10-6nm8.596.985.363.702.511.420.6872.电磁透镜电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响：衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh公式：公式： r0=0.61/Nsinr0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离，表示透镜分辨本领的大小。表示透镜分辨本领的大小。：波长波长; N：介质的相对折射系数介质的相对折射系数:透镜的孔径半角透镜的孔径半角 只考虑衍射效应时，在
7、照明光源和介质一定的条件只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。像差对分辨本领的影响：像差对分辨本领的影响： 由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响了平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响了透镜的分辨本领。透镜的分辨本领。 控制电子束的运动在电子光学领域中控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差。成像时会产生像差。 像差分为几何像差和色差
8、两类。像差分为几何像差和色差两类。 几何像差几何像差：由于透镜磁场几何形状上：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。的缺陷而造成的像差。 色差色差：由于电子波的波长或能量发生：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。一定幅度的改变而造成的像差。 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。有关以外，还与透镜的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响响; ;
9、 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。辨本领的限制就不容忽略了。 像差分球差、像散、色差等，其中，像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。球差的大小，可以用球差散的因素。球差的大小，可以用球差散射圆斑半径射圆斑半径RsRs和纵向球差和纵向球差ZsZs两个参两个参量来衡量。前者是指在傍轴电子束形量来衡量。前者是指在傍轴电子束形成的像平面成的像平面
10、( (也称高斯像平面也称高斯像平面) )上的散上的散射圆斑的半径。后者是指傍轴电子束射圆斑的半径。后者是指傍轴电子束形成的像点和远轴电子束形成的像点形成的像点和远轴电子束形成的像点间的纵向偏离距离。间的纵向偏离距离。 像散：像散：像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。如像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起。如果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则果电磁透镜在制造过程中已经存在固有的像散，则可以通过引入一个强度和方位都可以调节的矫正磁可以通过引入一个强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿，这个能产生矫正磁场的装置称为消场来进行补偿，这个能产生矫正磁场的装置称为消像散器。像散器。色差：色差：是
11、由于入射电子波长（或是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成能量）的非单一性造成。球差球差：电磁透镜对近轴电子和远轴电子的折射率不：电磁透镜对近轴电子和远轴电子的折射率不同同。3. 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。焦长：焦长：透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。 当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸轴向距离内移动，也会引起失焦。如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像不超
12、过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。并不产生影响。景深：景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为透透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深。镜的景深。 从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定失焦，
13、他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨本领并不产生影响。镜像分辨本领并不产生影响。4.3 透射电子显微镜透射电子显微镜JEM-2010透射电镜加速电压200KVLaB6灯丝点分辨率1.94EM420透射电子显微镜加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率2.04点分辨率3.4最小电子束直径约2nm倾转角度=60度=30度超高压透射电镜超高压透射电镜JEM-ARM1250分辨率分辨率0.1nm 1. 透射电
14、镜的特点透射电镜的特点 透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到进的透射电镜的分辨本领已达到0.1nm,可用来直接观可用来直接观察原子像。察原子像。光学显微镜与透射电镜的比较光学显微镜与透射电镜的比较光学显微镜与透射电镜的比较光学显微镜与透射电镜的比较胶片或数码成像胶片或数码成像胶片或数码成像胶片或数码
15、成像像的记录像的记录较长较长较短较短焦长焦长较大较大较小较小景深景深10约约700物镜孔径角物镜孔径角106103有效放大倍数有效放大倍数0.20.3nm200nm分辨本领分辨本领改变线圈电流或电压改变线圈电流或电压移动透镜或物距移动透镜或物距聚焦方法聚焦方法利用荧光屏利用荧光屏直接用眼直接用眼像的观察像的观察高度真空高度真空空气和玻璃空气和玻璃介质介质电子透镜电子透镜玻璃透镜玻璃透镜放大成象系统放大成象系统约约10nm厚的薄膜厚的薄膜1mm厚的载玻片厚的载玻片样本样本电子聚光镜电子聚光镜玻璃聚光镜玻璃聚光镜照明控制照明控制电子源电子源(电子枪电子枪)可见光可见光(日光、电灯光日光、电灯光)光
16、源光源透射电镜透射电镜光学显微镜光学显微镜比较部分比较部分2. 透射电镜的结构及原理透射电镜的结构及原理 透射电镜主要有电子光学系统透射电镜主要有电子光学系统(镜筒镜筒)、电源系统、真空系统和操作控制系统、电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。等四部分。 电源系统、真空系统和操作系统都是电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。辅助系统。21344556789101112131415161617181920透射电镜的镜透射电镜的镜筒一般是直立筒一般是直立积木式结构积木式结构（自上而下）：（自上而下）：电子枪，聚光电子枪，聚光镜，样品室、镜，样品室、物镜、中间镜物镜、中间镜和投影镜，荧和投影镜，荧光屏和照相装光屏和照相装置。置。TEM成像原理 入射电子束物镜衍射（倒空间）薄膜试样像（正空间）物镜后焦面像平面阿贝成像原理衍射信息的操作方法衍射模式（选区电子衍射）指在物镜的像平面上，用一个可移 动的光阑（选区光阑）将其它区域 挡住，只让光阑孔中电子通过，在 物镜后焦面得到的衍射；选区光阑像平面物镜后焦面电子束电子束暗场像明场像入射电子束物镜衍射模式(后焦面)薄膜样品像平面(正空间) 像的
