1、123光学显微镜光学显微镜(OM)(OM)： （可见光光源）光束光源）光束经经玻璃透镜玻璃透镜放大成像放大成像透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)(TEM)： （电子枪光源）电子束光源）电子束经经电磁透镜电磁透镜放大成像放大成像成像原理的共同特点：4超高真空变温扫描探针显微镜5扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM) (STM) ： 扫描扫描探针为锐利的探针为锐利的钨丝针尖钨丝针尖原子原子力显微镜力显微镜(AFM) (AFM) ： 扫描扫描探针为连接在灵敏探针为连接在灵敏的的微微悬臂悬臂上的上的Si Si或或Si Si3N N4材料的材料的锥形针尖锥形针尖成像原理的共同特点：6扫描电子显微镜扫
2、描电子显微镜(SEM) (SEM) ： 扫描探针为电子束扫描探针为电子束扫描激光共聚焦显微镜扫描激光共聚焦显微镜(SLCM): (SLCM): 扫描探针为扫描探针为激光束激光束7人眼的最大分辨能力为人眼的最大分辨能力为 0.073 mm (0.2 mm)0.073 mm (0.2 mm)光学显微镜光学显微镜的分辨极限约为的分辨极限约为 0.2 0.2 m m透射电子显微镜透射电子显微镜的分辨极限的分辨极限 0.1 0.1 nmnmSTM STM 水平方向分辨率：水平方向分辨率：0.05 nm0.05 nm 垂直垂直方向分辨率：方向分辨率：0.01 nm0.01 nm；AFM AFM 水平方向分
3、辨率：水平方向分辨率：12 nm12 nm 垂直垂直方向分辨率：方向分辨率：0.01 nm0.01 nm 8Ernst RuskaElectron Microscopy, 1938Surface Science 1983, Vol 126, 236-244Gerd BinnigH.Rohrer1986 Nobel Prize1987荷兰科学家荷兰科学家 F. Zernike, 19351935年发现年发现相差原理并成功地用在显微镜上，相差原理并成功地用在显微镜上， 19411941年在年在ZeissZeiss公司制造出第一台商业公司制造出第一台商业相差显微镜，相差显微镜， 19531953年年
4、ZernikeZernike获得获得Nobel Nobel Prize(Prize(物理物理) )91011(a) vnsinsinvn112221=2) 反射定律和折射定律反射定律和折射定律：在光线射到两种各向同性均匀介质 的界面上时，可以产生反射和折射。n1sin = n1sin = n2sin折射定律 1) 光的直线传播定律光的直线传播定律：在均匀介质中光沿着直线传播。n1n2v1v2介质介质1介质介质2V: 转播速度 : 波长12Ex.Ex. 色散现象的实验观察色散现象的实验观察波长波长nm 色觉色觉 种类种类120380 不可见不可见 紫外光紫外光380430 紫紫 430460 蓝
5、蓝460500 靛靛500550 绿绿 可见光可见光550600 黄黄600660 橙橙660760 红红76010,000 不可见不可见 红外光红外光133) 光路的可逆性原理光路的可逆性原理：当光线的前行方向返转时，它将沿 同一原路径，向相反的方向传播。理想几何光学的基本定律是设计透理想几何光学的基本定律是设计透镜、反射镜和某些光学仪器的依据镜、反射镜和某些光学仪器的依据14S:物距 S:像距物像凸透镜fff :焦距 三条理想光线确定薄透镜成像的位置和大小三条理想光线确定薄透镜成像的位置和大小凸透镜成像：1/S + 1/S = 1/f放大倍数：=SMS=ABAB15凹透镜凸透镜只能用眼睛透
6、过凹透镜看到实物的同侧有一正立、缩小的虚像物物与像的关系与像的关系物的位置像的位置像的大小像的虚实像的正倒S = S = f缩成极小实倒立S 2ff S 2f缩小实倒立S = 2fS = 2f等大实倒立f S 2f放大放大实实倒立倒立S = f不成像S 03. 电磁透镜存在磁转角: 实像与物像之间的相对位相 为: 180 虚像与物像之间的相对位相 为: 2. 激磁电流改变, 电磁透镜的焦 距、放大倍数也相应变化.物距 L相距 L放大倍数 M像的虚实正反 2f2f L f L f 2f1实反 f 1虚正磁透镜的物像关系磁透镜的物像关系电磁透镜的特点：电磁透镜的特点：33 光学透镜中，已能把玻璃透
7、镜所造成的像缺陷减少到衍射引起的像缺陷的数值，但在电磁透镜中，由于只有正透镜，消除磁透镜的像差要比光学透镜难得多。电镜中的像差分为两类：1）几何像差几何像差：因旁轴条件不满足而引起的，是折射介质几何形状的函数。主要指球差球差、像散像散和像畸变像畸变。电磁透镜的像差电磁透镜的像差34正球差桶形畸变负球差枕形畸变磁转角旋转畸变 球差除了影响透镜分辨本领外,还会引起图像畸变。像像畸变畸变 球差球差透镜的旁轴区域与非旁轴区域的磁场对电子束的折射能力不同，具有最小直径散焦斑的位置为最佳聚焦点: 孔径半角S：球差引起的散焦斑直径rs 3Spherical aberrationdistortion 由于透镜
8、对边缘区域的聚焦能力比中心部分大，反映在像平面上，像的放大倍数将随离轴径向距离的不同而产生不同程度的位移，但图像仍然是清晰的。35电磁透镜的像畸变 像像散散透镜磁场的非旋转对称造成,由旁轴电子引起。可通过消像散器来消除rA astigmationA：像散引起的散焦斑直径图像在某些方向上发生了变形低倍下的菲低倍下的菲涅尔涅尔条纹观察：条纹观察：欠欠焦时为白色边缘，过焦时为黑色边缘，焦时为白色边缘，过焦时为黑色边缘，正焦则无衬度正焦则无衬度，如果如果有像散，会出现黑白混合有像散，会出现黑白混合边缘！边缘！欠焦欠焦过焦过焦正焦正焦像散像散36像散的校正像散的校正(Stigmatism)1947，Ja
9、mes Hillier等在透镜极靴的等在透镜极靴的间隙加入间隙加入8个轴对称分布的小螺钉个轴对称分布的小螺钉37 色差色差加速电压的稳定性: 3eV样品的非弹性散射: 550eV EErc 电子束中，电子的波长或能量不同而引起，与旁轴条件无关。chromatic aberrationC：色差引起的散焦斑直径2）色差：色差：由于电子光学折射介质的折射率随电子速率不同而造成的。38仪器仪器本身分辨本领的限制本身分辨本领的限制 a. 光学透镜的球差可通过玻璃透镜的形状改变或适当组合来消除， 而电磁透镜的球差球差随孔径半角的增大急剧增大，增大急剧增大，比较难消除。610sin6100.n.r磁透镜:
10、n1, 2 =35sin b. 电子束成像时也存在衍射效应，衍射引起的埃利斑埃利斑的大小是随孔 径半角的减小而增大减小而增大：3sr在电磁透镜里，对在电磁透镜里，对电镜分辨率影响最大的是衍射效应和球差。电镜分辨率影响最大的是衍射效应和球差。2.(c) 影响电磁透镜影响电磁透镜分辨率极限的因素分辨率极限的因素39远小于远小于理论极限理论极限! 样品厚度的限制：样品厚度的限制： 电子束受样品原子内、外层电子的非弹性散射，由此造成较大电子束受样品原子内、外层电子的非弹性散射，由此造成较大的色差的色差( rc )。只有在极薄区域成像，。只有在极薄区域成像， 色差引起的散焦斑色差引起的散焦斑 rc 才有
11、可才有可能小于能小于 rmin。磁透镜的球差系数，一般透射电镜 Cs 3mm, rmin 2.53 高分辨电镜 Cs B的区域，入射电子受晶体原子散射的机会较少。电子经过晶格间的通道深入到晶体内部才发生散射，使样品上方检测到的背散射电子信号较弱，尤其对于大的变形小、结构完善的单晶样品，可获得表层100的电子通道花样图，图上衬度带(亮带)的方位就是相应衍射晶面的方位，亮带的宽度取决于衍射晶面B角的大小，衬度带之间的夹角等于相应晶面之间的夹角，对其指数化，就可知道对于微区的晶体学取向及晶格完善性的资料。电位衬度:如果被观察表面不同微区的电位不同，能量较低的二次电子会从电位低的地方跑到邻近电位高的地
12、方，使该处检测器收集到的二次电子减少，得到因电位差异而表现出衬度的二次电子像。在样品架上装一个可用于检测集成块的特殊样品台，就可观察在外加电压下集成块各条通路是否有故障。 晶体衬度:78Hitachi，日本79探索微观世界的历程探索微观世界的历程 （）透射电镜透射电镜1986年 Ernst Ruska （80岁）德国，获Nobel Prize (物理物理) (发明电镜发明电镜55年后）年后）E. Ruska, 1929年 本科高年级学年论文，从事以短线圈为磁透镜、聚焦成像的实验研究. 获 得了第一批低倍电子光学像(1.3倍) 1931年 采用二级磁透镜放大,获得16 倍放大像 1933年 安装
13、了聚光镜等,获得12,000 倍放大像 1934年 获柏林技术学院工学博士学位“电子显微镜的磁透镜” 1939年 第一台商业电镜(西门子公司支持), 有聚光镜、配极靴的物镜、投影镜， 可更换样品和底片, 30,000实现直接观看原子的千年梦想 1926年 H. Busch, 发表了磁聚焦的理论文章，指出：电子束通过轴对称电磁场时，可以 聚焦，如同光线通过玻璃透镜可以聚焦一样，因此，可以用电子成像，而电子的 波长比光波波长短得多. 几何电子光学的基础几何电子光学的基础 1940年 H. Boersch，发现并解释了成像中的电子衍射现象，首创了选区电子衍射技术， 实现了形貌观察与结构分析的统一.
14、M. Mahl，将复型技术用于冶金研究1895年 W.C. Rntgen，发现X射线1897年 J.J. Thomson， 发现电子1897年 C.F. Braun， 用阴极射线管制成了示波器1912年 Laue和Bragg父子发现晶体对X射线的衍射1923年 De Broglie 提出波粒二象性原理1927年 Davisson和Thomson分别发现电子衍射8020世纪5060年代的衍射成像阶段，对厚度为几百纳米的薄晶体中的缺陷进行观察，形成了透射电子显微学（TEM）。70年代兴起的对厚度约10nm的极薄晶体进行高分辨结构像和原子像的直接观察阶段，形成高分辨电子显微学（HREM)。80年度以
15、后发展起来的对纳米尺寸区域结构和成分的微小变化，进行研究和分析的高空间分辨分析电子显微学（HSRAEM）。电子计算机技术的应用，成像系统和操纵系统的设计日益新颖、精确和科学。是受固体科学（包括材料科学、地质学和矿物学等）、生命科学、微电子信息科学等的推动，电子显微镜的分析功能日益扩大。818283冷冻电镜与三维重构观察生物等软物质样品电镜研究生物试样时遇到的主要困难：电镜研究生物试样时遇到的主要困难：1. 生物试样主要由组成，对电子的，像的。 重金属元素负染负染法可以增加像的衬度，但所观察到的是大分子的“负复型负复型”，即成像的是分子的外型及大小，而不是其内部结构，因此，分辨率分辨率不高不高。
16、2. 观察过程中容易产生，因此，只能允许很的辐照， 其躁声高，衬度差。3. 电镜的，实际观察的不是一个横截面而是，也就是试样中全部结构内容在电子束方向重叠电子束方向重叠在一起，图像往往不清晰。4. 电子显微像随电镜的工作条件而变化，如欠焦量、相差等都会使像的衬度发生变化。解决办法：解决办法：1.放弃一般的染色，采用低剂量辐照（0.5电子/平方）2. 将液相中的样品骤冷到玻璃态以下，保持在低温下观察。84液体乙烷防止形成冰晶858687T. P. LodgeMulticompartment Micelles from ABC Miktoarm Stars in Water88On the Ori
17、gins of Morphological Complexity in Block Copolymer Surfactants18 APRIL 2003 VOL 300 SCIENCEPB-PEO Morphology diagram for PB-PEO in water (1 wt%) as a function of molecular size and composition, where NPB and wPEO are the degree of polymerization and weight fraction of the PB and PEO blocks, respect
18、ively. Four basic structural motifsbilayers (B), Y-junctions (Y), cylinders (C), and spheres (S)have been identified by cryo-TEM, as illustrated in the micrographs, (A to C). Bars (A to C), 100 nm.F. S. BatesA surprising result: network formation in two-component dilute aqueous solutions of PB-PEO.P
19、revious experiments with relatively low molecular weight macromolecular surfactants produced three basic structural elements: spheres (S), cylinders (C), and bilayers (B). Here we demonstrate the formation of “Y-junctions,” which assemble into a dense, three-dimensional network (N) accompanied by ma
20、croscopic phase separation. Evaluated with cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) 89Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8859 8862Figure 1. TEM analysis of aggregates of PNOEGPNGLF (1). a) Conventional TEM using negative staining; b) cryoTEM image of a vitrified film; c) gallery of z slice
21、s showing different cross sections of a 3D SIRT (simultaneous iterative reconstruction technique) reconstruction of a tomographic series recorded from the vitrified film in (b); d,e) visualization of the segmented volume showing d) a cross section of the aggregate and e) a view from within the hydra
22、ted channels.Figure 2. TEM analysis of aggregates of PNOEGPNLVL (2). a) Conventional TEM using negative staining; b) cryoTEM image of a vitrified film; c) gallery of z slices showing different cross sections of a 3D volume reconstructed from a tomographic series recorded from the vitrified film in (
23、b); d) visualization of the segmented volume before and after (inset) artificial thinning; e) skeletonization of the aggregate structure highlighting the branching points (arrows) and loops in the aggregate.负染负染负染负染902) 球差的消除n1935.2.14，H. Rose (Bremen，德国)，Darmstadt大学获物理学学士，硕士，博士n1998，Jlich (1990Rose的设计方案)n两个共轴六角电磁透镜：第一个透镜产生的二级像差被第二个透镜抵消n旋转对称的三级像差可以通过校正器的电流改变和调节，使校正器的三级像差与物镜的像差相同而相反91球差校正器的位置球差校正器的位置一般位于物镜的下方，选区光阑的上方一般位于物镜的下方，选区光阑的上方92Ex: 球差校正器的应用晶界的高分辨图像93位错的高分辨图像94纳米颗粒的观察95球差校正电镜的发展FEI，JEOL都在着力发展都在着力发展Cs和和Cc校正器校正器9697
