第1章 电子光学基础(1)..
现代材料分析方法第七章电子光学基础
目录
• 电子光学基础概述 • 电子光学基础理论 • 电子光学实验技术 • 现代材料分析中的电子光学应用 • 电子光学的发展前景与挑战
01
电子光学基础概述
电子光学的基本概念
电子光学是研究电子在电磁场中的运 动和电磁场对电子运动的反作用的科 学。
电子光学的基本原理包括电子波动性、 电磁场对电子运动的洛伦兹力作用等。
电子光学在新能源领域的应用
太阳能电池
电子光学在太阳能电池的设计和优化中发挥着重要作用，如通过 光学干涉和衍射提高太阳能电池的光电转换效率。
光电探测器
光电探测器是新能源领域的重要器件，电子光学为其设计和优化提 供了理论基础和技术支持。
风力发电机叶片检测
电子光学技术可用于风力发电机叶片的检测和监测，通过无损检测 手段确保叶片的可靠性和安全性。
透射电子显微镜技术
透射电子显微镜的基本原理
利用高能电子束穿透薄样品，通过电磁透镜成像。通过改变 透镜的焦距和电流强度，可以得到不同放大倍数的图像。
透射电子显微镜的应用
在生物学、医学、环境科学等领域广泛应用，用于观察细胞 、蛋白质、病毒等超微结构，以及研究环境污染物对生物体 的影响等。
04
现代材料分析中的电子光学 应用
它涉及到电子波的传播、散射、干涉、 衍射等现象，以及电子与物质的相互 作用。
电子光学的发展历程
19世纪末，汤姆逊和洛伦兹等科学家开始研究电 子在电磁场中的运动，奠定了电子光学的基础。
20世纪初，量子力学的出现和发展，为电子光学 提供了更深入的理论基础。
现代电子光学的发展，得益于电子显微镜、扫描 隧道显微镜等先进仪器的出现和应用。
02
电子光学基础理论
光学与光电子技术作业指导书
光学与光电子技术作业指导书第1章光学基础知识 (4)1.1 光的波动性与粒子性 (4)1.1.1 波动性 (4)1.1.2 粒子性 (4)1.2 光的传播与反射 (4)1.2.1 光的传播 (4)1.2.2 反射 (4)1.3 光的折射与全反射 (4)1.3.1 折射 (4)1.3.2 全反射 (4)第2章光的干涉与衍射 (5)2.1 干涉现象及其应用 (5)2.1.1 干涉现象的基本原理 (5)2.1.2 干涉现象的应用 (5)2.2 衍射现象及其分类 (5)2.2.1 衍射现象的基本原理 (5)2.2.2 衍射现象的分类 (5)2.3 光学仪器中的干涉与衍射 (6)2.3.1 干涉在光学仪器中的应用 (6)2.3.2 衍射在光学仪器中的应用 (6)第3章光的偏振与双折射 (6)3.1 偏振光及其产生 (6)3.1.1 偏振光的概念 (6)3.1.2 偏振光的产生 (6)3.2 双折射现象及其应用 (6)3.2.1 双折射现象 (7)3.2.2 双折射的应用 (7)3.3 偏振器件与偏振光检测 (7)3.3.1 偏振器件 (7)3.3.2 偏振光检测 (7)第4章光的吸收与发射 (7)4.1 光的吸收过程 (7)4.1.1 吸收系数 (8)4.1.2 贝尔定律 (8)4.1.3 吸收光谱 (8)4.2 光的发射过程 (8)4.2.1 自发发射 (8)4.2.2 受激发射 (8)4.2.3 荧光和磷光 (8)4.3 光谱分析与光谱仪器 (8)4.3.1 光谱仪的原理 (8)4.3.3 光谱分析的应用 (9)4.3.4 光谱仪器的功能指标 (9)第5章激光原理与技术 (9)5.1 激光产生与特性 (9)5.1.1 激光产生原理 (9)5.1.2 激光特性 (9)5.2 激光器及其类型 (9)5.2.1 激光器的分类 (9)5.2.2 常见激光器介绍 (9)5.3 激光在光电子技术中的应用 (10)5.3.1 光通信 (10)5.3.2 光存储 (10)5.3.3 光刻 (10)5.3.4 材料加工 (10)5.3.5 医疗美容 (10)5.3.6 测量与检测 (10)5.3.7 激光显示 (10)第6章光电子器件与电路 (10)6.1 光电子器件原理 (10)6.1.1 光电子器件概述 (10)6.1.2 光源 (11)6.1.3 光探测器 (11)6.1.4 光调制器 (11)6.1.5 光开关 (11)6.2 光电子电路设计 (11)6.2.1 光电子电路概述 (11)6.2.2 光源驱动电路设计 (11)6.2.3 光探测器电路设计 (11)6.2.4 光调制器电路设计 (11)6.2.5 光开关电路设计 (11)6.3 光电子器件在通信与显示领域的应用 (12)6.3.1 光电子器件在光通信中的应用 (12)6.3.2 光电子器件在光纤通信中的应用 (12)6.3.3 光电子器件在显示技术中的应用 (12)6.3.4 光电子器件在光互连和光计算中的应用 (12)第7章光学传感器与检测技术 (12)7.1 光学传感器原理 (12)7.1.1 光敏感元件 (12)7.1.2 信号处理电路 (12)7.2 光学检测方法 (12)7.2.1 光谱检测 (13)7.2.2 干涉检测 (13)7.2.3 全息检测 (13)7.3 光学传感器在环境监测与生物检测中的应用 (13)7.3.1 环境监测 (13)7.3.2 生物检测 (13)第8章光通信技术与系统 (14)8.1 光纤通信原理 (14)8.1.1 光纤结构及分类 (14)8.1.2 光纤传输原理 (14)8.1.3 光源与光检测器 (14)8.2 光通信器件与设备 (14)8.2.1 光发射器件 (14)8.2.2 光接收器件 (14)8.2.3 光放大器与光衰减器 (14)8.2.4 光开关与光调制器 (14)8.3 光通信网络的规划与优化 (14)8.3.1 光通信网络结构 (14)8.3.2 光通信网络设计 (15)8.3.3 光通信网络优化 (15)8.3.4 光通信网络管理 (15)第9章光学成像与显示技术 (15)9.1 成像系统原理 (15)9.1.1 光的传播与成像规律 (15)9.1.2 成像系统的分类与结构 (15)9.1.3 成像系统的主要功能指标 (15)9.2 显示技术及其发展 (15)9.2.1 阴极射线管（CRT）显示技术 (15)9.2.2 液晶显示（LCD）技术 (16)9.2.3 发光二极管（LED）显示技术 (16)9.2.4 有机发光二极管（OLED）显示技术 (16)9.3 光学成像与显示在虚拟现实与增强现实中的应用 (16)9.3.1 虚拟现实中的光学成像与显示技术 (16)9.3.2 增强现实中的光学成像与显示技术 (16)9.3.3 光学成像与显示技术在VR与AR领域的挑战与展望 (16)第10章光电子技术在新能源领域的应用 (16)10.1 光伏发电原理与器件 (17)10.1.1 光伏效应 (17)10.1.2 光伏器件 (17)10.1.3 提高光伏转换效率的方法 (17)10.2 光催化与光化学合成 (17)10.2.1 光催化原理 (17)10.2.2 光催化剂 (17)10.2.3 光化学合成 (17)10.3 光电子技术在节能减排中的应用展望 (17)10.3.1 太阳能光伏发电 (17)10.3.2 光催化技术在环境保护中的应用 (18)10.3.3 光电子技术在新能源汽车中的应用 (18)10.3.4 光电子技术在绿色建筑中的应用 (18)第1章光学基础知识1.1 光的波动性与粒子性1.1.1 波动性光作为一种电磁波，具有波动性。
TEM主要英语词汇
第二篇金属电子显微分析Electron Microanalysis for Metals第一章电子光学基础The Electron Optics引言1.显微分析的任务：了解材料的化学成分、形貌和晶体结构The microanalysis: Composition, topography, and crystals construction.2.电子光学仪器：透射电子显微镜（TEM）,扫描电子显微镜(SEM)The instrument of electron optics:Transmission Electron Microscope (TEM), Scanning Electron Microscope (SEM)3.以电子光学方法将具有一定能量的电子(或离子)会聚成细小的入射束，通过与样品物质的相互作用激发表征材料微观组织结构特征的各种信息，检测并处理这些信息从而给出形貌、成分和结构的丰富资料，是所有电子光学仪器的共同特点。
3.The incident beam of electrons (or ions) condensed with electronic optics technique interact with the materials of samples to exact and product the information of materials’ topography, crystals construction, and also, to detect and to treat these information about the composition, topography, and crystals construction.4.微区分析新技术4.Micro-analysis technique.1.1.几何光学: 折射定律，Geometric Optics :Refractive law光的折射是其成像基础。
电子光学知识点整理
第一章/n c v εμ==电子波长:h mv V λ==光的折射定律:2112sin sin n n φφ=,1122cn v cn v ==变分法关键定理:欧拉方程F F()0y x y d d ∂∂-='∂∂费马原理指出：光沿所需时间为极值(极大值、恒值、极小值)的路径传播。
t时间1vkii is ==∑费马原理的数学表达式：δδδδ==⇒==⎰⎰22111[]0[]0p p pp t nds L nds c费马原理的具体表达式——斯涅尔定律：1122()sin sin sin sin k kn x n n n φφφφ=L 常数或者：＝＝＝光学定律的数学表达式(光的直线传播，反射、折射的内在联系.遵循的一个更普遍的规律)1\光的直线传播定律——由斯涅尔定律可知：当n 为常数时，正弦函数为常数，即，角度为常数；——光传播路径ds 上任何一点的方向相同，因此为一条直线。
2、折射定律——斯涅尔定律3、反射定律：令n2=-n1，有ψ2=-ψ1，由于入射角和反射角关于反射法线对称，因此ψ’=-ψ14、互易原理：当光线在两种媒质分界面上反射时，其光线传送互易。
非相对论条件下的电子运动方程：o d m e()dt =-+⨯v E v B直角坐标系下的电子运动方程组：222222()()()x z y y x z z y x d x e dy dz E B B dt m dt dt d y e dz dxE B B dt m dt dt d z e dx dyE B B dt m dt dt =-+-=-+-=-+-由电子在均匀电磁场中的能量变化方程：2()02d mv e dt ϕ-=积分可得：22mv e C ϕ-=电子运动速度可以通过空间电位来表示，下式φ为规范化电位：2 5.93210(/)e v m s m ϕϕ==⨯电子在均匀静电场内的轨迹方程：222o eE y z mv =-均匀磁场中，电子速度垂直于Bη==o o Lmv v R eB B ,ηππ===122o v B f T R均匀磁场中，电子速度与B 有夹角α:sin L v R B αη=,12B f T ηπ==,2cos h v B παη=电子在复合电磁场中的运动222222()()()x z y y x z z y x d x e dy dzE B B dt m dt dt d y e dz dxE B B dt m dt dt d z e dx dyE B B dt m dt dt =-+-=-+-=-+-运动方程(摆线方程)为：220(1cos())sin()x E y Bt B E E z t Bt B B ηηηη⎧⎪=⎪⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪⎪⎪=-⎪⎩电子运动方程(轮摆线轨迹)：22222()()()E E E y z t B B B ηη-+-=麦克斯韦方程组：BE t∂∇⨯=-∂,D ρ∇⋅=,D E ε=,D H J t ∂∇⨯=+∂,0B ∇⋅=,B H μ=在假设条件下：0E ∇⨯=,0E ∇⋅=,0B ∇⨯=,0B ∇⋅= 矢量公式通用形式2311322131231231[()()()]D h h D h h D h h D h h h q q q ∂∂∂∇⋅=++∂∂∂\22313211231112223331()()()h h h h h h h h h q h q q h q q h q ϕϕϕϕ⎡⎤∂∂∂∂∂∂∇=++⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎣⎦直角坐标系下拉氏方程：圆柱坐标系下拉氏方程：0ϕθ∂=∂当时，22222211()00r r r r r r z z r ϕϕϕϕϕ∂∂∂∂∂∂+=⇒++=∂∂∂∂∂∂谢尔茨公式：圆柱坐标系下拉氏方程：贝塞尔微分方程：22221(1)0d d dz z dz z ϖϖνϖ++-=轴对称电场的积分表达式：201(,)(sin )2r z V z ir a daπϕπ=+⎰谢尔茨公式：曲线在点M 的曲率limQ Md k MQds δα→==点M 的曲率半径1ds R k d α==当已知曲线方程为：y=f(x)时，曲线的曲率半径。
材料现代分析与测试技术 教学大纲
材料现代分析与测试技术课程教学大纲一、课程性质、教学目的及教学任务1.课程性质本课程是材料类专业的专业基础课，必修课程。
2.教学目的学习有关材料组成、结构、形貌状态等分析测试的基本理论和技术，为后续专业课学习及将来材料研究工作打基础。
3.教学任务课程任务包括基本分析测试技术模块——X射线衍射分析、电子显微分析、热分析；扩充分析测试技术模块——振动光谱分析和光电子能谱分析。
在各模块中相应引入新发展的分析测试技术：X射线衍射分析X射线衍射图谱计算机分析处理；电子显微分析引入扫描探针显微分析（扫描隧道显微镜、原子力显微镜）；热分析引入DSC分析。
二、教学内容的结构、模块绪论了解材料现代分析与测试技术在无机非金属材料中的应用、发展趋势，明确本课程学习的目的和要求。
1. 本课程学习内容2. 本课程在无机非金属材料中的应用3. 本课程的要求（一）X射线衍射分析理解掌握特征X射线、X射线与物质的相互作用、布拉格方程等X射线衍射分析的基本理论，掌握X射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法，掌握X射线衍射分析在无机非金属材料中的应用，了解X射线衍射研究晶体的方法和X射线衍射仪的结构，了解晶胞参数测定方法。
1. X射线物理基础（1）X射线的性质（2）X射线的获得（3）特征X射线和单色X射线2. X射线与物质的相互作用3. X射线衍射几何条件4. X射线衍射研究晶体的方法（1）X射线衍射研究晶体的方法（2）粉末衍射仪的构造及衍射几何5. X射线衍射数据基本处理6. X射线衍射分析应用（1）物相分析（2）X射线衍射分析技术在测定晶粒大小方面的应用（二）电子显微分析理解掌握电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、衬度理论等电子显微分析的基本理论，掌握透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针分析的应用和特点，掌握用各种衬度理论解释电子显微像，掌握电子显微分析样品的制备方法，了解透射电镜、扫描电镜、电子探针的结构。
1. 电子光学基础（1）电子的波长和波性（2）电子在电磁场中的运动和电磁透镜（3）电磁透镜的像差和理论分辨率（4）电磁透镜的场深和焦深2. 电子与固体物质的相互作用（1）电子散射、内层电子激发后的驰豫过程、自由载流子（2）各种电子信号（3）相互作用体积与信号产生的深度和广度3. 透射电子显微分析（1）透射电子显微镜（2）透射电镜样品制备（3）电子衍射（4）透射电子显微像及衬度（5）透射电子显微分析的应用4. 扫描电子显微分析（1）扫描电子显微镜（2）扫描电镜图像及衬度（3）扫描电镜样品制备5. 电子探针X射线显微分析（1）电子探针仪的构造和工作原理（2）X射线谱仪的类型及比较（3）电子探针分析方法及其应用6. 扫描探针显微分析（1）扫描隧道显微镜（2）原子力显微镜（三）热分析理解掌握差热分析、热释光谱分析的基本原理，掌握差热曲线的判读及影响因素，掌握热释光谱分析，了解差热分析仪的结构，了解热重分析和示差扫描量热分析。
第一章 电镜结构
sin α v2 = sin β v1
由此式可以看出，可见光和电子束通过相应的物 质界面时，具有类似的折射现象。所不同的是：可 见光是从光疏介质进入光密介质时，γ＜θ（θ为入 射角，γ为折射角），相应的速度变小，而电子束 由低电压区进入高电压区时，虽折射角β小于入射 角α，但电子的速度却增加了。
12
利用折射的原理可以使可见光和电子束聚 焦。如果把平行的可见光通过一个凸透镜 就会聚集在焦点上。按照同样的道理，我 们把静电场的等位面也做成凸透镜状，那 么平行的电子束也会聚集在一个焦点上。
13
四、成像透镜及其性质
1. 静电透镜 一对电位不等的圆筒就可以构成一个最简 单的静电透镜。如果一个圆筒的电位比另一个 圆筒低，那么弧形的电力线是由高压指向低压 方。如果我们在垂直于电力线的方向画出等位 面，其形状就和凸透镜十分相似。见教材图8-2。 平行的电子束从低压方向向高压方向照射时， 就会在圆筒轴线的某一点上聚焦。
10
1.4 电子波的折射
电子是带有负电的粒子，它们在静电场中会 受到电场力的作用，使运动方向发生偏转。下图 示意地说明了静电场对电子的折射作用。图中U1 和U2为两个等电位区，且U1＞ U2，电场强度E的 方向是U2 指向U1，而电荷所受到的力F则与E相反。
11
由图可知，Vt1=V1sinα，Vt2=V2sinβ，故电子 束在静电场中产生折射时有：
36
场深的关系可以从图1-6推导出来。在 下，场深
的条件
这表明，电磁透镜孔径半角越小，景深越大。一般的电 磁透镜 ＝10-2~10-3rad， ＝（200～2000）∆r0. 如果透镜分辨率∆r0＝1nm，则Df=200~2000nm.对于加 速电压100kV的电子透镜来说，样品厚度一般控制在 200nm左右，在景深范围之内，因此样品各部位的细节 都能得到清晰的像。电磁透镜景深大，对于图像的聚焦 操作（尤其在高放大倍数情况下）是非常有利的。
光电子技术基础_第二版_(朱京平_著)_科学出版社_课后答案
放大，为此，我们引入激活介质的增益系数 G (υ )
G (υ ) =
dI (υ ) I (υ ) dx
式中， dI (υ ) 是传播距离 dx 时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强 度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于 dI (υ ) > 0 ，因而 G (υ ) > 0 ，所以 G (υ ) 可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3.计算与推导 ⑴λ＝0.5μm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300K 时，什么波长下
= −µ0
∇(∇ E ) − ∇ 2 E ＝ − µ 0
课
∂ 2 (ε 0 E + P) ∂J ∂E ＝ − µ0 − µ 0σ − µ0 s 2 ∂t ∂t ∂t
后
答
∂J ∂2 D ∂E − µ 0σ − µ0 s 2 ∂t ∂t ∂t
案
网
在电介质中，一般有 M = 0 ,从而 µ = µ 0 ， B = µ 0 H ，于是上式可化为
课
后
答
成熟特别是量子阱激光器的问世以及 CCD 的问世。
案
20 世纪 70 年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的
网
20 世纪 60 年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。
ww
w.
征，是一门新兴的综合性交叉学科。
kh da w. co m
1
第二章 光学基础知识与光场传播规律
⒈填空题 ⑴光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效 应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 ⑵两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏 双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是 δ = mλ (m = 0, ±1, ±2,LL) δ 为光程差。 ⑶ 两 列 同 频 平 面 简 谐 波 振 幅 分 别 为 E01 、 E02 ， 位 相 差 为 φ ， 则 其 干 涉 光 强 为
光电子学第一章
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
第一章 电子光学系统
俞大鹏 2006-9
5
北京大学 物理系 研究生课程：透射电子显微学－2006 年
图 1－5 电子显微镜电子枪工作示意图
上、下极靴之间的间隙）与设计、加工精度等决定了磁透镜的成像质
量。
磁透镜的性能
磁透镜为什么能将电子进行焦距?
（1）电子在均匀磁场中的运动轨迹与运动方程
对于一个带电荷为 q＝（－e）的电子进入磁场强度为 B、电场强
度为 E 的磁场中，它所受到的 Lorentz 作用力由下面的关系式表示：
俞大鹏 2006-9
费米分布带尾的电子获得足够的动能，克服表面功函数而发射出金属
表面，其发射电流密度为：
jc = ATc2 exp(−Φ / kT )
（1－3）
其中 k 为 Boltzmann 常数，Tc 为灯丝温度，A≅120AK－2cm－2，为依
赖于灯丝材料的常数。
图 1－7 LaB6 电子枪（左）与热发射电子（右）物理基础示意图
图 1－2 衍射效应产生的 Airy 斑。通过 Airy 斑可定义透镜的分辨率。
d ≥ 1.22λ 2n sinα
（1－2）
由上式可知，分辨率的上限约为波长的一半。对可见光，光学显
微镜的分辩极限为 200 纳米。此外，减少波长是提高分辨率的一条途
径。虽然 X 射线、γ射线波长短，但很难将它们汇聚成角。电子束由
其中 k 为 Boltzmann 常数，Tc 为灯丝温度，A≅120AK－2cm－2，为依
赖于灯丝材料的常数。
第一章电子光学基础11-9-7_讲义
9
用最简单的光学系统来 说明分辨率的准确定义及影 响分辨率的因素。
光阑
α：孔径角之半
A
r
L
d
α
O
B
艾里斑
O’
r’ I
S
图1-1 两个点光源像的叠加
84%强度
19%
d
(a)
(b)
图1-2 艾里斑与分辨率的示意图 (a) 艾里斑的强度分布
6
电子显微分析
1
电
第 一 章
子 光 学 基
础
1.1 分辨率
1.2 磁透镜的聚焦原理
1.3 电子透镜的缺陷和理论分辨 距离 （1） 球差 （2） 像差 （3） 色差 （4） 理论分辨距离
1.4 电子透镜的场深和焦深
1.1 分辨率
Scale of The World
7
8
人眼 0.1mm 光学显微镜 2000Å 电子显微镜 0.02Å
Fri.
23 2011-12-23
十六
Wed.
24 2011-12-28
4
1. 了解和掌握电子显微分析方法的理论知识和表 征技术；
2. 学会应用所学的测试方法，研究材料组成、结 构与性能的关系，通过测试方法的应用指导材 料制备工艺的改进与调整；
3. 正确地运用现代分析技术开展有关的科学研究。
教 学 目 标
2. 按时出席，占成绩的10％。 3. 完成作业，占成绩的20％。 4. 期末闭卷考试，考试分数占成绩
的70％。
3
上课时间表
周数
周几 次数
日期
电子光学基础1
电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。 电磁透镜的一大特点是景深大，焦长很长，这是由于小孔径角成像的结果。
习 题 1.电子波有何特征?与可见光有何异同? 2.分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜 的结构对聚焦能力的影响。 3.电磁透镜的像差是怎样产生的?如何来消除和减少 像差? 4.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素 是什么? 5.如何提高电磁透镜的分辨率？ 6.电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响?说明电 磁透镜的景深大、焦长长，是什么因素影响的结果？ 假设电磁透镜没有像差，也没有衍射埃利斑，即分辨 率极高，此时它的景深和焦长如何?
4
2. 两个物点成像的情况: 即Ｓ1、Ｓ2成像后在像平 面上会产生两个Airy斑Ｓ 1’、Ｓ2’．
5
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;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８ ０％，人眼刚可以分辨。-刚 Rayle： 电磁透镜的聚焦原理： 电荷在磁场中运动时，受到磁场的作用力，即洛仑磁力。 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。 洛仑兹 洛仑兹力的计算 洛仑兹力与电磁透镜的聚焦原理:正电子荷在磁场中运动时受 到磁场的作用力： f = q v × B 式中，q—运动电荷（正电荷） v—电荷运动速度 B= B—电荷所在位置磁感应强度,与磁场强度H的关系： µ H 由于磁场对运动电子的作用力总是垂直于电子的速度，因此这 个力不改变电子运动速度的大小，只改变电子运动的方向。即 电子在磁场中运动速度的大小是不变的。磁场即不加速电子， 也不阻滞电子，只改变电子运动的轨迹。
光电子(1,2章)复习题(1)
光电器件基础·期末复习指导第一章半导体光学基础知识[基本概念]1.光电子技术:光子技术和电子技术相结合而形成的一门技术。
2.光的波粒二象性：某物质同时具备波的特质及粒子的特质。
3.直接带隙半导体:导带底和价带顶在k 空间同一点的半导体4.间接带隙半导体:导带底和价带顶不在k 空间同一点的半导体5.内建电场:半导体pn结界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从n 型区一侧指向p 型区一侧的电场6.半导体异质结构：专指不同单晶半导体之间的晶体界面。
[基本理论]1.光的电磁波谱众所周知，光是一种电磁波。
如图1.5 所示，从无线电波到γ射线的整个电磁波谱中，光辐射只是从波长1 nm ~ 1 mm（频率为3×1011 Hz ~ 3×1017 Hz）范围内的电磁辐射，它包括真空紫外线、紫外线、可见光、红外辐射等部分。
可见光是波长为380 nm ~ 780 nm 的光辐射，这一波段范围内的电磁波被人眼所感知。
图1.5 光的电磁波谱2.pn 结的伏安特性pn 结加正向偏压时，通过pn 结的电流主要为扩散电流，电流随电压成指数增加；加负向偏压时，扩散运动受到严重抑制，通过pn 结的电流主要是很小的漂移电流。
这里仅给出电流电压关系为[exp(/)1]s a b J J eV K T =-其中0[]p n n p p n eD P eD n Js L L =+上式称为理想二极管方程。
它是在很大电流与电压范围内pn 结电流电压特性的最佳描述。
图1.17 为pn 结电流电压关系曲线。
假如V a 为负值（反向偏压），反偏电流会随着反偏电压的增大而迅速趋向于一个恒定值-J s ，与反向偏压的大小就无关了。
J s 称为反向饱和电流密度。
很显然，pn 结的电流电压特性是非对称的。
[综合问题]1.单晶硅、锗与砷化镓能带结构有何特点？硅和锗的能带结构有何特点：硅和锗的导带在布里渊区中心虽然都有极小值，但导带中最小的极小值却不在布里渊区中心Γ 点，如图1.10所示，硅导带中的最小极值在空间[1 0 0]方向上，Γ 点之间的距离约为Γ 点和X 点间距的5/6，锗导带中的最小极值在空间[1 1 1]方向上的L 点处。
电子显微学习题
g hi kili Z 0
体心点阵： H+K+L=奇数，Fhkl =0；
面心点阵：当H , K , L为奇偶混合时 Fhkl =0； 密排六方点阵：H + 2K = 3n, L = 奇数时，FHKL=0。
7.为何对称入射(B//[uvw]时，即只有倒易点阵原点 在爱瓦尔德球面上，也能得到除中心斑点以外的一 系列衍射斑点? 衍射杆 (8.举例说明如何用选区衍射的方法来确定新相的惯 习面及母相与新相的位向关系。) 9.说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征及形成原 理。 多晶衍射花样：不同半径的同心圆环。单晶衍射 花样：某一特征平行四边形平移的花样。非晶衍 射花样：一个漫散的中心斑点。 10.请导出电子衍射的基本公式，解释其物理意义 ，并阐述倒易点阵与电子衍射图的关系及其原因。 (比较与X射线衍射的异同点。) 11.单晶电子衍射花样的标定有哪几种方法？
力用磁场来使电子波聚焦成像。
3.电磁透镜的像差是怎样产生的?如何来消除和减少像差?
球差 几何像差 像差 像散 色差
球差：磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同，消：小孔径成像； 像散：电磁透镜的周向磁场非旋转对称引，消：消像散器（矫正磁场）； 色差：入射电子的波长或能量的非单一性，消：稳定电源。
1.3.1 景深 1.3 电磁透镜的景深和焦长
2r0 2r0 Df 定义：固定样品的条件下（物距 理论上，当透镜焦距、像距一定 tan
任何样品都有一定厚度。
2r0 2 仍能保持物像清晰的距离范围，用 面相重合，能在像平面上获得该层平面的 DL M 理想图像。偏离理想物平面的物点都存在 DL表示，见图。
不同的信号分辨率大小关系。 3. 扫描电镜的成像原理与透射电镜有何 不同? 电视与光学显微镜。 4. 二次电子像和背散射电子像在显示表 面形貌衬度时有何相同与不同之处? 原理；分辨率；衬度。
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“数码显微镜” : 光学显微镜
4
光学显微镜和扫描电镜的光路比较
光源
可见光 电子束
聚光镜 样品 物镜
电磁聚光镜 扫描线圈 探测器 样品
投影镜 图像
光镜
5
扫描电镜
扫描电镜和光学显微镜的图像比较
扫描电镜图像
光学显微镜图像
History of Microscope
大约在400年 前（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。
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，波长 越短，分辨率越大。只有比光线波长一半还大的物体 才会产生反射光而被放大看到。所以，用最好的光学 显微镜，其分辨率也只能是可见光波长的一半。
14
不同波长光源分辨本领的比较
15
可见光的波长范围为390
– 760nm
(1nm=10Å)，因此光学显微镜的分辨率的极限是
现在电子显微镜的分辨率可达到0.01nm 可携带的附件：X射线波谱分析仪、X射线能谱仪、自 动图像分析仪、背散射衍射仪等等。功能越来越强大。11§1.3 电 Nhomakorabea光学基础
1、分辨率
简单地说，分辨率就是能够把两个点分辨开的最小
距离。
人眼睛的分辨率大约为0.1个毫米。
所以，要想看清比0.1个毫米还小的东西，就要借助
电子的速度v和加速电压U之间: eU ＝1/2 mv2 e－电子所带的电荷。 即 v ＝（2eU/m）1/2
17
由此得
＝ h/(2emU)1/2 代入h=6.62×10-34J.S, m=9.11×10-31kg， e=1.60×10-19c ＝12.25/U1/2 U的单位用伏特，的单位为Å 。
用高压加速电子就成为近代电镜的最重要特点， 用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微 镜的分辨率。
那么能不能制造出使电子波聚焦成像的透镜？
21
3、电磁透镜
静电透镜
电子是带负电的粒子，在静电场中会受到 电场力的作用，使运动方向发生偏转，设计 静电场的大小和形状可实现电子的聚焦和发 散。把 由静电场制成的透镜称为静电透镜， 在电子显微镜中，发射电子的电子枪就是利 用静电透镜。
中国地质大学(武汉)材化 学院 The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences
主要内容
第1章 电子光学基础 第2章 电子束与物质作用产生的信号 第3章 扫描电子显微镜的结构及工作原理
第4章 扫描电子显微镜的操作与应用
50年代 英、法、荷、日、美、苏等国透射电子显微镜已批量生产； 同时，晶体缺陷理论得到证实。 60年代 透射电子显微镜的分辨率提高到0.5nm； 商品用扫描电子显微镜的分辨率25nm 70-80 年代 电子显微学科诞生。
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德国 ZEISS 日本 HITACHI 荷兰 Philips 美国 FEI
1 2 3 4
0.388 0.274 0.224 0.194
40 50 60 80
0.0601 0.0536 0.0487 0.0418
5
10 20 30
0.173
0.122 0.0859 0.0698
100
200 500 1000
0.0370
0.0251 0.0142 0.0087
20
可见光的波长在3900-7600Å 之间，在常用的 100-200KV加速电压下，电子波的波长要比可见 光小5个数量级 只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短 的电子波。
列文虎克
19世纪
7
现在，最好的光学显微镜可以达到 2000倍的放大倍数。
现代的光学显微镜
8
不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其放大 倍数和分辨率总是被限定在2000多倍和几百纳 米的水平，不可能再有新的突破。
9
§1.2 电子显微镜的诞生与发展
1924 德布罗意波：电子的波粒二象性 1926－ 电子波的波长随着加速电压的改变而改变； 1927 布施：具有轴对称的磁场对电子束起着汇聚的作用。 1932 第一台透射电子显微镜诞生：放大倍数12－17倍 1934 透射电子显微镜的分辨率提高到50nm 1942 剑桥大学马伦：第一台扫描电子显微镜诞生
于放大镜和显微镜。即利用显微镜把所要观察的物
体至少放大到0.1个毫米以上，才能看清它。
12
根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
r0：两物点的间距； λ：光线的波长； n：透镜周围介质的折射率； α：孔径角，即物点发出能进入透镜成像的 光线锥的锥顶角的半角； nsinα称为数值孔径；
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将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最 大孔径半角α=70-75，在介质为油的情况下， n＝1.5,其数值孔径n sinα＝1.25-1.35，上式 可化简为：
200nm。
紫外线（<400nm）作光源，分辨率可提高一
倍。现代紫外光显微镜的分辨率可达到100nm。
要制造更高分辨率的显微镜，必须采用波长更
短的波作为成像媒介。 如何得到短波长？
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2、 电子波的波长 已知电子束具有波动性，对于运动速度为v， 质量为m的电子波的波长为： =h/mv
h－普朗克常数；m－电子的质量；V－电子的速度。
2
第1章
电子光学基础
§1.1 电子显微镜概述
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流 对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在 荧光屏上成像的大型仪器。
3
comparison
光学显微镜则是利用可见光照明， 将微小物体形成放大影像的光学仪器。 电子显微镜由电子流代替可见光， 由磁场代替透镜，让电子的运动代替光子。
22
电磁透镜
运动的电子在磁场中也会受磁场力的作用发
生偏折，从而达到会聚和发散，由磁场制成 的透镜称为磁透镜。用通电线圈产生的磁场 来使电子波聚焦成像的装置叫电磁透镜。
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前面计算的过程中，电子的质量采用 的是静止时的质量，但根据相对论理论， 在高速运动的情况下，其质量有变化： m＝m0/[1-(v/c)2]1/2
v为电子运动的速度，c为光速。
波长与电压的计算公式应校正为： ＝12.25/[U(1+0.9788×10-6U)]1/2
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不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正） 加速电压/KV 电子波波长/Å 加速电压/KV 电子波波长/Å