第八章电子光学基础.pptx

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第八章 电子光学基础
电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电 场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚 焦和成像规律的一门科学。它与几何光学有很多相 似之处：
（1）几何光学是利用透镜使光线聚焦成像，而 电子光学则利用电、磁场使电子束聚焦成像，电、 磁场起着透镜的作用。
（2）几何光学中，利用旋转对称面作为折射面， 而电子光学系统中，是利用旋转对称的电、磁场产 生的等位面作为折射面。因此涉及的电子光学主要 是研究电子在旋转对称电、磁场中的运动规律。
20
0.00859
200
0.00251
30
0.00698
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0.00142
50
0.00536
1000
0.00087
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三、电子在电磁场中的运动和电子透镜
电镜中，用静电透镜作电子枪，发射电子束；用电 磁透镜做会聚透镜，起成像和放大作用。静电透镜和 电磁磁透镜统称电子透镜，它们的结构原理由Husch 奠定的。
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60年代后，电镜开始向高电压、高分辨率发展， 100~200kV的电镜逐渐普及，1960年，法国研制 了第一台1MV的电镜，1970年又研制出3MV的 电镜。
70年代后，电镜的点分辨率达0.23nm ，晶格 （线）分辨率达0.1 nm。同时扫描电镜有了较大 的发展，普及程度逐渐超过了透射电镜。
近一、二十年，出现了联合透射、扫描，并带 有分析附件的分析电镜。电镜控制的计算机化和 制样设备的日趋完善，使电镜成为一种既观察图 象又测结构，既有显微图象又有各种谱线分析的 多功能综合性分析仪器。
第二篇 电子显微分析
第八章 电子光学基础
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电子显微分析是利用聚焦电子束与试 样物质相互作用产生的各种物理信号，分 析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学 组成。 包括：
用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析 用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析 用电子探针仪进行的X射线显微分析
电子显微分析是材料科学的重要分析方 法之一，与其它的形貌、结构和化学组成分 析方法相比具有以下特点：
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二、电子的波动性及其波长
1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子 也具有波粒二象性的假说。这个物质波的频率和 波长与能量和动量之间的关系如下：
E hv
(4)
P h
(5)
由此可得德布罗意波波长 ：
h h
(6)
P mv
运动中的电子也必伴随着一个波——电子波。
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一个初速度为零的电子，在电场中从电位为
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（3）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看 成射线，并由此引入一系列的几何光学参数来表征 电子透镜对于电子射线的聚焦成像作用。
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一、光学显微镜的局限性
分辨率：是指一个光学系统刚能清楚地分开两 个物点间的最小距离。距离越小，分辨能力越高。
阿贝根据衍射理论导出的光学透镜分辨能力的 公式：
限制分辨率的因素
日本电子公司生产的JEM2010
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1、电子显微镜发展简史
1924年L. De和Broglie发现运动电子具有波粒二象 性。
1926年Busch发现在轴对称的电磁场中运动的电子 有会聚现象。
二者结合导致研制电子显微镜的伟大设想。 1931年，第一台电镜在德国柏林诞生。至1934年电 镜的分辨率可达50nm，1939年德国西门子公司第一 台电镜投放市场，分辨率优于10nm。 1935年克诺尔（Knoll）提出扫描电镜的工作原理， 1938年阿登纳（Ardenne）制造了第一台扫描电镜。
零的点受到电位为V的作用，其获得的动能和运 动速度v之间的关系为：
E
eV
1 2
mv 2
(7)
当加速电压较低时，v<<c(光速)，电子质量近 似于静止质量m0，由（6）、（7）式整理得：
h 150 12.25 (8)
2em0V
V
V
电子波长与其加速电压平方根成反比，加速电压越 高，电子波长越短。
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1) 具有在极高放大倍率下直接观察试样 的形貌、晶体结构和化学成分。
2) 为一种微区分析方法，具有很高的分 辨率，成像分辨率达到0.2～0.3nm （TEM），可直接分辨原子，能进行 纳米尺度的晶体结构及化学组成分析。
3) 各种仪器日益向多功能、综合性方向 发展。
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透射电子显微镜
菲利浦公司生产的 TECNAI-20
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80年代后，又研制出了扫描隧道电镜和 原子力显微镜等新型的显微镜。
我国自1958年试制成功第一台电镜以来， 电镜的设计、制造和应用曾有相当规模的 发展。主要产地有北京和上海。但因某些 方面的原因，国产电镜逐渐被进口电镜取 代。
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2、电镜的分类 电镜大体可划分为： 1) 透射电镜（TEM） 2) 扫描电镜（SEM） 3) 扫描透射电镜（STEM） 4) 电子探针仪（EPMA）等等
1. 电子在静电场中的运动 电子在静电场中受到电场力的作用将产生加
速度。初速度为0的自由电子零电位到达V电位时， 电子的运动速度v为：
v 2eV
(10)
m
衍射效应 像差
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△r0：分辨本领； λ：照明源波长； n：透镜上下方介质的折射率； α：透镜的孔径半角（°）； nsina称为数值孔径，用N. A表示。 由（3）式可知，透镜的分辨率r值与N. A成
反比，与 λ 值成正比，r值越小，分辨本领 越高。
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较好情况下，N. A值可提高到1.6。 各种照明源对应的分辨率： 1）可见光，400~780nm； 当用可见光作光源，采用组合透镜、大的孔径角、高折射 率介质浸没物镜时， 最佳情况的透镜分辨极限是200nm。 2）X射线，0.05~10nm； 要进一步提高显微镜的分辨能力，就必须用更短波长的照 明源。X射线波长很短，在0.05~ 10nm范围，但至今也 无法能使之有效聚焦成像。 3）电子波， 电子束流具有波动性，且波长比可见光短得 多。显然，如果用电子束做照明源制成电子显微镜将具有 更高的分辨本领。
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Hale Waihona Puke 当加速电压较高时，电子运动速度增大， 电子质量也随之增大，必须用相对论进行校正：
h
12.25
(9)
2em0V
(1
eV 2m0c2
)
V (1 0.9785 106V )
加速电压 （kV）
电子波长 （nm）
加速电压 （kV）
电子波长 （nm）
1
0.0388
80
0.00418
10
0.0122
100
0.00370