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1、电子显微分析研究生实验专题课参考书1、陈世朴，王永瑞， 金属电子显微分析，机械工业出版社，19822、魏全金，材料电子显微分析，冶金工业出版社，19903、陆家和，陈长彦，现代分析技术，清华大学出版社，19954、章晓中，电子显微分析，清华大学出版社，20065、周玉，材料分析方法，机械工业出版社，20006、孟庆昌，透射电子显微学，哈尔滨工业大学出版社，19987、近藤大辅，及川哲夫，材料评价的分析电子显微方法，冶金工业出版社，20018、洪班德，金属电子显微分析实验指导，哈尔滨工业大学出版社，19849、刘文西，黄孝瑛，材料结构电子显微分析，天津大学出版社，198910、朱静，等，高空间分
2、辨分析电子显微学，科学出版社，1987前言进行电子显微分析时要把具有一定能量的电子汇聚成细小的电子束，与样品物质相互作用，激发出可以表征材料微区特征的各种信息，检测并处理这些信息。电子显微镜是利用电子与物質作用所产生的訊号來鉴定微区的晶体结构(crystal structure）、微观组织 (microstructure）、 化学成份(chemical composition) 、 化学鍵(chemical bonding) 和电子分佈情況 (electronic structure) 的电子光学裝置。 1897年英国人J.J. Thomson发现电子1912年von Laue发現X光衍射現象
3、1914年Bragg父子提出Bragg 定律，奠定了X光的波动性和利用电磁波衍射决定晶体结构的方法1924年，de Broglie提出波粒二象性1926 年 Schroedinger及Heisenberg发展了量子力学，建立电子波粒二象性的理论基础1927 年美国 Davisson和Germer以电子衍射实验证实了电子的波性电子光学史电子光学史J.J.Thomson作阴极射线管实验时观察到电场及磁场可偏折电子1926年Busch发现可用电磁场聚焦电子，产生放大作用。电磁场对电子之作用与光学透鏡对光波之作用非常相似，因而发展出电磁透鏡1934年Ruska在实验室制成第一部透射电子显微鏡（tran
4、smission electron microscope，TEM)1938 年，德国西门子公司第一部商业电子显微镜問世 1940年代，常用的50 至100 keV 之TEM 其分辨率約在l0 nm左右，而最佳分辨率則在2至3 nm之間。当时由于研磨試片的困难及缺乏应用的动机，所以很少为物理科学研究者使用。直到1949年，Heidenreich制成适于TEM观察的鋁及鋁合金薄膜，观察到因厚度及晶面不同所引起的像衬度效应，並成功的利用电子衍射理论加以解释。同時也获得一些与材料性质有关的重要結果，才使材料界人士对TEM看法改变。但因为一般試片研制不易，发展缓慢。 透射电子显微镜的发展透射电子显微镜的
5、发展1950年代中期，英国Hirsch改进了试样制备，建立了薄晶体电子衍衬运动学和动力学理论，成功地分析了透射电子显微镜中所观察到的图像，例如位借、层错等。各种晶体缺陷，以前只能在理论上描述和间接地演示，现在直接在电子显微镜下观察到。 1956年Menter用多束电子成像的方法，在电子显微镜下直接观察酞青铜晶体中(201)点阵平面间距为1.2nm的条纹像，开创了高分辨电子显微术70年代末日本大阪大学应用物理系教授桥本初次朗应用透射电子显微镜直接观察到单个重金属原子(金原子)及原子集团中的近程有序排列，并用快速摄影记录下原子跳动的踪迹,终于实现了人类直接观察原子的宿愿。 60多年的实践证明，电子
6、显微镜是上世纪最重大发明之一，卢斯卡教授由于他的先驱工作给科学所带来的巨大贡献，从而获得1986年的诺贝尔物理学奖场致发射电子显微镜场致发射电子显微镜JEM-2010FFasTEM 点分辨率点分辨率:0.19nm加速电压加速电压:80200kv放大率放大率:x501,500,000Tecnai G2 F30 ERNST RUSKA I was born on 25 December 1906 in Heidelberg as the fifth of seven children of Professor Julius Ruska and his wife Elisbeth. After gr
7、aduating from grammar school in Heidelberg I studied electronics at the Technical College in Munich, studies which I began in the autumn of 1925 and continued two years later in Berlin. I received my practicaltrainingfromBrown-Boveri&CoinMannheimandSiemens&HalskeLtdinBerlin. Whilst still a student a
8、t the Technical College in Berlin I began my involvement with highvoltageandvacuumtechnology at the Institute of High Voltage, whose director was Professor Adolf Matthias. Under the direct tutelage of DrMaxKnoll and together with other doctoral students I worked on the development of a highperforman
9、cecathoderayoscilloscope. 。光学显微镜的极限分辨本领光学显微镜用可见光作照明源，光的波动性所产生的衍射现象，使光学显微镜的分辨本领不能优于200nm的极限。当平面光波通过物镜或物镜光栏小圆孔时，由于光波相互干涉产生衍射，这种衍射称为佛朗荷夫(Fraunhofer)圆孔衍射。理想的点光源即使在物镜的各种像差消除的情况下，在像平面上也不能得到一个理想的像点，而形成具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的团环所组成的埃利埃利(Airy)斑斑由于埃利斑光强度的84集中在中央亮斑，因此通常以埃利斑第一暗环的半径来衡量其大小根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的埃利斑半径：n透镜
10、物方介质折射率，照明光波 长，透镜孔径半角， M透镜放大倍率， nsin 数值孔径。两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19时，肉眼仍能分辨是两个物点的像 通常把两个埃利斑中心间距等于第一暗环半径时，样品上相应的两个物点间距离ro定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领： 对于玻璃透镜，最大孔径角=7075o ，n=1.5，可化简为： 以上说明，透镜可分辨的两点间的最小距离即分辨本领主要取决透镜可分辨的两点间的最小距离即分辨本领主要取决于照明波长。于照明波长。可见光的波长在390760nm之间，最佳情况下，光学玻璃透镜的分辨本领极限值可达200nm，人眼的分辨本领约0.2mm, 所以
11、光学显微镜的有效放大倍数为光学显微镜的有效放大倍数为1000倍倍。电子的波长 1924年，德布罗意鉴于光的波粒二象性，提出这样一个假设：运动的实物粒子(静止质量不为零的那些粒子：电子、质子、中子等)都具有波动性质。后来被电子衍射实验所证实。运动电子具有波动性使人们想到可以用电子束作为电子显微镜的光源。对于运动速度为v，质量为m的电子波长： 一个初速为零的电子(电荷为e)在电场中从电位为零处开始运动，因受加速电压U(阴极和阳极之间的电位差)的作用获得运动速度为v，那么加速每个电子所作的功(eU)就是电子获得的全部动能，即：h=普朗克常数 加速电压比较低时，电子运动的速度远小于光速（vc） ，它的
12、质量近似等于电子的静止质量，即mm。，则： h=6.62 10-34 Js, e=1.60 10-19 C, m0=9.11 10-31 kg, 所以： 在电子显微镜内，加速电压较高，必须引入相对论修正： 相应的电子能量为： 整理并代入数据： 1+0.9788 10-6U为相对论修正因子从表中可知，电子波长比可见光波长短从表中可知，电子波长比可见光波长短得多。以电子显微镜中常用的得多。以电子显微镜中常用的80200kV的电子波长来看，其波长仅为的电子波长来看，其波长仅为0.004180.00251nm，约为可见光波长的十万分之约为可见光波长的十万分之一。如果仅考虑衍射效应对仪器分辨本一。如果仅
13、考虑衍射效应对仪器分辨本领的影响，那末电子显微镜的极限分辨领的影响，那末电子显微镜的极限分辨本领应为本领应为10-3nm。但是，目前能达到的但是，目前能达到的最佳分辨本领是最佳分辨本领是10-1nm，比极限分辨本比极限分辨本领约差领约差100倍。倍。电磁透镜洛仑兹力：f=e(V B), 方向按右手法则确定。透镜磁场中任一点的磁感应强度B,分解为Bz,Br。电子束沿透镜主轴入射，精确沿轴线运动的电子不受磁场力作用，其它电子受Br作用，产生Ft,是电子获得切向速度Vt, 在此瞬间，由于Vt Bz, 产生径向作用力Fr, 使电子向轴偏转，结果使电子作圆锥螺旋运动，聚焦在焦点上。 电子束在电磁透镜中的
14、折射行为和可见光在玻璃透镜中的折射相似，满足下面性质： (1)通过透镜光心的电子束不发生折射 (2)平行于主轴的电子束，通过透镜后聚焦在主轴上一点F, 即焦点。经过焦点并垂直于主轴的平面称为焦平面 (3)一束与某一副轴平行的电子束通过透镜后将聚焦于该副轴与焦平面的交点上。 当电磁透镜的物距、像距、焦距分别为L1，L2，f，三者之间关系以及放大倍率M均与玻璃薄透镜相同： 1/ L1 =1/ L2 =1/f, M= L2 /L1, M=f /(L1 - f)， M=(L2 - f) / f根据经验公式K为常数，Ur经相对论校正后的加速电压，焦距f与激磁安匝数（IN）的平方成反比，所以无论激磁方向如
15、何改变，焦距总是正的，说明电磁透镜总是会聚透镜。图83是一个典型的磁透镜的剖面图。由一个软磁铁壳、一个短螺线管线团和一对中间嵌有黄铜的极靴组成。这实际上是一个围有铁壳、装有极靴的短螺旋管线圈。这样可使短螺旋管线圈产生的磁力更集中在极靴间隙(即黄铜镶嵌处)，形成更强磁场。图84给出了短线圈、无极靴有软磁壳、有极靴电磁透镜轴向磁场强度分布曲线。由此可见，有极靴的电磁透镜轴向磁感应强度比前二者集中和强得多。电磁透镜的像差电磁透镜像玻璃透镜一样也要产生像差，即使在不考虑电子衍射效应对成像的影响下，也不能把一个理想的物点聚焦为一个理想的像点。电磁透镜的像差分为两类，一类是因透镜磁场的几何缺陷产生的，叫做
16、几何像差，它包括球面像差球面像差( (球差球差) )、像散、像散等。另一类是由电子的波长或能量非单一性引起的色差色差。 一、球差 球差是由电磁透镜磁场中近轴区域球差是由电磁透镜磁场中近轴区域(也称旁轴区域也称旁轴区域)对电子束的折对电子束的折射能力与远轴区域不同而产生的射能力与远轴区域不同而产生的。当一个理想的物点所散射的电子经过有球差的透镜后，近轴电子聚焦在光轴的o点，远轴电子和近轴电子不交在一点上，而分别被会聚在一定的轴向距离上。因此，无论平面N位于何处，对所有参加成像的电子而言，我们不能得到清晰的图像，在平面N上仅呈现一个模糊的圆斑。但在这聚焦距离内可以找到一个适当位置，如垂直于光轴的M
17、平面,在此平面获得比较清晰、具有最小直径的圆斑称为“最小散焦斑。最小散焦斑的半径： s=Cs3M，从折算到透镜物平面时： s = s/M=Cs3 式中：M为透镜的放大倍率， Cs为球差系数。 为透镜孔径半角。由此可见，随着增大，透镜的分辨率迅速变差，故宜取得小。二、像散 像散是由于透镜的磁场非旋转对称引起的一种缺陷像散是由于透镜的磁场非旋转对称引起的一种缺陷。电磁透镜极靴孔有点椭圆度，或者极靴孔边缘的污染等都会引起透镜磁场的非旋转对称。在透镜磁场的同样径向距离，但在不同方向上对电子的折射能力不一样。一个物点散射的电子，经过透镜磁场后不能聚焦在一个焦点，而交在一定的轴向距离上，在该轴向距离内也存
18、在一个最小散焦斑称为像散散焦斑。像散是像差中对电子显微镜获得高分辨本领有严重影响的缺陷，但它能通过消像散器加以补偿矫正。三色差 色差是由于成像电子波长色差是由于成像电子波长( (或能量或能量) )变化引起电磁透镜焦距变化变化引起电磁透镜焦距变化而产生的一种像差。而产生的一种像差。波长短，能量大的快速电子有较大的焦距，波长长、能量小的慢速电子有较短的焦距。一个物点散射的具有不同波长的电子进入透镜磁场后，将沿着各自的轨迹运动，结果不能聚焦在一个像点，而分别在一定的轴向距离范围内，其效果与球差相似。造成电子束能量变化的原因主要由两个(1)电子枪加速电压的不稳定，引起照明电子束的能量波动，电镜设计上可
19、使其被忽略。 (2)单一能量的电子束通过样品时与样品原子的核外电子发生非弹性散射而造成能量损失。样品越厚，电子能量损失幅度越大，色差散焦斑越大，透射电子显微镜下观察的样品很薄，由此引起的色差通常可以不考虑。电磁透镜的分辨本领 电磁透镜的分辨本领受到透镜像差的影响。由于在像差中，像散可由消像散器加以足够的补偿，照明电子束波长和透镜电流的波动所引起的色差已由供电系统的稳定性所解决，但电磁透镜中的球差至今无法通过某种方法得到有效的补偿，以致球差便成为限球差便成为限制电磁透镜分辨本领的主要因素。制电磁透镜分辨本领的主要因素。提高透镜分辨本领可采用很小的孔径角成像，使球差散焦斑减小，但衍射效应埃利斑衍射
20、效应埃利斑却增大了。所以二者要兼顾： 0 = s 得到： 0 =A 3/4 Cs1/4 , A0.40.55 虽然电子束的波长为可见光的是十万分之一，但电磁透镜的分辨本领并没有提高十万倍，主要是受球差的限制。总之，电磁透镜的分辨本领比光学透镜提高一千倍，达到0.10.2nm。 影响电磁透镜分辨本领的两个主要因素：影响电磁透镜分辨本领的两个主要因素：1 1、像散（主要为球差）、像散（主要为球差）2 2、衍射效应（埃利斑）、衍射效应（埃利斑）已有办法！透射电子显微镜的构成电子枪高压发生器照明系统和偏转系统样品室放大和成像系统观察照相系统真空系统其它电子枪热电子发射场发射WLaB6热场冷场亮度(20
21、0kv)/A.cm-2. str-15105510651085108光源尺寸50m10 m10100nm10100nm能量发散度/ev2.31.50.60.80.30.5真空度/Pa10-310-510-710-8长时间稳定性1%/h1%/h7%/h5%/h维修无需无需更换时要安装几次每数小时进行闪光处理价格/操作性便宜/简单便宜/简单贵/容易贵/复杂照明系统和偏转系统将加速管加速的电子会聚并照射到试样上的一组透镜样品室 样品室是电子光学系统中的重要组成部分。它位于聚光镜和物镜之间。它的主要作用是通过样品台承裁样品，并能使样品平移、倾斜或旋转，以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。在特殊情况下，样品室内还可分别装有加热、冷却或拉伸等各种功能的样品座，以满足相变、形变等过程的动态观察。放大和成像系统 透射电子显微镜中，物镜、中间镜、投影镜（现代电镜有三级投影镜）是以积木方式成像，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。在这种成像方式中，如果电子显微镜是三级成像，那么总的放大倍率就是各个透镜倍率的乘积。第一中间镜的物平面为物镜的像平面，可观察图像；第一中间镜的物平面为物镜的焦平面，可观察电子衍射
