透射电镜(TEM)讲义
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜 的像差有关。 光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法 来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的 影响; 但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还 没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜 分辨本领的限制就不容忽略了。
电磁透镜
• 短线圈磁场中的电子运动 显示了电磁透镜聚焦成像 的基本原理。电子运动的 轨迹是一个圆锥螺旋曲线, 最后会聚在轴线上的一点。
• 实际电磁透镜中为了增强 磁感应强度，通常将线圈 置于一个由软磁材料（纯 铁或低碳钢）制成的具有 内环形间隙的壳子里。
电磁透镜的像差及其对 分辨率的影响
• 最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说， 目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立H-800透 射电镜为例，其加速电压达是200KV，若分辨率是波长的一 半，那么它的分辨率应该是0.00125nm；实际上H-800透射 电镜的点分辨率是0.45nm，与理论分辨率相差约360倍。
2.2透射电镜的工作原理和特点
• 透射电镜：是以波长极短的电子束作为照 明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高 分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。
• 通常透射电镜由 电子光学系统、 电源系统、真空 系统、循环冷却 系统和操作控制 系统组成．
• 其中电子光学系 统是电镜的主要 组成部分，通常 称为镜筒．
辨本领越差，随着α的增大，分
辨本领也急剧地下降
衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率
• 由球差和衍射同时起作用
的电磁透镜的理论分辨率
可以由这两个效应的线性
叠加求得，即
r
rs
rd
1 4
Cs
3
0.61
• 孔径半角α对衍射效应的分辨
率和球差造成的分辨率的影响
是相反的。提高孔径半角α可
以提高分辨率Δrd，但却大大
v 2eU m
式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。
将两式整理得：
h 1.226
单位是nm
2emU U
单位是V
不同加速电压下的电子波波长
• 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm
20
0.00859 120
0.00334
40
0.00601 160
降低了ΔrS。
1
•
最佳孔径半角
p
1.25
Cs
4
1
3
相应的最小分辨率 rib 0.49Cs44
由球差和衍射所决定的电磁透镜的 分辨本领r对孔径半角α的依赖性
该式表达了由球差和衍射
所决定的理论分辨本领。
• 普遍式为:
αp=B(λ/Cs)1/4 rib =ACs1/4λ3/4
• 透射电镜孔径半角α通常是10-2-10-3rad；目前最 佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右
• 原来的物点是一个几何 点，由于球差的影响现在 变成了半径为ΔrS的漫散 圆斑。我们用ΔrS表示球 差大小，计算公式为：
•
rS
1 4
C
s
3
Cs：球差系数
• 球差是像差影响电磁透镜分辨 率的主要因素，它还不能象光 学透镜那样通过凸透镜、凹透 镜的组合设计来补偿或矫正。
• 球差系数越大，由球差决定的分
透镜分辨率
• 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离
•
光学透镜分辨率的公式：
r0
0.61 n sin
式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n 是物方介质
折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。
• 对于光学透镜，当n•sinα做到最大时(n≈1.5，α≈70-75°)
r0 2
• 波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。半波长是光学显
• 由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电 磁透镜的像差包括球差、像散和色差。
• 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中 球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著； 像散可以消除；色差的影响是电压波动和 样品厚度不均
球差
• 球差是因为电磁透镜近轴 区域磁场和远轴区域磁场 对电子束的折射能力不同 而产生的。
微镜分辨率的理论极限。若用波长最短的可见光(λ= 390nm )作 照明源，则
r0≈200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限
如何提高显微镜的分辨率
• 根据透镜分辨率的公式，要想提高显微镜的分辨率，关键 是降低照明光源的波长。
• 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地 吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。
第二章 透射电镜
2.1 引言 - 电子光学基础
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供 了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显 微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观 分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的 发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显 微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观 察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识 微观世界的能力从此有了长足的发展。
图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)
高压系统
真空系统
Biblioteka Baidu
操作控制系统
0.00285
60
0.00487 200
0.00251
80
0.00418 500
0.00142
100
0.00371 1000
0.00087
电磁透镜
• 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会 聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场 则可以让电子束折射，从而产生电子束的 会聚与发散，达到成像的目的
• 控制电子束的运动在电子光学领域中主要 使用电磁透镜装置
• 更短的波长是X射线(0.01~10nm)。但是，迄今为止还没 有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质， 也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为 显微镜的照明光源。
• 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长， 而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为 照明光源，由此形成电子显微镜。
电子波长
• 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动的
电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点
上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动
的速度和质量，即
h
式中，h为普郎克常数：h=6.626m×v10-34J.s；
m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电
压U之间存在如下关系：
1 mv2 eU 即 2
电磁透镜
• 短线圈磁场中的电子运动 显示了电磁透镜聚焦成像 的基本原理。电子运动的 轨迹是一个圆锥螺旋曲线, 最后会聚在轴线上的一点。
• 实际电磁透镜中为了增强 磁感应强度，通常将线圈 置于一个由软磁材料（纯 铁或低碳钢）制成的具有 内环形间隙的壳子里。
电磁透镜的像差及其对 分辨率的影响
• 最佳的光学透镜分辨率是波长的一半。对于电磁透镜来说， 目前还远远没有达到分辨率是波长的一半。以日立H-800透 射电镜为例，其加速电压达是200KV，若分辨率是波长的一 半，那么它的分辨率应该是0.00125nm；实际上H-800透射 电镜的点分辨率是0.45nm，与理论分辨率相差约360倍。
2.2透射电镜的工作原理和特点
• 透射电镜：是以波长极短的电子束作为照 明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高 分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。
• 通常透射电镜由 电子光学系统、 电源系统、真空 系统、循环冷却 系统和操作控制 系统组成．
• 其中电子光学系 统是电镜的主要 组成部分，通常 称为镜筒．
辨本领越差，随着α的增大，分
辨本领也急剧地下降
衍射效应的分辨率和球差造成的分辨率
• 由球差和衍射同时起作用
的电磁透镜的理论分辨率
可以由这两个效应的线性
叠加求得，即
r
rs
rd
1 4
Cs
3
0.61
• 孔径半角α对衍射效应的分辨
率和球差造成的分辨率的影响
是相反的。提高孔径半角α可
以提高分辨率Δrd，但却大大
v 2eU m
式中e为电子所带电荷，e=1.6×10-19C。
将两式整理得：
h 1.226
单位是nm
2emU U
单位是V
不同加速电压下的电子波波长
• 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm 加速电压U/KV 电子波波长λ/nm
20
0.00859 120
0.00334
40
0.00601 160
降低了ΔrS。
1
•
最佳孔径半角
p
1.25
Cs
4
1
3
相应的最小分辨率 rib 0.49Cs44
由球差和衍射所决定的电磁透镜的 分辨本领r对孔径半角α的依赖性
该式表达了由球差和衍射
所决定的理论分辨本领。
• 普遍式为:
αp=B(λ/Cs)1/4 rib =ACs1/4λ3/4
• 透射电镜孔径半角α通常是10-2-10-3rad；目前最 佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右
• 原来的物点是一个几何 点，由于球差的影响现在 变成了半径为ΔrS的漫散 圆斑。我们用ΔrS表示球 差大小，计算公式为：
•
rS
1 4
C
s
3
Cs：球差系数
• 球差是像差影响电磁透镜分辨 率的主要因素，它还不能象光 学透镜那样通过凸透镜、凹透 镜的组合设计来补偿或矫正。
• 球差系数越大，由球差决定的分
透镜分辨率
• 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离
•
光学透镜分辨率的公式：
r0
0.61 n sin
式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半角，n 是物方介质
折射率，n·sinα或N·A称为数值孔径。
• 对于光学透镜，当n•sinα做到最大时(n≈1.5，α≈70-75°)
r0 2
• 波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。半波长是光学显
• 由于像差的存在，使得电磁透镜的分辨率低于理论值。电 磁透镜的像差包括球差、像散和色差。
• 电镜的像差为：球差、像散、色差。其中 球差不可消除且对电镜分辨率影响最显著； 像散可以消除；色差的影响是电压波动和 样品厚度不均
球差
• 球差是因为电磁透镜近轴 区域磁场和远轴区域磁场 对电子束的折射能力不同 而产生的。
微镜分辨率的理论极限。若用波长最短的可见光(λ= 390nm )作 照明源，则
r0≈200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限
如何提高显微镜的分辨率
• 根据透镜分辨率的公式，要想提高显微镜的分辨率，关键 是降低照明光源的波长。
• 顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地 吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。
第二章 透射电镜
2.1 引言 - 电子光学基础
光学显微镜的发明为人类认识微观世界提供 了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显 微镜因其有限的分辨本领而难以满足许多微观 分析的需求。上世纪30年代后，电子显微镜的 发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显 微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观 察、晶体结构、成分分析等于一体。人类认识 微观世界的能力从此有了长足的发展。
图为日立公司H800透射电子显微镜(镜筒)
高压系统
真空系统
Biblioteka Baidu
操作控制系统
0.00285
60
0.00487 200
0.00251
80
0.00418 500
0.00142
100
0.00371 1000
0.00087
电磁透镜
• 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会 聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场 则可以让电子束折射，从而产生电子束的 会聚与发散，达到成像的目的
• 控制电子束的运动在电子光学领域中主要 使用电磁透镜装置
• 更短的波长是X射线(0.01~10nm)。但是，迄今为止还没 有找到能使X射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质， 也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X射线也不能作为 显微镜的照明光源。
• 除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长， 而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为 照明光源，由此形成电子显微镜。
电子波长
• 根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动的
电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点
上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动
的速度和质量，即
h
式中，h为普郎克常数：h=6.626m×v10-34J.s；
m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电
压U之间存在如下关系：
1 mv2 eU 即 2