1、 電子顯微鏡電子顯微鏡 光學顯微鏡分辨本領 L：透鏡 D：光闌 ：透鏡對物點 張角的一半。 n愛瑞（Airy）斑：由于衍射效應，一個發光物點的 像是一個一定尺寸的亮斑和周圍幾個亮環。一般將 亮環忽略不計，中央亮斑為物點的像，稱為愛瑞斑。 光學顯微鏡分辨本領 n瑞利（Rayleigh）判據：A1和A2逐漸接近時， A1和A2之間的亮度約為亮度最大值的80， 人們仍然能分辨是兩個像。瑞利即以這種條件 作為光學系統能分辨兩物點的最小距離，這個 極限稱為瑞利判據。 電子光學基礎電子光學基礎 光學顯微鏡的局限性光學顯微鏡的局限性 u兩個發光點的分辨距離為： 物鏡與物體之間介質的折射率 半孔徑角，不能大于

2、90 顯微鏡的數值孔徑 光線的波長 0.61 sin d n n sinn 電子光學基礎電子光學基礎 光學顯微鏡的局限性光學顯微鏡的局限性 u提高顯微鏡分辨本領的方法： 采用高折射率介質 增大 角 利用短波長的射線 u電子波動性被發現后，很快被利用來作 為提高顯微鏡分辨率的新光源即出 現了電子顯微鏡。 0.61 sin d n n電子的粒子性 質量：質量：9.1095 9.1095 10 10-23 -23 克； 克； 電量：電量：1.602 1.602 10 10-10 -10 庫侖； 庫侖； 在電子顯微鏡中，電子的加速電壓一般在幾在電子顯微鏡中，電子的加速電壓一般在幾 十千伏以上，根據相對

3、論，電子的質量隨速度十千伏以上，根據相對論，電子的質量隨速度 的增加而增大。的增加而增大。 n電子的波動性 8 0 2 0 12.26 (1 0.9778 10) 2(1) 2 h eV VV em V m e () 電子波長電子波長 不同加速電壓下的電子波長和速度不同加速電壓下的電子波長和速度 U/kV/nmv/(1011mms-1) 400.006 011.121 6 600.004 371.338 800.004 181.506 1000.003 701.644 2000.002 512.079 5000.001 422.587 1 0000.000 872.822 陰極發光 軔致輻射

4、X 射 線 透射電子 樣 品 俄歇電子 衍射電子 二次電子 反射電子 吸收電子 電電 子子 探探 針針 掃描掃描 電鏡電鏡 透射透射 電鏡電鏡 俄歇俄歇 電子電子 譜儀譜儀 入 射 電 子 束 電子束與物質的相互作用 電子光學基礎電子光學基礎 靜電透鏡靜電透鏡 n電子通過兩個不同電位的界面 電子在不同電位界面處發生折射。 22 11 sin sin vn vn 常數 可見光 電子 電子光學基礎電子光學基礎 靜電透鏡靜電透鏡 n聚焦靜電透鏡 電場由三個電極 形成：第一電極 帶負電位，稱為 陰極；第二，第 三電極帶正電位， 而且后者的電位 比前者高。 （a）光線通過玻璃透鏡（b）電子通過電場 的軌

5、跡 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡電磁透鏡 n有電流通過的長線圈中間可看作均勻磁場，這 樣的線圈起聚焦作用，沒有放大作用。 n短線圈形成不均勻磁場，具有透鏡特性。 焦距 與加速電壓 和透鏡內磁場的軸向 分量 有如下關系 f E z H 2 10.022 z H dz fE 隙 電磁透鏡電磁透鏡 磁場B對電荷量為-e和速度為v的電子的作用力， 即洛倫茲力，其矢量表達式： F= -e(v B) F力的大小為： F=evBsin(v,B) F力垂直于電荷運動速度v和磁感應強度B所決定 的平面，F的方向按矢量叉積（B v ）的右手法則 來確定。 電磁透鏡電磁透鏡 為了便于分析電磁透聚焦原理，把透鏡

6、磁場中任意一點 的磁感應強度B分解為平行于透鏡主軸的軸向分量Bz和與之 垂直的徑向分量Br。 電磁透鏡聚焦原理 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡電磁透鏡 n成像公式 物距 像距 透鏡焦距 n放大倍數 放大倍數受透鏡線圈的 電流控制 111 abf a f b b M a 透射電子顯微鏡 電子顯微鏡由鏡電子顯微鏡由鏡 筒、真空系統和電筒、真空系統和電 源柜三部分組成。源柜三部分組成。 鏡筒主要有電子鏡筒主要有電子 槍、電磁透鏡、樣槍、電磁透鏡、樣 品架、熒光屏和照品架、熒光屏和照 相機構等部件。相機構等部件。 1924年，德布羅意（ de Broglie）提出電子具有波動性； 1926年，布什

7、（Busch）發現旋轉對稱非均勻磁場可作為電磁透鏡； 1931年，Rudenberg 提出電子顯微鏡的概念并提出專利申請； 1933年，克諾爾（Knoll）和盧斯卡（Ruska）制造出第一臺電子顯微鏡； 1936年，Boersch證明了電子束經過電磁透鏡聚焦后在后（背）焦面上形成 衍射花樣； 1939年，西門子公司生產出第一批商品透射電子顯微鏡； 1944年，Le Poole在電子顯微鏡中加入衍射透鏡（即中間鏡）和選區光闌后 實現選區電子衍射； 20世紀50年代，Ruska在商業電子顯微鏡中實現選區電子衍射； 20世紀60年代，會聚束電子衍射實現； 儀器的發展儀器的發展 儀器的發展儀器的發展

8、20世紀70年代，用于成分分析的X射線能譜儀和 電子能量損失譜儀開始使用； 20世紀90年代，物鏡球差系數校正器的問世使球 差系數從正值可變到負值，提高了電子顯微鏡的分 辨率。 此外，照明亮度高和能量發散小的場發射電子槍 的普及、極大改善電子單色性的能量過濾器的問世、 可實現電子顯微像和電子衍射花樣數字化的慢掃描 CCD和電子成像板的使用 、儀器的計算機控制等都 成為現代高性能分析電子顯微鏡的基本特征。 透射電子顯微鏡的主要功能 n成像： 明場像，暗場像 格子像，原子像 n衍射 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡的像差電磁透鏡的像差 n球面像差 離光軸遠的透鏡邊緣部分對電子束有強會聚能力，使邊

9、緣部 分的電子會聚在靠近物的一方，使物體上一個點在像平面上 形成一定尺寸的模糊圓斑。球差系數 與透鏡的磁場強度有 關，磁場強度越大，焦距越短，球差系數減小。 s C 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡的像差電磁透鏡的像差 畸變：畸變：球差引起的另外一種像缺陷叫做畸變， 在電鏡中觀察到的畸變是投影鏡的球差造成 的。由于透鏡的中心軸和邊緣部分的磁場強 度不同，焦距不同，放大倍數也就不同。 （a)無畸變 （b）枕形畸變 （c）桶形畸變（d）S形畸變 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡的像差電磁透鏡的像差 n色差 色差系數與透鏡的磁場強度有關，磁場強 度越大， 越小。 c C 色差是由 于電子束中 每

10、個電子的 速度不同， 因而波長不 同造成的。 電子光學基礎電子光學基礎 電磁透鏡的像差電磁透鏡的像差 n像散 像散缺陷，是 由于透鏡內孔和 極靴孔不完全對 稱、極靴材料內 部的不均性、極 靴污染等原因造 成的不同徑向的 焦距不同而引起 的。 電子光學基礎電子光學基礎 電子光學系統的分辨率電子光學系統的分辨率 由衍射效應形 成的愛瑞斑 電子光學基礎電子光學基礎 電子光學系統的分辨率電子光學系統的分辨率 n因衍射像差能夠分辨兩點的最短距離 1 4 o p t s A C 31 44 m ins rBCA、B近似等于1 稱為衍射像差。 n電子顯微鏡的分辨距離就是所有像差引起的圓斑半徑 之和。對于電鏡

11、，起主要作用的是衍射像差和球差。 opt min r n最佳孔徑角 和最小分辨距離 ： 0.61 d r 3 0.61 dss rrrC 電子光學基礎電子光學基礎 場深和焦深場深和焦深 n場深（景深） 在 之間的任意點無論怎樣聚焦，其 像不會比xi小。距離 稱為場深。QRD QR x D 電子光學基礎電子光學基礎 場深和焦深場深和焦深 n焦深 在 范圍內移動屏幕， 點的像不會發 散，但也不會變小。即在 范圍內，像的 清晰度是一樣的， 即為焦深。 i DP i D i D 2 i dM D 透射電子顯微鏡 透射電鏡和 光鏡的光路圖 照明系統由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中、 傾斜調節裝置組成，其

12、作用是提供一束亮度高、相 干性好和束流穩定的照明源。通過聚光鏡的控制可 以實現從平行照明到大會聚角的照明條件。為滿足 中心暗場成像的需要，照明電子束可在23范 圍內傾斜。 n照明系統 電子槍 照明系統照明系統 一、電子槍 電子槍是透射電子顯微鏡的 光源，要求發射的電子束亮度高、 電子束斑的尺寸小，發射穩定度 高。電子槍可分為熱電子發射型 和場發射型兩種類型。過去的透 射電子顯微鏡中使用的是熱電子 發射型的熱陰極三極電子槍，它 是由陰極、陽極和控制柵極組成。 為了提高照明亮度， 隨后發明了電子逸出功 小的六硼化鑭（LaB6） 作陰極。它比鎢絲陰極 的亮度高12數量級， 而且使用壽命增長。 LaB

13、6電子槍的結構原理圖 照明系統照明系統 目前亮度最高的電子 槍是場發射電子槍（FEG： field emission gun），其結 構原理如圖1.6所示。在金 屬表面加一個強電場，金 屬表面的勢壘就變小，由 于隧穿效應，金屬內部的 電子穿過勢壘從金屬表面 發射出來，這種現象稱為 場發射。 場致發射電子槍結構原理圖 照明系統照明系統 二、聚光鏡 人們把靜電場做成的透鏡稱 為“靜電透鏡”（如電子槍 中三極靜電透鏡），用電磁 場做成的透鏡稱為“電磁透 鏡”。透射電子顯微鏡的聚 光鏡、物鏡、中間鏡和投影 鏡均是“電磁透鏡”。 典型的磁透鏡剖面圖 照明系統照明系統 1.2 構造及其特性構造及其特性 n

14、多功能樣品室多功能樣品室 多功能樣品室的主要作用是通過樣品室承載樣品臺，并能使樣 品平移，以選擇感興趣的樣品視域，再借助雙傾樣品臺可使樣品位 于所需的晶體學位向進行觀察。樣品室內還可分別裝有加熱、冷卻 或拉伸等各種功能的側插式樣品座，以滿足相變、形變等過程的動 態觀察。樣品臺及其雙傾旋轉方向示意如圖1.10。加熱和冷卻側插式 樣品架外觀如圖1.11所示。 1.2.2 多功能樣品室多功能樣品室 圖1.10 樣品臺及其雙傾旋轉方向 圖1.11 加熱和冷卻側插式樣品架外觀 透射電子顯微鏡 鏡筒 n成像系統 物鏡、中間鏡和投影鏡構成三級成像 系統。最終像的放大倍數是這三個透鏡 的放大倍數的乘積，即：

15、MMMM 最終物中投 成像系統成像系統 成像系統是由物鏡、中間鏡 和投影鏡組成。物鏡是成像系統 的第一級透鏡，它的分辨本領決 定了透射電子顯微鏡的分辨率。 中間鏡和投影鏡是將來自物鏡給 出的樣品形貌像或衍射花樣進行 分級放大。通過成像系統透鏡的 不同組合可使透射電子顯微鏡從 50倍左右的低倍到一百萬倍以上 的高倍的放大倍率內變化。 物鏡極靴剖面圖 透射電子顯微鏡 鏡筒 n成像系統 物鏡是最主要的部件。改變物鏡電流 的過程就是聚焦過程。 物鏡后焦面處放有物鏡光欄，其作用 是擋住散射電子，提高電鏡的分辨率和襯度。 物鏡下部裝消像散器，用以消除像散， 提高電鏡分辨率。 透射電子顯微鏡 鏡筒 n成像系

16、統 中間鏡是一個弱透鏡。變化中間鏡電流， 可獲得不同的放大倍數?？筛鼡Q投影鏡極靴， 再改變中間鏡電流，以達到所需的放大倍數。 改變中間鏡電流還可得到電子衍射圖像。 透射電子顯微鏡 鏡筒 n像的觀察和記錄系統 投影鏡下面是觀察室，內有熒光 屏，在電子束的轟擊下產生熒光。 操作者通過鏡筒上的窗口可觀察到 熒光屏上的電子圖像。 構造及其特性構造及其特性 n 圖像觀察與記錄系統圖像觀察與記錄系統 該系統由熒光屏、照相機和數據顯示器等組成。投影鏡給 出的最終像顯示在熒光屏上，通過觀察窗，我們能觀察到熒 光屏上呈現的電子顯微像和電子衍射花樣。通常，觀察窗外 備有10倍的雙目光學顯微鏡，其用于對圖像和衍射花

17、樣的聚 焦。對觀察到的圖像和衍射花樣需要記錄時，將熒光屏豎起 后，它們就被記錄在熒光屏下方的照相底片上。 圖像觀察與記錄系統圖像觀察與記錄系統 一、慢掃描CCD攝像機 用視頻攝像機記錄透射電子顯微 像和使圖像再生的方法可以方便地用 于動態觀察和快速記錄圖像以避免振 動或熱漂移對圖像的影響，尤其在加 熱動態觀察中，快速記錄圖像可極大 節省穩定熱漂移所需的時間。電子顯 微鏡中通常使用慢掃描電荷耦合器件 （CCD：charge-coupled device）攝像 機，其結構示于圖1.13。 圖1.13 慢掃描CCD剖面圖 1.2 構造及其特性構造及其特性 n 1.2.5 真空和供電系統真空和供電系統

18、 真空系統是為了保證電子的穩定發射和在鏡筒內整個狹長的通 道中不與空氣分子碰撞而改變電子原有的軌跡，同時為了保證高壓 穩定度和防止樣品污染，不同的電子槍要求有不同的真空度。 供電系統主要提供穩定的加速電壓和電磁透鏡電流。為了有效 地減少色差，一般要求加速電壓穩定在每分鐘為10-6；物鏡是決定顯 微鏡分辨本領的關鍵，對物鏡電流穩定度要求更高，一般為(1 2)10-6/min，對中間鏡和投影鏡電流穩定度要求可比物鏡低，約為 510-6/min。 理論分辨本領極限理論分辨本領極限 分辨本領是透鏡最重要的性能指標，它是由像差和衍射誤 差的綜合影響所決定的。對于光學玻璃透鏡來說，在最佳情 況下，分辨本領

19、可達到照明波長的一半，即半波長。電子束 的波長比可見光的波長約小五個數量級，如果能使電磁透鏡 像差（特別是球差）遠小于衍射誤差，那么電磁透鏡的極限 分辨本領也能達到照明電子束的半波長約0.002 nm。實際上， 目前電子顯微鏡的分辨本領是0.2 nm左右，與其極限值還差 100倍，這是什么原因呢？ 理論分辨本領極限理論分辨本領極限 電磁透鏡的分辨本領受到透鏡像差 的影響。由于在像差中，像散可由消像 散器加以足夠的補償，照明電子束波長 和透鏡電流的波動所引起的色差已由供 電系統的穩定性所解決，但電磁透鏡中 的球差至今無法通過某種方法得到有效 的補償，以致球差便成為限制電磁透鏡 分辨本領的主要因素。提高透鏡分辨本 領的可行的方法之一是采用很小的孔徑 角成像，它是通過物鏡背（后）焦平面 上插入一個小孔徑光欄來實現的。 圖1.18 小孔徑角成像 理論分辨本領極限理論分辨本領極限 孔徑半角與光