电子光学性质简介Basic Theory
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现代材料分析方法第七章电子光学基础
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
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
《电子光学基础》课件
02
电子光学中的基本现象
电子的波动性
总结词
电子的波动性是指电子在空间传播时表现出的波动特征，与光的波动性类似。
详细描述
电子的波动性是电子的一种基本属性，类似于光波。电子在空间中传播时，其 波前、波长、频率等波动特性与光波相似。这一特性在电子光学中具有重要意 义，是理解电子在物质中传播行为的基础。
数据分析
通过统计、拟合、图像处理等方法，提取有用的信息和特征。
结果解释
结合理论模型和实验条件，解释实验结果，得出科学结论。
05
电子光学的发展趋势与展 望
新型电子光学器件的研发
01
总结词
02
详细描述
随着科技的不断发展，新型电子光学器件的研发成为电子光学领域的 重要趋势。
新型电子光学器件如量子点、二维材料等具有优异的光电性能，在光 电器件、太阳能电池、光电探测器等领域具有广泛应用前景。
应用领域
电子束曝光系统在微电子制造、纳米科技、光子学等领域有广泛应用 。
电子束能量分析器
电子束能量分析器概述
电子束能量分析器是一种用于测量电子束能量的设备。
工作原理
电子束能量分析器利用电子光学透镜将电子束聚焦到一个 能量分析器上，通过测量不同能量的电子束的强度分布， 可以计算出电子束的能量分布。
应用领域
通过观察和分析透射束的强度和相位信息，测量样品的形貌和
晶体结构。
扫描电子显微镜（SEM）法
02
通过观察和分析扫描束的强度信息，测量样品的表面形貌和元
素分布。
电子能量损失谱（EELS）法
03
通过测量电子在样品中损失的能量，分析样品的化学成分和能
级结构。
电子光学实验中的数据处理与分析
光电子学的基础理论
光电子学的基础理论光电子学是研究光与电子之间相互作用及相关技术的学科。
它的基础理论来自于光与电子的基本性质和相互作用，包括量子力学、半导体物理学和光学等多个领域。
下面将从这些领域中选取几个重要的基础理论进行讨论。
§1 量子力学量子力学是研究微观世界行为的学科。
在光电子学中，量子力学对于理解光电子的相互作用机制和解释实验现象有着至关重要的作用。
首先，量子力学提供了能量和动量的量子化概念，即能量和动量是离散的而非连续的。
这对于解释和理解光电子的相互作用机制很有用，比如电子被光激发时取决于光子的能量，而没法被一个连续的值来描述。
其次，量子力学提供了描述波粒二象性的数学框架，即量子态和波函数。
光子和电子都具有波粒二象性，在特定条件下它们可以表现出波动和粒子性质。
光电子学中的一些现象比如电子在半导体中的行为和激光与物质的相互作用都可以用波动方程和波函数来描述。
最后，量子力学中黄体紫外线光学和拉曼光谱等现象的研究成果为光电子学提供了重要的实验依据。
量子力学为我们提供了思考和解释光电子学现象的框架。
§2 半导体物理学半导体物理学是研究半导体器件性能的物理学科。
半导体器件是光电子学的核心器件，光电子学的发展史中，半导体器件的发展奠定了光电子学快速发展的基础。
半导体物理学的基础理论包括半导体的能带结构、Fermi-Dirac统计、杂质和空穴等，这些理论为研发新型半导体器件和提高器件性能提供了理论依据。
半导体器件有各种各样的类型，包括二极管、晶体管、激光器等，它们之间的不同类型和性能差异都来源于半导体的物理特性。
例如，在激光器中，光子通过刺激放射产生聚集，并通过半导体中的多种可能的反射方式被放大; 在太阳能电池中，光被吸收产生电子和空穴，导电性最终形成，能源就以这种方式转化为电能，这些都是半导体物理学理论的应用。
§3 光学光学是研究光现象的物理学科，它是光电子学研究的重要组成部分。
光学理论对于研发光电子器件和实验研究的设计都是必不可少的。
光学性质简介 英文
2. The reflection of light: the light propagates in the different materials at the interface, change the propagation direction and return to the original material 光的反射:光在传播到不同物质时，在 分界面上改变传播方向又返回原来物 质中的现象
Some properties about light
在高中，我们已经学习了一些光的 性质，让我们先复习一下…
1. Rectilinear propagation of light: the light in the same homogeneous mediumalong the straight line 光的直线传播:光在同种均一的 介质中是沿直线传播posed of quantum composed of photons, photonHaving a thermal expansion properties, a volume of the photon is time free expansion; volume expansion increased,Optical density or intensity of light is continuously descending;then heat density decreased, temperature drop. Fever is caused by electromagnetic wave decision, Electromagnetic wave depends on how much heat quantity. Electromagnetic wave density temperature high, conversely small. The material elementsSuch particles by thermal motion is not the nature of heat, heatperformance or concomitant phenomenon. Heat is the essence of the electromagnetic wave.Swelling property. 光是由能量子光子组成的，光子具有热膨胀的性质，一定体积的光子 是随时间自由膨胀的；体积不断膨胀增大光密度或光强度不断降抵； 随之热量密度降低，温度下降。热是由电磁波决定的，电磁波的多少 决定着热量的多少。电磁波密度大温度就高，反之就小。物质分子等 粒子的热运动不是热的本质，是热的表现或伴随现象。热的本质是电 磁波的膨胀性质。
3-1电子光学基础
公式推导参见电子 版讲义§2.2.2-1
※ 是场空间
※ ( z )是沿z轴
标量磁位
标量磁位
1 3 1 2 5 4 Bz (r , z ) ( z ) ( z ) r 4 ( z ) r 2 z 4 2 1 2 1
2
2n
n !
1
2 n 2n U z r 2
参见讲义2.2.1
谢尔赤（Scherzer）公式是电子光学的基本公式。表 明旋转对称静电场空间内只要知道轴上电位U(z) 分布，就 可以完全而又唯一地确定整个场空间的电位分布。这样， 求解旋转对称场的场分布问题，就转成求轴上电位分布
电子光学基础
一般电子光学系统中，电子运动于对称轴附近区域内（旁轴区）。 在旁轴区场对电子轨迹的影响，对于研究电子光学的成象特性有着极为 重要的实际意义
旁轴区ｒ值很 小，忽略ｒ2 以上高次项
1 E r U z r 2 E z U z
E 0
轴对称静电 场中旁轴区 的场分布
①在对称轴z上（r=0），无径向场分量（Er=0） ②无角向场分量（Eθ=0)
x U(x,y,z)
U1
U2
z
y
同轴双圆筒电极系统
电子光学基础
1.1 电子光学中著名的谢尔赤（Scherzer）公式
1 1 2 4 4 U r , z U z 2 U z r 4 U z r 2 2 2 1 2 1
n 0 n
圆柱坐标系 中旋转对称 静电场的场 分量表示式
1 5 3 2 E z U r , z U z U z r U z r 4 z 64 E U r , z 0 →无角向场分量
※ 是场空间
※ ( z )是沿z轴
标量磁位
标量磁位
1 3 1 2 5 4 Bz (r , z ) ( z ) ( z ) r 4 ( z ) r 2 z 4 2 1 2 1
2
2n
n !
1
2 n 2n U z r 2
参见讲义2.2.1
谢尔赤（Scherzer）公式是电子光学的基本公式。表 明旋转对称静电场空间内只要知道轴上电位U(z) 分布，就 可以完全而又唯一地确定整个场空间的电位分布。这样， 求解旋转对称场的场分布问题，就转成求轴上电位分布
电子光学基础
一般电子光学系统中，电子运动于对称轴附近区域内（旁轴区）。 在旁轴区场对电子轨迹的影响，对于研究电子光学的成象特性有着极为 重要的实际意义
旁轴区ｒ值很 小，忽略ｒ2 以上高次项
1 E r U z r 2 E z U z
E 0
轴对称静电 场中旁轴区 的场分布
①在对称轴z上（r=0），无径向场分量（Er=0） ②无角向场分量（Eθ=0)
x U(x,y,z)
U1
U2
z
y
同轴双圆筒电极系统
电子光学基础
1.1 电子光学中著名的谢尔赤（Scherzer）公式
1 1 2 4 4 U r , z U z 2 U z r 4 U z r 2 2 2 1 2 1
n 0 n
圆柱坐标系 中旋转对称 静电场的场 分量表示式
1 5 3 2 E z U r , z U z U z r U z r 4 z 64 E U r , z 0 →无角向场分量
电子行业电子光学基础
电子行业电子光学基础概述电子光学是电子行业中的一个重要分支，它研究的是电子在光学系统中的行为和特性。
光学技术在电子行业的许多领域中起着至关重要的作用，例如光通信、显示器件、光电子器件等。
本文将介绍电子行业中电子光学的基础知识。
光学基础光学是研究光的传播、发射与接收以及与物质的相互作用的科学。
光是电磁波的一种，它有波粒二象性。
光学研究主要涉及以下几个方面：光的特性包括波长、频率、速度和能量等。
光的波长决定了其在介质中的传播速度和折射率，而频率则对应着光的色彩。
光的速度在真空中是一个常量，约为3 × 10^8 m/s。
光的传播与折射当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
折射现象是由于光在不同介质中传播速度的改变而引起的。
根据折射定律，光线在两种介质中的传播方向会发生改变。
光的反射与折射光在与界面接触时会发生反射与折射。
根据反射定律，入射光线与法线的夹角等于反射光线与法线的夹角。
折射光线的偏折程度则由折射率决定。
不同波长的光在介质中传播时会发生不同程度的折射，这称为色散现象。
色散使得不同颜色的光在经过透镜或棱镜等光学器件时产生色差。
电子光学在电子行业中的应用光通信光通信是一种利用光的传输信息的技术。
它使用光纤作为传输介质，通过调制和解调的方法实现信息的传输和接收。
光通信具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点，因此在电子行业中得到广泛应用。
电子光学在显示器件中的应用非常广泛。
例如，在液晶显示器中，背光模块使用光学器件提供光源，而液晶屏使用光学装置调节光的透过程度，从而实现图像的显示。
光电子器件光电子器件是利用光与电子的相互作用实现功能的器件。
例如，光电二极管（Photodiode）是一种能将光信号转换为电信号的器件。
光电子器件在光电子技术、光电波导技术等领域中具有广泛的应用。
结论电子光学是电子行业中的重要领域，它研究光的传播与作用在电子系统中的应用。
了解电子光学的基础知识对于理解电子行业中的光学技术具有重要意义。
光电子学的基础知识解读
光电子学的基础知识解读光电子学是研究光与电之间相互转换的物理学科，它是光学、电子学和信息学的交叉学科。
从古代的光现象开始，人们对光的认识逐渐深入，科学家们不断地将光和电联系起来，逐步形成了光电子学这一学科。
接下来，我将具体地介绍光电子学的基础知识。
光电效应光电效应是光电子学中的一个基础概念，它是指当光照射到一些物质表面时，这些物质表面就会发射出一些电子。
这些被发射出来的电子称为光电子，光电效应也被称为外光电效应。
光电效应是基于原子的能级结构理论解释。
当光照射到物质表面时，如果光子的能量大于某些原子的内层电子的结合能，那么光子就能将这些电子从原子中释放出来。
如果这些光电子被捕获在一个电场中，那么它们就能够形成电流，这个现象也就成为内光电效应。
光电效应在光电子学中有着广泛的应用，例如在激光器中，通过使用光电效应可以将输入的电信号转换成输出的光信号。
光电倍增管光电倍增管是一种基于光电效应工作的物理器件，其主要作用是将光信号转换成电信号，进而增强电子信号的强度。
光电倍增管的基本结构是由一个玻璃管与两个头端组成。
这个管内部充满了一个真空环境，并且里面还有一个阳极和一个阴极。
当光子进入玻璃管后，它们就会与管壁内的相机器反应，从而将电子释放出来。
这些电子被阳极和阴极之间的电场加速，从而形成电子倍增效应，电信号也就随之增强。
光电倍增管广泛应用于科学研究、医学诊断和工业检测等领域，例如夜视仪、粒子探测器以及化学分析仪器，都有着光电倍增管的应用。
光电子器件光电子器件是指利用物质与光的相互作用，来实现电子信息输入、输出、处理等功能的器件。
最常用的光电子器件就是光敏器件，它是一种能够将光能转换成电能的器件。
光敏器件主要包括光电二极管、光电晶体管、光电子发射器等等。
这些器件在光电子学中得到了广泛的应用，并成为了通信、计算机、医疗电子设备、环境检测和安全监控等领域的重要组成部分。
总结光电子学的基础知识主要涉及光电效应、光电倍增管和光电子器件等方面。
【材料课件】07电子光学基础
HNU－ZLP
22
7.2 电子透镜的象差与分辨本领
电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距 离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起 作用的象差有几何象差（球差、象散等）和 色差。
•几何象差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而 造成的； •色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度 的改变而造成的。
2020/10/21
2020/10/21
HNU－ZLP
24
透镜
物 α
P
象
P’’
P’ 光轴
图7-4 球差
2020/10/21
HNU－ZLP
25
象散
磁场不对称时，就出现象散。有的方向电子束的折
射比别的方向强，如图1-5（b）所示，在A平面运行
的电子束聚焦在PA点，而在B平面运行的电子聚焦在
PB点，依次类推。这样，圆形物点的象就变成了椭圆
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21 日下午1 0时24 分20.10. 2120.1 0.21
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三下午10时24分58秒22:24:5820.10.21
d . n sin
电镜情况下，n ，2 3 ~ 5 因此
d .
可见，光阑尺寸过小，会使分辨本领变 坏，这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差 和衍射两者所限定的值
Cs
.
1/ 4
best
1.4
Cs
2020/10/21
HNU－ZLP
33
相对应的最佳光阑直径
Dbest best f
2020/10/21
HNU－ZLP
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2020/10/21
电子光学基础最新课件
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
德布罗意波的实验验证-- •
电子衍射实验1
1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革 末用电子束垂直投射到镍 单晶，做电子轰击锌板的 实验，随着镍的取向变化， 电子束的强度也在变化， 这种现象很像一束波绕过 障碍物时发生的衍射那样。 其强度分布可用德布罗意 关系和衍射理论给以解释。 镍单晶
1.2 电子的波性以及波长 电子的波长与其加速电压（U 伏特） 有关
即若被150伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。 若加速电压很高，就应进行相对论修正。
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
当加速电压为100kV时，电子束的波长约为 可见光波长的十万分之一。 因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨 本领要高得多。
运动电子在磁场中受到 Lorentz力作用，其表达式为：
FeVB
式中：e---运动电子电荷；v----电子运动速度矢量； B------磁感应强度矢量；F-----洛仑兹力 F的方向垂直于矢量v和B所决定的平面，力的方向 可由右手法则确定。 电子光学基础 最新
1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜
1.4.1 电子在磁场中的运动
Lorentz力在电荷运动方向上的分量永 远为零，因此该力不作功，不能改变 电荷运动速度的大小，只能改变它的 运动方向，使之发生偏转。
电子光学基础 最新
1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜
1.4.1 电子在磁场中的运动
电子在磁场中的受力和运动有以下三种 情况： ① v 与 B 同向：电子不受磁场影响
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
德布罗意波的实验验证-- •
电子衍射实验1
1927年 C.J. Davisson & G.P. Germer 戴维森与 革 末用电子束垂直投射到镍 单晶，做电子轰击锌板的 实验，随着镍的取向变化， 电子束的强度也在变化， 这种现象很像一束波绕过 障碍物时发生的衍射那样。 其强度分布可用德布罗意 关系和衍射理论给以解释。 镍单晶
1.2 电子的波性以及波长 电子的波长与其加速电压（U 伏特） 有关
即若被150伏的电压加速的电子，波长为 1 埃。 若加速电压很高，就应进行相对论修正。
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
电子光学基础 最新
1.2 电子的波性以及波长
当加速电压为100kV时，电子束的波长约为 可见光波长的十万分之一。 因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨 本领要高得多。
运动电子在磁场中受到 Lorentz力作用，其表达式为：
FeVB
式中：e---运动电子电荷；v----电子运动速度矢量； B------磁感应强度矢量；F-----洛仑兹力 F的方向垂直于矢量v和B所决定的平面，力的方向 可由右手法则确定。 电子光学基础 最新
1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜
1.4.1 电子在磁场中的运动
Lorentz力在电荷运动方向上的分量永 远为零，因此该力不作功，不能改变 电荷运动速度的大小，只能改变它的 运动方向，使之发生偏转。
电子光学基础 最新
1.4 电子在磁场中的运动和磁透镜
1.4.1 电子在磁场中的运动
电子在磁场中的受力和运动有以下三种 情况： ① v 与 B 同向：电子不受磁场影响
电子光学基础 最新
第6章 电子材料的光学
第6章．电子材料的光学性质
6.1 材料的光学性能
光具有波粒二象性，光子能量 E = hv = hc/λ 当电子吸收光子时，每次总是吸收 一个光(量)子，而不能只吸收光(量)子的一 部分。
1
一、光的吸收与透射 当光束照射到某种材料上时，将产生反射、 折射、吸收、透射。如图
对于金属，价带与导带重叠 ，Eg = 0，不管 入射光子的能量 hν 多小，电子都可以吸收它而跃 迁到一个新的能态上，所以金属可以吸收各种波长 2 的光，因而金属是不透明的。
31
思考题：
通过计算说明：金刚石对可见 光是透明的，而半导体硅对可见光是 不透明的。
提示：利用禁带宽度（能隙）Eg
32
固体发光的机制 小结
一、导带到价带的跃迁 hv = Eg 二、激子的复合 hv=Eg-Ex， Ex为激子的束缚能 三、能带和杂质能级之间的跃迁 四、施主D到受主A的跃迁 五、在等电子中心的跃迁
这种受激电子和空穴 相互束缚而结合成新 的系统称为激子。 激子的能量略 低于导带底。 Ex为激子的束缚能
21
激子复合时，即一对束缚着的电子和空穴相遇复合时， 发射光子的能量 hv=Eg-Ex 直接能隙半导 体（左图）
hv=Eg-Ex-Ep 间接能隙半导 体（右图）
Ex为激子的束缚 能 ， Ep 为声 子的能量
d n (t ) n (t ) dt
解得 n（t）= n0exp(-t/η)
35
n（t）= n0exp(-t/η) 单位时间内发射的光子数（即光强）应与 -dn/dt 成正比，即 n0 t t exp( ) I 0 exp( ) I(t)= -dn/dt
I 为 t =0 时的发光强度。
6.1 材料的光学性能
光具有波粒二象性，光子能量 E = hv = hc/λ 当电子吸收光子时，每次总是吸收 一个光(量)子，而不能只吸收光(量)子的一 部分。
1
一、光的吸收与透射 当光束照射到某种材料上时，将产生反射、 折射、吸收、透射。如图
对于金属，价带与导带重叠 ，Eg = 0，不管 入射光子的能量 hν 多小，电子都可以吸收它而跃 迁到一个新的能态上，所以金属可以吸收各种波长 2 的光，因而金属是不透明的。
31
思考题：
通过计算说明：金刚石对可见 光是透明的，而半导体硅对可见光是 不透明的。
提示：利用禁带宽度（能隙）Eg
32
固体发光的机制 小结
一、导带到价带的跃迁 hv = Eg 二、激子的复合 hv=Eg-Ex， Ex为激子的束缚能 三、能带和杂质能级之间的跃迁 四、施主D到受主A的跃迁 五、在等电子中心的跃迁
这种受激电子和空穴 相互束缚而结合成新 的系统称为激子。 激子的能量略 低于导带底。 Ex为激子的束缚能
21
激子复合时，即一对束缚着的电子和空穴相遇复合时， 发射光子的能量 hv=Eg-Ex 直接能隙半导 体（左图）
hv=Eg-Ex-Ep 间接能隙半导 体（右图）
Ex为激子的束缚 能 ， Ep 为声 子的能量
d n (t ) n (t ) dt
解得 n（t）= n0exp(-t/η)
35
n（t）= n0exp(-t/η) 单位时间内发射的光子数（即光强）应与 -dn/dt 成正比，即 n0 t t exp( ) I 0 exp( ) I(t)= -dn/dt
I 为 t =0 时的发光强度。
第六章_电子光学基础
7
用于材料结构表征电子显微方法
A 晶体结构的表征 1.电子衍射 • 透射电子衍射; 2. 电子显微像
振幅（衍射）衬度像; 明场像; • 反射电子衍射; 暗场像； • 会聚束电子衍射; （对中暗场像，弱束暗场像） • 微束电子衍射。 高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。 8
19
三、电磁透镜
电磁透镜的特点
会聚透镜
1 1 1 f L1 L2 f M L1 f
其中：f-焦距；L1-物距；L2-像距；M-放大倍数。
可变焦：改变激磁电流I 可变倍率：改变激磁电流I 景深大 焦长长 小孔径角成像
20
第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 第二节 电磁透镜的像差与分辨本领 一、电磁透镜的像差 二、分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
M 2r0 M2
DL
其中M是放大倍数
37
焦长的意义
典型数值： r
0
10Å，
102 rad
M 200
DL = 8×107 Å = 8 mm
表明透镜像平面在理论像平面上下各移动4mm而不需要
3
电子显微学发展历史简要介绍
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。
21
第二节
电磁透镜的像差与分辨本领
光学性质简介 英文
3光的新性质 light novel properties ( 1 when the photon expansion force is larger than CMB and the ground state of electromagnetic wave on the photon damping force, The light is in accelerated motion; when the photon expansion force to less than CMB and the ground state energy of photon damping force, Light be decelerated motion. 2 when the photon expansion force to less than CMB and the ground state of electromagnetic wave on the photon damping force, light and slow motion. The 3 light source of longer duration, intensity and more light propagation distance more far ) 当光子的膨胀力大于CMB和基态电磁波对光子的阻尼力时， 光是做加速运动；当光子膨胀力衰减到小于CMB和基态能质对光子的阻尼力时， 光做减速运动。 当光子膨胀力衰减到小于CMB和基态电磁波对光子的阻尼力时，光做减速运动。 光源持续时间越长，光强度越大光的传播距离越远
whenphotonexpansionforce2从光源发出的光线先发出的光子先膨胀膨胀力的衰减大于后从光源发出的光子即从光源向前方发出的光子后面光子的膨胀力大于前面光子的膨胀力使得后面的光子一直用大于前面光子的作用力推动前面的光子向前运动这就是光运动的物理图象
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Introduction to Electron Optics
电子光学系统----电子枪比较
W Maximum Current (nA) Normalised Brightness (-) Energy spread (eV) Source spotsize Required Vacuum (Pa) Temperature (K) Life time (hr) Normalised Price (-) 1000 1 3-4 30-100 μm 10-3 2700 60-200 1 LaB6 500 10-30 1.5-3 5-50 μm 10-5 2000 1000 10 FEG (Schottky) 300 2500 0.6-1.2 15-30 nm 10-7 1800 >2000 100
Electron seemingly originating from tip itself
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电子光学系统----场发射枪 (FEG)
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为何用电子?
电子的波动性
• images (phase / amplitude contrast) and diffraction patterns • wavelength can be tuned
电子的粒子性
• electron specimen interactions • chemical analysis is possible
SW
-e
Short wavelength
High resolution (compared to photons)
Low mass
Non-destructive for most specimens (compared to neutrons) Beam focused / deflected via electric coils Different signals available - Elastic scattering: imaging - Phase shift: weak-scatter imaging - Diffraction: crystallography - Inelastic scattering / ionisation: chemical analysis
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电磁透镜
An electromagnetic lens is based on the fact that moving electrons are forced by its magnetic field into a spiral trajectory, i.e. focused into one point
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FEI透射电镜历史
6
EM100
5
4
nm 3
2
EM75 EM300
1
EM430
CM
Tecnai Titan
0 1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Period
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电子光学系统----场发射枪 (FEG)
Heating Filament Single Crystal Emitter Suppressor Cap Extraction Anode Electrostatic lens
object plane image plane
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显微镜 / 分辨率
电子波长 0.61λ λ∼0.002 nm δ= 电子显微镜分辨率 α δ∼0.1 nm 为什么? • Lens aberrations (e.g. Cs, Cc): can be corrected by multipole lenses or focus-series reconstruction • Instabilities (e.g. HT, electronic, mechanical / acoustic, thermal)
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电子光学系统----电子枪
热场枪 • 钨灯丝 • LaB6灯丝(或CeB6) 场发射枪 • 单晶钨
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电子光学系统----热场枪
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电子显微镜历史
19th century: Ernst Abbé 发现光学显微镜受限于可
见光的波长
“According to our present scientific knowledge, the range of the human eye is limited by the nature of light itself […] The human intellect of future generations will perhaps find ways to pass these borders which we consider insurmountable by making still unknown processes and forces to serve this purpose” (1876)
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显微镜 / 分辨率
1 meter 100mm 10mm 1mm Light Microscopy
Transmission Electron Microscopy
Human eye
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电磁透镜
Working Principle: Lorenz Force F = q (v x B) • electrons are only deflected by magnetic fields
Courtesy of Dong Tang, FEI
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显微镜 / 分辨率
显微镜: • the technique of magnifying things too small to see with the naked eye 分辨率 (或分辨力): • the smallest distance between two points that can be distinguished
U 100kV 120kV 200kV 300kV
Relativistic λ= 3.7 pm λ= 3.4 pm λ= 2.5 pm λ= 2.0 pm
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为何用电子?
Advantages
-e
Negative charge Strong interaction electron-matter
Disadvantages
Strong interaction electron-matter Excellent vacuum and Thin specimen are required
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电磁透镜
用于实现： 1. 电子束在样品表面聚焦， 2. 图像聚焦， 3. 变换放大倍率， 4. 成像模式与衍射模式的转换
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显微镜 / 分辨率
Rayleigh Criterion:
0.61λ δ = n sin α
δ α
光学显微镜: δ= 200 nm 电子显微镜(TF30): δ= 0.2 nm
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电子光学系统 Electron Sources 电子源 Lenses 透镜 Deflection Coils 偏转线圈 Stigmators 消像散器
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0.2mm
0.2 μm
0.1nm
100μm 10μm μm 100nm 10nm 1nm 0.1nm