電子顯微分析1緒論及電子光學(xué)基礎(chǔ)課件

金屬電子顯微分析緒論微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)決定宏觀(macroscopical)性質(zhì)任何一種材料的宏觀性能或行為都是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的.微觀結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)組分(composition)元素分布(elementaldistribution)組成相(phase)的形貌(morphology)(包括形狀/大小/分布等)晶體結(jié)構(gòu)(crystalstructure)各個組成相之間的取向關(guān)系(orientation)和界面狀態(tài)(interface)晶體缺陷(defect)的密度(density)和組態(tài)等所以,研究材料必須研究材料的微觀結(jié)構(gòu)通常用來研究材料微觀結(jié)構(gòu)的方法(method)光學(xué)金相顯微分析X射線衍射化學(xué)分析方法這些技術(shù)在材料的研究中發(fā)揮了重要的作用傳統(tǒng)方法存在的問題光學(xué)金相方法-分辨率受到光波衍射的限制,只能提供微米左右的形貌細(xì)節(jié)圖象X射線衍射-聚焦困難,衍射信息強度較弱,只能獲得總體或平均的結(jié)果濕法和光譜化學(xué)分析-無法給出微觀的成分不均勻性資料上述技術(shù)空間分辨率(spatialresolution)不高,不能把形貌顯示和成分結(jié)構(gòu)分析有機地結(jié)合起來.在分辨率(resolution),檢測靈敏度(sensitivity),定量(quantitative)精度(precision)以及適應(yīng)性(applicability)等方面,越來越不能滿足科學(xué)發(fā)展的需要.電子光學(xué)儀器新設(shè)備相繼出現(xiàn)TEM(Transmissionelectronmicroscopy)SEM(scanningelectronmicroscopy)EPMA(electronprobemicroanalyzer)電子探針X射線顯微分析儀SIMS(secondaryionmassspectrometry)離子探針AES(Augerelectronspectrometer)俄歇電子能譜儀所有電子光學(xué)儀器的共同特點:以電子光學(xué)方法將具有一定能量的電子(或離子)會聚成細(xì)小的入射束，通過與樣品物質(zhì)的相互作用激發(fā)表征材料微觀組織結(jié)構(gòu)特征的各種信息，檢測并處理這些信息從而給出形貌、成分和結(jié)構(gòu)的豐富資料.最重要的顯微分析手段-TEM特點

高空間分辨率:可提供極其微細(xì)的材料組織結(jié)構(gòu)情況

SAED(selectedareaelectrondiffraction)：使微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來

原位(Insitu)觀察：利用各種特殊樣品臺對樣品進(jìn)行高分辨率條件下的系統(tǒng)動態(tài)觀察，揭示材料相變和形變過程中組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律TEM-本篇將要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容TEM設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)備介紹樣品制備應(yīng)用。。。本篇主要內(nèi)容第一章電子光學(xué)基礎(chǔ)電子顯微鏡：是一種高放大倍數(shù)、高分辨本領(lǐng)，綜合性能好的新型分析儀器。要學(xué)習(xí)掌握電子顯微鏡的原理，首先要對光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了解兩者都屬于光學(xué)放大儀器，基本光學(xué)原理相似區(qū)別在于使用照明源和聚焦成像的方法不同：前者用可見光照明，用玻璃透鏡聚焦成像；后者用電子束照明，用一定形狀的靜電場或磁場（靜電透鏡或磁透鏡）聚焦成像。$1概述光的折射(refraction)是光學(xué)透鏡成像的基礎(chǔ)光的折射：光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時發(fā)生光的折射折射服從以下規(guī)律：(1)入射光、折射光和介質(zhì)界面的法線在同一平面內(nèi)(2)滿足關(guān)系：$2光的折射和光學(xué)透鏡成像θγn1n2211221sinsinnnnvv===gq另外重要概念：單色光1)光的衍射光和無線電波一樣屬于電磁波。由于它具有波動性質(zhì)，使得由透鏡各個部分折射到像平面上的像點及其周圍區(qū)域的光波相互之間發(fā)生干涉作用、產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。$3光的衍射和光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)理論極限由前所述，一個理想的點光源通過透鏡成像時，在像面上應(yīng)該得到一個理想的像點，但是實際情況并非如此所以，理想點光源的像是：具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)所組成的埃利（Airy）斑,大約84％的強度集中在中央亮斑，所以通常以埃利斑第一暗環(huán)的半徑來衡量其大小。ObjectLensObjectPlaneImagePlaneAirySpotn－透鏡物方介質(zhì)折射率(refractiveindex)λ－照明光波長(wavelength)α－透鏡孔徑半角(semiangleofcollection)M－透射放大倍數(shù)nsinα-數(shù)值孔徑(numericalaperture)上式說明埃利斑半徑與照明光源波長成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。2)光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)理論極限.樣品由許多物點所組成的。每個物點為一個“點光源”。分辨判據(jù)：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0。此時樣品上相應(yīng)的兩個物點間距離△r0。定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)。由上式得到：

對玻璃，最大的孔徑半角α=70°~75°，物方介質(zhì)為油情況下，n≈1.5，其數(shù)值孔徑nsinα≈1.25~1.35。因此上式可以簡化為：可見光的波長在3900~7600?之間，光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)極限值可達(dá)2000?。以上說明，透鏡能分辨的兩點間的最小距離（即分辨本領(lǐng)）主要取決于照明波長，半波長是光學(xué)玻璃透鏡分辨本領(lǐng)的理論極限$4電子的波性及其波長電子波粒二相性(wave-particleduality)：德布羅意(deBroglie)認(rèn)為運動的微觀粒子會顯示波性。這個波的波長(wavelength)λ與粒子運動速度(velocity)ν、粒子質(zhì)量(mass)m之間存在以下關(guān)系：

式中h—普朗克常數(shù)(Planck’sconstant)。這個波叫做物質(zhì)波或德布羅意波。

不同加速電壓下電子的波長值初速為0的電子,在電場中從點位為0的點開始運動,在加速電壓(acceleratingvoltage)為U的作用下獲得的運動速度為v,則e-電子電荷(electroncharge)m-電子質(zhì)量(electronmass)討論:1.加速電壓比較低時,v<<c(speedoflightinvacuum),m=m0;h=6.62×10-34Js，e=1.60×10-19C(charge)，m0=9.11×10-34kg(restmassofelectron)電子波長與其加速電壓平方根成反比2.加速電壓比較高時,v=c,相對論情況：經(jīng)相對論修正的不同加速電壓下電子波長值加速電壓,kV電子波長,?(relativistic)加速電壓,kV電子波長,?123451020300.3880.2740.2240.1940.1730.1220.08590.06984050608010020050010000.06010.05360.04870.04180.03700.02510.01420.00687$5電子在靜電場中運動和靜電透鏡(electrostaticlens)相對于觀察者為靜止的、不隨時間變化的電場叫做靜電場。性質(zhì)：1.電場中電荷受到電場力作用2.電荷在電場中運動，電場力做功電場強度：電場作用在單位正電荷上的電場力E—電場強度；f—作用力；q—試驗電荷電場強度與電位梯度有關(guān)：－沿等電位面法線朝著電位增大方向的單位矢量－電位梯度平行板電極，勻強電場當(dāng)一個速度為ν的電子，沿著與等電位面法線成一定角度方向運動，電位面上方電位為U1、下方為U2，那么電子由U1電位區(qū)進(jìn)入U2電位區(qū)的瞬間在交界點O處運動方向發(fā)生突變，電子運動速度由v1變?yōu)関2。因為電場對電子作用力方向總是沿著電子所處點等電位面法線，從低電位指向高電位。所以電子所觸點等電位面切線方向電場分量為0，電子沿該方向運動速度分量vt保持不變，即vt1=vt2。如果起始點電位為0，電子初速為0，那么電子在U1U2電位區(qū)的運動速度分別為：，還由于所以：

θγU1U2vt1vt2v1v2

θγn1n2θγU1U2光的折射定律與電場對電子的折射的比較

可見光電子束

相當(dāng)于折射率電場中等電位面是對電子折射率相同的表面，與光學(xué)系統(tǒng)中兩介質(zhì)界面具有相同的作用1.電子在磁場中運動受洛侖茲力:?=qv×B式中q–運動電荷；v—運動速度；B—磁感應(yīng)強度

。

$6電子在磁場中運動和磁透鏡(magneticlens)均勻磁場中質(zhì)量為m的粒子（如電子）做半徑為R的圓周運動時所需的向心力為：所需的向心力由磁場力提供電子在磁場中作圓周運動的回旋半徑為：所以,當(dāng)磁感應(yīng)強度B一定時,電子回旋半徑R與它的動量P成正比,電子的動量越大,回旋半徑越大當(dāng)電子速度與均勻磁場并不垂直,而成一定夾角時vvrvz將速度v分解為垂直于磁場分量Vr和平行于磁場分量Vz垂直于磁場方向,磁場力使其做勻速圓周運動平行于磁場方向,電子做勻速直線運動所以,電子運動是上述兩種運動的合成,其軌跡是一螺旋線

電磁透鏡焦距可由下式來近似計算：與光學(xué)玻璃透鏡相似，電磁透鏡物距L1、像距L2和焦距f三者之間關(guān)系也可用薄透鏡公式表示。整理可得或當(dāng)透鏡像距L2一定時,透鏡像的放大倍數(shù)與焦距成反比;當(dāng)透鏡物距L1>=2f時,透鏡像放大倍數(shù)M<=1當(dāng)透鏡物距f<L1<2f時,透鏡放大倍數(shù)M>1所以,無論激磁方向如何,焦距總是正的,表明電磁透鏡總是會聚透鏡(convexlens)即使忽略了電子的衍射效應(yīng)，電磁透鏡也不能把一個理想的物點聚焦成一個理想的像點$7電磁透鏡的像差(aberration)原因：電磁透鏡具有各種像差像差分類：幾何像差：因透鏡磁場幾何上的缺陷產(chǎn)生球差(sphericalaberration)像散(astigmatism)像畸變(distortion)色差(chromatic)：由電子的波長或能量非單一性引起有些像差理論上不可能加以補償和校正如：球差，光學(xué)玻璃透鏡可以用會聚透鏡和發(fā)散透鏡的組合或設(shè)計特殊的拋物形界面等措施來補償校正但對電磁透鏡，這樣的校正不可能式中Cs—電磁透鏡球差系數(shù)(sphericalaberrationcoefficient)；α--電磁透鏡孔徑半角。球差：是由電磁透鏡磁場中，近軸區(qū)域?qū)﹄娮邮恼凵淠芰εc遠(yuǎn)軸區(qū)域不同而產(chǎn)生的。1)幾何像差（包括球差、像散和像畸變）一般來說總是遠(yuǎn)軸比近軸區(qū)域的折射能力大，此類球差叫做正球差。球差最小散焦斑半徑Δrs可用下式來計算：減小透鏡孔徑半角，可以顯著的減小散焦斑半徑。

像散：是由透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱引起的一種像差。產(chǎn)生原因：電磁透鏡中極靴圓孔有點橢圓度，上、下極靴孔不同軸，端面不平行，極靴材料的各向?qū)Т怕什町?，以及極靴污染等等都可能導(dǎo)致磁透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱。像散散焦斑半徑ΔrA可由下式來確定：ΔfA—由透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱性產(chǎn)生的焦距差；α--透鏡孔徑半角。

像散散焦斑與焦距差成正比，透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱性越明顯，焦距差越大，散焦斑越大像散可以用機械，靜電或電磁式消像散器適當(dāng)?shù)丶右匝a償校正像畸變：由球差引起，正球差－枕形畸變，負(fù)球差－桶形畸變，磁轉(zhuǎn)角－旋轉(zhuǎn)畸變2)色差色差：由于成像電子波長（或能量）變化引起電磁透鏡焦距變化而產(chǎn)生的一種像差。色差散焦斑半徑由下式確定：式中Cc—電子透鏡色差系數(shù)，隨激磁電流增大而減??；α—電磁透鏡孔徑半角；ΔE/E—成像電子束能量變化率。

色差散焦斑半徑與成像電子束能量變化率成正比。成像電子束能量變化原因：1）電子槍加速電壓的不穩(wěn)定；2）單一能量或波長的電子束照射樣品物質(zhì)時，將于樣品原子的核外電子發(fā)生非彈性散射。操作使用時應(yīng)盡量減小樣品厚度。$8電磁透鏡的分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)是透鏡最重要的性能指標(biāo)。它取決于透鏡的像差和衍射效應(yīng)。是兩者綜合作用的結(jié)果光學(xué)玻璃透鏡可以用會聚透鏡和發(fā)散透鏡的組合或設(shè)計特殊的拋物形界面等措施來補償校正像差，所以其分辨率取決于衍射效應(yīng)最大的孔徑半角α=70°~75°在最佳條件下，分辨本領(lǐng)可以達(dá)到半波長電磁透鏡有些像差不可消，衍射和球差都限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)。其分辨率達(dá)不到半波長減小孔徑角，減小球差，典型值在10-2~10-3弧度當(dāng)照明電子束波長一定時，透鏡孔徑半角越大，衍射效應(yīng)越小，但是球差引起的散焦斑越大A≈0.4~0.55，B≈1.13~1.4；λ—照明電子束波長；Cs—物鏡球差系數(shù)。以上說明，雖然電子束波長僅為可見光波長的十萬分之一左右，但電磁透鏡分辨本領(lǐng)并沒有因此而提高十萬倍。這主要是受像差尤其是球差的限制。所以，必須兼顧衍射和球差影響關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角α0，使得衍射效應(yīng)埃利斑與球差散焦斑尺寸大小相等，表明兩者對透鏡分辨本領(lǐng)影響效果一樣。α0確定過程由于假設(shè)條件和計算方法的不同，以上兩式中常數(shù)項有所不同$9電磁透鏡的景深和焦長景深Df：透鏡物平面允許的軸向偏差。它與電磁透鏡分辨本領(lǐng)Δro、孔徑半角α之間關(guān)系：電磁透鏡孔徑半角越小，景深越大。電磁透鏡α=10-2~10-3弧度，Df=（200~2000）Δr0。如果透鏡分辨本領(lǐng)Δr0=10?，Df=2000~20000?。對于加速電壓100kV的電子顯微鏡，樣品厚度在2000?左右。焦長DL：透鏡像平面允許的軸向偏差。DL與分辨本領(lǐng)Δr0、像點所張的孔徑半角β之間的關(guān)系：M—透鏡放大倍數(shù)。當(dāng)電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領(lǐng)一定時，透鏡焦長隨孔徑半角減小而增大。如：一電磁透鏡分辨本領(lǐng)Δr0=10?，孔徑半角α=10-2弧度，放大倍數(shù)M=200倍，計算焦長DL=8×107?=8mm。表明該透鏡實際像平面在理想像平面上或下各4mm范圍內(nèi)移動時不需改變透鏡聚焦?fàn)顟B(tài)，圖像仍保持清晰。對于由多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡，焦長超過10~20cm是不成問題的。電磁透鏡的這一特點對于電子顯微鏡圖像的照相記錄帶來了極大的方便。光學(xué)顯微鏡與電子顯微鏡的比較表光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡照明束可見光電子束波長390nm－760nmλ=(150/U)1/2e.g.U=100kv,λ=0.0037nm??透鏡的分辨率由衍射,埃利園斑決定:RO=(0.61/nsinθ)M分辨△ro=0.61λ/(nsinθ)△ro=(1/2)λ

衍射,埃利園斑RO=(0.61/nsinθ)M球差C