電子顯微分析概論

1、第四章電子顯微分析(fnx)共三十二頁共三十二頁發(fā)育(fy)中的擬南芥花芽 掃描電子顯微鏡拍攝，人工上色，萼片( pin)為綠色，花瓣為紅色，花藥為橙色，柱頭未上色。 共三十二頁圖為西番蓮花粉(hufn)的掃描電子顯微鏡照片 共三十二頁4.1 引言 - 電子光學基礎4.1.1 分辨本領 1) 人的眼睛僅能分辨0.10.2mm的細節(jié)2) 光學顯微鏡，人們可觀察到象細菌那樣小的物體。3) 用光學顯微鏡來揭示更小粒子的顯微組織結構是不可能的，受光學顯微鏡分辨本領(或分辨率)的限制。分辨本領 指顯微鏡能分辨的樣品上兩點間的最小距離。以物鏡(wjng)的分辨本領來定義顯微鏡的分辨本領。共三十二頁1、光的

2、折射(zhsh)現(xiàn)象及成像原理ABBA.FFL1L2一個物體可看作是由許多物點所組成，每一個物點散射的光經透鏡后都會聚(huj)在相應的像點上，許多的像點就構成了物體的像。透鏡成像公式：放大倍數(shù)：共三十二頁2、光的衍射現(xiàn)象(xinxing)和分辨本領的極限由于光的衍射，使得由物平面內的點A 、B在象平面形成一A 、 B圓斑，圓斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)組成(z chn)，稱為埃利斑（Airy斑）。Rn透鏡物方介質的折射率照明光波長透鏡孔徑半角，即入射光束與透鏡主軸的夾角； nsin 數(shù)值孔徑M放大倍數(shù)共三十二頁圖（1）兩個Airy斑明顯可分辨出。圖（2）兩個Airy斑剛好

3、可分辨出。圖（3）兩個Airy斑分辨不出。R將剛好(gngho)可分辨出的兩Airy斑中心間距相應于兩個物點間距離r0定義為顯微鏡能分辨出的最小距離，此即透鏡的分辨本領。一般來說，孔徑(kngjng)角較大時為7075，n約為1.5,則nsin約為1.25-1.35,故：共三十二頁波長是透鏡分辨率大小的決定因素(yn s)。 透鏡的分辨本領主要取決于照明束波長。若用波長最短的可見光(=400nm)作照明源，則 d0=200nm 200nm是光學顯微鏡分辨本領的極限提高透鏡的分辨本領：增大數(shù)值孔徑是困難的和有限的，唯有尋找比可見光波長更短的光線才能解決這個(zh ge)問題。共三十二頁知識(zh

4、 shi)補充2014年諾貝爾化學獎給了三個物理學家：艾力克貝齊格（Eric Betzig）、斯特凡W赫爾（Stefan W. Hell）和WE莫納（W. E. Moerner），以表彰他們對于(duy)發(fā)展超分辨率熒光顯微鏡做出的卓越貢獻。他們的突破性工作使光學顯微技術進入了納米尺度，從而使科學家們能夠觀察到活細胞中不同分子在納米尺度上的運動。貝齊格 赫爾 莫納共三十二頁4.1.2 電子束的波長 比可見光波長更短的有： 1）紫外線 會被物體強烈的吸收； 2）X 射線 無法使其會聚 ； 3）電子波 根據(jù)德布羅意物質波的假設(jish)，即電子具有微粒性，也具有波動性。電子波 h Plank 常

5、數(shù)(chngsh) ， m v 電子速度共三十二頁 初速度為0的自由電子從零電位開始運動，因受到加速電壓U的作用(zuyng)獲得速度為v： 1/2mv2 = eU 當電子速度v 遠遠小于光速C 時，電子質量m 近似等于電子靜止質量m0，由上述兩式整理得：電子波長與加速(ji s)電壓平方根成反比，即加速(ji s)電壓越高，電子波長越短，但當電壓很高時，電子質量需引入相對論進行校正。共三十二頁 將常數(shù)代入上式，并注意到電子電荷 e 的單位為庫侖， h的單位為Js，我們將得到： nm 表1 不同加速電壓(diny)下的電子波長 加速電壓/kV2030501002005001000電子波長/10

6、-3nm8.596.985.363.702.511.420.687一般(ybn)電鏡的加速電壓為50200KV,100KV以上的為超高壓電鏡。共三十二頁 當加速電壓為100kV時，電子束的波長約為可見光波長的十萬分之一。因此，若用電子束作照明源，顯微鏡的分辨本領要高得多。但是，電磁透鏡的孔徑(kngjng)半角的典型值僅為10-2-10-3rad。如果加速電壓為100kV，孔徑半角為10-2rad，那么分辨本領為： d0 = 0.613.710-3/10-2 = 0.225 nm共三十二頁4.1.3 電磁透鏡電鏡中用來對電子束聚焦的是電磁透鏡，簡單的電磁透鏡就是(jish)一個通電的短線圈。通

7、電線圈所產生的磁場對電子束有聚焦成像的作用。其焦點(jiodin)f為：式中，V0-電壓； R-透鏡半徑；I-電流；N-線圈匝數(shù)； A-與透鏡結構有關的比例常數(shù)改變電流可以方便調整透鏡的焦距，從而使放大倍數(shù)發(fā)生改變1、電磁透鏡的焦距共三十二頁電磁透鏡結構(jigu)示意圖共三十二頁 控制電子束的運動在電子光學領域中主要使用電磁透鏡裝置。但電磁透鏡在成像時會產生像差由于透鏡物理條件的限制，所成的像會模糊不清或發(fā)生畸變，形成的所有缺陷和偏差統(tǒng)稱為像差。 像差分為幾何像差和色差兩類。 幾何像差：由于透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的像差。主要指球差和像散。 色差：由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度(f

8、d)的改變而造成的像差。2、電磁透鏡的像差與分辨本領共三十二頁 透鏡的實際分辨本領除了與衍射效應有關以外，還與透鏡的像差有關。 光學透鏡，已經可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來矯正像差，使之對分辨本領的影響遠遠小于衍射效應的影響; 但電子透鏡只有會聚透鏡，沒有發(fā)散透鏡，所以(suy)至今還沒有找到一種能矯正球差的辦法。這樣，像差對電子透鏡分辨本領的限制就不容忽略了。共三十二頁（1）球差即球面像差，是由于電磁透鏡的中心區(qū)域(qy)和邊緣區(qū)域(qy)對電子的折射能力不符合預定的規(guī)律而造成的。離主軸較遠的電子比主軸附近的電子被折射程度要大，當物點P通過透鏡成像時，電子就不會聚到同一焦點上，而形成一

9、個散焦斑。共三十二頁共三十二頁得到的最小散焦斑的半徑用Rs表示。若把Rs除以放大倍數(shù)，就可以(ky)把其折算到物平面上去，大小為：也就是說，當物平面(pngmin)上兩點距離小于2rs時，則透鏡不能分辨。rs可通過下式計算：Cs為球差系數(shù)，為孔徑半角。采用小孔徑成像是減少球差的有效途徑。共三十二頁(2)色差：是由于入射電子(dinz)波長（或能量）的非單一性造成。電子束的能量變化率取決于加速電壓的穩(wěn)定性和電子穿過樣品時發(fā)生非彈性(tnxng)散射的程度。共三十二頁（3）電磁透鏡的分辨本領電磁透鏡的分辨本領由衍射效應和球面(qimin)像差來決定。 衍射效應對分辨本領的影響： r0=0.61/N

10、sin球差對分辨率的影響：必須確定一個最佳孔徑(kngjng)半角，使得衍射效應Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等時，表明兩者對透鏡分辨本領影響效果一樣。目前電鏡的最佳分辨本領達到了0.1nm數(shù)量級。共三十二頁共三十二頁3、電磁透鏡的景深(jngshn)和焦長電磁透鏡的特點(tdin)是景深大（場深），焦長很長。共三十二頁透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離(jl)Dr。換言之，在景深范圍內，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。 從原理上講，當透鏡焦距、像距一定(ydng)時，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面上獲得該層平面的理想圖象，而偏

11、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和像差引起的散焦斑，那么對透鏡像分辨本領并不產生影響。共三十二頁Dr與電磁透鏡分辨率r0、孔徑(kngjng)半角之間的關系： 取 r0=1 nm, =10-210-3rad則 Dr = 2002000nm 試樣（薄膜）一般厚200300nm，上述景深范圍可保證樣品整個厚度(hud)范圍內各個結構細節(jié)都清晰可見。共三十二頁藍寶石襯底表面形貌觀察(gunch) 表面三維島狀結構共三十二頁焦長：指物點固定(gdng)不變（物距不變），在保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線可移動

12、的距離。 當透鏡焦距、物距一定時，像平面在一定的軸向距離內移動，也會引起失焦。如果失焦尺寸不超過由衍射效應和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的軸向距離內移動，對透鏡像分辨率并不產生影響。因此(ync)，當用傾斜觀察屏觀察像時，以及當照相底片不位于觀察屏同一像平面時，所拍攝的像也是清晰的。投影儀的投影平面之所以對距離要求不嚴也是由于焦長很大的緣故。 共三十二頁DL與電磁透鏡分辨率r0、像點所張的孔徑(kngjng)半角之間的關系：其中，M為透鏡的放大(fngd)倍數(shù)共三十二頁4.1.4 電子束與固體(gt)物質間的相互作用電子束與物質(wzh)相互作用產生的信號圖共三十二頁內容摘要第四章。2、光的衍射現(xiàn)象和分辨本領的極限。B圓斑，圓斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的。定義為顯微鏡能分辨出的最小距離，此即透鏡的分辨本領。提高透鏡的分辨本領：增大數(shù)值孔徑是困難的和有限的，唯有尋找比可見光波長更短的光線才能解決