第二章 电子光学及入射电子技术资料

第二章电子光学及入射电子

与试样的相互作用2.1 光学显微镜与电子显微镜的一些基本概念

分辨率

人眼和光学显微镜的分辨率：

2.光学显微镜---1878年阿贝（Abbé）公式：

θ

n

λ

.

d

s

i n

6

1

∙

=

d≈ λ/2（决定光学显微镜分辨率的因素是光的波长λ）

不同光或电磁波的波长

⏹

⏹

⏹电子波长：0.05-0.03 Å。

⏹X射线波长：0.5-2.5 Å。

放大倍数M与分辨率d的关系

⏹放大倍率M=像长/物长

⏹有效放大倍率M=d（人眼）/ d（仪器） --即相对于人眼的

⏹光镜1000 ×⏹100万×

电子波长与加速电压的关系

⏹德布罗意 （L.de.Broglie ）

meU h mv h 2/==λ)Å(/150V =λ简化为

⏹

⏹

⏹

不同加速电压下的电子波长

⏹扫描电镜加速电压：几-30Kv

⏹

各种光及电子波长

电镜光镜

⏹光源：电子束 --- 可见光

⏹透镜系统：电磁透镜 --- 光学玻璃

⏹放大倍数：高(100万倍) --- 低(1000倍）⏹分辨率：高(0.2nm) --- 低(0.2um）⏹景深：长 --- 短

⏹颜色：黑白 --- 彩色

⏹工作条件：真空、高压 --- 一般环境

⏹试样制备：复杂 --- 简单

⏹活体观察：不能 --- 能

光镜与电镜的比较

光学显微镜与电子显微镜的结构示意图

光学显微镜与电子显微镜的结构示意图

2.2 电子光学⏹

⏹

加热：

核旋转电子获得足够的动能，

加压：

⏹理查森（Richardson）定律

)

/

(

)

/

exp(2

2cm

A

T

E

T

A

J

W

C

C

κ

-

=

⏹

常用的热发射电子枪的阴极⏹

灯丝（a）发叉式钨灯丝（b）LaB

6

⏹

⏹

发射电流、亮度和偏压的关系

自给偏压电子枪的发射特性

--束流i

b 与灯丝电流i

f

的关系

场发射电子枪的亮度比热电子发射电子枪大100~1000倍，电子源尺寸可达30 Å或更小，使用寿命也大大延长。

各种电子枪特性比较

2.2.2 电子透镜

⏹

⏹图2.10 透镜的物面、成像面和焦距的几何光学图

P-物面；P ’-成像面；L-透镜中心；F-后焦面

b

a f 111+=

图2.9 电磁式电子透镜原理

（a）-螺旋线圈内的磁场（b）-磁场内的电子轨迹（c）-光学透镜中光的轨迹

透镜的象差及其消除方法如只考虑衍射象差限制，依理论计算透射电镜分辨能力可达到0.02Å。由于各种象差影响，目前实际达到的最佳分辨能力为1-1.5 Å，两者相差100倍。（1）几何象差：因电磁场在几何上不满足轴旋转对称性以及不满足电子束近轴条件引起的象差，有：球差、象

散、畸变等几何象差。

球差：球差是因电子透镜边缘部分对电子的聚焦能力

比中心部强而引起的象差。

对于光学透镜可通过聚焦、发散透镜的组合消除球差影响。电子透镜球差不能完全消除，只能通过

减小球差系数提高分辨能力。

象散：

畸变：

（2）色差：色差是因电子透镜对速度不同的电子聚焦能力不同引起的象差。色差实质上是电子的速度效应，与

近轴条件无关。

在电镜中首先是加速电压，其次是透镜激励电流的稳

定性、灯丝发射电子的初速度以及透射电镜中透过试

样的非弹性散射电子等，造成电子速度波动。

（3）衍射差：衍射差是由于小孔电子衍射现象造成的象差。

2.3 入射电子与试样的相互作用

弹性非弹性

吸收电子

二次电子X射线阴极荧光

电磁辐射生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子

形貌特征元素组成晶体结构电子结构光、电、磁等物理性质

入射电子与试样的相互作用

各种被激发信号及其发射区域

各种被激发信号及其发射区域

原子序数、加速电压与入射电子激发区域大小、

形态关系的示意图

用蒙得卡洛（Monte Carlo）法计算的电子在Fe中的

作用范围 30keV

各类电子数量及能量范围

在电镜中，一般认为，能量小于50eV的电子归属于二次电子，而能量大于50eV的电子属于背散射电子。

2.3.2 入射电子束在试样中激发出的信息

⏹ 2.3.2.1 背散射电子

背散射电子的产额随原子序数的增大而增大。

当背散射电子探测器相对于入射电子束作倾斜设置时，如果试样的某一部分向着探测器，则其强度便会增大，反之就会减小。

背散射电子可以同时带来关于试样原子序数和表面凹凸这两信息。

一般能将试样平均原子序数差异ΔZ为0.1的物相清晰地区分开。背散射电子成的像，其分辨距离一般为10-200nm。