電子光學(xué)基礎(chǔ)

電子光學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日1第2章電子束與物質(zhì)作用產(chǎn)生的信號第3章掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理第4章掃描電子顯微鏡的操作與應(yīng)用主要內(nèi)容第1章電子光學(xué)基礎(chǔ)第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2

電子顯微鏡是以電子束為照明源，通過電子流對樣品的透射或反射及電磁透鏡的多級放大后在熒光屏上成像的大型儀器。

第1章電子光學(xué)基礎(chǔ)§1.1電子顯微鏡概述第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日3

電子顯微鏡由電子流代替可見光，由磁場代替透鏡，讓電子的運動代替光子。comparison

光學(xué)顯微鏡則是利用可見光照明，將微小物體形成放大影像的光學(xué)儀器?！皵?shù)碼顯微鏡”

:光學(xué)顯微鏡第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日4樣品物鏡光源可見光光鏡聚光鏡投影鏡圖像樣品電磁聚光鏡掃描線圈探測器掃描電鏡電子束光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的光路比較第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日5掃描電鏡圖像光學(xué)顯微鏡圖像掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡的圖像比較第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日HistoryofMicroscope

大約在400年前（1590年），由荷蘭科學(xué)家楊森和后來的博物學(xué)家列文虎克發(fā)明和完善的顯微鏡，向人們揭示了一個陌生的微觀世界，他們是開辟人類顯微分析的始祖。列文虎克19世紀(jì)第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日7

現(xiàn)在，最好的光學(xué)顯微鏡可以達(dá)到2000倍的放大倍數(shù)?，F(xiàn)代的光學(xué)顯微鏡第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日8不管如何完善光學(xué)顯微鏡的透鏡和結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)和分辨率總是被限定在2000多倍和幾百納米的水平，不可能再有新的突破。第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日91924

德布羅意波：電子的波粒二象性1926－1927電子波的波長隨著加速電壓的改變而改變；布施：具有軸對稱的磁場對電子束起著匯聚的作用。1932第一臺透射電子顯微鏡誕生：放大倍數(shù)12－17倍1934透射電子顯微鏡的分辨率提高到50nm§1.2電子顯微鏡的誕生與發(fā)展50年代英、法、荷、日、美、蘇等國透射電子顯微鏡已批量生產(chǎn)；同時，晶體缺陷理論得到證實。60年代透射電子顯微鏡的分辨率提高到0.5nm；商品用掃描電子顯微鏡的分辨率25nm70-80年代電子顯微學(xué)科誕生。1942劍橋大學(xué)馬倫：第一臺掃描電子顯微鏡誕生第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日10德國ZEISS日本HITACHI美國FEI荷蘭Philips現(xiàn)在電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到0.01nm可攜帶的附件：X射線波譜分析儀、X射線能譜儀、自動圖像分析儀、背散射衍射儀等等。功能越來越強大。第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日11

1、分辨率簡單地說，分辨率就是能夠把兩個點分辨開的最小距離。人眼睛的分辨率大約為0.1個毫米。所以，要想看清比0.1個毫米還小的東西，就要借助于放大鏡和顯微鏡。即利用顯微鏡把所要觀察的物體至少放大到0.1個毫米以上，才能看清它?！?.3電子光學(xué)基礎(chǔ)第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日12r0：兩物點的間距；

λ：光線的波長；

n：透鏡周圍介質(zhì)的折射率；

α：孔徑角，即物點發(fā)出能進入透鏡成像的光線錐的錐頂角的半角；

nsinα稱為數(shù)值孔徑；根據(jù)光學(xué)原理，兩個發(fā)光點的分辨距離為：第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日13

將玻璃透鏡的一般參數(shù)代入上式，即最大孔徑半角α=70-75，在介質(zhì)為油的情況下，n＝1.5,其數(shù)值孔徑nsinα＝，上式可化簡為：這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長，波長越短，分辨率越大。只有比光線波長一半還大的物體才會產(chǎn)生反射光而被放大看到。所以，用最好的光學(xué)顯微鏡，其分辨率也只能是可見光波長的一半。第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日14不同波長光源分辨本領(lǐng)的比較第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日15

可見光的波長范圍為390–760nm(1nm=10?)，因此光學(xué)顯微鏡的分辨率的極限是200nm。紫外線（<400nm）作光源，分辨率可提高一倍。現(xiàn)代紫外光顯微鏡的分辨率可達(dá)到100nm。要制造更高分辨率的顯微鏡，必須采用波長更短的波作為成像媒介。如何得到短波長？第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日162、電子波的波長已知電子束具有波動性，對于運動速度為v，質(zhì)量為m的電子波的波長為：

=h/mvh－普朗克常數(shù)；m－電子的質(zhì)量；V－電子的速度。

電子的速度v和加速電壓U之間:eU＝1/2mv2e－電子所帶的電荷。即v＝（2eU/m）1/2

第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日17由此得

＝h/(2emU)1/2代入h=6.62×10-34J.S,m=9.11×10-31kg，e=1.60×10-19c

＝12.25/U1/2U的單位用伏特，的單位為?。第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日18

前面計算的過程中，電子的質(zhì)量采用的是靜止時的質(zhì)量，但根據(jù)相對論理論，在高速運動的情況下，其質(zhì)量有變化：

m＝m0/[1-(v/c)2]1/2

v為電子運動的速度，c為光速。波長與電壓的計算公式應(yīng)校正為：

＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日190.008710000.0698300.01425000.0859200.02512000.122100.03701000.17350.0418800.19440.0487600.22430.0536500.27420.0601400.3881電子波波長/?加速電壓/KV電子波波長/?加速電壓/KV

不同加速電壓下電子波的波長（經(jīng)相對論校正）第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日20可見光的波長在3900-7600?之間，在常用的100-200KV加速電壓下，電子波的波長要比可見光小5個數(shù)量級只要能使加速電壓提高到一定值就可得到很短的電子波。用高壓加速電子就成為近代電鏡的最重要特點，用這樣的電子波作為照明源就可顯著提高顯微鏡的分辨率。那么能不能制造出使電子波聚焦成像的透鏡？第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日213、電磁透鏡

電子是帶負(fù)電的粒子，在靜電場中會受到電場力的作用，使運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，設(shè)計靜電場的大小和形狀可實現(xiàn)電子的聚焦和發(fā)散。把

由靜電場制成的透鏡稱為靜電透鏡，在電子顯微鏡中，發(fā)射電子的電子槍就是利用靜電透鏡。靜電透鏡第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日22運動的電子在磁場中也會受磁場力的作用發(fā)生偏折，從而達(dá)到會聚和發(fā)散，由磁場制成的透鏡稱為磁透鏡。用通電線圈產(chǎn)生的磁場來使電子波聚焦成像的裝置叫電磁透鏡。電磁透鏡第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日23由于靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前研制的電子顯微鏡中都采用電磁透鏡。電磁透鏡靜電透鏡1.改變線圈中的電流強度可很方便的控制焦距和放大倍率1.需改變加速電壓才可改變焦距和放大率2.無擊穿，供給電磁透鏡線圈的電壓低2.靜電透鏡需數(shù)萬伏電壓，常會引起擊穿3.像差小3.像差較大Comparison第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日24（1）電磁透鏡的聚焦原理

電子在磁場中的運動：電子磁力線第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日25運動電子在磁場中受到Lorentz力作用，其表達(dá)式：式中：e-運動電子電荷；

v-電子運動速度矢量；

B-磁感應(yīng)強度矢量；

F-洛侖茲力。顯然，F(xiàn)的方向垂直于矢量v和B所決定的平面，力的方向可由左手法則確定。第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日26（1）v∥B，則F=0，電子不受磁場力作用，其運動速度的大小及方向不變；（2）若v⊥B，即只改變運動方向，不改變運動速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓周運動。（3）若v與B既不垂直也不平行，而成一定夾角，則其運動軌跡為螺旋線。第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日27如何使運動的電子在磁場中會聚？軸對稱的磁場第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日28電磁透鏡聚焦原理示意圖1ab第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日29電磁透鏡聚焦原理示意圖2c第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日30玻璃凸透鏡聚焦電磁透鏡聚焦原理示意圖3d第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日31

與光學(xué)透鏡相似，電磁透鏡的物距、像距和焦距三者之間的關(guān)系式及放大倍數(shù)為：

1/f=1/L1+1/L2M=L2/L1M=f/(L1-f)f－焦距；L1－物距；L2－像距;M－放大倍數(shù) 第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日32電磁透鏡的焦距可由下式近似計算

f=K[Ur/（IN)2] K－常數(shù)；

Ur－經(jīng)相對論校正的電子的加速電壓； （IN)－電磁透鏡激磁安匝數(shù)(勵磁強度，為電流強度I和線圈匝數(shù)N之積）。第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日33無論激磁方向如何，激磁焦距總是正的。改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)將發(fā)生相應(yīng)改變。電磁透鏡是一種變焦距或變倍率的會聚透鏡，這是它有別于光學(xué)玻璃凸透鏡的一個特點。第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日34（2）電磁透鏡的缺陷電子波波長很短，在100KV的加速電壓下，電子波波長為0.037?，用這樣短波長的電子波做顯微鏡的照明源，根據(jù)Δr0=1/2λ

顯微鏡的最小分辨率可達(dá)0.02?左右。然而到目前為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在0.01nm的水平。Why？第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日35像差分成兩類，即幾何像差和色差。幾何像差是因為透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的，幾何像差主要指球差和像散色差是由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。原因：電磁透鏡存在像差第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日36a、球差（球面像差）

球差是由于電磁透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域磁場強度的差異，從而造成對電子會聚能力不同而造成的。遠(yuǎn)軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子要厲害得多，因而由同一物點散射的電子經(jīng)過透鏡后不交在一點上，而是在透鏡像平面上變成了一個漫射圓斑。最小散焦斑第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日37b.像散像散是由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。磁場不同方向?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ灰粯?，電子?jīng)透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，使圓形物點的像變成了一個漫射圓斑。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日38C、色差色差是由于成像電子的能量或波長不同而引起的一種像差。能量大的電子在距透鏡中心比較遠(yuǎn)的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點聚焦。結(jié)果使得由同一物點散射的具有不同能量的電子經(jīng)透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射圓斑。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日39由于上述像差的存在，雖然電子波長只有光波長的十萬分之一左右，但尚不能使電磁透鏡的分辨率提高十萬倍。第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日40(3)電磁透鏡的景深和焦長a.景深

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的距離（或者說試樣超越物平面所允許的厚度）。 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。第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日41

從原理上講，當(dāng)透鏡的焦距一定時，物距和像距的值是確定的，這時只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面相重合。

為什么還存在景深？第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日42

偏離理想物平面的特點都存在一定程度的失焦，它們在透鏡的像平面上將產(chǎn)生一個具有一定尺寸的失焦圓斑。如果失焦圓斑的尺寸不超過由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，則不會影響電鏡的分辨率。

因為衍射和像差的存在第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日43

如果把透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深，用Df表示。則景深大小Df與物鏡的分辨率Δr0、孔徑半角α用下式表示：

Df＝2Δr0/α 上式表明，電磁透鏡的孔徑半角越小，景深越大；分辨率越大，景深越大。第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日44

一般電磁透鏡的α＝10－2－10－3rad，因此

Df＝(2002000)Δr0

若Δr0＝1nm， 則Df＝200—2000nm

即電子顯微鏡對于高度相差在200nm的物體，可以同時聚焦在成像平面上。第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日45b.焦長 焦深（或焦長）是指在保持像清晰的前提下，像平面沿鏡軸可移動的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動距離。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日46

同樣，當(dāng)透鏡焦距和物距一定時，像平面沿軸向一定距離內(nèi)移動，也會引起失焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，則對透鏡的分辨率沒有影響。

DL＝2Δr0M2/α=Df·M2第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日47一般的電鏡焦長都超過10-20cm。因此，只要圖象在顯示屏上是清晰的，那么在屏的上下10cm范圍放置膠片，得到的圖象依然是清晰的。第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日48偏光、反光、錐光…電子衍射裝置、特征X射線波譜儀、特征X射線能譜儀、俄歇電子譜儀主要附件光學(xué)透射、反射、干涉像透射電子像、二次電子像、背散射電子像、吸收電子像、X射線面掃描像、X射線線掃描像等主要圖象彩色或黑白黑白灰度圖象特點機械聚焦電子聚焦、計算機控制聚焦原理1000倍時0.1um1000倍時30um景深10－2000換鏡頭10－1百萬,連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)可見光區(qū)200nm紫外光區(qū)100nm0.01nm分辨率光學(xué)透鏡（玻璃透鏡）電子透鏡（電磁鐵）透鏡大氣真空10－4－10－9媒介可見光4000－7500?電子束波長<0.037?光源光學(xué)透鏡電磁透鏡4電磁透鏡與光學(xué)顯微鏡的比較第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日49包括以下三種類型的儀器： 掃描電子顯微鏡ScanningElectronMicroscopy（SEM） 透射電子顯微鏡TransparentElectronMicroscopy（TEM） 電子探針ElectronProbeMicroscopicanalyzer（EPMA）四、電子顯微鏡的類型及用途第五十頁，共五十七頁，20