第九章電子光學基礎第十章透射電子顯微鏡

第九章電子光學基礎§9－1電子波與電磁透鏡1、光學顯微鏡成像光學成像：先衍射、后干涉。衍射：波繞過物體傳送的現(xiàn)象。干涉：兩列振動周期相同的波互相疊加的現(xiàn)象。

Airy斑：物體上的點通過透鏡成像時，在像平面上得到的是一個中心最亮、周圍帶有明暗相間同心圓環(huán)的圓斑，即所謂Airy斑，如圖。84%的強度集中于中央亮斑，第一暗環(huán)半徑：當兩個光斑強度峰間的強度谷值比強度峰值低19％時(把強度峰的高度看作100％)，這個強度反差對人眼來說是剛有所感覺，此時兩點間距R0稱為人眼分辨率。（一般為0.2mm)4兩個Airy斑明顯可分辨出。兩個Airy斑剛好可分辨出。兩個Airy斑分辨不出。I0.81I分辨本領(分辨率)是指成像物體(試樣)上能分辨出來的兩個物點間的最小距離。光學顯微鏡分辨率：△r0

＝R0／M，△r0

成像物體(試樣)上能分辨出來最小距離。由衍射效應所限定的分辨本領在理論上可由Rayleigh公式計算，即

△r0=0.61λ/Nsinαλ波長；N

介質的相對折射系數(shù)；α透鏡的孔徑半角。油透鏡N=1.5；最大α=75光學顯微鏡的分辨本領：2、可見光與電子波的波長

可見光：3900－7600A，不帶電。電子波的波長取決于電子運動的速度和質量，即如果電子速度較低，則它的質量和靜止質量相近，即m≈mo。如果加速電壓很高，使電子具有極高的速度，則必須經過相對論校正，此時表不同加速電壓下電子波的波長。

3、電磁透鏡使電子波聚焦成像的裝置。圖為電磁透鏡的聚焦原理示意圖。通電的短線圈就是一個簡單的電磁透鏡，它能造成一種軸對稱不均勻分布的磁場。一束平行于主軸的入射電子束通過電磁透鏡時將被聚焦在軸線上一點，即焦點。這與光學玻璃凸透鏡對平行于軸線入射的平行光的聚焦作用十分相似。導線外圍的磁力線都在鐵殼中通過，由于在軟磁殼的內側開一道環(huán)狀的狹縫，從而可以減小磁場的廣延度，使大量磁力線集中在縫隙附近的狹小區(qū)域之內，增強了磁場的強度。為了進一步縮小磁場軸向寬度，還可以在環(huán)狀間隙兩邊，接出一對頂端成圓錐狀的極靴。帶有極靴的電磁透鏡可使有效磁場集中到沿透鏡軸向幾毫米的范圍之內。圖c給出裸線圈，加鐵殼和極靴后透鏡磁感應強度分布。與光學玻璃透鏡相似，電磁透鏡物距、像距和焦距三者之間關系式及放大倍數(shù)為：

電磁透鏡的焦距可由下式近似計算：

Ur

經相對論校正的電子加速電壓；IN

電磁透鏡激磁安匝數(shù)。

從式可看出，無論激磁方向如何，電磁透鏡的焦距總是正的。改變激磁電流，電磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)將發(fā)生相應變化?！?-2電磁透鏡的像差與分辨本領

1、像差

：幾何像差和色差（1）幾何像差：透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的。

幾何像差主要指球差和像散。（2）色差：電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。A、球差定義：電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域對電子的折射能力不同造成。當物點P通過透鏡成像時，電子就不會會聚到同一焦點上，從而形成了一個散焦斑，最小散焦斑的半徑用Rs表示。把Rs折算到物平面上去，球差大?。骸鱮s=Rs/M

B、像散定義：由透鏡磁場的非旋轉對稱而引起的。把最小散焦斑的半徑RA折算到物點P的位置上去，就形成了一個半徑為△rA的圓斑，

像散大?。骸鱮A=RA/M(M為透鏡放大倍數(shù))

△rA=△fAαC、色差由于入射電子波長(或能量)的非單一性所造成的。

把最小的散焦斑2Rc換算到物平面上，就形成了一個半徑為△rC的圓斑，色差大小：△rC=RC/M(M為透鏡放大倍數(shù))

當Cc和孔徑角α一定時，△E/E的數(shù)值取決于加速電壓的穩(wěn)定性和電子穿過樣品時發(fā)生非彈性散射的程度。

色差系數(shù)Cc與球差系數(shù)Cs均隨透鏡激磁電流的增大而減小如圖。2電磁透鏡分辨本領電磁透鏡的分辨本領由衍射效應和球面像差來決定?！鱮S、△rA、

△rC值即是由球差、像散和色差所限定的分辨本領。

球差是限制電磁透鏡分辨本領的主要因素。若同時考慮衍射和球差對分辨本領的影響時，則會發(fā)現(xiàn)改善其中一個因素時會使另一個因素變壞。為了使球差變小，可通過減小α來實現(xiàn)，但從衍射效應來看，α減小將使△r0變大，分辨本領下降。因此，兩者必須兼顧。關鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角αo，使得衍射效應Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等，表明兩者對透鏡分辨本領影響效果一樣。令△rS和△r0相等，求出αo12.5（λ/Cs)1/4。電磁透鏡分辨率:△r0=A

λ3/4

Cs1/4,

其中A=0.4-0.55目前，透射電鏡的最佳分辨本領達10－lnm數(shù)量級。如日本日立公司的H-9000型透射電鏡的點分辨率為1.8A?！?.3電磁透鏡的景深與焦長

1、景深如果失焦圓斑尺寸不超過由衍射效應和像差引起的散焦斑（清晰像條件），那么對透鏡像分辨本領并不產生什么影響。因此，我們把透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深，用Df來表示，如圖。它與電磁透鏡分辨本領、孔徑半角之間關系

這表明，電磁透鏡孔徑半角越小，景深越大。一般的電磁透鏡α=10-2-10-3rad，如果透鏡分辨本領△r0=100A0，則Df=2000－20000A0。

對于加速電壓100kV的電子顯微鏡來說，樣品厚度一般控制在2000A0左右，在透鏡景深范圍之內，因此樣品各部位的細節(jié)都能得到清晰的圖像。若允許較差分辨率，則景深更大。

2、焦長當透鏡焦距和物距一定時，像平面在一定的軸向距離內移動，也會引起失焦。如果失焦引起的失焦斑尺寸不超過透鏡因衍射和像差引起的散焦斑大小，那么像平面在一定的軸向距離內移動，對透鏡像的分辨率沒有影響。我們把透鏡像平面允許的軸向偏差定義為透鏡的焦長，用DL表示，如圖所示。從圖上可以看到透鏡焦長DL與分辨本領△r0、像點所張的孔徑半角α之間的關系

當電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領一定時，透鏡焦長隨孔徑半角減小而增大。如一電磁透鏡分辨本領△r0=10埃，孔徑半角10-2rad，放大倍數(shù)M=200倍，計算得焦長DL=8mm。這表明該透鏡實際像平面在理想像平面上或下各4mm范圍內移動時不需改變透鏡聚焦狀態(tài)，圖像仍保持清晰。對于由多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡來說，其終像放大倍數(shù)等于各級透鏡放大倍數(shù)之積。因此終像的焦長就更長了，一般說來超過10-20cm是不成問題的。電磁透鏡的這一特點給電子顯微鏡圖像的照相記錄帶來了極大的方便。只要在熒光屏上圖像是聚焦清晰的，那么在熒光屏上或下十幾厘米放置照相底片，所拍攝的圖像也將是清晰的。第十章透射電子顯微鏡§10－1透射電鏡成像原理1、透射電鏡成像原理光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子搶聚光鏡樣品物鏡第一次像投影鏡觀察屏

（a）高放大像（b）衍射花樣樣品物鏡衍射花樣第一次像中間鏡第二次像投影鏡選區(qū)光闌物鏡光闌照明系統(tǒng)示意圖陰極（接負高壓）控制極（比陰極負100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣§10－2透射電鏡結構1、透射電鏡三部分組成A光學成像系統(tǒng)

整個電子光學部分完全置于鏡筒之內，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。B真空系統(tǒng)

電子顯微鏡鏡筒必須具有高真空，若鏡筒中存在氣體，會產生氣體電離和放電現(xiàn)象；電子槍燈絲受氧化而燒斷；高速電子與氣體分子碰撞而散射,降低成像襯度及污染樣品;C電氣系統(tǒng)主要有燈絲電源和高壓電源，使電子槍產生穩(wěn)定的高照明電子束；各個磁透鏡的穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；電氣控制電路。29

日本日立公司H－700電子顯微鏡，配有雙傾臺，并帶有7010掃描附件和EDAX9100能譜。分辨率：0.34nm加速電壓：75KV－200KV

放大倍數(shù)：25萬倍

能譜儀：EDAX－9100

掃描附件：S7010

30CM200-FEG場發(fā)射槍電鏡JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點分辨率1.94?加速電壓20KV、40KV、80KV、160KV、200KV

可連續(xù)設置加速電壓

熱場發(fā)射槍

晶格分辨率1.4?

點分辨率2.4?

最小電子束直徑1nm

能量分辨率約1ev

傾轉角度α=±20度

β=±25度31JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點分辨率1.94?EM420透射電子顯微鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

晶格分辨率2.04?

點分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm

傾轉角度α=±60度

β=±30度32PhilipsCM12透射電鏡加速電壓20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV

LaB6或W燈絲

晶格分辨率2.04?

點分辨率3.4?

最小電子束直徑約2nm；

傾轉角度α=±20度

β=±25度CEISS902電鏡加速電壓50KV、80KV

W燈絲

頂插式樣品臺

能量分辨率1.5ev

傾轉角度α=±60度

轉動400033JEM-2010透射電鏡加速電壓200KV

LaB6燈絲

點分辨率1.94?EM420透射電子顯微鏡