材料分析測試技術(shù)chapter5透射電鏡的結(jié)構(gòu)課件

第五章透射電鏡的結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類認識微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。上世紀(jì)30年代后，電子顯微鏡的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級，同時也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類認識微觀世界的能力從此有了長足的發(fā)展。DefinitionsMicroscope-Adevicewithalensorseriesoflensesthatenlarge(magnify)theappearanceofanobject.DoesnotapplytoSEM.Lens-Alensisanopticalcomponentwhichisusedtofocusbeamsofradiation.Lensesforlightareusuallymadeofaglassymaterial,whereasnon-uniformelectromagneticfieldsareusedaslensforelectrons.Image-Perceptionofanobjectusingyoureyes(vision).Onecansenseanobjectwithoutvision(touch,etc..).Requiresvisiblelight.LensesCurvedglassormirrorfor

VisiblelightConcavesurfaceofmetal(e.g.satellitedish)

RadiowavesConcavemirrororFresnellens

HeatSolenoid(electromagneticfieldsthatcanbevaried)

Subatomicparticles(electrons,protons,positrons)concaveconvexHistory:FirstrecordofusingglasslensformagnificationwasbyanArabianfromwhatisnowknownasIran,Alhazen,inthe10and11thcentury.HecontradictedPtolemy'sandEuclid'stheoryofvisionthatobjectsareseenbyraysoflightemanatingfromtheeyes;accordingtohimtheraysoriginateintheobjectofvisionandnotintheeye.Becauseofhisextensiveresearchonvision,hehasbeenconsideredbymanyasthefatherofmodernoptics.15thcenturyon-Studiesdonewithglassmagnifierstostudyobjectsindetailmostlyasacuriositybynon-scientists-AntonievanLeeuwenhoek(linendraper)describedthreeshapesofbacterialcellsusinghissimple,singlelensmicroscope(glassbeadinmetalholder).Bymid-19thcentury,becameevidentthattheoreticallimitsoflightwerereached.Abovemagnificationof1500,resolutionlost.Imagewaslarger,butblurred(emptymagnification).In1870,ErnstAbbederivedmathematicalexpressionforresolutionofmicroscope:

Resolutionislimitedtoapprox.1/2thewavelengthofilluminatingsource.Wavelength-distancebetweenpeaksofthewaveformBluelighthasawavelengthof0.47um Resolutionmax-0.2um(200nm)Cannotgobeyondthisevenwithbetteroptics.Solution?UseilluminationofshorterwavelengthAntonedeBroglie(1924)TheoryofwavenatureofelectronsHermannBusch(1924)axialmagneticfieldsrefractelectrons

Electronoptics1939-FirstEMbuiltinNorthAmericabyJamesHillierandAlbertPrebusattheUniversityofTorontoDr.PrebusDr.LaddLightvsElectronMicroscope光學(xué)顯微鏡的分辨率

由于光波的波動性，使得由透鏡各部分折射到像平面上的像點及其周圍區(qū)域的光波發(fā)生相互干涉作用，產(chǎn)生衍射效應(yīng)。一個理想的物點，經(jīng)過透鏡成像時，由于衍射效應(yīng)，在像平面上形成的不再是一個像點，而是一個具有一定尺寸的中央亮斑和周圍明暗相間的圓環(huán)所構(gòu)成的Airy斑。如圖5-1所示。有效放大倍數(shù)上式說明，光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明源的波長。半波長是光學(xué)顯微鏡分辨率的理論極限?？梢姽獾淖疃滩ㄩL是390nm，也就是說光學(xué)顯微鏡的最高分辨率是≈200nm。一般地人眼的分辨本領(lǐng)是大約0.2mm，光學(xué)顯微鏡的最大分辨率大約是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm讓人眼能分辨的放大倍數(shù)是1000倍。這個放大倍數(shù)稱之為有效放大倍數(shù)。光學(xué)顯微鏡的分辨率在0.2μm時，其有效放大倍數(shù)是1000倍。光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)可以做的更高，但是，高出的部分對提高分辨率沒有貢獻，僅僅是讓人眼觀察更舒服而已。所以光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般最高在1000-1500之間。如何提高顯微鏡的分辨率根據(jù)式（5-3），要想提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是降低照明光源的波長。順著電磁波譜朝短波長方向?qū)ふ遥贤夤獾牟ㄩL在13-390nm之間，比可見光短多了。但是大多數(shù)物質(zhì)都強烈地吸收紫外光，因此紫外光難以作為照明光源。更短的波長是X射線。但是，迄今為止還沒有找到能使X射線改變方向、發(fā)生折射和聚焦成象的物質(zhì)，也就是說還沒有X射線的透鏡存在。因此X射線也不能作為顯微鏡的照明光源。除了電磁波譜外，在物質(zhì)波中，電子波不僅具有短波長，而且存在使之發(fā)生折射聚焦的物質(zhì)。所以電子波可以作為照明光源，由此形成電子顯微鏡。電子波長

根據(jù)德布羅意（deBroglie）的觀點，運動的電子除了具有粒子性外，還具有波動性。這一點上和可見光相似。電子波的波長取決于電子運動的速度和質(zhì)量，即（5-4）式中，h為普郎克常數(shù)：h=6.626×10-34J.s；m為電子質(zhì)量；v為電子運動速度，它和加速電壓U之間存在如下關(guān)系：即（5-5）式中e為電子所帶電荷，e=1.6×10-19C。將（5-5）式和（5-4）式整理得：

（5-6）

電磁透鏡

電子波和光波不同，不能通過玻璃透鏡會聚成像。但是軸對稱的非均勻電場和磁場則可以讓電子束折射，從而產(chǎn)生電子束的會聚與發(fā)散，達到成像的目的。人們把用靜電場構(gòu)成的透鏡稱之“靜電透鏡”；把電磁線圈產(chǎn)生的磁場所構(gòu)成的透鏡稱之“電磁透鏡”。靜電透鏡當(dāng)電子在電場中運動，由于電場力的作用，電子會發(fā)生折射。我們將兩個同軸圓筒帶上不同電荷（處于不同電位），兩個圓筒之間形成一系列弧形等電位面族，散射的電子在圓筒內(nèi)運動時受電場力作用在等電位面處發(fā)生折射并會聚于一點（圖5-2）。這樣就構(gòu)成了一個最簡單的靜電透鏡。透射電子顯微鏡中的電子槍就是一個靜電透鏡。電磁透鏡電子在磁場中運動，當(dāng)電子運動方向與磁感應(yīng)強度方向不平行時，將產(chǎn)生一個與運動方向垂直的力（洛侖茲力）使電子運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖5-3是一個電磁線圈。當(dāng)電子沿線圈軸線運動時，電子運動方向與磁感應(yīng)強度方向一致，電子不受力，以直線運動通過線圈；當(dāng)電子運動偏離軸線時，電子受磁場力的作用，運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最后會聚在軸線上的一點。電子運動的軌跡是一個圓錐螺旋曲線。電磁透鏡此時線圈的磁力線都集中在殼內(nèi)，磁感應(yīng)強度得以加強。狹縫的間隙越小，磁場強度越強，對電子的折射能力越大。為了使線圈內(nèi)的磁場強度進一步增強，可以在電磁線圈內(nèi)加上一對磁性材料的錐形環(huán)（如圖5-5所示），這一裝置稱為極靴。增加極靴后的磁線圈內(nèi)的磁場強度可以有效地集中在狹縫周圍幾毫米的范圍內(nèi)。電磁線圈與極靴

一、球差球差是因為電磁透鏡近軸區(qū)域磁場和遠軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力不同而產(chǎn)生的。原來的物點是一個幾何點，由于球差的影響現(xiàn)在變成了半徑為ΔrS的漫散圓斑。我們用ΔrS表示球差大小，計算公式為：

（5-10）球差是像差影響電磁透鏡分辨率的主要因素，它還不能象光學(xué)透鏡那樣通過凸透鏡、凹透鏡的組合設(shè)計來補償或矯正。

二、像散像散是由透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱引起的像差。當(dāng)極靴內(nèi)孔不圓、上下極靴的軸線錯位、制作極靴的磁性材料的材質(zhì)不均以及極靴孔周圍的局部污染等都會引起透鏡的磁場產(chǎn)生橢圓度。將RA折算到物平面上得到一個半徑為ΔrA的漫散圓斑，用ΔrA表示像散的大小，其計算公式為：

（5-11）像散是可以消除的像差，可以通過引入一個強度和方位可調(diào)的矯正磁場來進行補償。產(chǎn)生這個矯正磁場的裝置叫消像散器。三、色差色差是由于成像電子的能量不同或變化，從而在透鏡磁場中運動軌跡不同以致不能聚焦在一點而形成的像差。最小的散焦斑RC。同樣將RC折算到物平面上，得到半徑為ΔrC的圓斑。色差ΔrC由下式來確定：

（5-12）引起電子能量波動的原因有兩個，一是電子加速電壓不穩(wěn)，致使入射電子能量不同；二是電子束照射試樣時和試樣相互作用，部分電子產(chǎn)生非彈性散射，致使能量變化。衍射效應(yīng)的分辨率和球差造成的分辨率比較式（5-2）和（5-10），可以發(fā)現(xiàn)孔徑半角α對衍射效應(yīng)的分辨率和球差造成的分辨率的影響是相反的。提高孔徑半角α可以提高分辨率Δr0，但卻大大降低了ΔrS。因此電鏡設(shè)計中必須兼顧兩者。唯一的辦法是讓ΔrS=Δr0，考慮到電磁透鏡中孔徑半角α很?。?0-2-10-3rad），則（5-13）那么ΔrS=Δr0，即：整理得：（5-14）將上式代入（5-13），（5-15）根據(jù)式（5-15）和（5-16），透射電鏡孔徑半角α通常是10-2-10-3rad；目前最佳的電鏡分辨率只能達到0.1nm左右。景深電磁透鏡餓景深是指當(dāng)成像時，像平面不動（像距不變），在滿足成像清晰的前提下，物平面沿軸線前后可移動的距離當(dāng)物點位于O處時，電子通過透鏡在Oˊ處會聚。讓像平面位于Oˊ處，此時像平面上是一像點；當(dāng)物點沿軸線漸移到A處時，聚焦點則從Oˊ沿軸線移到了Aˊ處，由于像平面固定不動，此時位于Oˊ處的像平面上逐漸由像點變成一個散焦斑。如果衍射效應(yīng)是決定電磁透鏡分辨率的控制因素，那么散焦斑半徑R0折算到物平面上的尺寸只要不大于Δr0，像平面上就能成一幅清晰的像。軸線上AB兩點間的距離就是景深Df。由圖5-9的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出景深的計算公式為：（5-16）焦長

焦長是指物點固定不變（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的距離。當(dāng)物點位于O處時，電子通過透鏡在Oˊ處會聚。讓像平面位于Oˊ處，此時像平面上是一像點；當(dāng)像平面沿軸線前后移動時，像平面上逐漸由像點變成一個散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于R0（折算到物平面上的尺寸不大于Δr0），像平面上將是一幅清晰的像。此時像平面沿軸線前后可移動的距離為DL：由圖5-10中幾何關(guān)系得：透射電鏡的結(jié)構(gòu)圖5-11是透射電鏡的外觀照片。通常透射電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其中電子光學(xué)系統(tǒng)是電鏡的主要組成部分。透射電鏡的結(jié)構(gòu)

圖5-12是電子光學(xué)系統(tǒng)的組成部分示意圖。由圖可見透射電鏡電子光學(xué)系統(tǒng)是一種積木式結(jié)構(gòu)，上面是照明系統(tǒng)、中間是成像系統(tǒng)、下面是觀察與記錄系統(tǒng)。照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。電子槍是發(fā)射電子的照明光源。聚光鏡是把電子槍發(fā)射出來的電子會聚而成的交叉點進一步會聚后照射到樣品上。照明系統(tǒng)的作用就是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。

電子槍電子槍是透射電子顯微鏡的電子源。常用的是熱陰極三極電子槍，它由發(fā)夾形鎢絲陰極、柵極帽和陽極組成，圖5-13（a）為電子槍的自偏壓回路，自偏壓回路可以起到限制和穩(wěn)定束流的作用。圖5-13（b）是電子槍結(jié)構(gòu)原理圖。在陰極和陽極之間的某一地點，電子束會集成一個交叉點，這就是通常所說的電子源。交叉點處電子束直徑約幾十個微米。燈絲

聚光鏡聚光鏡用來會聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)，如圖5-14所示。第一聚光鏡是強激磁透鏡，束斑縮小率為10～50倍左右，將電子槍第一交叉點束斑縮小為1～5μm；而第二聚光鏡是弱激磁透鏡，適焦時放大倍數(shù)為2倍左右。結(jié)果在樣品平面上可獲得2～10μm的照明電子束斑。

從聚光鏡到物鏡成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。（一）物鏡物鏡是用來形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。透射電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的高低主要取決于物鏡。因為物鏡的任何缺陷都被成像系統(tǒng)中其它透鏡進一步放大。欲獲得物鏡的高分辨率，必須盡可能降低像差。通常采用強激磁，短焦距的物鏡。物鏡是一個強激磁短焦距的透鏡，它的放大倍數(shù)較高，一般為100-300倍。目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達0.1nm左右。

物鏡物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精度。一般來說，極靴的內(nèi)孔和上下級之間的距離越小，物鏡的分辨率就越高。為了減少物鏡的球差，往往在物鏡的后焦面上安放一個物鏡光闌。物鏡光闌不僅具有減少球差，像散和色差的作用，而且或以提高圖像的襯度。此外，我們在以后的討論中還可以看到，物鏡光闌位于后焦面的位置上時，可以方便的進行暗場及襯度成像的操作。在用電子顯微鏡進行圖像分析時，物鏡和樣品之間和距離總是固定不變的，（即物距L1不變）。因此改變物理學(xué)鏡放大倍數(shù)進行成像時，主要是改變物鏡的焦距和像距（即f和L2）來滿足成像條件。

（二）中間鏡中間鏡是一個弱激磁的長焦距變倍透鏡，可在0-20倍范圍調(diào)節(jié)。當(dāng)M>1時，用來進一步放大物鏡的像；當(dāng)M<1時，用來縮小物鏡的像。在電鏡操作過程中，主要是利用中間鏡的可變倍率來控制電鏡的放大倍數(shù)。如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像，這就是電子顯微鏡中的成像操作，如圖5-15（a）所示。如果把中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣，這就是電子顯微鏡中的電子衍射操作，如圖5-15（b）所示。（三）投影鏡投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮?。┑南瘢娮友苌浠樱┻M一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個短焦距的強磁透鏡。投影鏡的激磁電流是固定的。因為成像電子束進入投影鏡時孔鏡角很小（約10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。即使改變中間鏡的放大倍數(shù)，使顯微鏡的總放大倍數(shù)有很大的變化，也不會影響圖像的清晰度。有時，中間鏡的像平面還會出現(xiàn)一定的位移，由于這個位移距離仍處于投影鏡的景深范圍之內(nèi)，因此，在熒光屏上的圖像仍舊是清晰的。成像系統(tǒng)高性能的透射電鏡大都采用5級透鏡放大，即中間鏡和投影鏡有兩級，分第一中間鏡和第二中間鏡，第一投影鏡和第二投影鏡。見圖觀察與記錄系統(tǒng)觀察和記錄裝置包括熒光屏和照相機構(gòu)，在熒光屏下面放置一下可以自動換片的照相暗盒。照相時只要把熒光屏豎起，電子束即可使照相底片曝光。由于透射電子顯微鏡的焦長很大，雖然熒光屏和底片之間有數(shù)十厘米的間距，仍能得到清晰的圖像

透射電鏡的主要部件---樣品臺樣品臺的作用是承載樣品，并使樣品能作平移、傾斜、旋轉(zhuǎn)，以選擇感興趣的樣品區(qū)域或位向進行觀察分析。透射電鏡的樣品是放置在物鏡的上下極靴之間，由于這里的空間很小，所以透射電鏡的樣品也很小，通常是直徑3mm的薄片。樣品臺與試樣透射電鏡的主要部件---消像散器消像散器可以是機械式的，可以是電磁式的。機械式的是在電磁透鏡的磁場周圍放置幾塊位置可以調(diào)節(jié)的導(dǎo)磁體，用它們來吸引一部分磁場，把固有的橢圓形磁場校正成接近旋轉(zhuǎn)對稱的磁場。電磁式的是通過電磁極間的吸引和排斥來校正橢圓形磁場的透射電鏡的主要部件---光闌在透射電子顯微鏡中有許多固定光闌和可動光闌，它們的作用主要是擋掉發(fā)散的電子，保證電子束的相干性和照射區(qū)域。其中三種主要的可動光闌是第二聚光鏡光闌，物鏡光闌和選區(qū)光闌。光闌都用無磁性的金屬（鉑、鉬等）制造。（一）第二聚光鏡光闌四個一組的光闌孔被安裝在一個光闌桿的支架上（圖5-19），使用時，通過光闌桿的分檔機構(gòu)按需要依次插入，使光闌孔中心位于電子束的軸線上（光闌中心和主焦點重合）。聚光鏡光闌的作用是限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，安裝在第二聚光鏡下方的焦點位置。光闌孔的直徑為20～400μm作一般分析觀察時，聚光鏡的光闌孔徑可用200～300μm，若作微束分析時，則應(yīng)采用小孔徑光闌。（二）物鏡光闌物鏡光闌又稱為襯度光闌，通常它被放在物鏡的后焦面上。常用物鏡光闌孔的直徑是20～120μm范圍。電子束通過薄膜樣品后產(chǎn)生散射和衍射。散射角(或衍射角)較大的電子被光闌擋住，不能繼續(xù)進入鏡筒成像，從而就會在像平面上形成具有一定襯度的圖像。光闌孔越小，被擋去的電子越多，圖像的襯度就越大，這就是物鏡光闌又叫做襯度光闌的原因。加入物鏡光闌使物鏡孔徑角減小，能減小像差，得到質(zhì)量較高的顯微圖像。物鏡光闌的另一個主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑點（即副焦點）成像，這就是所謂暗場像。利用明暗場顯微照片的對照分析，可以方便地進行物相鑒定和缺陷分析。（三）選區(qū)光闌選區(qū)光闌又稱場限光闌或視場光闌。為了分析樣品上的一個微小區(qū)域，應(yīng)該在樣品上放一個光闌，使電子束只能通過光闌限定的微區(qū)。對這個微區(qū)進行衍射分析叫做選區(qū)衍射。由于樣品上待分析的微區(qū)很小，一般是微米數(shù)量級。制作這樣大小的光闌孔在技術(shù)上還有一定的困難，加之小光闌孔極易污染，因此，選區(qū)光闌都放在物鏡的像平面位置。這樣布置達到的效果與光闌放在樣品平面處是完全一樣的。但光闌孔的直徑就可以做的比較大。如果物鏡的放大倍數(shù)是50倍，則一個直徑等于50μm的光闌就可以選擇樣品上直徑為1μm的區(qū)域。選區(qū)光闌同樣是用無磁性金屬材料制成的，一般選區(qū)光闌孔的直徑位于20～400μm范圍之間，它可制成大小不同的四孔一組或六孔一組的光闌片，由光闌支架分檔推入鏡筒。透射電鏡的功能及發(fā)展

從1934年第一臺透射電子顯微鏡誕生以來，70年的時間里它得到了長足的發(fā)展。這些發(fā)展主要集中在三個方面。一是透射電子顯微鏡的功能的擴展；另一個是分辨率的不斷提高；第三是將計算機和微電子技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)、觀察與記錄系統(tǒng)等。功能的擴展早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射線衍射儀）所不具備的。透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內(nèi)部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。功能的擴展結(jié)合樣品臺設(shè)計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動態(tài)的組織結(jié)構(gòu)、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進一步的拓寬。透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進行多種分析，尤其是可以針對同一微區(qū)位置進行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分（價態(tài)）的全面分析。

分析型透射電子顯微鏡利用電子束與固體樣品相互作用產(chǎn)生的物理信號開發(fā)的多種分析附件，大大拓展了透射電子顯微鏡的功能。由此產(chǎn)生了透射電子顯微鏡的一個分支——分析型透射電子顯微鏡。分析型透射電子顯微鏡分析型透射電子顯微鏡超高壓電鏡高分辨透射電子顯微鏡透