电子显微学简介及电子与物质的相互作用

1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面 条纹像（1纳米）。 1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米 的氧化物的像。
1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属原子的分 布（~0.3纳米），标志高分辨像与晶体结构对应 关系的产生。
目前，电子显微镜的分辨率接近0.1纳米。
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
1.位错的观察证实了位错理论的正确性。（衍衬像） 2.准晶的发现扩展了晶体的范畴。（电子衍射） 1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义：“晶体 是指任何给出基本上有明确衍射图的固体，而非周 期性晶体是指无周期性的晶体”。 3.纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。 （高分辨像）
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1
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1
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1
ne/na+Na-Ne
8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
另外，材料中缺陷对材料性能的影响也是非常 大的，如位错使金属材料的强度下降一个量级。 材料的性质依赖于相结构是材料科学中的基本 概念。材料的结构是材料性能的载体。因此， 对材料显微结构的表征是研究材料性能的主要 方法，已成为材料科学的一个不可缺少的重要 环节。
衍射或者X射线在晶体中的衍射是完全类似。
电子枪的加速电压为V，电子的能量为eV，电子波
的频率和波长为ν，λ
eV h
P h
eV
1 2
m0 v 2
P m0v
h
2m0eV
普朗克常数=6.6261196x10-27尔格•秒，电子的 静止质量=9.109558x10-28克，电子的电荷量 =4.803250x10-1库伦
（埃） 12.26856
V
电子束的波长随电子枪加速电压的增高而减小
目前所使用的透射电子显微镜其电子枪的加速电压 一般都高于100千伏，这时需要对电子的能量和静 止质量引入相对论修正。
eV mc 2 m0c2
m m0
1
V c
2 2
用 m m0 乘前式两边得
m m0 eV m2V 2 P2
材料 ne
na
Ge
4
1
As
5
1
Se
6
1
SiC
8
2
GaAs
8
1
CdTe
8
1
AgInTe2
16
2
PbS
8
1
Mg2Sn
8
1
LiMgSb 8
1
Li3Bi
8
1
Mg3Sb2
16
2
Bi2Te3
24
3
Fe2O3
24
3
BaTiO3
24
3
FeS2
14
2
CdSb
7
1
GaTe
9
1
Na
Ne
4
0
3
0
2
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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• 元素种类，分布，样品厚 度
• 表面形态 • 磁畴结构 • 磁畴结构，晶体势，样品
厚度 • 元素分布
表征内容 • 组成元素及分布 • 电子状态 • 晶体对称性 • 物相鉴定 • 原子排列 • 晶体结构与缺陷 • 磁畴结构 • 界面结构 • 晶体取向
分析方法
• X 射线能谱，电子能 量损失谱， Z-衬度像， 能量过滤像
电子显微学方法和获得的信息
方法 • 电子衍射
• 质（量）厚（度）衬度像 和高分辨像
• X 射线能谱
• 电子能量损失谱
• 二次电子像 • 洛伦茨电子显微术 • 电子全息 • Z-衬度像 • 能量过滤像
可获得信息 • 晶体对称性，晶体取向，
样品厚度 • 晶体缺陷，原子排列
• 元素种类，分布，样品厚 度
本次内容
• 电子显微学简介及电子与物质的相互作用
电子显微镜的发展史回顾
1986年诺贝尔将委员会把物理奖的一半颁发给 E.Ruska:”为了他在电子光学基础研究方面的贡 献和设计出第一台电子显微镜.” Ruska-1928-1930用磁透镜将金属网放大13倍 实现电子显微成像。(柏林高工） 1930-1933 与Von Borries 制造了第一台电子 显微镜。（西门子） M.RÜdenberg-1931.5.28向德、法、英等国申请 电子显微镜专利（凭理论推测），1932年12月 和1936年10月获得法、英的批准，1953年获 得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在 RÜdenberg的专利中。
蚀性能、磁学性能。 Mooser-Pearson 公式可用来判断材料是否具有半导
体性质
ne na
Na
Nc
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ne是一分子中的价电子数，na是一分子中的 阴离子数，Na是一个阴离子与其它阴离子之 间的平均键数，Nc是一个阳离子与其它阳离 子之间的平均键数。ne和na由已知的化学成 份得到，Na和Nc必须有晶体结构确定。
材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
磁畴结构的表征 •洛伦次电子显微方法； •电子全息。
材料结构与性能的关系
• 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得变化，
• 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. 面心立方合体心立方结构的铁有完全不同的磁性。 2. α、γ、ξAl2O3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
作为结构分析手段电子显微镜具有高 空间分辨率和能量分辨率，已成为显 微结构表征和微区成份分析不可缺少 的工具。电子显微镜在材料领域的广 泛对于研究和开发新材料，特别是纳 米材料的开发具有非常重要的作用。
电子与物质的相互作用
电子波
从电子源发出的电子束照射到晶体上，就会从中发
射出一束或几束衍射电子束，与可见光通过光栅的
h
h
(m m0 )eV
2m0eV
(1
eV 2m0 c 2
)
[1
eV 2m0 c 2
]1/ 2
是相对论修正因子，当加速电压为100 和200千伏时，电子波长的变化约为
5%和10%
加速电压（伏）电子束波长 相对论修正波 波矢长度（埃
（埃）
长（埃）
-1）
1 10 100 1000 10000 50000 100000 1000000
• 电子能量损失谱 • 电子衍射 • 高分辨像， X 射线能
谱，电子能量损失谱
• 高分辨像，衍射衬度 像
• 洛伦茨电子显微术， 电子全息
用于材料结构表征电子显微方法
晶体结构的表征
1.电子衍射 • 透射电子衍射; • 反射电子衍射; • 会聚束电子衍射; • 微束电子衍射。
2. 电子显微像 振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像； （对中暗场像，弱束暗场像） 高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。