电子显微镜讲义-2012(第1,2节)1

• 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0.0037nm，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。 • • • • 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。
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．
Ernst Ruska 1906-1988
第一代显微镜——光学显微镜
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。
• 2.1Leabharlann 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
你们见过几种光学显微镜？
u1
u2 v1
人眼
v2
• 2.1.3 光学显微镜局限 • 分辨率定义： • 任何显微镜的用途都是将物体 “放大”，使物体上的细微部分 清晰的显示出来，帮助人们观察 用肉眼直接观察看不见的东西。 假如物体上两个相距一定距离的 点，利用显微镜把它们区分开来。 • 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。
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）
第三代显微镜——扫描探针显微镜（SPM）
1982年
扫描隧道 显微镜
也可简称为纳米显微镜。1982年 宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜 （STM），使人类实现了观察单个 原子的原望；1985年宾尼发明了可适 用于非导电样品的原子力显微镜 （AFM），也具有原子分辨率，与 扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针 显微镜（SPM）系列。
• 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 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。
eV = mc2 - m0c2
将上两式合并，在结合德布罗意公式可得
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
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 λ:wavelength of the electron p:momentum h: Planck’s constant,6.67×10-34 此时，微观粒子显示出波动性，粒子性不显著；有时显示出粒子性，波动性不显 著。如电子衍射时显示出电子的波动性；而电子与电子或其他粒子碰撞时则表现出 电子的粒子性。 （2-1）
电子显微镜 Electron Microscope
何本桥 2011.5
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
课堂要求和风格
• 保持仪容整洁
• 保持课堂纪律性（课堂坚决不能出现手机铃 声和接听电话、不准上课吃东西可以喝水、 上课时间不得随意走动） • 保持课堂交互性（我会随时提问，可以讨论） • 保持课堂理论教学与科研实践相结合
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的凸透镜，物镜的向成在目镜焦点以 内，经过目镜在明视距离附近成一个放大的虚像。
0.01nm
扫描电子显微镜 透射电子显微镜 扫描探针显微镜
Spherulite
m
Stacked lamellar structure in a spherulite Folded chains packed in a crystalline lamellae
nm
Å
Crystal structure
• 电子运动速度与电场强度的关系 • • 如果电子在电场V的作用下加速运动，它的动能等于电场对它 做的功，即 • mv2/2 = eV • m,e 是电子的质量和电荷 • v 是电子的速度， • V 是加速电压。 • 所以 • v = (2eV/m) 1/2 （2-2） • • 由2-1和2-2可得到
对正电荷在磁场中运动时受到磁场的作用力为：
式中， q-运动正电荷 v-正电荷运动速度 B-正电荷所在位置磁感应强度，与磁场强度H的关系：B = H
F力的方向垂直于电荷运动速度和磁感应强度所决定的平面，按矢量叉积 V×B的右手法则来确定。 对电子而言，其带负电荷，F方向由B×V决定，其运动方式有如下几种情形： 1. V//B，Fe = 0, 电子在磁场中不受磁场力，运动速度大小和方向不变； 2. V┴B，Fe = Fmax，电子在与磁场垂直的平面内作匀速圆周运动； 3. V与B成θ角，电子在磁场内作螺旋运动； 4. 在轴对称的磁场中，电子在磁场内作螺旋近轴运动。
指南针的使用（磁性材料）
钢铁材料的发展
半导体材料、单晶硅、光纤材料
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
性能可以 提高百倍
α
聚偏氟 乙烯
普通塑料
β
压电、热电 材料
聚合物多层次结构 人眼 光学显微镜
0.2mm
200nm
1nm
0.2nm
o.1nm
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 考试
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 Publisher.
• 由此可推知光学显微镜有效放大倍数为1000倍
• 问题：1.什么是有效放大倍数？ • 2.为什么光学显微镜的最大放大倍数设计为1000倍？
• 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（200-400nm），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。
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： 84％集中在中央亮斑上，其余由内向外顺次递减，分散在第1、第2 …。一般 将第一暗环半径定为Airy斑的半径。 如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑 也逐渐重叠．当斑中心间距等于Airy 斑 半径时，强度峰谷值相差19，人眼可以 分辨，即Rayleigh准则 Rayleigh准则： 当一点光源衍射图样的中央最亮处刚 好和另一个点的第一个最暗处重合时， 两衍射斑中心强度约为中央的81％，人 眼刚可以分辨，这一条件称为Rayleigh 准则.
• 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，则显微镜的 分辨本领越高。 • •
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。