材料分析测试方法第十五节电子显微镜的发展趋势

一、电子显微镜的发展
（5）现代透射电镜的主要技术 I.90年代，物镜球差系数校正器的问世，将球差系数从0.3~0.5mm降 低到小于0.05mm，场发射透射电镜分辨率提高到信息分辨率，即从
0.19nm提高到小于0.1nm； r0 0.49Cs1/43/4
II.照明亮度高和能量发散小的场发射电子枪的普及、极大改善电子 单色性的能量过滤器的问世，使能量分辨率小于0.1eV ； III.可实现电子显微像和电子衍射花样数字化的慢扫描CCD和电子 成像板的使用 ； IV.仪器的计算机控制等都成为现代高性能分析电子显微镜的基本 特征。
一、电子显微镜的发展
（6）扫描电子显微镜与电子探针的发展 1965年英国剑桥科学仪器有限公司（Cambridge Scientific Instruments Ltd），开始生产商品扫描电镜。 70年代后，扫描电镜的普及程度超过了透射电镜； 80年代后，扫描电镜的制造技术和成像性能提高很快； 采用场发射电子枪的超高分辨SEM的分辨本领已高达0.6nm，接 近TEM的水平。
超高真空的场发射电镜：场发射电子枪可以获得很高的亮度，分 辨率为0.2~0.3nm，接近透射电镜的分辨率； 附加在TEM或SEM上的STEM：分辨率较低；
一、电子显微镜的发展
（10）超高压透射电镜HVEM
超高压电子显微镜通常是指加速电压 在500KV以上的TEM；
特点：体积很大，两三层楼高；结构 复杂；
一、电子显微镜的发展
（9）场发射扫描透射电镜STEM 由美国芝加哥大学的A.V.Crewe教授在70年代初期发展起来的。 试样后方的两个探测器分别逐点接收未散射的透射电子和全部散
射电子。弹性和非弹性散射电子信号都随原子序数而变。环状探测器 接收散射角大的弹性散射电子。重原子的弹性散射电子多，如果入射 电子束直径小于0.5nm，且试样足够薄，便可得到单个原子像。
电子枪
U K
D
电子束
探测器 B
G
镍单晶
图 戴维森的低速电子衍射实验装置结构图
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（2）两个重要的发现
德布罗意波的实验验证--电子衍射实验2
几乎同时，英国物理学家G.P. Thompson & Reid也独立完成了电子衍射实验。上万伏 电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后， 也像X射线一样产生衍射现象。
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（7）扫描电子显微镜的优点与缺陷 可做综合分析： a) SEM装上波谱仪（WDS）或能谱仪（EDS）后，在观察扫描形貌图像的 同时，可对试样微区进行元素分析。 b)装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失 效部位的情况。 c)装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却 、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
阴极 栅极
K
G
多晶 薄膜
Cs
U
高压
屏P
图 G.P.汤姆生的高速电子衍射实验装置 图 G.P.汤姆生早期的电子衍射图像
一、电子显微镜的发展
（2）两个重要的发现 1926年，德国科学家Garbor和H.Busch发现用铁壳封闭的铜线圈对电 子流能折射聚焦，可作为电子束的透镜；指出：“具有轴对称性的 磁场对电子束来说起着透镜的作用” ，发现旋转对称非均匀磁场可 作为电磁透镜。1926年，H.Busch奠定电子几何光学理论。
一、电子显微镜的发展
（3）早期的Biblioteka Baidu射电子显微镜
20世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性，使电 子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。 在透射电镜中，聚光镜、物镜、中间镜下都安装有消像散器，其中物镜的消 像散最重要，也相对来讲比较复杂，尤其是在做高分辨时。
一、电子显微镜的发展
一、电子显微镜的发展
（4）近代透射电镜的三个重要发展阶段 II、高分辨像理论（70年代初）： 1970年又研制出3MV的电镜。 1975年，美国阿利桑那州立大学物理系J.M.Cowley，出版了《衍射 物理》，奠定了位相衬度理论，发展了高分辨电子显微像的理论与 技术。使晶体结构中原子的电镜成像得到了解释，推动了高分辨原 子像的直接观察以及提供了电子显微镜提高分辨率的技术基础。 70年代，用于成分分析的X射线能谱仪和电子能量损失谱仪开始使 用； 70年代后，透射电镜的点分辨率达0.23nm，晶格（线）分辨率达0.1 nm。
一、电子显微镜的发展
（8）扫描电子显微镜与电子探针的发展 环境扫描电镜(Environmental Scanning Electron Microscopy, ESEM)，可以 在电子显微镜中观察湿的样品和不涂导电层的样品（如生物样品等）。
（c）在样品室处于高压强环境下仍然能起作用的二次电子探头。 ESEM的二次电子探头位于样品正上方，探头上施以数百伏的正电压以吸引由 样品发射出来的用于成像的二次电子。二次电子在探头电场中加速，并与样品 室中的气体分子碰撞、电离过程多次重复，使初始二次电子信号呈连续比例级 数放大而无须再使用光电倍增管。 环境扫描电子显微镜可以做到： 真正的“环境”条件，样品可在100%的湿度条件下观察； 生物样品和非导电样品不要镀膜，可以直接上机进行动态的观察和分析； 可以“一机三用”：高真空、低真空和“环境”三种工作模式。
（3）早期的透射电子显微镜 样品制备 生物样品： A、样品要薄：50~60nm；超薄切片机； B、样品的精细结构要保持好：取材，固定，脱水，包埋，固化等； C、样品要有一定的反差：双染色； 由于生物样品含水太多，在电镜真空样品室中会被蒸发掉从而破坏 结构，所以需要一些能够把水温和取代掉、并且自身没有结构的物 质，这就是树脂包埋剂。正因为生物脆弱、结构容易破坏，所以才 需要温和的制样方法。
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（2）两个重要的发现
1924年，法国科学家De Brogli提出物质波理论；
1926年，Schroedinger及Heisenberg等人发展量子力学，树立电子波粒 二象性的理论基础。
经100kV加速的电子，其波长为0.0037nm。
电子既然有波动性，则应该有衍射现象；TEM等电子显微镜是量子 力学发展的产物。
一、电子显微镜的发展
（8）扫描电子显微镜与电子探针的发展
环境扫描电镜(Environmental Scanning Electron Microscopy, ESEM)，可 以在电镜中观察湿的样品和不涂导电层的样品（如生物样品等）。
开发ESEM的关键是取消对样品室高真空的限制： （a）将镜筒与样品室的真空环境分开。将两个相距很 近的限压光阑放入镜筒的最后一组透镜中使其合为一 体。在多重限压光阑之下、之间、之上分别抽气以提 供一个压强逐渐变化的真空；样品室可以低至5000Pa ，而镜筒中可达10-3Pa或更高。由于光阑孔放置很近， 减少了电子束通过高气压段的距离。 （b）对样品室真空度要求降低。从结构上使得样品室 的距离d减小，样品室压强较高时，仍然能获得较高的 成像电流；
h
mv
1 mv2 eV 2
1.225
(nm)
U (1 0.9788 106U )
一、电子显微镜的发展
（2）两个重要的发现 德布罗意波的实验验证--电子衍射实验1 1927年，戴维森与革末（C.J. Davisson & G.P. Germer）用电子束垂直投射到镍单晶，随着镍的 取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很 像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度 分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。
一、电子显微镜的发展
（7）扫描电子显微镜的优点与缺陷 SEM在具有诸多优点的同时，也有一定的缺陷： 样品必须干净、干燥：对各种各样的含水样品不能在自然状态下观察 ，对挥发性样品也不能观察； 样品必须有导电性：导电涂层又带来了新问题，涂层是否会显著地改 变样品外貌？涂层后的样品图像是涂层图像而非样品图像，这两者是否 完全相同？ 常规信号探头使用光电倍增管放大原始成像信号，它对光、热非常敏 感，因此不能观察发光或高温样品。成像过程中观察窗、照明器不能打 开，给观察过程带来极大不便。
一、电子显微镜的发展
（3）早期的透射电子显微镜 样品制备： 薄膜直接制备：电解法；离子减薄法； 1949年，Heidenreich成功用电解减薄的方法制备了铝试样（Al foil），实现了对金属样品的直接TEM观察； 复型技术：塑料、碳膜复型技术； 粉末、纳米材料样品制备；
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（4）近代透射电镜的三个重要发展阶段 I、像衍理论(50－60年代)： 60年代后，电镜开始向高电压（HV）、高分辨率（HR）发展， 100~200kV的电镜逐渐普及； 1960年，法国研制了第一台1MV的电镜； 1956年，英国牛津大学材料系 P.B.Hirsch, M.J.Whelan首次用透射电镜 观察到了金属中的位错，研究位错成为理解金属材料微结构与性能关 系的主要研究热点。 随后，英国剑桥大学物理系 A.Howie等提出了观察和解析位错等晶体 缺陷的衍射衬度理论。 60年代后，< 200kVEM逐渐普及，向高电压、高分辨率d0发展；
一、电子显微镜的发展
（3）早期的透射电子显微镜 1931年，德国物理学家卢斯卡 (Ernst Ruska)等，在前面两个发现 的基础上，制出第一台透射电镜； 1932年，分辨率d0=50nm，约为光 学显微镜的十倍；
TEM的基本结构：电子光学系统、 真空系统、循环冷却系统和控制系 统。
1939年，西门子公司开始批量生产 销售透射电镜；分辨率d0=10nm；
材料分析测试方法 第十五节电子显微
镜的发展趋势
电子显微镜的发展趋势
一、电子显微镜的发展 二、现代电子显微镜 三、
一、电子显微镜的发展
（1）电子的发现与晶体结构 电子显微镜的发展，可远溯自 1897 年英国物理学家J.J. Thomson 发现电子；发现磁场与电场对电 子有偏折现象； 1912年von Laue发现X光衍射 现象，经Bragg父子进一步发展， 奠定X光的波动性和利用电磁波 衍射测试晶体结构的方法；
一、电子显微镜的发展
（4）近代透射电镜的三个重要发展阶段 III、高空间分辨分析电子显微学（ 70年代末，80年代初）
采用高分辨电子显微镜（HREM），能谱（EDS）、能量损失谱（ electron energy loss spectroscopy, EELS）、会聚束衍射（Convergentbeam Electron Diffraction, CBED）、微衍射、表面形貌观察（SED、 BED和STEM）等，能够高空间分辨率对很小范围（～5Å）进行微区电 子显微研究（像形貌分析、晶体学分析和化学成分分析等； 70年代初：高分辨透射电子显微术——观察原子、分子结构的手段。 70~80年代，出现联合分析电镜，电镜计算机控制和制样设备日趋完善 ，电镜已成为多功能综合性分析仪器（分析型透射电镜）； TEM 已经成为材料表征的最为有效而全能的工具。
一、电子显微镜的发展
（6）扫描电子显微镜与电子探针的发展 扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)作为商品出现较晚： 1935年，Knoll 在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理及设 计思想。 1938：Von Ardenne对扫描电镜的理论、实践进行了详细讨论，并对其 构造进行了描述； 1942：Zworykin等设计出第一台观察块状试样的SEM；1940年英国剑桥 大学首次试制成功扫描电镜。但由于分辨率很差、照相时间过长，因此没 有立即进入实用阶段 1940’：Hillier提出电子探针技术的设想并获专利； 1956：生产出第一台商品电子探针；
一、电子显微镜的发展
（7）扫描电子显微镜的优点与缺陷 SEM分辨本领较高：二次电子像1.0nm(场发射)，3.0nm(钨灯丝)； 放大倍数变化范围大：从几倍到几十万倍，且连续可调； 图像景深大，富有立体感：可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和 陶瓷的断口等）； 试样制备简单：只要将块状或粉末的、导电的或不导电的试样不加处理 或稍加处理，就可直接放到SEM中进行观察，且可使图像更近于试样的真 实状态；