材料方法第11章TEM1課件

第10章透射電子顯微鏡

(TransmissionElectronMicroscopy,TEM)Wavelength-distancebetweenpeaksofthewaveform1939-FirstEMbuiltinNorthAmericabyJamesHillierandAlbertPrebusattheUniversityofTorontoDr.PrebusDr.LaddLightvsElectronMicroscope光學顯微鏡的分辨率

由于光波的波動性，使得由透鏡各部分折射到像平面上的像點及其周圍區(qū)域的光波發(fā)生相互干涉作用，產(chǎn)生衍射效應。一個理想的物點，經(jīng)過透鏡成像時，由于衍射效應，在像平面上形成的不再是一個像點，而是一個具有一定尺寸的中央亮斑和周圍明暗相間的圓環(huán)所構(gòu)成的Airy斑。如圖5-1所示。透鏡分辨率Airy斑的強度大約84%集中在中心亮斑上，其余分布在周圍的亮環(huán)上。由于周圍亮環(huán)的強度比較低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗環(huán)的半徑來衡量其大小。根據(jù)衍射理論推導，點光源通過透鏡產(chǎn)生的Airy斑半徑R0的表達式為：

通常把兩個Airy斑中心間距等于Airy斑半徑時，物平面上相應的兩個物點間距（Δr0）定義為透鏡能分辨的最小間距，即透鏡分辨率（也稱分辨本領）。即

對于光學透鏡，當n?sinα做到最大時（n≈1.5，α≈70-75°），式（5-2）簡化為：

有效放大倍數(shù)光學透鏡的分辨本領主要取決于照明源的波長。半波長是光學顯微鏡分辨率的理論極限?？梢姽獾淖疃滩ㄩL是390nm，也就是說光學顯微鏡的最高分辨率是≈200nm。一般地人眼的分辨本領是大約0.2mm，光學顯微鏡的最大分辨率大約是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm讓人眼能分辨的放大倍數(shù)是1000倍。這個放大倍數(shù)稱之為有效放大倍數(shù)。光學顯微鏡的分辨率在0.2μm時，其有效放大倍數(shù)是1000倍。

不同加速電壓下的電子波波長

加速電壓U/KV電子波波長λ/nm加速電壓U/KV電子波波長λ/nm204060801000.008590.006010.004870.004180.0037112016020050010000.003340.002850.002510.001420.00087

電磁透鏡

電子波和光波不同，不能通過玻璃透鏡會聚成像。但是軸對稱的非均勻電場和磁場則可以讓電子束折射，從而產(chǎn)生電子束的會聚與發(fā)散，達到成像的目的。人們把用靜電場構(gòu)成的透鏡稱之“靜電透鏡”；把電磁線圈產(chǎn)生的磁場所構(gòu)成的透鏡稱之“電磁透鏡”。靜電透鏡當電子在電場中運動，由于電場力的作用，電子會發(fā)生折射。我們將兩個同軸圓筒帶上不同電荷（處于不同電位），兩個圓筒之間形成一系列弧形等電位面族，散射的電子在圓筒內(nèi)運動時受電場力作用在等電位面處發(fā)生折射并會聚于一點。這樣就構(gòu)成了一個最簡單的靜電透鏡。透射電子顯微鏡中的電子槍就是一個靜電透鏡。電磁透鏡短線圈磁場中的電子運動顯示了電磁透鏡聚焦成像的基本原理。實際電磁透鏡中為了增強磁感應強度，通常將線圈置于一個由軟磁材料（純鐵或低碳鋼）制成的具有內(nèi)環(huán)形間隙的殼子里。

電磁透鏡此時線圈的磁力線都集中在殼內(nèi)，磁感應強度得以加強。狹縫的間隙越小，磁場強度越強，對電子的折射能力越大。為了使線圈內(nèi)的磁場強度進一步增強，可以在電磁線圈內(nèi)加上一對磁性材料的錐形環(huán)，這一裝置稱為極靴。增加極靴后的磁線圈內(nèi)的磁場強度可以有效地集中在狹縫周圍幾毫米的范圍內(nèi)。電磁線圈與極靴

電磁透鏡成像光學透鏡成像時，物距L1、像距L2和焦距f三者之間滿足如下關系：

電磁透鏡成像時也可以應用式。所不同的是，光學透鏡的焦距是固定不變的，而電磁透鏡的焦距是可變的。電磁透鏡焦距f常用的近似公式為：

式中是K常數(shù)，Ur是經(jīng)相對論校正的電子加速電壓，（IN）是電磁透鏡的激磁安匝數(shù)。改變激磁電流可以方便地改變電磁透鏡的焦距。而且電磁透鏡的焦距總是正值，這意味著電磁透鏡不存在凹透鏡，只是凸透鏡。電磁透鏡的像差對分辨率的影響最佳的光學透鏡分辨率是波長的一半。對于電磁透鏡來說，目前還遠遠沒有達到分辨率是波長的一半。以日立H-800透射電鏡為例，其加速電壓達是200KV，若分辨率是波長的一半，那么它的分辨率應該是0.00125nm；實際上H-800透射電鏡的點分辨率是0.45nm，與理論分辨率相差約360倍。什么原因?qū)е逻@樣的結(jié)果呢？原來電磁透鏡也和光學透鏡一樣，除了衍射效應對分辨率的影響外，還有像差對分辨率的影響。由于像差的存在，使得電磁透鏡的分辨率低于理論值。電磁透鏡的像差包括球差、像散和色差。阿貝認為在相干的平行光照明下，透鏡的成像可分為兩步，第一步:平行光(電子束)透過物質(zhì)后產(chǎn)生的衍射光，經(jīng)透鏡后在其后焦面上形成衍射圖樣。第二步:這些衍射圖上的每一點可看作是相干的次波源，這些次波源發(fā)出的光(電子束)在像平面上相干迭加，形成物體的幾何像.阿貝成像原理

物鏡產(chǎn)生的一次放大像需要經(jīng)過中間鏡和投影鏡的放大作用而得到最終的三次放大像。三次放大圖像的總放大倍率放大倍率為

M總=M物M中M投

放大倍率衍射效應的分辨率和球差造成的分辨率孔徑半角α對衍射效應的分辨率和球差造成的分辨率的影響是相反的。提高孔徑半角α可以提高分辨率Δr0，但卻大大降低了ΔrS。因此電鏡設計中必須兼顧兩者。唯一的辦法是讓ΔrS=Δr0，考慮到電磁透鏡中孔徑半角α很?。?0-2-10-3rad），則

那么ΔrS=Δr0，即：整理得：

透射電鏡孔徑半角α通常是10-2-10-3rad；目前最佳的電鏡分辨率只能達到0.1nm左右。三、透射電鏡的結(jié)構(gòu)通常透射電鏡由電子光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其中電子光學系統(tǒng)是電鏡的主要組成部分。透射電鏡的結(jié)構(gòu)

透射電鏡電子光學系統(tǒng)是一種積木式結(jié)構(gòu)，上面是照明系統(tǒng)、中間是成像系統(tǒng)、下面是觀察與記錄系統(tǒng)。照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。電子槍是發(fā)射電子的照明光源。聚光鏡是把電子槍發(fā)射出來的電子會聚而成的交叉點進一步會聚后照射到樣品上。照明系統(tǒng)的作用就是提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度好、束流穩(wěn)定的照明源。

電子槍電子槍是透射電子顯微鏡的電子源。常用的是熱陰極三極電子槍，它由發(fā)夾形鎢絲陰極、柵極帽和陽極組成，（a）為電子槍的自偏壓回路，自偏壓回路可以起到限制和穩(wěn)定束流的作用。（b）是電子槍結(jié)構(gòu)原理圖。在陰極和陽極之間的某一地點，電子束會集成一個交叉點，這就是通常所說的電子源。交叉點處電子束直徑約幾十個微米。燈絲聚光鏡聚光鏡用來會聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)第一聚光鏡是強激磁透鏡，束斑縮小率為10～50倍左右，將電子槍第一交叉點束斑縮小為1～5μm；而第二聚光鏡是弱激磁透鏡，適焦時放大倍數(shù)為2倍左右。結(jié)果在樣品平面上可獲得2～10μm的照明電子束斑。

從聚光鏡到物鏡成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)主要由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。（一）物鏡物鏡是用來形成第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。透射電子顯微鏡分辨本領的高低主要取決于物鏡。因為物鏡的任何缺陷都被成像系統(tǒng)中其它透鏡進一步放大。欲獲得物鏡的高分辨率，必須盡可能降低像差。通常采用強激磁，短焦距的物鏡。物鏡是一個強激磁短焦距的透鏡，它的放大倍數(shù)較高，一般為100-300倍。目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達0.1nm左右。

物鏡物鏡的分辨率主要取決于極靴的形狀和加工精度。一般來說，極靴的內(nèi)孔和上下級之間的距離越小，物鏡的分辨率就越高。為了減少物鏡的球差，往往在物鏡的后焦面上安放一個物鏡光闌。物鏡光闌不僅具有減少球差，像散和色差的作用，而且或以提高圖像的襯度。在用電子顯微鏡進行圖像分析時，物鏡和樣品之間和距離總是固定不變的，（即物距L1不變）。因此改變物理學鏡放大倍數(shù)進行成像時，主要是改變物鏡的焦距和像距（即f和L2）來滿足成像條件。

（二）中間鏡中間鏡是一個弱激磁的長焦距變倍透鏡，可在0-20倍范圍調(diào)節(jié)。當M>1時，用來進一步放大物鏡的像；當M<1時，用來縮小物鏡的像。在電鏡操作過程中，主要是利用中間鏡的可變倍率來控制電鏡的放大倍數(shù)。如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合，則在熒光屏上得到一幅放大像，這就是電子顯微鏡中的成像操作。如果把中間鏡的物平面和物鏡的后焦面重合，則在熒光屏上得到一幅電子衍射花樣，這就是電子顯微鏡中的電子衍射操作。（三）投影鏡投影鏡的作用是把經(jīng)中間鏡放大（或縮小）的像（電子衍射花樣）進一步放大，并投影到熒光屏上，它和物鏡一樣，是一個短焦距的強磁透鏡。投影鏡的激磁電流是固定的。因為成像電子束進入投影鏡時孔鏡角很?。s10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。即使改變中間鏡的放大倍數(shù)，使顯微鏡的總放大倍數(shù)有很大的變化，也不會影響圖像的清晰度。有時，中間鏡的像平面還會出現(xiàn)一定的位移，