8-电子光学基础 1

1、8 电子光学基础,1,2,8 电子光学基础,电子波与电磁透镜 电磁透镜的像差和分辨本领 电磁透镜的景深和焦长 电子束与固体样品相互作用,3,8 电子光学基础,电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。,4,8 电子光学基础,观察微小物体的历史，是从放大镜开始的，然后进入显微镜时代。当光学显微镜达到了分辨本领的极限时，为了达到满足人们观察微观世界的渴望时，促成了电子显微镜的发明。 光学显微镜的构思是：直接观察物体放大后的像，以代替用放大镜观察物体本身。因此需要有两块透镜组合起来。,最小分辨距离计算公式,其中 最小分辨距离

2、波长 透镜周围的折射率 透镜对物点张角的一半， 称为数值孔径，用 N.A 表示,5,8 电子光学基础,图（a）点O1 、 O2 形成两个Airy斑；图（b）是强度分布,由于光的衍射，使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平面形成B1 、 B2圆斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。,6,8 电子光学基础,对于光学显微镜，N.A的值均小于1，油浸透镜也只有1.51.6，而可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不能进一步提高。,7,8 电子光学基础,埃贝等从理论证明：光学显微镜分辨本领界限的决定因素是光线的波长，因为光学显微镜是利用光线来看物体的，为了要看到物

3、体，物体的尺寸必须大于光的波长，这就是光学显微镜所以会有极限的原因，也称为光的衍射效应的影响，是无法克服的极限，这个极限在200微米左右。 有效放大率=人眼分辨本领值/显微镜分辨本领值 提高透镜的分辨本领：增大数值孔径是困难的和有限的，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题！,8,8 电子光学基础,比可见光波长更短的电磁波有： 1）紫外线 会被物体强烈的吸收； 2）X 射线 无法使其会聚 ； 3）电子波 根据德布罗意物质波的假设，即电子具有微粒性，也具有波动性。电子波 h Plank 常数 ， m v 电子速度,9,8 .1 电子波与电磁透镜,显然，v越大， 越小，电子的速度与其加速电

4、压（E)有关，即 而 则 埃 加速电压较高时，电子质量需经过相对论校正,10,8 .1 电子波与电磁透镜,电子波长与加速电压的关系（经相对论修正）,11,8 .1 电子波与电磁透镜,电磁透镜 电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。 由静电场制成的透镜 静电透镜 由磁场制成的透镜 磁透镜,目前，应用较多的是磁透镜。,12,8 .1 电子波与电磁透镜,磁透镜结构剖面图,13,8 .1 电子波与电磁透镜,电子的运动轨迹,在磁透镜作用下，电子做圆锥螺旋近轴运动。,14,8 .1 电子波与电磁透镜,磁透镜使电子会聚的原理,15,8 .1 电子波与电磁透镜,电磁透镜

5、物距、像距与焦距及放大倍数的关系 物距：L1 像距：L2 焦距：f 放大倍数：M,16,8 .1 电子波与电磁透镜,透镜极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的一定间隔距离内，可以小到1mm左右。在此小的区域内，场的径向分量是很大的。计算透镜焦距f的近似公式为:,E加速电压；S极靴孔径；I通过线圈的电流强度；N线圈每厘米长度上的圈数；F透镜的结构系数,电子显微镜可以提供放大了的象，电子波长又非常短，人们便自然地把电子显微镜视为弥补光学显微镜不足的有利工具。,17,8 .1 电子波与电磁透镜,磁感应强度分布图,18,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，

6、对电镜分辨本领起作用的象差有几何象差（球差、象散等）和色差。 几何象差 是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的； 色差 是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。,19,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜折射得比近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆斑，半径为 还原到物平面，则 为球差系数。 为孔径角，透镜分辨本领随 增大而迅速变坏。,20,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,球差,21,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,象散磁场不对称时，就出现象散。 有的方向电子束的折

7、射比别的方向强，如图所示，在A平面运行的电子束聚焦在PA点，而在B平面运行的电子聚焦在PB点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半径为 还原到物平面 为象散引起的最大焦距差； 透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各向磁导率差异引起。象散可由附加磁场的电磁消象散器来校正。,22,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,象散,23,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,色差是由于电子的能量不同、从而波长不一造成的，电子透镜的焦距随着电子能量而改变。因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面，其半径为 是透镜的色差系数，大致

8、等于其焦距； 是电子能量的变化率。,24,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,色差,25,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,引起电子束能量变化的主要有两个原因： 一是电子的加速电压不稳定； 二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化。 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色散。,在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最为重要（因为没有一种简便的方法使其矫正）。而其它象差，可以通过一些方法消除。,26,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,分辨率 光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射，而象差基本上可以消除到忽略不计的程度。因

9、此，分辨本领主要取决于衍射。 电子透镜中，不能用大的孔径角，球差和象差就会很大，但可通过减小孔径角的方法来减小象差，提高分辨本领，但不能过小。,27,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,显微镜的分辨极限是 电镜情况下， ， 因此 可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变坏，这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍射两者所限定的值 令 得，,28,8 .2 电磁透镜的像差与分辨率,相对应的最佳光阑直径 式中的f 为透镜的焦距。将 代入可得 目前，通用的较精确的理论分辨公式和最佳孔径角公式为 将各类电镜缺陷的影响减至最小，电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右。透射电镜的最佳分辨率达0.1nm数量级。

10、,29,8 .3 电磁透镜的景深和焦长,电磁透镜分辨本领大，景深大，焦长长。 场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。这种特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。,30,8 .3 电磁透镜的景深和焦长,在Xr 的条件下，景深： 如 r=1nm，=10-310-2 弧度时，Df 大约是 2002000nm，这就是说，厚度小于2000 nm的试样，其间所有细节都可调焦成象

11、。由于电子透镜景深大，电子透镜广泛应用在断口观察上。,31,8 .3 电磁透镜的景深和焦长,由图可以看出， 由于 所以 这里的M是总放大倍数。可见，焦长是很大的。 例如， ， 时，DL80cm。因此，当用倾斜观察屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时，所拍照的象依然是清晰的。,32,8.4 电子束与固体样品相互作用,入射电子与样品相互作用,33,8.4 电子束与固体样品相互作用,背散射电子（backscattering electron）是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。 背散射电子的产生范围在1000 到1m深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加。 利用背

12、散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。,34,8.4 电子束与固体样品相互作用,二次电子（secondary electron）是指被入射电子轰击出来的核外电子。 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。 由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，一般可达到50-100 。,35,8.4 电子束与固体样品相互作用,吸收电子（absorption electron） 入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射

13、电子产生），最后被样品吸收。 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸收电子相应减少，若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子像的反差是互补的。,36,8.4 电子束与固体样品相互作用,透射电子 （transmission electron） 如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。 样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。 其中有些待征能量损失E的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以

14、用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。,37,8.4 电子束与固体样品相互作用,特征X射线 （characteristic X-ray） 特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在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波辐射。 X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律： 式中，Z为原子序数，K、 为常数。原子序数和特征能量之间是有对应关系的，利用其可以进行成分分析。如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。,38,8.4 电子束与固体样品相互作用,俄歇电子（Auger electron） 如果原子内层电子能级跃迁过程中

15、释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。 因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在50-1500 eV范围之内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。 显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。,39,8.4 电子束与固体样品相互作用,其它物理信号 除了上述六种信号外，固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感生效应和电动势等信号，这些信号经过调制后也可以用于专门的分析。,40,8.4 电子束与固体样品相互作用,总结：电子束与固体样品相互作用时产生的物理信号,二次电子：指被入射电子轰击出来的、样品的核外电子 透射电子：当样品足够薄时，入射电子能量足够穿透样品，即透过样品的入射电子。 背散射电子：指被固体样品原子核反弹回来的一部分入射电子。 特征X-射线：被入射电子轰击时，第一个电子被激发，第二个电子从高能级跃迁到低能级而辐射出x-射线。 俄歇电子：被入射