4+电子显微镜（1）.ppt

1、武汉理工大学资环学院 管俊芳,1,第三部分 电子显微分析,武汉理工大学资环学院 管俊芳,2,第一章 电子显微镜基本原理,1 电子显微镜的发展简史 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,武汉理工大学资环学院 管俊芳,3,1 电子显微镜的发展简史（1）,武汉理工大学资环学院 管俊芳,4,1 电子显微镜的发展简史（2）,电子显微镜的诞生，首先在医学生物上得到应用，随后用于金属材料研究。 1949年海登莱西（Heidenreich）第一个用透射电镜观察了用电解减薄的铝试样； 20世纪50年代开始，电镜直接观察到位错层

2、错等以前只能在理论上描述的物理现象； 1970年日本学者首次用透射电镜直接观察到重金属金的原子近程有序排列，实现了人类两千年来直接观察原子的夙愿。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,5,1 电子显微镜的发展简史（3）,电子显微镜包括以下三种类型的仪器： 扫描电子显微镜：用于微形貌观察、显微成 （SEM） 分分析 透射电子显微镜：用于微结构分析、微形貌 （TEM） 观察 电子探针：微区成分分析、显微形貌观察 （EPMA）,武汉理工大学资环学院 管俊芳,6,1 电子显微镜的发展简史（4）,光学显微镜的局限性 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

3、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。 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。假如在物镜形成的像中，这两点未被分开的话，则无论利用多大倍数的投影镜或目镜，也不能再把它们分开。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,7,1 电子显微镜的发展简史（5）,r0：两物点的间距； ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； 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.

4、5,其数值孔径nsin1.25-1.35，上式可化简为：,根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：,武汉理工大学资环学院 管俊芳,8,1 电子显微镜的发展简史（6）,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3900 - 7600，故而光学显微镜的分辨率不可能高于2000。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,9,1 电子显微镜的发展简史（7）,为进一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波长的射线。 例如用紫外线（400nm）作光源，分辨率可提高一倍。 曾有人提出利用射线，当时在技术上比较困难，至今仍没有很大发展。但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

5、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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,10,2 电子波的波长（1）,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/m）1/2 由此得 h/(2emU)1/2 带入h=6.6210-34J.S, m=9.1110-31kg， e=1.6010-19c 后，得 12.25/U1/2 U的单位用伏特，的单位为A。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,11,2 电子波的波长（2）,前面计算的过

6、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)21/2 v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,武汉理工大学资环学院 管俊芳,12,2 电子波的波长（3）,加速电压与电子波长的关系如下表所示：,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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,13,3 电磁透镜（1）,

7、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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,14,3 电磁透镜（2）,电子在磁场中的运动：,武汉理工大学资环学院 管俊芳,15,3 电磁透镜（3）,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

8、于矢量v和B所决定的平面，力的方向可由右手法则确定。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,16,3 电磁透镜（4）,（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，则其运动轨迹为螺旋线。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,17,3 电磁透镜（5）,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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,18,3 电磁透镜（6）,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。,武汉理工大学资环学院 管

9、俊芳,19,4 电磁透镜的缺陷（1）,电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电子波波长为0.037，用这样短波长的电子波做显微镜的照明源，根据0=0.61/（nsin）计算，显微镜的最小分辨率可达0.02左右，然而到目前为止，电镜的最佳分辨率仍停留在1-2的水平，这是因为电磁透镜存在球差，像散及色差等各种缺陷-像差。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,20,4 电磁透镜的缺陷（2）,（1）球差 球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域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。,

10、武汉理工大学资环学院 管俊芳,21,4 电磁透镜的缺陷（3）,（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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,22,4 电磁透镜的缺陷（4）,（3）色差 色差是由于成像电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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,23,4 电磁透镜的缺陷（6）

11、,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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,24,5 电磁透镜的景深和焦长（1）,（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

12、电磁透镜的分辨本领， ：为孔径半角。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,25,5 电磁透镜的景深和焦长（2）,因此，电磁透镜的孔径半角越小，景深越大。 一般电磁透镜的102103 rad，因此 Df(2002000)0 若010， 则 Df200020000A 即电子显微镜对于高度相差在2000的物体，可以同时聚焦在成像平面上。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,26,5 电磁透镜的景深和焦长（3）,（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

13、-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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,27,6 电子显微镜的构成（1）,（1）扫描电子显微镜,武汉理工大学资环学院 管俊芳,28,6 电子显微镜的构成（2）,（2）透射电子显微镜,武汉理工大学资环学院 管俊芳,29,6 电子显微镜的构成（3）,（3）电子探针,武汉理工大学资环学院 管俊芳,30,6 与光学显微镜的比较（1）,(1)光源 电子束 波长 0.037A 可见光 40007500 (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 1.4 可见光区 2000 扫描电镜 60 紫外光去 1000,武汉理工大学资环学院 管俊芳,31,6 与光学显微镜的比较（2）,(5)放大倍数 101百万,连续可调 102000 换镜头,武汉理工大学资环学院 管俊芳,32,6 与光学显微镜的比较（3）,(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 2000