第九章 電子光學(xué)基礎(chǔ) 第十章 透射電子顯微鏡

1、第九章第九章 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)9 91 1 電子波與電磁透鏡電子波與電磁透鏡n1 1、光學(xué)顯微鏡成像、光學(xué)顯微鏡成像n光學(xué)成像：先衍射、后干涉。光學(xué)成像：先衍射、后干涉。 衍射：波繞過物體傳送的現(xiàn)象。衍射：波繞過物體傳送的現(xiàn)象。 干涉：兩列振動(dòng)周期相同的波互相疊加的現(xiàn)象。干涉：兩列振動(dòng)周期相同的波互相疊加的現(xiàn)象。 AiryAiry斑：物體上的點(diǎn)通過透鏡成像時(shí)，在像平斑：物體上的點(diǎn)通過透鏡成像時(shí)，在像平面上得到的是一個(gè)中心最亮、周圍帶有明暗相間面上得到的是一個(gè)中心最亮、周圍帶有明暗相間同心圓環(huán)的圓斑，即所謂同心圓環(huán)的圓斑，即所謂AiryAiry斑，如圖。斑，如圖。n84 % 84 % 的

2、強(qiáng)度集中于的強(qiáng)度集中于中央亮斑，第一暗環(huán)中央亮斑，第一暗環(huán)半徑：半徑：n當(dāng)兩個(gè)光斑強(qiáng)度峰間當(dāng)兩個(gè)光斑強(qiáng)度峰間的強(qiáng)度谷值比強(qiáng)度峰的強(qiáng)度谷值比強(qiáng)度峰值低值低1919時(shí)時(shí)( (把強(qiáng)度把強(qiáng)度峰的高度看作峰的高度看作100100) )，這個(gè)強(qiáng)度反差，這個(gè)強(qiáng)度反差對人眼來說是剛有所對人眼來說是剛有所感覺，感覺，此時(shí)兩點(diǎn)間距此時(shí)兩點(diǎn)間距R R0 0 稱為人眼分辨率。稱為人眼分辨率。（一般為（一般為0.2mm)0.2mm)sin M/N 0.61R04 兩個(gè)Airy斑明顯可分辨出。 兩個(gè)Airy斑剛好可分辨出。兩個(gè)Airy斑分辨不出。I0.81In分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)( (分辨率分辨率) )是指成像物體是指成像物

3、體( (試樣試樣) )上能上能分辨出來的兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離。分辨出來的兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離。n光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡分辨率：分辨率： r0 R0M，r r0 0 成成像物體像物體( (試樣試樣) )上能分辨出來最小距離。上能分辨出來最小距離。n由衍射效應(yīng)所限定的分辨本領(lǐng)在理論上可由由衍射效應(yīng)所限定的分辨本領(lǐng)在理論上可由RayleighRayleigh公式計(jì)算，即公式計(jì)算，即 r r0 0 = 0.61= 0.61/N sin/N sinn波長； N 介質(zhì)的相對折射系數(shù)；透鏡的孔徑半角。n油透鏡N =1.5；最大=75n光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)：光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)：21r0n2 2、可見光與電子波

4、的波長、可見光與電子波的波長 n可見光：可見光：390039007600 A7600 A，不帶電。，不帶電。n電子波的波長取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，即電子波的波長取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，即n如果電子速度較低，則它的質(zhì)量和靜止質(zhì)量相近，如果電子速度較低，則它的質(zhì)量和靜止質(zhì)量相近，即即mmmmo o。如果加速電壓很高，使電子具有極高的。如果加速電壓很高，使電子具有極高的速度，則必須經(jīng)過相對論校正，此時(shí)速度，則必須經(jīng)過相對論校正，此時(shí)mvheUmv2122emUh20)cv(1mmn表不同加速電壓下電子波的波長。表不同加速電壓下電子波的波長。n 3 3、電磁透鏡、電磁透鏡n 使電子波聚焦成像的

5、裝置。使電子波聚焦成像的裝置。n 圖為電磁透鏡的聚焦原理圖為電磁透鏡的聚焦原理示意圖。通電的短線圈就是示意圖。通電的短線圈就是一個(gè)簡單的電磁透鏡，它能一個(gè)簡單的電磁透鏡，它能造成一種軸對稱不均勻分布造成一種軸對稱不均勻分布的磁場。一束平行于主軸的的磁場。一束平行于主軸的入射電子束通過電磁透鏡時(shí)入射電子束通過電磁透鏡時(shí)將被聚焦在軸線上一點(diǎn)，即將被聚焦在軸線上一點(diǎn)，即焦點(diǎn)。這與光學(xué)玻璃凸透鏡焦點(diǎn)。這與光學(xué)玻璃凸透鏡對平行于軸線入射的平行光對平行于軸線入射的平行光的聚焦作用十分相似。的聚焦作用十分相似。n導(dǎo)線外圍的磁力線都在鐵殼中通過，由于在軟磁導(dǎo)線外圍的磁力線都在鐵殼中通過，由于在軟磁殼的內(nèi)側(cè)開一

6、道環(huán)狀的狹縫，從而可以減小磁場殼的內(nèi)側(cè)開一道環(huán)狀的狹縫，從而可以減小磁場的廣延度，使大量磁力線集中在縫隙附近的狹小的廣延度，使大量磁力線集中在縫隙附近的狹小區(qū)域之內(nèi)，增強(qiáng)了磁場的強(qiáng)度。區(qū)域之內(nèi)，增強(qiáng)了磁場的強(qiáng)度。n為了進(jìn)一步縮小磁為了進(jìn)一步縮小磁場軸向?qū)挾?，還可場軸向?qū)挾?，還可以在環(huán)狀間隙兩邊，以在環(huán)狀間隙兩邊，接出一對頂端成圓接出一對頂端成圓錐狀的極靴。帶有錐狀的極靴。帶有極靴的電磁透鏡可極靴的電磁透鏡可使有效磁場集中到使有效磁場集中到沿透鏡軸向幾毫米沿透鏡軸向幾毫米的范圍之內(nèi)。圖的范圍之內(nèi)。圖c c給給出裸線圈，加鐵殼出裸線圈，加鐵殼和極靴后透鏡磁感和極靴后透鏡磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。應(yīng)強(qiáng)度分布。

7、n與光學(xué)玻璃透鏡相似，電磁透鏡物距、像距和與光學(xué)玻璃透鏡相似，電磁透鏡物距、像距和n焦距三者之間關(guān)系式及放大倍數(shù)為：焦距三者之間關(guān)系式及放大倍數(shù)為： 電磁透鏡的焦距可由下式近似計(jì)算電磁透鏡的焦距可由下式近似計(jì)算 ： Ur 經(jīng)相對論校正的電子加速電壓；IN 電磁透鏡激磁安匝數(shù)。 從式可看出，無論激磁方向如何，電磁透鏡的焦距總是正的。改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)將發(fā)生相應(yīng)變化。fLfML1L1f11212r)IN(UKf 9-2 9-2 電磁透鏡的像差與分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差與分辨本領(lǐng)n 1 1、像差、像差 ：幾何像差和色差幾何像差和色差n（1 1）幾何像差：透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造

8、）幾何像差：透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的。成的。 幾何像差主要指球差和像散。幾何像差主要指球差和像散。n（2 2）色差：電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的）色差：電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。改變而造成的。nA A、球差、球差n定義：電磁透鏡的中心區(qū)定義：電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮拥恼塾蚝瓦吘墔^(qū)域?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ煌斐?。射能力不同造成?ssC41rn當(dāng)物點(diǎn)當(dāng)物點(diǎn)P P通過透鏡成像時(shí)，電子就不會(huì)會(huì)聚到同一通過透鏡成像時(shí)，電子就不會(huì)會(huì)聚到同一焦點(diǎn)上，從而形成了一個(gè)散焦斑，最小散焦斑的半焦點(diǎn)上，從而形成了一個(gè)散焦斑，最小散焦斑的半徑用徑用R Rs s表示。表示。n把把

9、R Rs s 折算到物平面上去，球差大?。赫鬯愕轿锲矫嫔先?，球差大?。簉 rs s = R= Rs s /M/M nB B、像散、像散n定義：由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱而引起的。定義：由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱而引起的。n把最小散焦斑的半徑把最小散焦斑的半徑 R RA A 折算到物點(diǎn)折算到物點(diǎn)P P的位置上去，的位置上去，就形成了一個(gè)半徑為就形成了一個(gè)半徑為r rA A的圓斑，的圓斑， 像散大小：像散大?。簉 rA A = R = RA A / M / M (M(M為透鏡放大倍數(shù)為透鏡放大倍數(shù)) ) r rA A = = f fA AnC C、色差、色差n由于入射電子波長由于入射電子波長( (或能量或

10、能量) )的非單一性所造成的。的非單一性所造成的。 把最小的散焦斑把最小的散焦斑2Rc2Rc換算到物平面上，就形成了一個(gè)換算到物平面上，就形成了一個(gè)半徑為半徑為r rC C的圓斑，的圓斑，n色差大?。荷畲笮。簉 rC C = R = RC C / M / M (M(M為透鏡放大倍數(shù)為透鏡放大倍數(shù)) ) EECrcc 當(dāng)當(dāng)C Cc c和孔徑角和孔徑角一定時(shí)，一定時(shí)，E/EE/E的數(shù)值取決于加速電的數(shù)值取決于加速電壓的穩(wěn)定性和電子穿過樣品壓的穩(wěn)定性和電子穿過樣品時(shí)發(fā)生非彈性散射的程度。時(shí)發(fā)生非彈性散射的程度。 色差系數(shù)色差系數(shù)C Cc c與球差系數(shù)與球差系數(shù)C Cs s均均隨透鏡激磁電流的增大而

11、減隨透鏡激磁電流的增大而減小如圖。小如圖。n2 2 電磁透鏡分辨本領(lǐng)電磁透鏡分辨本領(lǐng) 電磁透鏡的分辨本領(lǐng)由衍射效應(yīng)和球面像差來電磁透鏡的分辨本領(lǐng)由衍射效應(yīng)和球面像差來決定。決定。 n r rS S、 r rA A、 r rC C值即是由球差、像散和色差值即是由球差、像散和色差所限定的分辨本領(lǐng)。所限定的分辨本領(lǐng)。 n球差是限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素。若同球差是限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素。若同時(shí)考慮衍射和球差對分辨本領(lǐng)的影響時(shí)，則會(huì)發(fā)時(shí)考慮衍射和球差對分辨本領(lǐng)的影響時(shí)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)改善其中一個(gè)因素時(shí)會(huì)使另一個(gè)因素變壞。為現(xiàn)改善其中一個(gè)因素時(shí)會(huì)使另一個(gè)因素變壞。為了使球差變小，可通過減小了使球差

12、變小，可通過減小 來實(shí)現(xiàn)，但從衍來實(shí)現(xiàn)，但從衍射效應(yīng)來看，射效應(yīng)來看，減小將使減小將使r r0 0變大，分辨本領(lǐng)下變大，分辨本領(lǐng)下降。因此，兩者必須兼顧。降。因此，兩者必須兼顧。n關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角o o，使得衍射，使得衍射效應(yīng)效應(yīng)AiryAiry斑和球差散焦斑尺寸大小相等，表明兩者斑和球差散焦斑尺寸大小相等，表明兩者對透鏡分辨本領(lǐng)影響效果一樣。對透鏡分辨本領(lǐng)影響效果一樣。 令令r rS S和和r r0 0相等，求出相等，求出o o12.512.5（/C/Cs s) )1/41/4。n電磁透鏡分辨率電磁透鏡分辨率: :r r0 0 = A= A 3

13、/43/4 C Cs s1/41/4, , 其中其中A = 0.4 - 0.55A = 0.4 - 0.55n目前，透射電鏡的最佳分辨本領(lǐng)達(dá)目前，透射電鏡的最佳分辨本領(lǐng)達(dá)1010l lnmnm數(shù)量級。數(shù)量級。如日本日立公司的如日本日立公司的H-9000H-9000型透射電鏡的點(diǎn)分辨率為型透射電鏡的點(diǎn)分辨率為1.8A1.8A。9.3 9.3 電磁透鏡的景深與焦長電磁透鏡的景深與焦長n 1 1、景深、景深n如果失焦圓斑尺寸不超過由衍如果失焦圓斑尺寸不超過由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑射效應(yīng)和像差引起的散焦斑（清晰像條件），那么對透鏡（清晰像條件），那么對透鏡像分辨本領(lǐng)并不產(chǎn)生什么影響。像分辨本領(lǐng)并不

14、產(chǎn)生什么影響。因此，我們把透鏡物平面允許因此，我們把透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深，的軸向偏差定義為透鏡的景深，用用D Df f 來表示，如圖。來表示，如圖。n它與電磁透鏡分辨本領(lǐng)、孔徑半角之間關(guān)系它與電磁透鏡分辨本領(lǐng)、孔徑半角之間關(guān)系n n這表明，電磁透鏡孔徑半角越小，景深越大。這表明，電磁透鏡孔徑半角越小，景深越大。一般的電磁透鏡一般的電磁透鏡=10=10-2-2-10-10-3 -3 radrad，如果透鏡分，如果透鏡分辨本領(lǐng)辨本領(lǐng)r r0 0=100A=100A0 0，則，則D Df f=2000=200020000A20000A0 0。 對于加速電壓對于加速電壓100kV1

15、00kV的電子顯微鏡來說，樣品的電子顯微鏡來說，樣品厚度一般控制在厚度一般控制在2000A2000A0 0左右，在透鏡景深范圍左右，在透鏡景深范圍之內(nèi)，因此樣品各部位的細(xì)節(jié)都能得到清晰的之內(nèi)，因此樣品各部位的細(xì)節(jié)都能得到清晰的圖像。若允許較差分辨率，則景深更大。圖像。若允許較差分辨率，則景深更大。00fr2tgr2Dn 2 2、焦長、焦長n當(dāng)透鏡焦距和物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向當(dāng)透鏡焦距和物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦。如果失焦引起的失距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦。如果失焦引起的失焦斑尺寸不超過透鏡因衍射和像差引起的散焦斑焦斑尺寸不超過透鏡因衍射和像差引起的散焦斑大小，

16、那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，對大小，那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，對透鏡像的分辨率沒有影響。我們把透鏡像平面允透鏡像的分辨率沒有影響。我們把透鏡像平面允許的軸向偏差定義為透鏡的焦長，用許的軸向偏差定義為透鏡的焦長，用D DL L表示，如表示，如圖所示。圖所示。n從圖上可以看到透鏡焦長從圖上可以看到透鏡焦長D DL L與分辨本領(lǐng)與分辨本領(lǐng)r r0 0、像點(diǎn)、像點(diǎn)所張的孔徑半角所張的孔徑半角 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 20LMr2Dn當(dāng)電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領(lǐng)一定時(shí)，透鏡焦長當(dāng)電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領(lǐng)一定時(shí)，透鏡焦長隨孔徑半角減小而增大。如一電磁透鏡分辨本領(lǐng)隨孔徑半角減小而增大。如一電磁

17、透鏡分辨本領(lǐng)r r0 0=10=10埃，孔徑半角埃，孔徑半角1010-2-2radrad，放大倍數(shù)，放大倍數(shù)M=200M=200倍，倍，計(jì)算得焦長計(jì)算得焦長D DL L=8mm=8mm。這表明該透鏡實(shí)際像平面在理。這表明該透鏡實(shí)際像平面在理想像平面上或下各想像平面上或下各4mm4mm范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)不需改變透鏡聚范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)不需改變透鏡聚焦?fàn)顟B(tài)，圖像仍保持清晰。焦?fàn)顟B(tài)，圖像仍保持清晰。 n 對于由多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡來說，對于由多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡來說，其終像放大倍數(shù)等于各級透鏡放大倍數(shù)之積。因此其終像放大倍數(shù)等于各級透鏡放大倍數(shù)之積。因此終像的焦長就更長了，一般說來超過終像的焦長

18、就更長了，一般說來超過10-20cm10-20cm是不成是不成問題的。電磁透鏡的這一特點(diǎn)給電子顯微鏡圖像的問題的。電磁透鏡的這一特點(diǎn)給電子顯微鏡圖像的照相記錄帶來了極大的方便。只要在熒光屏上圖像照相記錄帶來了極大的方便。只要在熒光屏上圖像是聚焦清晰的，那么在熒光屏上或下十幾厘米放置是聚焦清晰的，那么在熒光屏上或下十幾厘米放置照相底片，所拍攝的圖像也將是清晰的。照相底片，所拍攝的圖像也將是清晰的。第十章第十章 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡10101 1 透射電鏡成像原理透射電鏡成像原理n1 1、透射電鏡成像原理、透射電鏡成像原理光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子搶聚光鏡樣品物鏡第一次像投影鏡

19、觀察屏 （a）高放大像（b）衍射花樣 樣品 物鏡衍射花樣 第一次像中間鏡第二次像投影鏡選區(qū)光闌物鏡光闌照明系統(tǒng)示意圖陰極（接負(fù)高壓）控制極（比陰極負(fù)1001000伏）陽極電子束聚光鏡試樣10102 2透射電鏡結(jié)構(gòu)透射電鏡結(jié)構(gòu)n1 1、透射電鏡三部分組成透射電鏡三部分組成nA A 光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)整個(gè)電子光學(xué)部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上整個(gè)電子光學(xué)部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機(jī)鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機(jī)構(gòu)等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子構(gòu)等裝置。根

20、據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學(xué)部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖光學(xué)部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。像觀察和記錄系統(tǒng)。nB B 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 電子顯微鏡鏡筒必須具有高真空，若鏡筒中存在電子顯微鏡鏡筒必須具有高真空，若鏡筒中存在氣體，會(huì)產(chǎn)生氣體電離和放電現(xiàn)象；電子槍燈絲氣體，會(huì)產(chǎn)生氣體電離和放電現(xiàn)象；電子槍燈絲受氧化而燒斷；高速電子與氣體分子碰撞而散射受氧化而燒斷；高速電子與氣體分子碰撞而散射, ,降低成像襯度及污染樣品降低成像襯度及污染樣品; ;nC C 電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng) 主要有燈絲電源和高壓電源，使電子槍產(chǎn)生主要有燈絲電源和高壓電源，使電子槍產(chǎn)生穩(wěn)定的高照明電子束；各個(gè)磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電穩(wěn)定的高照明電子束；各個(gè)磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；電氣控制電路。源；電氣控制電路。29 日本日立公司H700電子顯微鏡，配有雙傾臺，并帶有7010掃描附件和EDAX9100能譜。分 辨 率：0.34nm加速電壓：75KV200KV放大倍數(shù)：25萬倍能 譜 儀：EDAX9100掃描附件：S701030 CM200-FEG場發(fā)射槍電鏡JEM-2010透射電鏡加速電壓200KVLaB6燈絲點(diǎn)分辨率 1.94加速電壓20KV、40KV、80KV、160KV、200KV可連續(xù)設(shè)置加速電壓熱場發(fā)射槍晶格分辨率 1.4點(diǎn)分辨率 2.4最小電子束