中国石油大学-分析检测技术-电子光学基础

材料测试技术，含义：借助材料测试技术，帮助我们了解分析材料(如纳米材料)的微观结构与宏观性能之间的关系，指导新材料的合成、制备、形貌控制与表征以及性能改进，是材料科学研究的重要手段。本课程主要介绍材料表征方法，1。透射电镜形貌观察和晶相结构分析。扫描电镜表面形貌表征3。电子探针(WDS，EDS)微区成分分析4。俄歇电子能谱表面化学成分分析。场离子显微镜原子表面的直接成像。扫描隧道显微镜和原子力显微镜样品表面的高分辨率形貌分析。X射线光电子能谱(XPS)表面元素价态分析、纳米粉体的透射电镜照片、氧化锌纳米带的高分辨率透射电镜照片、扫描电镜照片、钨晶体的荧光显微照片、钼单晶的扫描隧道显微镜照片、扫描隧道显微镜图像(其中“国际商用机器公司”由单个原子组成)、原子力显微镜照片、XPS光谱图，学习材料测试技术后可以做些什么：微结构观察(扫描电子显微镜)如薄膜表面形貌、金属断面、相结构分析。微结构分析(透射电子显微镜)，如纳米结构(纳米带、纳米花、纳米针、纳米线、自组装纳米分子)的形态观察。成分和晶体相结构分析(电子探针、XRD)等鉴定材料纯度和杂质含量，可以分析金、珠宝和其他珠宝的纯度。第七章电子光学基础，中国石油大学(北京)材料科学与工程系，7-1电子波和电磁透镜，第一节电子波和电磁透镜的发展光学显微镜原理介绍用于区分光学显微镜极限电子波的波长电磁透镜1610年，意大利物理学家伽利略制造了一种由物镜、目镜和镜筒组成的复合显微镜。1665年，英国物理学家罗伯特索克(RobertHooke)在用左下方的复合显微镜观察软木时，发现了一种叫做“细胞”的小蜂窝状结构，这引发了细胞研究的热潮。1684年，荷兰物理学家惠更斯设计并制造了双镜头目镜惠更斯目镜，这是许多现代目镜的原型。这时，光学显微镜已经开始呈现出现代显微镜的基本结构。(左)光学显微镜，1665年被R.Hoock用来发现细胞，(右)显微镜，1848年。现代光学显微镜，光学显微镜发展简史，在显微镜发展的历史上，最杰出的贡献是德国物理学家、数学家和光学大师恩斯特博。他提出了完美的显微镜理论，阐述了成像原理、数值孔径等问题，并于1870年发表了重要的张文放大理论。两年后，油浸物镜被发明，光学玻璃和显微镜的设计和改进取得了辉煌的成就。200倍放大的斜纹藻、30倍放大的碳纳米管、40倍放大的光学显微镜照片、新月藻、硅藻和海绵、200倍放大的昆虫后腿、光学显微镜照片、7-1电子波和电磁透镜、第二，光学显微镜的分辨率极限。光学显微镜的发明为人类了解微观世界提供了重要工具。随着科学技术的发展，光学显微镜由于分辨能力有限，难以满足许多微量分析的需要。20世纪30年代以后，电子显微镜的发明将分辨率提高到了纳米水平，同时将显微镜的功能从单一形态观察扩展到形态观察、晶体结构和成分分析的集成。人类在理解微观世界的能力上取得了巨大的进步。7-1电子波和电磁透镜，光学显微镜的成像原理，分辨率：成像物体(样品)上可分辨的两个物点之间的最小距离。光学显微镜的分辨能力的理论极限是：一般：7-1电子波和电磁透镜，光学显微镜的分辨能力，对于可见光，其波长范围是390-760纳米。因此，根据上述光学显微镜的分辨率极限：200纳米，7-1电子波和电磁透镜，为什么光学显微镜有分辨率极限？衍射效应：由透镜各部分折射到像面像点及其周围区域的光波相互干涉并产生衍射的现象。(图像平面上的一个点形成一个中心最亮的点和一个明暗交替的同心圆，即Elie点)。当两个光点的强度峰值之间的强度谷值比强度峰值低19%时，这种强度对比仅被人眼感觉到。区分两个伊利光点图像的标准是两个伊利光点之间的中心距离等于第一暗环的半径。7-1电子波和电磁透镜，2。光学显微镜的分辨率极限，问题：你知道人眼的分辨率吗？0.2毫米！7-1电子波和电磁透镜，2。光学显微镜的分辨率极限，问题：一般光学显微镜的最大有效放大率是多少？0.2毫米/200纳米=1000倍！我们怎样才能得到放大倍数更大的显微镜？用较短波长的光源！哪个光源更合适？如何提高显微镜的分辨率，要提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。沿着电磁波谱向短波方向看，紫外光的波长在13-390纳米之间，比可见光短得多。然而，大多数物质强烈吸收紫外光，因此紫外光很难用作照明光源。较短的波长是x射线。然而，到目前为止，还没有发现能够改变方向、折射和聚焦x光的物质，也就是说，不存在x光透镜。因此，x光不能用作显微镜的照明光源。除了电磁波谱之外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，还具有使其折射和聚焦的物质。因此，电子波可以用作照明光源，从而形成电子显微镜。电子波的波长可以改变.7-1电子波和电磁透镜，3、电子波的波长，可见光的波长约为390纳米至760纳米如果加速电压是100千伏，电子波的波长.但是凸透镜不能用来折射电子波？它比可见光短10万倍。不同加速电压下的电子波长，加速电压U/KV，电子波长/nm，加速电压U/KV，电子波长/nm。电磁透镜利用电子在磁场中的偏转。电磁透镜示意图，7-1电子波和电磁透镜，4，电磁透镜，电磁透镜示意图，7-1电子波和电磁透镜，4，电磁透镜，从另一个角度考虑：当电子速度v和磁感应强度b的夹角不等于90度时，电子将螺旋运动。7-1电子波和电磁透镜、4电磁透镜、电磁透镜示意图、7-1电子波和电磁透镜、4电磁透镜、电子在短线圈磁场中的运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。为了增强实际电磁透镜中的磁感应强度，线圈通常放置在由软磁材料(纯铁或低碳钢)制成的外壳中，并具有内部环形间隙(如图所示)。环形间隙可以集中磁力线、7-1电子波和电磁透镜，第四，电磁透镜。为了进一步增强线圈中的磁场强度，可以在电磁线圈中增加一对由磁性材料制成的锥形环极靴来代替软铁磁壳上的内环间隙，并且尺寸可以更精确。有效磁场可以沿着透镜的轴向集中在几毫米的范围内。7-1 e的焦距和放大率焦距、加速电压、激励安培匝数、物距、图像距离、放大系数、4。电磁透镜和第二段电磁透镜的球差原理及其消除方法像散原理及其消除方法色差原理及其消除方法影响电磁透镜的分辨力、7-2电磁透镜的像差和分辨力的因素，几何像差：透镜磁场几何形状缺陷引起的像差。(球面像差、像散、彗差、场曲率和畸变)、色差：由电子波长或能量的一定幅度变化引起的像差。7-2电磁透镜的像差和分辨力、7-2电磁透镜的像差和分辨力以及球面像差是由电磁透镜的近轴区域的磁场和远轴区域的磁场对电子束的不同折射力引起的。原始对象点是一个几何点。由于球面像差的影响，它现在已经成为半径为rS的漫射散斑。用rS表示球面像差，计算公式为：球面像差是影响电磁透镜分辨率的主要因素。它不能通过凸透镜和凹透镜的组合设计来补偿或校正。(1)球面像差，7-2电磁透镜的像差和分辨率，像差(1)球面像差，如何减少球面像差？消除球面像差的第三种方法是改变透镜的形状。(这很难)。消除方法1:小孔径成像，7-2电磁透镜的像差和分辨力，像差(1)球面像差，消除方法4:多透镜组合(仅适用于光学)，消除方法2:大的激发电流可以降低透镜球面像差(降低球面像差系数)，像差和7-2电磁透镜的分辨力，散光是透镜磁场的非旋转对称性引起的像差。当极靴的内孔不圆时，上极靴和下极靴的轴线不重合，用于制作极靴的磁性材料的材料不均匀，极靴孔周围的局部污染将导致透镜磁场的椭圆度。RA被转换为物平面，以获得半径为RA的漫射散斑，并且RA被用来表示像散的大小。其计算公式为：像差(2)像散，即可以通过引入强度和方向可调的校正磁场来消除和补偿的像差。产生这种校正磁场的装置被称为准直器。7-2像差和电磁透镜的分辨率、1像差(2)像散、消像散器。色差是由入射电子波长(或能量)的不均匀性引起的。7-2电磁透镜像差和分辨率、一个像差(3)色差、三个色差、最小散焦光斑RC。类似地，RC被转换到物平面以获得半径为RC的圆形光斑。色差rC由以下公式确定：电子能量波动有两个原因：一是电子加速电压不稳定，导致入射电子能量不同；第二，当电子束照射样品时，它与样品相互作用，引起一些电子的非弹性散射，导致能量变化。电磁透镜的像差和分辨率由衍射效应和像差决定。影响电磁镜头图像清晰度的因素有哪些？什么因素决定了电磁透镜的分辨率？7-2电磁透镜的像差和分辨率。分辨率(1)衍射效应、衍射效应、波长、介质的相对折射率、透镜的孔径半角、衍射效应的分辨率和球面像差引起的分辨率，以及孔径半角对衍射效应分辨率和球面像差引起的分辨率的影响是相反的。增大孔径半角可以提高分辨率r0，但会大大降低rS。因此，在电子显微镜的设计中，两者都必须考虑。唯一的方法是让Rs=r0。考虑到电磁透镜中的孔径半角非常小(10-2-10-3rad)，那么rS=r0，即上述公式为substiDf，7-3电磁透镜的景深和焦距定义为透镜的景深。景深电磁透镜景深是指成像时，像面不移动(像距不变)，在满足成像清晰度的前提下，物点位于O点时物面可以沿轴线来回移动，电子通过透镜会聚在O点。让像平面位于0，此时像平面是像点；当对象点沿轴逐渐移动到a时，焦点沿轴从o移动到a。因为像平面是固定的，所以o处的像平面从像点逐渐变为散焦点。如果衍射效应是决定电磁透镜分辨率的控制因素，则只要转换