现代材料分析方法TEM

现代材料研究方法(I)

绪 论1、内容 现代材料研究方法

透射电子显微镜Transmission electron microscopy

(II)其它 (I)TEM放大镜

2、目的 2学分/32学时 一门技能：设计、诊断、辨别 图像组成结构--材料的DNA常规：光源 TEM :e束 玻璃透镜 电磁透镜 图像 像质构/清高

why? what?

how?

3、基础课与参考书基础课：X射线衍射、固体物理 参考书：TEM、电子显微学类

原理√(电子显微分析) 操作×(实验技能课程)

第一章 电子光学基础要点： ① 为什么电子束做光源？ ② 磁场怎样做透镜？ ③ 磁透镜的光学特点？

1.1 光学显微镜的局限性显微/放大的2个含义：

分辨：人眼能看清0.2mm放大：把物体放大到人眼能分辨的程度

放大倍数能无限提高吗？

1.1.1 光的衍射L R0

O1

B1

84%光强集中在中心：Airy斑

R0

0.61 n sin

M

λ为入射光的波长； n为透镜周围介质的折射率 α为物镜的半孔径角

1.1.2 光学显微镜分辨本领的理论极限L DB2d

R0

0.61 n sin

M

强度

O1 O2

Ro

B1

d指物镜能够分开两个点之 间的最短距离，称为物镜的 分辨本领或分辨能力；

d R0 / M 0.81I I

0.61 n sin

两个Airy斑明显可分辨

两个Airy斑刚好可分辨

两个Airy斑分辨不出

d 0.61

n sin

1 2

一般对玻璃透镜：α=70-75°介质为油时，n=1.5

半波长是玻璃透镜分辨率的理论极限可见光λ=3900-7600A,光学玻璃透镜的分辨极限是2000A(0.2μm)

提高分辨本领的关键在于降低光源的波长！

1.1.3 有效放大倍数

人眼分辨本领：0.2mm 光学显微镜分辨极限：0.2μm 光学显微镜需要提供足够的放大倍数，把物体放大到人 眼能分辨的程度，相应的放大倍数叫有效放大倍数. M有效=de/d=0.2mm/0.2 μm=1000倍

为减轻人眼负担，M有效略高些，通常1000-1500倍提高M有效，需要寻找短波长照明源！

电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称~。γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波波长 高能辐射区 γ射线 能量最高，来源于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁 长

利用紫外线 X射线

强烈地吸收 没办法使其变向聚焦

电子波长应运而生

1.2 电子的波性及波长根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具 有波动性。 快速(接近光速)运动的粒子也会有波性，波长为：

h —— Plank 常数 ， m —— v ——电子速度

显然，v越大，

越小，电子的速

度与其加速电压(E伏特)有关

即

而

则埃 即若被150伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。

若加速电压很高，便电子具有极高速度，则经过相对论修正，有

m

m0 1 v

c

2

式中，

C为光速，C=3.0×108m/s,

并且,

eE mc 2 m0c 2

h 2em0 E (1 eE ) 2 2m0 c

150 E (1 0.9788 10 6 E )

100kV,λ=0.0036

是可见波长的1/10万还要解决聚焦和放大问题

1.3 电子在磁场中运动和磁透镜 1.3.1 电子在磁场中的运动F=qV×B

f qvB sin(v, B)R=mVr/eB

1.3.2 磁透镜原理T=2 R/Vr= 2 mVr/eBVr T=2 m/eB

与V无关，聚焦 与B有关，放大

由于磁场力和运动速度 的影响，使电子向轴偏 转，绕轴旋转聚焦。

1.3.3 磁透镜 VS 玻璃透镜

① 完全类似的光学特点； ② 电子束与材料相互作用，体现材料信息； ③ 焦距、放大倍数连续可调。

1.4 电子透镜的缺陷和分辨距离1.4.1 电子透镜缺陷使实际分辨距离远小于理论分辨距离，球差、象散和色差。

1) 球 差 原因:中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同----远轴折射厉害; 结果: 两者不交在一点上，象平面成了一个漫散圆斑; 大小:半径为 还原到物平面:为球差系数，最佳值是0.3 mm 。 为孔径角，透镜分辨本领随其增大而迅速变坏。 透镜 象 P’ P’’

物P

α

光轴