透射电镜结构和功能

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6.2 电子透镜
利用轴对称非均匀电场或磁场力使电子会聚或发散的装置。核
心部件，决定电镜的性能。
静电透镜 早期使用 磁透镜 改变 f 和 M 很方便；
电子在磁场中受力为 F=e (v×B)
不担心击穿；
像差小。 常用磁透镜为短螺旋管线圈
V
F1 Br
BZ V1
F2
F1 使电子作圆周运动 F2 使电子向轴运动
具有波粒二象性，与可见光相似，可作光源。
电子波长为： hm / v ν为电子的速度，与加速
电压 E 的关系
1mv2 Ee 2
v(2E/em)1/2
1.5/0E1/2
电子波长与加速电压的关系
E/kV
60
80
100
200
λ/nm 0.00487 0.00418 0.00370 0.00251
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透镜的分辨本领 点光源经过光学仪器的小圆 孔后，由于衍射的影响，所成的 象不是一个点而是一个明暗相间 的圆形光斑。
S
O
L
S’
当两个物点距离足够小时， 就有能否分辨的问题。
S1
S
O
L
S1
S
f1 O
A
f2
S’ S1’ S’ S1’
S
O
点物S和S1在透镜的焦平面上呈
S’
现两个艾里斑，屏上总光强为两衍射
L
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B(z) 有极靴 没有极靴 无铁壳
磁感应强度分布图
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z
☆ 电子像与实物不仅有 180°的倒转，还有磁场 引起的旋转角。
焦距 f∝E/(IN)2 与电流平方成反比
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☆ 磁透镜与光学 透镜作用相仿，光 学术语均可借用。
如焦点、焦距、 球差、景深等。
Df 2t△ arno2△ ro2d
一般α =10-2～10-3 rad，如 d=1nm，则Df=200～2000nm。
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△ 焦深:
保持象清晰度时，像平面沿轴 向可移动的距离。
Di 2△ r02d2M DfM 2
如d =1nm，孔径半角α =10-2 rad， 则 Di = 8 mm。
六 、 结透 构射 与电 功子 能显 微 的
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透射电子显微镜 （Transmission Electron Microscope TEM）
以电子为光源，电 磁场为透镜，电子束穿 过试样成像的电子光学 仪器。
分辨本领: 0.2 - 0.3 nm 加速电压 : 100 – 500 kV 放大倍数: 50－1.2×106
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透射电子显微学的发展(回顾)
1931年 E.Ruska and M. Knoll 世界上第一台电镜 1986年 E.Ruska 获诺贝尔物理学奖 1982年 A.Klug 获诺贝尔化学奖 1937年 C.J.Davisson and G.P.Thomson 获诺贝尔物理学奖 50～60年代 英国 剑桥大学 物理系 Cavendish Lab.
光斑的非相干迭加。
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瑞利判据：点物S1的艾里斑中心恰好与另一个点物S2的艾里斑边缘 （第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1 可分辨
S2
100%
S1
75%
S2
恰可分辨
S1
不可分辨
S2
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能分辨开的物面上 两点间的最小距离d， 称为显微镜的分辨本 领。
d0.61 nsin
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电子光学系统
电子枪 聚光镜 偏转线圈
照 明 部 分
成像放大部分
样品室 物镜 中间镜 wk.baidu.com影镜
观察室 观察屏 照相装置 电视
显 像 部 分
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照明部分
阴极
电子枪
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▲ 像散： 透镜磁场不完全对称造成。 物面上的影响半径为 rA=M△fαα
△fα 像散引起的焦距差
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▲ 色差： 电子能量不同造成
在物面上的影响半径为 rC=CCα△E/E
△E/E 电子能量变化率
CC 色差系数
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磁透镜另一大特点
△ 景深：
保持象清晰度时，试样在物平 面沿轴向可移动的距离。
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6.3 电子显微镜的结构
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由三大系统组成
★ 电子光学系统 电子显微镜的核心,成像
放大等主要功能靠此完成。
★ 真空系统 保证电子只于试样发生
作用，真空度为1.33×10-2～ 10-5Pa
★ 供电系统 以高稳定度的电压供给
电子枪，高稳定度的电流供 给磁透镜。
☆ 电子波长很短，如 加速电压100kV时为 0.00370nm，分辨本领 可达0.002nm。
但实际达不到，原 因是磁透镜也有像差。
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▲ 球差：
透镜中心与边缘对电子的会聚能力不同造成。 在物面上的影响半径为 rS=CSα3 CS为球差系数 α 为孔径半角
像平面Ⅱ 像平面Ⅰ
物镜
最小散焦圆斑
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J.C.H.Spence Experimental High-Resolution Electron Microscopy
90～今 透射电子显微学进展 叶恒强 王元明 主编
电子全息术、生物大分子材料 、纳米材料、物镜球差校正
高分辨、高分辨透扫（Z衬度） 等等
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6.1 电子的波长
X射线能谱分析（EDAX 或 EDS）
电子能量损失谱分析（EELS）
微衍射与微微衍射(μD 、μ－μD)
会聚束电子衍射（CBED）
扫描透射电子显微术（STEM）
表面反射衍射电子显微术（RHEED）
美国 亚利桑那州立大学 J.M.Cowley Diffraction Physics
代表作：
J.J.Hren Introduction to Analytical Electron Microscopy
d/2
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光镜用可见光照明，其波长范 围为500nm ，分辨本领不能小于 200nm。
衍射 提高分辨本领 → 波长
☆ X射线 波长10～0.05nm，不能聚焦成像。
☆ 紫外线 波长390～13nm，短波易被吸收， 可用为200～250nm。 石英玻璃透镜，分辨本领 100nm。
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☆ 电子
P.B.Hirsch and A.Howie et al (TEM) 衍衬理论: 运动学、 动力学 透射电镜代表作：薄晶体电子显微学 刘安生译 Electron Microscopy in Thin Crystal
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70～80年代 分析电子显微学兴起
高分辨电子显微术（HREM）