电镜基础-资料

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电镜基础知识与原理

1、电子束照射到样品上，电子与物质作用：使电子改变运动方向，称为散射；电子只改变运动方向，不改变能量，称为弹性散射；既改变运动方向，又改变能量，称为非弹性散射。

2、透射电子显微镜（TEM ）的磁透镜包括：长磁透镜、短磁透镜、极靴透镜长磁透镜：像的每一点都与磁力线平行，M=1，没有放大作用，焦距长；短磁透镜：a 、短磁透镜为会聚透镜；b 、透镜光焦度1/f 与(IN)2成正比；c 、焦距 f 与加速电压U （即电子速度）有关，电子速度越大，焦距越长。

3、理想成象的条件：a 、场分布严格轴对称；b 、满足傍轴条件； c 、电子初速度相等。

4、景深与焦深：景深(Df )：试样在物平面沿轴前后移动而不使分辨率下降的距离（2∆L ），即物的空间距离。

焦深(DL )象平面沿轴前后移动而不使成象分辨率降低的距离（2∆LM2），即象的空间距离，M5、电镜的象差中球差、畸变、像散称为几何像差，倍率色差和旋转色差称为色差。

球差系数Cs Cs 越小。

球差与分辨率的关系： Cs ——球差系数，α0——孔径角。

tga 0 <<1 畸变：当电子束不满足傍轴条件时，主要在中间镜和投影镜发生畸变。

像散：由于极靴加工精度的影响，使得磁场非对称，导致像在一个方向加长，另一个方向变短。

解决办法：加消像散器色差：由电子束能量宽度决定，包括倍率色差和旋转色差。

6、透射电镜成像的三个要素：分辨率（分辨能力）、衬度、放大倍数（1）分辨率（分辨能力）：能分清两个点的中心距离的最小尺寸。

a 、人眼分辨能力：约b 、光学显微镜的分辨率δ——分辨率；λ——可见光波长； n sin α——透镜孔径值c 、电子显微镜的分辨率：BCs B ——常数，一般在0.43 ~ 0.65之间。

A 、TEM 分辨率的影响因素：δ=BCs ¼λ¾B ——常数，Cs ——球差系数球差、光波波长决定了TEM 的分辨率，提高电子束的加速电压，减小电子束的波长，降低球差、色差对分辨率的影响；同时影响其分辨率的因素还有：灯丝的形状：双聚光镜的第一聚光镜要求为强透镜，而第二聚光镜为弱透镜。

电镜复习材料

电镜复习材料第一章概述1、电子显微镜的发展德国人Ruska 1938年制造出一台真正实用的电子显微镜，其分辨率为10nm ，比光镜提高了20倍。

由于Ruska 在电子显微镜方面作出的巨大贡献，他被誉为电子显微镜之父。

2、电子显微镜发展的理论基础Broglie 的粒子波动性理论Busch 的电磁场对电子具有会聚作用的理论3、电子显微镜的类型（知道，了解）透射电子显微镜（transmission electron microscope ，TEM ）扫描电子显微镜（scanning electron microscope ，SEM ）扫描透射电镜（scanning electron microscope, STEM ）分析电子显微镜（analysis electron microscope, AEM ）高压电子显微镜（high voltage electron, HVEM ）扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope ，STM ）原子力显微镜（atomic force microscope ，AFM ）第二章电子显微镜的基本理论1、分辨率和有效放大倍数的关系M 有=δ人眼/δ仪 2、影响分辨率的因素Λ为照明光的波长；a 为孔径角的一半，n 为透镜和样品之间介质的折射率。

其中n 。

Sina 称为数值孔径。

3、电子束的特性：电子束是由带负电荷的电子组成的一种阴极射线流，高速运动的电子也具有粒子性和波动性。

电子束的波动性和可折射性是构成电镜的理论基础。

4、电子波的波长和加速电压、分辨率的关系加速电压越高，电子波的波长越短。

电子波的波长越高，分辨率越高。

5、电子束与样品的相互作用：电子束轰击样品时，与样品物质原子及核外电子发生弹性或非弹性散射作用，产生带有样品信息的各种电子讯号。

电子束与样品的相互作用是电子在样品中运动、扩散、激发以及能量传递的复杂的物理过程。

电子束和样品相互作用后产生的各种信息：透射电子（TE ）、二次电子（SE ）、背散射电子（BE ）、俄歇电子（AE ）、 X 射线等电子信号透射电子：根据透射电子所带的样品信息转换成图像二次电子：可以反映样品表面的形貌，是扫描电镜成像的基础背散射电子：可以反映样品的表面形貌和成分的差异。

第一章电镜的基本原理电镜

二次电子由于作用区最小因而像的分辨率最高，接近电子束斑直径。其他如背散射电子、X射线以及阴极荧光等作用区较大因而像的分辨率较低
放大倍数
SEM的放大倍数与屏幕分辨率有关
屏幕的分辨率放大倍数＝电子束直径
• 扫描电镜像的放大倍率(M)由屏的大小(某边长乚)与电子束在样品上扫描区域的大小(对应边长l)的比例决定： M=l/L。通常显像管屏的大小是固定的，而电子束扫描区域大小很容易通过改变偏转线圈的交变电流的大小来控制。因此扫描电镜的放大倍数很容易从几倍一直达到几十万倍，而且可以连续地迅速地改变，这相当于从放大镜到透射电镜的放大范围。这是扫描电镜的一大优点。
• 工作距离的选择：
从物镜对样品的距离称为工作距离(WD)，一般扫描电镜的工作距离是在5～40mm之间。在高分辨率工作时，希望提高分辨率，要求获得较小的束斑，就必须使用短焦距的强磁物镜。因为强磁透镜像差小，从而能获得较小的束斑。而强透镜的焦距小，就要求小的工作距离，如 WD=5mm。在低倍观察时，样品凹凸不平，要求图像有较大的焦深，则要使用大的工作距离，如WD=40mm。
二次电子像衬度的特点：
• （1）分辨率高 • （2）景深大，立体感强 • （3）主要反应形貌衬度。
2．背散射电子像衬度及特点
• • • • 影响背散射电子产额的因素有： (1)原子序数Z (2)入射电子能量E0 (3)样品倾斜角
图22-6 背散射系数与原子序数的关系
背散射电子衬度有以下几类：
边缘效应:
• 在样品表面凹凸变化大的边缘区域，散射区域与样品表面接近的面积异常增大，结果使边缘区域二次电子发射异常地增加。在图像中这些区域特别亮，造成不自然的反差，这称为“边缘效应”。边缘效应主要减少方法是降低加速电压，它可以使边缘效应相对减轻。

透射电镜基础理论必备知识

19、衍射衬度：由于各处晶体取向不同或晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分析，这样形成的衬度为衍射衬度。
20、相机长度：Lλ=rd，r 是衍射斑到透射斑的距离，λ为波长，Lλ为相机常数。L 为相机长度。L=f(0)M2Mp
为了使试验较好的满足运动学条件，要求试样厚度远小于一个消光距离，这意味着对一般金属而言，只能是几 nm。这当然是困难的，由此也看出了运动学理论的局限性。
等厚条纹：随试样厚度均匀变化而出现的条纹。楔形晶体边沿不同厚度处，对应着不同的强度，从而在试样下表面显示出明暗相间周期变化强度分布，记录在底片上称为等厚条纹。
hU + kV + lW = N 高阶劳埃带的特征：
导致高阶劳埃带形成的主要因素 z 电子波长——劳埃球半径 Ê z 样品厚度——倒易杆拉长 Ê z 晶格常数——沿电子束方向的倒易周期 Ê z 样品取向的影响高阶高埃带的意义： z 给出了晶体结构第三维(沿电子束方向) 的信息 z 估计倒易面的间距——通过高阶劳埃带的直径 z 估计样品的厚度——通过高阶劳埃带的宽度 z 估计入射电子束的偏离角度——通过透射斑与劳埃带中心的偏离 z 菊池电子衍射也包含了高阶劳埃衍射的信息 z 会聚束电子衍射技术的发展，使高阶劳埃电子衍射对晶体的结构和取向
厄瓦球与倒易面相切，在衍射谱上得到相应的劳厄斑点。厄瓦球出和零层倒易面相截外，还可能和非零层倒易面相截，相应的在衍射谱上得到零阶劳厄区斑点外，还可能得到正或负的高阶劳厄斑点。
入射束正不正影响劳厄带的阶数，与衍射花样高低指数面关系不大。高阶劳埃带的概念零阶劳埃区、高阶劳埃区：零层倒易面与反射球相截所得到的衍射谱叫零阶劳埃区 (带)；非零层倒易面(不过原点)与反射球相截所得到的衍射谱叫高阶劳埃带 (区)。这种现象通常出现作大晶胞参数的晶体衍射中。高阶劳埃带的形成本质：反映了反射球的曲率的影响，不过原点的倒易面上的阵点形成的反射。高阶劳埃带满足广义晶带轴定律：

电子显微镜基础

电子显微分析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。

包括：用透射电子显微镜TEM 进行的透射电子显微分析用扫描电子显微镜SEM 进行的扫描电子显微分析用电子探针仪EPMS 进行的X 射线显微分析电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，与其它的形貌、结构和化学组成分析方法相比具有以下特点：1）具有在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、晶体结构和化学成分。

2）为一种微区分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率达到0.2～0.3nm （TEM ），可直接分辨原子，能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成分析。

一、电子光学基础磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。

它与几何光学有很多相似之处：（1）几何光学是利用透镜使光线聚焦成像，而电子光学则利用电、磁场使电子束聚焦成像，电、磁场起着透镜的作用。

（2）几何光学中，利用旋转对称面作为折射面，而电子光学系统中，是利用旋转对称的电、磁场产生的等位面作为折射面。

因此涉及的电子光学主要是研究电子在旋转对称电、磁场中的运动规律。

（3）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看成射线，并由此引入一系列的集合光学参数来表征电子透镜对于电子射线的聚焦成像作用。

电镜中，用静电透镜作电子枪，发射电子束；用磁透镜做会聚透镜，起成像和放大作用。

静电透镜和磁透镜统称电子透镜1. 电子在静电场中的运动电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。

初速度为0的自由电子从零电位到达V 电位时，电子的运动速度v 为：(10) 2m eV v当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。

2、静电透镜与玻璃的凸透镜可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面簇也可以使电子束聚焦成像。

产生这种旋转对称等三电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。

它有二极式和三极式之分。

电镜基本知识培训

电镜象
纳米碳管结构模型
电学性能、铁电性能与微结构的关系
VB CB
A 铁电超晶格结构（Pan X Q） B 半导体超晶格结构与电子能带调制(A. K.
Gutakovskii, 2000 Nobel Prize for Phys) 镜筒(sample stage)
50－60年代, 英国剑桥大学 P. B. Hirsch等（后来在牛津大学工作）建立了直接观察薄晶体缺陷和结构的实验技术及电子衍射衬度理论。
现代阶段：相位衬度高分辨电子显微学综合信息分析电子显微学
70-80年代，美国亚利桑那州立大学J. M. Cowley等发展了高分辨电子显微像的理论与技术；在这一时期，同时结合HRTEM， CBED，EELS, EDS对纳米尺度的区域进行研究的分析电子显微学也发展起来。
Robert Hooke (1635-1703) 是早期最著名的显微学者，观察了植物和动物的微小细节，如植物的细胞。
1874年德国人阿贝从波动光学的观点提出了阿贝成像原理。
出射波在后焦面按空间频率分解
样品
后焦面
exi(tx,y) 傅里叶变换 a(kx, ky )
样品出射波在像平面重构成像
观察室(sample stage) 样品控制球
(sample control trackball )
样品台(sample stage)
EDS探测器(sample stage)
显示器 (computer monitor)
控制面板 (control panel )
电路控制板
脚踏板
JEM-2100F的外观图
振幅衬度
相位衬度
选区光阑（Selected-area diffraction aperture）

电镜基础知识与原理

3、理想成象的条件：a 、场分布严格轴对称；b 、满足傍轴条件； c 、电子初速度相等。

4、景深与焦深：景深(Df )：试样在物平面沿轴前后移动而不使分辨率下降的距离（2∆L ），即物的空间距离。

球差系数Cs Cs 越小。

球差与分辨率的关系： Cs ——球差系数，α0——孔径角。

tga 0 <<1 畸变：当电子束不满足傍轴条件时，主要在中间镜和投影镜发生畸变。

像散：由于极靴加工精度的影响，使得磁场非对称，导致像在一个方向加长，另一个方向变短。

解决办法：加消像散器色差：由电子束能量宽度决定，包括倍率色差和旋转色差。

6、透射电镜成像的三个要素：分辨率（分辨能力）、衬度、放大倍数（1）分辨率（分辨能力）：能分清两个点的中心距离的最小尺寸。

电镜的基础知识

3.背散射（backscattered）电子
是指入射电子在样品中受到原子核的散射后被大角度反射回来的电子，它产生于样品内部约100nm的深度。采用背散射电子所形成影像的衬度主要取决于样品的原子序数。背散射电子衍射图可以用来研究样品的晶体学特征.

4.特征X线（characteristic X-ray）
1mm=103um=106nm
1nm=10Å 1 Å=105fm
关于分辨率
1874年，德国的阿贝（E.Abbe）提出分辨率的计算公式，又称之为abbe 公式。 δ=0.61λ/nsin（α/2） δ —分辨率 λ—所用光波的波长 n—光路中透镜对介质的折射率系数 α —孔径角：又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大，进入物镜的光通量就越大。
电子显微镜的基础知识
2012春
1.仪器的分辨率
分辨率是标志光学仪器性能的最重要衡量参数，仪器的分辨率又称为仪器的分辨力或分辨本领。指仪器能够分辨清楚的两个小点间的最小距离。这距离指两个质点圆心间的最小距离。人眼的分辨率为0.2mm，光镜的分辨率为0.2μm，电镜的分辨率常用纳米表示（毫微米，nm ），还会用埃（分毫微米，Å）、费米(fm)。
磁透镜不会产生电击穿，像差小，用处较多。
磁透镜
磁透镜种类：
磁场越强越集中，就越能将电子束在较短
的距离内会聚起来，这就形成短焦距透镜，又
称之为强磁透镜。
磁场越弱越分散，电子束就在较长的距离处会聚，这就形成长焦距透镜，称之为弱磁透镜。
5. 像差（aberrations）
实际光学系统所成的像与理想光学系统（近轴光学，Paraxial Optics，高斯光学)所获得的结果有一定的偏差，称像差，包括几何像差（球差、像散、畸变）和色差像差。

电镜基础-资料

BSE Detector
e
Ｍ
High Pressure
＋
e
Ｍ
＋
(1.0Pa～270Pa）－－－－－－
Non Conductive
Specimen
Residual Gas
Ｍ
Pressure 1 0 -3P a 13Pa 270Pa
Mean Free Path 100mm 10mm 0.5m m
Orifice BSE detector
Vacuum condition preset
PG2 Vacuum Gauge
V5
NV
Vacuum controller (Real-time)
Electron Source
Electron Beam
Stigmator
Objective Lens
Astigmatism correction method
Theory of Scanning Electron Microscope
Under focus
Just focus
Over focus
Aperture Size : Small
Aperture Size : Large
Focus Depth → Deep
Focus Depth → Shallow
Specimen : Si on Photo Resist Pattern
Comparison of objective movable aperture hole size
Mag. Control
Deflection Amplifier Scanning Electron Beam
CRT
Deflection Coils

电子显微镜基础

揭示微观世界
电子显微镜能够观察超微结构和纳米尺度的事物，揭示物质的微观结构和性质，为材料科学、环境科学等领域提供有力支持。
促进技术创新
电子显微镜的应用推动了相关领域的技术创新，如电子显微镜成像技术、样品制备技术等，为科学研究和技术进步提供了重要支撑。
对未来发展的展望与建议
提升分辨率和观察范围
加强与其他技术的结合
信息提取与应用
细胞结构识别
通过电子显微镜图像解析，可以识别细胞内的各种结构，如细胞核、线粒体、内质网等，有助于研究细胞生物学和疾病机制。
病毒形态分析
电子显微镜可以观察病毒的形态特征，有助于病毒分类、鉴定和疫苗研制。
材料表征
通过电子显微镜观察材料的微观结构和形貌，可以评估材料的性能和潜在应用领域。
随着电子显微镜技术的不断发展，需要培养更多专业人才来推动相关领域的研究和应用。同时，加强国际合作与交流，共同推动电子显微镜技术的发展和应用。
THANKS
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技术特点
具有高分辨率和高放大倍数，能够观察样品的精细结构。
扫描电子显微镜（SEM）
工作原理
扫描电子显微镜利用聚焦电子束扫描样品表面，激发样品表面的二次电子等信号，再通过电磁透
镜放大成像。
应用领域
适用于观察样品的表面形貌和粗糙度，广泛应用于材料、地质、医学等领域。
技术特点
具有高分辨率和高景深，能够观察样品表面的细节和三维形貌。
自动化与智能化技术
自动化样品加载与定位
开发自动化的样品加载系统，实现快速、准确的样品定位和观察，提高工作效率。
智能化图像处理与分析
利用人工智能和机器学习技术，对电子显微镜图像进行自动识别、分类和定量分析，提高图像处理效率和准确性。

2011 固表 Chap 4 电子显微镜-1 电镜基础

显微镜的历史
• 约400年前(即1590年)，由荷兰科学家杨森和后来的博物学家列文虎克发明和完善的显微镜，向人们揭示了一个陌生的微观世界，他们是开辟人类显微分析的始祖。
早期的显微镜
因早期的显微镜以玻璃镜片做透镜，可见光为光源，故称为光学显微镜(OM)。现在，最好的光学显微镜可达到1500倍的放大倍数。
想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应更换波长更短的光源。对电磁波的认识，了解到：在一定的电压下电子束的波长可达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。
(电子显微镜增加了人的视角，科学之眼)
实用的电子显微镜
• 经过不断的实验和摸索，在上个世纪三十年代 1928-1930，由德国科学家M· 克诺尔与 E· 鲁斯卡在柏林工学院用磁透镜将金属网放大13倍实现电子显微成像,制造出世界上第一台透射式电子显微镜。 1930-1933 与Von Borries 制造了第一台电子显微镜。(西门子)
Rn Re
+
-
θ (a)
θ (b)
原子核对电子的散射可分为弹性和非弹性两类，其中弹性散射是电子衍射的基础。
非弹性散射与弹性散射的比值由原子序数Z 决定，即电子在物质中的非弹性散射部分仅为弹性部分的1/Z，这是因为原子核内电荷集中，具有较大的散射能力。原子序数愈大的原子，非弹性散射的比例愈小。
（高分辨像）
材料中原子的排列方式决定了晶体的相结构，原子排列方式的变化导致了相结构的变化，材料的物理、化学性能与材料中原子的排列方式有直接的对应关系：
1. 面心立方和体心立方结构的铁有完全不同的磁性。 2. α、γ、ξ-Al2O3 由于结构不同，其性质不同。 3. 晶态和非晶态合金有着完全不同的力学性能、抗腐蚀性能、磁学性能。

《电子显微镜基础》PPT课件

14
SEM & Forensic science
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SEM & Forensic science
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SEM & Forensic science
精选PPT
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SEM & Forensic science
• 扫描电镜能谱仪在涉枪案件中应用的研究, 山东公安丛刊, 1996, 3: 57-58 • 微量金属物证的扫描电镜X射线能谱检验,刑事技术, 1997, 4: 16-17 • 扫描电镜能谱仪在锁具检验中应用的研究,刑事技术, 1999, 5: 25-26 • 导线物证的扫描电镜及能谱鉴定方法, 理化检验, 2002, 38(5): 222-223 • 人发的扫描电镜观察及微量元素特征人发的扫描电镜观察及微量元素特征，
• 扫描电镜与法庭化学 — SEM & Forensic science
• 能谱仪
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History the microscope
Optical Microscope
Sca精n选PEPห้องสมุดไป่ตู้lectron Microscope 3
What is SEM?
• SEM — — 主要是利用样品表面产生的二次电子成像来
电子显微学报，2003, 22(6): 480-481 • 火灾事故鉴定的扫描电镜研究, 电子显微学报, 2003, 22(6): 636-636 • 扫描电镜-能谱仪在毒物检验中的应用, 刑事技术, 2007, 2: 32-33
• …… • ……
精选PPT
● 18
— — 能谱仪
精选PPT
19
— — 能谱仪

透射电镜基础理论必备知识

获得衍射谱。利用电镜中的物镜光栏，仅选取透射束成像，成为明场像 (Bright-field image)，若仅选取衍射束成像，形成暗场像 (Dark-field image)。 3、两种基本样品制备方法：离子剪薄和双喷。双喷样品有可能污染极靴。 4、加速电压：给灯丝发出的电子以电压，使得电子获得足够的速度以穿透样
10、选区电子衍射：进行电子衍射分析时，往往对样品的某一微小区域的单晶电子衍射感兴趣。通过选区，可以直接获得该微区的倒易点阵截面。
11、选区电子衍射的操作步骤： z 调整中间镜电流使选区光阑边缘的像在荧光屏上非常清晰，这就使中间镜的物面与选区光阑的平面像重； z 调整物镜电流试样在荧光屏上呈现清晰像，这就使物镜的像平面与选区光阑及中间镜的物面相重； z 抽出物镜光阑，减弱中间镜（用于衍射的）电流，使其物面与物镜后
hU + kV + lW = N 高阶劳埃带的特征：
导致高阶劳埃带形成的主要因素 z 电子波长——劳埃球半径 Ê z 样品厚度——倒易杆拉长 Ê z 晶格常数——沿电子束方向的倒易周期 Ê z 样品取向的影响高阶高埃带的意义： z 给出了晶体结构第三维(沿电子束方向) 的信息 z 估计倒易面的间距——通过高阶劳埃带的直径 z 估计样品的厚度——通过高阶劳埃带的宽度 z 估计入射电子束的偏离角度——通过透射斑与劳埃带中心的偏离 z 菊池电子衍射也包含了高阶劳埃衍射的信息 z 会聚束电子衍射技术的发展，使高阶劳埃电子衍射对晶体的结构和取向
则 D0＝AB 称为焦深。
14、景深：设像面调焦于 I 点，于 I 点前、后的 A、B 之间面内的像均清楚，则 Df＝AB 称为景深。
15、衬度：样品的下表面出射波的强度分布，即像的衬度。（明场像，暗场像）。衬度有质厚衬度（与原子有关），相位衬度（透射束，衍射束相互干涉）， Z 衬度和衍射衬度。