yh电子光学基础.

借助于材料测试技术，有助于我们了解分析材料（例如：纳米材料）的微观结构与宏观性能的关系，指导新型材料的合成、制备、形貌控制和表征、性能改善，是对材料科学进行研究必不可少的手段。第二篇材料电子显微分析1.透射电子显微镜（TEM）形貌观察和晶相结构分析2.扫描电子显微镜（SEM）表面形貌表征3.电子探针（WDS,EDS）微区成分分析4.俄歇电子能谱（AES）表面化学成分分析5.场离子显微镜（FIM）原子表面的直接成像6.扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜（AFM）样品表面高分辨形貌分析7.X射线光电子能谱（XPS）表面元素价态分析第八章电子光学基础第一节电子波与电磁透镜第二节电磁透镜的像差与分辨率第三节电磁透镜的景深和焦长一、光学显微镜的分辨率极限1590年，荷兰的詹森父子(HansandzachriasJanssen)制造出第一台原始的、放大倍数约为20倍的显微镜。1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、目镜及镜筒的复式显微镜。1665年，英国物理学家罗伯特·胡克(RobertHooke)用左下图这台复式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细胞”，由此引起了细胞研究的热潮。1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens)设计并制造出双透镜目镜－惠更斯目镜，是现代多种目镜的（左）1665年R.Hoock用来发现细胞的光学显微镜，(右)1848年的显微镜原型。这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构。现代光学显微镜在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯特·阿贝(ErnstAbbe)。他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论的重要文章。两年后，又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。放大40倍的新月藻、硅藻和水棉放大200倍的昆虫后腿1、光学显微镜的成像原理在光学中，由实际光线会聚而成，且能在光屏上呈现的像称为实像；由光线的反向延长线会聚而成，且不能在光屏上呈现的像称为虚像。“实像都是倒立的，而虚像都是正立的。”规律1：当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像。此时像距小于物距，像比物小，物像异侧。应用：照相机、摄像机。规律2：当物距等于2倍焦距时，则像距也在2倍焦距，成倒立、等大的实像。此时物距等于像距，像与物大小相等，物像异侧。规律3：当物距小于2倍焦距、大于1倍焦距时，则像距大于2倍焦距，成倒立、放大的实像。此时像距大于物距，像比物大，物像异侧。应用：投影仪、幻灯机、电影放映机。规律5：当物距小于1倍焦距时，则成正立、放大的虚像。此时像距大于物距，像比物大，物像同侧。规律4：当物距等于1倍焦距时，则不成像，成平行光射出。十九世纪末，施特拉顿（Stratton）做了一个著名的实验。他设计了一种能将视像倒转180°的眼镜。戴上后，外界的一切事物都颠倒了。开始，他非常不适应这种情景，视觉和触觉、动觉之间发生了矛盾，用手触摸物体、在空间行动都发生了困难。如想拿上面的东西，手却伸向下方；想拿左面的东西，手却伸向右方；写字时也不能依靠视觉而只能靠触觉和记忆来写。这种异常的体验，还使人感到头痛和恶心。但是过8天以后，视觉逐渐与触摸觉、动觉协调起来，他不再感到外部是一个颠倒的世界了，能够比较完善地适应新的空间关系，周围的景象看起来正常了，也能行动自如。但是摘掉眼镜后，又重新经历了适应空间环境的过程。光学显微镜是根据凸透镜的成像原理，要经过凸透镜的两次成像。第一次先经过物镜（凸透镜1）成像，这时候的物体应该在物镜(凸透镜1）的一倍焦距和两倍焦距之间，根据物理学的原理，成的应该是放大的倒立的实像。而后以第一次成的物像作为“物体”，经过目镜的第二次成像。由于我们观察的时候是在目镜的另外一侧，根据光学原理，第二次成的像应该是一个虚像，这样像和物才在同一侧。因此第二次成的像应该在目镜（凸透镜2）的一倍焦距以内，这样经过第二次成像，第二次成的像是一个放大的正立的虚像。如果相对实物说的话，应该是倒立的放大的虚像。分辨本领：成像物体（试样）上能分辨出来的两个物点间的最小距离。光学显微镜分辨本领的理论极限为：000.611,0.61sinrnrna，空气一般取：2、光学显微镜的分辨本领012r对于可见光，其波长范围为390－760nm因此根据上式光学显微镜的分辨本领极限：200nm为什么光学显微镜会有分辨极限？衍射效应：透镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互发生干涉作用、产生衍射的现象。(在像平面上一个点形成一个中心最亮、周围带有明暗相间同心圆环的斑点，即埃利斑)。当两个光斑强度峰间的强度谷值比强度峰值低19％，这个强度反差对人眼来说是刚有所感觉。分辨两个埃利斑像的判据是：两个埃利斑中心间距等于第一暗环半径。如何提高显微镜的分辨率要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成像的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为显微镜的照明光源。除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。二、电子波的波长特性电子波的波长是可以改变的…hmv212mveU可见光的波长大约390nm到760nm之间。如果加速电压是100kV的话，电子波的波长……比可见光短十万倍。2,2eUhvmemU不同加速电压下的电子波波长204060801000.008590.006010.004870.004180.0037112016020050010000.003340.002850.002510.001420.00087加速电压U/KV电子波长λ/nm加速电压U/KV电子波长λ/nm三、电磁透镜电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成像的目的。由静电场制成的透镜——静电透镜由磁场制成的透镜——磁透镜磁透镜和静电透镜相比有如下的优点磁透镜静电透镜1.改变线圈中的电流强度可很方便的控制焦距和放大率；2.无击穿，供给磁透镜线圈的电压为60到100伏；3.像差小。1.需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；2.静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿；3.像差较大。目前，应用较多的是磁透镜，我们只是分析磁透镜是如何工作的。磁透镜结构剖面图磁透镜使电子会聚的原理OO’z电子在磁透镜中的运动轨迹AC图1-3（b）A点位置的B和v的分解情况OO’ACrvrΒΒvzv2FrΒzvrv1FzBtvrFzB当电子走到C点位置时，Br的方向改变180，Ft随之反向，即在C处有一离轴作用力，可以抵消与A点相当的向轴作用力，由于磁场中心部分比两旁的强，因此在A、C中心部分受到特别大的向轴力是抵不掉的，电子继续向轴偏转。出磁场后又是直线运动。这条直线与轴成角，并与轴交于O’点。OO’ACrvrΒΒvzv电磁透镜原理图短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里（如右图）。Oz带铁壳的带极靴的透镜O’为了使线圈内的磁场强度进一步增强，可以在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环－极靴替带软铁磁壳上的内环形间隙，尺寸可以更精确。可使有效磁场集中到沿透镜轴向几毫米的范围之内2()rUfKIN电磁透镜的焦距和放大倍数可以通过改变激磁电流而连续变化。12111fLL1fMLf焦距加速电压激磁安匝数物距像距放大倍数第二节电磁透镜的像差与分辨率电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起作用的象差有几何象差（球差、象散等）和色差。几何象差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的；色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。三、电磁透镜(一)球差定义：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。成因：远轴的电子通过透镜折射得比近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果在像平面成了一个漫散圆斑，半径为还原到物平面，则为球差系数。为孔径角，透镜分辨本领随增大而迅速变坏。减小措施：减小；缩小314SMsrMCsC314SMssrrCMsCαP’像P’’透镜物P光轴消除球差的方法三：改变透镜形状。（很难）。消除方法一：小孔径成像314ssrC消除球差的方法四：多片透镜组合（只适合于光学）消除方法二：大的激磁电流可以减小透镜球差（减小球差系数)(二)像散定义：由于透镜的磁场周向不对称所引起的一种像差。成因：磁场不对称时，就出现像散。有的方向电子束的折射比别的方向强，如图所示，在A平面运行的电子束聚焦在PA点，而在B平面运行的电子聚焦在PB点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半径为还原到物平面为象散引起的最大焦距差；透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各向磁导率差异引起。减小措施：减小和；像散可由附加磁场的电磁消像散器来校正。12AMArMf12AArfAfAf平面BPA透镜平面物P光轴PBfA平面A像散是可以消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。定义：色差是由于电子的能量不同、从而波长不一造成的。成因：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，其半径为是透镜的色差系数，大致等于其焦距；是电子能量的变化率。减小措施：减小样品厚度；稳定加速电压(三)色差CcErCEcCEE能量为E的电子轨迹像1透镜物P光轴能量为E-E的电子轨迹像2引起电子束能量变化的主要有两个原因：电子的加速电压不稳定；电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色散。在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最为重要，因为没有一种简便的方法使其矫正，而其它象差，可以通过一些方法消除。PAYATTENTION光学显微镜的分辨本领基本上决定于像差和衍射，而像差基本上可以消除到忽略不计的程度，因此，分辨本领主要取决于衍射。电子透镜中，不能用大的孔径角，若这样做，球差和象差就会很大，但可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。二、分辨率显微镜的分辨极限是电镜情况下，，=10-2~10-3因此可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变坏，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。0.61sindn1n0.61d30.61sC1/41.4bestsC相对应的最佳光阑直径式中的f为透镜的焦距。将代入可得目前，通用的较精确的理论分辨公式和最佳孔径角公式为将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右。2bestbestDf3/41/4minsdACbest3/41/4min0.43sdC1/41/4min1.4sC第三节电磁透镜的景深和焦长电磁透镜分辨本领大，景深大，焦长长。景深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。焦长是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。电子透镜之所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。一、景深在物平面上得