第7講_電子光學(xué)基礎(chǔ)_111028

1、第第7 7講講 1 1 分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng) 1) 人的眼睛僅能分辨人的眼睛僅能分辨0.10.2mm的細節(jié)的細節(jié)2) 光學(xué)顯微鏡，人們可觀察到象細菌那樣小的物體。光學(xué)顯微鏡，人們可觀察到象細菌那樣小的物體。3) 用光學(xué)顯微鏡來揭示更小粒子的顯微組織結(jié)構(gòu)是用光學(xué)顯微鏡來揭示更小粒子的顯微組織結(jié)構(gòu)是 不可能的，受光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)不可能的，受光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)(或分辨率或分辨率)的的 限制。限制。分辨本領(lǐng)：分辨本領(lǐng)： 。通常以物鏡的分辨本領(lǐng)來定義顯微鏡的分辨本領(lǐng)。通常以物鏡的分辨本領(lǐng)來定義顯微鏡的分辨本領(lǐng)。概念光學(xué)顯微鏡通常多大倍數(shù)？試樣有怎樣的要求？兩斑點的成像孔徑 光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)

2、: 式中：式中：是照明束波長，是照明束波長，是透鏡孔徑半角，是透鏡孔徑半角，n 是透鏡上下方介質(zhì)折射率，是透鏡上下方介質(zhì)折射率，nsin或或NA稱為稱為。.61. 0sin61. 00N.And.61. 0sin61. 00N.And阿貝阿貝Abbe 在介質(zhì)為空氣的情況下，任何光學(xué)透鏡系統(tǒng)在介質(zhì)為空氣的情況下，任何光學(xué)透鏡系統(tǒng)的的NANA值小于值小于1 1。 1/2 1/2 波長是透鏡分辨率大小的決定因素波長是透鏡分辨率大小的決定因素。 透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明束波長透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明束波長。若用波長最短的若用波長最短的可見光可見光(=400nm)(=400nm)作照明源，作照明

3、源，則則 =200nm=200nm 200nm200nm是光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)的極限是光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)的極限取決波長！ 用于顯微鏡的一種新的照明源用于顯微鏡的一種新的照明源 電子束電子束! ! 1924 1924年年法國物理學(xué)家德法國物理學(xué)家德. .布羅意布羅意(De Broglie)(De Broglie)提提出一個假設(shè)：運動的微觀粒子出一個假設(shè)：運動的微觀粒子( (如電子、中子、離如電子、中子、離子等子等) )與光的性質(zhì)之間存在著深刻的類似性，即與光的性質(zhì)之間存在著深刻的類似性，即微微觀粒子的運動服從波觀粒子的運動服從波- -粒兩象性粒兩象性的規(guī)律。兩年后通的規(guī)律。兩年后通過電子衍射證實了

4、這個假設(shè)，這種運動的微觀粒子過電子衍射證實了這個假設(shè)，這種運動的微觀粒子的波長為的波長為普朗克普朗克常數(shù)常數(shù) h h 對于粒子動量的比值，即對于粒子動量的比值，即 = =h h/ /mvmv 對于電子來說，這里，對于電子來說，這里， m m 是電子質(zhì)量是電子質(zhì)量kgkg， v v 是電子運動的速度是電子運動的速度msms-1-1。電子束的發(fā)明解決了光源波長問題！ 初速度為零的自由電子從零電位達到電位為初速度為零的自由電子從零電位達到電位為U U ( (單位為單位為v)v)的電場時電子獲得的能量是的電場時電子獲得的能量是eUeU： 1/21/2mvmv2 2 = = eUeU 當(dāng)電子速度當(dāng)電子速

5、度v v 遠遠小于光速遠遠小于光速C C 時，電子質(zhì)量時，電子質(zhì)量m m 近似等于電子靜止質(zhì)量近似等于電子靜止質(zhì)量m m0 0，由上述兩式整理得：，由上述兩式整理得：Uemh02Uemh02電子質(zhì)量、電荷、光速？將常數(shù)代入上式，并注意到電子電荷將常數(shù)代入上式，并注意到電子電荷 e 的單位的單位為庫侖，為庫侖， h的單位為的單位為Js，得到：，得到： nm 加速電壓與電子波長的關(guān)系加速電壓與電子波長的關(guān)系 加速電壓/kV2030501002005001000電子波長/10-3nm8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687U226. 1加速電壓越大，波長越短！E=1.6

6、10-19CM=9.110-31kgC=3108m/sh=6.6310-34j.s當(dāng)加速電壓為當(dāng)加速電壓為100kV100kV時，電子束的波長約為時，電子束的波長約為可見光波長的十萬分之一?？梢姽獠ㄩL的十萬分之一。 因此，若用電子束作照明源，顯微鏡的分因此，若用電子束作照明源，顯微鏡的分辨本領(lǐng)要高得多。辨本領(lǐng)要高得多。 例：電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為例：電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為1010-2-21010-3-3radrad。如果加速電壓為。如果加速電壓為100kV100kV，孔徑，孔徑半角為半角為1010-2-2radrad，那么分辨本領(lǐng)為，那么分辨本領(lǐng)為： = 0.61= 0.613

7、.73.71010-3-3/10/10-2 -2 = = 0.225 0.225 nmnm比可見光的分辨率高的多！比可見光的分辨率高的多！二、電子在電磁場中的運動和電子透鏡a.回憶X射線管的原理b.電子束產(chǎn)生裝置：電子槍（后面結(jié)合電鏡的內(nèi)容講）c.電子束如何聚焦？首先要了解電子束的在電場和磁場中的運動電子束如何產(chǎn)生？如何利用？v靜電透鏡等位面及電子軌跡靜電透鏡的缺點： 需要很強的電場，在低真空度下導(dǎo)需要很強的電場，在低真空度下導(dǎo)致鏡筒內(nèi)致鏡筒內(nèi)擊穿和弧光放電擊穿和弧光放電 現(xiàn)代電子顯微鏡用現(xiàn)代電子顯微鏡用磁透鏡磁透鏡替替代！代！ : :通電的短線圈就是一個簡單的電磁透鏡，它通電的短線圈就是一個

8、簡單的電磁透鏡，它能造成一種軸對稱不均勻分布的磁場。穿過能造成一種軸對稱不均勻分布的磁場。穿過線圈的電子在磁場的作用下將作圓錐螺旋近線圈的電子在磁場的作用下將作圓錐螺旋近軸運動。而一束平行于主軸的入射電子通過軸運動。而一束平行于主軸的入射電子通過電磁透鏡時將被聚焦在主軸的某一點電磁透鏡時將被聚焦在主軸的某一點電子在磁場中的運動電子在磁場中的運動帶有鐵殼以及極靴的電磁透鏡及磁場分布示意圖帶有鐵殼以及極靴的電磁透鏡及磁場分布示意圖電子束v會聚原理洛侖磁力負號的意義？直線運動軌跡電子在磁場中運動電子光學(xué)與幾何光學(xué)的相似之處？p96電磁透鏡裝置：控制電子束的運動電磁透鏡裝置：控制電子束的運動電磁透鏡在

9、成像時會產(chǎn)生電磁透鏡在成像時會產(chǎn)生像差像差。 像差分為像差分為幾何像差幾何像差和和色差色差兩類。兩類。 幾何像差幾何像差：由于透鏡磁場幾何形狀上的：由于透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的像差。缺陷而造成的像差。 色差色差：由于電子波的波長或能量發(fā)生一：由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的像差。定幅度的改變而造成的像差。三、電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)概念 透鏡的實際分辨本領(lǐng)除了與衍射效應(yīng)有關(guān)以透鏡的實際分辨本領(lǐng)除了與衍射效應(yīng)有關(guān)以外，還與透鏡的像差有關(guān)。外，還與透鏡的像差有關(guān)。 光學(xué)透鏡光學(xué)透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來矯正像差，使之對分

10、辨本領(lǐng)的影組合等辦法來矯正像差，使之對分辨本領(lǐng)的影響遠遠小于衍射效應(yīng)的影響響遠遠小于衍射效應(yīng)的影響; ; 但但電子透鏡電子透鏡只有會聚透鏡，沒有發(fā)散透鏡，只有會聚透鏡，沒有發(fā)散透鏡，所以所以至今還沒有找到一種能矯正像差的辦法至今還沒有找到一種能矯正像差的辦法。這樣，像差對電子透鏡分辨本領(lǐng)的限制就不容這樣，像差對電子透鏡分辨本領(lǐng)的限制就不容忽略了。忽略了。值得注意光學(xué)與電子透鏡的區(qū)別像差像差：球差、像散、色差球差、像散、色差等，其中，球差等，其中，球差 是限制電子透鏡分辨本領(lǐng)最主要的是限制電子透鏡分辨本領(lǐng)最主要的 因素。因素。球差球差：用：用球差散射圓斑半徑球差散射圓斑半徑RsRs和和縱向球差縱

11、向球差 ZsZs兩個參量來衡量。兩個參量來衡量。 RsRs：指在傍軸電子束形成的像平面指在傍軸電子束形成的像平面( (也也 稱高斯像平面稱高斯像平面) )上的散射圓斑的半徑。上的散射圓斑的半徑。 ZsZs：是指傍軸電子束形成的像點和遠軸是指傍軸電子束形成的像點和遠軸 電子束形成的像點間的縱向偏離距離。電子束形成的像點間的縱向偏離距離。 Zs傍軸球差示意圖遠軸計算表明，在球差范圍內(nèi)距高計算表明，在球差范圍內(nèi)距高斯像平面斯像平面3/4Z3/4Zs s處的散射圓斑處的散射圓斑的半徑最小，只有的半徑最小，只有R Rs s/4/4。習(xí)慣上。習(xí)慣上稱它為稱它為最小截面圓最小截面圓。 考察球差對分辨本領(lǐng)的考

12、察球差對分辨本領(lǐng)的影響。如果計算分辨本領(lǐng)所在影響。如果計算分辨本領(lǐng)所在的平面為高斯平面，就把的平面為高斯平面，就把R Rs s定為定為兩個大小相同的球差散射圓斑兩個大小相同的球差散射圓斑能被分辯的最小中心距。這時能被分辯的最小中心距。這時在試樣上相應(yīng)的兩個物點間距在試樣上相應(yīng)的兩個物點間距為：為： r rs s= =R Rs s/ /M M= =C Cs s3 3式中，式中，C Cs s為電磁透鏡的球差系數(shù)，為電磁透鏡的球差系數(shù)，為電磁透鏡的孔徑半角。為電磁透鏡的孔徑半角。由球差和衍射所決定的電磁由球差和衍射所決定的電磁透鏡的分辨本領(lǐng)透鏡的分辨本領(lǐng)r對孔徑半對孔徑半角角的依賴性的依賴性 如果計

13、算分辨本領(lǐng)如果計算分辨本領(lǐng)的平面為最小截面圓所的平面為最小截面圓所在平面，則在平面，則 r rs s=1/4 =1/4 C Cs s3 3 從以上兩式可以得知從以上兩式可以得知r rs s或或r rs s與球差系與球差系數(shù)數(shù)C Cs s成正比，與孔徑半成正比，與孔徑半角的立方成正比。也就角的立方成正比。也就是說球差系數(shù)越大，是說球差系數(shù)越大，由由球差決定的分辨本領(lǐng)越球差決定的分辨本領(lǐng)越差，隨著差，隨著的增大，分的增大，分辨本領(lǐng)也急劇地下降。辨本領(lǐng)也急劇地下降。v像散像散 像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱而引起。 如果電磁透鏡在制造過程中已經(jīng)存在固有的像散，則可以通過引如果電磁透鏡在制造過程中已經(jīng)存

14、在固有的像散，則可以通過引入一個強度和方位都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場來進行補償，這個能產(chǎn)生入一個強度和方位都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場來進行補償，這個能產(chǎn)生矯正磁場的裝置稱為消像散器。矯正磁場的裝置稱為消像散器。v色差色差是由于入射電子波長（或能量）的非單一性造成是由于入射電子波長（或能量）的非單一性造成。色差色差 當(dāng)加速電壓為當(dāng)加速電壓為100kV100kV及軸上磁場最大值及軸上磁場最大值H H0 0=1.6=1.610106 6A/mA/m時，根據(jù)不同的假設(shè)求得的透射電鏡時，根據(jù)不同的假設(shè)求得的透射電鏡理論分辨本領(lǐng)約為理論分辨本領(lǐng)約為0.2-0.3nm0.2-0.3nm，目前實際透射電子顯，目前實際透射

15、電子顯微鏡的點分辨率已接近于這個理論值。微鏡的點分辨率已接近于這個理論值。 二十世紀三十年代以來，一系列電子顯微分析儀二十世紀三十年代以來，一系列電子顯微分析儀器相繼出現(xiàn)并不斷完善，這些儀器包括透射電子顯器相繼出現(xiàn)并不斷完善，這些儀器包括透射電子顯微鏡微鏡(TEM)(TEM)，掃描電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)(SEM)和電子探針和電子探針X X射線射線顯微鏡分析儀顯微鏡分析儀(EPMA)(EPMA)等。利用這些儀器可以探測如等。利用這些儀器可以探測如等材料微觀尺度的各種信息，有等材料微觀尺度的各種信息，有力地推動了材料科學(xué)的發(fā)展。力地推動了材料科學(xué)的發(fā)展。各種電鏡發(fā)展，為顯微分析提供工

16、具電磁透鏡的特點是景深大（場深），焦長很長。電磁透鏡的特點是景深大（場深），焦長很長。光學(xué)顯微鏡有景深和焦長嗎？ 景深：景深：透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深。（與普通光學(xué)顯微鏡的重要差別！）。（與普通光學(xué)顯微鏡的重要差別?。?從原理上講，當(dāng)透鏡焦距、像距一定時，只有一層從原理上講，當(dāng)透鏡焦距、像距一定時，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面上獲得該層平面的理想圖象，而偏離理想物平面的物上獲得該層平面的理想圖象，而偏離理想物平面的物點都存在一定程度的失焦，他們在透鏡像平面上將產(chǎn)點都存在一定程度的失焦，他們在透鏡像平面上將產(chǎn)

17、生具有一定尺寸的失焦圓斑，如果失焦圓斑尺寸不超生具有一定尺寸的失焦圓斑，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，那么對透鏡像分過由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么對透鏡像分辨本領(lǐng)并不產(chǎn)生影響。辨本領(lǐng)并不產(chǎn)生影響。焦長：焦長：透鏡像平面允許的軸向偏差定義為焦長透鏡像平面允許的軸向偏差定義為焦長。 當(dāng)透鏡焦距、物距一定時，像平面在一定的軸向當(dāng)透鏡焦距、物距一定時，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動，也會引起失焦。如果失焦尺寸不超過由距離內(nèi)移動，也會引起失焦。如果失焦尺寸不超過由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動，對透鏡像

18、分辨率并不產(chǎn)生影響。軸向距離內(nèi)移動，對透鏡像分辨率并不產(chǎn)生影響。 景深和焦長是電子光學(xué)的兩個重要概念，是普通景深和焦長是電子光學(xué)的兩個重要概念，是普通光學(xué)顯微鏡不具備的特點。光學(xué)顯微鏡不具備的特點。四、電子與固體物質(zhì)的相互作用（重點掌握）四、電子與固體物質(zhì)的相互作用（重點掌握）v相互作用產(chǎn)生的電子信號初級電子：背散射電子、背散射電子、透射電子、吸收電子透射電子、吸收電子次級電子：二次電子、二次電子、俄歇電子、特征能量俄歇電子、特征能量損失電子損失電子 背散射電子：電子射入試樣后受到原子的彈性和非電子射入試樣后受到原子的彈性和非彈性散射，散射角大于彈性散射，散射角大于9090度（大于度（大于50

19、eV50eV）從試樣）從試樣表面逸出的電子表面逸出的電子 透射電子：穿透試樣射出的電子。彈性散射電子穿透試樣射出的電子。彈性散射電子（1020nm厚），成像比較清晰厚），成像比較清晰 吸收電子：通過多次非彈性散射能量消失殆盡的電通過多次非彈性散射能量消失殆盡的電子，不產(chǎn)生其他效應(yīng)子，不產(chǎn)生其他效應(yīng) 二次電子：入射電子與原子核外電子碰撞，將核外入射電子與原子核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或使其逸出試樣表面形成的電電子激發(fā)到空能級或使其逸出試樣表面形成的電子（子（低于低于50eV50eV ） 俄歇電子：二次電子的一種。表面原子內(nèi)殼層的電二次電子的一種。表面原子內(nèi)殼層的電子被電離后，處于激發(fā)態(tài)

20、的原子恢復(fù)到基態(tài)時發(fā)子被電離后，處于激發(fā)態(tài)的原子恢復(fù)到基態(tài)時發(fā)射出的電子射出的電子I0=IB+IS+IT+IA強度關(guān)系v電子信號產(chǎn)生的深度和廣度與試樣相互作用的大小和形狀：取決于電子束能量、取決于電子束能量、原子序數(shù)、入射方原子序數(shù)、入射方向向用用Monte-carloMonte-carlo模擬模擬計算計算v倒梨形作用區(qū)1、俄歇電子：深度深度1nm1nm2、二次電子：深度深度 10nm10nm3、背散射電子：取決取決 于電子能量和原子于電子能量和原子 序數(shù)序數(shù)4、X射線：深度和廣度深度和廣度 范圍大范圍大v信號的應(yīng)用1、成像進行顯微結(jié)構(gòu)及形貌觀察。如如SEMSEM（二次電子）、（二次電子）、TEMTEM（透射電子）；（透射電子）；2、晶體結(jié)構(gòu)信息。通過電子衍射及衍射效應(yīng)。通過電子衍射及衍射效應(yīng)獲取點陣類型、常數(shù)、晶體取向和完整性獲取點陣類型、常數(shù)、晶體取向和