第一篇——组织形貌分析(终版)
答案1材料特性表征第1篇组织形貌分析
答案1材料特性表征第1篇组织形貌分析材料特性表征第⼀篇组织形貌分析作业题1. 光学显微镜的分辨本领和数值孔径？光学显微镜的分辨率：样品上相应的两个物点间距离?r 。
定义为透镜能分辨的最⼩距离，也就是透镜的分辨本领。
提⾼分辨率的⽅法：使⽤低波长光源，提⾼对⽐度。
光学显微镜数值孔径NA= nsin α（n ）和半孔径⾓（α）的正弦之乘积2. 什么是电⼦显微分析？电⼦显微分析的特点是什么？电⼦显微分析是利⽤聚焦电⼦束与试样物质相互作⽤产⽣的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。
电⼦显微分析的特点：(1) 可以在极⾼放⼤倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。
分辨率⾼：0.2~0.3nm; 放⼤倍数⾼：20~30 万倍 (2) 是⼀种微区分析⽅法，具有⾼度分辨率，成像分辨率达到0.2~0.3mm,可直接分辨原⼦，能进⾏nm 尺度的晶体结构及化学组成分析。
(3) 各种电⼦显微镜分析仪器⽇益向多功能、综合性⽅向发展，可以进⾏形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析3. 电⼦波长由什么决定？电⼦波波长与电⼦运动速度的关系：mvh =λ所以电⼦波长由电⼦运动速度决定。
4. 什么是静电透镜和磁透镜？各有什么特点？静电透镜：能使电⼦波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲⾯簇的电极装置。
磁透镜：能使电⼦波聚焦的具有旋转对称⾮均匀的磁极装置。
5. 电磁透镜的像差有哪⼏种？电磁透镜的像差分成两类：第⼀是因为透镜磁场⼏何上的缺陷造成的，叫做⼏何像差，包括球⾯像差、像散和像畸变。
第⼆是由于电⼦波长或者能量⾮单⼀性⽽引起的，与多⾊光相似，叫做⾊差。
6. 电磁透镜的场深？电磁透镜的场深或景深：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。
7. 电⼦的弹性散射有什么特点？⽤于什么分析？如果在散射过程中⼊射电⼦只改变⽅向，但其总动能基本上⽆变化，则这种散射称为弹性散射。
11.光学显微镜
L F
O
S+1
A B
S0
C
S-1
1
I’ C’
B’
A’
2
阿贝成像原理：衍射系统的屏函数
能使波前的复振幅发 生改变的物，统称为 衍射屏。
衍射屏将波的空间分 为前场和后场两部分。 前场为照明空间，后 场为衍射空间。
波在衍射屏的前后表 面处的复振幅分别称 为入射场、透射场， 接收屏上的复振幅为 接收场。
▪ (The eye is more sensitive to blue than violet) ▪？
像差
降低了显微镜分辨率 非理想透镜导致的主要像差：
（单色光）近轴物宽光束引起的球面像差和彗形像差; （单色光）远轴物窄光束引起的像散、像面弯曲和像形畸变;
复色光形成色差.
像差来源
（1）参与成像的光是非近轴光; （2）参与成像的光是非单色光; （3）系统中各光学元件的表面是非球面; （4）系统中各光学元件的主光轴不重合.
当眼睛调焦在无穷远时，完全松弛，i.e. o = f, i =
；0 h/25 and h/f
m 25 0 f
f in cm
单个透镜的局限
第一篇__组织形貌分析(终版)
油浸物镜
4.2.1 瑞利判据
R0
分辨两埃利斑的判据——瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗 环半径R0。此时, 两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低19％，
2.2 光学显微镜的分辨率
分辨率是可分辨的两点间的最小距离，制约光学显 微镜分辨率的因素是光的衍射。衍射使物体上的一 个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光 斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区 分开来。
分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜 的分辨率，关键是要有短波长的照明源。
孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效 直径所形成的角度。孔径角与物镜的有效直径成 正比，与物镜的焦距成反比。
物点
物镜
F
4.1 数值孔径
物镜的数值孔径和分辨率成正比：
1. 如果全部接收一级衍射光线，则 图像基本不会失去细节。细节越 微小，形成各级衍射斑点的衍射 角越大。因此，物镜口径越大， 能接受的衍射线角度越大，则分 辨率就越高。
6~9 m 红血球 ~10 m 白血球
4.1 扫描探针显微镜简介
1981年，IBM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜，完全失去了传统显 微镜的概念。
扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作，它没有镜 头，使用一根金属探针，在探针和物体之间加上一定偏压 （几十mV），当探针距离物体表面很近（纳米级）隧道效 应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成 一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，电流 会呈指数级改变。这样，通过测量电流可以探测物体表面 的形状，分辨率可以达到原子的级别(埃，10-10m)。
拉伸,压缩,冲击试样组织形貌分析
玻璃微球/环氧树脂复合材料的组织形貌分析复合材料试样SEM组织形貌分析：本实验分别观察了三种试样平行于断口和垂直于断口的微观形貌，如下：图一：冲击试样平行于断口处的SEM照片如图一所示，分别为冲击试样平行于断口处的500倍、1000倍、2000倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在平行于断口处，部分玻璃微球被破坏，这可能是由于冲击时的压力所造成的。
从500倍的照片中可以看出，微球的排列比较规则，但微球周围的树脂包覆的并不多。
从2000倍的照片中可以看出，微球与树脂的结合会有裂缝，这种微观结构会影响到试样的力学性能。
图二：冲击试样垂直于断口处的SEM照片如图二所示，分别为冲击试样垂直于断口处的1000倍、2000倍、3000倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在垂直于断口处，并没有发现玻璃微球的明显变形，但是发现了微球的碎片，这可能是由于冲击时的压力所造成的。
从2000倍的照片中可以看出，微球周围包覆的树脂比较多。
从3000倍的照片中可以看出，基体的结合是靠树脂将微球包覆起来，从而形成一种增强机制，微球与树脂的结合情况直接影响到试样的整体力学性能。
图三：拉伸试样平行于断口处的SEM照片如图三所示，分别为拉伸试样平行于断口处的300倍、1000倍、1500倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在平行于断口处，玻璃微球排列紧密，而且微球的尺寸并不均匀。
从300倍的照片中可以看出，微球的排列比较规则，但微球周围的树脂包覆的并不多。
从1000倍的照片中可以看出，微球与微球之间是靠树脂相结合的，而这种微观结构会影响到试样的力学性能。
从1500倍的照片中，可以看到基体中一个完整的微球形貌，微球表面并不光滑，可以看到树脂包覆的现象。
并且可以看到，树脂脱落的迹象。
图四：拉伸试样垂直于断口处的SEM照片如图四所示，分别为拉伸试样垂直于断口处的300倍、1000倍、1500倍的微观组织形貌。
从图中可以看出，在垂直于断口处，玻璃微球与树脂基体之间有裂缝。
形貌分析(1)
纳米发光二极管。
将碳纳米管悬浮在表面氧化的硅薄片上，这 使得碳纳米管和硅薄片之间的电场极强，激发 形成强光。这种碳纳米管光源比普通的发光二 极管每秒多产生10万倍的光子，效能比以前制 造的碳纳米管高1000倍。 另外碳纳米管有非常好的特性，其电导率， 刚性，热导率都大大优于传统的金属。很多科 研人员正在利用碳纳米管研制各种电子器件。
TOP值: 干系物镜(0.95),水浸物镜(1.2),油浸物镜(1.4),特制物镜(1.6)
介质折射 率越大， NA值越高 开口角α 越大，NA 值越高 n=物镜与 被检物体 之间介质 的折射率
物镜数值孔径(N.A)
数值孔径与显微镜其他参数的关系
物镜的数值孔径是显微镜中最重要的参数.决定和影 响着其他参数 数值孔径与分辨率成正比 数值孔径与放大倍率成正比 数值孔径的平方与图象亮度成正比 数值孔径和视场直径成反向关系 数值孔径与工作距离成反向的关系
分辨率
根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑 的重叠部分达到各自的一半时，则认为此两点的 距离即是透镜的分辨本领；由此得出显微镜的分 辨本领公式（阿贝公式）为：d=0.61/(Nsin)， 其中， N A 其最大值为1.3。因此，上式可近似 化简为：d=0.5 光镜采用的可见光的波长为400~760nm，决定了 光学显微镜的分辨本领只能达到200nm
基础知识
提高分辨率的有效办法
1.降低光源波长
2.增大介质系数或提
高物镜NA值 3.增大物镜的口径 4.增加明暗反差
Resolution (r) = 0.61λ/ NA
（ λ=光源波长，一般选550nm）
基础知识
光学显微镜基础知识
《形貌分析及其应用》课件
环境形貌的表征技术
遥感技术
利用卫星或飞机搭载的传感器 获取地表形貌信息，进行大范 围的环境监测和评估。
地面测量
通过实地测量获取详细的环境 形貌数据，如地形高程、坡度 、植被覆盖度等。
总结词
介绍用于描述和量化环境形貌 特征的各种技术和方法。
GIS技术
地理信息系统用于整合和分析 空间数据，提取地形、地貌、 植被等环境形貌特征。
医学形貌的调控技术
手术整形
通过手术方法改变病变部位的形貌，以达到治疗目的，如整 容手术。
药物治疗
某些药物可以通过调节生理机制来改变病变部位的形貌，从 而达到治疗疾病的效果。
THANK YOU
感谢观看
05
03
土地复垦
对退化、废弃的土地进行整治和恢复 ，改善土地质量，提高土地利用价值 。
04
城市规划与设计
通过合理的城市规划和设计，创造宜 居、绿色、可持续发展的城市环境。
05
形貌分析在医学中的应用
医学形貌与其诊断关系
医学形貌与疾病诊断
形貌分析在医学中常用于疾病的诊断 ，通过对病变部位的形貌特征进行分 析，有助于医生判断病情和制定治疗 方案。
在此添加您的文本16字
了解形貌与性能之间的关系是优化材料设计和应用的关键 。
在此添加您的文本16字
实例
在此添加您的文本16字
纳米材料由于其独特的形貌，展现出不同于传统材料的物 理和化学性质，如高比表面积、量子限域效应等。
在此添加您的文本16字
金属合金的晶粒尺寸对其力学性能（如强度和韧性）有显 著影响。
模型模拟
建立数学模型和物理模型，模 拟环境形貌的形成过程和变化 趋势。
环境形貌的调控技术
形貌分析和结构分析的手段原理及分析
形貌分析和结构分析的手段原理及分析
组成：失重、密度、熔点、气相液相、层析柱,层析板体积排阻色谱
结构：红外、核磁、质谱、飞行质谱、XRD
形貌：光学显微镜、电镜、X光
检测内容：一般的TEM可以做形貌分析，物相分析，结构及缺陷分析，以及判定晶体生长方式等等。
SEM主要用于样品的表面形貌分析（二次电子），成分分析（背散射电子），以及成分的点线面分析。
对于带有能谱或者其他成分分析附件的TEM也可以做成分分析。
制样方法：SEM的样品要求很简单，导电就行，不导电喷碳喷金喷银让他导电；TEM制备样品很复杂，尤其是对接的样品。
新手嘛，做一个好的样品，得至少半个月吧。
能在这个时间内完成的都是高手！
还有……先说这么多！。
医学授课讲义模板之肌肉组织详细分析sistemamuscul
estructura sujeta. Acabado el trabajo, recupera su posición de reposo.
back
FUNCIONAMIENTO
• Los músculos realizan el trabajo de extensión y de flexión, para aquello tiran de los huesos, que hacen de palancas.
• Los músculos gastan mucho oxigeno y glucosa, cuando el esfuerzo es muy fuerte y prolongado, provocando que los músculos no alcancen a satisfacer sus necesidades, dan como resultado los calambres y fatigas musculares por acumulación de toxinas musculares,
back
MÚ SCULOS
• Los músculos son los motores del movimiento. Un músculo, es un haz de fibras, cuya propiedad mas destacada es
la contractilidad. Gracias a esta facultad, el paquete de fibras
实验一-人体基本组织的观察课件
.
23
4、神经组织
.
24
（1）多极神经元
.
25
.
26
.
27
脊髓的横切（H.E染色）：观察灰质 中的前角示神经元的形态
.
28
（2）星形胶质细胞
.
29
（3）运动终板（氯化金浸染）
.
30
四、实验作业
1、绘图 绘神经元细胞模式图，并标注各部分名称。
2、思考题 列表比较四种基本组织在形态、分布、结
.
20
3、肌肉组织 （1）骨骼肌
低倍镜下，可见表面上皮为复层扁 平上皮，上皮下方有疏松结缔 组织， 深部组织中有许多条条块块结构，条 状的为骨骼肌的纵断面，块状的为骨 骼肌的横断面；每一条状或块状结构 包含多条骨骼肌纤维的断面。肌纤维 之间有少量结缔组织，其内可见浆液 性的味腺。选择肌纤维较分散、染色 较浅的视野，换高倍镜观察。在纵断 面上，可见骨骼肌呈条索状，有明暗 相间的横纹（观察横纹时，缩小光圈， 使通光量减小，横纹将更为清晰）； 每条肌纤维内均有许多紧贴肌膜内面 的长卵圆形胞核，染色浅，有时可见 核仁；肌浆中隐约可见许多平行于肌 纤维长轴排列丝状结构，即肌原纤维。 在横断面上，肌纤维呈圆形或不规则 形，每个断面常可见数量不定的胞核 位于肌纤维的周边，肌浆内肌原纤维 束呈点状均匀分布。肌纤维间的结缔 组织中可见小血管。
.
3
三、实验方法与步骤
1、上皮组织的观察 （1）单层扁平上皮 表面观：细胞呈多边形，胞核扁圆形，位于细胞中央 垂直观：细胞扁平，中央有核处较厚，其余部分胞质很 薄 分布： 1）衬贴于心脏、血管和淋巴管腔面：内皮 (endothelium) 2）分布于胸膜、腹膜、心包膜内表面：间皮 (mesothelium) 3）分布于肺泡和肾小囊壁层等
组织形貌分析
仪器入射波波长信号收集聚焦分辨率（有效）放大倍数工作原理试样要求优点缺点结构构造人眼可见光400-800nm 透镜成的像可聚焦0.1-0.2mm没有附加放大透镜成像，遵守阿贝成像原理OM 可见光400-800nm 透镜成的像可聚焦0.2um 1000-1500透镜成像，遵守阿贝成像原理光滑，否则入射光被漫反射。
制备：取样镶样磨光抛光腐蚀简单直观只能观察表面形态，不能做微观的形貌分析，也不能成分分析光学系统和机械装置，没有真空系统TEM 电子束0.025-1nm加速电压达到200-300kv，晶面间距与原子尺寸一个数量级大概十分之几nm 透镜成像包括物相衍射花样和阿贝成像的形貌像可聚焦0.1nm 与SEM差不多透镜成像电子衍射和阿贝成像(由于电子束的波长比晶面间距的一半短，可以衍射和成像）试样厚度十分薄，加上和SEM试样一样的要求组织分析、物相分析、成分分析（能谱波谱电子能量损失谱）选区衍射操作复杂，样品制备复杂，昂贵电子光学系统、真空系统及电源、控制系统XRD X射线0.01-100nm X射线衍射谱不可聚焦也不聚焦无X射线衍射布拉格公式相分析简单精确无法观察形貌SEM 电子束加速电压只为几十kv 非透镜成像，利用间接法获得形貌信息可聚焦但不聚焦1nm 20-20万倍非透镜成像光栅扫描逐点成像利用二次电子和背散射电子成像导电性好，防表面电荷累计；抗热抗辐射损伤能力好，具有高的二次电子和背散射电子系数组织分析，成分分析（能谱波谱电子能量损失谱）由于波长原因不能衍射物相分析不能做微区衍射的物相分析电子光学系统、真空系统及电源、控制系统SPM 无在实空间观察到原子的图像无0.1从原子到微米级别，控制探针针尖无非传统显微镜意义，无入射电磁波或物质波STM-试样导体或半导体AFM都可补充：SEM中的二次电子衬度像和背散射电子衬度像的区别SPM中的STM与AFM的区别，以及AFM中的接触式和非接触式的选择TEM中的阿贝成像原理的电子显微镜示意图和电子衍射物相分析原理及各种物质的衍射花样TEM中的物镜光阑获得的明暗场像，选区光阑控制的微区物相和组织分析电子显微镜和光学显微镜的不同在于，高能电子束代替可见光源，电磁透镜代替光学透镜1、阿贝成像原理包括两个干涉作用：平行入射光受到周期性排列的样品的散射作用形成衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。
第1节 绪论和组织形貌分析
材料特性表征Characteristic Technique of Materials教材：材料分析方法 杜希文 原续波 天津大学出版社 2006任课教师：董文飞 吉林大学电子科学与工程学院地址：南区理化楼D113 Email: dongwf@绪 论材料特性表征是讲述材料分析测试技术及相关 理论的一门课程。
材料就是用以制造有用物件的 物质。
材料的发展标志着社会的进步，比 如石器的广泛使用是“石器时代”， 相似的还有“青铜时代”和“铁器时 代”等等。
材料和信息与能源被称为现代文明 的三大支柱。
石器时代: 硅酸盐青铜器时代: 铜合金铁器，水泥，钢时代, 石油，信息……绪 论材料科学工程的四个基本要素成分} 结构加工性能成分和结构从根本上决定材料的性能成分决定性能有良好的塑性和韧 性，能承受冲击和振 动荷载，易于加工和 装配，广泛应用于建 筑工程中钢材：铁碳合金质轻、机械性能好, 适宜的阻隔 性与渗透性，化学稳定性好，光 学性能优良，透明卫生性良好， 阻气包装、防潮包装、防水包装、 保香包装 、保鲜包装，无毒， 良好的加工性能和装饰性高分子聚合物结构决定性能飞蛾、蚊子的眼部结构---复眼决定其具有低的反 光性，异常黑，夜间飞行不易被敌人察觉。
蚊子复眼的微米-纳米双重结构(a)-(e)及由此模拟的人 造复眼结构(f)结构决定性能(a) (c)(b)(d)Self-cleaning effect and iridescence colors结构决定性能(c)(d)Superhydrophobic ability: high surface roughness and low surface energy.Irdisecence: regular microstructures.The contact angle is about 158°±2°(superhydrophobility, > 150°)不但具有超疏水而且还有彩虹色，多功能的仿生表面Sun et al, Soft Matter 6, 263 (2010),Highlights in Chemical Technology ,的，控制其运动方向。
金属材料的组织形貌分析与优化设计
金属材料的组织形貌分析与优化设计金属材料的组织形貌对其性能具有重要影响，因此，进行组织形貌分析并进行优化设计是提高金属材料性能的关键之一。
本文将探讨金属材料的组织形貌分析方法，并介绍如何通过优化设计来改善其性能。
1. 组织形貌分析方法1.1 金相显微镜观察金相显微镜是观察金属材料组织形貌的重要工具。
通过金相显微镜的放大功能，可以清晰地观察到金属材料的晶粒结构、晶界分布情况以及孪晶、析出物等微观结构。
对于金属材料研究而言，金相显微镜观察是最常用的方法之一。
1.2 扫描电子显微镜观察扫描电子显微镜(SEM)可以提供更高的放大倍数和更好的分辨率。
通过SEM观察金属材料的表面形貌和横截面形貌，可以获得更详细的信息。
例如，可以观察到表面缺陷、晶体生长方向和晶粒尺寸分布等。
1.3 透射电子显微镜观察透射电子显微镜(TEM)是一种高级显微镜技术，可以观察到金属材料的原子级别结构。
通过TEM观察，可以得到更精确的晶体结构、晶界性质以及原子位错等信息。
2. 组织形貌优化设计2.1 晶粒尺寸优化晶粒尺寸是金属材料性能的重要因素之一。
较小的晶粒尺寸可以提高材料的强度和硬度。
因此，在金属材料的设计中，可以通过调控制备工艺、合金元素含量以及热处理工艺等方法来控制晶粒尺寸。
2.2 晶界优化晶界是晶体内部不同晶粒之间的分界面，对金属材料的力学性能和耐腐蚀性能有重要影响。
通过优化晶界的形状、宽度和分布情况，可以改善金属材料的性能。
例如，通过引入合适的晶界强化相，可以提高材料的塑性和韧性。
2.3 位错优化位错是材料中晶格缺陷的一种形式，对材料的力学性能起到关键作用。
通过优化位错的形貌和密度，可以提高金属材料的强度、韧性和抗疲劳性能。
例如，通过合适的应力状态和变形方式，可以形成有利于位错滑移的组织形貌。
3. 结论金属材料的组织形貌分析和优化设计是提高金属材料性能的重要手段。
金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等显微镜技术可用于分析金属材料的组织形貌。
形貌分析论文
形貌分析技术在PLA改性研究中的应用1、PLA简介PLA即生物降解塑料聚乳酸，又称聚丙交酯，属于聚酯家族。
聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生,主要以玉米、木薯等为原料。
聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。
聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。
由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。
2、PLA改性绿色环保材料聚乳酸具有良好的生物降解性、相容性及化学惰性, 同时又具有性脆, 耐热性差等缺点，影响了其加工性能和应用。
PLA主要缺陷有：自身强度不高、脆性、阻透性差、耐热性差等。
具有较高的拉伸强度、压缩模量，但质硬而韧性较差，缺乏柔性和弹性，极易弯曲变形；另外，PLA的化学结构缺乏反应性官能团，也不具有亲水性，降解速度需要控制，因此有必要对PLA进行改性。
聚乳酸可与丝素、木质素、淀粉、羟基磷灰石、据羟基脂肪酸酯、聚己内酯、聚氧化乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯、聚乙烯等进行共混，制备各种不同结构和性能的共混体系，满足不同的应用。
聚乳酸的改性方法一般分为化学改性和物理改性。
化学改性主要是通过接枝交联等途径引入各种类型的功能化侧基（如羧基、氨基、羟基等）改变PLA主链的化学结构或表面结构，从而改善其脆性、疏水性及降解速度等性能；物理改性主要是通过添加增塑剂、纳米材料等改变PLA的机械、光学、热学等性能。
3、形貌分析技术研究改性前后PLA增韧情况3.1 TEM分析利用热机械分析仪分析材料的线膨胀系数α。
线膨胀系数是材料的长度随温度增高后的伸长率和温度增量的比值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
期末PPT展示答辩
第 1 篇 组织形貌分析
第一章 组织形貌分析概论
第一章 组织形貌分析概论
1. 组织形貌分析的含义和发展阶段 2. 光学显微镜简介 3. 电子显微镜简介
扫描电子显微镜 透射电子显微镜
4. 扫描探针显微镜简介
1. 1 组织形貌分析的含义
成分
原子结构 原子排列
性能
钛靶局部被单脉冲激光烧蚀 高分子聚合物薄膜断口
回标题页
铁素体的晶粒 和晶界 奥氏体-铁素体双相组织 深灰色：铁素体相，含量40～ 50% ；浅灰色：奥氏体相
回标题页
1. 2 组织形貌显微技术的 三个发展阶段
组织形貌分析借助各种显微技术认识材料的微 观结构。人们对微观世界的探索，就是建立在 不断发展的显微技术之上的。 组织形貌分析的显微技术经历了光学显微镜、 电子显微镜、扫描探针显微镜的发展过程。观 测显微组织的能力不断提高，现在已经可以直 接观测到原子的图像。
0.61 r0 R0 / M n sin
透镜的分辨率由数值孔径和照明光源的波长两个因素决 定。数值孔径越大，照明光线波长越短，分辨率就越高。
4.3.1 放大率和有效放大率
显微镜总的放大率Γ应该是物镜放大率β和目镜 放大率1的乘积： = 1 无效放大倍率：当选用的物镜数值孔径不够大， 即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细 结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也 只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像。 有效放大倍率：光学显微镜提供足够的放大倍数， 把它能分辨的最小距离放大到人眼能分辨的程度。
F
物镜
R0
由斑点光源衍射形成的埃利斑
埃利斑光强分布图
2.2.1 阿贝成像原理（重点）
透射光显微镜的成像过程。光源：准平行 相干光，物体：具有周期性结构。
直射光
光通过细小的网孔时发生衍射，同一方向 的衍射光成为平行光束，在后焦面上汇聚。 凡是光程差满足 =k, k = 0,1,2,…的，互 相加强，形成0级、1级、2级衍射斑点。 某个衍射斑点是由不同物点的同级衍射光 相干加强形成的；同一物点上的光由于衍 射分解，对许多衍射斑点有贡献。 从同一物点发出的各级衍射光，在产生相 应的衍射斑点后继续传播，在像平面上又 相互干涉，形成物像。 1 01
材料现代研究方法
Modern Methods of Materials Analysis
天津大学材料科学与工程学院
杨 静 副教授
课程内容
第一篇 组织形貌分析 （6学时，第1~2周）
第二篇 晶体物相分析 （14学时，第3~6周）
期中PPT展示答辩（第6~7周）
第三篇 成分和价键（电子）结构分析
什么是 材料科学 组织形貌分析？ 相结构 结构
与工程
显微组织
加工
结构缺陷
1. 1 组织形貌分析的含义
表面和内部组织形貌，包括材料的外观 形貌、晶粒大小与形态、界面（表面、 相界、晶界）。
微观结构的观察和分析对于理解材料的 本质至关重要。
下一标题页
金纳米线
1018号钢的断口——塑性断裂
韧窝状形貌 和夹杂物
样品 物镜
后焦面
像面
2.2.1 阿贝成像原理（重点）
阿贝成像原理可以简单地描述 为两次干涉作用。 当平行光束通过有周期性结构 的物体时， 1. 不同物点的同级衍射波在后焦面 的干涉 ——形成衍射谱； 2. 同一物点的各级衍射波在像面的 干涉——形成反 映物的特征的 物像。
2.2.2 物与像之间的相似性
扫描电镜与X射线能谱仪配合使用，使得我们在看到样品 的微观结构的同时，还能分析样品的元素成分及在相应 视野内的元素分布。
金纳米线
1018号钢的断口——塑性断裂
钛靶局部被单脉冲激光烧蚀
高分子聚合物薄膜断口
6~9 m ~100 m
头发分叉处
红血球
~100 m
~10 m
脑神经元
白血球
4.1 扫描探针显微镜简介
1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、 目镜及镜筒的复式显微镜（左图）。 1665年，英国物理学家罗伯特· 胡克(Robert Hooke)用这台复 式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细 胞”，由此引起了细胞研究的热潮。 1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens) 设计并制造出双透镜目镜－惠更斯目镜， 是现代多种目镜的原型。这时的光学显 微镜已初具现代显微镜的基本结构(右图)。
2.2 光学显微镜的分辨率
分辨率是可分辨的两点间的最小距离，制约光学显 微镜分辨率的因素是光的衍射。衍射使物体上的一 个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光 斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区 分开来。
分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜 的分辨率，关键是要有短波长的照明源。
光强
2.1.3 衍射斑
物点
Hale Waihona Puke 由于衍射效应，物体上每个物点通过透镜成像后不会是一个点， 而是一个衍射斑——埃利斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们 将无法被区分开来。 0.61M R0 埃利斑第一暗环半径 n sin 其中，n 为物方介质折射率， 光源波长， 透镜半孔径角，M 透镜放大倍数，n sin 数值孔 径。埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径成反比。
2.1.2 狭缝衍射实验
狭缝中间连线b上每一点可以看成一个“点光源”，向四面八方 发射子波，子波之间相互干涉（叠加），在屏幕上形成衍射花 样。 整个狭缝内发出的光波在 P0 点的波程差为零，相干增强，形成 中央亮斑。在P1处发生相干抵消，形成光强的低谷。在P2点处， 从狭缝上缘和下缘发出的光波的波程差1½ 个波长，P2成为相干 增强区的中心，称为第一级衍射极大值。
1. 2 组织形貌显微技术的 三个发展阶段
扫描探针显微镜 电子显微镜
放大倍率
×10,000,000 ×1,000,000
×100,000
光学显微镜
×10,000 ×1,000 ×100 ×10
分辨率
1000 10-6
100 10-7
10 10-8
1 10-9
0.1 10-10
0.01 10-11
物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不让 衍射光通过就不能成像，参与成像的衍射斑点愈多， 则物像与物体的相似性愈好。 像 面
后 焦 面
3. 光学显微镜的构造和光路图
光学显微镜包括光学系统和机械装臵两大部分：
目镜
物镜
聚光镜和光阑
反光镜
4. 显微镜的重要光学技术参数
4.1 数值孔径 4.2 分辨率（重点） 4.3 放大率和有效放大率
2. 光学显微镜的成像原理
2.1 衍射的形成 2.2 阿贝成像原理 （重点）
2.1.1 什么是波的衍射？
光即电磁波，具有波动性质。光波在遇到尺寸可 与光波波长相比或更小的障碍物或孔时，将偏离 直线传播，这种现象叫做波的衍射。
水波的衍射
障碍物线度越小，衍射现象越明显。 衍射现象可以用“子波相干叠加”的原理来解释。
第 1 篇 组织形貌分析
第二章 光学显微技术
第二章 光学显微技术
1. 光学显微镜的发展历程 2. 光学显微镜的成像原理 3. 光学显微镜的构造和光路图
4. 显微镜的重要光学参数
5. 样品制备
1. 1 光学显微镜的四个发展阶段
1590年，荷兰的詹森父子(Hans and zachrias Janssen) 制造出 第一台原始的、放大倍数约为20倍的显微镜。
4.2 扫描隧道显微镜图像
1981年，硅原子像（7X7）
硅 (111) –(7X7)原子图像
4.3 扫描隧道显微镜对单原子和 分子的操纵
图中的“IBM”是由单个氙（Xe)原子构成的
三位诺贝尔物理学奖获得者
从左至右依次是Ernst Ruska，Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer分别因为发明透射电子显微镜和 扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。
1.2 恩斯特· 阿贝
在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的 物理学家、数学家和光学大师恩斯特· 阿贝(Ernst Abbe)。 他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、 数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论 的重要文章。
两年后．又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显 微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。
4.4 光学透镜的像差
4.1 数值孔径
数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介 质的折射率（n）和半孔径角（α）的正弦之乘积， NA= nsinα。表示物镜分辨细节的能力。
孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有效 直径所形成的角度。孔径角与物镜的有效直径成 正比，与物镜的焦距成反比。
物点 物镜
0.001 nm 10-12 m
2.1 光学显微镜简介
它的最高分辨率为0.2μm，是人眼的分辨率的500倍。
光学显微镜最先用于在医学及生物学 方面，直接导致了细胞的发现，在此 基础上形成了19世纪自然科学三大发 现之一——细胞学说。 应用：观察金属或合金的晶粒大小和 特点等；无机非金属材料的岩相分析 等；研究高聚物的结晶形态、取向过 程等。
1981年，IBM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜，完全失去了传统显 微镜的概念。 扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作，它没有镜 头，使用一根金属探针，在探针和物体之间加上一定偏压 （几十mV），当探针距离物体表面很近（纳米级）隧道效 应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成 一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，电流 会呈指数级改变。这样，通过测量电流可以探测物体表面 的形状，分辨率可以达到原子的级别(埃，10-10m)。