显微分析技术课件

显微分析技术显微分析技术系列讲座1显微分析技术显微分析技术系列讲座1感知物体形貌的两种方式2感知物体形貌的两种方式2波经过透镜，直接成像3波经过透镜，直接成像3光学显微镜(OM)：

（可见光光源）光束经玻璃透镜放大成像透射电子显微镜(TEM)：

（电子枪光源）电子束经电磁透镜放大成像成像原理的共同特点：光源透过样品，直接放大成像4光学显微镜(OM)：成像原理的共同特点：光源透过样品，直接放在样品表面接触，间接成像超高真空变温扫描探针显微镜5在样品表面接触，间接成像超高真空变温扫描探针显微镜5扫描隧道显微镜(STM)：扫描探针为锐利的钨丝针尖原子力显微镜(AFM)：扫描探针为连接在灵敏的微悬臂上的Si或Si3N4材料的锥形针尖成像原理的共同特点：探针在样品表面光栅式扫描，间接成像6扫描隧道显微镜(STM)：成像原理的共同特点：探针在样品表扫描电子显微镜(SEM)：

扫描探针为电子束扫描激光共聚焦显微镜(SLCM):

扫描探针为激光束以光栅式扫描间接成像的显微镜还有：7扫描电子显微镜(SEM)：以光栅式扫描间接成像的显微镜还有人眼的最大分辨能力为0.073mm(0.2mm)光学显微镜的分辨极限约为0.2

m透射电子显微镜的分辨极限

0.1nmSTM水平方向分辨率：0.05nm

垂直方向分辨率：0.01nm；AFM水平方向分辨率：1~2nm

垂直方向分辨率：0.01nm

8人眼的最大分辨能力为0.073mm(0.2mm)STErnstRuskaElectronMicroscopy,1938SurfaceScience1983,Vol126,236-244GerdBinnigH.Rohrer1986NobelPrize1987荷兰科学家

F.Zernike,1935年发现相差原理并成功地用在显微镜上，

1941年在Zeiss公司制造出第一台商业相差显微镜，

1953年Zernike获得NobelPrize(物理)9ErnstRuskaElectronMicroscopy光学显微术(OM)透射电子显微术(TEM)扫描电子显微术(SEM)扫描探针显微术(SPM)10光学显微术(OM)10第一讲

电子显微镜基本原理理想几何光学电子光学与电磁透镜3.电子显微镜的结构4.成像的衬度5.应用举例11第一讲电子显微镜基本原理理想几何光学111.(a)理想几何光学中的三个基本定理2)反射定律和折射定律：在光线射到两种各向同性均匀介质的界面上时，可以产生反射和折射。n1sin

=n1sin

´=n2sin

折射定律1)光的直线传播定律：在均匀介质中光沿着直线传播。n1n2

´v1v2介质1介质2V:转播速度

:波长121.(a)理想几何光学中的三个基本定理2)反射定律和折射Ex.

色散现象的实验观察波长nm色觉种类120~380不可见紫外光380~430紫430~460蓝460~500靛500~550绿可见光550~600黄600~660橙660~760红760~10,000不可见红外光13Ex.色散现象的实验观察波长nm色觉3)光路的可逆性原理：当光线的前行方向返转时，它将沿同一原路径，向相反的方向传播。理想几何光学的基本定律是设计透镜、反射镜和某些光学仪器的依据143)光路的可逆性原理：当光线的前行方向返转时，它将沿理想几S:物距S

:像距物像凸透镜fff:焦距

三条理想光线确定薄透镜成像的位置和大小凸透镜成像：1/S+1/S'=1/f放大倍数：=A'B'AB15S:物距S:像距物像凸透凹透镜凸透镜只能用眼睛透过凹透镜看到实物的同侧有一正立、缩小的虚像物与像的关系物的位置像的位置像的大小像的虚实像的正倒S=

S'=f缩成极小实倒立S>2ff<S'<2f缩小实倒立S=2fS'=2f等大实倒立f<S<2fS'>2f放大实倒立S=f不成像S<f与物体在镜的同侧放大虚正立16凹透镜凸透镜只能用眼睛透过凹透镜看到实物的同侧有一正立、缩小012SS’人眼明视距离，25cm0：样品物体1：第一次成像，倒立的实像(M1)2：第二次成像，正立的虚像(M2)1.(b)

光学显微镜复式显微镜的基本结构17012SS’人眼明视距离，25cm0：样品物体1.(b)光显微镜的放大倍数(M)

＝物镜的放大倍数M1

目镜的放大倍数M2显微镜光学镜筒长度物镜焦距，S

f1,S

L人眼明视距离，25cm目镜焦距S

f，M多个薄透镜叠加时的放大M=M1

M2

M3

•••18显微镜的放大倍数(M)显微镜光学镜筒长度物镜焦距可以通过多个薄透镜叠加

来无限制地放大样品物点吗？模糊!问题在接近光的波长水平研究光学现象时，几何光学原理不再适用，它将无法解释所发生的现象。这时，光必须完全当做一种波动现象来加以对待，如波动光学的衍射现象和干涉现象等。19可以通过多个薄透镜叠加模糊!问题在接近光的波长水平研究光学

当两个物点间的尺寸与光波波长相当时，经透镜成像后得到的是衍射斑像，当一个圆斑像的中心刚好落在另一个圆斑像的边缘，则认为这两个物点刚刚能够被分辨，物点间的距离就是能够分辨的最小物点距离。R019%84%

r0B’A’A’A’B’2R0

分辨两个埃利斑（衍射斑）像的极限尺寸。B'A'=R0埃利斑1.(c)

限制光学透镜分辨率的因素瑞利判据1）光的衍射特性物点间的极限尺寸

r020当两个物点间的尺寸与光波波长相当时，经透镜成像后得到

r0=R0/M=0.61

/NANA:数值孔径,NA=nsin

不相干光照明

r0=R0/M=0.77

/NA相干光照明

平行于透镜光轴的光线在通过透镜后并不会聚焦于一点，而是汇聚成一个模糊的斑点，其主要原因是由于透镜本身存在各种像差。理论分辨率—阿贝定理

r0=

/2nsin

1872年~

/22）透镜的像差21r0=R0/M=0.61/NANA:数值孔径,NA=凸透镜凹透镜

因此，可以通过凸透镜与凹透镜的适当组合来校正和消除球面像差！凹透镜对边缘光线的过分发散能力可用来抵消凸透镜对边缘光线的过分会聚能力。a)

球面像差（球差）

以单色光成像时，透镜近轴处与远轴处的折射率不同而产生的像差，主要是由透镜的球面形状引起。22凸透镜凹透镜因此，可以通过凸透镜与凹透镜的适当横线竖线b)慧形像差也称侧面球差，由与主轴不平行的光线通过透镜折射会聚所形成缩小光圈可以减小因慧形像差引起的缺陷！c)像散（纵横像差）由侧面射来的光线，通过透镜折射后，在底片边缘部分不能同时呈现出横竖线条都清晰的影像，也称纵横像差.

适当缩小光圈！23横线竖线b)慧形像差也称侧面球差，由与主轴不平行的光线通过由通过透镜轴心的光线所产生。难以校正！d)像场弯曲e)

畸变原物形状正畸变负畸变球面形状的透镜表面和平坦的胶片表面存在不平行的对照，透镜对同一物体的不同部位有不同的放大率，越是边缘的部位变形扭曲越明显。但不影响影像的清晰度！24由通过透镜轴心的光线所产生。难以校正！d)像场弯曲e)畸f)色差紫蓝青绿黄橙红以白光为光源时，不同波长的色光在通过透镜时有不同的折射率，所以不能聚焦在一个平面上。选用不同品种的玻璃来制作正负透镜！25f)色差紫蓝青绿黄橙红以白光为光源

总之，校正透镜像差的主要途径是靠采用设计合理的镜头和选择各片透镜合适的几何尺寸及折射率来实现的。

此外，光学系统的机械精度及透镜玻璃的质量也会影响光学透镜的分辨率，而且这类缺陷是无法消除的。26总之，校正透镜像差的主要途径是靠采用设计合理的镜头和选择各为提高分辨极限，必须寻求

更小的光源。一般人眼的分辨本领

0.2mm=2

106Å光学显微镜的分辨极限

0.2

m=2

103Å光镜有效放大倍率:2

106Å

/2

103Å

=

1000倍

1923年德布罗意提出了波粒二象性原理:

运动的微观粒子(电子、中子、离子等)的性质与光的性质之间存在着深刻的类似性.

电子显微镜（380-760）27为提高分辨极限，必须寻求更小的光源。一般人眼的分辨本领2.(a)

电子光学基础德布罗意推出电子波长的表达式：相对论校正：h=6.6210-34J·s,e=1.6010-19C,

m0=9.1110-31kg,U:加速电压，电子的波长282.(a)电子光学基础德布罗意推出电子波长的表达式：相对论加速电压(V)

=12.26/U1/2(Å)

校正=(Å)112.2612.26108.8788.8781001.2261.2261,0000.38780.387610,0000.12260.122050,0000.05480.0536100,0000.03880.0370150,0000.03170.0295200,0000.02740.0251300,0000.01971,000,0000.01230.0087不同加速电压下的电子波长29加速电压(V)=12.26/U1/2(Å)校正=v2sin

sin=

U2U1=

1

2=v1U

1Uv

比较光的折射定律:U1U2

v1，

1v2，

2

电子束在经过等电位面时，会发生类似于可见光经过介质界面时的折射。电子的折射定律30v2sinsin=U2U1=12=v1U洛伦兹力：无限长螺旋管产生的磁场：B=

0N

I/2B:

磁感应强度N:线圈匝数I:电流强度

0:真空磁导率2.(b)电磁透镜的聚焦原理

电子呈螺旋轨迹向前运动，最终与线圈中轴相交。所有靠近而且平行于线圈中轴入射的电子束最终都汇聚于中轴上的同一点，这就造成了平行电子束经过电磁线圈后的聚焦现象。31洛伦兹力：无限长螺旋管产生的磁场：B=0NI/2B:等磁位面磁力线软磁铁壳电磁线圈环形间隙1.通过透镜光心的电子束不发生折射。2.平行于主轴的电子束，通过透镜后聚焦在主轴上一点F，称为焦点；经过焦点并垂直于主轴的平面称为焦平面。3.一束与某一副轴平行的电子束，通过透镜后将聚焦于该副轴与焦平面的交点上。电子几何光学鲁斯卡，1929年，电磁透镜，第一台电镜电磁透镜的成像特点32等磁位面磁力线软磁铁壳电磁线圈环形间隙1.通过透镜光心的电与玻璃透镜不同的一个显著的特点是它的焦距可变。电磁透镜的焦距：K:常数I:

线圈激磁电流1.电磁透镜总是汇聚透镜

f

>03.电磁透镜存在磁转角:

实像与物像之间的相对位相为:180

虚像与物像之间的相对位相为:

2.激磁电流改变,电磁透镜的焦距、放大倍数也相应变化.物距L相距L

放大倍数M像的虚实正反>2f2f>L

>f<1实反2f>L>f>2f>1实反<f<0>1虚正磁透镜的物像关系电磁透镜的特点：33与玻璃透镜不同的一个显著的特点是它的焦距可变。电磁透镜的焦距

光学透镜中，已能把玻璃透镜所造成的像缺陷减少到衍射引起的像缺陷的数值，但在电磁透镜中，由于只有正透镜，消除磁透镜的像差要比光学透镜难得多。电镜中的像差分为两类：1）几何像差：因旁轴条件不满足而引起的，是折射介质几何形状的函数。主要指球差、像散和像畸变。电磁透镜的像差34光学透镜中，已能把玻璃透镜所造成的像缺陷减少到衍正球差桶形畸变负球差枕形畸变磁转角旋转畸变

球差除了影响透镜分辨本领外,还会引起图像畸变。像畸变球差透镜的旁轴区域与非旁轴区域的磁场对电子束的折射能力不同，具有最小直径散焦斑的位置为最佳聚焦点

:

孔径半角

S：球差引起的散焦斑直径

rs

3Sphericalaberrationdistortion

由于透镜对边缘区域的聚焦能力比中心部分大，反映在像平面上，像的放大倍数将随离轴径向距离的不同而产生不同程度的位移，但图像仍然是清晰的。35正球差负球差磁转角球差除了影响透镜分辨本领外,还会引电磁透镜的像畸变像散透镜磁场的非旋转对称造成,由旁轴电子引起。可通过消像散器来消除

rA

astigmation

A：像散引起的散焦斑直径图像在某些方向上发生了变形低倍下的菲涅尔条纹观察：欠焦时为白色边缘，过焦时为黑色边缘，正焦则无衬度，如果有像散，会出现黑白混合边缘！欠焦过焦正焦像散36电磁透镜的像畸变像散透镜磁场的非旋转对称造成,由旁轴电子引像散的校正(Stigmatism)1947，JamesHillier等在透镜极靴的间隙加入8个轴对称分布的小螺钉37像散的校正(Stigmatism)1947，JamesHi色差加速电压的稳定性:3eV样品的非弹性散射:5~50eV

EE

rc

电子束中，电子的波长或能量不同而引起，与旁轴条件无关。chromaticaberration

C：色差引起的散焦斑直径2）色差：由于电子光学折射介质的折射率随电子速率不同而造成的。38色差加速电压的稳定性:3eVEErc仪器本身分辨本领的限制

a.光学透镜的球差可通过玻璃透镜的形状改变或适当组合来消除，

而电磁透镜的球差随孔径半角的增大急剧增大，比较难消除。磁透镜:n1,2

=3º~5ºsin

b.电子束成像时也存在衍射效应，衍射引起的埃利斑的大小是随孔

径半角的减小而增大：在电磁透镜里，对电镜分辨率影响最大的是衍射效应和球差。2.(c)

影响电磁透镜分辨率极限的因素39仪器本身分辨本领的限制a.光学透镜的球差可通过玻璃透镜的

rmin~

3/4

Cs1/4远小于理论极限!

样品厚度的限制：

电子束受样品原子内、外层电子的非弹性散射，由此造成较大的色差(

rc)。只有在极薄区域成像，

色差引起的散焦斑rc

才有可能小于rmin。磁透镜的球差系数，一般透射电镜Cs

3mm,

rmin

2.5~3Å

高分辨电镜Cs<1mm,

rmin

1.4~1.9Å

球差系数与电磁透镜焦距大致相等球差引起的散焦斑与衍射引起的埃利斑大小相当时

虽然电子波长只有光波长的1/105左右，但由于还不能造出无像差的大孔径角的电子透镜，只能用很小的孔径角来使球差、像散、色差等减至最小。Cs040rmin~3/4Cs1/4远小于样品厚度的限制3.(a)

透射电子显微镜的结构电源和控制系统高压电源、透镜电源、真空系统电源、控制记录系统等其它电器电源电子光学系统真空系统鲁斯卡，1934年第二版电镜，50nm，柏林高工获博士学位413.(a)透射电子显微镜的结构电源和控制系统电子光学系统真镜筒的内部结构42镜筒的内部结构42电子枪样品室成像系统照相记录系统真空系统真空系统的组成：机械泵扩散泵离子泵真空管道循环水系统等43电子枪样品室成像系统照相记录系统真空系统真空系统的组成：43电子光学系统照明系统

电子枪、聚光镜

记录系统荧光屏、照相装置、计算机数据处理系统

成像系统

物镜、中间镜、投影镜

灯丝中的电子在高压电场的作用下，从尖端逸出并被加速，形成一束高能量电子束；再经过聚光镜、光阑、消像散器等系统的调整，成为一束近似平行光的电子束；作用于试样后，得到透过电子、弹性散射电子和非弹性散射电子。44电子光学系统照明系统记录系统成像系统电子枪热电子发射:发夹形钨丝灯丝,LaB6单晶灯丝有效光源d0发射角或发散角

：电子束与主轴的夹角热电子发射型和场发射型几十微米45电子枪热电子发射:有效光源d0发射角或发散角：热电子发钨灯丝最小交叉截面：椭圆形LaB6单晶

对于分辨力

2Å、放大倍数约100万倍的成像要求，由于成像时间仍在几秒钟内，就要求电子枪的亮度很高，LaB6单晶的发射率比钨丝高一个量级。427ºC1727ºC0.03~0.1mm46钨灯丝最小交叉截面：椭圆形LaB6单晶对于分辨场发射型枪（FEG）冷阴极场发射:场发射电子枪的尖端（钨单晶）300K能量发散0.3~0.5eV残留气体分子的离子吸附发射躁声大定期去除吸附分子层热阴极场发射:1600~1800K能量发散0.6~0.8eV不产生离子吸附发射躁声小不需闪光处理在金属表面加一个强电场，金属表面的势垒会变浅，由于隧道效应，金属内部的电子穿过势垒从金属表面发射出来，这种现象称为场发射。47场发射型枪（FEG）冷阴极场发射:场发射电子枪的尖端（钨单晶电子枪的种类直接影响透射电子显微镜的分辨率

性能电子枪类型亮度(A/cm2sr)电子源直径（

m）能量发散度（eV）寿命(hr)真空度(mmHg)普通热阴极电子枪104~10520~302.35010-4~

10-6六硼化镧阴极电子枪105~1061~101.550010-6~10-8场发射电子枪107~1080.01~0.10.3~0.8500010-9~10-1048电子枪的种类直接影响透射电子显微镜的分辨率聚光镜与物镜系统纳米束电子衍射显微像能量色散谱仪(a)TEM模式(b)EDS模式(c)NBD模式

能方便地同时获取电子成像（正空间放大的显微像）与电子衍射谱（倒易空间的结构信息），是电镜的独特优点。微区成分分析技术：一类是分析经过样品后电子能量受到的损失，即电子受样品原子核非弹性散射而损失的能量来推知样品中存在什么元素及含量，称为电子能量损失谱（EELS)；另一类是利用样品发出的X射线特征能谱，进行微区成分分析，称为X射线能谱（EDS）。49聚光镜与物镜系统纳米束电子衍射显微像能量色散谱仪(a)TE单轴倾斜，双轴倾斜，铍制，冷冻，加热，。。。送样杆50单轴倾斜，双轴倾斜，铍制，冷冻，加热，。。。送样杆505151三种不同放大倍数的显微像成像模式100X0~20X100X2X105X52三种不同放大倍数的显微像成像模式100X0~20X100X2光镜与透射电镜的光学成像部分的比较

基本光学原理相似，都属于光学放大仪器.

照明源和聚焦成像的方法不同：前者以可见光照明，用玻璃透镜成像；后者用电子束照明,用一定形状的磁场(磁透镜)成像.

半波长是两种显微镜分辨本领的理论极限，但透射电镜能达到的分辨极限远小于理论极限.53光镜与透射电镜的光学成像部分的比较基本光学原理相透射电镜与光镜的比较比较项透射电镜光镜射线源电子束可见光介质真空空气透镜磁场玻璃放大倍数几十至几百万倍约1000倍放大作用改变透镜电流或电压变换物镜或目镜最佳分辨率约为2Å约为2000Å操作与制样较复杂简单54透射电镜与光镜的比较比较项透射电镜光镜射线源电子束可见光介质3.(b)扫描电子显微镜的结构553.(b)扫描电子显微镜的结构555656透射扫描两种电镜结构的比较电子光学系统真空系统电源和控制系统信号检测处理系统显微镜的结构电子探针系统样品室电子光学系统电子光学系统真空系统电源和控制系统显微镜的结构照明系统(电子枪、聚光镜)

成像系统(物镜、中间镜、投影镜)记录系统(荧光屏、照相装置、计算机数据处理系统)电子光学系统透射电子显微镜扫描电子显微镜*************电子枪三级聚光镜扫描线圈样品托样品台样品移动装置57透射扫描两种电镜结构的比较电子光学系统显微镜的结构电子探针系吸收电子或样品电流入射电子被多次非弹性散射后留在样品中的入射电子二次电子背散射电子被入射电子轰击出来的核外电子被固体样品原子反弹回来的一部分入射电子束感生电效应半导体样品中,被激发的电子-空穴对复合时间较长,外接回路中可测到电流信号。透射电子特征X射线90%转变成热能入射电子束样品原子K,L,M轨道上的电子被入射电子激发后，外层电子跃迁到这些空位，并释放出多余的能量。入射电子

二次电子+背散射电子+透射电子+吸收电子阴极荧光半导体、磷光体和一些绝缘体在高能电子作用产生发光现象下样品扫描电镜样品很薄时如102~103Å透射电镜能谱仪电子束与样品的相互作用58吸收电子或样品电流入射电子被多次非弹性散射后留在样品中的入射电子束与样品的作用深度与范围(50~200nm)(5~50nm)电子束(1nm)俄歇电子二次电子背散射电子特征

射线连续

射线二次荧光100～1000nm背散射电子的空间分辨

射线分辨样品表面59电子束与样品的作用深度与范围(50~200nm)(5~50n样品表面发射的电子能量谱

二次电子包括了真正的二次电子和经多次非弹性散射的背散射电子二次电子弹性背散射电子峰特征能量损失电子峰初级背散射电子E（电子能量),eVN电子数60样品表面发射的电子能量谱二次电子包括了真正的电子的电离与跃迁K激发态发射特征X射线光子L2

激发态发射俄歇电子特征

X射线:样品原子的内层电子受到激发后,能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁辐射由于各元素的电子能级是确定的,能级间的能量差对应着特定的元素,因此,特征X射线可用来表征样品的元素分布.or61电子的电离与跃迁K激发态发射特征X射线光子发射俄歇电子特征阴极荧光检测器：光导管、光电倍增器

X射线检测器：能谱仪、检测器

信号检测系统栅网聚焦环闪烁体光导管电子检测器：探测器光电倍增器62阴极荧光检测器：光导管、光电倍增器信号检测系统栅网电子检测器栅网正偏压：250V~500V,吸引二次电子，增大检测有效立体角栅网负偏压：~50V负偏压，阻止二次电子到达检测器，聚焦背散射电子电子检测器置于样品下方，检测透射电子（荧光板被移出光路）置于样品上方，检测二次电子、背散射电子闪烁体栅网背散射电子二次电子入射电子样品光导管光倍增器调制信号可见光信号聚焦环63栅网正偏压：250V~500V,吸引二次电子，增大检测有效带X射线能量色散谱仪(EDX)的扫描电镜结构扫描电镜图像的形成前置放大器视频放大器荧光屏扫描信号发生器强度转换来自电子检测器的电流信号前置放大器视频放大器电压信号显像管栅极，控制显像管电子束打在荧光屏上的光点亮度经与样品表面同步的光栅状扫描，得到一幅反应样品表面特性的显微放大像64带X射线能量色散谱仪(EDX)的扫描电镜结构扫描电镜图像的形放大倍率显像管扫描尺寸电子探针在样品上的扫描尺寸＝机械放大：可从几倍到几十万倍，连续可调扫描电镜主要性能参数较大的聚焦深度，得到立体的像SEM具有较小的孔径角，光学显微镜由于孔径角较大，景深小得多透射电镜，薄样品成像，通常景深大于样品厚度，得到二维像景深=扫描像分辨率

tg

(为孔径角)固定偏转线圈电流不变Ex:1,000

,10

m10,000

,1

mEx:100

,1

m65放大倍率显像管扫描尺寸电子探针在样品上的扫描尺寸＝机械放大：分辨本领：与探针扫描的机械宽度无关,而是由特定条件下拍摄的照片来标定.

照片上两亮区之间的最小暗间隙宽度,除以总放大倍数,就是SEM能分辨的最小间距.

扫描电镜的分辨本领实际的有效放大倍数，与照明电子束的束斑直径有关，也与电子束在样品中的扩展效应有关,不同成像信号的产生区域也不同，但该值不可能小于束斑直径.因此，以二次电子信号的分辨能力代表仪器的分辨能力.

Z,U

Z,U

Z,U

Z,UZ：样品物质的原子序数U：电子束加速电压电子束的扩展效应钨灯丝:1~2万倍LaB6:3~5万倍场发射:~10万倍66分辨本领：与探针扫描的机械宽度无关,而是由特定条件下拍摄的4.(a)

透射电镜的成像衬度吸收：透射电镜的样品要求厚度足够小。如小于1000Å的薄膜样品，以保证吸收很小，因为吸收将伴随着热量的释放，使样品变形、烧毁。散射：

一个高速运行的入射电子打在薄膜样品上后，电子在组成样品的原子的库仑场作用下，运动方向（或同时还有能量）发生改变，这种现象称为散射。与光学显微镜类似，有四种基本的物理过程参与电镜的成像：吸收和散射电子像的衬度是样品的不同区域对电子的吸收和散射能力不同造成的吸收和散射

干涉和衍射在透射电镜中，散射是最重要的成像机制，因为，样品不同部位的透射电子强度的差异被人眼感觉出来，就构成样品不同区域间的像衬度差。674.(a)透射电镜的成像衬度吸收：透射电镜的样品要求厚度足

如果是和质量大得多的原子核作用，则发生弹性碰撞，入射电子不损失能量，但运动方向发生较大偏转。如果是与样品原子的核外电子作用，由于质量相同，碰撞后将重新分配能量，速度和运动方向都会发生改变，即发生非弹性散射，但散射角小得多。

散射分为两种：只改变方向，能量基本上不变的，称为弹性散射；方向和能量都有变化的，称为非弹性散射。弹性散射非弹性散射样品对入射电子的散射68如果是和质量大得多的原子核作用，则发生弹性碰撞，入Z,衬度

n=n2=()2ZeU

e=e2=()2eU

核的弹性散射截面

n

：单个电子的非弹性散射截面

e

：样品中单个原子对入射电子的散射散射角U:入射电子的加速电压Z:原子序数单个原子的非弹性散射截面与弹性散射截面之比：Z

e

n=Z1散射角原子核与电子的大小：10-5～10-6Å原子间距：

1Å样品相对于入射电子来说几乎是完全空的空间大量的入射电子是直接穿过足够薄的样品。散射角过大的入射电子会被物镜光阑挡调样品各部分间散射能力的差异形成了图像的反差69Z,衬度n=n2=(参与成像的电子束强度随样品的厚度或质量（密度或原子序数）的增大而衰减，两者对衬度所起的作用相同---质量厚度衬度原理Qt=1时,Q=N

0=N0

0

A

-

=Qdt

dnnn=n0e-Qt

或

I=I0e-Qt:

临界厚度,相当于电子在样品中受到单

次散射的平均自由程,t小于

,可视为透明t:样品的厚度

0:单个原子的散射截面

A:相对原子质量n:入射到1cm2样品表面积的电子数t=Q1=,(

t)c=

N0

0

A(t)c:

临界质量厚度I0:入射电子束的强度

I:通过物镜光阑参与成像的电子束光强散射几率设1cm3中N个原子的总散射截面Q：透射电镜成像中的质量厚度衬度原理对于成分均匀的非晶样品：

70参与成像的电子束强度随样品的厚度或质量（密度或原子序数）的增染色增加图像衬度1.对于超薄切片和溶剂浇膜的样品，由于样品厚度大致均匀，原子序数差别小，采用重金属盐正染技术.1~2%OsO4水溶液1~2%RuO4水溶液2.对于病毒、胶束等，常采用重金属盐的负染技术，以增强粒子的轮廓.2~4%磷钨酸(PTA):P2O5·24WO3·nH2O水溶液，pH6.8~7.22~3%醋酸铀(UA):UO2(CH3COO)2·2H2O水溶液，~pH4.23.嵌段共聚物的自组装结构，根据结构的表征要求，可用正染、负染及投影等方法71染色增加图像衬度1.对于超薄切片和溶剂浇膜的样品，由于样品S14I65S21,CHCl3castingS14EP66S20,compression-molding正染负染病毒Ex72S14I65S21,CHCl3castingS14E对于微细结构d1nmÅ，厚度小于10nmÅ的样品成像，相位反差是主要的衬度。干涉：从波动学说来看，一个运动的电子可以看作是一个电子波，它向着电子运动的方向，以匀速的并随时间作正弦变化的方式前进。可以把电子和样品的作用，看作电子波经过样品后形成了透射波和散射波。干涉和衍射当样品很薄时，散射波相对入射波振幅基本不变，而相位有变化。由于各电子和样品作用的散射波和透射波的相位差不同，各相位差为的奇数倍时，两者合成波为极小者；为的偶数倍时，合成波为极大者。使合成波(干涉波)与透射波在振幅上表现出差别，在最终的像中就会出现亮暗不同的区域，这种反差叫做相位衬度。衍射：电子衍射与X射线衍射的基本原理相同，当晶体试样各部分满足布喇格反射条件不同及结构振幅不同，形成衍射强度的差异而导致的衬度叫做衍射衬度。薄晶体样品Ex辐照镍中的位错环晶体中严格的周期性遭到破坏73对于微细结构d1nmÅ，厚度小于10nmÅ的样品成像74衬度：通常指荧光屏或图片上，不同区域之间，肉眼观察到的成像光强度或感光度的差别。质厚衬度：适用于非晶样品成像。由于试样各处组成物质的种类和厚度不同而造成的衬度。它建立在样品对入射电子的散射和小孔径角成像的基础上。衍射衬度：适用于晶体样品成像。试样局部的晶体完整性受到破坏，各处满足Bragg条件的程度出现差异。透射束和衍射束相位相干的结果。

质厚衬度和衍射衬度都属于典型的振幅衬度。相位衬度：适用于晶体样品，厚度小于10nm.透射电子显微图像的衬度7474衬度：通常指荧光屏或图片上，不同区域之间，肉质厚衬度4.(b)

扫描电镜的衬度表面形貌衬度用对样品表面形貌变化敏感的物理信号,得到的一种像衬度.主要显示物理信号对微区表面取向的敏感性.

样品倾斜角入射电子束ip二次电子产额

:

is与原子序数无明确关系,对倾斜角十分敏感,适合显示形貌衬度754.(b)扫描电镜的衬度表面形貌衬度用对样品表面形貌变化敏要判断样品表面的凹凸性质,最好将样品旋转180

观察、比较76要判断样品表面的凹凸性质,最好将样品旋转180观察、比显示由某物理信号调制的像对样品微区原子序数或化学成分变化的敏感性。样品的背散射电子，在入射电子能量小于10-40keV范围时，背散射电子信号强度随原子序数增大而单调明显增大，样品表面平均原子序数较高的区域,背散射电子像上就有较亮的衬度.除背散射电子信号外，吸收电子信号及特征X射线对成分变化也都很敏感，前者可调制出与背散射电子像衬度正好相反的吸收电子像，后者可根据样品某元素发射的特征X射线信号调制出该元素在样品表面的分布图像.成分衬度:77显示由某物理信号调制的像对样品微区原子序数或化学成分衬度:7聚焦电子束在晶体样品表面扫描时，入射角θ连续变化，在θ角小于某组晶面的布拉格角θB的区域，入射电子受晶体原子的散射机会较多，如在样品上方安装电子检测器，可接收到较强的背散射电子信号。而在θ>θB的区域，入射电子受晶体原子散射的机会较少。电子经过晶格间的通道深入到晶体内部才发生散射，使样品上方检测到的背散射电子信号较弱，尤其对于大的变形小、结构完善的单晶样品，可获得表层100Å的电子通道花样图，图上衬度带(亮带)的方位就是相应衍射晶面的方位，亮带的宽度取决于衍射晶面θB角的大小，衬度带之间的夹角等于相应晶面之间的夹角，对其指数化，就可知道对于微区的晶体学取向及晶格完善性的资料。电位衬度:如果被观察表面不同微区的电位不同，能量较低的二次电子会从电位低的地方跑到邻近电位高的地方，使该处检测器收集到的二次电子减少，得到因电位差异而表现出衬度的二次电子像。在样品架上装一个可用于检测集成块的特殊样品台，就可观察在外加电压下集成块各条通路是否有故障。晶体衬度:78聚焦电子束在晶体样品表面扫描时，入射角θ连续变化，在θ角小于科学楼119室Hitachi，日本79科学楼119室Hitachi，日本79探索微观世界的历程

（Ⅱ）透射电镜1986年ErnstRuska

（80岁）德国，获NobelPrize(物理)(发明电镜55年后）E.

Ruska,

1929年本科高年级学年论文，从事以短线圈为磁透镜、聚焦成像的实验研究.获得了第一批低倍电子光学像(1.3倍)

1931年采用二级磁透镜放大,获得16

倍放大像

1933年安装了聚光镜等,获得12,000倍放大像

1934年获柏林技术学院工学博士学位“电子显微镜的磁透镜”

1939年第一台商业电镜(西门子公司支持),有聚光镜、配极靴的物镜、投影镜，可更换样品和底片,30,000

实现直接观看原子的千年梦想

1926年

H.Busch,发表了磁聚焦的理论文章，指出：电子束通过轴对称电磁场时，可以聚焦，如同光线通过玻璃透镜可以聚焦一样，因此，可以用电子成像，而电子的波长比光波波长短得多.

几何电子光学的基础

1940年

H.Boersch，发现并解释了成像中的电子衍射现象，首创了选区电子衍射技术，实现了形貌观察与结构分析的统一.M.Mahl，将复型技术用于冶金研究1895年

W.C.Röntgen，发现X射线1897年

J.J.Thomson，发现电子1897年

C.F.Braun，用阴极射线管制成了示波器1912年

Laue和Bragg父子发现晶体对X射线的衍射1923年

DeBroglie提出波粒二象性原理1927年

Davisson和Thomson分别发现电子衍射80探索微观世界的历程（Ⅱ）透射电镜1986年ErnstR三个标志性历史阶段：第一阶段：20世纪50～60年代的衍射成像阶段，对厚度为几百纳米的薄晶体中的缺陷进行观察，形成了透射电子显微学（TEM）。第二个阶段：70年代兴起的对厚度约10nm的极薄晶体进行高分辨结构像和原子像的直接观察阶段，形成高分辨电子显微学（HREM)。第三阶段：80年度以后发展起来的对纳米尺寸区域结构和成分的微小变化，进行研究和分析的高空间分辨分析电子显微学（HSRAEM）。近代发展的两种趋势：趋势一：电子计算机技术的应用，成像系统和操纵系统的设计日益新颖、精确和科学。趋势二：是受固体科学（包括材料科学、地质学和矿物学等）、生命科学、微电子信息科学等的推动，电子显微镜的分析功能日益扩大。81三个标志性历史阶段：81828283831）冷冻电镜与三维重构观察生物等软物质样品电镜研究生物试样时遇到的主要困难：1.

生物试样主要由轻元素组成，对电子的散射很弱，像的衬度很差。重金属元素负染法可以增加像的衬度，但所观察到的是大分子的“负复型”，即成像的是分子的外型及大小，而不是其内部结构，因此，分辨率不高。2.

观察过程中容易产生辐照损伤，因此，只能允许很低剂量的辐照，其躁声高，衬度差。3.

电镜的焦深很大，实际观察的不是一个横截面而是立体试样的二维投影，也就是试样中全部结构内容在电子束方向重叠在一起，图像往往不清晰。4.

电子显微像随电镜的工作条件而变化，如欠焦量、相差等都会使像的衬度发生变化。5.应用实例解决办法：1.放弃一般的染色，采用低剂量辐照（

0.5电子/平方Å）2.将液相中的样品骤冷到玻璃态以下，保持在低温下观察。841）冷冻电镜与三维重构观察生物等软物质样品电镜研究生物试样时液体乙烷防止形成冰晶85液体乙烷防止形成冰晶8586868787T.P.LodgeMulticompartmentMicellesfromABCMiktoarmStarsinWater88T.P.LodgeMulticompartmentMiOntheOriginsofMorphologicalComplexityinBlockCopolymerSurfactants18APRIL2003VOL300SCIENCEPB-PEO

MorphologydiagramforPB-PEOinwater(1wt%)asafunctionofmolecularsizeandcomposition,

whereNPBandwPEOarethedegreeofpolymerizationandweightfractionofthePBandPEOblocks,respectively.

Fourbasicstructuralmotifs—bilayers(B),Y-junctions(Y),cylinders(C),andspheres(S)—havebeenidentifiedbycryo-TEM,asillustratedinthemicrographs,(AtoC).Bars(Ato