CH5P108-145顯微總A4講課稿

1、PAGE PAGE 150 第五章 顯微分析及微束分析實(shí)物總以一定的形態(tài)存在，物質(zhì)電子、原子、分子層次的變化都會(huì)以不同層次微觀形態(tài)體現(xiàn)，物質(zhì)的任何宏觀性能或行為，都由其各層次的微觀形態(tài)所決定。另一方面就同層次而言，物質(zhì)的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)或組織形態(tài)，其均勻性是相對(duì)的，不均勻卻是絕對(duì)的，正是這種不均勻性的組合，形成從宏觀到微觀各層次的萬(wàn)千世界。顯微分析及結(jié)合微區(qū)形態(tài)的微束分析是人類(lèi)認(rèn)知微觀世界、研究自然科學(xué)機(jī)制、機(jī)理、本質(zhì)問(wèn)題最直觀的途徑?！鞍俾劜蝗缫灰?jiàn)”“眼見(jiàn)為實(shí)”，都說(shuō)明視覺(jué)信息的重要。然而，人眼視覺(jué)能力有限，只有借助成像技術(shù)。從微米分辨的光學(xué)顯微鏡、納米分辨的掃描電鏡、隧道電鏡到原子分辨的

2、透射電鏡，從常規(guī)聚焦光學(xué)成像到非聚焦掃描成像，從超聲波成象到射線計(jì)算機(jī)層析成像、核磁共振波譜成像，物質(zhì)科學(xué)與圖像信息科學(xué)的結(jié)合層層深入，將看不見(jiàn)的微觀奧秘轉(zhuǎn)為形象生動(dòng)的圖像世界。原則上，物質(zhì)中能激發(fā)的任何一種與空間相關(guān)的信息都可以成像。本章以電子光學(xué)成像技術(shù)為代表，介紹現(xiàn)代分析中顯微成像的基本概念、儀器原理和顯微分析應(yīng)用。5-1 顯微學(xué)基礎(chǔ)顯微分析技術(shù)是用顯微鏡作為工具直觀表征物質(zhì)微觀形貌的方法。研究顯微成像的理論、方法和技術(shù)等綜合性學(xué)科稱(chēng)為顯微學(xué)，顯微學(xué)的基礎(chǔ)是顯微光學(xué)原理。5-1-1 顯微成像與視覺(jué)局限1圖像的概念圖像是反映客觀物質(zhì)(及過(guò)程)與時(shí)空關(guān)聯(lián)的特征信息列陣，圖像的維數(shù)與客觀物或其

3、過(guò)程特征量的維數(shù)應(yīng)一致。物質(zhì)圖像顯示該物某特征量的空間分布信息。映射產(chǎn)生圖像，圖像描述客觀事物或其過(guò)程。本章所指的圖像，不同于前面的化學(xué)成份圖譜(Spectrum)和衍射花樣圖相(Pattern)，也不同于含主觀意念的圖畫(huà)(Picture)，而是物質(zhì)真實(shí)空間的映像(Image)。圖像由象素組成，圖像有兩個(gè)基本要素：襯度和空間分辨率。襯度即圖像對(duì)比度，也即象素值層次。沒(méi)有襯度或很低，就看不見(jiàn)圖像。圖像空間分辨率，可由象素值在可分辨條件下的像元總數(shù)來(lái)表述?？煞直娴南裨倲?shù)越多，則反映客觀物的細(xì)節(jié)越清楚。圖像空間分辨極限可定義為由圖像中可分辨的兩像元最小距離。形成可視化圖像必須有兩個(gè)條件：一是要有傳

4、遞物特征量的信息載子，如可見(jiàn)光、紅外光、紫外光、光、電子、中子和超聲波等各種頻帶的電磁波、能量波和粒子束等；二是要通過(guò)適當(dāng)?shù)某上裣到y(tǒng)轉(zhuǎn)化為人眼能感受的像。客觀世界中人眼不能分辨的所有細(xì)微結(jié)構(gòu)總稱(chēng)為微觀世界。顯微成像技術(shù)的任務(wù)是放大微觀世界的圖像，使人眼能夠直接觀察。2. 人類(lèi)視覺(jué)的局限人眼是精巧和相當(dāng)完善的天然成像系統(tǒng)，它影響著最終判斷圖像的質(zhì)量。但人眼從頻率域、空間域等都有明顯的局限性，所有視覺(jué)分析儀器必須針對(duì)人眼的局限性而設(shè)計(jì)。首先人眼只能感受可見(jiàn)光，而可見(jiàn)光只是整個(gè)宇宙光波段中極小部分，絕大部分信息都是人眼不能直接獲取，而要借助儀器轉(zhuǎn)化成各種圖像視覺(jué)，這涉及的是成像物理。顯微圖像關(guān)鍵的是

5、人眼的空間分辨力和襯度層次有限性?？臻g分辨能力即視力定義為：在照明最佳條件(約103 l x，照度單位：勒克司)下，以最小分辨角的倒數(shù)表示，即=1/；或用在明視距離（250 ）能分辨的最小尺度或空間頻率響應(yīng)每毫米線（對(duì)）數(shù)表示。人眼的角分辨率約1（1/60度）；能分辨兩點(diǎn)的最小距離0.2-0.1mm；線分辨率高于點(diǎn)分辨率，空間分辨響應(yīng)最好約1-0.5(線對(duì))/mm 從生物物理上，人眼感受圖像的襯度必須大于5%，即感受灰度級(jí)別不到20級(jí)。人眼亮度響應(yīng)是非線性的對(duì)數(shù)響應(yīng)，亮度差別很大的圖像，人眼感受并不大。人眼對(duì)亮暗變化還存在馬赫效應(yīng)，對(duì)相互鄰接的均勻亮度區(qū)，人眼“過(guò)量調(diào)整”為不均勻。即亮區(qū)緊鄰的

6、暗區(qū)顯得比實(shí)際更暗；反之，亮區(qū)顯的更亮。另外，心理感覺(jué)上，人類(lèi)視覺(jué)對(duì)不同圖像、不同部位的權(quán)重、角度或主觀因素不同，理解圖像會(huì)不同。同一照片，正反面、順倒向看都不同。人類(lèi)視覺(jué)常常會(huì)造成假象?？傊?，人眼在信息帶寬、靈敏度、分辨率、定量和客觀性等方面都存在局限性。圖5-1-1艾利斑和瑞利判據(jù)3光學(xué)分辨的阿貝公式為了揭示物質(zhì)微觀世界的奧秘，人類(lèi)必須借助顯微鏡。顯微的兩個(gè)核心問(wèn)題：一是成象襯度；二是儀器分辨能力。按一定襯度原理設(shè)計(jì)的顯微鏡最重要指標(biāo)是分辨率。光學(xué)分辨率，能分辨開(kāi)兩點(diǎn)的最小距離，是由衍射效應(yīng)和像差效應(yīng)兩類(lèi)因素決定的。光的波動(dòng)性產(chǎn)生衍射效應(yīng)，一個(gè)物點(diǎn)通過(guò)透鏡所形成的像不是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是由中

7、心亮、周?chē)靼迪嚅g同心環(huán)的園斑，稱(chēng)為艾利（Airy）斑。如圖5-1-1。兩物點(diǎn)靠近時(shí)，像面上兩個(gè)Airy斑也相應(yīng)彼此靠攏。當(dāng)兩個(gè)中心亮斑重迭一半時(shí)，兩亮峰強(qiáng)度與中心迭加的峰谷強(qiáng)度差（即襯度）G =19 %，此時(shí)人眼尚能感覺(jué)和分辨開(kāi)兩亮斑。如兩物點(diǎn)進(jìn)一步靠近，當(dāng)它們的Airy斑重迭過(guò)于厲害，襯度下降，以致兩物點(diǎn)圖像界限模糊無(wú)法分辨。 英國(guó)科學(xué)家瑞利（Rayleigh）把上述Airy斑中心亮環(huán)半徑RO這一特征位置還原到物方兩物點(diǎn)間的距離（或d），定義為顯微鏡的分辨本領(lǐng)，此即所謂分辨率的瑞利判據(jù)。19世紀(jì)末，德國(guó)光學(xué)家、蔡司(Zeiss)公司創(chuàng)始人阿貝(Abbe)推導(dǎo)出顯微分辨率公式: = （5-1

8、-1）式中，為入射波的波長(zhǎng)，n透鏡周?chē)橘|(zhì)的折射率；為物點(diǎn)對(duì)透鏡所張開(kāi)的孔徑半角，nsin通稱(chēng)數(shù)值孔徑，即考慮介質(zhì)等因素的有效孔徑，用N.A表示?？梢?jiàn)，波長(zhǎng)越短、有效孔徑越大，顯微鏡分辨能力越高。光學(xué)顯微鏡通過(guò)凹凸透鏡組合增大有效孔徑半角，能提高分辨極限。但因sin1，通過(guò)增大有效孔徑，分辨能力提高有限。事實(shí)上，空氣中任何透鏡系統(tǒng)的N.A均小于1，既使最好的油浸透鏡，N.A1.5 ，故（5-1-1）式可簡(jiǎn)化為:/ 2 。這樣，顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于（或不優(yōu)于）半波長(zhǎng)。這就是光學(xué)顯微分辨理論上著名的阿貝壁壘。可見(jiàn)光波長(zhǎng)約400nm，既使更短的紫外線波長(zhǎng)也限于200nm。因此，光學(xué)顯微鏡的理論

9、分辨極限0.1-0.2m.；相應(yīng)的有效放大率M1000倍左右。光學(xué)顯微鏡自17世紀(jì)列文.虎可(Leevwen.Hooke)發(fā)明后，雖不斷獲得改進(jìn)，并對(duì)人類(lèi)揭示微觀世界的歷史作出了巨大貢獻(xiàn)，但幾百年來(lái)難以突破上述阿貝壁壘。突破阿貝壁壘提高顯微分辨率的途徑有：找尋短波長(zhǎng)的信息載流子和改進(jìn)成像系統(tǒng)。根據(jù)前面波粒二象性和德布羅意質(zhì)粒波公式=h/mv，高速電子流也是波，而且波長(zhǎng)極短。如100KV高壓產(chǎn)生的電子波波長(zhǎng)0.0037nm，是可見(jiàn)光波長(zhǎng)400nm的十萬(wàn)分之一。所以電子波的發(fā)現(xiàn)，使顯微鏡出現(xiàn)“柳暗花明又一村”的曙光。在成像系統(tǒng)方面，采用（近場(chǎng)）掃描成像和相位襯度成像。這些都成為顯微學(xué)榮獲Nobel

10、獎(jiǎng)的重大科技突破。5-1-2光波與電子波的聚焦原理圖5-1-2 折射定律不論何種信息載流子能否成像，除襯度外還要考慮聚焦及其像差。所謂聚焦是：物方同一點(diǎn)發(fā)出不同角度的波，通過(guò)透鏡同時(shí)聚集到象方一點(diǎn)，物-象點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，不論是顯微成像還是微束激發(fā)，首先要能聚焦，沒(méi)有偏轉(zhuǎn)就不能放大或縮小。1光學(xué)聚焦的折射定律普通光靠玻璃透鏡偏轉(zhuǎn)聚焦。如圖5-1-2，不同媒質(zhì)的折射定律：= N21 （5-1-2）式中，為入射角、為折射角；V1、V2 、1、2 、n1、n2 分別為第一和第二介質(zhì)的光速、波長(zhǎng)和折射率；N21為相對(duì)折射率。圖5-1-3 電子束在電場(chǎng)作用下的折射上式說(shuō)明通過(guò)光密介質(zhì)，折射率大，光線越靠近界面法

11、線，偏折越大。改變透鏡曲率形態(tài)或材料，能調(diào)節(jié)光線偏折方向和大小，即改變焦距正或負(fù)、大或小。透鏡的透射和偏折能力與入射光種類(lèi)和透鏡材質(zhì)有關(guān)。可見(jiàn)光對(duì)玻璃透鏡幾乎全透明并折射，但對(duì)紅外光則不透明也不折射。X射線波長(zhǎng)短、透射能力強(qiáng)，能透過(guò)玻璃、金屬等，但至今還沒(méi)找到一種物質(zhì)對(duì)X射線有折射率。X射線只能靠彎晶Bragg衍射（選擇性反射）來(lái)實(shí)現(xiàn)折射。電子波則靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)聚焦，有類(lèi)似的偏折規(guī)律。（如圖5-1-3）2電磁透鏡聚焦原理 如以電子作信息載流子，電子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力、在磁場(chǎng)中受羅倫茲力，電場(chǎng)或磁場(chǎng)對(duì)電子波就有可能起偏轉(zhuǎn)聚焦的透鏡作用，電力或磁力線密度的變化，即媒質(zhì)疏密即折射率的變化，相應(yīng)的透鏡

12、分別稱(chēng)為靜電透鏡或磁透鏡。下面以磁透鏡說(shuō)明電子聚焦原理。如圖5-1-4，直流高壓加速的電子e在磁場(chǎng)中受羅倫茲（Lorentz）力 F=-e.BV 或 |F|= e.BV.sin(V,B) （5-1-3） 式中，為電子方向V與磁場(chǎng)方向B的夾角?？煞纸獬蓛煞N運(yùn)動(dòng)的合成：當(dāng)=0、 V/B，則F=0，電子以Vcos作勻速直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)=90、VB，電子以Vsin作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。一般情況下，電子合成運(yùn)動(dòng)軌跡由徑向的勻加速圓周運(yùn)動(dòng)和軸向的勻速直線運(yùn)動(dòng)合成的螺線運(yùn)動(dòng)（圖5-1-4，b）。由向心力公式可求出周期和螺距等： F = = e.B.(Vsin) （5-1-4）螺線運(yùn)動(dòng)半徑 R= （5-1-5）電子旋轉(zhuǎn)

13、周期 = （5-1-6）螺線截距 =Vcos=Vcos （5-1-7） 從（5-1-6），電子聚焦的時(shí)間與電子束發(fā)散角度無(wú)關(guān)，具有聚焦的等時(shí)性。從（5-1-7），當(dāng)很小，即近軸電子束的條件下，cos 1；這里螺線截距相當(dāng)于焦距f f = （5-1-8）當(dāng)電子速V（取決于加速電壓U）和磁場(chǎng)B（或H）一定時(shí)，軸向匯聚位移相同，即不同方向電子都能被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)聚焦。勵(lì)磁電流越大，磁性B越強(qiáng)，電磁透鏡焦距f越短實(shí)際磁透鏡是由外包鐵殼、以極靴集聚磁極的短螺線管線圈組成（圖5-1-4，c），短磁透鏡對(duì)應(yīng)著光學(xué)薄透鏡。磁透鏡調(diào)電流比靜電透鏡調(diào)高壓安全方便、所以更常用。圖5-1-4 電磁透鏡工作原理(a.電子在短

14、螺圈磁場(chǎng)受力, b.電子運(yùn)動(dòng)軌跡, c.實(shí)際磁透鏡)3兩種聚焦類(lèi)比和廣義聚焦以上可看出對(duì)電子而言，磁場(chǎng)B（或H）起了光學(xué)透鏡對(duì)光的會(huì)聚作用。下面通過(guò)類(lèi)比，進(jìn)一步理解電磁波與粒子波兩類(lèi)聚焦的內(nèi)涵與外延。 費(fèi)馬(Fermat)最快到達(dá)原理：同一點(diǎn)源發(fā)出的場(chǎng)波，總沿著最快的路徑,走最短的物理波程；這就是說(shuō)，光波傳播的同時(shí)性，其物理光程為ndx，它總趨于最小值。這里起調(diào)制作用的關(guān)鍵是介質(zhì)的折射率n.費(fèi)馬原理是場(chǎng)波（或稱(chēng)玻色子）偏折聚焦的內(nèi)涵，也即玻璃透鏡幾何光學(xué)聚焦的原理。 歐勒(Enler)最小作用量原理：同一運(yùn)動(dòng)質(zhì)粒（或稱(chēng)費(fèi)米子）總是沿著最小阻力路徑，消耗最小的作用量。物理作用量在電場(chǎng)中為Udx

15、；在磁場(chǎng)中為 Hdx。在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，電子總是力圖沿等位面或等磁勢(shì)面走最小阻力的路徑，通過(guò)不同的電位或磁位可達(dá)到調(diào)制聚焦作用。這里的電位U或磁位H，相當(dāng)于光學(xué)中的折射率n。能起到偏轉(zhuǎn)作用的電場(chǎng)或磁場(chǎng)類(lèi)似于光學(xué)透鏡，叫電透鏡或磁透鏡。歐勒原理是電磁透鏡電子光學(xué)聚焦的原理。不同的是后者通過(guò)改變電場(chǎng)或磁場(chǎng)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)度即焦距大小。這樣，光學(xué)聚焦和電子光學(xué)聚焦雖形式不同（如折線或螺旋線），效果則大同小異。兩者名詞術(shù)語(yǔ)、光學(xué)作圖、成像公式等均可類(lèi)比和借用，如光學(xué)作圖和定律等。這種廣義聚焦原理也適于超聲波等機(jī)械波，并可聯(lián)系到自然界自發(fā)過(guò)程走熵變dS最小的路徑，即dSmin的自然變化過(guò)程普遍原理。 圖5-1-5

16、 像差：球差,像散,色差5-1-3 透鏡的像差和分辨率不論何種透鏡成像，除了衍射效應(yīng)影響成像質(zhì)量外，還有各種像差影響成像質(zhì)量。由于聚焦的偏差造成映象的畸變統(tǒng)稱(chēng)像差，透鏡的像差如圖5-1-5所示，分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由于旁軸條件不滿足時(shí)產(chǎn)生的幾何像差。它是折射介質(zhì)幾何形狀（玻璃曲面或等磁位面的形狀）的函數(shù)，包括球面像差（球差）、像散和畸變等。另一類(lèi)是由于光或電子的波長(zhǎng)（或能量）非單一性所引起的物理像差，它與多色光相似，叫做色差。 1球差透鏡的邊緣部分對(duì)光線的折射能力比旁軸區(qū)域強(qiáng)，于是導(dǎo)致圖像的缺陷，稱(chēng)為球差。在電磁透鏡磁場(chǎng)中。遠(yuǎn)軸區(qū)對(duì)電子束的折射能力比近軸區(qū)的強(qiáng)，此類(lèi)球差稱(chēng)為正球差。由于透鏡中心和邊

17、緣區(qū)域?qū)庾踊螂娮泳劢鼓芰Σ煌?，理想物點(diǎn)所散射的光或電子束經(jīng)透鏡后，不能會(huì)聚在同一像點(diǎn)上，而聚在一定的軸向距離內(nèi)，造成的軸向偏差。物點(diǎn)在象平面的像不是一點(diǎn)，而是一個(gè)彌散斑。 其半徑還原到物平面上為: rs = （）Cs3 （5-1-10） 式中，為透鏡的孔徑半角，Cs為球差系數(shù)。由上式可知，球差隨增大而迅速增大，即透鏡分辨能力迅速變壞。減小球差最小彌散圓斑的半徑，提高透鏡的分辨本領(lǐng)。透鏡中，只有當(dāng)參加成像的光或電子的軌跡滿足近軸條件，物平面上所有質(zhì)點(diǎn)才能被單值地和無(wú)變形地在像平面上成像。但實(shí)際情況并非都嚴(yán)格滿足近軸條件，因而造成球差。用適當(dāng)?shù)墓怅@消除離軸過(guò)遠(yuǎn)軌跡上的電子波，即小孔徑成像，可部分

18、消除球差。光學(xué)透鏡可采用凹凸透鏡組，在大孔徑成像時(shí)，也能消除透鏡的像差。對(duì)電/磁透鏡、折射介質(zhì)(即電/磁場(chǎng))，僅能形成正透鏡，只有小孔徑成像減少球差；而且球差僅減少而不可能完全消除。圖5-1-6畸變：枕形,桶形此外，球差除了影響透鏡的分辨率外，還引起圖像的畸變。如圖5-1-6，圖像畸變的特征是：像的放大倍數(shù)隨離軸徑向距離增加而變化，圖像雖清晰，但圖像因離軸徑向距離不同產(chǎn)生不同程度的位移。一般，正球差產(chǎn)生枕形畸變；負(fù)球差產(chǎn)生桶形畸變。由于磁透鏡的磁轉(zhuǎn)角，故還會(huì)有旋轉(zhuǎn)畸變。 球差系數(shù)隨激磁電流增大而減小。當(dāng)透鏡在強(qiáng)激磁時(shí)，CS幾乎接近于常數(shù)。另外，球差減小時(shí)，畸變減小。 2像散 由于透鏡的對(duì)稱(chēng)性受

19、到破壞，即使是旁軸成像，也表現(xiàn)在透鏡徑向不同方向上有不同的聚焦能力。如圖5-1-5，b所示，當(dāng)一物點(diǎn)散射的光與電子通過(guò)透鏡磁場(chǎng)后，在透鏡的不同方向上聚焦能力不同，同一發(fā)散角的光也不能聚焦于一個(gè)像點(diǎn)上，而是在軸向距離上散焦，成像造成徑向偏差，圓形物點(diǎn)的象變成了橢圓形的彌散斑點(diǎn)，這稱(chēng)為像散。設(shè)x方向聚焦強(qiáng)，y方向較弱。方向的電子，聚焦在與方向垂直的一條線上；同樣Y方向的電子，則聚焦在與Y方向垂直的另一條線上。兩條焦線間存在一個(gè)像散焦距差f.不管怎樣改變聚焦，在兩個(gè)方向上都不能獲得清晰的像。在兩線間的軸上可找到一個(gè)最小的圓斑，將其約化到物平面的半徑為 rA = f (5-1-11)式中， f是約化到

20、物平面的像散焦距差。引起透鏡聚焦不對(duì)稱(chēng)的原因：透鏡加工不對(duì)稱(chēng)或光軸與透鏡軸不同心等。例如電磁透鏡極靴孔不呈圓形或有污染物。通過(guò)清潔、合軸對(duì)中和徑向補(bǔ)償可以消除像散。引入強(qiáng)度和方位可調(diào)節(jié)的矯正磁場(chǎng)補(bǔ)償，稱(chēng)之為磁消像散器。3. 色差 色差是成像載流子（光子、電子等）的波長(zhǎng)（速度、能量）不同造成的聚焦偏差。色差與旁軸條件無(wú)關(guān)。即使在旁軸條件下，一個(gè)物點(diǎn)散射出具有不同能量的電子，通過(guò)透鏡磁場(chǎng)后，所受的折射能力不同。能量大的電子有較長(zhǎng)的焦距，能量小的電子有較短的焦距，不能聚焦在一個(gè)像點(diǎn)上，而分別聚焦在一定的軸向距離范圍內(nèi)。如圖5-1-5，C所示，在該軸向距離范圍內(nèi)存在著一個(gè)最小彌散圓斑，即所謂色差彌散斑

21、。將其約化到物平面上的半徑為 rE = Ce() (5-1-12)式中，Ce為電磁透鏡的色差系數(shù)，隨激磁電流增加而減?。籈/E為電子束能量變化率。引起成像電子束能量波動(dòng)的原因有：加速電壓不穩(wěn)，引起照明電子束的能量波動(dòng)；電子束與試樣原子核外的電子相互作用，產(chǎn)生非彈性散射，引起電子的能量損失。一般，樣品越厚，電子非彈性散射的幾率越大，電子能量損失越大，則色差越大。工作中除盡量減小試樣厚度外，要提高加速電壓的穩(wěn)定性，以利于提高透鏡的分辨本領(lǐng)。4最佳孔徑角與分辨率從（5-1-1）式及前面討論可知顯微鏡的分辨能力由衍射效應(yīng)和實(shí)際像差決定。光學(xué)透鏡可采取會(huì)聚鏡和發(fā)散鏡組合或設(shè)計(jì)特殊形狀折射面來(lái)矯正像差，使

22、光學(xué)透鏡的像差減少到可以忽略（相對(duì)于衍射效應(yīng)）。光學(xué)透鏡孔徑半角可達(dá)75，最佳分辨率可達(dá)/。因此光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于衍射效應(yīng)，主要制約因素是波長(zhǎng)。電磁聚焦只有凸透鏡，只能聚焦不能發(fā)散，球差不可避免。電子光學(xué)成像，波長(zhǎng)很短。例如加速電壓100 KV時(shí)，=0.0037nm。若按式(5-1-1)計(jì)算，分辨率應(yīng)達(dá)0.002nm，實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。說(shuō)明對(duì)電鏡分辨力的制約因素主要不是衍射效應(yīng)的波長(zhǎng)，而是影響球差效應(yīng)的孔徑角。由顯微分辨率公式（5-1-1），增大孔徑半角，能提高分辨率，從衍射角度，孔徑角越大越好；但根據(jù)球差公式（5-1-10）增大孔徑半角，球差增大，減小分辨率。從像差角度，孔徑角越小越

23、好。顯然兩者是矛盾的，兼顧兩點(diǎn)就必須尋求一個(gè)協(xié)調(diào)的最佳值。圖5-1-7最佳孔徑角對(duì)電磁透鏡來(lái)說(shuō)，其數(shù)值孔徑很小，有sin（rad）。于是，當(dāng)衍射效應(yīng)的埃利斑與球差效益的彌散斑兩者尺寸相等，即式(5-1-1)與(5-1-10)兩曲線的交點(diǎn)，由0.61/=0.25 Cs3 ，確定最佳孔徑半角和最小分辨距離。（如圖5-1-7）分別為0 = 1.25（）1/4 （5-1-13）o = 0.43 CS1/43/4 (5-1-14)代入典型值：=0.002 nm、CS=1mm 算得電磁透鏡最佳孔徑角約為10-2弧度，相應(yīng)分辨率為0.1nm.可見(jiàn)，雖然電子波比可見(jiàn)光要短幾十萬(wàn)倍以上，但因最佳孔徑角只是光學(xué)透

24、鏡的幾百分之一， 由（5-1-1）計(jì)算的電鏡分辨能力比光學(xué)顯微鏡高幾千倍，分辨率由光鏡的0.1深入到0.1nm，剛好與原子大小數(shù)量級(jí)相當(dāng)。5-1-4 透鏡成象的高斯公式與阿貝原理1透鏡成象的光學(xué)作圖和成象公式一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的光束，稱(chēng)為同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)折射后聚在一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為該物點(diǎn)的像。透鏡成像要求保持像和物的幾何相似性，依靠的是光在均勻介質(zhì)中的直線傳播。在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，透鏡（光闌）的大小總是有限的，故透鏡成像，實(shí)質(zhì)上是在一定平面上獲得衍射圖像。光學(xué)作圖原則：從一物點(diǎn)射出的光或電子波，如平行于主軸的，過(guò)透鏡后必過(guò)透鏡的背焦點(diǎn)；過(guò)透鏡中心的則不變向；過(guò)透鏡前焦點(diǎn)的，經(jīng)過(guò)透鏡后變成平行于主軸。

25、只要確定了其中任兩條光路，它們的交點(diǎn)就是相應(yīng)的像點(diǎn)，依此類(lèi)推，物象對(duì)應(yīng)。通過(guò)光學(xué)作圖，由幾何關(guān)系代數(shù)運(yùn)算，可得到描述透鏡成像的高斯公式和放大率公式： 和 M =像長(zhǎng)/物長(zhǎng)= （5-1-15）u、v、f 分別是物距、象距和焦距，M為放大率。對(duì)光學(xué)透鏡，有凸透鏡、凹透鏡，對(duì)應(yīng)f有正、負(fù)；電磁透鏡f則恒為正。當(dāng)2f u f，M 1圖5-1-8 共軸透鏡組的成像光路2透鏡組成象共軸透鏡組成像過(guò)程中，前一個(gè)折射面所成的像，即為后一個(gè)射面的物。經(jīng)證明，共軸球面透鏡組系統(tǒng)利用近軸光可以完善地成像。研究共軸系統(tǒng)的成像問(wèn)題，常把共軸球面系統(tǒng)作為一個(gè)整體，而不必逐一研究每個(gè)面的成像。圖5-1-8 代表一個(gè)透鏡組，

26、物PQ通過(guò)該系統(tǒng)成像于PQ，由Q點(diǎn)發(fā)出的平行光經(jīng)系統(tǒng)偏折后與軸的交點(diǎn)定義為系統(tǒng)的第二焦點(diǎn)F。把這條光線的入射部分和出射部分延長(zhǎng)，如圖中虛線所示，交于點(diǎn)。過(guò)點(diǎn)并垂直于軸的平面叫做系統(tǒng)的第二主平面，它與軸相交的點(diǎn)在叫做第二主點(diǎn)。于是，平行光好像僅僅在第二主平面上作一次偏折就從系統(tǒng)出射。同樣，穿過(guò)第一焦點(diǎn)的入射光線，可視為僅在點(diǎn)作一次偏折就從系統(tǒng)以平行軸方向出射。過(guò)點(diǎn)的平面叫第一主平面，點(diǎn)叫第一主點(diǎn)。這里引出的兩個(gè)焦點(diǎn)和兩個(gè)主點(diǎn)，是表征系統(tǒng)成像性能的基點(diǎn)。用上圖所示的光路圖可以不必考慮系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，而是由主平面的一次偏折代替了系統(tǒng)中許多個(gè)實(shí)際的折射和反射。這種分析方法可用于任何厚、薄透鏡和透鏡組。

27、圖5-1-9 阿貝衍射成像原理3阿貝成像原理和光學(xué)濾波 (1) 阿貝成像過(guò)程光學(xué)成像的過(guò)程可用阿貝衍射成像原理來(lái)描述。如圖5-1-9所示。當(dāng)平行光束照射到周期結(jié)構(gòu)的試樣AB時(shí)，除產(chǎn)生透射束(即零級(jí)衍射束)外，還產(chǎn)生各級(jí)衍射束，經(jīng)透鏡OL聚焦，在其后焦面產(chǎn)生各級(jí)衍射束的振幅極值，稱(chēng)夫瑯和費(fèi)衍射花樣，形成衍射譜；各極大值又可作為次級(jí)相干光源，它們發(fā)出的次級(jí)波，在像平面上相干成像。可見(jiàn)，成像分兩步：首先是平行光束與周期性物樣的散射作用產(chǎn)生衍射束經(jīng)透鏡聚焦后形成各級(jí)衍射譜，即物的信息通過(guò)衍射譜呈現(xiàn)。然后是各次級(jí)衍射波間相互干涉，又在像平面上重建對(duì)應(yīng)物點(diǎn)的像。光路上，物樣同一點(diǎn)發(fā)出的各級(jí)衍射波經(jīng)兩步過(guò)程

28、后在像面會(huì)聚為一點(diǎn)；而從物樣不同點(diǎn)發(fā)出的同級(jí)衍射波經(jīng)過(guò)透鏡后，都會(huì)聚到后焦面上的一點(diǎn)。衍射和成像互相轉(zhuǎn)換。衍射斑與各級(jí)衍射光對(duì)應(yīng)，像點(diǎn)則與物點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。（2）阿貝成像的數(shù)學(xué)分析根據(jù)富氏變換原理，任何物的像函數(shù)可視為許多不同頻率的簡(jiǎn)單正弦波的疊加。所以，任何物像第一步經(jīng)透鏡的富立葉調(diào)制，在后焦面形成衍射斑頻譜：直流分量(函數(shù))和一系列正弦分量；第二步，頻譜上各衍射斑點(diǎn)又成為新的相干光源，經(jīng)相干（富立葉反變換）各級(jí)分量迭代，在象面還原成與物點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的像。透鏡（光闌）的大小總是有限的。因此，有關(guān)透鏡的衍射，包括三個(gè)方面的效應(yīng)： 界面折射（折射也是一種衍射），其作用是使x處的物點(diǎn)成像于x處； 折射光有

29、所發(fā)散，其結(jié)果是使像點(diǎn)變成像斑； 透鏡孔徑半角愈大，收集的高頻分量愈多，透鏡分辨率也愈高；但總有損失。由于成像是各次級(jí)衍射波間干涉的結(jié)果，因此成像須至少有兩級(jí)行射束（零級(jí)與某個(gè)次級(jí)）參與。設(shè)透鏡所成的像能分辨間距的狹縫光柵，至少要使光柵的一級(jí)衍射波通過(guò)透鏡，必須有 arc sin(/) 的衍射波參與成像。成像條件:物點(diǎn)對(duì)物鏡的張角2，即 /sin 2 (0.60.7) /sin 這與阿貝公式一致。這說(shuō)明，只要物的某個(gè)正弦分量的衍射波能參與成像，其周期就是可以分辨的。一般，低頻（直流分量）對(duì)應(yīng)主要輪廓，高頻正弦分量對(duì)應(yīng)圖像（物）的細(xì)節(jié)部分。透鏡孔徑角愈大，收集的高頻分量愈多，參與成像的衍射波越多

30、，圖像越逼真，透鏡分辨率也就愈高。但總有部分高頻分量不能參與透鏡成像，所以像總不完美。根據(jù)富氏變換原理，對(duì)于一般非周期結(jié)構(gòu)的物，其成像原理和周期結(jié)構(gòu)物是一樣的。圖5-1-10 光學(xué)濾波 （3）空間濾波和光學(xué)傳遞函數(shù)根據(jù)阿貝成像原理和信息論，把成像視為一種多級(jí)信息通道，如在透鏡后焦面放置光闌或?yàn)V波片，可以阻擋或選擇部分頻率分量的波參與成像，像的頻率組成改變，像也隨之變化，這叫光學(xué)濾波。濾波片的作用相當(dāng)于信息通道中插入傳遞函數(shù)。下面以圖5-1-10所示的用平面網(wǎng)孔光柵成像來(lái)說(shuō)明空間濾波現(xiàn)象：上排圖a是不濾波，讓盡可能多的衍射斑點(diǎn)參與成像，終像與物相似；當(dāng)單色光被網(wǎng)孔光柵衍射，在透鏡的后焦面形成二維

31、的衍射斑點(diǎn)形成下排圖e；當(dāng)物像b光柵網(wǎng)孔有灰塵污染，灰塵也參與成像，其對(duì)應(yīng)的衍射斑點(diǎn)的中央出現(xiàn)云霧狀如下排圖f；當(dāng)物像g，用一個(gè)圓孔作濾波器，只讓中央云霧狀衍射圖像通過(guò)(低通)，剩下只是灰塵粒子像，而無(wú)周期結(jié)構(gòu)像如上排圖c；反過(guò)來(lái)，如果插入圓濾波器只擋住中央云霧狀的衍射圖像，那么物像上將看不到有灰塵；最后，如圖所示，讓包括中心斑在內(nèi)的一排衍射斑點(diǎn)參與成像，圖像會(huì)是如同上排圖d的一組平行線柵；如只留下中心斑點(diǎn)，把其余斑點(diǎn)全擋住，則最終圖像是沒(méi)有細(xì)節(jié)的均勻光場(chǎng)。5-1-5顯微鏡技術(shù)參數(shù)和顯微成像技術(shù)分類(lèi)1顯微鏡技術(shù)參數(shù)及其關(guān)系（1）分辨能力與放大倍數(shù)一般，表明透鏡像放大倍數(shù)等于相應(yīng)像距和物距之比。

32、放大率定義為M =象長(zhǎng)/物長(zhǎng)； 在照片中放大率由相應(yīng)標(biāo)尺算出，照片表觀放大率 ：M表= 標(biāo)尺長(zhǎng)/名義長(zhǎng) 在一定波長(zhǎng)條件下，超越儀器分辨極限儀 放大，僅使人看得舒服一些；過(guò)分放大所得到的影像只是模糊的虛放大。對(duì)應(yīng)于儀器分辨率的放大倍數(shù)稱(chēng)為有效的本征放大率， M本=人眼分辨極限人/ 儀器分辨極限儀 （5-1-15）根據(jù)實(shí)際需要或觀察方便，表觀放大率不一定等于本征放大率。顯微拍攝的底片是否還可繼續(xù)放大，要受儀器本征放大率和底、照片影像分辨率（影像再現(xiàn)時(shí)能保真的最小細(xì)節(jié)）的限制。另外，倍率越高，細(xì)節(jié)越細(xì)，但視場(chǎng)越小。要根據(jù)視場(chǎng)，合理選擇倍率。（2）襯度與亮度襯度是圖像相鄰部分相對(duì)亮度差，設(shè)I1、I2是

33、圖像鄰區(qū)的亮度(或圖像信號(hào)強(qiáng)度)，襯度定義： G= =1- （5-1-16） 圖5-1-11 景深與焦深G 10% 是形成人眼可視圖像的必要條件。各類(lèi)成象襯度機(jī)理是儀器設(shè)計(jì)及顯微分析的關(guān)鍵。上式可知，適當(dāng)減低亮度有利于提高襯度。（3）景深與焦深 景深也稱(chēng)場(chǎng)深，是保持圖像清晰的條件下，允許物樣物平面沿透鏡軸可移動(dòng)的距離Df。顯微鏡的景深決定可觀察樣品的厚度和層次。如圖5-1-11所示，它與物鏡孔徑半角和分辨率有關(guān): Df = (5-1-17)焦深也稱(chēng)焦長(zhǎng)，是指物距不變并保持圖像清晰的條件下，允許像平面沿透鏡軸可移動(dòng)的距離DL，焦深決定底片位置的寬容度。有： DL = （5-1-18） 式中，M為

34、透鏡放大倍數(shù)。電磁透鏡孔徑半角比普通光學(xué)透鏡要小得多，故電鏡比光鏡的景深、焦深都大得多。例如，電磁透鏡孔徑半角=10-2 rad，=1nm，M=200，則電磁透鏡景深Df= 200nm焦長(zhǎng)DL= 8mm；光學(xué)顯微鏡觀察孔徑半角大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，故景深和焦長(zhǎng)要小得多，樣品表面的平整度要求就越高。故光學(xué)分析金相樣品，必須拋光樣品表面。2微觀世界的層次與顯微成像技術(shù)分類(lèi)顯微成象儀器和技術(shù)可按激發(fā)源及其與物質(zhì)相互作用原理、信息處理方式和用途等不同分類(lèi)。人眼可視宏觀范圍約10310-3m，按物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)層次，主要顯微成象技術(shù)分為三個(gè)大區(qū)段：微米技術(shù)區(qū)、納米技術(shù)區(qū)和皮米技術(shù)區(qū)段。見(jiàn)圖5-1-12圖5-1-12

35、顯微層次和主要顯微成象技術(shù)微米結(jié)構(gòu)區(qū)(1mm10-1m)物質(zhì)典型組織如微電子元件及集成電路、材料學(xué)一般金相組織、生物學(xué)中的一般生物結(jié)構(gòu)，細(xì)胞、細(xì)菌等。典型儀器是以光學(xué)顯微鏡（含金相顯微鏡）、掃描電鏡為主，射線顯微鏡、中子顯微鏡和超聲顯微鏡等。納米結(jié)構(gòu)區(qū)(1m -10-1nm)物質(zhì)典型組織如金相組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)、晶格畸變、位錯(cuò)、有機(jī)大分子、病毒、DNA；該區(qū)儀器代表有：透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和光子掃描隧道顯微鏡等。原子級(jí)結(jié)構(gòu)區(qū)(1nm -10-1pm)除場(chǎng)離子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡由納米區(qū)段延伸外，主要靠晶體衍射技術(shù)。晶體衍射是間接成相技術(shù)，通過(guò)衍射測(cè)出

36、參數(shù)和信息，再擬合出原子(或離子)在晶體中三維空間的位置排列圖像。有射線衍射、中子衍射和電子衍射。此外還有核磁共振波譜間接成象技術(shù)，可測(cè)定溶液中生物分子或有機(jī)物分子的三維圖像。顯微鏡按激發(fā)源主要分：光鏡（含可見(jiàn)光、激光等）、帶電粒子顯微鏡（含電子、離子等）；按相互作用方式分透射式、反射式和發(fā)射式；按成象機(jī)制分聚焦型和掃描型。本書(shū)將代表性介紹其中最常用和典型的成象方法：OM、TEM、SEM、STM5-2 聚焦型顯微鏡5-2-1 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析是用可見(jiàn)光觀察物質(zhì)微米級(jí)表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。觀察生物等透明膜用透射式，習(xí)慣上稱(chēng)為生物顯微鏡；觀察不透明厚樣品只能用反射式，稱(chēng)為金相或巖相顯微鏡。金

37、相分析是將金屬樣品磨光和浸蝕后根據(jù)其表面各組成相的反射特性，對(duì)組織給以定性、定量描述的方法，是研究金屬材料最重要的方法之一，且已擴(kuò)展到非金屬。光鏡發(fā)現(xiàn)了生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和鋼鐵的金相組織，開(kāi)辟了現(xiàn)代生物學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域。圖5-2-1金相顯微鏡主光路 1光學(xué)金相顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理 金相顯微鏡是由光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)組的光學(xué)精密儀器，有臺(tái)式、立式、臥式等以及多用途的附件，以滿足不同的分析研究需要。光學(xué)系統(tǒng)是顯微鏡的主體，由鏡筒光路（圖5-2-1）和照明光路（圖5-2-2）組成。照明裝置（包括光源、聚光鏡組和光闌）提供可調(diào)節(jié)的照明光束。光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)聚光鏡、光闌組件形成光束，由平板玻璃反射轉(zhuǎn)向，聚焦在物鏡

38、后焦面，通過(guò)物鏡投射到位于物鏡前焦面外的物樣上。物樣的反射光，通過(guò)物鏡后，在物鏡像平面形成一個(gè)倒立的放大實(shí)像A1B1或虛像A2B2（落在目鏡焦點(diǎn)內(nèi)時(shí)）。 2金相顯微鏡的觀察方式 金相顯微鏡圖像的襯度主要是反射襯度。 像襯度是圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。提高襯度的途徑：一是改變照明方式；二是制樣，如樣品浸蝕改善表面顯示等。圖5-2-2金相顯微鏡的照明光路及光闌 （1）明場(chǎng)照明與明場(chǎng)像明場(chǎng)照明是最主要的觀察方法。樣品的平坦部分能將光大部分反射回物鏡，所以叫做明場(chǎng)照明。凹陷部分及反光較差的相將以灰暗的影像襯映在明亮的視場(chǎng)內(nèi)。一般，直接反射光（零級(jí)波）總是參與明場(chǎng)成像的。金相顯微鏡中，孔徑光闌所成的像在物鏡的

39、后焦面上?？s小孔徑光闌，進(jìn)人物鏡的光束截面就小，孔徑角也小，這時(shí)只有物鏡的中心部分工作，利于消除寬光束的單色像差，使圖像清晰，提高景深，提高像的襯度；但孔徑角小，相當(dāng)于改變了物鏡的數(shù)值孔徑，會(huì)降低物鏡的分辨能力。視場(chǎng)光闌所成的像在樣品的觀察面上。視場(chǎng)光闌可以調(diào)整視場(chǎng)范圍。適當(dāng)縮小可減少鏡筒內(nèi)的雜散光，增加圖像襯度。一般調(diào)節(jié)它到稍大于目鏡的視場(chǎng)。目鏡的倍率不同，視場(chǎng)大小不一樣，因此更換目鏡，視場(chǎng)光闌需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。圖5-2-3 暗場(chǎng)照明 （）暗場(chǎng)照明與暗場(chǎng)像如圖5-2-3，在視場(chǎng)光闌后插入一個(gè)環(huán)形光闌，來(lái)自光源的平行光形成環(huán)形光束，經(jīng)過(guò)垂直照明器內(nèi)平面玻璃轉(zhuǎn)向，再經(jīng)物鏡外圍的拋物面反射鏡，以大的

40、傾斜角投射到樣品表面，照明光線不穿過(guò)物鏡。物鏡像平面上的像是由樣品表面的衍射光形成的。與明場(chǎng)照明相反，如果樣品是鏡面，由樣品反射的光線仍以極大的傾斜角反射，不可能進(jìn)入物鏡；只有樣品凹洼處才能有光線反射進(jìn)人物鏡，樣品上的組織將以亮白影像映襯在漆黑的視場(chǎng)內(nèi)，如同夜空中的星星，謂之“暗場(chǎng)”照明。通常把衍射光成的像稱(chēng)為暗場(chǎng)像，特點(diǎn)是零級(jí)波不參與成像。暗場(chǎng)照明時(shí)，成像光束僅一次經(jīng)過(guò)物鏡，減少了光線多次通過(guò)玻璃/空氣界面所形反射與炫光，提高了圖像襯度。其次，能觀察非金屬夾雜物的透明度及真實(shí)色彩，便于正確鑒別非金屬夾雜物。因?yàn)榘祱?chǎng)照明時(shí)，金屬基體的反射光大部分不進(jìn)人物鏡，光線投射在夾雜物與金屬界面時(shí)產(chǎn)生反射

41、，透明的夾雜物成明亮色，不透明的夾雜物便成暗色。3偏光金相顯微鏡的原理圖5-2-4 偏光顯微鏡如圖5-2-4，在照明光路和觀察光路中各加一個(gè)偏振元件。前者稱(chēng)為起偏器，能將自然光變?yōu)榫€偏振光；后者稱(chēng)為檢偏器，用于檢驗(yàn)。起偏器位置應(yīng)調(diào)整到使入射偏振光的振動(dòng)方向與垂直照明器平板玻璃平行，目的使平板玻璃反射到樣品的光強(qiáng)度最高，且仍為直線偏振光。檢偏器只允許振動(dòng)方向與其偏振軸方向一致的光通過(guò)。設(shè)光振幅A1，振動(dòng)方向與檢偏器振動(dòng)面的夾角為，則通過(guò)檢偏器的光振幅2=1Cos。當(dāng)=90或=270時(shí)，兩個(gè)偏振器的振動(dòng)面正交，沒(méi)有光線通過(guò)檢偏器，稱(chēng)之為消光現(xiàn)象。一般，起偏器的位置固定，檢偏器可轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。 應(yīng)用于偏

42、振光金相組織：光學(xué)各向異性晶體（一般為非立方晶體）對(duì)偏振光的反應(yīng)極靈敏。偏振光垂直入射到晶體表面時(shí)，分解成振動(dòng)方向與晶體主截面垂直光以及與主截面平行光。因?yàn)榫w各向異性，對(duì)這兩種光的反射強(qiáng)度不同，產(chǎn)生襯度。Ruska (1906-1988) 5-2-2 透射電鏡原理及基本操作首臺(tái)透射電子顯微鏡1932年由德國(guó)的盧斯卡（Ruska）研制成。經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的實(shí)踐和發(fā)展，現(xiàn)已具有0.1-0.2nm的分辨率，高達(dá)百萬(wàn)倍的放大率，功能強(qiáng)大、用途廣泛。電鏡為人類(lèi)開(kāi)劈出納米和原子級(jí)微觀世界，人類(lèi)親眼目睹原子的夢(mèng)想正在實(shí)現(xiàn)。電子顯微鏡是二十世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，因此獲得Nobel物理獎(jiǎng)。通常說(shuō)電鏡多指透射型(TE

43、M),它以波長(zhǎng)極短的電子束為照明源，用電磁透鏡聚焦成像。它由電子光學(xué)、真空和電子三大系統(tǒng)組成。電子光學(xué)系統(tǒng)是顯微鏡的核心，可分為照明、成像、觀察與記錄三個(gè)子系統(tǒng)，組成積木式結(jié)構(gòu)。其光路原理與透射光學(xué)顯微鏡（TOM）類(lèi)似。圖5-2-6是一種TEM外觀；圖5-2-6是TEM與TOM主光路簡(jiǎn)圖。圖5-2-5 透射電鏡(JEM-2010F) 1. TEM基本結(jié)構(gòu)(1) 照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡、對(duì)中部件 照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對(duì)中及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用是為成像系統(tǒng)提供可調(diào)的高亮度、小孔徑角、束流穩(wěn)定的照明源。電子槍?zhuān)ǚQ(chēng)Wehnelt組件），由陰極、柵極和陽(yáng)極構(gòu)成。作用是發(fā)射穩(wěn)定高速

44、的電子束。. 圖5-2-6 TEM與TOM光路陰極普通型用V或Y形鎢絲，真空中通電加熱，當(dāng)溫度高達(dá)2000K時(shí)，鎢絲尖端表面電子獲得大于逸出功的能量，發(fā)射電子。溫度愈高，發(fā)射電子數(shù)愈多。新型照明源采用LaB6或單晶鎢/ZrO2場(chǎng)發(fā)射型電子槍提供高于鎢燈絲幾百倍的亮度。 陽(yáng)極又稱(chēng)加速極。電壓80-300KV，超高壓電鏡達(dá)1000KV。為安全和穩(wěn)定可調(diào)，陽(yáng)極接地；陰極和陽(yáng)極之間加?xùn)艠O，接負(fù)高壓；負(fù)高壓和陰極間加偏壓，柵極和陰極間數(shù)百伏的電位差，構(gòu)成自偏壓負(fù)反饋，穩(wěn)定束流。聚光鏡的作用是會(huì)聚從電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束，調(diào)節(jié)束徑大小、位置和強(qiáng)度。一般采用雙聚光鏡系統(tǒng)，第一聚光鏡為短焦距，強(qiáng)激磁透鏡，縮小

45、電子束直徑為1-5 m。第二聚光鏡是長(zhǎng)焦距弱激磁透鏡，將前級(jí)放大約2倍。經(jīng)雙聚光鏡得到相干性好的電子束。電子束的平移和傾斜靠磁偏轉(zhuǎn)器，如圖5-2-8所示。如上、下偏轉(zhuǎn)線圈使電子束的偏轉(zhuǎn)角大小相等、方向相反，則引起電子束平移，平移距離=h1；若下偏轉(zhuǎn)線圈使電子束的偏轉(zhuǎn)角比上偏轉(zhuǎn)大，如+，則相對(duì)成像系統(tǒng)，照明電子束軸線傾斜角；當(dāng)=h1/ h2時(shí)，電子束傾斜而入射點(diǎn)中心不變。 圖5-2-7 電子槍 (2) 樣品室與成像系統(tǒng)樣品室位于照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)間，通過(guò)移動(dòng)機(jī)械裝置移動(dòng)或傾轉(zhuǎn)試樣臺(tái)中樣品。樣品臺(tái)有頂插式(高分辨型)和側(cè)插式(分析型)。還可裝熱臺(tái)、冷臺(tái)，拉伸臺(tái)等附件。電子穿透能力弱，要求透射樣品小

46、而薄(3mm)；粉末用碳膜和銅網(wǎng)支持，并要求導(dǎo)電接地。 成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成，其作用是將來(lái)自樣品的能夠反映樣品內(nèi)部特征的透射電子轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像或電子衍射譜，并投射到熒光屏或照相底板上。圖5-2-8 電子束的平移和傾斜 物鏡是固定的強(qiáng)激磁透鏡，焦距短（13mm），放大率為100300倍。其作用是形成樣品第一次放大像或電子衍射譜。物鏡分辨出的任何細(xì)節(jié)都被后繼透鏡擴(kuò)大。所以，物鏡最關(guān)鍵。物鏡的分辨率取決定于極靴的形狀和精度。極靴尖端和間距愈小，分辨率愈高。電磁消像散器如圖5-2-9所示，在極靴周?chē)b兩組四對(duì)電磁體，每對(duì)電磁體均用同極相對(duì)安裝，通電流時(shí)，分別形成的兩個(gè)橢圓形矯正磁場(chǎng)

47、彼此垂直，改變激磁強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向，能形成一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的矯正磁場(chǎng)。如其強(qiáng)度與透鏡像散場(chǎng)相等，方向互相垂直，就起消除像散的作用。 圖5-2-9電磁消像散器為了減小象差、提高襯度，在物鏡后焦面加物鏡光闌。中間鏡是可變的長(zhǎng)焦距弱磁透鏡，調(diào)節(jié)中間鏡激磁電流，放大率在020倍變化，大于1時(shí)，中間鏡起放大作用；小于1，則縮小。電鏡操作中，就是利用中間鏡的可變倍率控制電鏡成象或衍射方式及總放大率。投影鏡和物鏡一樣是固定的強(qiáng)激磁、短焦距透鏡，其放大倍數(shù)約200倍。 (3) 觀察與記錄系統(tǒng)觀察與記錄系統(tǒng)由熒光屏、照相機(jī)和數(shù)據(jù)顯示裝置組成。把熒光屏翻起即可照相。因TEM焦長(zhǎng)很大，在熒光屏和照相底片上都可得到清晰的

48、圖像。電鏡底片是對(duì)電子束曝光敏感的溴化物乳膠片。由于電子與乳膠相互作用比光子強(qiáng)得多，照相曝光時(shí)間很短，只需幾秒鐘，采用電磁快門(mén)曝光裝置。除電子光學(xué)系統(tǒng)外，電鏡還有真空系統(tǒng)、供電和電子控制系統(tǒng)。真空系統(tǒng)由機(jī)械泵+油擴(kuò)散泵（或無(wú)油離子泵）、換向閥、真空測(cè)量?jī)x及真空管道組成。電鏡要求真空度為10-5Pa，真空度太低時(shí)，電子與氣體分子之間碰撞引起散射，影響圖像襯度，還會(huì)使柵極與陽(yáng)極間高壓電離導(dǎo)致放電，也會(huì)氧化燈絲，污染樣品等。透射電鏡有兩部分電源，一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓部分。加速電壓和透鏡電流不穩(wěn)將使電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重像差，使分辨本領(lǐng)下降。 透射電鏡的操作主要是改變透鏡激磁

49、電流調(diào)焦和移動(dòng)光闌選區(qū)。在軸對(duì)中（即合軸）、消像散、調(diào)亮度等基礎(chǔ)操作外，兩種最重要的操作模式是：顯微成像和選區(qū)衍射。 2. 顯微成像 選擇樣品上特定區(qū)域成像是顯微鏡的最基本的操作，即所謂“成像操作”。一般，低倍下找視場(chǎng)，逐級(jí)放大；選定視場(chǎng)后，高倍聚焦低倍拍照。顯微成像的光路如圖5-2-10。圖5-2-10顯微成像的光路圖(a高倍、b中倍、c低倍)（1）大視場(chǎng)、低倍成像簡(jiǎn)便方法是減少透鏡的數(shù)目或放大倍數(shù)。例如關(guān)閉物鏡，減弱中間鏡激磁強(qiáng)度，使中間鏡起著長(zhǎng)焦距物鏡的作用，使第一級(jí)實(shí)像成像于投影鏡之上；投影鏡以中間鏡像為物，成像于熒光屏，獲得幾百倍的放大圖像。 (2) 中放大倍數(shù)成像 改變物鏡激磁強(qiáng)度

50、，使物鏡成像于中間鏡之下，中間鏡以物鏡像為“虛物”，將其形成為縮小的實(shí)像在投影鏡物平面。投影鏡以中間鏡像為物，成像于熒光屏上。放大倍數(shù)幾千至幾萬(wàn)。（）高倍成像物鏡成像于中間鏡焦距前，中間鏡以物鏡像為物，成像于投影鏡焦距前，投影鏡以中間鏡像為物，成像于熒光屏上，結(jié)果可以獲得幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)放大倍數(shù)電子像。3選區(qū)衍射圖5-2-11顯微成像與選區(qū)衍射根據(jù)阿貝衍射成像原理，晶體樣品通過(guò)物鏡在后焦面形成衍射譜。調(diào)節(jié)中間鏡焦距，使其物面與物鏡后焦面重合，可最終在熒光屏上形成放大的電子衍射圖譜。但必須明確選擇樣品特定微區(qū)的衍射結(jié)構(gòu)，這就需要選區(qū)衍射成像操作。因這個(gè)微區(qū)必須在顯微像上選定，故顯微成像是選區(qū)衍射的基

51、礎(chǔ)，須確認(rèn)衍射像是由感興趣的選區(qū)產(chǎn)生而不是別處。最直接的方法是在物面上套光闌選區(qū)，但選區(qū)小至m，小光闌難找視場(chǎng)，更擋住了光強(qiáng)，圖像質(zhì)量極差。實(shí)際上，成像操作時(shí)，每級(jí)的像面即是后級(jí)的物面，在象面選區(qū)就等價(jià)于物面選區(qū)，而操作更方便，亮度強(qiáng)。如圖.2-11.左，在物鏡像平面插入孔徑可變的選區(qū)光闌，讓光闌套住選定微區(qū)，在中間鏡強(qiáng)勵(lì)磁條件下，中間鏡焦距短；物鏡的像在中間鏡一倍焦距前，中間鏡及其以后放大的是物鏡所成的像，選區(qū)外的散射波則全部被擋掉，這就是選區(qū)成像。然后，降低中間鏡的激磁電流，中間鏡焦距變長(zhǎng)，物鏡后焦面的衍射譜在中間鏡一倍焦距前，中間鏡及其以后放大的是物鏡后焦面的衍射譜。衍射方式操作時(shí)，中間

52、鏡以上的光路不受影響。盡管物鏡背焦面上的衍射花樣是由全部樣品區(qū)域內(nèi)物點(diǎn)的衍射所產(chǎn)生，但其中只有AB微區(qū)以內(nèi)物點(diǎn)散射的電子波可以通過(guò)選區(qū)光闌進(jìn)入下一級(jí)透鏡系統(tǒng)，所以熒光屏上顯示的將只限于選區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的衍射花樣。透射電鏡利用選區(qū)衍射進(jìn)行電子衍射分析，樣品特定微區(qū)的形貌特征和晶體學(xué)性質(zhì)在同一儀器中對(duì)照反映，這是現(xiàn)有其他分析方法難以實(shí)現(xiàn)的。 物鏡放大率為=50-200，利用孔徑為100m的選區(qū)光闌，可對(duì)樣品上m內(nèi)微區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子衍射分析。選區(qū)范圍的誤差約0.1m-0.5，來(lái)源于選區(qū)成像時(shí)物鏡的失焦和球差，選區(qū)誤差。4. 明場(chǎng)像、暗場(chǎng)象和中心暗場(chǎng)像圖5-2-12 明場(chǎng)像、暗場(chǎng)象和中心暗場(chǎng)像 調(diào)整物鏡光

53、闌，使其光孔套住透射斑點(diǎn)而把衍射束擋掉，只讓晶粒和晶粒的透射束通過(guò)成像，如圖5-2-12所示。晶粒中沒(méi)有滿足布拉格方程的晶面，故衍射束強(qiáng)度可視為，這樣，如果不考慮電子的吸收效應(yīng)，通過(guò)晶粒的透射束強(qiáng)度近似等于入射束強(qiáng)度I。即IAI。 ，IBI。-Ihkl 于是，顯示的晶粒較暗，而晶粒較亮。 如果把物鏡光闌光孔套住hkl斑點(diǎn)而把透射束擋掉，可以得到暗場(chǎng)像，如圖所示。但是，由于此時(shí)成像的是離軸光線，圖像質(zhì)量不高，有嚴(yán)重的像差。常以中心暗場(chǎng)(CDF)方法成像：如圖所示，把入射電子束傾斜2角度（通過(guò)照明系統(tǒng)的傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)），使晶粒的晶面處于強(qiáng)烈衍射的位向，而物鏡光闌仍在光軸位置，此時(shí)只有晶粒的(hkl)衍

54、射束正好通過(guò)光闌孔，而透射束被擋掉，所成中心暗場(chǎng)像的襯度特征與明場(chǎng)像相反，晶粒較亮，而晶粒則較暗。5-2-3 透射電鏡的質(zhì)厚襯度顯微圖像依靠襯度反映形貌或構(gòu)造。襯度與激發(fā)源性質(zhì)、激發(fā)方式和檢測(cè)方式有關(guān)。本質(zhì)上，物的某一微觀信息不均勻才有襯度。分析像的襯度來(lái)源是顯微分析的重點(diǎn)。金相顯微鏡主要利用反射襯度；生物顯微鏡主要利用透射襯度；透射電子顯微鏡圖像的襯度則取決于電子透過(guò)樣品不同區(qū)域的透射和衍射強(qiáng)度的差異。電鏡有透射質(zhì)厚襯度、衍射襯度和相位襯度。透射質(zhì)厚襯度是所有成象技術(shù)最基本的，但電鏡還有特點(diǎn)。圖5-2-13 小孔徑角成像1. 小孔徑成像、柱體近似和雙束條件電鏡為了減小球差，必須采用盡量小的孔

55、徑成像(見(jiàn)5-1-2)。具體實(shí)現(xiàn)通過(guò)在物鏡的后焦面上插入小孔徑物鏡光闌。因物鏡有高的放大倍數(shù)，物平面接近于前焦面，因此物鏡孔徑半角與焦距及光闌直徑間的關(guān)系為：2如圖5-2-13，當(dāng)電子束入射試樣后，散射角小于的部分電子（包括透射），通過(guò)物鏡在像平面成像；散射角大于的電子，則被光擋住不能成像。電子束透射能力低，要求樣品極薄。用與顯微鏡的分辨率相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格按電子入射方向劃分薄膜樣品，樣品被看成是由許多長(zhǎng)柱體排成，來(lái)自一個(gè)柱體的透射波或散射波，在像平面上復(fù)合構(gòu)成像點(diǎn)的亮度。 柱體近似的前提是來(lái)自各個(gè)柱體的彈性散射波互不干擾最終會(huì)聚到各自相應(yīng)的像點(diǎn)。電鏡的小孔徑成像和薄樣品，提供了實(shí)現(xiàn)柱體近似的可能。例

56、如對(duì)厚度=100nm的薄膜，入射電子在樣品產(chǎn)生2=10-2的散射電子，到達(dá)底表面時(shí)只與透射束相距1nm左右；據(jù)此可以認(rèn)為，來(lái)自一個(gè)柱體的散射波等于該柱體所有散射單元的散射波（強(qiáng)度或振幅）之和，并不受其他柱體的散射波的影響。 電子波透過(guò)非晶體樣品出來(lái)的是空間方向上連續(xù)分布的散射波；透過(guò)晶體樣品后出來(lái)的則是衍射束及透射束。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化衍射圖像襯度的計(jì)算，將限于“雙光束條件”。對(duì)一柱體而言，可以近似認(rèn)為，電子束入射柱體頂部，從該柱體底部出射的是一條透射束和一條衍射束，而又不考慮其他強(qiáng)度衰減，故衍射束強(qiáng)度和透射束強(qiáng)度是互補(bǔ)的。2非晶樣品質(zhì)厚襯度原理對(duì)非晶體試樣（如有機(jī)樣品）不考慮晶體衍射，只考慮透射

57、和散射。非晶樣品中散射能力強(qiáng)的區(qū)域，電子的散射角較大，由于電鏡小孔徑成像，參與成像的電子較少，圖像顯得較暗；反之，圖像較亮，對(duì)應(yīng)的各區(qū)域的形成圖像襯度。成像原理如圖5-2-13。顯然，這種像是明場(chǎng)像，只是透射波（以及小角度散射波）參與成像。如果擋掉透射束，只讓散射波通過(guò)參與成像，就是暗場(chǎng)像。在透射電鏡非晶成像中一般不選用暗場(chǎng)成像，因?yàn)樗鼰o(wú)法滿足小孔徑成像的條件。設(shè)電子束強(qiáng)度為I0，入射厚度為x的試樣，根據(jù)第2-3-2，透射后強(qiáng)度 I=I0 exp(-Qx) = I0exp-()x （5-2-1）式中：N為阿佛加德羅常數(shù)，Q為樣品對(duì)電子的衰減系數(shù)，它與樣品原子衰減能力、樣品密度、原子量A有關(guān)。當(dāng)

58、x0 = A / N時(shí)，有I = I0 exp(-Qx)=I0/eI 0 / 3 定義此x0為臨界厚度，即電子在試樣中視為受單次散射的平均自由程。x0與樣品種類(lèi)()和狀態(tài)()有關(guān)，引入x0為臨界質(zhì)量厚度，表示在相同的加速電壓下，要保證電子只發(fā)生單次散射，透射電鏡試樣的質(zhì)量厚度應(yīng)滿足xx0 = （g/cm2） （5-2-2）其它條件相同時(shí)，像的質(zhì)量取決于襯度，電子束強(qiáng)度差別越大，電鏡圖像襯度越好。當(dāng)電子束以I0強(qiáng)度通過(guò)相鄰兩區(qū)域（厚度分別為x1和x2）時(shí)，在熒光屏上產(chǎn)生的電子束強(qiáng)度為I1和I2，則襯度為 G= =1=1exp-(Q1x1 - Q2x2) （5-2-3）在透射電鏡中，試樣厚度x很小

59、，將上式作為臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)并取一級(jí)近似項(xiàng)，可得 G Q1x1 - Q2x2 = N1x1 -2x2 （5-2-4）與試樣內(nèi)元素的原子序數(shù)有關(guān)，當(dāng)樣品的厚度相同時(shí)，如相鄰部位元素的原子序數(shù)差別越大，圖像襯度就越高。當(dāng)試樣是由同一物質(zhì)的原子均勻構(gòu)成的，則上式變成 G = N（x1 -x2） （5-2-5）圖像的襯度是由試樣相鄰部位厚度不同造成；(/A)為襯度系數(shù)，如投影重金屬（如Cr,Au）能提高襯度和立體感，但必須首先有厚度差（x1-x2）0，這由樣品本質(zhì)決定。由上所述，質(zhì)厚襯度理論是建立在非晶薄樣品中原子對(duì)入射電子的散射和電鏡小孔徑角成像的基礎(chǔ)上，利用樣品不同區(qū)域質(zhì)厚度的差別，使進(jìn)入物鏡光闌共聚

60、焦于像平面的散射電子強(qiáng)度不同，而產(chǎn)生了圖像的反差。圖5-2-14 實(shí)樣、復(fù)型I、復(fù)型II和圖像3復(fù)型圖像分析實(shí)際大塊樣品如金相樣品的精細(xì)組織，可通過(guò)有機(jī)膜復(fù)型作電鏡分析。復(fù)型圖像的襯度與實(shí)際樣品表面浮雕的凹凸關(guān)系，取決于復(fù)型類(lèi)型和制備方法。要正確識(shí)別和分析復(fù)型圖像，必須了解實(shí)際樣品、復(fù)型和圖像三者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 例如，復(fù)型蒸發(fā)投影重金屬。由于“投影”在負(fù)復(fù)型，圖像“影子”所反映的凹凸與樣品表面相反。用復(fù)型圖像判斷樣品原始浮雕凹凸時(shí)，首先應(yīng)辨認(rèn)投影方向。順投影方向看，如果某相“影子”位于相輪廓線之前，則該相在實(shí)際樣品上是凸的；反之，則該相在實(shí)際樣品是凹的，如圖5-2-13所示。實(shí)際觀察時(shí)可利用特