4.电子显微分析 41电子光学基础 41.1电子的波动性和电子波长 粒子的能量E、动量P与物质波的频率v、波长λ之间关系为 h E=hv P h=6.625×10-J·s 公式左侧体现粒子性,右侧体现波动性。 由此德布罗意波(物质波)的波长为 hh 式中:m-粒子质量,kg ν一粒子运动速度,m/s 对于初速度为0的电子,受到电位差为Ⅴ的电场加速,电子获得的能量为 E 式中:e一电子电荷,c(库仑)e=1.6×10-c m-电子质量,kg 当加速电压较低时,电子的运动速度远远小于光速,电子质量m近似等于电子静止质量 0-kg,则λ h 带入常数得2 A √2emn 电子波长与其加速电压的平方根成反比。V越高,λ越短。 因电镜中电子的加速电压较高,相应的电子运动速度,m≠mn,必须引入相对论校正。 2 带入常数得 A v(1+0.9788×10°V) 对于低能电子束,计算λ时可不用修正;但对于高能电子束必须修正 当加速电压为100k时,电子束的波长约为可见光的十万分之一。 用电子做光源可观察到原子级别的细节(固体中原子间距2-5A),是一个理想光源
以电子波作为光源的显微镜称为电子显微镜,简称电镜。 412电子透镜 41.2.1静电透镜 定形状的等电位面曲面簇可以使电子束聚焦成像,产生这种旋转对称等电位曲面簇 的电极装置为静电透镜 电镜中,用静电透镜做电子枪,发射电子束;用磁透镜做会聚透镜,起成像放大作用 4.1.2.2电磁透镜 用磁场使电子束聚焦成像的装置 4.1.23电磁透镜的焦距和放大倍数 与光学玻璃透镜相似,磁透镜的物距u、像距ν、焦距∫、放大倍数M之间的关系为: 电磁透镜的焦距f=k (IN)2 式中:k一常数 V一加速电压 (IN)一安匝数通过线圈导线的电流,N一线圈每厘米长度上的圈数 由此可知、f 当f→f2,在u不变的情况下,v→V2,则M(是原来的一倍)。 因此,电磁透镜是一种变焦距(变倍数)的会聚透镜(焦距f总是正的,凸透镜)。 41.3电磁透镜的像差 电镜中,成像过程中发生使像变形和像模糊等像的缺陷称像差。 41.3.1球差 产生原因:电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的汇聚能力不同。 球差引起的弥散圆斑最小半径R3=MCsa3 式中:M一放大倍数C-透镜球差系数a一透镜光孔角 还原到物平面r=Csa3(即:物平面上两点距离<r’则透镜不能分辨,在透镜像
平面上得到的是一个点)由于球差的存在,物平面最小能分辨距离为: 采用丶α的方法提高分辨本领 物镜 远轴电子像平面I像平面 R. 近轴电子最小散焦斑 41.3.2像散 产生原因:透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的 像散引起的弥散椭圆斑平均半径:R4=M△fAa 式中:△1一像散引起的最大焦距差 由于像散的存在,物平面最小能分辨距离为:n4=,△a 平面B 像平面像平面Ⅱ (弱聚焦方向) 2R 能量低的电子轨速 像平面像平面Ⅱ 平面A 散焦斑 (强聚焦方向) 能量高的电子轨迹 像散是由于不良生产工艺导致的,可用消像散器来矫正。(借助通电线圈或永久磁铁产生 的附加磁场消除像散) 4.13.3色差 产生原因:由于成像电子的波长(或能量)不同引起的像差。 41.3.4电磁透镜的分辨率 分辨率是电磁透镜的重要性能指标,它受到衍射效应、球差、像散、色差等因素的影 响,其中衍射效应和球差是最重要的
衍射效应确定的最小分辨距离:a=0612 球差确定的最小分辨距离:n=1cna2 最终分辨率取决于二者的综合效果 由石=r。可确定最佳照明孔径角:an=1.25()4 理论分辨本领:r=0.49· 41.4电磁透镜的场深和焦深 41.41场深(景深)D 透镜物平面允许的轴向偏差。 D 表明:样品厚度控制在透镜场深允许范围内,样品各部位细节都能得到清晰的图像 414.2焦深(焦长)D 透镜像平面允许的轴向偏差。 D=M2·D 表明:像平面在焦深允许范围内移动,不需改变聚焦状态,图像仍保持清晰 42透射电子显微镜 4.2.1透射电镜的工作原理 电子枪产生的电子束经1~2级聚光镜汇聚后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域 上,入射电子与试样物质相互作用,由于试样很薄(一般<200nm),绝大部分电子穿透试样, 其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应,透射出试样的电子经物镜、中间 镜、投影镜的三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上,荧光屏把电子强度分布转变为人 眼可见的光强分布,于是在荧光屏上显示出与试样形貌、组织、结构相应的图像(衍射谱)。 4.22透射电镜的结构 422.1照明系统
作用:提供光源,控制其稳定度和孔径角;选择照明方式(明场像,暗场像 满足条件: 能够提供足够数目的电子。发射电子越多,成像越亮 ⅱ电子发射区域要小。发射岀来的电子束越细,像差越小,分辨本领越好。 电子速度要大。速度越大,能量越大,成像越亮,穿透能力越强。 组成 (1)电子枪 是电镜的电子源,发射并使电子加速,其重要性仅次于物镜。决定了像的亮度、图像稳 定度和穿透样品的能力。(提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束) 常用加速电压50-200kV,超高电压达数千伏。 (2)聚光镜 多为磁透镜,其作用是将电子束会聚于样品上,并通过调节其电流来控制照明亮度、照 明孔径角和束斑大小。 高性能透射电镜采用双聚光镜系统,提高照明效果 .2.22成像系统 物镜、中间镜和投影镜都是采用磁透镜,它们与样品室构成成像系统,作用是安置样品、 放大成像。 (1)物镜 般为短焦距强激磁的透镜,成一次像。决定透射电镜的分辨本领,要求它有尽可能高 的分辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。 (2)中间镜 是长焦距弱激磁的透镜,成二次像。 (3)投影镜 是短焦距强激磁的透镜,最后一级放大像,最终显示到荧光屏上,称为三级放大成像。(此 外还有多级成像放大,除物镜外有多个中间镜或投影镜) 像平面 显微像 调整中间镜电流使其物平面与物镜 重合→投影镜→荧光屏 背焦面 衍射花样 衍射状态与成像状态的变换是通过改变中间镜的激磁电流(改变焦距)实现的