材料现代分析与测试第二章电子显微分析

第二章 电子显微分析

一、教学目的

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。

二、重点、难点

重点：电子与物质的相互作用、衬度理论、电子探针X 射线显微分析。 难点：电子与物质的相互作用、衬度理论。

概述：

一、光学显微镜的局限性： 1.分辨能力（分辨率）：

分辨能力（分辨率、分辨本领）：

一个光学系统能分开两个物点的能力，数值上是刚能清楚地分开两个物点间的最小距离。

nsina 61.0r λ==A

N .61.0λ(nm)

r —分辨率（r 小，分辨能力越高） λ—照明光的波长

n —透镜所处环境介质的折射率 а—透镜孔径半角（°）

nsina —数值孔径 用N.A 表示

电子在电、磁场中易改变运动方向，且电子波的波长比可见光短得多，所以电子显微镜在高放大倍数时所能达到的分辨率比光学显微镜高得多。 二、电子显微分析：

是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号、分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。

透射电子显微镜（TEM ） 扫描电子显微镜（SEM ） 电子探针（EPMA ） 特点：

1.分辨率高：0.2~0.3nm

2.放大倍数高：20~30万倍

3.是一种微区分析方法：能进行nm 尺度的晶体结构、化学组成分析

4.多功能、综合性分析方向发展：形貌、结构、成份

第一节 电子光学基础

电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。

本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律。 电子光学与几何光学的相似： 1. 聚焦成像：几何光学——光学透镜 电子光学——电场、磁场

2. 电子光学：仿照几何光学把电子运动轨迹看作射线，可用几何光学参数

来表征。

3. 几何光学中用旋转对称面（如球面）作为折射面。 电镜成像系统中用旋

转对称的电场、磁场的等位面作折射面。 一、电子的波性及波长 1. 电子波性——De Broglie 波

1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子（如中子、电子、离子等）也具有波粒二象性假说——运动着的微观粒子也伴随着一个波——物质波或德布罗意波

E=hv P=h/λ 则 λ=h/p=h/mv 2. 电子波长： V 0=0 m/s v ：0~v

E=ev=1/2mv 2

当V ﹤﹤C 时 m=m 0 λ=

=

emV

h 2v

V 25

.12150=

（A ） V↑ λ↓ 当V=100 KV λ=0.0037nm

二、电子在电磁场中的运动和电磁透镜 1. 电子在静电场中的运动：

v=

m

ev 2

① 电场力的加速作用 ② 折射作用

当电子运动方向与电场力方向不在一条直线上， 电场力的作用不仅改变电子运动方向的能量，而且也改变电子的运动方向。 如图所示：

图2-1电子越过等电位面方向改变

将一个由0~v 的电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成。 当一个电子以V 1速度与等电位面AB 法线成θ角方向运动。

因为电场对电子作用力的方向总是沿着所处点的等电位面的法线方向，且从低电位指向高电位，而沿电子所处点的等电位面的切线方向电场力为零。

V 1x =V 2x V 1=sinθ=V 2sinγ 或：

=γθsin sin 2

1

1

21

2

λλ=

=v v v v （2-14）与光的折射定律表达式一样， 相当于折射率n ，说明电场中的等电位面是对电子折射率相同的表面。与光学系统中两介质界面起折射作用相同。由（2-14）式可知：当电子由低电位区 进入高电位区 时，折射角 小于入射角 ，即电子轨迹趋向于法线，反之，相反。

2. 静电透镜：

① 静电透镜与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面族也可使电子束聚焦成像，产生这种旋转对称等电位曲面族的电极装置即为静电透镜。 二极式

V 1x

V 1y

V2y

V2

三极式

静电透镜的局限性：强电场导致镜筒内击穿和弧光放电. ②特点：1. 折射率与 相当

2. 因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差。

③应用：静电透镜用于电子枪中使电子束会聚成形。 3.电子在磁场中的运动；

电子在磁场中运动时，受到磁场的作用力——洛仑兹力

b v q f ρ

ρρ⨯=

电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：

①νr 与b r

同向：电子不受磁场影响 ②νr 与b r

垂直：电子在与磁场垂直的平面做均匀圆周运动。 ③νr 与b r

交角θ：电子是一螺旋线。

4. 磁透镜

①磁透镜旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种旋的线圈装置——磁透镜。

目前电镜中使用的是极靴磁透镜。

图2-6几种透镜的轴向磁场强度分布（线圈电流相同）

如图2-5 在上下极靴附近有很强的磁场，与静电透镜比，焦距短，聚焦能力强。

特点：① 磁透镜对电子有旋转作用，所得到的电子光学像相对于物来说旋转了一个角度。

②磁透镜是可变焦距和可变倍率透镜 ()

2

IN VD

K

f = F

F 与（IN ）2成反比

场深大（200~2000nm ） 焦深长（80cm ）

四、电磁透镜的像差和理论分辨本领

旋转对称的磁场可以使电子束聚焦成像，但要得到清晰而又与物体的几何形状相似的图像，必须有以下几个前提： （1） 磁场的分布是严格轴对称的。 （2） 满足旁轴条件