材料现代分析测试方法-电子显微分析

第三章 透射电子显微镜分析§3.1概述一、光学显微镜的局限性L D B2 d O1 O2 B1 d

强度

由于光的衍射，光学显 微镜其最大的分辨能力为 d = 0.61 λ ≈ 1 λ nsin α 2 对于可见光的波长在390 ~ 770nm之间，n值最大只能达到 1.5~1.6,可得光学显微镜其最大的分辨能力为0.2µm

§3.1概述一、光学显微镜的局限性 于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。 γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波 利用紫外线，强烈地吸收；γ射线、X 射线没有办法使其聚焦 二、电子的波动性及波长 1897年，Thomson发现了电子。 1925年，De Broglie提出物质波的假设，即电子具有微粒 性， 也具有波动性。 1927年， Thompson and Reid 进行了电子衍射实验。

§3.1概述二、电子的波动性及波长 根据De Broglie物质波的假设，电子波长为。

考虑相对论效应 U = 100 kV时， λ = 0.00386 nm 电子衍射实验。

§3.1概述二、电子的波动性及波长 1926年，Busch提出了用轴对称的电场和磁场 对电子束进行 聚集，发展成电磁透镜. 1931-1933年，Ruska 等设计并制造了第一台电子显微镜. 经过50-60年的发展，目前，电镜的分辨率达到Å数量级， 放大倍数达数百万倍.

§3.3 透射电镜的构造与工作原理一、电子抢及电磁透镜光源 聚光镜 试样 物镜 电子枪 聚光镜 (电磁透镜) 试样 物镜

中间象 目镜

中间象 投影镜

毛玻璃 照相底板

观察屏 照相底板

光学显微镜

电子显微镜

§3.3 透射电镜的构造与工作原理一、电子抢及电磁透镜阴极(接负高压) 控制极(比阴极 负100~1000伏) 阳极 电子束 聚光镜

照 电子枪 明 系 聚光镜 (电磁透镜) 统 成 像 系 统 中间象投影镜 试样 物镜

1. 电子抢

试样

记 录 观察屏 照明部分示意图 系 照相底板 统 电子显微镜

§3.3 透射电镜的构造与工作原理一、电子抢及电磁透镜 2. 电磁透镜 (1) 原理透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像 的装置。电磁透镜实质是一个通电的短线圈， 它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁 场中运动时，受到洛仑磁力的作用即。 电子枪 聚光镜 (电磁透镜) 试样 物镜

F = ev × B

中间象 投影镜

观察屏 照相底板

电子显微镜

§3.3 透射电镜的构造与工作原理一、电子抢及电磁透镜 2. 电磁透镜 (1) 原理电子枪 聚光镜 (电磁透镜) 试样 物镜

中间象 投影镜

观察屏 照相底板

电子显微镜

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 (2)电磁透镜特点： ① 能使电子偏转会聚成像，不能加速电子； ② 总是会聚透镜； ③ 改变线圈中的电流强度可很方便地控制焦距和放大

率焦 距、放大倍数连续可调。 (3)电磁透镜的光学性质 电磁透镜物距、像距和焦距三者间的关系与光学玻璃透镜 相似，满足牛顿透镜方程1 1 1 + = u v fu - 物距；v - 像距；f - 焦距

u

f v

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 (3)电磁透镜的光学性质 电磁透镜具有光学凸透镜的特点，它们物距、像距和 焦距三者间的关系相似，满足牛顿透镜方程

1 1 1 + = u v fu - 物距；v - 像距；f - 焦距 放大倍数为： u f v

v f v f M= = = u u f f(4)电磁透镜的像差与分辩率

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 (4)电磁透镜的像差与分辩率 根据瑞利判据，电磁透镜的分辩率为：

0.61λ λ r = ≈ nsin α 2 对 U= kV, 于 200

λ= 0.00250 nm r= 0.00125 nm但是，实际上目前的透射电镜远远 达不到理论水平，如，H-800,200 kV 时分辩率只有0.45nm,因为电磁透镜 也存在像差。

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 1) 球 差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚 能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电 子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了 R 一个半径为Rs漫散圆斑，折算到物平面上，得 rs = s M 定义

1 rs = Csα3 --球差 4 Cs --球差系数，一般~f(1~3mm)

α

α

--孔径半角

物平面上两点距离小于 2 rs 时，则该透镜不能分辨

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 3)像散磁场不对称时，就出现象差。可能是由于极靴被污染，或极靴的机 械不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。有的方向电子束的折射比 别的方向强，如图所示，这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑， R 其平均半径为RA,折算到物平面上，得 rA = A 像 散 像 M 定义 平 焦 平 透镜平面 面 斑 面 rA = f Aα --像散 弱焦平面 I 2RA II f A --像散系数，电磁透镜出 现椭圆度时造成的焦距差 光轴 物

α --孔径半角

强焦平面

物平面上两点距离小于 2 rA 时，则该透镜不能分辨，可以采用消散器来消除

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 2) 色差 电子的能量不同，从而波长不一造成的。电子透镜的焦 距随着电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同 的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为 rc = Rc M 定义 像 散 像 E rc = Ccα 平 焦 平 --色差 透镜平面 E 面 斑 面

Cc

--色差系数物

能量低电子I 2Rc II

E --能量变化率 E α --孔径半角稳定加速电压来减少色差

光轴 能量高电子

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜

Pay Attention!在

电磁透镜中，球差对分辨率的影响最 为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正过 来。而其他像差在设计和制造时，采取适当的 措施是可以消除的。

§3.3 透射电镜的构造与工作原理2、电磁透镜 4)电磁透镜分辨率(分辨距离、分辨本领) 电子透镜中分辨本领基本上决定于球差和衍射。通过减小 孔径角的方法来减小球差，提高分辨本领，但能过小会由于衍 射使分辨本领变差。这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和 衍射两者所限定的值。

通常， 电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右。