TEM应用

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引起畸变的原因
当物点离轴较远，不满足旁轴条件1r1≈0时，与球差
一样，畸变也是由于远轴区折射率过强引起的。

经过透镜时，如果径向放大率随着离轴距离的增大
而增大，则出现（b)

经过透镜时，如果径向放大率随着离轴距离的增大
而减小，则出现（c)

当改变励磁时焦距变化，则出现（d)

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0.81I
I
图（c）两个Airy斑 明显可分辨出。
图（d）两个Airy斑 刚好可分辨出。
图（e）两个Airy斑 分辨不出。
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阿贝(Abbe E.K.) 定律 阿贝(Abbe E.K.) 定律
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电子透镜
1）电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力， 使其会聚或发散，从而达到成象的目的。 由静电场制成的透镜—— 静电透镜 由磁场制成的透镜 —— 磁透镜 2）磁透镜和静电透镜相比有如下的优点
磁透镜
1. 改变线圈中的电流强度可 很方便的控制焦距和放大率； 2. 无击穿，供给磁透镜线圈 的电压为60到100伏； 3. 象差小。
sichuanuniversity38cm200feg场发射枪电镜jem2010透射电镜加速电压200kvlab6灯丝点分辨率194?加速电压20kv40kv80kv160kv200kv可连续设置加速电压热场发射枪晶格分辨率14?点分辨率24?最小电子束直径1nm能量分辨率约1ev倾转角度20度25度sichuanuniversity39jem2010透射电镜加速电压200kvlab6灯丝点分辨率194?em420透射电子显微镜加速电压20kv40kv60kv80kv100kv120kv晶格分辨率204?点分辨率34?最小电子束直径约2nm倾转角度60度30度sichuanuniversity40philipscm12透射电镜加速电压20kv40kv60kv80kv100kv120kvlab6或w灯丝晶格分辨率204?点分辨率34?最小电子束直径约2nm
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景深示意图
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透射电镜---技术指标
包括 ●分辨本领(亦称分辨率) 表征电镜观察物质微观细节的能力，它是标志电镜水 平的首要指标。 理论分辨公式： （Cs为球差系数） ●放大率 ●加速电压 ●自动化程度重要，因为没有一种 简便的方法使其矫正，而其它象差， 可以通过一些方法消除。
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电子透镜的场深和焦深
电子透镜 分辨本领大，场深（景深）大，焦深长 。 场深 是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的 距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。 焦深 是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者 说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。 电子透镜所以有这种特点，是由于所用的孔径角非常小的缘故。这种 特点在电子显微镜的应用和结构设计上具有重大意义。 场深的关系可以从下图推导出来。在 x<dmin ( 理论分 辨公式) 条件下，场深
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由阿贝定律知： 减小r值的途径有： (1) (物镜的数值孔径)n.Θ ↑ ，即↑n和Θ (2)λ ↓ 当用可见光作光源，采用组合透镜、大的孔径角(即 用高倍数物镜)以及高折射率介质浸没物镜时，数值孔径 n.Θ可提高到1.3～1.4。
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光学显微镜
优 点： 简单，直观 局限性：
分辨本领低（0.2微米）
只能观察表面形貌
不能做微区成分分析
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由于光的衍射，使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平 面形成一B1 、 B2圆斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠的太 近，过分重叠，图象就模糊不清。
L D B2 强度
Md
d O1 O2 B1
（a） 图（a）点O1
、
（b）
O2 形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。
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Airy斑
由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相 间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而 变大。大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余 16%的光能量分布在各级明环上。衍射图样的中心 区域有最大的亮斑，称为爱里斑。爱里斑的角度与 波长(λ )及小孔的直径(d)满足关系： sinθ =1.22λ /d θ 即第一暗环的衍射方向角（即从中央亮斑的中心 到第一暗环对透镜光心的张角），因为θ 角一般都 很小，有sinθ ≈θ ，故θ ≈1.22λ /d
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电子显微分析
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电子与试样相互作用可以得到各种信息： 感应电动势 荧光 特征X射线 二次电子 背散射电子 俄歇电子 吸收电子 透射电子
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利用上述信息的仪器： 透射电镜（TEM） 扫描电镜（SEM） 扫描透射电镜（STEM) X射线能谱仪（EDS） X射线波普仪（WDS） 俄歇电子能谱仪（AES） 电子探针（EP） 低能电子衍射仪（LEED） 等等
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（4）色差
电子的能量不同，从而波长不一造成的，电子透镜的焦距随着电子能 量而改变，因此，能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫 散圆斑还原到物平面，其半径为
是透镜的色差系数，大致等于其焦距，
是电子能量的变化率。
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透射电子显微镜
透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚
焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。 由电子光学系统、电源系统、真空系统和操作控制系统四部 分组成。 一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜等电子透镜、 样品室和荧光屏组成透射电镜的电子光学系统，通常称为镜 筒。
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
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JEM-2010透射电镜
加速电压200KV LaB6灯丝 点分辨率 1.94Å
EM420透射电子显微镜
加速电压20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm 倾转角度α=±60度 β=±30度
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CM200-FEG场发射枪电镜
加速电压20KV、40KV、80KV、 160KV、200KV 可连续设置加速电压 热场发射枪 晶格分辨率 1.4Å 点分辨率 2.4Å 最小电子束直径1nm 能量分辨率约1ev 倾转角度α=±20度 β=±25度
JEM-2010透射电镜
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超越衍射极限的纳米透镜
Nature 460 (7254) doi:10.1038/nature08173 发表日期：09年7月23日
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光学显微镜的性能内在受限于阿贝衍射极限。不管一个 成像系统在光学性能上有多接近完美，它都无法分辨超 过这一自然极限的两个物体，该极限取决于所观察到的 光的波长及其角分布。几种方法曾被用来超越衍射极限， 但这些方法一般都需要深奥的激发方案，所以都还不实 用。Lee等人正在研究超越这一极限的一种新方法，他 们所采用的是纳米尺度的球面透镜，这些透镜由被称为 “杯芳烃”的杯状有机分子由下向上自组装而成。以这 种方式产生的透镜有非常短的焦距，可以产生超过衍射 极限的近场放大效果，使特征分辨率达到200纳米的数 量级。这些透镜可被随意放在一个表面上，而且还可用 来减小深紫外光刻特征的大小。
如 dmin = 5 埃，α=7 ×10-3 弧度时， Df大约是 1400 埃，这就是说， 厚度小于 1400 埃的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透镜场 深大，电子透镜广泛的应用在断口观察上。
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场深示意图
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多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个漫散圆斑，半
径为
rs=Csα03
Cs 为球差系数。 α0为孔径角。
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（a） 球差
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（2）畸变
静电透镜
1. 需改变很高的加速电压才 可改变焦距和放大率； 2. 静电透镜需数万伏电压， 常会引起击穿； 3. 象差较大。
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A O
C
O’
z
电子在磁透镜中的运动轨迹
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理想成像（高斯成像）
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点分辨率(点分辨本领)：
定义：电子图像上刚能分 辨开的相邻两点在试样 上的距离。 测量方法： 在照片上量出两个斑点 中心之间的距离，除以 图像的放大倍数。 近代高分辨电镜的点分 辨率可达0.3 nm。
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线分辨率
定义：指电子图像中能分辨出 的最小晶面间距，也称晶格 分辨率。 如 金 (200) 晶 面 的 间 距 是 0.204 nm，(220)晶面的间 距是0.144 nm，在电镜中如 能拍摄出金(200)的晶格条 纹像，该电镜的线分辨率就 是0.204 nm，若能拍摄出金 (220)的晶格条纹象，线分 辨率就是0.144 nm。
引起电子束能量变化的主要有两个原因：一是电子的加速电压不稳 定；二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非 弹性散射，致使电子的能量发生变化。 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有 助于减小色散。
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电子光学系统---工作过程
提供高能量和大电流密度的电子束

①枪发出电子束 ②经会聚透镜会聚 ③照射在试样上并穿过试样 ④经物镜成象 ⑤再经中间镜和投影镜放大 ⑥电子显微象(在荧光屏或照相底片上)
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(3) 像散
磁场不对称时，就出现象差。有的方向电子束的折射比别的 方向强，在A平面运行的电子束聚焦在Pa点，而在B平面运行的电 子聚焦在Pb点，依次类推。 这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，其平均半 径为
还原到物平面
为象散引起的最大焦距差； 透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不 对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。象散可由附加磁场的 电磁消象散器来校正。
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Philips CM12透射电镜
加速电压20KV、40KV、60KV、80KV 、100KV、120KV LaB6或W灯丝 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm； 倾转角度α=±20度 β=±25度
CEISS902电镜
加速电压50KV、80KV W灯丝 顶插式样品台 能量分辨率1.5ev 倾转角度α=±60度 转动4000
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目前，风行于世界的大型电镜，分辨本领为2~3 埃，电压为 100～500kV，放大倍数50~1，200，000倍。由于材料研究强 调综合分析，电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件，如扫描 电镜、扫描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件， 使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪 器，即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。 高分辨电镜的设计分为两类：一是为生物工作者设计的，具 有最佳分辨本领而没有附件；二是为材料科学工作者设计的， 有附件而损失一些分辨能力。另外，也有些设计，在高分辨时 采取短焦距，低分辨时采取长焦距。

过聚焦

欠聚焦
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电子透镜的缺陷和理论分辨距离
电子透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨 距离，对电镜分辨本领起作用的是球差、象散和色差。
1） 球 差
球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力 不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的
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德布洛依电子波概念
X射线的波长很短，在0.05～10nm范围，但是至今 还不知道有什么物质能使X射线有效地改变方向、折 射和聚焦成像，即X射线很难操纵。
由于电子在电场或磁场中易于改变运动的方向。且电 子波的波长比可见光波短得多，所以电子显微镜在高 放大倍数时所能达到的分辨率比光学显微镜高得多。