1、2022-8-17第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析第四章电子显微镜分析基础基础第四章电子显微镜分析基础 人眼分辨极限只有人眼分辨极限只有0.2mm 光学显微镜的分辨极限是光学显微镜的分辨极限是0.1m 电子显微镜的分辨率普遍达到电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm 最好的电最好的电子显微镜的分辨率已经达到子显微镜的分辨率已经达到0.07nm 一般原子、离子半一般原子、离子半径大约在径大约在0.1nm左右左右 在电子显微镜下可以直接观察到分子在电子显微镜下可以直接观察到分子 甚至原子的世界甚至原子的世界 这这个分辨能力比人眼高出了近个分辨能力比人眼高出了近100万倍万倍 比最好的光学
2、显微比最好的光学显微镜也高出了镜也高出了1000倍倍 第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础分辨率定义分辨率定义:当两个当两个Airy斑中心间距等于斑中心间距等于Airy斑半径时斑半径时 物平面上相应的两个物点的间距物平面上相应的两个物点的间距(ro)n最大最大:1.5 最大最大:75波长越长波长越长 分辨率越差分辨率越差Ro第四章电子显微镜分析基础单位单位:nm光学显微镜放大倍数光学显微镜放大倍数:10001500第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础2.1 电子束流的特点电子束流的特点1924年德步罗意年德步罗意(Brog
3、lie De)证明粒子在高速运动时候证明粒子在高速运动时候会发射出一定波长电磁辐射这种波的波长会发射出一定波长电磁辐射这种波的波长()与粒子与粒子运动速率运动速率(v)、粒子质量、粒子质量(m)之间存在着以下关系：之间存在着以下关系：式中式中h为普朗克为普朗克(Planck)常量常量第四章电子显微镜分析基础 电子显微镜中电子在真空镜柱里运动的速率与加速电压电子显微镜中电子在真空镜柱里运动的速率与加速电压密切相关根据能量守恒定律：密切相关根据能量守恒定律：式中式中e为电子电荷绝对值为电子电荷绝对值V为加速电压为加速电压(kV)为电子运动速为电子运动速度度m为电子的质量从上式可以得到电子运动的速率
4、为：为电子的质量从上式可以得到电子运动的速率为：加速电压比较低时电子运动速率比光速小的多它的质量加速电压比较低时电子运动速率比光速小的多它的质量近似等于电子静止质量即近似等于电子静止质量即 将将 代入代入 整理可以得到：整理可以得到：低电压低电压第四章电子显微镜分析基础把把h6.6210-34Js、e1.6010-19C、m09.1110-31kg数值代入上式可以得到：数值代入上式可以得到：加速电压比较高时电子波长计算必须引入相对加速电压比较高时电子波长计算必须引入相对论校正，其表达式为：论校正，其表达式为：把把h、m0值代入得：值代入得：第四章电子显微镜分析基础电子波长比可见光波长短得多电子
5、波长比可见光波长短得多利用电子作为光源可以大大提高显微镜的分辨本领和利用电子作为光源可以大大提高显微镜的分辨本领和有效放大倍数有效放大倍数只要能够造出使电子聚焦的透镜就能获得高分辨率、只要能够造出使电子聚焦的透镜就能获得高分辨率、高放大倍数的图像高放大倍数的图像第四章电子显微镜分析基础2.2 电子在电磁场中的运动电子在电磁场中的运动 运动的电子束流在受到电场或磁场作用时会改变前进的运动的电子束流在受到电场或磁场作用时会改变前进的轨迹和运动方向轨迹和运动方向 并且不同的磁场对电子运动轨迹的影并且不同的磁场对电子运动轨迹的影响也不会相同响也不会相同 电子束流在电磁场中发生弯曲电子束流在电磁场中发生
6、弯曲 即可折射即可折射性性 类似于自然光线通过玻璃透镜时的情况一样类似于自然光线通过玻璃透镜时的情况一样 第四章电子显微镜分析基础静电透镜静电透镜第四章电子显微镜分析基础磁透镜的聚焦原理磁透镜的聚焦原理ABCD第四章电子显微镜分析基础 当一个电子在磁场中运动的时候当一个电子在磁场中运动的时候 如果它平行于磁场的磁如果它平行于磁场的磁力线方向力线方向 就不受外力影响就不受外力影响 外力使电子在一个包含电子运动方向和外力使电子在一个包含电子运动方向和垂直于磁力线方向垂直于磁力线方向的平面上运动的平面上运动 如果磁场强度是常数如果磁场强度是常数 电子运动轨迹在电子运动轨迹在垂直于磁力线的平面上描绘出
7、一个圆垂直于磁力线的平面上描绘出一个圆 这个圆的半径这个圆的半径(r)由向心力和电磁场力所决定由向心力和电磁场力所决定 可以由下面可以由下面的方程式表达：的方程式表达：ABC第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础 电磁透镜的物距电磁透镜的物距L1、像距、像距L2和焦距和焦距f之间的关之间的关系也可以用光学显微镜成像原理公式表达：系也可以用光学显微镜成像原理公式表达：电磁透镜的像放大倍数电磁透镜的像放大倍数(M)也可以用下式表明：也可以用下式表明：第四章电子显微镜分析基础强磁透镜第四章电子显微镜分析基础2.3 电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长第四
8、章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础 式中式中Cs表示电磁透镜球差系数表示电磁透镜球差系数 表示电磁透镜孔径半角表示电磁透镜孔径半角 从上式看从上式看 球差最小散焦斑半径与球差系数成正比球差最小散焦斑半径与球差系数成正比 与孔与孔径角径角3成正比成正比增加极靴孔隙中的磁场强度增加极靴孔隙中的磁场强度 就会降低球面像差系数就会降低球面像差系数 在电在电子束的路径上放置一个适当大小的光栏子束的路径上放置一个适当大小的光栏 就能减小电子就能减小电子束发射角束发射角 因而就减小了球面像差因而就减小了球面像差 但光栏孔太小就会使但光栏孔太小就会使衍
9、射像差变得明显衍射像差变得明显 需要适当选择光阑需要适当选择光阑 第四章电子显微镜分析基础（2）像散）像散 像散是电磁透镜磁场非旋转对称引起的像差像散是电磁透镜磁场非旋转对称引起的像差 主要原因主要原因:极靴材料不均匀极靴材料不均匀 机械加工的精度差机械加工的精度差 电子束路径电子束路径污染污染 一般采用消像散器来消除像散一般采用消像散器来消除像散 像散严重时像散严重时 则需要清洗电则需要清洗电镜镜 甚至更换极靴甚至更换极靴 像散焦斑半径可以表示为：像散焦斑半径可以表示为：式中式中fA为由透镜磁场非旋转对称产生的焦差为由透镜磁场非旋转对称产生的焦差 为透镜的半孔径角为透镜的半孔径角第四章电子显
10、微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础（3）色差）色差 色差是由于成像电子波长（或能量）变化引起电磁透镜焦色差是由于成像电子波长（或能量）变化引起电磁透镜焦距变化而产生的一种像差距变化而产生的一种像差 一个物点散射的、具有不同波长一个物点散射的、具有不同波长（或能量）的电子进入透射磁场后（或能量）的电子进入透射磁场后 如果不能聚焦到一个像点如果不能聚焦到一个像点上上 而分别交在一定的轴向距离范围内而分别交在一定的轴向距离范围内 在轴向距离范围内存在在轴向距离范围内存在着一个最小散焦距着一个最小散焦距 即色差散焦斑即色差散焦斑 其半径其半径rc由下式确定：由下式确定：式中式中Cc表示电子透镜色差系
11、数，随激磁电流增表示电子透镜色差系数，随激磁电流增大（使聚光镜刻度减小）而减小；大（使聚光镜刻度减小）而减小；表示电磁透表示电磁透镜孔半径角；镜孔半径角；E/E表示电子束能量变化率。表示电子束能量变化率。第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础2.3.3 电磁透镜的景深和焦长电磁透镜的景深和焦长 由于电子显微镜采用小孔径由于电子显微镜采用小孔径角成像角成像 所以电磁透镜具有一些重所以电磁透镜具有一些重要的特点要的特点 即即景深很大、焦长很长景深很大、焦长很长（1）景深景深 像平面不动像平面不动(像距不变像距不变)在
12、满足成像在满足成像清晰的前提下清晰的前提下 物平面沿轴线前后可物平面沿轴线前后可移动的距离移动的距离第四章电子显微镜分析基础因此因此 透镜的景深透镜的景深(Df)可以定义为透镜的物平面允许的轴可以定义为透镜的物平面允许的轴向偏差值向偏差值 它与电磁透镜分辨本领它与电磁透镜分辨本领0、孔径半角、孔径半角之间的之间的关系为：关系为：从上式可以看出从上式可以看出 电磁透镜孔径半角越小、景深越大电磁透镜孔径半角越小、景深越大 若若0 1nm 10-210-3弧度弧度 则则Df2002000nm 第四章电子显微镜分析基础（2）焦长焦长物点固定不变物点固定不变(物距不变物距不变)在保持成像清在保持成像清晰
13、的条件下晰的条件下 像平面沿透镜轴线可移动像平面沿透镜轴线可移动的距离的距离DL与分辨本领与分辨本领0及像点所张的孔径半角及像点所张的孔径半角之间的关系为：之间的关系为：因因 所以所以 M为透镜放大倍数为透镜放大倍数第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础背散射电子除了背散射电子除了与样品形貌有关外与样品形貌有关外 还还与样品成分有密切与样品成分有密切关系关系 平均原子序数高的物相的背散射能力强平均原子序数高的物相的背散射能力强 样品中样品中不
14、同物相对入射电子的背散射能力与不不同物相对入射电子的背散射能力与不同物相各自的平均原子序数大小同物相各自的平均原子序数大小有关有关 平均原子序数大的物相背平均原子序数大的物相背散射能力大背散射系数就高散射能力大背散射系数就高 图图19.12表示背散射系数与原子序表示背散射系数与原子序数的关系数的关系 图图19.12背散射系数背散射系数(iB/ip与原子序数的关系与原子序数的关系)第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础（5）背散射电子、二次电子、吸收电子和透射电子的相互关系背散射电子、二次电子、吸收电子和透射电子的相互关系 如果样品接地保
15、持中性，那么入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度与入射电子强度之间必然满足以下关系：式中ib为背散射电子信号强度，is为二次电子信号强度，ia为吸收电子（或样品电流）信号强度，it为透射电子强度。将上式可以改写为：式中 ，即背散射系数；，即二次电子产额或称发射系数；，即吸收系数；，即透 射系数。所以 。当样品足够厚时，透射系数为0，因此 所以说，吸收系数、背散射系数和电子发射系数三者之间存在互补关系。第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础电子探针分析中电子探针分析中 主要利用主要利用K系的系的K、M系的系的M等等 如图如图所示所示 第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基
16、础 第四章电子显微镜分析基础（3）X荧光射线荧光射线 如果以如果以X射线作为激发源来照射样品射线作为激发源来照射样品 样品会发射次样品会发射次级级X射线射线 这种射线叫做荧光这种射线叫做荧光X射线射线 荧光荧光X射线的产生射线的产生机理与特征机理与特征X射线相同射线相同 只是前者采用了只是前者采用了X射线作为激发射线作为激发源源 而后者采用了高能量的电子作为激发源而后者采用了高能量的电子作为激发源 因此从本质因此从本质上看都是特征上看都是特征X射线射线 如图如图19.14所示所示 第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础3.1.3 俄歇电子俄歇电子 当原子的内层电子在高能量的入射电子作
17、用下电离后当原子的内层电子在高能量的入射电子作用下电离后 处于激发态的原子恢复到稳定态处于激发态的原子恢复到稳定态 可以经由两种相竞争可以经由两种相竞争的过程：的过程：1.较高能级上的电子充填内层空穴较高能级上的电子充填内层空穴 多余的能量以特多余的能量以特征征X射线辐射释放射线辐射释放 第四章电子显微镜分析基础2.内层空穴被释放外层的电子充填内层空穴被释放外层的电子充填 多余的能量以无辐射多余的能量以无辐射过程轰击第二个电子过程轰击第二个电子 并使之发射出来并使之发射出来 这种电子称为这种电子称为俄歇电子俄歇电子 这一过程即俄歇跃迁这一过程即俄歇跃迁 图图19.15表示高能量的表示高能量的电子使原子的电子使原子的K电离激发后的俄歇跃迁过程电离激发后的俄歇跃迁过程 第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础第四章电子显微镜分析基础2022-8-17第四章电子显微镜分析基础
