電子顯微分析課件

電子顯微分析2022/12/16電子顯微分析電子顯微分析2022/12/14電子顯微分析1引言

20世紀(jì)八九十年代，我國(guó)電子顯微學(xué)學(xué)者在高分辨電子顯微學(xué)、高空間分辨分析電子顯微學(xué)兩個(gè)方面分別在國(guó)際上爭(zhēng)得一席之地。于此同時(shí)，大批優(yōu)秀的中青年走出國(guó)門(mén)，在世界各地一流的電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室中深造。不少?lài)?guó)內(nèi)的學(xué)者與海外學(xué)子迅速步入有關(guān)研究領(lǐng)域前沿，取得了豐碩的成果。21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)在原子尺度及電子結(jié)構(gòu)層次的表征需求迫切，納米科技的興起對(duì)納米結(jié)構(gòu)的特性測(cè)量及組織的直觀可視研究也提到了日程上來(lái)。這都為電子顯微學(xué)的拓展提供了廣闊的空間。目前，高性能場(chǎng)發(fā)射槍電子顯微鏡日趨普及和應(yīng)用，其分辨率最高可達(dá)2埃，因而能在原子-納米尺度上對(duì)材料的原子排列和種類(lèi)進(jìn)行綜合分析。新一代的帶單色器、球差較正器的透射電子顯微鏡更是如虎添翼，球差系數(shù)由常規(guī)電鏡的為毫米級(jí)降低到小于0.05mm，色差系數(shù)由0.7減小到0.1。利用單色器能量分辨率將小于0.1nm。聚光鏡球差矯正器把STEM的分辨率提高到小于0.1nm的同時(shí)，使束流提高了至少10倍，非常有利于提高空間分辨率。僅帶物鏡球差矯正器的透射電鏡的分辨本領(lǐng)可優(yōu)于0.7埃。電子顯微鏡的分析工作已邁向計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化，用戶(hù)只需按動(dòng)鼠標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，不同地區(qū)之間，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電鏡進(jìn)行的遙控作用。

電子顯微分析引言20世紀(jì)八九十年代，我國(guó)電子顯微學(xué)學(xué)者在高分辨2

電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)電鏡，EM)經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的重要工具。我國(guó)的電子顯微學(xué)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。電子顯微鏡的創(chuàng)制者魯斯卡(E.Ruska)教授因而獲得了1986年諾貝爾獎(jiǎng)的物理獎(jiǎng)。

電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生透射電子，彈性散射電子，能量損失電子，二次電子，背反射電子，吸收電子，X射線(xiàn)，俄歇電子，陰極發(fā)光和電動(dòng)力等等。電子顯微鏡就是利用這些信息來(lái)對(duì)試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測(cè)定的。電子顯微鏡有很多類(lèi)型，主要有透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡，TEM)和掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)掃描電鏡，SEM)兩大類(lèi)。掃描透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)掃描透射電鏡，STEM)則兼有兩者的性能。為了進(jìn)一步表征儀器的特點(diǎn)，有以加速電壓區(qū)分的，如：超高壓(1MV)和中等電壓(200—500kV)透射電鏡、低電壓(～1kV)掃描電鏡；有以電子槍類(lèi)型區(qū)分的，如場(chǎng)發(fā)射槍電鏡；有以用途區(qū)分的，如高分辨電鏡，分析電鏡、能量選擇電鏡、生物電鏡、環(huán)境電鏡、原位電鏡、測(cè)長(zhǎng)CD-掃描電鏡；有以激發(fā)的信息命名的，如電子探針X射線(xiàn)微區(qū)分析儀(簡(jiǎn)稱(chēng)電子探針，EPMA)等。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)電子顯微學(xué)的奮斗目標(biāo)主要是力求觀察更微小的物體結(jié)構(gòu)、更細(xì)小的實(shí)體、甚至單個(gè)原子，并獲得有關(guān)試樣的更多的信息，如標(biāo)征非晶和微晶，成分分布，晶粒形狀和尺寸，晶體的相、晶體的取向、晶界和晶體缺陷等特征，以便對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析及標(biāo)征研究。近來(lái)，電子顯微鏡(電子顯微學(xué))，包括掃描隧道顯微鏡等，又有了長(zhǎng)足的發(fā)展。電子顯微分析電子顯微分析3

1、高分辨電子顯微學(xué)及原子像的觀察

材料的宏觀性能往往與其本身的成分、結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷中原子的位置等密切相關(guān)。觀察試樣中單個(gè)原子像是科學(xué)界長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。一個(gè)原子的直徑約為1千萬(wàn)分之2—3mm。因此，要分辨出每個(gè)原子的位置需要0.1nm左右的分辨本領(lǐng)，并把它放大約1千萬(wàn)倍。70年代初形成的高分辨電子顯微學(xué)(HREM)是在原子尺度上直接觀察分析物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖像處理的引入使其進(jìn)一步向超高分辨率和定量化方向發(fā)展，同時(shí)也開(kāi)辟了一些嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物實(shí)驗(yàn)室的A.Klug博士等發(fā)展了一套重構(gòu)物體三維結(jié)構(gòu)的高分辨圖像處理技術(shù)，為分子生物學(xué)開(kāi)拓了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。因而獲得了1982年諾貝爾獎(jiǎng)的化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在發(fā)展晶體電子顯微學(xué)及核酸—蛋白質(zhì)復(fù)合體的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)方面的卓越貢獻(xiàn)。

用HREM使單個(gè)原子成像的一個(gè)嚴(yán)重困難是信號(hào)／噪聲比太小。電子經(jīng)過(guò)試樣后，對(duì)成像有貢獻(xiàn)的彈性散射電子(不損失能量、只改變運(yùn)動(dòng)方向)所占的百分比太低，而非彈性散射電子(既損失能量又改變運(yùn)動(dòng)方向)不相干，對(duì)成像無(wú)貢獻(xiàn)且形成亮的背底(亮場(chǎng))，因而非周期結(jié)構(gòu)試樣中的單個(gè)原子像的反差極小。在擋去了未散射的直透電子的暗場(chǎng)像中，由于提高了反差，才能觀察到其中的重原子，例如鈾和釷—BTCA中的鈾(Z＝92)和釷(Z＝90)原子。對(duì)于晶體試樣，原子陣列會(huì)加強(qiáng)成像信息。采用超高壓電子顯微鏡和中等加速電壓的高亮度、高相干度的場(chǎng)發(fā)射電子槍透射電鏡在特定的離焦條件(Scherzer欠焦)下拍攝的薄晶體高分辨像可以獲得直接與晶體原子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)像。再用圖像處理技術(shù)，例如電子晶體學(xué)處理方法，已能從一張200kV的JEM-2010F場(chǎng)發(fā)射電鏡(點(diǎn)分辨本領(lǐng)0.194nm)拍攝的分辨率約0.2nm的照片上獲取超高分辨率結(jié)構(gòu)信息，成功地測(cè)定出分辨率約0.1nm的晶體結(jié)構(gòu)。

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2.像差校正電子顯微鏡

電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)由于受到電子透鏡球差的限制，人們力圖象光學(xué)透鏡那樣來(lái)減少或消除球差。但是，早在1936年Scherzer就指出，對(duì)于常用的無(wú)空間電荷且不隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)電子透鏡，球差恒為正值。在40年代由于兼顧電子物鏡的衍射和球差，電子顯微鏡的理論分辨本領(lǐng)約為0.5nm。校正電子透鏡的主要像差是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)50多年的努力，1990年Rose提出用六極校正器校正透鏡像差得到無(wú)像差電子光學(xué)系統(tǒng)的方法。最近在CM200ST場(chǎng)發(fā)射槍200kV透射電鏡上增加了這種六極校正器，研制成世界上第一臺(tái)像差校正電子顯微鏡。電鏡的高度僅提高了24cm，而并不影響其它性能。分辨本領(lǐng)由0.24nm提高到0.14nm。在這臺(tái)像差校正電子顯微鏡上球差系數(shù)減少至0.05mm(50μm)時(shí)拍攝到了GaAs〈110〉取向的啞鈴狀結(jié)構(gòu)像，點(diǎn)間距為0.14nm。

3、原子尺度電子全息學(xué)

Gabor在1948年當(dāng)時(shí)難以校正電子透鏡球差的情況下提出了電子全息的基本原理和方法。論證了如果用電子束制作全息圖，記錄電子波的振幅和位相，然后用光波進(jìn)行重現(xiàn)，只要光線(xiàn)光學(xué)的像差精確地與電子光學(xué)的像差相匹配，就能得到無(wú)像差的、分辨率更高的像。由于那時(shí)沒(méi)有相干性很好的電子源，電子全息術(shù)的發(fā)展相當(dāng)緩慢。后來(lái)，這種光波全息思想應(yīng)用到激光領(lǐng)域，獲得了極大的成功。Gabor也因此而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。隨著Mollenstedt靜電雙棱鏡的發(fā)明以及點(diǎn)狀燈絲，特別是場(chǎng)發(fā)射電子槍的發(fā)展，電子全息的理論和實(shí)驗(yàn)研究也有了很大的進(jìn)展，在電磁場(chǎng)測(cè)量和高分辨電子顯微像的重構(gòu)等方面取得了豐碩的成果。Lichte等用電子全息術(shù)在CM30FEG/ST型電子顯微鏡(球差系數(shù)Cs＝1.2mm)上以1k×1k的慢掃描CCD相機(jī)，獲得了0.13nm的分辨本領(lǐng)。目前，使用剛剛安裝好的CM30FEG/UT型電子顯微鏡(球差系數(shù)Cs＝0.65mm)和2k×2k的CCD相機(jī)，已達(dá)到0.1nm的信息極限分辨本領(lǐng)。

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4、表面的高分辨電子顯微正面成像

如何區(qū)分表面和體點(diǎn)陣周期從而得到試樣的表面信息是電子顯微學(xué)界一個(gè)長(zhǎng)期關(guān)心的問(wèn)題。目前表面的高分辨電子顯微正面成像及其圖像處理已得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成功地揭示了Si〔111〕表面(7×7)重構(gòu)的細(xì)節(jié)，不僅看到了掃描隧道顯微鏡STM能夠看到的處于表面第一層的吸附原子(adatoms)，而且看到了頂部三層的所有原子，包括STM目前還難以看到的處于第三層的二聚物(dimers)，說(shuō)明正面成像法與目前認(rèn)為最強(qiáng)有力的，在原子水平上直接觀察表面結(jié)構(gòu)的STM相比，也有其獨(dú)到之處。李日升等以Cu〔110〕晶膜表面上觀察到了由Cu-O原子鏈的吸附產(chǎn)生的(2×1)重構(gòu)為例，采用表面的高分辨電子顯微正面成像法，表明對(duì)于所有的強(qiáng)周期體系，均存在襯度隨厚度呈周期性變化的現(xiàn)象，對(duì)一般厚膜也可進(jìn)行高分辨表面正面像的觀測(cè)。

5、超高壓電子顯微鏡

近年來(lái)，超高壓透射電鏡的分辨本領(lǐng)有了進(jìn)一步的提高。JEOL公司制成1250kV的JEM-ARM1250／1000型超高壓原子分辨率電鏡，點(diǎn)分辨本領(lǐng)已達(dá)0.1nm，可以在原子水平上直接觀察厚試樣的三維結(jié)構(gòu)。日立公司于1995年制成一臺(tái)新的3MV超高壓透射電鏡，分辨本領(lǐng)為0.14nm。超高壓電鏡分辨本領(lǐng)高、對(duì)試樣的穿透能力強(qiáng)(1MV時(shí)約為100kV的3倍)，但價(jià)格昂貴，需要專(zhuān)門(mén)建造高大的實(shí)驗(yàn)室，很難推廣。

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6、中等電壓電子顯微鏡

中等電壓200kV,300kV電鏡的穿透能力分別為100kV的1.6和2.2倍，成本較低、效益／投入比高，因而得到了很大的發(fā)展。場(chǎng)發(fā)射透射電鏡已日益成熟。TEM上常配有鋰漂移硅Si(Li)X射線(xiàn)能譜儀(EDS)，有的還配有電子能量選擇成像譜儀，可以分析試樣的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。原來(lái)的高分辨和分析型兩類(lèi)電鏡也有合并的趨勢(shì)：用計(jì)算機(jī)控制甚至完全通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件操作，采用球差系數(shù)更小的物鏡和場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)瓤梢垣@得高分辨像又可進(jìn)行納米尺度的微區(qū)化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)展成多功能高分辨分析電鏡。JEOL的200kV

JEM-2010F和300kVJEM-3000F，日立公司的200kVHF-2000以及荷蘭飛利浦公司的200kVCM200FEG和300kVCM300FEG型都屬于這種產(chǎn)品。目前，國(guó)際上常規(guī)200kVTEM的點(diǎn)分辨本領(lǐng)為0.2nm左右，放大倍數(shù)約為50倍—150萬(wàn)倍。

7、120kV,100kV分析電子顯微鏡

生物、醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)、藥物和食品工業(yè)等領(lǐng)域往往要求把電鏡和光學(xué)顯微鏡得到的信息聯(lián)系起來(lái)。因此，一種在獲得高分辨像的同時(shí)還可以得到大視場(chǎng)高反差的低倍顯微像、操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊，裝有EDS的計(jì)算機(jī)控制分析電鏡也就應(yīng)運(yùn)而生。例如，飛利浦公司的CM120

Biotwin電鏡配有冷凍試樣臺(tái)和EDS，可以觀察分析反差低以及對(duì)電子束敏感的生物試樣。日本的JEM-1200電鏡在中、低放大倍數(shù)時(shí)都具有良好的反差，適用于材料科學(xué)和生命科學(xué)研究。目前，這種多用途120kV透射電鏡的點(diǎn)分辨本領(lǐng)達(dá)0.35nm左右。電子顯微分析6、中等電壓電子顯微鏡

中等電壓200kV7

8、場(chǎng)發(fā)射槍掃描透射電子顯微鏡

場(chǎng)發(fā)射掃描透射電鏡STEM是由美國(guó)芝加哥大學(xué)的A.V.Crewe教授在70年代初期發(fā)展起來(lái)的。試樣后方的兩個(gè)探測(cè)器分別逐點(diǎn)接收未散射的透射電子和全部散射電子。彈性和非彈性散射電子信息都隨原子序數(shù)而變。環(huán)狀探測(cè)器接收散射角大的彈性散射電子。重原子的彈性散射電子多，如果入射電子束直徑小于0.5nm，且試樣足夠薄，便可得到單個(gè)原子像。實(shí)際上STEM也已看到了γ-alumina支持膜上的單個(gè)Pt和Rh原子。透射電子通過(guò)環(huán)狀探測(cè)器中心的小孔，由中心探測(cè)器接收，再用能量分析器測(cè)出其損失的特征能量，便可進(jìn)行成分分析。為此，Crewe發(fā)展了亮度比一般電子槍高約5個(gè)量級(jí)的場(chǎng)發(fā)射電子槍FEG：曲率半徑僅為100nm左右的鎢單晶針尖在電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)100MV/cm的作用下，在室溫時(shí)即可產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射電子，把電子束聚焦到0.2—1.0nm而仍有足夠大的亮度。英國(guó)VG公司在80年代開(kāi)始生產(chǎn)這種STEM。最近在VGHB5FEGSTEM上增加了一個(gè)電磁四極—八極球差校正器，球差系數(shù)由原來(lái)的3.5mm減少到0.1mm以下。進(jìn)一步排除各種不穩(wěn)定因素后，可望把100kVSTEM的暗場(chǎng)像的分辨本領(lǐng)提高到0.1nm。利用加速電壓為300kV的VG-HB603U型獲得了Cu〈112〉的電子顯微像：0.208nm的基本間距和0.127nm的晶格像。

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9、能量選擇電子顯微鏡

能量選擇電鏡EF-TEM是一個(gè)新的發(fā)展方向。在一般透射電鏡中，彈性散射電子形成顯微像或衍射花樣；非彈性散射電子則往往被忽略，而近來(lái)已用作電子能量損失譜分析。德國(guó)Zeiss-Opton公司在80年代末生產(chǎn)的EM902A型生物電鏡，在成像系統(tǒng)中配有電子能量譜儀，選取損失了一定特征能量的電子來(lái)成像。其主要優(yōu)點(diǎn)是：可觀察0.5μm的厚試樣，對(duì)未經(jīng)染色的生物試樣也能看到高反差的顯微像，還能獲得元素分布像等。目前Leica與Zeiss合并后的LEO公司的EM912Omega電鏡裝有Ω-電子能量過(guò)濾器，可以濾去形成背底的非彈性散射電子和不需要的其它電子，得到具有一定能量的電子信息，進(jìn)行能量過(guò)濾會(huì)聚束衍射和成像，清晰地顯示出原來(lái)被掩蓋的微弱顯微和衍射電子花樣。該公司在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了200kV的全自動(dòng)能量選擇TEM。JEOL公司也發(fā)展了帶Ω-電子能量過(guò)濾器的JEM2010FEF型電子顯微鏡，點(diǎn)分辨本領(lǐng)為0.19nm，能量分辨率在100kV和200kV時(shí)分別為2.1μm/eV和1.1μm/eV。日立公司也報(bào)道了用EF-1000型γ形電子能量譜成像系統(tǒng)，在TEM中觀察到了半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM中厚0.5μm切片的清晰剖面顯微像。

美國(guó)GATAN公司的電子能量選擇成像系統(tǒng)裝在投影鏡后方，可對(duì)電子能量損失譜EELS選擇成像?？稍趲酌腌妰?nèi)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的數(shù)據(jù)讀出、處理、輸出、及時(shí)了解圖像的質(zhì)量，據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)參數(shù)，完成自動(dòng)合軸、自動(dòng)校正像散和自動(dòng)聚焦等工作。例如，在400kV的JEM-4000EX電鏡上用PEELS得到能量選擇原子像，并同時(shí)完成EELS化學(xué)分析。

透射電鏡經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展已接近或達(dá)到了由透鏡球差和衍射差所決定的0.1—0.2nm的理論分辨本領(lǐng)。人們正在探索進(jìn)一步消除透鏡的各種像差，在電子槍后方再增加一個(gè)電子單色器，研究新的像差校正法，進(jìn)一步提高電磁透鏡和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性；采用并進(jìn)一步發(fā)展高亮度電子源場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)琗射線(xiàn)譜儀和電子能量選擇成像譜儀，慢掃描電荷耦合器件CCD，冷凍低溫和環(huán)境試樣室，納米量級(jí)的會(huì)聚束微衍射，原位實(shí)時(shí)分析，錐狀掃描晶體學(xué)成像(ConicalScanCrystallography)，全數(shù)字控制，圖像處理與現(xiàn)代信息傳送技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作觀察，以及克服試樣本身帶來(lái)的各種限制，透射電鏡正面臨著一個(gè)新的重大突破。

電子顯微分析9、能量選擇電子顯微鏡電子顯微分析9

10、分析掃描電鏡和X射線(xiàn)能譜儀

目前，使用最廣的常規(guī)鎢絲陰極掃描電鏡的分辨本領(lǐng)已達(dá)3.5nm左右，加速電壓范圍為0.2—30kV。掃描電鏡配備X射線(xiàn)能譜儀EDS后發(fā)展成分析掃描電鏡，不僅比X射線(xiàn)波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進(jìn)行定性和無(wú)標(biāo)樣定量分析。EDS發(fā)展十分迅速，已成為儀器的一個(gè)重要組成部分，甚至與其融為一體。但是，EDS也存在不足之處，如能量分辨率低，一般為129—155eV,以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。X射線(xiàn)波譜儀分辨率則高得多，通常為5—10eV，且可在室溫下工作。1972年起EDAX公司發(fā)展了一種ECON系列無(wú)窗口探測(cè)器，可滿(mǎn)足分析超輕元素時(shí)的一些特殊需求，但Si(Li)晶體易受污染。1987年Kevex公司開(kāi)發(fā)了能承受一個(gè)大氣壓力差的ATW超薄窗，避免了上述缺點(diǎn)，可以探測(cè)到B，C，N，O等超輕元素，為大量應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前，美國(guó)Kevex公司的Quantifier,Noran公司的Extreme,Link公司的Ultracool,EDAX公司的Sapphire等Si(Li)探測(cè)器都屬于這種單窗口超輕元素探測(cè)器，分辨率為129eV，133eV等，探測(cè)范圍擴(kuò)展到了5B—92U。為克服傳統(tǒng)Si(Li)探測(cè)器需使用液氮冷卻帶來(lái)的不便，1989年Kevex公司推出了可不用液氮的Superdry探測(cè)器，Noran公司也生產(chǎn)了用溫差電制冷的Freedom探測(cè)器(配有小型冷卻循環(huán)水機(jī))，和壓縮機(jī)制冷的Cryocooled探測(cè)器。這兩種探測(cè)器必須晝夜24小時(shí)通電，適合于無(wú)液氮供應(yīng)的單位?，F(xiàn)在使用的大多還是改進(jìn)的液氮冷卻Si(Li)探測(cè)器，只需在實(shí)際工作時(shí)加入液氮冷卻，平時(shí)不必維持液氮的供給。最近發(fā)展起來(lái)的高純鍺Ge探測(cè)器，不僅提高了分辨率，而且擴(kuò)大了探測(cè)的能量范圍(從25keV擴(kuò)展到100keV)，特別適用于透射電鏡：如Link的GEM型的分辨率已優(yōu)于115eV(MnKα)和65eV(FKα)，Noran的ExplorerGe探測(cè)器，探測(cè)范圍可達(dá)100keV等。1995年中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所研制成了Si(Li)探測(cè)器，能量分辨率為152eV。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心也生產(chǎn)了X射線(xiàn)能譜分析系統(tǒng)Finder-1000，硬件借鑒Noran公司的功能電路，配以該公司的探測(cè)器，采用Windows操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了自己的圖形化能譜分析系統(tǒng)程序。

電子顯微分析10、分析掃描電鏡和X射線(xiàn)能譜儀電子顯微分析10

12、X射線(xiàn)波譜儀和電子探針儀

現(xiàn)代SEM大多配置了EDS探測(cè)器以進(jìn)行成分分析。當(dāng)需低含量、精確定量以及超輕元素分析時(shí)，則可再增加1到4道X射線(xiàn)波譜儀WDS。Microspec公司的全聚焦WDX-400，WDX-600型分別配有4塊和6塊不同的衍射晶體，能檢測(cè)到5B(4Be)以上的各種元素。該譜儀可以?xún)A斜方式裝在掃描電鏡試樣室上，以便對(duì)水平放置的試樣進(jìn)行分析，而不必如垂直譜儀那樣需用光學(xué)顯微鏡來(lái)精確調(diào)整試樣離物鏡的工作距離。

為滿(mǎn)足大量多元素試樣的超輕元素，低含量，高速定性、定量常規(guī)分析的需求，法國(guó)Cameca公司長(zhǎng)期生產(chǎn)電子探針儀，SX50和SXmacro型配備4道WDS及1道EDS，物鏡內(nèi)裝有同軸光學(xué)顯微鏡可以隨時(shí)觀察分析區(qū)域。島津公司最近生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制EPMA-1600型電子探針，可配置2—5道WDS和1道EDS，試樣最大尺寸為100mm×100mm×50mm(厚)，二次電子圖像分辨率為6nm。JEOL公司也生產(chǎn)了計(jì)算機(jī)控制的JXA-8800電子探針和JXA-8900系列WD／ED綜合顯微分析系統(tǒng)—超電子探針，可裝5道X射線(xiàn)光譜儀和1道X射線(xiàn)能譜儀，元素分析范圍為5B—92U，二次電子圖像分辨率為6nm。

Noran公司下屬的Peak公司最近發(fā)展了一種嶄新的APeX全參數(shù)X射線(xiàn)光譜儀，與傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全不同，由計(jì)算機(jī)控制6個(gè)獨(dú)立的伺服馬達(dá)分別調(diào)節(jié)分光晶體的位置和傾角以及X射線(xiàn)探測(cè)器的X、Y坐標(biāo)和狹縫寬度。配有4塊標(biāo)準(zhǔn)的分光晶體可分析5B(4Be)以上的元素。羅蘭圓半徑隨分析元素而變，可分別為170，180，190和200mm，以獲得最高的計(jì)數(shù)率，提高了分析精度和靈活性。Noran公司還推出了稱(chēng)為MAXray的X射線(xiàn)平行束光譜儀，將最新的X光學(xué)研究成果——準(zhǔn)平行束整體X光透鏡置于試樣上的X射線(xiàn)發(fā)射點(diǎn)和分析晶體之間，提高了接收X射線(xiàn)的立體角，比一般WDS的強(qiáng)度提高了50倍左右?？煞治?00eV—1.8keV能量范圍內(nèi)的K、L、M線(xiàn)，特別有利于低電壓、低束流分析，對(duì)Be、B、C、N、O和F的分辨率可高達(dá)5—15eV，兼有WDS的高分辨率和EDS的高收集效率。這兩種新型X射線(xiàn)光譜儀可望得到廣泛的應(yīng)用。電子顯微分析電子顯微分析11

13、場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡得到了很大的發(fā)展。日立公司推出了冷場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡，Amray公司則生產(chǎn)熱場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡，不僅提高了常規(guī)加速電壓時(shí)的分辨本領(lǐng)，還顯著改善了低壓性能。低壓掃描電鏡LVSEM由于可以提高成像的反差，減少甚至消除試樣的充放電現(xiàn)象并減少輻照損傷，因此受到了人們的囑目。JEOL公司的JSM-6000F型場(chǎng)發(fā)射超高分辨SEM的分辨本領(lǐng)在加速電壓30kV時(shí)達(dá)0.6nm，已接近TEM的水平，但試樣必須浸沒(méi)入物鏡的強(qiáng)磁場(chǎng)中以減少球差的影響，所以尺寸受到限制，最大為23mm×6mm×3mm(厚)。試樣半浸沒(méi)在物鏡磁場(chǎng)中的場(chǎng)發(fā)射JSM-6340F型可以觀察大試樣，加速電壓15kV時(shí)分辨本領(lǐng)為1.2nm，低壓1kV時(shí)為2.5nm。這兩種SEM由于試樣要處在磁場(chǎng)中所以不能觀察磁性材料。使用CF校正場(chǎng)小型物鏡可觀察大試樣的場(chǎng)發(fā)射JSM-6600F型分辨本領(lǐng)為2.5nm(1kV時(shí)為8nm)。日立公司也供應(yīng)這幾類(lèi)產(chǎn)品如S-5000，S-4500和S-4700型。

14、超大試樣室掃描電鏡

德國(guó)Visitec捷高公司的超大試樣室Mira型掃描電鏡。被檢物的最大尺寸可為直徑700mm，高600mm，長(zhǎng)1400mm，最大重量可達(dá)300公斤，真空室長(zhǎng)1400，寬1100和高1200mm。分辨本領(lǐng)4nm，加速電壓0.3kV—20kV。是一種新的計(jì)算機(jī)控制、非破壞性的檢查分析測(cè)試裝置，可用于工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，質(zhì)量管理，微機(jī)加工和工藝品的檢查研究等。電子顯微分析電子顯微分析12

15、環(huán)境掃描電鏡

80年代出現(xiàn)的環(huán)境掃描電鏡ESEM，根據(jù)需要試樣可處于壓力為1—2600Pa不同氣氛的高氣壓低真空環(huán)境中，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。與試樣室內(nèi)為10-3Pa的常規(guī)高真空SEM不同，所以也可稱(chēng)為低真空掃描電鏡LV-SEM。在這種低真空環(huán)境中，絕緣試樣即使在高加速電壓下也不會(huì)因出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象而無(wú)法觀察；潮濕的試樣則可保持其原來(lái)的含水自然狀態(tài)而不產(chǎn)生形變。因此，ESEM可直接觀察塑料、陶瓷、紙張、巖石、泥土，以及疏松而會(huì)排放氣體的材料和含水的生物試樣，無(wú)需先噴涂導(dǎo)電層或冷凍干燥處理。1990年美國(guó)ElectroScan公司首先推出了商品ESEM。為了保證試樣室內(nèi)的高氣壓低真空環(huán)境，LV-SEM的真空系統(tǒng)須予以特殊考慮。目前，Amray,Hitachi,JEOL和LEO等公司都有這種產(chǎn)品。試樣室為6—270Pa時(shí)，JSM—5600LV—SEM的分辨本領(lǐng)已達(dá)5.0nm，自動(dòng)切換到高真空狀態(tài)后便如常規(guī)掃描電鏡一樣，分辨本領(lǐng)達(dá)3.5nm。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心與化工冶金研究所合作，發(fā)展KYKY-1500高溫環(huán)境掃描電子顯微鏡，試樣最高溫度可達(dá)1200℃，最高氣壓為2600Pa；800℃時(shí)分辨率為60nm，觀察了室溫下的濕玉米淀粉顆粒斷面、食鹽的結(jié)晶粒子，以及在50Pa，900℃時(shí)鐵礦中的針形Fe2O3等試樣。

16、掃描電聲顯微鏡

80年代初問(wèn)世的掃描電聲顯微鏡SEAM，采用了一種新的成像方式：其強(qiáng)度受頻閃調(diào)制的電子束在試樣表面掃描，用壓電傳感器接收試樣熱、彈性微觀性質(zhì)變化的電聲信號(hào)，經(jīng)視頻放大后成像。能對(duì)試樣的亞表面實(shí)現(xiàn)非破壞性的剖面成像?？蓱?yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和陶瓷材料，電子器件及生物學(xué)等領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心也發(fā)展了這種掃描電聲顯微鏡，空間分辨本領(lǐng)為0.2—0.3μm。最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所采用數(shù)字掃描發(fā)生器控制電子束掃描等技術(shù)，提高了信噪比，使SEAM的圖像質(zhì)量得到了很大的改進(jìn)。

電子顯微分析15、環(huán)境掃描電鏡電子顯微分析13

17、測(cè)長(zhǎng)／缺陷檢測(cè)掃描電鏡

SEM不但在科學(xué)研究而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起使其得到了很大的發(fā)展。目前半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路每條線(xiàn)的制造寬度正由0.25μm向0.18μm邁進(jìn)。作為半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)線(xiàn)上Si片的常規(guī)檢測(cè)工具，美國(guó)Amray公司推出了一種缺陷檢測(cè)3800型DRT掃描電鏡，采用了加熱到1800K的ZrO/W陰極肖脫基熱場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)哂辛己玫牡图铀匐妷盒阅埽?kV時(shí)分辨本領(lǐng)達(dá)4nm，而且電子束流的穩(wěn)定度優(yōu)于1%/h、可長(zhǎng)期連續(xù)工作，對(duì)直徑為100，125，150，200mm的Si片，每小時(shí)可檢測(cè)100個(gè)缺陷。日立公司為了克服以往在室溫下工作的冷場(chǎng)發(fā)射槍測(cè)長(zhǎng)掃描電鏡(CD-SEM)因需要進(jìn)行閃爍處理以去除發(fā)射尖上所吸附的氣體分子而經(jīng)常中斷工作、影響在生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用的缺點(diǎn)，最近也推出了這種ZrO/W陰極熱場(chǎng)發(fā)射電子槍的S-8000系列CD-SEM。為了克服熱場(chǎng)發(fā)射比冷場(chǎng)發(fā)射槍電子能量分散大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了阻滯場(chǎng)電磁物鏡，并改進(jìn)了二次電子探測(cè)器，在加速電壓為800V時(shí)分辨本領(lǐng)為5nm，可以每小時(shí)20片，每片5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的速度連續(xù)檢測(cè)125—200mm直徑的Si。

18、晶體學(xué)取向成像掃描電子顯微術(shù)

SEM的另一個(gè)新發(fā)展方向是以背散射電子衍射圖樣(EBSP)為基礎(chǔ)的晶體學(xué)取向成像電子顯微術(shù)(OIM)。在SEM上增加一個(gè)可將試樣傾動(dòng)約70度的裝置，CCD探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，掃描并接收記錄塊狀試樣表面的背散射電子衍射花樣(背散射菊池花樣)，按試樣各部分不同的晶體取向分類(lèi)成像來(lái)獲得有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息，可顯示晶粒組織、晶界和裂紋等，也可用于測(cè)定織構(gòu)和晶體取向?？赏l(fā)展成SEM的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)附件。1996年美國(guó)TSL(TexSemLaboratories,Inc.)公司推出了TSLOIM系統(tǒng)，空間分辨本領(lǐng)已優(yōu)于0.2μm，比原理相似的電子通道圖樣(ECP)提高了一個(gè)量級(jí)，在0.4秒鐘內(nèi)即能完成一張衍射圖樣的自動(dòng)定標(biāo)工作。英國(guó)牛津集團(tuán)顯微分析儀器Link-OPAL公司的EBSD結(jié)晶學(xué)分析系統(tǒng)，目前已用于Si片上Al連線(xiàn)的取向分析，以判斷其質(zhì)量的優(yōu)劣及可行性。

電子顯微分析17、測(cè)長(zhǎng)／缺陷檢測(cè)掃描電鏡電子顯微分析1419、計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡

90年代初，飛利浦公司推出了XL系列掃描電鏡。在保持重要功能的同時(shí)，減少了操作的復(fù)雜性。儀器完全由計(jì)算機(jī)軟件控制操作。許多參量(焦距、像散校正和試樣臺(tái)移動(dòng)速度等)和調(diào)節(jié)靈敏度都會(huì)根據(jù)顯微鏡的工作狀態(tài)作自適應(yīng)變化和耦合，可迅速而準(zhǔn)確地改變電鏡的主要參數(shù)。EDS完全與XL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化。該公司1995年生產(chǎn)了XL40FEG等場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。日立，JEOL等也先后推出了計(jì)算機(jī)控制的掃描電鏡。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的分辨本領(lǐng)最高已達(dá)到0.6nm，接近了透射電鏡的水平，并得到了廣泛的應(yīng)用，但尚不能分辨原子。如何進(jìn)一步提高掃描電鏡的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng)是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。JoyDC指出：由于分辨本領(lǐng)受到試樣表面二次電子SE擴(kuò)散區(qū)大小的基本限制，采取適當(dāng)措施如噴鍍一超薄金屬層或布洛赫波隧穿效應(yīng)(BlochWaveChanneling)等來(lái)限制SE擴(kuò)散區(qū)的尺寸，二次電子分辨本領(lǐng)可望達(dá)到0.2—0.3nm，并進(jìn)而觀察原子像?，F(xiàn)代SEM電子束探針的半高寬FWHM已達(dá)0.3nm，場(chǎng)發(fā)射電子槍也已具有足夠高的亮度。因此在電子光學(xué)方面目前并不構(gòu)成對(duì)SE分辨本領(lǐng)的基本限制。然而，對(duì)SEM的機(jī)械設(shè)計(jì)如試樣臺(tái)的漂移和震動(dòng)等尚未給予足夠的、如對(duì)掃描隧道顯微鏡那樣的重視、二次電子探測(cè)器的信噪比和反差還不夠理想，也影響了分辨本領(lǐng)。此外，SE分辨本領(lǐng)的定義和測(cè)定方法，SEM圖像處理等也不如透射電子顯微鏡那么嚴(yán)格和完善。這些問(wèn)題的解決必將進(jìn)一步提高SEM的圖像質(zhì)量和分辨本領(lǐng)。電子顯微分析19、計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡電子顯微分析15

新一代能量過(guò)濾成像系統(tǒng)TEM中高能電子穿過(guò)樣品時(shí)發(fā)生彈性散射和非彈性散射。通常彈性散射電子用于成像或衍射花樣，而非彈性散射電子供電子能量損失譜儀進(jìn)行分析。上世紀(jì)90年代初，美國(guó)Gtan公司在原來(lái)的平行電子能量損失譜儀的基礎(chǔ)上，發(fā)展了能量過(guò)濾成像系統(tǒng)，它可以安裝在各類(lèi)電鏡的末端。能量過(guò)濾器的發(fā)展，拓展了新型的能量過(guò)濾透射電子顯微學(xué)研究領(lǐng)域。利用電子能量過(guò)濾成像系統(tǒng)，從電子能量損失譜（EELS）可以得到樣品的化學(xué)成分、電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成鍵等信息，還可以對(duì)EELS的各部位選擇成像，不僅明顯提高電子顯微像與衍射圖的忖度和分辨率，而且可提供樣品中的元素分布圖。元素分布圖是表征材料的納米或亞納米尺度的組織結(jié)構(gòu)特征，如細(xì)小的參雜物、析出物和界面的探測(cè)及元素分布信息、定量的相鑒別及化學(xué)成鍵圖等的快速且有效的分析方法，其空間分辨率可達(dá)1nm，優(yōu)于在STEM上用X射線(xiàn)能量色散譜得到的元素分布圖（空間分辨率為幾個(gè)nm），而且當(dāng)樣品厚度＜20~30nm時(shí)，前者的探測(cè)極限優(yōu)于后者。電子顯微分析電子顯微分析16電子顯微分析電子顯微分析17

EELS和EDXS比較EDXSEELS僅能提供元素組成元素組成、電子狀態(tài)空間分辨率為幾nm空間分辨率可達(dá)1nm能量分辨率低＞100eV能量分辨率高0.2-0.3eV慢速（minutestohours）快速（secondstominutes）重元素探測(cè)效率高輕元素探測(cè)效率高操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀操作復(fù)雜，對(duì)人員素質(zhì)要求高價(jià)格便宜硬件復(fù)雜，軟件多價(jià)格昂貴電子顯微分析電子顯微分析18

場(chǎng)發(fā)射電子槍

場(chǎng)發(fā)射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出10-100倍，同時(shí)電子能量散佈僅為0.2-0.3eV，所以目前市售的高解析度電子顯微鏡都採(cǎi)用場(chǎng)發(fā)射式電子槍?zhuān)浣馕龆瓤筛哌_(dá)1nm以下。

場(chǎng)發(fā)射電子槍可細(xì)分成三種:冷場(chǎng)發(fā)射式(coldfieldemission,FE)，熱場(chǎng)發(fā)射式(thermalfieldemission,TF)，及蕭基發(fā)射式(Schottkyemission,SE)

當(dāng)在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場(chǎng)時(shí)，會(huì)有可觀數(shù)量的電子發(fā)射出來(lái)，此過(guò)程叫做場(chǎng)發(fā)射，其原理是高電場(chǎng)使電子的電位障礙產(chǎn)生Schottky效應(yīng)，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接“穿隧”通過(guò)此狹窄能障並離開(kāi)陰極。場(chǎng)發(fā)射電子係從很尖銳的陰極尖端發(fā)射出來(lái)，因此可得極細(xì)而又具高電流密度的電子束，其亮度可達(dá)熱游離電子槍的數(shù)百倍，或甚至千倍。

場(chǎng)發(fā)射電子槍所選用的陰極材料必需是高強(qiáng)度材料，以能承受高電場(chǎng)所加諸在陰極尖端的高機(jī)械應(yīng)力，鎢即因高強(qiáng)度而成為較佳的陰極材料。場(chǎng)發(fā)射槍通常以上下一組陽(yáng)極來(lái)產(chǎn)生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽(yáng)極的特殊外形所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，能對(duì)電子產(chǎn)生聚焦效果，所以不再需要威氏罩或柵極。第一(上)陽(yáng)極主要是改變場(chǎng)發(fā)射的吸取電壓(extractionvoltage)，以控制針尖場(chǎng)發(fā)射的電流強(qiáng)度，而第二(下)陽(yáng)極主要是決定加速電壓，以將電子加速至所需要的能量。

電子顯微分析電子顯微分析19

要從極細(xì)的鎢針尖場(chǎng)發(fā)射電子，金屬表面必需完全乾淨(jìng)，無(wú)任何外來(lái)材料的原子或分子在其表面，即使只有一個(gè)外來(lái)原子落在表面亦會(huì)降低電子的場(chǎng)發(fā)射，所以場(chǎng)發(fā)射電子槍必需保持超高真空度，來(lái)防止鎢陰極表面累積原子。由於超高真空設(shè)備價(jià)格極為高昂，所以一般除非需要高解析度SEM，否則較少採(cǎi)用場(chǎng)發(fā)射電子槍。

1.冷場(chǎng)發(fā)射式最大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑最小，亮度最高，因此影像解析度最優(yōu)。能量散佈最小，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來(lái)氣體吸附，而降低場(chǎng)發(fā)射電流，並使發(fā)射電流不穩(wěn)定，冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍必需在10-10torr的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K(此過(guò)程叫做flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流最小。

2.熱場(chǎng)發(fā)射式電子槍是在1800K溫度下操作，避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面，所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的發(fā)射電流穩(wěn)定度，並能在較差的真空度下(10-9torr)操作。雖然亮度與冷式相類(lèi)似，但其電子能量散佈卻比冷式大3~5倍，影像解析度較差，通常較不常使用。

3.蕭基發(fā)射式的操作溫度為1800K，它係在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層，ZrO將功函數(shù)從純鎢的4.5eV降至2.8eV，而外加高電場(chǎng)更使電位障壁變窄變低，使得電子很容易以熱能的方式跳過(guò)能障(並非穿隧效應(yīng))，逃出針尖表面，所需真空度約10-8~10-9torr。其發(fā)射電流穩(wěn)定度佳，而且發(fā)射的總電流也大，而其電子能量散佈很小。電子顯微分析要從極細(xì)的鎢針尖場(chǎng)發(fā)射電子，金屬表面必需20第一章電鏡的結(jié)構(gòu)與成象

1.1光學(xué)顯微鏡的局限性1）一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們一直用光學(xué)顯微鏡來(lái)揭示金屬材料的顯微組織，借以弄清楚組織、成分、性能的內(nèi)在聯(lián)系。但光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)有限，對(duì)諸如合金中的G.P區(qū)（幾十埃）無(wú)能為力。因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡是用可見(jiàn)光束照明物體,光具有微粒和波動(dòng)兩相性,其波長(zhǎng)范圍為5000?.光的波動(dòng)本性所決定的衍射現(xiàn)象,使得顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能小于2000?的限度.衍射是怎樣限制顯微鏡的分辨本領(lǐng)的..圖(a)表達(dá)了光線(xiàn)通過(guò)顯微鏡的光路圖。假設(shè)物鏡由透鏡L和光闌D組成。物鏡對(duì)物點(diǎn)張角的一半為α。在真實(shí)物鏡中，光闌是由物鏡框擔(dān)任的，α也是光闌的半張角。設(shè)物鏡平面內(nèi)的發(fā)光點(diǎn)為O1O2。其象在象平面內(nèi)為B1和B2。由于光闌邊的衍射，象點(diǎn)B1和B2不會(huì)是點(diǎn)狀，而是中心發(fā)亮，周?chē)靼迪嚅g的同心圓斑，稱(chēng)為Airy斑。圖b是O1O2在相平面內(nèi)的強(qiáng)度分布圖。

電子顯微分析第一章電鏡的結(jié)構(gòu)與成象電子顯微分析21

O1O2dLB2B1Md強(qiáng)度D圖（a）點(diǎn)O1、O2形成兩個(gè)Airy斑；圖（b）是強(qiáng)度分布。（a）（b）電子顯微分析O1O2dLB2B1Md強(qiáng)度D圖（a）點(diǎn)22圖（c）兩個(gè)Airy斑明顯可分辨出。圖（d）兩個(gè)Airy斑剛好可分辨出。圖（e）兩個(gè)Airy斑分辨不出。I0.81I電子顯微分析圖（c）兩個(gè)Airy斑圖（d）兩個(gè)Airy斑圖（e）兩個(gè)Ai23

如果O1O2進(jìn)一步靠攏，使得圖像模糊不清，人們無(wú)法把它們的象分辨出來(lái)。人們把能分辨出來(lái)的物面上的最小距離，稱(chēng)為顯微鏡的分辨本領(lǐng)。若用d表示這個(gè)最小距離，計(jì)算得最小距離公式。

其中d——最小分辨距離λ——波長(zhǎng)n——透鏡周?chē)恼凵渎师痢哥R對(duì)物點(diǎn)張角的一半,n.sinα稱(chēng)為數(shù)值孔徑，用N.A表示若透鏡放大倍數(shù)為M，則Airy斑的半徑應(yīng)為Md。電子顯微分析如果O1O2進(jìn)一步靠攏，使得圖像模糊不清，人們24對(duì)于光學(xué)顯微鏡，N.A的值均小于1，油浸透鏡也只有1.5—1.6，而可見(jiàn)光的波長(zhǎng)有限，因此，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能再次提高。提高透鏡的分辨本領(lǐng)：增大數(shù)值孔徑是困難的和有限的，唯有尋找比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的光線(xiàn)才能解決這個(gè)問(wèn)題。電子顯微分析對(duì)于光學(xué)顯微鏡，N.A的值均小于1，油浸透鏡也只有1.5—1251.2電子的波長(zhǎng)

比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的有：1）紫外線(xiàn)——會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收,所用波長(zhǎng)只能限于2500~2000?。2）X射線(xiàn)——波長(zhǎng)為1?左右，但找不到使X射線(xiàn)會(huì)聚的透鏡。3）電子波長(zhǎng)——具有波粒二相性，和可見(jiàn)光相同。電子波可能作為新光源，下面看一下它的波長(zhǎng)是不是很短。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)，即電子具有微粒性，也具有波動(dòng)性。電子波長(zhǎng)

h——Plank常數(shù)，h=6.63X10-34J.Sm——電子質(zhì)量,m=9.1X10-28gv——電子速度電子顯微分析1.2電子的波長(zhǎng)

比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的有：電子顯微分26顯然，v越大，λ越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)而e=1.6X10-19代入得

即若被150伏的電壓加速的電子，波長(zhǎng)為1埃。若加速電壓很高，就應(yīng)進(jìn)行相對(duì)論修正。顯然，用這樣的波來(lái)作為顯微鏡的光源，就能大大提高分辨能力。電子顯微分析顯然，v越大，λ越小，電子的速度與其加速電壓（E伏特）有關(guān)271.3電子透鏡

1）電子和可見(jiàn)光不同，它是一個(gè)帶電的粒子，因此不能憑借光學(xué)透鏡會(huì)聚成像。但電子可以憑借軸對(duì)稱(chēng)的非均勻電場(chǎng)、磁場(chǎng)的力，使其會(huì)聚或發(fā)散，從而達(dá)到成象的目的。由靜電場(chǎng)制成的透鏡——靜電透鏡由磁場(chǎng)制成的透鏡——磁透鏡電子顯微分析1.3電子透鏡電子顯微分析282）磁透鏡和靜電透鏡相比有如下的優(yōu)點(diǎn)磁透鏡靜電透鏡1.改變線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度可很方便的控制焦距和放大率；2.無(wú)擊穿，供給磁透鏡線(xiàn)圈的電壓為60到100伏；3.象差小。1.需改變很高的加速電壓才可改變焦距和放大率；2.靜電透鏡需數(shù)萬(wàn)伏電壓，常會(huì)引起擊穿；3.象差較大。目前應(yīng)用較多的是磁透鏡

電子顯微分析2）磁透鏡和靜電透鏡相比有如下的優(yōu)點(diǎn)磁透鏡291.4電子透鏡的缺陷和理論分辨距離

電子透鏡也存在缺陷，使得實(shí)際分辨距離遠(yuǎn)小于理論分辨距離，對(duì)電鏡分辨本領(lǐng)起作用的是球差、象散和色差。

1）球差球差是由于電子透鏡的中心區(qū)域和邊沿區(qū)域?qū)﹄娮拥臅?huì)聚能力不同而造成的。遠(yuǎn)軸的電子通過(guò)透鏡折射得比近軸電子要厲害的多，以致兩者不交在一點(diǎn)上，結(jié)果在象平面成了一個(gè)漫散圓斑，半徑為還原到物平面，則為球差系數(shù)，最佳值是0.3mm。α為孔徑角，透鏡分辨本領(lǐng)隨α增大而迅速變壞。電子顯微分析1.4電子透鏡的缺陷和理論分辨距離電子顯微分析30αP’象P’’透鏡物P光軸圖1-5（a）球差電子顯微分析αP’象P’’透鏡物P光軸圖1-5（a）球差電子顯微分析312）象散磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)時(shí)，就出現(xiàn)象散。有的方向電子束的折射比別的方向強(qiáng)，如圖1-5（b）所示，在A平面運(yùn)行的電子束聚焦在Pa點(diǎn)，而在B平面運(yùn)行的電子聚焦在Pb點(diǎn)，依次類(lèi)推。這樣，圓形物點(diǎn)的象就變成了橢圓形的漫散圓斑，其平均半徑為還原到物平面為象散引起的最大焦距差；透鏡磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，可能是由于極靴被污染，或極靴的機(jī)械不對(duì)稱(chēng)性，或極靴材料各項(xiàng)磁導(dǎo)率差異引起。象散可由附加磁場(chǎng)的電磁消象散器來(lái)校正。電子顯微分析2）象散電子顯微分析32平面BPA透鏡平面物P光軸PBfA平面A圖1-5（b）象散電子顯微分析平面BPA透鏡平面物P光軸PBfA平面A圖1-5（b）象散333）色差電子的能量不同，從而波長(zhǎng)不一造成的，電子透鏡的焦距隨著電子能量而改變，因此，能量不同的電子束將沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的漫散圓斑還原到物平面，其半徑為

是透鏡的色差系數(shù)，大致等于其焦距，是電子能量的變化率。引起電子束能量變化的主要有兩個(gè)原因：一是電子的加速電壓不穩(wěn)定；二是電子束照射到試樣時(shí)，和試樣相互作用，一部分電子發(fā)生非彈性散射，致使電子的能量發(fā)生變化。使用薄試樣和小孔徑光闌將散射角大的非彈性散射電子擋掉，將有助于減小色散。電子顯微分析3）色差電子顯微分析34能量為E的電子軌跡象1透鏡物P光軸圖1-5（c）色差能量為E-E的電子軌跡象2電子顯微分析能量為E的象1透鏡物P光軸圖1-5（c）色差能量為E-35

在電子透鏡中，球差對(duì)分辨本領(lǐng)的影響最為重要，因?yàn)闆](méi)有一種簡(jiǎn)便的方法使其矯正，而其它象差，可以通過(guò)一些方法消除電子顯微分析在電子透鏡中，球差對(duì)分辨本領(lǐng)的影響最為重要，因361.4理論分辨距離光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)基本上決定于象差和衍射，而象差基本上可以消除到忽略不計(jì)的程度，因此，分辨本領(lǐng)主要取決于衍射。電子透鏡中，不能用大的孔徑角，若這樣做，球差和象差就會(huì)很大，但可通過(guò)減小孔徑角的方法來(lái)減小象差，提高分辨本領(lǐng)，但不能過(guò)小。顯微鏡的分辨極限是電鏡情況下，，因此

可見(jiàn)，光闌尺寸過(guò)小，會(huì)使分辨本領(lǐng)變壞，這就是說(shuō)，光闌的最佳尺寸應(yīng)該是球差和衍射兩者所限定分辨距離彼此相等時(shí)。電子顯微分析1.4理論分辨距離電子顯微分析37相對(duì)應(yīng)的最佳光闌直徑式中的f為透鏡的焦距。將代入可得目前，通用的較精確的理論分辨公式和最佳孔徑角公式為將各類(lèi)電鏡缺陷的影響減至最小，電子透鏡的分辨本領(lǐng)比光學(xué)透鏡提高了一千倍左右。電子顯微分析相對(duì)應(yīng)的最佳光闌直徑電子顯微分析381.5電子透鏡的場(chǎng)深和焦深

電子透鏡分辨本領(lǐng)大，場(chǎng)深（景深）大，焦深長(zhǎng)。

場(chǎng)深是指在保持象清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說(shuō)試樣超越物平面所允許的厚度。

焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說(shuō)觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動(dòng)距離。電子透鏡所以有這種特點(diǎn)，是由于所用的孔徑角非常小的緣故。這種特點(diǎn)在電子顯微鏡的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有重大意義。場(chǎng)深的關(guān)系可以從圖1-6推導(dǎo)出來(lái)。在的條件下，場(chǎng)深如埃，弧度時(shí)，大約是1400埃，這就是說(shuō)，厚度小于1400埃的試樣，其間所有細(xì)節(jié)都可調(diào)焦成象。由于電子透鏡場(chǎng)深大，電子透鏡廣泛的應(yīng)用在斷口觀察上。電子顯微分析1.5電子透鏡的場(chǎng)深和焦深電子顯微分析39α2MXαRL2L1Qi2XQDf透鏡象平面圖1-6場(chǎng)深示意圖電子顯微分析α2MXαRL2L1Qi2XQDf透鏡象平面圖1-6場(chǎng)深示40圖1-7是焦深的示意圖。由圖可以看出，由于，即所以這里的M是總放大倍數(shù)?？梢?jiàn)，焦深是很大的。例如，，埃時(shí)，米。當(dāng)然，這一結(jié)果只有在時(shí)才是正確的，即便如此，所得的D1也是很大的。因此，當(dāng)用傾斜觀察屏觀察象時(shí)，以及當(dāng)照相底片不位于觀察屏同一象平面時(shí)，所拍照的象依然是清晰的。電子顯微分析圖1-7是焦深的示意圖。由圖可以看出，電子顯微分析41屏透鏡αL1L2Df2d最小M圖1-7焦深示意圖電子顯微分析屏透鏡αL1L2Df2d最小M圖1-7焦深示意圖電子顯微421.6電鏡的主要結(jié)構(gòu)目前，風(fēng)行于世界的大型電鏡，分辨本領(lǐng)為1-2埃，電壓為100～500kV，放大倍數(shù)50-1200000倍。由于材料研究強(qiáng)調(diào)綜合分析，電鏡逐漸增加了一些其它專(zhuān)門(mén)儀器及附件，如掃描電鏡、掃描透射電鏡、X射線(xiàn)能譜儀、電子能量損失譜等，使其成為微觀形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)分析和成分分析的綜合性?xún)x器，即分析電鏡。它們能同時(shí)提供試樣的有關(guān)附加信息。高分辨電鏡的設(shè)計(jì)分為兩類(lèi)：一是為生物工作者設(shè)計(jì)的，具有最佳分辨本領(lǐng)而附件較少；二是為材料科學(xué)工作者設(shè)計(jì)的，常帶附件而損失一些分辨能力。另外，也有些設(shè)計(jì)，在高分辨時(shí)采取短焦距，低分辨時(shí)采取長(zhǎng)焦距。我們這里先看一看一些電鏡的外觀圖片，再就電鏡共同的結(jié)構(gòu)原理和日趨普及的分析電鏡的有關(guān)情況做一介紹。電子顯微分析電子顯微分析43

日本日立公司H－700電子顯微鏡，配有雙傾臺(tái)，并帶有7010掃描附件和EDAX9100能譜。該儀器不但適合于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、微生物等方面的研究，由于加速電壓高，更適合于金屬材料、礦物及高分子材料的觀察與結(jié)構(gòu)分析，并能配合能譜進(jìn)行微區(qū)成份分析?！?/p>

分辨率：0.34nm

●

加速電壓：75KV－200KV

●

放大倍數(shù)：25萬(wàn)倍

●

能譜儀：EDAX－9100

●

掃描附件：S7010

電子顯微分析

日本日立公司H－700●

分辨率：44

CM200-FEG場(chǎng)發(fā)射槍電鏡JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6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(chǎng)發(fā)射槍

晶格分辨率1.4?

點(diǎn)分辨率2.4?

最小電子束直徑1nm

能量分辨率約1ev

傾轉(zhuǎn)角度α=±20度

β=±25度電子顯微分析CM200-FEG場(chǎng)發(fā)射槍電鏡JEM-2010透射電45JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點(diǎn)分辨率1.94?EM420透射電子顯微鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率2.04?

點(diǎn)分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm

傾轉(zhuǎn)角度α=±60度

β=±30度電子顯微分析JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點(diǎn)46PhilipsCM12透射電鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W燈絲

晶格分辨率2.04?

點(diǎn)分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm；

傾轉(zhuǎn)角度α=±20度

β=±25度CEISS902電鏡加速電壓50KV、80KV

W燈絲

頂插式樣品臺(tái)

能量分辨率1.5ev

傾轉(zhuǎn)角度α=±60度

轉(zhuǎn)動(dòng)4000電子顯微分析PhilipsCM12透射電鏡加速電壓20KV、40KV、47電子顯微分析電子顯微分析48光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏照相底板照相底板電子顯微分析光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象49電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成。1.電子光學(xué)系統(tǒng)1）照明部分（1）陰極：又稱(chēng)燈絲，一般是由0.03-0.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。在真空中通電加熱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，鎢絲表面獲得大于溢出功的能量，開(kāi)始發(fā)射．溫度越高，發(fā)射的電子數(shù)目越多．由于V或Y形鎢絲尖端的溫度最高，所以，發(fā)射區(qū)域是鎢絲尖端處很小的表面．目前分析電鏡多備有六硼化鑭低溢出功材料作的燈絲，以備需高亮度觀察時(shí)使用．（2）陽(yáng)極：從陰極通過(guò)加熱而發(fā)射出來(lái)的電子，動(dòng)能還是很小的，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足成像的要求，必須給以加速以獲得所需的足夠大的動(dòng)能．陽(yáng)極放在陰極的下面，小孔的中心對(duì)準(zhǔn)鎢絲的尖端，這樣會(huì)使電子獲得越來(lái)越大的加速度，從而滿(mǎn)足獲得最大動(dòng)能的要求．為了安全，一般都是陽(yáng)極接地，陰極帶有負(fù)高壓。

電子顯微分析電子顯微分析50（3）控制極：陽(yáng)極對(duì)電子束不起會(huì)聚作用，而陰極發(fā)射出來(lái)的電子束較粗．控制極放置在陰極和陽(yáng)極之間，依靠它比陰極更負(fù)的電位，使電子束強(qiáng)烈的會(huì)聚，從而大大降低陽(yáng)極板小孔的發(fā)散作用，使電子束以細(xì)束狀態(tài)由陽(yáng)極板小孔穿行而過(guò)．另外，通過(guò)改變控制極的電子束流大小，還可以調(diào)節(jié)象的亮度．陰極、陽(yáng)極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能，因此，人們習(xí)慣上把它們通稱(chēng)為“電子槍”。

（4）聚光鏡：由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用，電子束穿過(guò)陽(yáng)極小孔后，又逐漸變粗，射到試樣上仍然過(guò)大。聚光鏡就是為克服這種缺陷加入的，它有增強(qiáng)電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會(huì)聚起來(lái)的作用，從而使照射到試樣上的電子束截面變小．使電子束直徑、強(qiáng)度和電子動(dòng)能滿(mǎn)足顯微鏡的要求。電子顯微分析（3）控制極：陽(yáng)極對(duì)電子束不起會(huì)聚作用，而陰極發(fā)射出來(lái)的51

聚光鏡又分為第一聚光鏡和第二聚光鏡。第一聚光鏡是強(qiáng)透鏡，具有較短的焦距。它的作用是縮小從電子槍來(lái)的電子束直徑，使之在第一聚光鏡的后焦面上的直徑為１微米或更小。第二聚光鏡是弱透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距。它將第一聚光鏡會(huì)聚的電子束放大約二倍后投影到試樣上。在第二聚光鏡下面裝有束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其作用是使入射束傾斜照射試樣，以獲得中心暗場(chǎng)象或弱束象。分析電鏡中在此位置裝的雙偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，以使入射束既可傾斜照射試樣，又可在試樣上掃描，以實(shí)現(xiàn)掃描電鏡和掃描透射電鏡的功能。電子顯微分析聚光鏡又分為第一聚光鏡和第二聚光鏡。電子顯微分析52陰極（接負(fù)高壓）控制極（比陰極負(fù)100~1000伏）陽(yáng)極電子束聚光鏡試樣圖1-11照明部分示意圖電子顯微分析陰極（接控制極（比陰極陽(yáng)極電子束聚光鏡試樣圖1-11照明部532）成象放大部分這部分有試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。（1）試樣室：位于照明部分和物鏡之間，它的主要作用是通過(guò)試樣臺(tái)承載試樣，移動(dòng)試樣。（2）物鏡：電鏡的最關(guān)鍵的部分，其作用是將來(lái)自試樣不同點(diǎn)同方向同相位的彈性散射束會(huì)聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；將來(lái)自試樣同一點(diǎn)的不同方向的彈性散射束會(huì)聚于其象平面上，構(gòu)成與試樣組織相對(duì)應(yīng)的顯微象。物鏡是獲得第一幅具有一定分辨本領(lǐng)、放大電子象的電子透鏡物鏡的最短焦距可達(dá)1毫米，放大倍數(shù)約為300倍，目前，全球最頂級(jí)透射電鏡的最佳分辨本領(lǐng)低于1埃。為了減小物鏡的球差和提高象的襯度，在物鏡極靴進(jìn)口表面和物鏡后焦面上還各放一個(gè)光闌，物鏡光闌（防止物鏡污染）和襯度光闌（提高襯度）在分析電鏡中，使用的皆為雙物鏡加輔助透鏡，試樣置于上下物鏡之間，上物鏡起強(qiáng)聚光作用，下物鏡起成象放大作用，輔助透鏡是為了進(jìn)一步改善場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性而加入的。電子顯微分析2）成象放大部分電子顯微分析54

3）中間鏡和投影鏡：中間鏡和投影鏡和物鏡相似，但焦距較長(zhǎng)。它們的作用是將來(lái)自物鏡的電子象進(jìn)行再放大，最后顯示在觀察屏上，得到高放大倍率的電子象。試樣、物鏡、中間鏡和投影鏡四者之間的相對(duì)位置是：試樣放在物鏡的物平面上，物鏡的象平面是中間鏡的物平面，中間鏡的象平面是投影鏡的物平面。物鏡、中間鏡和投影鏡三者結(jié)合起來(lái)，給出電鏡的總放大倍數(shù)。中間鏡除了起放大作用外，還起衍射鏡的作用。因?yàn)橥ㄟ^(guò)減弱中間鏡電流，增大其物距，使其物平面與物鏡的后焦面重合，這樣就可以把物鏡后焦面上所形成的電子衍射花樣投影到中間鏡的象平面，即投影鏡的物平面上，經(jīng)投影鏡放大而在觀察屏上顯示出放大的電子衍射花樣。中間鏡光闌又稱(chēng)為視場(chǎng)光闌或選區(qū)光闌，它處于物鏡的象平面上，光闌的大小和形狀可以調(diào)節(jié)，以達(dá)到限制和選擇所需視場(chǎng)的目的。電子顯微分析電子顯微分析55

近代高性能電鏡一般都設(shè)有兩個(gè)中間鏡，兩個(gè)投影鏡。把第一個(gè)中間鏡稱(chēng)為衍射鏡，把第二個(gè)叫做中間鏡。第一個(gè)中間鏡是弱透鏡，主要用于衍射成像或10萬(wàn)倍以下的放大。第二個(gè)中間鏡是較強(qiáng)透鏡，用于10萬(wàn)倍以上的成像。30萬(wàn)倍以上成像時(shí)，物鏡、兩個(gè)中間鏡和兩個(gè)投影鏡同時(shí)起放大作用。低倍時(shí)，關(guān)掉物鏡，第一個(gè)中間鏡對(duì)試樣進(jìn)行第一次成像，總的放大倍率可在一千倍以下。電子顯微分析電子顯微分析56圖1-12（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡三次象（熒光屏）選區(qū)光闌電子顯微分析圖1-12（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍57物鏡關(guān)閉無(wú)光闌中間鏡（作物鏡用）投影鏡第一實(shí)象（熒光屏）普查象圖1-13極低放大率象電子顯微分析物鏡關(guān)閉中間鏡投影鏡第一實(shí)象（熒光屏）普查象圖1-13583）顯象部分

這部分由觀察室和照相機(jī)構(gòu)組成。在分析電鏡中，還有探測(cè)器，用來(lái)收集透射電子和散射電子以形成與常規(guī)透射電鏡相對(duì)應(yīng)的掃描透射電鏡的明場(chǎng)象和暗場(chǎng)象。此外，在鏡筒之下還裝有電子能量分析附件。工作時(shí)，衍射束經(jīng)掃描線(xiàn)圈的偏轉(zhuǎn)作用，逐個(gè)掃過(guò)入射光闌進(jìn)入電子能譜分析儀，不同能量的電子在靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)而分散開(kāi)來(lái)。再用能量選擇光闌把不同能量損失的散射電子挑選出來(lái)，經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大整理后顯示在顯象管的熒光屏上，或用x-y記錄儀描繪下來(lái)。這種設(shè)備既可以把非彈性散射電子濾掉，得到背底低、清晰度高的電子衍射花樣，也可以進(jìn)行電子能譜分析，得到試樣的微區(qū)化學(xué)成分。分析區(qū)域可小到100?，可用于研究細(xì)小沉淀顆粒及輕金屬簡(jiǎn)單合金相界的成分變化。電子顯微分析電子顯微分析59掃描發(fā)生儀顯象管和X-Y記錄儀數(shù)據(jù)處理放大器電子束掃描線(xiàn)圈入射光闌電子能量分析儀能量選擇光闌探測(cè)器圖1-14掃描電子衍射和電子能譜分析附件示意圖電子顯微分析掃描發(fā)生儀顯象管數(shù)據(jù)放大器電子束掃描線(xiàn)圈入射光闌電子能量能量602.真空系統(tǒng)

為了保證電子在整個(gè)通道中只與試樣發(fā)生相互作用，而不與空氣分子發(fā)生碰撞，整個(gè)電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi)，一般真空度為毫米汞柱。如果真空度不夠，就會(huì)出現(xiàn)下列問(wèn)題：1、電子與空氣分子碰撞發(fā)生散射，出現(xiàn)空間電荷效應(yīng)，導(dǎo)致高壓加不上去。2、電子與空氣分子碰撞，影響成像襯度；3、控制極與陽(yáng)極間空氣分子因高壓電離，導(dǎo)致極間放電；4、燈絲迅速氧化，縮短壽命。電鏡的真空系統(tǒng)一般由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、離子泵、渦輪分子泵、閥門(mén)、真空測(cè)量?jī)x等部分組成。電子顯微分析2.真空系統(tǒng)電子顯微分析613.供電系統(tǒng)

透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。

電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個(gè)極為重要的標(biāo)志。所以，對(duì)供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。

近代儀器除了上述電源部分外，尚有自動(dòng)操作程序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電源。電子顯微分析3.供電系統(tǒng)電子顯微分析62中等電壓透射電鏡的球差矯正

在20世紀(jì)最后10年中,中等電壓(200kV-300kV)透射電鏡物鏡的球差矯正研究取得了重大的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,把PhilipsCM200FEGST型TEM的分辨率由0.24nm提高到0.13nm。這是自1932年Knoll和Ruska創(chuàng)制世界第一臺(tái)透射電鏡以來(lái)近70年中在電子顯微鏡研究方面取得的最偉大的成就,必將對(duì)材料科學(xué)和其它相關(guān)科學(xué)產(chǎn)生巨大的影響。早在90多年前,Abbe就已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)顯微鏡物鏡球差的矯正,把光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)提高到衍射限制的水平。由于電子波長(zhǎng)特別短,比光學(xué)顯微鏡的限制要低幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的衍射限制。Scherzer在1936年就已經(jīng)指出,在同時(shí)滿(mǎn)足下面三個(gè)條件的情形下,電子透鏡的球差和中心色差(即物點(diǎn)在對(duì)稱(chēng)軸上時(shí)產(chǎn)生的色差,也稱(chēng)軸上色差)是不可消除的:(1)電子光學(xué)系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的;(2)透鏡場(chǎng)是靜場(chǎng);(3)在光路中不存在空間電荷。這個(gè)原理稱(chēng)為Scherzer原理。

為了消除電子透鏡的球差,至少要放棄上述三個(gè)條件中的一個(gè)。隨后Scherzer一直在研究旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的電子透鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)圓透鏡)的球差矯正問(wèn)題。他在1947年提出,最有希望獲得成功的辦法是放棄旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性,而在光路中引入多極場(chǎng)單元,后者是非旋轉(zhuǎn)(軸)對(duì)稱(chēng)的。由于這種技術(shù)上的困難,在長(zhǎng)達(dá)40多年的時(shí)間內(nèi),各種通過(guò)球差矯正來(lái)提高透射電鏡分辨率的努力都失敗了。直到上世紀(jì)70年代末和80年代初,Koops和Hely又重新提出,電磁多極矯正器也可以矯正軸上色差。第一個(gè)成功的實(shí)踐是在1995年,Zach和Haider利用電磁4極場(chǎng)和8極場(chǎng)成功地同時(shí)矯正了專(zhuān)用低壓掃描電鏡(DLVSEM)的物鏡球差和色差,把1kV時(shí)的分辨率從5nm提高到1.8nm。電子顯微分析中等電壓透射電鏡的球差矯正在263

但這種矯正器,以及Seeliger和Deltrap的矯正器都會(huì)帶進(jìn)很大的軸外像差,因此只適合于探針類(lèi)型系統(tǒng)的儀器,如SEM,STEM,而不適用于TEM。透射電鏡要求有大的視場(chǎng),必須消除軸外像差。為了分辨非周期試樣的原子結(jié)構(gòu),需要優(yōu)于0.1nm的分辨率,同時(shí)要有足夠大的視場(chǎng)。而要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo),只有依賴(lài)于消球差物鏡系統(tǒng)。到目前為止,提出的方案只有兩種。一種是Rose在1971年提出的,由物鏡和5個(gè)多極場(chǎng)單元組成;另一種也是Rose在1990年提出的,除物鏡外,由兩個(gè)6極場(chǎng)單元和4個(gè)弱的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的傳遞透鏡組成。這后一種方案的缺點(diǎn)是只能消除球差,不能消除色差,但它有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn),就是6極場(chǎng)要求的穩(wěn)定度比4極場(chǎng)要低2個(gè)數(shù)量級(jí),只有10ppm。現(xiàn)在成功實(shí)現(xiàn)的中等電壓場(chǎng)發(fā)射透射電鏡的球差矯正就是利用了這種方案。在20世紀(jì)90年代,計(jì)算機(jī)控制的對(duì)中技術(shù)的發(fā)展和慢掃描CCD攝像機(jī)枝術(shù)的成熟,為球差矯正這樣復(fù)雜的研究提供了成功的契機(jī)。當(dāng)Rose和Haider等看到了實(shí)現(xiàn)這種6極消球差系統(tǒng)的希望之后,在德國(guó)開(kāi)始了一個(gè)雄心勃勃的研究計(jì)劃,并獲得了lkswagenStiftung的經(jīng)濟(jì)支持。到1995年就完成了針對(duì)200kVTEM的6極消球差系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試,隨后就裝配到PhilipsCM200FEGST型TEM上,并取得了成功,把分辨率由原來(lái)的0.24nm提高到0.13nm,1998年發(fā)表了總結(jié)性論文。本文主要介紹Rose,Haider等人的工作?；仡欕娮语@微鏡球差矯正工作的歷史,我們應(yīng)該公允地說(shuō),德國(guó)科學(xué)家Herzer,Rose和Haider作出了很大的貢獻(xiàn)。電子顯微分析電子顯微分析64選擇純磁的6極消球差系統(tǒng)的原因

選擇6極消球差系統(tǒng),意味著放棄物鏡色差的同時(shí)矯正。主要原因是如果同時(shí)消除球差和色差,必須用到靜電和磁的復(fù)合4極場(chǎng)單元,為要得到0.12nm左右的分辨率,4極場(chǎng)的穩(wěn)定度必須達(dá)到0.5ppm,這在現(xiàn)在也難以達(dá)到;而利用純磁場(chǎng)的6極場(chǎng),不影響傍軸軌跡,在原子分辨率下,它的穩(wěn)定度要求僅為10ppm。而同時(shí),研究發(fā)現(xiàn),放棄色差的矯正,只要6極消球差系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,就是可行的。這基于下面的簡(jiǎn)單分析。色差和衍射產(chǎn)生的分辨率極限可用下面的估計(jì)算出.軸上色差圓斑直徑:(1)

式中，是物鏡的孔徑角，是束的相對(duì)能量寬度，是物鏡的色差系數(shù)。要抑制色差,這些量都應(yīng)盡量地小。但是限制孔徑角會(huì)使衍射的圓斑直徑d增大,因?yàn)?

（2）電子顯微分析選擇純磁的6極消球差系統(tǒng)的原因選擇6極消球差65

以上推算說(shuō)明，對(duì)于中等加速電壓的高分辨電鏡，應(yīng)用純磁場(chǎng)的6級(jí)消球差系統(tǒng)來(lái)達(dá)到0.12nm左右的原子分辨率是可行的，條件是在消除球差的同時(shí)，電鏡原來(lái)的色差系數(shù)不要有太大的增加。

6級(jí)消球差系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理Rose提出的6級(jí)消球差系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分：（1）在物鏡后面的第一傳遞透鏡組，由兩個(gè)圓透鏡組成；（2）兩個(gè)6級(jí)場(chǎng)單元；（3）位于兩個(gè)6級(jí)場(chǎng)單元之間的第二傳遞透鏡組，也是由兩個(gè)圓透鏡組成。電子顯微分析以上推算說(shuō)明，對(duì)于中等加速電壓的高分辨電鏡66

根據(jù)Scherzer原理，圓透鏡由于不可消除的正球差的存在，它本身是不可能消球差的。應(yīng)用兩個(gè)透鏡組是為了達(dá)到某種目的而起傳遞的作用。每一組傳遞透鏡的結(jié)構(gòu)示于圖2,這是兩個(gè)連結(jié)在一起的弱磁透鏡,焦距f比較長(zhǎng),焦點(diǎn)N0,N1在鏡體之外。它們之間滿(mǎn)足下面的條件（5）式中第一個(gè)條件是保證電子在兩者中旋轉(zhuǎn)方向相反，而轉(zhuǎn)角相等；第二個(gè)條件是保證兩者的焦距相等。

電子顯微分析根據(jù)Scherzer原理，圓透鏡由于不可67

每一個(gè)電子透鏡都存在一個(gè)“無(wú)彗差點(diǎn)”,它的特點(diǎn)是,當(dāng)軸外一個(gè)光錐束進(jìn)入透鏡時(shí),若其中心主射線(xiàn)通過(guò)無(wú)彗差點(diǎn),則它在其后的像中不會(huì)帶進(jìn)彗差。如圖1所示,物鏡的無(wú)彗差平面在前焦面之后2/3f0距離處,非常接近于后焦面。f0是物鏡的焦距。消球差系統(tǒng)的位置這樣安排,使第一個(gè)傳遞透鏡組的左方焦點(diǎn)N0和物鏡的無(wú)彗差點(diǎn)重合,第一傳遞透鏡組以望遠(yuǎn)鏡成像的方式把物鏡的無(wú)彗差點(diǎn)傳遞到第一個(gè)6極場(chǎng)單元的中心,這個(gè)中心的位置正好是N1的位置。然后,第二組傳遞透鏡把第一個(gè)6極場(chǎng)單元的中心傳遞到第二個(gè)6極場(chǎng)單元的中心。傳遞透鏡組的望遠(yuǎn)鏡成像方式更清楚地顯示于圖3中。圖3和圖1是相同的,引用這張圖只是為了使讀者對(duì)光路看得更清楚。圖中ar表示軸向軌跡(axialray);fr表示場(chǎng)軌跡(fieldray)。采取這種結(jié)構(gòu)是為了在最后的像中不帶進(jìn)彗差這種軸外像差。矯正物鏡的球差是靠6極場(chǎng)單元完成的。為了使6極場(chǎng)單元本身不帶進(jìn)2級(jí)像差,必須用兩個(gè)6極場(chǎng)單元,它們的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)都是相同的,以使第一個(gè)6極場(chǎng)單元帶進(jìn)的像差被第二個(gè)6極場(chǎng)單元所補(bǔ)償。從第一個(gè)6極場(chǎng)單元中心(物)到第二個(gè)6極場(chǎng)單元中心(像)的放大倍數(shù)是-1,整個(gè)圖像沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。只有在這樣條件下才能消除二級(jí)像差,同時(shí)不帶進(jìn)軸外像差,而只剩下負(fù)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的3級(jí)像差,即所謂的聯(lián)合像差。6極場(chǎng)單元正是應(yīng)用這種像差來(lái)補(bǔ)償物鏡的3級(jí)球差。電子顯微分析電子顯微分析68電子顯微分析電子顯微分析69

由于這種安排就產(chǎn)生了所謂的”8f系統(tǒng)”,即整個(gè)消球差系統(tǒng)的長(zhǎng)度是