電子顯微分析概論

第四章電子顯微分析發(fā)育中的擬南芥花芽

掃描電子顯微鏡拍攝，人工上色，萼片為綠色，花瓣為紅色，花藥為橙色，柱頭未上色。圖為西番蓮花粉的掃描電子顯微鏡照片4.1引言-電子光學(xué)基礎(chǔ)

4.1.1分辨本領(lǐng)

1)人的眼睛僅能分辨0.1~0.2mm的細(xì)節(jié)

2)光學(xué)顯微鏡，人們可觀察到象細(xì)菌那樣小的物體。

3)用光學(xué)顯微鏡來(lái)揭示更小粒子的顯微組織結(jié)構(gòu)是不可能的，受光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)(或分辨率)的限制。

分辨本領(lǐng)

指顯微鏡能分辨的樣品上兩點(diǎn)間的最小距離。以物鏡的分辨本領(lǐng)來(lái)定義顯微鏡的分辨本領(lǐng)。1、光的折射現(xiàn)象及成像原理ABB`A`..FFL1L2一個(gè)物體可看作是由許多物點(diǎn)所組成，每一個(gè)物點(diǎn)散射的光經(jīng)透鏡后都會(huì)聚在相應(yīng)的像點(diǎn)上，許多的像點(diǎn)就構(gòu)成了物體的像。透鏡成像公式：放大倍數(shù)：2、光的衍射現(xiàn)象和分辨本領(lǐng)的極限由于光的衍射，使得由物平面內(nèi)的點(diǎn)A、B在象平面形成一A`、

B`圓斑，圓斑由具有一定尺寸的中央亮斑及其周?chē)靼迪嚅g的圓環(huán)組成，稱(chēng)為埃利斑（Airy斑）。Rn－透鏡物方介質(zhì)的折射率λ－照明光波長(zhǎng)α－透鏡孔徑半角，即入射光束與透鏡主軸的夾角；

nsinα

－數(shù)值孔徑M－放大倍數(shù)圖（1）兩個(gè)Airy斑明顯可分辨出。圖（2）兩個(gè)Airy斑剛好可分辨出。圖（3）兩個(gè)Airy斑分辨不出。R將剛好可分辨出的兩Airy斑中心間距相應(yīng)于兩個(gè)物點(diǎn)間距離△r0定義為顯微鏡能分辨出的最小距離，此即透鏡的分辨本領(lǐng)。一般來(lái)說(shuō)，孔徑角較大時(shí)為70－75°，n約為1.5,則nsinα約為1.25-1.35,故：波長(zhǎng)是透鏡分辨率大小的決定因素。

透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明束波長(zhǎng)λ。若用波長(zhǎng)最短的可見(jiàn)光(λ=400nm)作照明源，

則

d0=200nm

200nm是光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)的極限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)更短的光線才能解決這個(gè)問(wèn)題。知識(shí)補(bǔ)充2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給了三個(gè)物理學(xué)家：艾力克·貝齊格（EricBetzig）、斯特凡·W·赫爾（StefanW.Hell）和W·E·莫納（W.E.Moerner），以表彰他們對(duì)于發(fā)展超分辨率熒光顯微鏡做出的卓越貢獻(xiàn)。他們的突破性工作使光學(xué)顯微技術(shù)進(jìn)入了納米尺度，從而使科學(xué)家們能夠觀察到活細(xì)胞中不同分子在納米尺度上的運(yùn)動(dòng)。貝齊格赫爾莫納4.1.2電子束的波長(zhǎng)

比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的有：

1）紫外線——會(huì)被物體強(qiáng)烈的吸收；

2）X射線——無(wú)法使其會(huì)聚；

3）電子波根據(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

h——Plank常數(shù)，

m——v——電子速度

初速度為0的自由電子從零電位開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，因受到加速電壓U的作用獲得速度為v：

1/2mv2=eU

當(dāng)電子速度v遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速C時(shí)，電子質(zhì)量m近似等于電子靜止質(zhì)量m0，由上述兩式整理得：

電子波長(zhǎng)與加速電壓平方根成反比，即加速電壓越高，電子波長(zhǎng)越短，但當(dāng)電壓很高時(shí)，電子質(zhì)量需引入相對(duì)論進(jìn)行校正。

將常數(shù)代入上式，并注意到電子電荷e的單位為庫(kù)侖，h的單位為J·s，我們將得到：

［nm］

表1不同加速電壓下的電子波長(zhǎng)

加速電壓/kV2030501002005001000電子波長(zhǎng)/10-3nm8.596.985.363.702.511.420.687一般電鏡的加速電壓為50－200KV,100KV以上的為超高壓電鏡。

當(dāng)加速電壓為100kV時(shí)，電子束的波長(zhǎng)約為可見(jiàn)光波長(zhǎng)的十萬(wàn)分之一。因此，若用電子束作照明源，顯微鏡的分辨本領(lǐng)要高得多。但是，電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為10-2-10-3rad。如果加速電壓為100kV，孔徑半角為10-2rad，那么分辨本領(lǐng)為：

d0=0.61×3.7×10-3/10-2=0.225nm4.1.3電磁透鏡電鏡中用來(lái)對(duì)電子束聚焦的是電磁透鏡，簡(jiǎn)單的電磁透鏡就是一個(gè)通電的短線圈。通電線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電子束有聚焦成像的作用。其焦點(diǎn)f為：式中，V0-電壓；R-透鏡半徑；I-電流；N-線圈匝數(shù)；

A-與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)改變電流可以方便調(diào)整透鏡的焦距，從而使放大倍數(shù)發(fā)生改變1、電磁透鏡的焦距電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖

控制電子束的運(yùn)動(dòng)在電子光學(xué)領(lǐng)域中主要使用電磁透鏡裝置。但電磁透鏡在成像時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差－由于透鏡物理?xiàng)l件的限制，所成的像會(huì)模糊不清或發(fā)生畸變，形成的所有缺陷和偏差統(tǒng)稱(chēng)為像差。

像差分為幾何像差和色差兩類(lèi)。

幾何像差：由于透鏡磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的像差。主要指球差和像散。

色差：由于電子波的波長(zhǎng)或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的像差。2、電磁透鏡的像差與分辨本領(lǐng)

透鏡的實(shí)際分辨本領(lǐng)除了與衍射效應(yīng)有關(guān)以外，還與透鏡的像差有關(guān)。

光學(xué)透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來(lái)矯正像差，使之對(duì)分辨本領(lǐng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衍射效應(yīng)的影響;

但電子透鏡只有會(huì)聚透鏡，沒(méi)有發(fā)散透鏡，所以至今還沒(méi)有找到一種能矯正球差的辦法。這樣，像差對(duì)電子透鏡分辨本領(lǐng)的限制就不容忽略了。（1）球差即球面像差，是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ环项A(yù)定的規(guī)律而造成的。離主軸較遠(yuǎn)的電子比主軸附近的電子被折射程度要大，當(dāng)物點(diǎn)P通過(guò)透鏡成像時(shí)，電子就不會(huì)聚到同一焦點(diǎn)上，而形成一個(gè)散焦斑。得到的最小散焦斑的半徑用Rs表示。若把Rs除以放大倍數(shù)，就可以把其折算到物平面上去，大小為：也就是說(shuō)，當(dāng)物平面上兩點(diǎn)距離小于2rs時(shí)，則透鏡不能分辨。rs可通過(guò)下式計(jì)算：Cs為球差系數(shù)，α為孔徑半角。采用小孔徑成像是減少球差的有效途徑。(2)色差：是由于入射電子波長(zhǎng)（或能量）的非單一性造成。電子束的能量變化率取決于加速電壓的穩(wěn)定性和電子穿過(guò)樣品時(shí)發(fā)生非彈性散射的程度。（3）電磁透鏡的分辨本領(lǐng)電磁透鏡的分辨本領(lǐng)由衍射效應(yīng)和球面像差來(lái)決定。

衍射效應(yīng)對(duì)分辨本領(lǐng)的影響：Δr0=0.61λ/Nsinα

球差對(duì)分辨率的影響：必須確定一個(gè)最佳孔徑半角，使得衍射效應(yīng)Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等時(shí)，表明兩者對(duì)透鏡分辨本領(lǐng)影響效果一樣。目前電鏡的最佳分辨本領(lǐng)達(dá)到了0.1nm數(shù)量級(jí)。3、電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)電磁透鏡的特點(diǎn)是景深大（場(chǎng)深），焦長(zhǎng)很長(zhǎng)。透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離Dr。換言之，在景深范圍內(nèi)，樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。從原理上講，當(dāng)透鏡焦距、像距一定時(shí)，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面上獲得該層平面的理想圖象，而偏離理想物平面的物點(diǎn)都存在一定程度的失焦，他們?cè)谕哥R像平面上將產(chǎn)生具有一定尺寸的失焦圓斑，如果失焦圓斑尺寸不超過(guò)由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么對(duì)透鏡像分辨本領(lǐng)并不產(chǎn)生影響。Dr與電磁透鏡分辨率△r0、孔徑半角α之間的關(guān)系：取Δr0=1nm,

α=10-2～10-3rad則

Dr

=200～2000nm試樣（薄膜）一般厚200～300nm，上述景深范圍可保證樣品整個(gè)厚度范圍內(nèi)各個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都清晰可見(jiàn)。藍(lán)寶石襯底表面形貌觀察

表面三維島狀結(jié)構(gòu)焦長(zhǎng)：指物點(diǎn)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(dòng)的距離。

當(dāng)透鏡焦距、物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦。如果失焦尺寸不超過(guò)由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移