电子显微镜_上传

第二章电子显微镜第一节：引言第二节：电子透镜第三节：透射电子显微镜总体结构第四节：电子与物质相互作用第五节原子受激后的弛豫过程第七节透射电镜的成像衬度第六节电子束产生的其他效应第九节透射电镜应用第十节电子图象的分析第十一节扫描电子显微镜（SEM）主体结构第十二节扫描电子显微镜（SEM）探测器第二章电子显微镜第十六节扫描电子显微镜（SEM）应用第十五节扫描电子显微镜（SEM）试样制备第十四节扫描电子显微镜（SEM）的特点第十三节扫描电子显微镜（SEM）衬度第十七节扫描电子显微镜操作PriorknowledgeforTEM•Nature,chargeandmassofelectron•Atomicstructureintermsofelectronsandnucleus•Theideaoftheconductionbandorvalenceband•Crystallinenatureofmostmaterials•EnergyintermsofeV,kineticenergy•DeBroglie-energy/wavelengthconversions•Anode/cathodeterminology•Deflectionofachargebyamagneticfield•Energytransferinbilliard-ballcollisions•Theconceptofdiffraction•Vectoralgebra(sum,difference,dotproduct,crossproduct)第二章电子显微镜第一节引言人眼的分辨：0.1~0.2mm借助光学显微镜:0.2m能否再提高:可以光学显微镜分辨率:0.61/NANA第二章电子显微镜第一节引言缩短波长:短波光辐射和带电粒子德布罗意假设:粒子的波粒二象性运动微观粒子的波长=h/mu对电子来说:m是电子的质量,u是速度第二章电子显微镜第一节引言初速度为零的电子在电位零到U内加速,获得的速度为当速度u远小于光速c时为:当速度u与光速c可比时为:)(226.120nmUUemh)()109788.01(226.1)21(26200nmUUcmeUUemh第二章电子显微镜第一节引言不同加速电压下电子波的波长加速电压（kV）电子波长(nm)2030501002000.008590.006980.005360.003700.00251第二章电子显微镜第一节引言当加速电压U是100kV时,电子波长为0.0037nm,是可见光波长的十万分之一因此,用电子束作照明源,可极大地提高显微镜的分辨率,这是电子显微镜的理论基础怎样实现?观察：荧光物质和胶片成像问题：聚焦与放大第二章电子显微镜第一节引言1926年,法国物理学家Busch提出了关于电子在电磁场中运动的理论,指出:具有旋转对称性的电磁场对电子来说,可以起到透镜的作用,解决了电子束聚焦问题,使电子显微镜制作成为可能1932年,德国的Knoll和Ruska首先造出了电子显微镜，分辨率达到200nm，1934年他们把分辨率提高到50nm。1940年左右，出现了分辨率在10nm的商品电镜第二章电子显微镜第一节引言50年代，扫描电镜和电子探针得到了迅速发展。70年代后期，透射电镜和扫描电镜各取对方的长处发展成为透射扫描电镜，由于它兼有图象、结构和成分三方面的分析功能，被称作分析电镜。近年来，在扫描电镜基础上，发展起来扫描俄歇电子显微镜。第二章电子显微镜第二节电子透镜电子透镜是能产生旋转对称场的电极系统或线圈,它们对电子束有聚焦作用,如同玻璃光学透镜对光线具有聚焦作用一样有两种形式的电子透镜静电透镜和磁透镜第二章电子显微镜第二节电子透镜静电透镜在电荷与带电物体周围有一种特殊的物质:电场电场对带电粒子的作用力为:F=qE可以分析电子在静电场中的运动,其运动规律与普通光学系统中光线的传播规律相类似第二章电子显微镜第二节电子透镜V1V212U1U2EFU1U2，电场方向向上在等电位面的切向，电子不受力在等电位面的法向，电子加速111sinvvtvvt22sin1221sinsinvvUUv1122121sinsinUU122121sinsinnn第二章电子显微镜第二节电子透镜双圆筒静电透镜示意图第二章电子显微镜第二节电子透镜三圆筒静电透镜原理示意图及结构第二章电子显微镜第二节电子透镜磁透镜运动电荷周围或载流导体的周围存在磁场运动电子在磁场中所受作用力为第二章电子显微镜第二节电子透镜与旋转弯曲电场对电子束有聚焦作用类似,旋转对称磁场对电子束也有类似的会聚作用电子受力分析第二章电子显微镜第二节电子透镜能产生旋转对称的弯曲磁场的装置叫做磁透镜磁场范围比焦距小得多的磁极装置叫做短磁透镜第二章电子显微镜第二节电子透镜短磁透镜的结构图第二章电子显微镜第二节电子透镜磁透镜的特点总是会聚透镜变焦距透镜易于绝缘成像质量好像位差:像有旋转第二章电子显微镜第二节电子透镜电子透镜的像差几何像差和色差主要为:球差,像散和畸变球差:341ssCr很难矫正,在小孔径下应用第二章电子显微镜第二节电子透镜像散:AAfr电磁式消像散器适当地加以补偿和矫正畸变:3abbrCr放大倍数越大,畸变越小色差:EECrcc电子束能量变化率:提高电源的稳定度第二章电子显微镜第二节电子透镜景深02dDf~10-2~10-3d0=1nm,Df=200~2000nm焦深Dl=Df*M2焦深比景深大许多倍。第二章电子显微镜第三节透射电镜总体结构与光学显微镜非常相似所有的透镜都是短磁透镜电子枪和荧光屏第二章电子显微镜第三节透射电镜电子枪结构三极枪原理示意图AThermionicElectronGunfunctionsinthefollowingmanner1Anpositiveelectricalpotentialisappliedtotheanode2Thefilament(cathode)isheateduntilastreamofelectronsisproduced3Theelectronsarethenacceleratedbythepositivepotentialdownthecolumn4Anegativeelectricalpotential(~500V)isappliedtotheWheneltCap5Astheelectronsmovetowardtheanodeanyonesemittedfromthefilament'ssidearerepelledbytheWheneltCaptowardtheopticaxis(horizontalcenter)6AcollectionofelectronsoccursinthespacebetweenthefilamenttipandWheneltCap.Thiscollectioniscalledaspacecharge7Thoseelectronsatthebottomofthespacecharge(nearesttotheanode)canexitthegunareathroughthesmall(1mm)holeintheWheneltCap8TheseelectronsthenmovedownthecolumntobelaterusedinimagingThisprocessinsuresseveralthings:1Thattheelectronslaterusedforimagingwillbeemittedfromanearlyperfectpointsource(thespacecharge)2Theelectronslaterusedforimagingwillallhavesimilarenergies(monchromatic)3Onlyelectronsnearlyparalleltotheopticaxiswillbeallowedoutofthegunarea第二章电子显微镜第二章电子显微镜热阴极发射：在外场作用下，被加热到很高温度的金属或某些化合物会发射电子，即热电子发射。阴极发射电流密度（发射率）Je，可衡量阴极发射能力，它的表达式为)/(220cmAeATJkTee阴极材料应具有尽可能高的熔点和低的逸出功W，Ta，Re和LaB6第二章电子显微镜场发射电子枪高亮度枪，与热发射电子枪结构完全不同0.1~1m的尖端，在强电场中场致发射超高真空下工作W，3000K，10A/cm2，5104A/(cm2sr)LaB6，2000K，100A/cm2，106A/(cm2sr)ZrW，1400K，107A/cm2，109~1010A/(cm2sr)第二章电子显微镜电镜结构：镜筒1照明系统：电子枪与聚光镜2样品室和成像系统3像的观察与记录系统第二章电子显微镜电镜结构：真空系统镜筒内必须保持高真空电子束与空气分子碰撞、高压放电、灯丝氧化、试样污染避免真空度：10－3～10－4Pa真空系统：机械泵+分子泵或扩散泵机械泵：前级泵，10－1Pa，热电偶真空计分子泵：高真空泵，10－4Pa，电离真空计第二章电子显微镜电镜结构：供电系统高压电源、阴极灯丝加热电源、电磁透镜电流电源、真空系统电源、辅助电源（自动控制系统、指示灯、照明等）特点：高稳定性电压和电流不稳：引起色差和球差降低分辨率第二章电子显微镜第三节透射电镜第二章电子显微镜第三节透射电镜第二章电子显微镜第三节透射电镜第二章电子显微镜PhilipsCM20scanningtransmissionelectronmicroscope(STEM)第二章电子显微镜第四节电子束与物质相互作用散射截面电子受原子散射可分为弹性和非弹性散射电子受到原子核和核外电子云势场的散射，相当于电子和整个原子碰撞。由于原子质量远大于电子质量，电子散射后只改变方向而不损失能量，这种散射称为弹性散射。电子既改变方向，又改变能量的散射称为非弹性散射第二章电子显微镜第四节电子束与物质相互作用I=I0e-QtI0：入射电子束强度t：试样厚度Q：电子衰减系数Q：单位体积内的原子对电子的散射作用，称为物质总散射截面若单位体积内有N个原子，一个原子散射截面eQ=Ne=N0e/AN0：阿伏伽德罗常数：试样的密度A：原子量第二章电子显微镜第四节电子束与物质相互作用I=I0e-Qt＝I0e-eN0t/A=I0e-’tt：质量厚度’=eN0/A:质量衰减系统实验结果：加速电压越大，入射电子能量越大质量衰减系数越小，越不易散射V0原子序数越大，散射越严重第二章电子显微镜一、弹性散射截面弹性散射截面是入射电子散射到任意方向的几率，它是微分弹性散射截面的积分dee)(轴对称性0)2(2sin2)2(dee第四节电子束与物质相互作用第二章电子显微镜22222)()sin(2)()2(xefZhmef量子力学推导：))(()sin(1038.2)(210cmfZfx)(1082.2)(13202'cmffcmefxx电子X射线在电镜应用范围，原子对电子的散射比对X射线大107第四节电子束与物质相互作用电子衍射图象可以从很少的试样中获得：晶粒、析出相第二章电子显微镜第四节电子束与物质相互作用不同原子对电子的弹性散射振幅与sin/的关系第二章电子显微镜非弹性散射非弹性散射有不同的机制，分述如下ffinedEdE),(第四节电子束与物质相互作用第二章电子显微镜非弹性散射1单电子激发入射电子使价电子激发到费米能级以上和电离时损失能量较小，使内层电子激发或电离时损失的能量很大。价电子激发几率远大于内层电子的几率入射电子所产生的次级电子绝大部分来自价电子的电离第四节电子束与物质相互作用第二章电子显微镜非弹性散射1单电子激发(1)价电子激发散射截面为2'222442)(4IKKk