第四章 电子显微镜分析基础
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第四章电子显微镜分析基础
第四章电子显微镜分析基础
电子束在电场作用下折射
静电透镜
第四章电子显微镜分析基础
磁透镜的聚焦原理
A D B
C
第四章电子显微镜分析基础
当一个电子在磁场中运动的时候 如果它平行于磁场的磁 力线方向 就不受外力影响
外力使电子在一个包含电子运动方向和垂直于磁力线方向 的平面上运动 如果磁场强度是常数 电子运动轨迹在垂 直于磁力线的平面上描绘出一个圆
第四章电子显微镜分析基础
特点内容
电子显微镜
光学显微镜
照射束
电子束（λ＝0.0037nm～∞）
光束（λ＝400nm～750nm）
媒质
真空（1.33×10-2～1.33×10-6Pa）
大气
透镜
电子透镜（电磁透镜）
光学玻璃透镜
分辨率
透射电镜为0.14nm，扫描电镜为 6nm
可见光区为200nm
放大倍数
10～105倍，连续可调
10～2000倍，更换透镜
景深
在1000倍时，景深约为30μm 在1000倍时，景深约为0.1μm
聚焦原理
电子聚焦
机械聚焦
主要图像 透射电子像，二次电子像，背散射 光学透射像，反射像及其他 电子像，吸收电子像，X射线面扫描 干涉像 像，X射线扫描像
图像特点 黑白反差的电子图像，高分辨原子 光吸收、反射、透过形成图像， 像，格子像以及各种衍射图像 产生七色光的颜色及干涉颜色
主要附件
（1）电子衍射装置，（2）特征X射线 （1）带偏光、反光附件，（2）
波谱仪，（3）特征X射线能谱仪，（4） 锥光附件，（3）费氏台及旋转
电子能量损失谱仪，（5）俄歇电子谱仪， 针，（4）热台及冷台，（5）油
电子束在电场作用下折射
静电透镜
第四章电子显微镜分析基础
磁透镜的聚焦原理
A D B
C
第四章电子显微镜分析基础
当一个电子在磁场中运动的时候 如果它平行于磁场的磁 力线方向 就不受外力影响
外力使电子在一个包含电子运动方向和垂直于磁力线方向 的平面上运动 如果磁场强度是常数 电子运动轨迹在垂 直于磁力线的平面上描绘出一个圆
第四章电子显微镜分析基础
特点内容
电子显微镜
光学显微镜
照射束
电子束（λ＝0.0037nm～∞）
光束（λ＝400nm～750nm）
媒质
真空（1.33×10-2～1.33×10-6Pa）
大气
透镜
电子透镜（电磁透镜）
光学玻璃透镜
分辨率
透射电镜为0.14nm，扫描电镜为 6nm
可见光区为200nm
放大倍数
10～105倍，连续可调
10～2000倍，更换透镜
景深
在1000倍时，景深约为30μm 在1000倍时，景深约为0.1μm
聚焦原理
电子聚焦
机械聚焦
主要图像 透射电子像，二次电子像，背散射 光学透射像，反射像及其他 电子像，吸收电子像，X射线面扫描 干涉像 像，X射线扫描像
图像特点 黑白反差的电子图像，高分辨原子 光吸收、反射、透过形成图像， 像，格子像以及各种衍射图像 产生七色光的颜色及干涉颜色
主要附件
（1）电子衍射装置，（2）特征X射线 （1）带偏光、反光附件，（2）
波谱仪，（3）特征X射线能谱仪，（4） 锥光附件，（3）费氏台及旋转
电子能量损失谱仪，（5）俄歇电子谱仪， 针，（4）热台及冷台，（5）油
第四章 电子显微镜分析基础
极靴小孔隙中。如图19.6(a)、(b)、(c)所示，(c)是一种强
磁透镜。由于透镜焦距与所采用的磁场相关 磁场越强 焦 距越短 放大倍数也就越大 电子显微镜的成像物镜大多采 用短焦距的强磁透镜
强磁透镜
2.3 电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长
ro
2
理论上 电子显微镜的分辨率很高 但事实上 其分辨率远
2.4 电子显微镜与光学显微镜的对比 电子显微镜在分辨本领、放大倍数、景深、焦长等 许多方面有着明显的优点 它能把微区（几个微米）、
甚至超微区（10nm以下）把形貌、成分、结构三个主
要测试方面的内容密切结合起来进行研究
电子显微镜的发明及发展开拓了许多新的研究领
域 但电子显微镜也有一些局限性 需要光学显微镜和
第4章
电子显微镜分析基础
一、光学显微镜的分辨率
人眼分辨极限只有0.2mm 光学显微镜的分辨极限是
0.1μm 电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm 最好的电
子显微镜的分辨率已经达到0.07nm 一般原子、离子半
径大约在0.1nm左右
在电子显微镜下可以直接观察到分子 甚至原子的世界 这
个分辨能力比人眼高出了近100万倍 比最好的光学显微
2.3.2电磁透镜的分辨本领 分辨本领取决于透镜的像差和衍射效应所产生的 散焦斑（或称埃利斑）尺寸的大小 光学显微镜在最佳 情况下 分辨本领可以达到照明光波波长的二分之一 电子束波长比可见光波长小五个数量级 如果电磁透镜 像差（特别是球差）能得到较好的矫正 那么它的分辨 本领理应达到照明波的半波长0.002nm极限值（按加速
1 eV m 2 2
式中 e为电子电荷绝对值 V为加速电压(kV) ν为电子运动速 度 m为电子的质量 从上式可以得到电子运动的速率为：
《电子显微镜基础》PPT课件
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SEM & Forensic science
精选PPT
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SEM & Forensic science
精选PPT
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SEM & Forensic science
精选PPT
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SEM & Forensic science
• 扫描电镜能谱仪在涉枪案件中应用的研究, 山东公安丛刊, 1996, 3: 57-58 • 微量金属物证的扫描电镜X射线能谱检验,刑事技术, 1997, 4: 16-17 • 扫描电镜能谱仪在锁具检验中应用的研究,刑事技术, 1999, 5: 25-26 • 导线物证的扫描电镜及能谱鉴定方法, 理化检验, 2002, 38(5): 222-223 • 人发的扫描电镜观察及微量元素特征人发的扫描电镜观察及微量元素特征，
• 扫描电镜与法庭化学 — SEM & Forensic science
• 能谱仪
精选PPT
2
History the microscope
Optical Microscope
Sca精n选PEPห้องสมุดไป่ตู้lectron Microscope 3
What is SEM?
• SEM — — 主要是利用样品表面产生的二次电子成像来
电子显微学报，2003, 22(6): 480-481 • 火灾事故鉴定的扫描电镜研究, 电子显微学报, 2003, 22(6): 636-636 • 扫描电镜-能谱仪在毒物检验中的应用, 刑事技术, 2007, 2: 32-33
• …… • ……
精选PPT
● 18
— — 能谱仪
精选PPT
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— — 能谱仪
电子显微镜基础
揭示微观世界
电子显微镜能够观察超微结构和纳米尺度的事物，揭示物质的微观结构和性质，为材料科 学、环境科学等领域提供有力支持。
促进技术创新
电子显微镜的应用推动了相关领域的技术创新，如电子显微镜成像技术、样品制备技术等 ，为科学研究和技术进步提供了重要支撑。
对未来发展的展望与建议
提升分辨率和观察范围
加强与其他技术的结合
信息提取与应用
细胞结构识别
通过电子显微镜图像解析，可以识别细胞内的各种结构，如细胞核、 线粒体、内质网等，有助于研究细胞生物学和疾病机制。
病毒形态分析
电子显微镜可以观察病毒的形态特征，有助于病毒分类、鉴定和疫 苗研制。
材料表征
通过电子显微镜观察材料的微观结构和形貌，可以评估材料的性能和 潜在应用领域。
随着电子显微镜技术的不断发 展，需要培养更多专业人才来 推动相关领域的研究和应用。 同时，加强国际合作与交流， 共同推动电子显微镜技术的发 展和应用。
THANKS
感谢您的观看
技术特点
具有高分辨率和高放大倍 数，能够观察样品的精细 结构。
扫描电子显微镜（SEM）
工作原理
扫描电子显微镜利用聚焦电子束 扫描样品表面，激发样品表面的 二次电子等信号，再通过电磁透
镜放大成像。
应用领域
适用于观察样品的表面形貌和粗糙 度，广泛应用于材料、地质、医学 等领域。
技术特点
具有高分辨率和高景深，能够观察 样品表面的细节和三维形貌。
自动化与智能化技术
自动化样品加载与定位
开发自动化的样品加载系统，实现快速、准确的样品定位 和观察，提高工作效率。
智能化图像处理与分析
利用人工智能和机器学习技术，对电子显微镜图像进行自 动识别、分类和定量分析，提高图像处理效率和准确性。
电子显微镜能够观察超微结构和纳米尺度的事物，揭示物质的微观结构和性质，为材料科 学、环境科学等领域提供有力支持。
促进技术创新
电子显微镜的应用推动了相关领域的技术创新，如电子显微镜成像技术、样品制备技术等 ，为科学研究和技术进步提供了重要支撑。
对未来发展的展望与建议
提升分辨率和观察范围
加强与其他技术的结合
信息提取与应用
细胞结构识别
通过电子显微镜图像解析，可以识别细胞内的各种结构，如细胞核、 线粒体、内质网等，有助于研究细胞生物学和疾病机制。
病毒形态分析
电子显微镜可以观察病毒的形态特征，有助于病毒分类、鉴定和疫 苗研制。
材料表征
通过电子显微镜观察材料的微观结构和形貌，可以评估材料的性能和 潜在应用领域。
随着电子显微镜技术的不断发 展，需要培养更多专业人才来 推动相关领域的研究和应用。 同时，加强国际合作与交流， 共同推动电子显微镜技术的发 展和应用。
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技术特点
具有高分辨率和高放大倍 数，能够观察样品的精细 结构。
扫描电子显微镜（SEM）
工作原理
扫描电子显微镜利用聚焦电子束 扫描样品表面，激发样品表面的 二次电子等信号，再通过电磁透
镜放大成像。
应用领域
适用于观察样品的表面形貌和粗糙 度，广泛应用于材料、地质、医学 等领域。
技术特点
具有高分辨率和高景深，能够观察 样品表面的细节和三维形貌。
自动化与智能化技术
自动化样品加载与定位
开发自动化的样品加载系统，实现快速、准确的样品定位 和观察，提高工作效率。
智能化图像处理与分析
利用人工智能和机器学习技术，对电子显微镜图像进行自 动识别、分类和定量分析，提高图像处理效率和准确性。
电子显微镜原理教学课件
吸收
样品吸收电子，导致不同区域 呈现不同亮度。
透射
部分电子穿过样品，形成透射 图像。
扫描电镜成像
逐点扫描样品表面，形成高分 辨率图像。
电子显微镜的分辨率
01
02
03
理论分辨率
受电子波长和物镜的NA 值影响。
实际分辨率
受到多种因素影响，如样 品厚度、结晶度和电子束 能量等。
提高分辨率的方法
采用更高能量的电子束、 提高物镜的NA值和使用 更短的波长。
电子显微镜原理教学课 件
目 录
• 电子显微镜简介 • 电子显微镜工作原理 • 电子显微镜样品制备技术 • 电子显微镜图像分析 • 电子显微镜操作与维护 • 电子显微镜未来发展趋势
01
电子显微镜简介
电子显微镜的发展历程
1926年
德国物理学家Max Knoll和Ernst Ruska发 明了第一台电子显微镜
放置样品
将需要观察的样品放置在载物 台上，并调整样品的位置和角 度。
观察
观察并记录样品的形态、结构 等特征。
电子显微镜的常见故障及排除方法
图像模糊
可能是由于焦距调节不当或样品表面 不平整导致，需要重新调整焦距或处 理样品表面。
图像扭曲或变形
可能是由于电子束倾斜或样品放置不 正确引起，需要检查电子束的路径和 样品放置情况。
无法聚焦
可能是由于样品太厚或焦距调节不当 导致，需要减小样品厚度或重新调整 焦距。
光源异常
可能是由于灯泡损坏或电源故障导致 ，需要更换灯泡或检查电源连接。
电子显微镜的日常维护与保养
清洁镜头
定期用干燥的镜头纸或镜头布擦拭镜头表面 ，保持镜头清洁。
定期校准
根据需要，定期对电子显微镜进行校准，以 确保观察结果的准确性。
样品吸收电子，导致不同区域 呈现不同亮度。
透射
部分电子穿过样品，形成透射 图像。
扫描电镜成像
逐点扫描样品表面，形成高分 辨率图像。
电子显微镜的分辨率
01
02
03
理论分辨率
受电子波长和物镜的NA 值影响。
实际分辨率
受到多种因素影响，如样 品厚度、结晶度和电子束 能量等。
提高分辨率的方法
采用更高能量的电子束、 提高物镜的NA值和使用 更短的波长。
电子显微镜原理教学课 件
目 录
• 电子显微镜简介 • 电子显微镜工作原理 • 电子显微镜样品制备技术 • 电子显微镜图像分析 • 电子显微镜操作与维护 • 电子显微镜未来发展趋势
01
电子显微镜简介
电子显微镜的发展历程
1926年
德国物理学家Max Knoll和Ernst Ruska发 明了第一台电子显微镜
放置样品
将需要观察的样品放置在载物 台上，并调整样品的位置和角 度。
观察
观察并记录样品的形态、结构 等特征。
电子显微镜的常见故障及排除方法
图像模糊
可能是由于焦距调节不当或样品表面 不平整导致，需要重新调整焦距或处 理样品表面。
图像扭曲或变形
可能是由于电子束倾斜或样品放置不 正确引起，需要检查电子束的路径和 样品放置情况。
无法聚焦
可能是由于样品太厚或焦距调节不当 导致，需要减小样品厚度或重新调整 焦距。
光源异常
可能是由于灯泡损坏或电源故障导致 ，需要更换灯泡或检查电源连接。
电子显微镜的日常维护与保养
清洁镜头
定期用干燥的镜头纸或镜头布擦拭镜头表面 ，保持镜头清洁。
定期校准
根据需要，定期对电子显微镜进行校准，以 确保观察结果的准确性。
电子显微镜基础
电子显微分析 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。
包括：用透射电子显微镜TEM 进行的透射电子显微分析用扫描电子显微镜SEM 进行的扫描电子显微分析用电子探针仪EPMS 进行的X 射线显微分析电子显微分析是材料科学的重要分析方法之一，与其它的形貌、结构和化学组成分析方法相比具有以下特点：1）具有在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、晶体结构和化学成分。
2） 为一种微区分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率达到0.2～0.3nm （TEM ），可直接分辨原子，能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成分析。
一、电子光学基础磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。
它与几何光学有很多相似之处：（1）几何光学是利用透镜使光线聚焦成像，而电子光学则利用电、磁场使电子束聚焦成像，电、磁场起着透镜的作用。
（2）几何光学中，利用旋转对称面作为折射面，而电子光学系统中，是利用旋转对称的电、磁场产生的等位面作为折射面。
因此涉及的电子光学主要是研究电子在旋转对称电、磁场中的运动规律。
（3）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看成射线，并由此引入一系列的集合光学参数来表征电子透镜对于电子射线的聚焦成像作用。
电镜中，用静电透镜作电子枪，发射电子束；用磁透镜做会聚透镜，起成像和放大作用。
静电透镜和磁透镜统称电子透镜1. 电子在静电场中的运动电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。
初速度为0的自由电子从零电位到达V 电位时，电子的运动速度v 为：(10) 2m eV v当电子的初速度不为零、运动方向与电场力方向不一致时，电场力不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。
2、静电透镜与玻璃的凸透镜可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面簇 也可以使电子束聚焦成像。
产生这种旋转对称等三电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。
它有二极式和三极式之分。
电子显微镜第四章电镜显微图象解释
10
相位衬度的形成
• 无像差的理想透镜的条件下,衍射波与透
射波叠加成像(光阑足够大，使透射波与 衍射波都能通过),叠加后的振幅与入射波 相同，不会有强度差别。不显示衬度。
• 如果引入一个附加相位(使散射波改变相
位)，使衍射波与透射波叠加后的振幅与 入射波不同，从而使像强度产生差异。 显示相位衬度。
8
• 图为三个不同取向下拍摄的位错衬度象．已知样品为
面心立方．各图中已标注了操作矢量．确定各位错的 柏氏矢量
g200
位错 Ａ Ｂ Ｃ
C
A
g=200 可见 不可见 可见
g020 B
A
g11-1 A
g=020 可见 可见 不可见
g=11-1 可见 不可见 不可见
b ½ [110] ½ [011] ½ [101]
MgO/Al2O3界面的高分辨像
13
动力学的理论可以推导出运动学的结果。运 动学结果仅是动力学的一个特例。
4
四. 衍衬技术在材料研究中的应用 • 形貌
5
• 组织结构分析 铝合金不同时效时间的析出相
1h
颗粒状析出物
3h
颗粒逐渐增大,颗粒间距逐渐增加
24h
出现片状析出相,分布不均匀,大小
从30-170nm
6
•确定位错的柏氏矢量
理想晶体
i g
0
exp( 2isz
2ig
• )dz
2
3. 衍衬动力学理论的有关讨论
由理想晶体的动力学方程可求出衍射束的强度
Ig
1 1 (g s)2
t sin 2 (
1 (g s)2 ) g
定义 g s
有效偏离参量 seff
12 g
相位衬度的形成
• 无像差的理想透镜的条件下,衍射波与透
射波叠加成像(光阑足够大，使透射波与 衍射波都能通过),叠加后的振幅与入射波 相同，不会有强度差别。不显示衬度。
• 如果引入一个附加相位(使散射波改变相
位)，使衍射波与透射波叠加后的振幅与 入射波不同，从而使像强度产生差异。 显示相位衬度。
8
• 图为三个不同取向下拍摄的位错衬度象．已知样品为
面心立方．各图中已标注了操作矢量．确定各位错的 柏氏矢量
g200
位错 Ａ Ｂ Ｃ
C
A
g=200 可见 不可见 可见
g020 B
A
g11-1 A
g=020 可见 可见 不可见
g=11-1 可见 不可见 不可见
b ½ [110] ½ [011] ½ [101]
MgO/Al2O3界面的高分辨像
13
动力学的理论可以推导出运动学的结果。运 动学结果仅是动力学的一个特例。
4
四. 衍衬技术在材料研究中的应用 • 形貌
5
• 组织结构分析 铝合金不同时效时间的析出相
1h
颗粒状析出物
3h
颗粒逐渐增大,颗粒间距逐渐增加
24h
出现片状析出相,分布不均匀,大小
从30-170nm
6
•确定位错的柏氏矢量
理想晶体
i g
0
exp( 2isz
2ig
• )dz
2
3. 衍衬动力学理论的有关讨论
由理想晶体的动力学方程可求出衍射束的强度
Ig
1 1 (g s)2
t sin 2 (
1 (g s)2 ) g
定义 g s
有效偏离参量 seff
12 g
2011 固表 Chap 4 电子显微镜-1 电镜基础
第四章电子显微镜主要内容•电子衍射的原理•电镜基础•透射电镜(TEM)及其应用•扫描电镜(SEM)及其应用•SEM/EPMA（或AES）及其应用电镜基础•显微镜的历史及显微学的一些基本概念•电子显微镜的产生及其在材料研究中的作用•电子波与电子源•电子束与试样的相互作用•电子透镜及其分辨本领显微镜的历史•约400年前(即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。
早期的显微镜因早期的显微镜以玻璃镜片做透镜，可见光为光源，故称为光学显微镜(OM)。
现在，最好的光学显微镜可达到1500倍的放大倍数。
现代的光学显微镜•在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：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1000多倍和几百纳米的水平，无法突破。
•后来发现：是显微镜所使用的光源限制了光学显微镜的放大倍数和分辨率的进一步发展。
显微学的一些基本概念•分辨率•放大倍数与空放大•聚焦，欠焦与过焦•景深什么是分辨率？•分辨率指能够清楚地分辨物体细节的本领，用所能区分的两点间的最小距离R 来衡量想看清比0.1mm还小的东西－借助放大镜和显微镜一般明视距离250 mm 处，最佳亮度、衬度下，仅能分辨0.1-0.2 mm.一般明视距离250 mm 处，最佳亮度、衬度下，仅能分辨0.1-0.2 mm.分辨力光学显微镜:以可见光(390-760nm)为光源1880年耶拿大学Abbe 教授证明OM 的分辨力极限R =λ：光源波长；μ: 介质折射率；α：透镜孔径角光学显微镜:以可见光(390-760nm)为光源1880年耶拿大学Abbe 教授证明OM 的分辨力极限R =λ：光源波长；μ: 介质折射率；α：透镜孔径角αμλsin 61.0点分辨的比较示意图不同波长光源分辨本领的比较放大与空放大•定义：对于某一显微镜而言，在其可分辨能力之内的图像放大，叫做有效放大。
第四章电子光学基础及透射电子显微镜
第一聚光镜的缩小倍数为10~50倍，它将 有效光源强烈地缩小成1~5 m的光斑像。 第二聚光镜缩小倍数约为1/2倍。这样， 通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约 为2-10 m的光斑，显著地提高了照明效 果。
2). 成像系统 物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透
镜。它们和样品室构成成像系统，作用是 安置样品、放大成像。
因此，选区光阑一般放在物镜的像
平面位置。这样布置达到的效果与光阑 放在样品平面处是完全一样的。但光阑 孔的直径就可以做得比较大。如果物镜 放大倍数是50倍， 则一个直径等于 50 μ m的光阑就可以选择样品上直径为 1 μ m的区域。
选区光阑
第八章透射电镜
4.4 TEM样品制备 电子束的穿透能力不大，这就要求要将
(1) 物镜 物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有
一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷 都将被其它透镜进一步放大，所以透射电镜的分 辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要求物 镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和 尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最 大分辨本领为0.1nm。
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。
0.2~0.3nm
有效放大倍数 物镜孔径角
103× 约700
106× ＜10
景深
较小
较大
焦长
较短
较长
像的记录
胶片或数码成像
透射电子显微镜成象原理
运动学理论关于衍射强度随晶体位向变化的结果,在实验上也得到证明,那就是弹性形变的薄膜晶体所产生的弯曲消光条纹如下图,
如果o处θ= θ B, s=0在其两侧晶面向相反方向发生转动,s的符号相反,且离开o点的距离愈大,则︱s︱愈大,所以在衍衬图象中对应于s=0的I g max亮线(暗场)或暗线(明场)两侧,还有亮,暗相间的条纹出现,(因为峰值强度迅速减弱,条纹数目不会很多),同一亮线或暗线所对应的样品位置,晶面具有相同的位向(s相同),所以这种衬度特征也叫做等倾条纹.如果倾动样品面,样品上相应于s=0的位置将发生变化,消光条纹的位置将跟着改变,
采用双束近似处理方法，即所谓的“双光束条件”
布拉格反射条件下与反射球相交而形成衍射斑点。 由于强衍射束比入射束弱得多，因此认为这一衍射束不是完全处于准确得布拉格反射位置，而存在一个偏离矢量S，S表示倒易点偏离反射球的程度，或反映偏离布拉格角2θ的程度。 入射束与衍射束不存在相互作用，二者之间无能量交换。 假设电子束在晶体试样内多次反射与吸收可以忽略不计。
基本假设包括下列四点：
第三节 衍衬象运动理论的基本假设
除透射束外，只有一束较强的衍射束参与成象，忽略其它衍射束，故称双光成象。
这一强衍射束相对于入射束而言仍然是很弱的。这在入射电子束波长较弱以及晶体试样较薄的情况下是合适的。因为波长短，球面半径1/λ大，垂直于入射束方向的反射球面可看作平面。加上薄晶的“倒易杆”效应，因此，试样虽然处于任意方位，仍然可以在不严格满足
当t=常数时，衍射强度I g 随衍射晶面的偏离参量s的变化如下图所示。
由此可见，随着s绝对值的增大， I g 也发生周期性的强度振荡，振荡周期为：
s g =1/t, 如果s=±1/t、 ±2/t…… ,I g=0,发生消光.而s=0、 ±3/2t、 ±5/2t, I g有极大值,但随着s的绝对值的增大,极大值峰值强度迅速减小.
电镜的基础知识
3.背散射（backscattered）电子
是指入射电子在样品中受到原子核的散射后被大角度反射回来 的电子，它产生于样品内部约100nm的深度。采用背散射电子所 形成影像的衬度主要取决于样品的原子序数。背散射电子衍射图 可以用来研究样品的晶体学特征.
4.特征X线（characteristic X-ray）
1mm=103um=106nm
1nm=10Å 1 Å=105fm
关于分辨率
1874年，德国的阿贝（E.Abbe）提出分辨率的 计算公式，又称之为abbe 公式。 δ=0.61λ/nsin（α/2） δ —分辨率 λ—所用光波的波长 n—光路中透镜对介质的折射率系数 α —孔径角：又称“镜口角”，是物 镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的 角度。孔径角越大，进入物镜的光通量就越大。
电子显微镜的基础知识
2012春
1.仪器的分辨率
分辨率是标志光学仪器性能的最重要衡量参数， 仪器的分辨率又称为仪器的分辨力或分辨本领。指仪器能 够分辨清楚的两个小点间的最小距离。这距离指两个质点 圆心间的最小距离。 人眼的分辨率为0.2mm，光镜的分辨率为0.2μm，电 镜的分辨率常用纳米表示（毫微米，nm ），还会用埃 （分毫微米，Å）、费米(fm)。
磁透镜不会产生电击穿，像差小，用处较多。
磁透镜
磁透镜种类：
磁场越强越集中，就越能将电子束在较短
的距离内会聚起来，这就形成短焦距透镜，又
称之为强磁透镜。
磁场越弱越分散，电子束就在较长的距离 处会聚，这就形成长焦距透镜，称之为弱磁透 镜。
5. 像差（aberrations）
实际光学系统所成的像与理想光学系统（近轴光 学，Paraxial Optics，高斯光学)所获得的结果有一 定的偏差，称像差，包括几何像差（球差、像散、畸 变）和色差像差。
电子探针显微分析
E
+
FWHM
2 noise
K为常数 E为谱线能量
16
不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV
130eV
140eV
17
2、超薄窗及无窗探头的应用
（1）有机膜超薄窗对低能量（1keV）X 射线也有较高的透过率，所以可分析轻 元素。以前Be窗口元素分析范围为11Na －92U，现在一般都用有机膜超薄窗口， 分析元素可从4Be－92U。
18
(2)无窗探头的应用
无窗探头可以检测LiKα（56eV）、重元素的L线
和M线的X射线强度提高，特别是轻元素X射线强度成 倍提高。适合于轻元素和低加速电压的元素分析。
Improvement in sensitivity of windowless design vs conventional thin window detector for selected X-ray lines
• 电子探针仪镜筒部分的构造大体上和 扫描电子显微镜相同，只是其检测器 部分使用的是X射线谱仪，专门用来检 测X射线的特征波长或特征能量，以此 来对微区的化学成分进行分析。因此 除专门的电子探针仪外，有相当一部 分电子探针仪是作为附件安装在扫描 电镜或透射电镜镜筒上，以满足微区 组织形貌、晶体结构及化学成分三位 一体同位分析的需要。
电子探针仪的结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示意图。由图可知，电 子探针的镜筒及样品室和扫描电镜并无本 质上的差别，因此要使一台仪器兼有形貌 分析和成分分析两个方面的功能，往往把 扫描电子显微镜和电子探针组合在一起。
• 电子探针的信号检测系统是X射线谱仪，用 来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪 (WDS)或波谱仪。用来测定X射线特征能量 的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪
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由于至今还没有找到一种矫正球差的有效办法 故采用尽 可能小的孔径角成像 随透镜孔角的减小 虽然球差散焦 斑半径显著的减小了 但衍射效应引起的埃利斑半径却 增大了 制造具有大孔径角、低球差、高分辨率的电磁 透镜有一定难度 采用小孔径角的电磁透镜成像 只能达 到0.14nm左右晶格分辨率 比极限值0.002nm还差100倍 左右
运动的电子束流在受到电场或磁场作用时会改变前进的 轨迹和运动方向 并且不同的磁场对电子运动轨迹的影 响也不会相同 电子束流在电磁场中发生弯曲 即可折射 性 类似于自然光线通过玻璃透镜时的情况一样
电子束在电场作用下折射 静电透镜
磁透镜的聚焦原理
A D B
C
当一个电子在磁场中运动的时候 如果它平行于磁场的磁 力线方向 就不受外力影响
强磁透镜
2.3 电磁透镜的像差、分辨本领、景深和焦长
ro
2
理论上 电子显微镜的分辨率很高 但事实上 其分辨率远 达不到理论值 WHY?
像差！
2.3.1 电磁透镜的像差 电磁透镜存在各种像差：一类是透镜磁场几何上的缺陷产生
的几何像差，包括球面像差（球差）、像散和像畸变；另一类是 电子波长或能量单一性引起的色差；还有一种是由衍射效应引起 的衍射像差
第4章 电子显微镜分析基础
一、光学显微镜的分辨率
人眼分辨极限只有0.2mm 光学显微镜的分辨极限是 0.1μm 电子显微镜的分辨率普遍达到0.3nm 最好的电 子显微镜的分辨率已经达到0.07nm 一般原子、离子半 径大约在0.1nm左右 在电子显微镜下可以直接观察到分子 甚至原子的世界 这 个分辨能力比人眼高出了近100万倍 比最好的光学显微 镜也高出了1000倍
（1）球面像差（球差） 球面像差是指在电磁透镜的磁场中 近轴区域磁场对电子束的
折射能力与远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的 一 个理想的物点所散射的电子经过具有球差的电磁透镜后 不能汇 聚于同一个像点上 而被分别汇聚在一定的轴向距离上 在轴向距 离范围内 存在着一个最小的焦斑 必须尽可能减小球差引起的最 小散焦斑的尺寸 以利提高透镜的分辨本领
电磁透镜的像放大倍数(M)也可以用下式表明：
磁透镜分为几种：一种是无芯的多层线圈型的螺旋管；另 一种用软铁包住线圈减少漏磁 将磁场集中在铁芯的内孔 隙里；还有一种用软铁包住线圈 使磁场集中在被插入的 极靴小孔隙中。如图19.6(a)、(b)、(c)所示，(c)是一种强 磁透镜。由于透镜焦距与所采用的磁场相关 磁场越强 焦 距越短 放大倍数也就越大 电子显微镜的成像物镜大多采 用短焦距的强磁透镜
多级电磁透镜组成的电子显微镜的放大倍数等于 各级透镜放大倍数之和 因此最终图像的焦长更 长了 约为10～20cm 这样就可以容易的拍摄清 晰的电子图像
2.4 电子显微镜与光学显微镜的对比 电子显微镜在分辨本领、放大倍数、景深、焦长等
许多方面有着明显的优点 它能把微区（几个微米）、 甚至超微区（10nm以下）把形貌、成分、结构三个主 要测试方面的内容密切结合起来进行研究
（10）拉伸、旋钮、压缩，等等
3.电子束和物质之间的相互作用
高速运动的电子束轰击样品 就会产生许多物理信息 主要有二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子、连 续X射线、特征X射线、X荧光、阴极发光、透射电子、衍 射电子、电动势场等 如图19.11所示
高速运动的入射电子受样品物质中原子核的散射 一般 只改变运动方向 并不损失能量或者能量损失甚微 这种散 射叫做弹性散射；如果入射电子受样品物质作用不仅改变 了电子运动的方向 而且电子有不同程度的能量损失 这种 散射叫做非弹性散射
要的特点 即景深很大、焦长很长 （1） 景深
像平面不动(像距不变) 在满足成像 清晰的前提下 物平面沿轴线前后可 移动的距离
因此 透镜的景深(Df)可以定义为透镜的物平面允许的轴 向偏差值 它与电磁透镜分辨本领Δγ0 、孔径半角α之间的 关系为：
Df
2 0 tg
2 0
从上式可以看出 电磁透镜孔径半角越小、景深越大 若 Δγ0 ＝1nm α＝10-2～10-3弧度 则Df＝200～2000nm
外力使电子在一个包含电子运动方向和垂直于磁力线方向
的平面上运动 如果磁场强度是常数 电子运动轨迹在垂 直于磁力线的平面上描绘出一个圆
这个圆的半径(r)由向心力和电磁场力所决定 可以由下面 A
的方程式表达：
r m
eB
B C
在电子光学系统中使用的是一种具有旋转对称非均匀的磁 场 这种磁极装eV 2m0c2
把h、 m0值代入得：
12.25
V 1 0.9788 106V
电子波长比可见光波长短得多 利用电子作为光源 可以大大提高显微镜的分辨本领和 有效放大倍数 只要能够造出使电子聚焦的透镜 就能获得高分辨率、 高放大倍数的图像
2.2 电子在电磁场中的运动
射电子 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子 入 射电子只受到原子核单次或很少几次大角度弹性背散射后 被反射回来 能量没有或几乎没有发生变化 这种电子叫做 弹性背散射电子 还有一些电子与核外电子 特别是价电子 作用 除电子运动方向改变 入射电子能量也不同程度地损 失 这种电子叫做非弹性背散射电子
分辨率由什么决定？ 波长
分辨率定义: 当两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时 物平面上相应的两个物点的间距(Δro)
ro
Ro M
0.61 n sin
Ro
n最大: 1.5
α最大: 75
ro 2
波长越长 分辨率越差
显微镜放大倍数=人眼分辨本领/分辨率=400000/λ
λ单位: nm 光学显微镜放大倍数: 1000~1500
为什么不用紫外&X射线做照明光源？
紫外: 容易被物质强烈吸收 X射线: 难以改变方向、发生折射及聚焦成像
二、电子光学基础
电子显微镜是利用电子束流作为光源使物体成像的 电子束流实际上是一种阴极射线流 是一种带负电的粒
子流 它具有波动性和粒子性
2.1 电子束流的特点
1924年 德步罗意(Broglie De)证明粒子在高速运动时候 会发射出一定波长电磁辐射 这种波的波长(λ)与粒子 运动速率(v)、粒子质量(m)之间存在着以下关系：
背散射电子除了与样品形貌有关外 还与样品成分有密切 关系 平均原子序数高的物相的背散射能力强 样品中 不同物相对入射电子的背散射能力与不
同物相各自的平均原子序数大小 有关 平均原子序数大的物相背 散射能力大背散射系数就高 图 19.12表示背散射系数与原子序 数的关系
（2）二次电子 当以价电子为主的原子核外电子从入射电子那里获
球差最小散焦斑半径（rs）可表示为：
rs
1 4
Cs
3
式中Cs表示电磁透镜球差系数 α表示电磁透镜孔径半角 从上式看 球差最小散焦斑半径与球差系数成正比 与孔
径角α3成正比 增加极靴孔隙中的磁场强度 就会降低球面像差系数 在电
子束的路径上放置一个适当大小的光栏 就能减小电子 束发射角 因而就减小了球面像差 但光栏孔太小就会使 衍射像差变得明显 需要适当选择光阑
光学玻璃透镜
分辨率
透射电镜为0.14nm，扫描电镜为 6nm
可见光区为200nm
放大倍数
10～105倍，连续可调
10～2000倍，更换透镜
景深
在1000倍时，景深约为30μm 在1000倍时，景深约为0.1μm
聚焦原理
电子聚焦
机械聚焦
主要图像 透射电子像，二次电子像，背散射 光学透射像，反射像及其他 电子像，吸收电子像，X射线面扫描 干涉像 像，X射线扫描像
电子显微镜的发明及发展开拓了许多新的研究领 域 但电子显微镜也有一些局限性 需要光学显微镜和 其他一些测试分析方法来补充许多不足之处
特点内容
电子显微镜
光学显微镜
照射束
电子束（λ＝0.0037nm～∞）
光束（λ＝400nm～750nm）
媒质
真空（1.33×10-2～1.33×10-6Pa）
大气
透镜
电子透镜（电磁透镜）
2eV
m
加速电压比较低时 电子运动速率比光速小的多 它的质量
近似等于电子静止质量 即
h m
m m0 将 2eV
m
代入
整理可以得到：
h
2em0V
低电压
把h＝6.62×10-34J·s、e＝1.60×10-19C、m0＝
9.11×10-31kg数值代1入2上.25式可以得到：
V
加速电压比较高时 电子波长 计算必须引h 入相对
得了大于相应的临界电离激发结合能的能量后 可离开原 子变成自由电子 其中一种从样品表面逸出 变为真空中 的自由电子 即二次电子 由于价电子结合能很小 高能量 的入射电子被样品吸收时可使样品产生许多自由电子 其 中价电子电离约占电离总数的90％ 所以 检测到的二次 电子 绝大部分是来自价电子的电离
一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜后 将被聚焦在 轴线上一点 即焦点 这与光学玻璃 凸透镜对平行轴线 入射的光线的聚焦作用十分相似 这表明 电磁透镜与光 学凸透镜有相似的光学性质
1 1 1
电磁透镜的物L距1 L1、L2像距fL2和焦距f之间的关 系也可以用光学显微镜成像原理公式表达：
M L2 L1
（2）像像散散是电磁透镜磁r场A 非旋转对f2称A引起的像差
主要原因: 极靴材料不均匀 机械加工的精度差 电子束路径 污染 一般采用消像散器来消除像散 像散严重时 则需要清洗电 镜 甚至更换极靴 像散焦斑半径可以表示为：
式中Δf 为由透镜磁场非旋转对称产生的焦差 α为透镜的半孔径角
消像散器
（3）色差
（2） 焦长
物点固定不变(物距不变) 在保持成像清 晰的条件下 像平面沿透镜轴线可移动 的距离
DL与分辨本领Δγ0及像点所张的孔径半角