第3节电子光学基础.ppt

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1、材料特性表征材料特性表征Characteristic Technique of Materials第三章第三章 电子显微分析电子显微分析第一节 电子光学基础上节课的重点内容上节课的重点内容第一:光学显微镜成像的原理及其概念衍射，阿贝成像原理第二:光学显微镜的技术参数及其概念数值孔径，分辨率，放大率和有效放大 率，光学透镜的像差，焦深、视场宽度、覆盖度、工作距离等第三：光学显微镜的构成第四：几种重要的显微镜技术电子显微分析电子显微分析电子显微分析：是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。它包括用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析(TEM)

2、，用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析(SEM)，用电子探针仪进行的X射线显微分析(EPMA)。电子显微分析的特点电子显微分析的特点电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，它与其他的形貌、结构、成分分析方法相比就有以下特点：(1)可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。分辨率高：0.20.3nm;放大倍数高：2030 万倍(2)是一种微区分析方法，具有高度分辨率，成像分辨率达到0.20.3mm,可直接分辨原子，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。(3)各种电子显微镜分析仪器日益向多功能、综合性方向发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。第一节第一节

3、 电子光学基础电子光学基础电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律研究各种形式对称的电、磁场和电子运动轨迹。第一节第一节 电子光学基础电子光学基础1.1 光学显微镜的局限性1.2 电子的波性以及波长1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领1.6 电磁透镜的场深和焦深分辨本领分辨本领 1)人的眼睛仅能分辨人的眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节的细节2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。光学

4、显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率或分辨率)的限制。的限制。分辨本领分辨本领 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 光学透镜分辨本领光学透镜分辨本领R0的公式：的公式：式中：式中：是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔径半角，

5、是透镜孔径半角，n 是物方介质折射率，是物方介质折射率，nsin或或NA称为数称为数值孔径。值孔径。.61.0sin61.0R0N.An1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 光学透镜分辨本领光学透镜分辨本领R0的公式：的公式：.61.0sin61.0R0N.An1对于可见光的波长在对于可见光的波长在390770nm之间之间2NA值均小于值均小于1，最大只能达到，最大只能达到1.51.6光学显微镜其最大的分辨能力为光学显微镜其最大的分辨能力为200nm增大增大NA值是有限的，解决的办法是减小波长值是有限的，解决的办法是减小波长电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。电磁波谱：电磁辐射按波长顺序

6、排列。射线射线 X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性利用紫外线强烈地吸收利用紫外线强烈地吸收X射线没有办法使其聚焦射线没有办法使其聚焦1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性.61.0sin61.0R0N.An第一节第一节 电子光学基础电子光学基础1.1 光学显微镜的局限性1.2 电子的波性以及波长1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜1.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领1.6 电磁透镜的场深和焦深1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长 随着人们对微观粒子运动的深入认识，

7、随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源，用于显微镜的一种新的照明源，“电子束电子束”被发现了。被发现了。1924年法国物理学家德年法国物理学家德.布罗意布罗意(De Broglie)提出一个假设：运动的微观粒子提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等如电子、中子、离子等)与光的性质之间与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波服从波-粒两象性的规律。粒两象性的规律。1927年年 C.J.Davisson&G.P.Germer 戴维森与戴维森与 革革末用电子束垂直投射到镍末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的

8、单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。关系和衍射理论给以解释。德布罗意波的实验验证德布罗意波的实验验证-电子衍射实验电子衍射实验1KGBDU1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长 CsUKG德布罗意波的实验验德布罗意波的实验验证证-电子衍射实验电子衍射实验2 2同时英国物理学家同时英国物理学家G.P.Thompson&Reid也独立完成也独立完成了电子衍射

9、实验。电子束在穿了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，过细晶体粉末或薄金属片后，也象也象X射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。德布罗意理论从此得到了有力德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得的证实，获得1929年的诺贝尔年的诺贝尔物理学奖金，物理学奖金，Davisson和和Thompson则共同分享了则共同分享了1937年年的诺贝尔物理学奖金。的诺贝尔物理学奖金。1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长这种运动的微观粒子的波长为普朗这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数克常数 h h 对于粒子动量的比值，即对于粒子动量的比值，

10、即mvh对于电子来说，这里，对于电子来说，这里，m m 是电子质量是电子质量kgkg，v v 是电子运动的速度是电子运动的速度m ms s-1-1。SJ.g.例：质量例：质量 m=50Kg的人，以的人，以 v=15 m/s 的速度运动，试的速度运动，试求人的德布罗意波波长。求人的德布罗意波波长。mmvhPh3734108.815501063.6人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。考虑，只考虑其粒子性。1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长eUmv221mvPmeUP2AmeUhPh2-12193134102.7

11、4m1074.2200000106.1101.921063.62电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大电子的德波波长很短，用电子显微镜可放大200万倍。万倍。例：求静止电子经例：求静止电子经 200kV 电压加速后的德波波长。电压加速后的德波波长。解：静止电子经电压解：静止电子经电压U加速后的动能加速后的动能1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长电子的波长与其加速电压（电子的波长与其加速电压（U 伏特）伏特）有关有关）（nmU226.1U150即若被即若被150伏的电压加速的电子，波长为伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。埃。若加速电压很高，就

12、应进行相对论修正。若加速电压很高，就应进行相对论修正。1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长1.2 电子的波性以及波长电子的波性以及波长当加速电压为当加速电压为100kV时，电子束的波长约为时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。本领要高得多。能否制造出使电子波聚焦成像的透镜？能否制造出使电子波聚焦成像的透镜？第一节第一节 电子光学基础电子光学基础1.1 光学显微镜的局限性1.2 电子的波性以及波长1.3 电子在静电场中的运动和电子透镜1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜1

13、.5 电磁透镜的像差和理论分辨本领1.6 电磁透镜的场深和焦深 1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜Uemv 221mUev2电子在静电场中受到电场力的作用将产生电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。加速度。初速度为零的自由电子从零电位到达初速度为零的自由电子从零电位到达U（伏特）电位的时候，电子的速度由加速（伏特）电位的时候，电子的速度由加速电压决定。电压决定。1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜当初速度不为零、运动方向

14、和电场方向不当初速度不为零、运动方向和电场方向不在一条直线上的时候，在一条直线上的时候，电场力不但能改变其电子运动的能量，电场力不但能改变其电子运动的能量，而且也会改变电子的运动方向。而且也会改变电子的运动方向。1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜电场对电子的折射电场对电子的折射sinsin21sinsin12 1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜电场对电子的折射电场对电子的折射meV112sinsin121212VV 1.3.

15、1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜电场对电子的折射电场对电子的折射V150211212VV1212VV 1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜电场对电子的折射电场对电子的折射121221sinsinVV当电子由低电位区进入高电位区时，折射角小于入射角，即电子轨迹趋向于法线，反之，相反。1.3.1 电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜电场对电子的折射电场对电子的折射1

16、221sinsinVV1221sinsinnn介质对光的折射介质对光的折射说明电场中的等电位面是对电子折射率相同的表面，与光学系统中两介质界面起折射作用相同。1.3.2 静电透镜静电透镜定义定义:把能使电子波折射聚焦的具有旋转对称把能使电子波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲面簇的电极装置叫做静电透镜。等电位曲面簇的电极装置叫做静电透镜。静电透镜与一定形状的光学介质界面静电透镜与一定形状的光学介质界面 （如（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面族也可使电子束聚焦成像。面族也可使电子束聚焦成像。1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中的运动和静电透镜 1.3.2 静电透镜静电透镜静电透镜有二极静电透镜有二极式和三极式，他式和三极式，他们分别由两个或们分别由两个或三个具有同轴圆三个具有同轴圆孔的电极（膜片孔的电极（膜片或圆筒）或圆筒）组成。组成。1.3 电子在静电场中的运动和静电透镜电子在静电场中