第二章 電子光學(xué)基礎(chǔ)

1、 第二章第二章 電子光學(xué)電子光學(xué)1 1、概述、概述2 2、電子光學(xué)基礎(chǔ)、電子光學(xué)基礎(chǔ) 3 3、電子與固體物質(zhì)的相互作用、電子與固體物質(zhì)的相互作用本章主要內(nèi)容 電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，分析試物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。包括：包括：用透射電子顯微鏡進(jìn)行的透射電子顯微分析用透射電子顯微鏡進(jìn)行的透射電子顯微分析用掃描電子顯微鏡進(jìn)行的掃描電子顯微分析用掃描電子顯微鏡進(jìn)行的掃描電子顯微分析用電子探針儀進(jìn)行的用電子探針儀進(jìn)行的X X射線顯微分析射線

2、顯微分析 電子顯微分析是材料科學(xué)的重要分析方電子顯微分析是材料科學(xué)的重要分析方法之一，與其它的形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分法之一，與其它的形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析方法相比具有以下特點(diǎn)：析方法相比具有以下特點(diǎn)： 在極高放大倍率下直接觀察試樣的形貌、晶在極高放大倍率下直接觀察試樣的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。為一種微區(qū)分析方法，具有很高的分辨率，成為一種微區(qū)分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率達(dá)到像分辨率達(dá)到0.20.20.30.3nmnm（TEMTEM），），可直接可直接分辨原子，能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化分辨原子，能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成分析。學(xué)組成分析。各種儀器日益向

3、多功能、綜合性方向發(fā)展。各種儀器日益向多功能、綜合性方向發(fā)展。日本電子公司生產(chǎn)的日本電子公司生產(chǎn)的JEM-2010飛利浦公司生產(chǎn)的飛利浦公司生產(chǎn)的TECNAI-202.1.1 2.1.1 電子顯微鏡發(fā)展簡史電子顯微鏡發(fā)展簡史?1924年年L. De和和Broglie發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電子具有波粒二象性。發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電子具有波粒二象性。? 1926年年Busch發(fā)現(xiàn)在軸對(duì)稱的電磁場中運(yùn)動(dòng)的電子有會(huì)發(fā)現(xiàn)在軸對(duì)稱的電磁場中運(yùn)動(dòng)的電子有會(huì)聚現(xiàn)象。聚現(xiàn)象。?二者結(jié)合導(dǎo)致研制電子顯微鏡的偉大設(shè)想。二者結(jié)合導(dǎo)致研制電子顯微鏡的偉大設(shè)想。? 1931年，第一臺(tái)電鏡在德國柏林誕生。至年，第一臺(tái)電鏡在德國柏林誕生。至1934年

4、電鏡年電鏡的分辨率可達(dá)的分辨率可達(dá)50nm，1939年德國西門子公司第一臺(tái)電鏡年德國西門子公司第一臺(tái)電鏡投放市場，分辨率優(yōu)于投放市場，分辨率優(yōu)于10nm。? 1935年克諾爾（年克諾爾（Knoll）提出掃描電鏡的工作原理，提出掃描電鏡的工作原理，1938年阿登納（年阿登納（Ardenne）制造了第一臺(tái)掃描電鏡。制造了第一臺(tái)掃描電鏡。? 6060年代后，電鏡開始向高電壓、高分辨率發(fā)展，年代后，電鏡開始向高電壓、高分辨率發(fā)展，100-100-200200kVkV的電鏡逐漸普及，的電鏡逐漸普及，19601960年，法國研制了第一臺(tái)年，法國研制了第一臺(tái)1 1MVMV的電鏡，的電鏡，19701970年又

5、研制出年又研制出3 3MVMV的電鏡。的電鏡。? 7070年代后，電鏡的點(diǎn)分辨率達(dá)年代后，電鏡的點(diǎn)分辨率達(dá)0.230.23nm nm ，晶格（線）晶格（線）分辨率達(dá)分辨率達(dá)0.1 0.1 nmnm。同時(shí)掃描電鏡有了較大的發(fā)展，普及同時(shí)掃描電鏡有了較大的發(fā)展，普及程度逐漸超過了透射電鏡。程度逐漸超過了透射電鏡。?近一、二十年，出現(xiàn)了聯(lián)合透射、掃描，并帶有分析近一、二十年，出現(xiàn)了聯(lián)合透射、掃描，并帶有分析附件的分析電鏡。電鏡控制的計(jì)算機(jī)化和制樣設(shè)備的日附件的分析電鏡。電鏡控制的計(jì)算機(jī)化和制樣設(shè)備的日趨完善，使電鏡成為一種既觀察圖象又測結(jié)構(gòu)，既有顯趨完善，使電鏡成為一種既觀察圖象又測結(jié)構(gòu)，既有顯微圖

6、象又有各種譜線分析的多功能綜合性分析儀器。微圖象又有各種譜線分析的多功能綜合性分析儀器。2.1.1 2.1.1 電子顯微鏡發(fā)展簡史電子顯微鏡發(fā)展簡史? 8080年代后，又研制出了掃描隧道電鏡和原子力年代后，又研制出了掃描隧道電鏡和原子力顯微鏡等新型的顯微鏡。顯微鏡等新型的顯微鏡。?我國自我國自19581958年試制成功第一臺(tái)電鏡以來，電鏡的年試制成功第一臺(tái)電鏡以來，電鏡的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用曾有相當(dāng)規(guī)模的發(fā)展。主要產(chǎn)地設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用曾有相當(dāng)規(guī)模的發(fā)展。主要產(chǎn)地有北京和上海。但因某些方面的原因，國產(chǎn)電鏡逐有北京和上海。但因某些方面的原因，國產(chǎn)電鏡逐漸被進(jìn)口電鏡取代。漸被進(jìn)口電鏡取代。2.1.1 2

7、.1.1 電子顯微鏡發(fā)展簡史電子顯微鏡發(fā)展簡史電鏡大體可劃分為：電鏡大體可劃分為：2.1.22.1.2電鏡的分類電鏡的分類透射電子顯微鏡（透射電子顯微鏡（TEMTEM） 掃描掃描電子顯微鏡電子顯微鏡（SEMSEM） 掃描透射掃描透射電子顯微鏡電子顯微鏡（STEM)STEM) 掃描探針顯微鏡（掃描探針顯微鏡（SPMSPM）Transmission Electron MicroscopeScanning Electron MicroscopeScanning Probe Microscope2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ) 電子光學(xué)是研究帶電粒子（電子、離子）在電場和電子光學(xué)是研究帶電粒子

8、（電子、離子）在電場和磁場中運(yùn)動(dòng)，特別是在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)、聚焦和成像磁場中運(yùn)動(dòng)，特別是在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)、聚焦和成像規(guī)律的一門科學(xué)。規(guī)律的一門科學(xué)。它與幾何光學(xué)有很多相似之處：它與幾何光學(xué)有很多相似之處： （1 1）幾何光學(xué)是利用透鏡使光線聚焦成像，而電子光學(xué)）幾何光學(xué)是利用透鏡使光線聚焦成像，而電子光學(xué)則利用電、磁場使電子束聚焦成像，電、磁場起著透鏡則利用電、磁場使電子束聚焦成像，電、磁場起著透鏡的作用。的作用。 （2 2）幾何光學(xué)中，利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面作為折射面，而電子）幾何光學(xué)中，利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面作為折射面，而電子光學(xué)系統(tǒng)中，是利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的電、磁場產(chǎn)生的等位面光學(xué)系統(tǒng)中，是利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的電

9、、磁場產(chǎn)生的等位面作為折射面。因此涉及的電子光學(xué)主要是研究電子在旋作為折射面。因此涉及的電子光學(xué)主要是研究電子在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱電、磁場中的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)對(duì)稱電、磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。規(guī)律。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)（3 3）電子光學(xué)可仿照幾何光學(xué)把電子運(yùn)動(dòng)軌跡看成射線，）電子光學(xué)可仿照幾何光學(xué)把電子運(yùn)動(dòng)軌跡看成射線，并由此引入一系列的幾何光學(xué)參數(shù)來表征電子透鏡對(duì)于并由此引入一系列的幾何光學(xué)參數(shù)來表征電子透鏡對(duì)于電子射線的聚焦成像作用。電子射線的聚焦成像作用。但應(yīng)注意電鏡中的電子光學(xué)：但應(yīng)注意電鏡中的電子光學(xué)：（1 1）是真空中的靜場，即電、）是真空中的靜場，即電、磁場與時(shí)間無關(guān)，且處于真空磁場與時(shí)

10、間無關(guān)，且處于真空中。中。（2 2）入射的電子束軌跡必須）入射的電子束軌跡必須滿足離軸條件：滿足離軸條件：2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.1 2.2.1 光學(xué)顯微鏡的局限性光學(xué)顯微鏡的局限性 光學(xué)顯微鏡的光學(xué)顯微鏡的“分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)”是表示一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是表示一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)剛能清楚地分開兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離，距離越小，剛能清楚地分開兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離，距離越小，分辨能力越高。分辨能力越高。阿貝根據(jù)衍射理論導(dǎo)出的光學(xué)透鏡分辨能力的公式：阿貝根據(jù)衍射理論導(dǎo)出的光學(xué)透鏡分辨能力的公式： (3) (nm)nsin0.61r nsin nsin稱為數(shù)值孔徑，用稱為數(shù)值孔徑，用N. AN.

11、 A表示。表示。 由（由（3 3）式可知，透鏡的分辨率）式可知，透鏡的分辨率r r值與值與N. AN. A成反成反比，與比，與值成正比，值成正比，r r值越小，分辨本領(lǐng)越高。值越小，分辨本領(lǐng)越高。當(dāng)用可見光作光源，采用組合透鏡、大的孔徑角、高當(dāng)用可見光作光源，采用組合透鏡、大的孔徑角、高折射率介質(zhì)浸沒物鏡時(shí)，折射率介質(zhì)浸沒物鏡時(shí)， N. AN. A值可提高到值可提高到1.61.6。最佳最佳情況的透鏡分辨極限是情況的透鏡分辨極限是200200nmnm。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.1 2.2.1 光學(xué)顯微鏡的局限性光學(xué)顯微鏡的局限性要進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨能力，就必須用更短波長

12、要進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨能力，就必須用更短波長的照明源。的照明源。X X射線波長很短，在射線波長很短，在0.05-100.05-10nmnm范圍，但至范圍，但至今也無法能使之有效聚焦成像。今也無法能使之有效聚焦成像。電子束流具有波動(dòng)性，且波長比可見光短得多。顯然，電子束流具有波動(dòng)性，且波長比可見光短得多。顯然，如果用電子束做照明源制成電子顯微鏡將具有更高的如果用電子束做照明源制成電子顯微鏡將具有更高的分辨本領(lǐng)。分辨本領(lǐng)。 2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.2 2.2.2 電子的波動(dòng)性及其波長電子的波動(dòng)性及其波長由此可得德布羅意波波長由此可得德布羅意波波長 : : 19241924

13、年，德布羅意提出了運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子也具有年，德布羅意提出了運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子也具有波粒二象性的假說。這個(gè)物質(zhì)波的頻率和波長與能量和波粒二象性的假說。這個(gè)物質(zhì)波的頻率和波長與能量和動(dòng)量之間的關(guān)系如下：動(dòng)量之間的關(guān)系如下： (5) (4) E hPhv(6) mvhPh運(yùn)動(dòng)中的電子也必伴隨著一個(gè)波運(yùn)動(dòng)中的電子也必伴隨著一個(gè)波電子波。電子波。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.2 2.2.2 電子的波動(dòng)性及其波長電子的波動(dòng)性及其波長 一個(gè)初速度為零的電子，在電場中從電位為零的點(diǎn)一個(gè)初速度為零的電子，在電場中從電位為零的點(diǎn)受到電位為受到電位為V V的作用，其獲得的動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)速度的作用，其獲得

14、的動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)速度v v之間的之間的關(guān)系為：關(guān)系為：(7) 221mveVE 當(dāng)加速電壓較低時(shí)，當(dāng)加速電壓較低時(shí)，vc(vc(光速光速) )，電子質(zhì)量近似于，電子質(zhì)量近似于靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量m m0 0，由（由（6 6）、（）、（7 7）式整理得：）式整理得：(8) (nm) 225.115020VVVemh 電子波長與其加速電壓平方根成反比，加速電壓越高，電子波長與其加速電壓平方根成反比，加速電壓越高，電子波長越短。電子波長越短。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.2 2.2.2 電子的波動(dòng)性及其波長電子的波動(dòng)性及其波長 當(dāng)加速電壓較高時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)速度增大，電子質(zhì)量當(dāng)加速電壓較高時(shí)，

15、電子運(yùn)動(dòng)速度增大，電子質(zhì)量也隨之增大，必須用相對(duì)論進(jìn)行校正：也隨之增大，必須用相對(duì)論進(jìn)行校正：加速電壓（加速電壓（kVkV）電子波長（電子波長（nmnm）加速電壓（加速電壓（kVkV）電子波長（電子波長（nmnm）1 10.03880.038880800.004180.0041810100.01220.01221001000.003700.0037020200.008590.008592002000.002510.0025130300.006980.006985005000.001420.0014250500.005360.00536100010000.000870.000872.2 2.2

16、電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.3 2.2.3 電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡 電鏡中，用靜電透鏡作電子槍，發(fā)射電子束；用磁電鏡中，用靜電透鏡作電子槍，發(fā)射電子束；用磁透鏡做會(huì)聚透鏡，起成像和放大作用。靜電透鏡和磁透鏡做會(huì)聚透鏡，起成像和放大作用。靜電透鏡和磁透鏡統(tǒng)稱透鏡統(tǒng)稱電子透鏡電子透鏡，它們的結(jié)構(gòu)原理由，它們的結(jié)構(gòu)原理由HuschHusch奠定的。奠定的。1. 1. 電子在靜電場中的運(yùn)動(dòng)電子在靜電場中的運(yùn)動(dòng) 電子在靜電場中受到電場力的作用將產(chǎn)生加速度。電子在靜電場中受到電場力的作用將產(chǎn)生加速度。初速度為初速度為0 0的自由電子從零電位到達(dá)的自由電子從零電位到達(dá)V V電位時(shí)，電子的運(yùn)電位時(shí)

17、，電子的運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)速度v v為：為：即加速電壓的大小決定了電子運(yùn)動(dòng)的速度。即加速電壓的大小決定了電子運(yùn)動(dòng)的速度。(10) 2meVv 2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.3 2.2.3 電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡 當(dāng)電子的初速度不為零、運(yùn)動(dòng)方向與電場力方向不當(dāng)電子的初速度不為零、運(yùn)動(dòng)方向與電場力方向不一致時(shí)，電場力不僅改變電子運(yùn)動(dòng)的能量，而且也改一致時(shí)，電場力不僅改變電子運(yùn)動(dòng)的能量，而且也改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。變電子的運(yùn)動(dòng)方向。 如圖如圖1 1，ABAB上方電位為上方電位為V V1 1，下方

18、為下方為V V2 2，電子通過電子通過V V1 1、V V2 2的界面時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)方向突變，電子運(yùn)動(dòng)的速度的界面時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)方向突變，電子運(yùn)動(dòng)的速度從從v v1 1變?yōu)樽優(yōu)関 v2 2。 因?yàn)殡妶隽Φ姆较蚩偸侵赶虻入娢幻娴姆ň€，從低因?yàn)殡妶隽Φ姆较蚩偸侵赶虻入娢幻娴姆ň€，從低電位指向高電位，而在電位面的切線方向的作用力為電位指向高電位，而在電位面的切線方向的作用力為0 0。也就是說在該方向的速度分量不變。所以有：也就是說在該方向的速度分量不變。所以有： (12) sinsin 2 2 (11) sinsin sinsin 21121222111221VVvvmeVvmeVvvvvv則：又因

19、為：或2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡 由（由（1212）式可見，電子在靜電場中運(yùn)動(dòng)方式與光）式可見，電子在靜電場中運(yùn)動(dòng)方式與光的折射現(xiàn)象十分相似，并且當(dāng)電子從低電位區(qū)的折射現(xiàn)象十分相似，并且當(dāng)電子從低電位區(qū)V V1 1進(jìn)入進(jìn)入高電位區(qū)高電位區(qū)V V2 2時(shí)，折射角時(shí)，折射角, ,也即電子的運(yùn)動(dòng)軌跡趨向于也即電子的運(yùn)動(dòng)軌跡趨向于法線。反之電子的軌跡將離開法線。法線。反之電子的軌跡將離開法線。2.2. 靜電透鏡靜電透鏡 與玻璃的凸透鏡可以使光線聚焦成像相似，一與玻璃的凸透鏡可以使光線聚焦成像相似，一定形狀的等電位曲面簇定形狀的等電位曲面簇

20、 也可以使電子束聚焦成像。也可以使電子束聚焦成像。產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等電位曲面簇的電極裝置即為靜產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等電位曲面簇的電極裝置即為靜電透鏡。它有二極式和三極式之分電透鏡。它有二極式和三極式之分。圖。圖2 2為一三極為一三極式靜電透鏡。式靜電透鏡。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡3. 磁透鏡磁透鏡 電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到洛侖茲力的作用，其表達(dá)式為：電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到洛侖茲力的作用，其表達(dá)式為：2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡電子所受洛侖茲力的大小為電子所受洛侖茲力的大

21、小為 所以電子在均勻磁場中運(yùn)動(dòng)中的受力情況及運(yùn)動(dòng)軌跡所以電子在均勻磁場中運(yùn)動(dòng)中的受力情況及運(yùn)動(dòng)軌跡可分為：可分為：)sin( BvqvB不受磁場的影響。電子作勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以洛侖茲力為的夾角為和同向，因?yàn)楹停?0 1 BvBveBPeBmvRRvmevBBvevBFBv 22起向心力的作用：茲力方向，速率不變。洛侖垂直，電子運(yùn)動(dòng)只改變和方向與，力的作用，大小為垂直，電子將受洛侖茲和）（旋線的形式運(yùn)動(dòng)。果使電子在磁場中以螺不受磁場的影響，其結(jié)向，而不改變大小，只改變方。其中，和的兩個(gè)分矢量于和垂直分解成平行于角，這時(shí)可將斜交成和zrrzrzvvvvvvvvBBvBvsincos ) 3( 旋

22、轉(zhuǎn)對(duì)稱的磁場對(duì)電子束有聚焦作用，能使電子束旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的磁場對(duì)電子束有聚焦作用，能使電子束聚焦成像。產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非均勻磁場的線圈裝置就聚焦成像。產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非均勻磁場的線圈裝置就是磁透鏡。是磁透鏡。目前電子顯微鏡中使用的是極靴磁透鏡，它是在短線目前電子顯微鏡中使用的是極靴磁透鏡，它是在短線圈、包殼磁透鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。圈、包殼磁透鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。磁透鏡的作用是使入射電子束聚焦成像。幾種磁透鏡磁透鏡的作用是使入射電子束聚焦成像。幾種磁透鏡的作用示意圖如下：的作用示意圖如下：2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡2.2 2.2 電子

23、光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.32.2.3電子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡磁透鏡與靜電透鏡的比較：磁透鏡與靜電透鏡的比較： 磁透鏡與靜電透鏡都可以作會(huì)聚透鏡，但現(xiàn)代所磁透鏡與靜電透鏡都可以作會(huì)聚透鏡，但現(xiàn)代所有的透射電鏡除電子光源外都用磁透鏡做會(huì)聚鏡，主有的透射電鏡除電子光源外都用磁透鏡做會(huì)聚鏡，主要因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?1 1、磁透鏡的焦距可以做得很短，獲得高的放大、磁透鏡的焦距可以做得很短，獲得高的放大倍數(shù)和較小的球差；倍數(shù)和較小的球差； 2 2、靜電透鏡要求過高的電壓，使儀器的絕緣問、靜電透鏡要求過高的電壓，使儀器的絕緣問題難以解決。題難以解決。 要得到清晰且與物體的幾何形狀相似的圖象，要得到清晰

24、且與物體的幾何形狀相似的圖象，必須有：必須有：(1)(1)磁場分布是嚴(yán)格軸對(duì)稱；磁場分布是嚴(yán)格軸對(duì)稱；(2)(2)滿足旁軸條件；滿足旁軸條件；(3)(3)電子波的波長（速度）相同。電子波的波長（速度）相同。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng) 但實(shí)際上磁透鏡和玻璃透鏡一樣，具有很多缺陷，但實(shí)際上磁透鏡和玻璃透鏡一樣，具有很多缺陷，并不能完全滿足上述條件，因此造成像差。并不能完全滿足上述條件，因此造成像差。 像差包括：球差、色差、像散和畸變。像差包括：球差、色差、像散和畸變。1 1、球差、球差 球差是一種幾何誤差，是

25、鏡體的不同部分對(duì)電子球差是一種幾何誤差，是鏡體的不同部分對(duì)電子的不同會(huì)聚能力引起的。的不同會(huì)聚能力引起的。因此從一個(gè)物點(diǎn)散射的電子因此從一個(gè)物點(diǎn)散射的電子束經(jīng)過具束經(jīng)過具有有球差的磁透鏡后物球差的磁透鏡后物像像并不會(huì)聚一點(diǎn)，而分并不會(huì)聚一點(diǎn)，而分別會(huì)聚于軸向的一定距離上，別會(huì)聚于軸向的一定距離上，如圖所示如圖所示。無論像平面無論像平面在什么位置，都不能得到清晰的像，而是一個(gè)彌散圓在什么位置，都不能得到清晰的像，而是一個(gè)彌散圓斑。在某一位置，可獲得最小的彌散圓斑，稱為球差斑。在某一位置，可獲得最小的彌散圓斑，稱為球差最小彌散圓，其半徑為：最小彌散圓，其半徑為：(15) (14) 341341sS

26、sSMCrMCr 球差是電子顯微鏡的最主要的像差之一。它往往決球差是電子顯微鏡的最主要的像差之一。它往往決定顯微鏡的分辨本領(lǐng)。定顯微鏡的分辨本領(lǐng)。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)2.2.色差色差 玻璃透鏡對(duì)不同波長的光具有不同的焦距，磁透玻璃透鏡對(duì)不同波長的光具有不同的焦距，磁透鏡對(duì)不同能量的電子也有不同的會(huì)聚能力，這正是引起鏡對(duì)不同能量的電子也有不同的會(huì)聚能力，這正是引起色差的原因。色差的原因。

27、如圖所示如圖所示 其效果與球差相似，在軸向距離范圍內(nèi)也存在一其效果與球差相似，在軸向距離范圍內(nèi)也存在一個(gè)最小的色差彌散圓斑，半徑為個(gè)最小的色差彌散圓斑，半徑為 r rC C：(16) |EECcrC CcCc為透鏡的色差系數(shù)，隨激勵(lì)磁電流增大而減小。為透鏡的色差系數(shù)，隨激勵(lì)磁電流增大而減小。 引起能量變化的主要原因?yàn)椋阂鹉芰孔兓闹饕驗(yàn)椋?電子加速電壓不穩(wěn)定，引起照明電子束能量的波動(dòng)。電子加速電壓不穩(wěn)定，引起照明電子束能量的波動(dòng)。 電子與物質(zhì)相互作用后，電子能量受到損失。電子與物質(zhì)相互作用后，電子能量受到損失。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理

28、論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)3.3.像散像散 像散是由于透鏡磁場不是理想的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場而引像散是由于透鏡磁場不是理想的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場而引起的像差。起的像差。主要是生產(chǎn)工藝、透鏡污染，使透鏡磁場不主要是生產(chǎn)工藝、透鏡污染，使透鏡磁場不完全旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，而只是近似的雙對(duì)稱場。這樣產(chǎn)生在透完全旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，而只是近似的雙對(duì)稱場。這樣產(chǎn)生在透鏡的鏡的XZXZ、YZYZ兩個(gè)對(duì)稱面方向的焦距不同，使物像不能聚兩個(gè)對(duì)稱面方向的焦距不同，使物像不能聚焦，形成彌散的橢圓斑，最小的彌散圓斑半徑為焦，

29、形成彌散的橢圓斑，最小的彌散圓斑半徑為r rA A：如圖如圖所示所示(17) 21AAfr 由于這種像散發(fā)生在軸上，因此也稱為軸上像散。像由于這種像散發(fā)生在軸上，因此也稱為軸上像散。像散將影響電鏡的分辨能力，一般電鏡中都有消像散器，可散將影響電鏡的分辨能力，一般電鏡中都有消像散器，可以把像散校正到容許的程度。以把像散校正到容許的程度。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)4.4.電磁透鏡的分辨本領(lǐng)電磁透

30、鏡的分辨本領(lǐng) 是電磁透鏡的最重要的性能指標(biāo)，它受衍射效應(yīng)、是電磁透鏡的最重要的性能指標(biāo)，它受衍射效應(yīng)、球差、色差和像散等因素的影響。電磁透鏡的理論分球差、色差和像散等因素的影響。電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為：辨本領(lǐng)為： (18) 4341sthCAr 式中式中A A為常數(shù)，電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為為常數(shù)，電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為0.20.2nmnm左右。左右。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.42.2.4電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)1 43 40.65sRCJEOL電鏡的分辨率為： 電鏡具有場深大、焦深長的特點(diǎn)。電鏡具有場深大、焦深長的特點(diǎn)。 所謂場深是指

31、在不影響透鏡成像分辨率的前提下，物所謂場深是指在不影響透鏡成像分辨率的前提下，物平面可沿透鏡移動(dòng)的距離。平面可沿透鏡移動(dòng)的距離。如圖所示如圖所示: :(19) 222rXtgXDf 當(dāng)當(dāng)r=1nmr=1nm，=10=10-3-3-10-10-2-2 rad rad時(shí)，時(shí)，D Df f約為約為200-2000200-2000nmnm，對(duì)于加速電壓為對(duì)于加速電壓為100100kVkV的電子顯微鏡，樣品厚度一般控的電子顯微鏡，樣品厚度一般控制在制在200200nmnm以下，在透鏡場深范圍內(nèi)，試樣各部位都能以下，在透鏡場深范圍內(nèi)，試樣各部位都能聚焦成像。聚焦成像。2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基

32、礎(chǔ)2.2.52.2.5電磁透鏡的場深和焦深電磁透鏡的場深和焦深 所謂焦深是指在不影響透鏡成像分辨率的前提下，所謂焦深是指在不影響透鏡成像分辨率的前提下，像平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離。像平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離。焦深反應(yīng)了觀察屏或焦深反應(yīng)了觀察屏或照相底板可在像平面上、下沿鏡軸移動(dòng)的距離。照相底板可在像平面上、下沿鏡軸移動(dòng)的距離。(20) 222MDrMDif2.2 2.2 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)基礎(chǔ)2.2.52.2.5電磁透鏡的場深和焦深電磁透鏡的場深和焦深2.3 2.3 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子與固體物質(zhì)的相互作用2.3.1 2.3.1 電子散射電子散射 當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時(shí)

33、，在當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時(shí)，在原子庫侖電場作用下，入射電子方向改變，稱為原子庫侖電場作用下，入射電子方向改變，稱為散散射射。 原子對(duì)電子的散射可分為原子對(duì)電子的散射可分為彈性散射彈性散射和和非彈性散非彈性散射射。在彈性散射過程中，電子只改變方向，而能量。在彈性散射過程中，電子只改變方向，而能量基本無損失。在非彈性散射過程中，電子不但改變基本無損失。在非彈性散射過程中，電子不但改變方向，能量也有不同程度的減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光、方向，能量也有不同程度的減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光、X X射線和二次電子發(fā)射。射線和二次電子發(fā)射。 原子對(duì)電子的散射可分為：原子對(duì)電子的散射可分為： ?原子核對(duì)電子的彈

34、性散射原子核對(duì)電子的彈性散射 ?原子核對(duì)電子的非彈性散射原子核對(duì)電子的非彈性散射 ?核外電子對(duì)入射電子的非彈性散射核外電子對(duì)入射電子的非彈性散射2.3 2.3 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子與固體物質(zhì)的相互作用2.3.2 2.3.2 內(nèi)層電子激發(fā)后的弛豫過程內(nèi)層電子激發(fā)后的弛豫過程 它可以是輻射躍遷，它可以是輻射躍遷，即特征即特征X X射線；也可以射線；也可以是非輻射躍遷，如俄歇是非輻射躍遷，如俄歇電子發(fā)射電子發(fā)射; ;這些過程都這些過程都具特征能量，可用來進(jìn)具特征能量，可用來進(jìn)行成分分析。行成分分析。 當(dāng)內(nèi)層電子被運(yùn)動(dòng)的當(dāng)內(nèi)層電子被運(yùn)動(dòng)的電子轟擊脫離原子后，原電子轟擊脫離原子后，原子處于高度激

35、發(fā)狀態(tài)，它子處于高度激發(fā)狀態(tài)，它將躍遷到能量較低的狀態(tài)，將躍遷到能量較低的狀態(tài)，這種過程稱為這種過程稱為弛豫過程。弛豫過程。2.3 2.3 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子與固體物質(zhì)的相互作用2.3.32.3.3 各種電子信號(hào)各種電子信號(hào) 在電子與固體物質(zhì)相互作用過程中產(chǎn)生的電子信在電子與固體物質(zhì)相互作用過程中產(chǎn)生的電子信號(hào)，除了二次電子、俄歇電子和特征能量損失電子外，號(hào)，除了二次電子、俄歇電子和特征能量損失電子外，還有背散射電子、透射電子和吸收電子等。還有背散射電子、透射電子和吸收電子等。1 1、背散射電子、背散射電子 電子射入試樣后，受到原子的彈性和非彈性散電子射入試樣后，受到原子的彈性和非彈

36、性散射，有一部分電子的總散射角大于射，有一部分電子的總散射角大于9090，重新從試，重新從試樣表面逸出，稱為背散射電子，這個(gè)過程稱為背散樣表面逸出，稱為背散射電子，這個(gè)過程稱為背散射。射?？煞譃閺椥员成⑸?、單次（多次）非彈性背散可分為彈性背散射、單次（多次）非彈性背散射。通過接收電子的探測儀，可探測不同能量的電射。通過接收電子的探測儀，可探測不同能量的電子數(shù)目。如圖所示：子數(shù)目。如圖所示： 掃描電鏡和電子探針中應(yīng)用背散射電子成像，掃描電鏡和電子探針中應(yīng)用背散射電子成像，稱為背散射電子像。其分辨率較二次電子像低。稱為背散射電子像。其分辨率較二次電子像低。2.3 2.3 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子與固體物質(zhì)的相互作用2.