电子显微镜讲义-2012第1,2节

2. 80%理论考试（闭卷，期末集中考试）
题型：简答题和论述题
3. 考试时间：最后一次课或另行安排
主要参考书
• 1.电子显微镜原理和应用。朱宜，张存珪，北京大学出版社。 • 2.电子显微镜基础。 • 3.电子显微分析，章晓中，清华大学出版社2007. • 4.透射电子显微学：材料科学教材（4卷本，英文），清华大学出版社、Springer Publishe
• 要想电子束作为光源，用于放大成像，还要解决：
• 电子束发射、
电子束加速、
• 电子束聚焦、
电子束放大、
• 电子束穿透能力、电子束成像等问题。
2.3 电子的基本性质
电子是英国物理学家汤姆逊(J.J. Thomson)于1897年在研 究阴极射线是发现的，它是最早被发现的基本粒子。一般地说， 电子是指带有负电的电子，静止质量为9.11×10-31Kg,其电量为 1.602×10-19库伦，是电量的最小单位，电子定向运动形成电流， 利用电场和磁场可按需要的方式控制电子的运动，正是利用这 一性质，人们发明了各种电子仪器，电镜就是其中之一。
的分辨本领越高。
•
•
• 对于光学显微镜，若介质为空气，则n = 1， α极限条件下 可为90°，则分辨率为
•
d = 0.61λ。
• 实际上，对于玻璃透镜，最大孔径半角a = 70-75°，如果 在物镜和试样之间加入松柏油（n = 1.515）,
• 此时的分辨率为 d = λ/2,
• 可见，半波长是光学玻璃透镜可分辨本领的理论极限。
Ernst Ruska 1906-1988
第一代显微镜——光学显微镜
1830年代后期为M. Schleide和T.Schmann所发明； 它使人类“看”到了致病的 细菌、微生物和微米级的微 小物体，对社会的发展起了 巨大的促进作用，至今仍是 主要的显微工具 .
第二代显微镜——电子显微镜
1932年
（SPM）系列。
从1830年到1982年150年内，人类眼睛的也从 200nm“看”到了0.1nm，提高了2000倍。
•第二章 电子显微镜基础
• 2.1 几何光学成像及光学显微镜结构回顾
• 2.1.1 几何光学成像
• 透镜成像的高斯公式
• u 是物距； • v 是像距 • f 是焦距
• 2.1.2 光学显微镜结构
综上所述： 1. 提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率； 2. 加速电压越高，对试样的穿透能力越大，可放宽对样品 的减薄要求。 3. 如用更厚样品，更接近样品实际情况。 4. 电子波长与可见光相比，相差105量级。
• 2.2 磁透镜的工作原理
• 可见光用玻璃透镜聚焦。 • 电子束在旋转对称的静电场或磁场中可起到聚焦的作用。电
对正电荷在磁场中运动时受到磁场的作用力为：
考试形式及安排
1. 20%的小论文（开卷、提前准备）
各种显微镜、XPS、热分析，WXRD等现代分析测试仪器在 材料研究中得到广泛的应用。请具体介绍其中1-3种分析仪 器在你所研究领域的最新应用情况，并谈谈这些研究方法可 能对你在今后研究中的帮助和启发。（附参考文献2-3篇， 可提前准备，正反打印，重复卷记零分）
常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、 荧光显微镜等。
2.1.3 光学显微镜成像
借助于一个单镜头，放大率总是受到限制。显微镜则由 两组透镜组成，每组透镜相当于一个凸透镜。 对这物体的一组叫做物镜， 对着眼睛的一组叫做目镜。
物镜是一个短焦距的凸透镜，其作用是得到放大的物体
的实像，目镜则起放大镜的作用，是一个焦距比物镜长
•
所能观察到的最小距离，既
能分辨的最短距离称为显微镜的
分辨率。人眼的分辨率为0.2mm.
假如在物镜形成的像中，这两个
点未被分开的话，则无论放大多
少倍，也不能把它们分开。
光学透镜成像的情况见图。表示样品上的两个物点S１、S２经过物镜在像平面 形成像s1’、s2’的光路 。 由于衍射效应的作用，点光源在像平面上得到的并不是一个点，而是一个中 心最亮，周围带有明暗相间同心园环的园斑，即Airy斑． 即S1、S2成像后在像平面上会产生两个Airy斑S1’、S2’． Airy斑的光强分布特征：
1924年法国的科学家德布罗意（de Broglie）指出，任何 一种快速运动的粒子（这里的快速是指接近光速），都具有类 似于光的性质，具有波动性，有一定的波长和频率。
其波长与粒子质量和运行速度的关系：
λ= h/mv = h/p
（2
-1）
λ:wavelength of the electron
• 电子运动速度与电场强度的关系
子束的聚焦装置是电子透镜。相应的分为：静电透镜和磁透 镜。 静电透镜中强的静电场往往导致镜体中发生电击穿和弧 光放电，因而目前电镜中很少使用。
• １．电磁透镜的聚焦原理
• 透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置是电 磁透镜。电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种 轴对称的分布磁场。正电荷在磁场中运动时，受到磁场的作 用力，即洛仑磁力。
te
in a crystalline lame
m
llae
nm
Crystal struct ure
Å
显微术：光学、 电子、扫描探针
显微术（microscopy）：借助于显微 镜进行显微技术应用的研究。
全国科学技术名词审定委员会审定；
SPM
LM
TEM
SEM
1. 显微镜简介
1986年, 鲁斯卡、宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．
r.
第一章 电子显微镜的基础
绪论——材料研究的重要性
• 材料是社会发展的基石和支柱 • 新材料是科技发展的先导 • 材料研发和应用能力体现了国家的竞争力
材料科学基础的地位
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材 料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经 历了七个时代，各时代的开始时间： w 石器时代（公元前10万年） w 青铜器时代（公元前3000年） w 铁器时代（公元前1000年） w 水泥时代（公元0年） w 钢时代（1800年） w 硅时代（1950年） w 新材料时代（1990年）
• 根据光学理论，分辨率可表示为：
• d = 0.61λ/(nsinα)
•
d 为分辨率； λ为入射光的波长；n 为样品与物镜之
间介质的折射率；α为半孔径角。
•
习惯上，N·A表示为nsinα，称为显微镜的数值孔径。
• 从公式
d = 0.61λ/(nsinα) 可以看出，
•
波长愈短，孔径角愈大，介质的折射率愈大，则显微镜
则，
② 若加速电压很高，使电子具有极高速度，则经过相对论修
M0 电子的静止质量 9.11
×10-31Kg
V 是电子的速度， c 是光速 3.0×108 m/s 。
在加速电压为V的电场作用下，一个静止的电子所获得的动能等于电子
的总能量mc2与静止能量m0c2之差,即
eV = mc2 - m0c2
将上两式合并，在结合德布罗意公式可得
你们见过几种光学显微镜？
光学显微镜有多种分类方法： 1.按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜； 2.按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜； 3.按观察对像可分为生物和金相显微镜等； 4.按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等； 5.按光源类型可分为普通光、荧光、紫外光、红外光和激光 显微镜等； 6.按接收器类型可分为目视、数码（摄像）显微镜等。
• 光学显微镜的分辨率为200nm,为了进一步提高分辨率，唯 一可能是利用短波长的射线，如利用紫外线（200-400n m），分辨率可提高一倍，曾经有人提出用X射线和γ射线 作为光源，但在技术上比较困难，至今没有大的进展。当 电子束作为“光源”时显微镜的分辨率提高了1000倍。
• 电子波的波长决定于电子的速度，而电子的速度决定于加 速电压，例如，当加速电压为100KV, 电子束波长为0.003 7nm，它比可见光的波长小于10万倍，但实际分辨率提高 只有约1000倍。这是由于电镜像差等造成的。
电子显微镜 Electron Microscope
何本桥 2012.10
自我介绍
• 何本桥，湖北孝感人， • 中科院化学所博士， • 韩国培材大学高级访问学者， • 测试中心电镜负责人 • 从事膜结构和性能研究
目录
• 第一章 电子显微镜的基础 • 第二章 透射电子显微镜的结构、原理及应用 • 第三章 电子扫描显微镜原理、应用 • 第四章 原子力显微镜显微镜原理、应用
性能可以 提高百倍
α
聚偏氟
乙烯
β
普通塑料
压电、热电 材料
聚合物的性能结构依赖性
反应物
反应物 产物
Flow-Through
产物
多孔聚合物催化膜
致密聚合物催化膜
Resident time (s)
高效催化性能(in Flow-through Mode)
2500 2000 1500
H SO 24
Membrane Catalyst
•因为材料的应用获得的益处：
秦帝国的统一——青铜兵器性能的提高和兵器标准化制备 航海时代的开始—— 指南针的使用（磁性材料） 工业革命—— 钢铁材料的发展 信息时代—— 半导体材料、单晶硅、光纤材料 航空航天—— 有色轻金属合金、复合材料、先进陶瓷材料
聚合物的性能结构依赖性
➢ 晶体尺寸 ➢ 晶体取向 ➢ 晶体类型
Ruska Knoll
电子显微镜
20世纪三十年 代早期卢斯卡（E.Rusk a）等发明了电子显微 镜，使人类能”看”到 病毒等亚微米的物体， 它与光学显微镜一起成 了微电子技术的基本工 具。
第三代显微镜——扫描探针显微镜（SPM）