1、第第 八八 章章 電子光學基礎電子光學基礎 第第 九九 章章 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 第第 十十 章章 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 第十一章第十一章 電子探針顯微分析電子探針顯微分析第一節第一節 電子波與電磁透鏡電子波與電磁透鏡第二節第二節 電磁透鏡的像差與分辨率電磁透鏡的像差與分辨率第三節第三節 電磁透鏡的景深和焦長電磁透鏡的景深和焦長 兩個埃利斑兩個埃利斑明顯可分辨出明顯可分辨出兩個兩個埃利埃利斑斑剛好可分辨出剛好可分辨出兩個兩個埃利埃利斑斑分辨不出分辨不出一、光學顯微鏡的分辨率極限一、光學顯微鏡的分辨率極限分辨率分辨率是指成像物體是指成像物體(試樣試樣)上能分辨出來的兩個物點間的

2、最小距離。上能分辨出來的兩個物點間的最小距離。 光學顯微鏡的局限性光學顯微鏡的局限性ANNr61. 0sin61. 00式中：式中：是照明束波長；是照明束波長；是是透鏡孔徑半角透鏡孔徑半角，即，即透鏡孔徑角的一半；透鏡孔徑角的一半； N 是介質相對折射率；是介質相對折射率；Nsin或或NA稱為稱為數值孔徑數值孔徑。在物方在物方介質為空氣介質為空氣的情況下，任何光學透鏡系統的的情況下，任何光學透鏡系統的NA值小于值小于1，所以：，所以：012r光學顯微鏡的分辨率取決于照光學顯微鏡的分辨率取決于照明光源的波長明光源的波長在可見光波長在可見光波長(400760nm)范圍，范圍，光學顯微鏡分辨率的極限

3、是光學顯微鏡分辨率的極限是200nm。ANNr61. 0sin61. 00式中：式中：是照明束波長，是照明束波長，是透鏡孔徑半角，是透鏡孔徑半角，N 是介質相對折射率，是介質相對折射率， Nsin或或NA稱為稱為數值孔徑數值孔徑。n對于光學顯微鏡，對于光學顯微鏡，NA的值均小于的值均小于1，油浸透鏡也只有，油浸透鏡也只有1.51.6，而，而可見光的波長有限，因此，光學顯微鏡的分辨本領不能再次提高。可見光的波長有限，因此，光學顯微鏡的分辨本領不能再次提高。n提高透鏡的分辨本領提高透鏡的分辨本領：增大數值孔徑是困難的和有限的，唯有：增大數值孔徑是困難的和有限的，唯有尋找比尋找比可見光波長更短的光線

4、可見光波長更短的光線才能解決這個問題。才能解決這個問題。要提高顯微鏡分辨率，關鍵是要有要提高顯微鏡分辨率，關鍵是要有波長短，又能聚焦成像的照明光源。波長短，又能聚焦成像的照明光源。二、電子波的波長特性二、電子波的波長特性電子的速度與其加速電壓有關：電子的速度與其加速電壓有關：eUmv 221mvh h Planck 常數，常數，等于等于6.62610-34 J s; m 電子質量電子質量; v 電子速度。電子速度。根據德根據德布羅意物質波的假設，即電子具有微粒性，也具有波動性。布羅意物質波的假設，即電子具有微粒性，也具有波動性。所以電子波的波長為：所以電子波的波長為： v 越大越大，越小越小。

5、)(226. 1nmUemUh2eUmv 221mvh表表8-1 不同加速電壓下電子波的波長不同加速電壓下電子波的波長(經相對論校正經相對論校正)電子波波長與電子波波長與加速電壓的關系式加速電壓的關系式h= 6.62610-34 J se=1.60210-19 Cm =9.110-31 kg改變線圈中的勵磁電流可很方便地控制電磁透鏡的焦距和放大倍數改變線圈中的勵磁電流可很方便地控制電磁透鏡的焦距和放大倍數。2)(INUfrfLfM1區別于光學玻璃透鏡的區別于光學玻璃透鏡的一個特點：一個特點：電磁透鏡是變焦距或電磁透鏡是變焦距或變倍率的會聚透鏡變倍率的會聚透鏡三、電磁透鏡三、電磁透鏡透射電子顯微

6、鏡中透射電子顯微鏡中利用磁場使電子波聚焦成像利用磁場使電子波聚焦成像的裝置。的裝置。控制電子束的運動在電子光學領域中主要使用控制電子束的運動在電子光學領域中主要使用電磁透鏡電磁透鏡裝置。裝置。像差分類像差分類幾何像差幾何像差色差色差球差球差像散像散一、像差一、像差：由于透鏡磁場幾何形狀上：由于透鏡磁場幾何形狀上 的缺陷而造成的像差。的缺陷而造成的像差。：由于電子波的波長或能量發生一定幅度的改變：由于電子波的波長或能量發生一定幅度的改變 而造成的像差。而造成的像差。電磁透鏡也存在缺陷，使得實際分辨距離遠小于理論分辨距離，電磁透鏡也存在缺陷，使得實際分辨距離遠小于理論分辨距離，在成像時會產生在成像

7、時會產生像差像差。（1）衍射效應對分辨本領的影響）衍射效應對分辨本領的影響由衍射效應所限定的分辨率在理論上可由由衍射效應所限定的分辨率在理論上可由瑞利公式瑞利公式計算，即：計算，即：00.61sinrN(是照明束波長，是照明束波長，是透鏡孔徑半角，是透鏡孔徑半角，N 是介質相對折射率，是介質相對折射率，Nsin稱為數值孔徑。稱為數值孔徑。)若只考慮衍射效應，在照明光源若只考慮衍射效應，在照明光源和介質一定的條件下，和介質一定的條件下，孔徑半角孔徑半角越大，透鏡的分辨本領越高越大，透鏡的分辨本領越高！二、分辨率二、分辨率衍射效應衍射效應透鏡的像差透鏡的像差由于由于電子透鏡只有會聚透鏡電子透鏡只有

8、會聚透鏡，沒有發散透鏡，所以，沒有發散透鏡，所以球差球差 rS是限制透鏡是限制透鏡分辨率的最主要因素分辨率的最主要因素。光學透鏡光學透鏡已經可以采用已經可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法等辦法來矯正像差來矯正像差，使之對分辨本領的影響遠遠小于衍射效應的影響。使之對分辨本領的影響遠遠小于衍射效應的影響。（2）像差對分辨本領的影響）像差對分辨本領的影響球差、像散和色差球差、像散和色差通過消像散器來校正通過消像散器來校正通過穩定加速電壓，使用薄試通過穩定加速電壓，使用薄試樣和小孔徑光闌可減小色差。樣和小孔徑光闌可減小色差。至今還沒有找到一種能矯正球差的辦法。所以，至今還沒有找到一種能矯正球差的辦法。所以，像差像差對電子透鏡分辨本領的限制就不容忽略了對電子透鏡分辨本領的限制就不容忽略了。314ssrC通過減小孔徑半角通過減小孔徑半角 可可使球差使球差 rS變小，但變小，但 減小卻使減小卻使 r0變大，分辨率下降。變大，分辨率下降。可見，關鍵在于確定最佳的孔徑半角可見，關鍵在于確定最佳的孔徑半角 0 ，使衍射效應和球差對分辨率的影響，使衍射效應和球差對分辨率的影響相等，即相等，即 r0 = rS ，求得：，求得：314ssrC14012.5SC提高電磁透鏡分辨率的主要途徑是提高電磁透鏡分辨率的主要途徑是減小電子束波長減小電子束波長 (提高加速電壓提高加速電壓)和減小球